颗粒越大所形成的地层孔隙率

土是由岩石风化生成的松散沉积物，其物质成分包括构成土骨架的矿物颗粒及填充在孔隙中的水和气体，形成所谓的三相体系，即固相（颗粒）、液相（水）和气相（空气）。特殊情况下，土由两相组成：干土由颗粒和气体组成，没有水；饱和土由颗粒和水组成，没有气体。土的三相组成物质的性质，相对含量以及土的构造，都会对土的物理力学性质产生影响。

固体颗粒（固相）构成土的骨架，土粒大小与其颗粒形状、矿物成分及其组成情况对土物理力学性质影响很大。

1）土的矿物成分

土的矿物成分主要取决于母岩的矿物成分及其所经受的风化作用。不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响，通常，粗大土粒其矿物成分往往保持母岩未风化的原生矿物，而细小土粒主要是次生矿物等无机物质以及土生成过程中混入的有机质。因此，细粒土的矿物成分更为重要。

土的矿物成分可分为原生矿物和次生矿物。原生矿物是由岩浆在冷凝过程中形成的矿物，其矿物成分与母岩相同，常见的如石英、长石、云母等。一般较粗颗粒的漂石、卵石、圆砾等，都是由原生矿物组成的。由于其颗粒大，比表面积小（单位体积内颗粒的总表面积），与水的作用能力弱，其抗水性和抗风化作用都强，故工程性质比较稳定。其组成的土具有无黏性、强度高、压缩性较低的特征。

次生矿物是原生矿物经化学风化作用后形成的新矿物（例如黏土矿物）。它们颗粒细小，呈片状，是黏性土固相的主要成分，其矿物成分与母岩不相同。例如黏土矿物的蒙脱石、伊利石、高岭石等。由于其粒径非常小（小于2μm），具有很大的比表面积，与水的作用能力很强，能发生一系列复杂的物理、化学变化。上述3种黏土矿物的亲水性和膨胀性依次减弱。

2）土粒粒组

自然界中的土都是由大小不同的土粒组成，大的有几十厘米，小的只有千分之几毫米；形状也不一样，粗大土粒往往是岩石经物理风化作用形成的原岩碎屑，是物理化学性质比较稳定的原生矿物颗粒，其形状呈块状或粒状。细小土粒主要是化学风化作用形成的次生矿物颗粒和生成过程中介入的有机物质，其形状主要呈片状。这与土的矿物成分有关，也与土粒所经历的风化、搬运过程有关。

土粒的大小称为粒度，通常以粒径表示。工程上一般将大小相近、性质相似的土粒合并为组，这种按土粒粒径大小和工程性质归并、划分的组别称为粒组。而划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。对于粒组的划分方法，目前各个国家、各个部门并不统一。表2-1为一种常用的土粒粒组的划分方法。表中根据《土的工程分类标准》（GB/T 50145—2007），按规定的界限粒径200mm、60mm、2mm、0.075mm和0.005mm，将土粒粒组先粗分为巨粒、粗粒和细粒3个统称，再细分为6个粒组：漂石（块石）、卵石（碎石）、圆砾（角砾）、砂粒、粉粒和黏粒。

表2-1　土粒粒组的划分

注：（1）漂石、卵石和圆砾颗粒均呈一定的磨圆状（圆形或亚圆形）；块石、碎石和角砾颗粒均呈棱角状；

（2）粉粒可称为粉土粒，粉粒的粒径上限0.075mm相当于200号筛的孔径；

（3）黏粒可称为黏土粒，黏粒的粒径上限也有采用0.002mm为标准的。

3）土的颗粒级配

土中土颗粒的大小及其组成情况，通常用颗粒级配来表示。所谓颗粒级配，就是土中各个粒组的相对含量，即各粒径的质量占总质量的百分数。确定土中各个粒组相对含量的方法称为土的颗粒分析试验，有筛分法和沉降分析法两种。筛分法适用于粒径小于或等于60mm、大于0.075mm的粗粒土。对于粒径小于0.075mm的细粒土，则可用沉降分析法（水分法）。通常需将上述两种方法联合使用。

