第1章 土的物理性质及工程分类 1.1 土的形成 岩土体是地壳的物质组成。岩体是地壳表层圈层，经建造和改造而形成的具一定组分和结构的地质体。它赋存于一定的地质环境之中，并随着地质环境的演化和地质作用的持续，仍在不断的变化着。土体是岩石风化的产物，是一种松散的颗粒堆积物。由于岩土材料组成的复杂性，其性质在许多方面不同于其它材料，具有其特有的多变性及复杂性。以下就岩土的特性分别简述之。 1.2 土的组成 1.1.1 土的结构与特性 土是一种松散的颗粒堆积物。它是由固体颗粒、液体和气体三部份组成。土的固体颗粒一般由矿物质组成，有时含有胶结物和有机物，这一部分构成土的骨架。土的液体部分是指水和溶解于水中的矿物质。空气和其它气体构成土的气体部分。土骨架间的孔隙相互连通，被液体和气体充满。土的三相组成决定了土的物理力学性质。 1） 土的固体颗粒 土骨架对土的物理力学性质起决定性的作用。分析研究土的状态，就要研究固体颗粒的状态指标，即粒径的大小及其级配、固体颗粒的矿物成分、固体颗粒的形状。 （1）固体颗粒的大小与粒径级配 土中固体颗粒的大小及其含量，决定了土的物理力学性质。颗粒的大小通常用粒径表示。实际工程中常按粒径大小分组，粒径在某一范围之内的分为一组，称为粒组。粒组不同其性质也不同。常用的粒组有：砾石粒、砂粒、粉粒、粘粒、胶粒。以砾石和砂粒为主要组成成分的土称为粗粒土。以粉粒、粘粒和胶粒为主的土，称为细粒土。土的工程分类见本章第三节。各粒组的具体划分和粒径范围见表1-1。 土中各粒组的相对含量称土的粒径级配。土粒含量的具体含义是指一个粒组中的土粒质量与干土总质量之比，一般用百分比表示。土的粒径级配直接影响土的性质，如土的密实度、土的透水性、土的强度、土的压缩性等。要确定各粒组的相对含量，需要将各粒组分离开，再分别称重。这就是工程中常用的颗粒分析方法，实验室常用的有筛分法和密度计法。 筛分法适用粒径大于0.075mm的土。利用一套孔径大小不同的标准筛子，将称过质量的干土过筛，充分筛选，将留在各级筛上的土粒分别称重，然后计算小于某粒径的土粒含量。 密度计法适用于粒径小于0.075mm的土。基本原理是颗粒在水中下沉速度与粒径的平方成正比，粗颗粒下沉速度快，细颗粒下沉速度慢。根据下沉速度就可以将颗粒按粒径大小分组（详见土工试验书籍）。 当土中含有颗粒粒径大于0.075mm和小于0.075mm的土粒时，可以联合使用密度计法和筛分法。 工程中常用粒径级配曲线直接了解土的级配情况。曲线的横坐标为土颗粒粒径的对数，单位为mm；纵坐标为小于某粒径土颗粒的累积含量，用百分比（%）表示。如图1-1。 颗粒级配曲线在土木、水利水电等工程中经常用到。从曲线中可直接求得各粒组的颗粒含量及粒径分布的均匀程度，进而估测土的工程性质。其中一些特征粒径，可作为选择建筑材料的依据，并评价土的级配优劣。特征粒径有： d10 － 土中小于此粒径的土的质量占总土质量的10%，也称有效粒径； d30 － 土中小于此粒径的土的质量占总土质量的30%； d50 － 土中小于此粒径的土的质量和大于此粒径的土的质量各占50%，也称平均粒径，用来表示土的粗细； d60 － 土中此粒径土的质量占总土质量的60%，也称限制粒径。粒径分布的均匀程度由不均匀系数Cu表示： Cu= d60/ d10 (1-1) Cu愈大，土愈不均匀，也即土中粗、细颗粒的大小相差愈悬殊。 若土的颗粒级配曲线是连续的，Cu愈大，d60与d10相距愈远，则曲线愈平缓，表示土中的粒组变化范围宽，土粒不均匀；反之，Cu愈小，d60与d10相距愈近，曲线愈陡，表示土中的粒组变化范围窄，土粒均匀。工程中，把Cu＞5的土称为不均为土，Cu≤5的土称为均匀土。 若土的颗粒级配曲线不连续，在该曲线上出现水平段，如图1-1曲线②和③所示，水平段粒组范围不包含该粒组颗粒。这种土缺少中间某些粒径，粒径级配曲线呈台阶状，土的组成特征是颗粒粗的较粗，细的较细，在同样的压实条件下，密实度不如级配连续的土高，其它工程性质也较差。 土的粒径级配曲线的形状，尤其是确定其是否连续，可用曲率系数Cc反映： (1-2) 若曲率系数过大，表示粒径分布曲线的台阶出现在d10和d30范围 内。反之，若曲率系数过小，表示台阶出现在d30和d60范围内。经验表明，当级配连续时，Cc的范围大约在1－3。因此，当Cc ＜1或Cc＞3时，均表示级配曲线不连续。 由上可知，土的级配优劣可由土中土粒的不均匀系数和粒径分布曲线的形状曲率系数衡量。我国《土的分类标准》（GBJ 145-90）规定：对于纯净的砂、砾石，当实际工程中，Cu大于或等于5，且Cc等于1~3时，它的级配是良好的；不能同时满足上述条件时，它的级配是不良的。 （2） 固体颗粒的成份 土中固体颗粒的成份绝大多数是矿物质，或有少量有机物。颗粒的矿物成份一般有两大类，一类是原生矿物，另一类是次生矿物。 （3）固体颗粒的形状 原生矿物的颗粒一般较粗，多呈粒状；次生矿物的颗粒一般较细，多呈片状或针状。土的颗粒愈细，形状愈扁平，其表面积与质量之比愈大。。 对于粗颗粒，比表面积没有很大意义。对于细颗粒，尤其是粘性土颗粒，比表面积的大小直接反应土颗粒与四周介质的相互作用，是反应粘性土性质特征的一个重要指标。 2）土的液体部分 如前所述，土中液体含量不同，土的性质就不同。土中的液体一部分以结晶水的形式存在于固体颗粒的内部，形成结合水；另一部分存在于土颗粒的孔隙中，形成自由水。 （1）结合水 在电场作用力范围内，水中的阳离子和极性分子被吸引在土颗粒周围，距离土颗粒越近，作用力越大；距离越远，作用力越小，直至不受电场力作用。通常称这一部分水为结合水。特点是包围在土颗粒四周，不传递静水压力，不能任意流动。由于土颗粒的电场有一定的作用范围，因此结合水有一定的厚度，其厚度首先与颗粒的粘土矿物成分有关。在三种粘土矿物中，由蒙脱石组成的土颗粒，尽管其单位质量的负电荷最多，但其比表面积较大，因而单位面积上的负电荷反而较少，结合水层较薄；而高岭石则相反，结合水层较厚。伊利石介于二者之间。其次，结合水的厚度还取决于水中阳离子