（1）筛分法

用一套标准筛子［如孔径（mm）分别为60、40、20、10、5、2、1、0.5、0.25、0.1、0.075］，按从上至下筛孔逐渐减小放置，将风干且分散了的有代表性的试样倒入标准筛内摇振，然后分别称出留在各筛子上的土重，并计算出各粒组的相对含量，即得土的颗粒级配。

（2）沉降分析法

具体有密度计法和移液管法（也称吸管法）。这两种方法的理论基础都是依据Stokes（斯托克斯）定律，即球状的细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径的平方成正比，用公式表示为

注：直径d以毫米计。实际上土粒并不是圆球形颗粒，因此用Stokes公式求得的粒径并不是实际土粒的尺寸，而是与实际土粒有相同沉降速度的理想球体的直径，称为水力直径。

具体的试验过程是：将过了筛的风干试样盛入1000mL的量筒中，注入蒸馏水搅拌制成一定体积的均匀浓度的悬浮液，如图2-1所示。停止搅拌静置一段时间t后，根据式（2-1），在液面以下深度Li以上的溶液中就不会有大于di的颗粒（见图2-1），如在Li处考虑一小区段m～n，则m～n内的悬浮液中只有等于及小于di的颗粒，而且等于及小于di颗粒的浓度与开始时均匀悬浮液中等于及小于di颗粒浓度相等。其效果如同土样在孔径为di的筛子里一样。这样，任一时刻在任一Li处悬浮液中di颗粒浓度可用密度计法或移液管法测定。

图2-1　土粒在悬浮液中的沉降

密度计的外形如图2-2所示，它的读数既表示浮泡中心处的悬浮液密度ρi，又表示从悬浮液表面到浮泡中心处的沉降距离Li。速度。则在深度Li处等于及小于di粒径的土粒质量msi为

图2-2　密度计

式中：ρs——土粒的密度（g/cm3）；

ρw——水的密度（g/cm3）。

那么，相应di（mm）的土粒质量msi占土粒总质量ms的累计百分比Pi（以%表示）为

因此，具体试验时，只要将悬液搅拌均匀后，放入密度计，隔不同的时间ti（min）（1、2、5、15、30、60、240、1440），测读密度计读数ρi及Li，就能求出相应于不同时间ti的一系列di和Pi值。移液管法是按规定时间把土样吸出（通常在100mm深度处吸出10mL左右），然后烘干土样，记录留下来的土颗粒质量。

表2-2　土的颗粒级配

根据颗粒分析试验结果，常采用累计曲线表示土的级配。如果曲线较陡（如图2-3曲线A、C），表示粒径大小相差不多，土粒较均匀，级配不良；反之，曲线平缓（图2-3曲线B），则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，即级配良好。为了定量说明问题，工程中常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来反映土颗粒级配的不均匀程度，其计算公式为

图2-3　土的颗粒级配曲线

式中：d60——小于某粒径的土粒质量占土总质量60%的粒径，称为限定粒径；

d10——小于某粒径的土粒质量占土总质量10%的粒径，称为有效粒径；

d30——小于某粒径的土粒质量占土总质量30%的粒径，称为中值粒径。

可见，不均匀系数Cu反映了大小不同粒组的分布情况，即土粒大小或粒度的均匀程度。Cu越大表示粒度的分布范围越大，土粒越不均匀，其级配越良好。曲率系数Cc描述了级配曲线分布的整体形态，表示是否有某粒组缺失的情况。

工程上对土的级配是否良好可按如下规定判断：

① 对于级配连续的土；Cu>5，级配良好；Cu<5，级配不良。

② 对于级配不连续的土，级配曲线上呈台阶状（见图2-3曲线C），采用单一指标Cu难以全面有效地判断土的级配好坏，需同时满足Cu>5和Cc=1～3两个条件时才为级配良好，反之则级配不良。一般认为：砾类土或砂类土同时满足Cu>5和Cc=1～3两个条件时，则定名为良好级配砾或良好级配砂。

工程中对于级配良好的土，较细颗粒填充粗颗粒之间的孔隙，密实度较好。作为建筑地基，承载力较高，稳定性较好，透水性和压缩性也较小；而作为填筑工程的建筑材料，则比较容易夯实，是堤坝、路基及其他土方工程中良好的填方用土。

土中水有液态水、固态水和气态水3种存在形态，而水在土中不同的存在形态对土的性质影响很大。固态水又称矿物内部结晶水或内部结合水，是指存在于土粒矿物的晶体格架内部或是参与矿物构造的水。根据其对土的工程性质的影响，可把矿物内部结合水当做土体矿物颗粒的一部分，这种水只有在比较高的温度下（80～680℃），才能化为气态水而与颗粒分离。气态水是土中气的一部分。液态水是人们日常生活中不可缺少的物质，通常分为自来水、井水、河水与海水等。土孔隙中的水，按其所呈现的状态和性质以及其对土的影响，分为结合水和自由水两种类型。

1）结合水

结合水是指受电分子吸引力作用吸附于土粒表面成薄膜状的水。这种电分子吸引力高达几千到几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固地黏结在一起。它又可细分为强结合水和弱结合水两种。

（1）强结合水

强结合水紧靠土粒表面，受到电分子引力强，水分子与水化离子排列得非常紧密，密度为1.2～2.4g/cm3，冰点为-78℃，有过冷现象，即温度降到零度以下不发生冻结现象。而黏土只含强结合水时，呈固体状态，磨碎后呈粉末状态；砂土的强结合水很少，仅含强结合水时呈散粒状。

（2）弱结合水

距土粒表面较远地方的结合水称为弱结合水。仍受颗粒表面电荷所吸引而定向排列于颗粒四周，但水分子的排列不如强结合水紧密，密度为1.1～1.7g/cm3，冰点为-30～-20℃。受力时能由水膜较厚处缓慢转移到水膜较薄处，也可以因电场引力从一个土粒的周围移到另一个颗粒的周围。也就是说，弱结合水膜能发生变形，不能传递静水压力，也不因重力作用而流动。弱结合水的存在是使黏性土具有可塑性的原因，也影响土的冻胀，一般认为弱结合水对黏性土的影响最大。

2）自由水

自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的土中水。它的性质与普通水一样，能够传递静水压力，冰点为0℃，有溶解盐类的能力。自由水按所受作用力的不同，又可分为重力水和毛细水两种。

（1）重力水

重力水是存在于地下水位以下透水土层中的地下水，因为在本身重力作用下运动，故称为重力水。在重力或压力差作用下能在土中渗流，对于土粒和结构物水下部分都有浮力作用，在土力学计算中，应考虑这样的渗流及浮力的影响。

（2）毛细水

毛细水是受到水与空气样界面处表面张力的作用、存在于地下水位以上的透水层中的自由水。毛细水不仅受到重力作用，还受到表面张力的支配，能沿着土的细毛孔从潜水面上升到一定的高度，毛细水的上升高度与土粒的粒度和成分有关。这种毛细水上升对于公路路基土的干湿状态及建筑物的防潮有重要影响，在工程中要高度重视。

土的气相是指孔隙中未被水所占据的部位，分自由气体和封闭气泡两类。

土在孔隙中的气体与大气相连通的部分为自由气体。在粗颗粒的沉积物中常见到与大气相连通的空气，当土受外荷载作用时易被挤出土体外，对土的工程性质影响不大。

细颗粒中则存在与大气隔绝的封闭气泡，在受到外力作用时不能逸出。随着压力的增大，气泡可能压缩或溶解于水中，当压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来，使土的弹性增加，延长土体受力后变形达到稳定的时间，降低透水性。可见，封闭气体对土的工程性质影响较大。

含气体的土称为非饱和土，非饱和土的工程性质研究已成为土力学的一个新的分支。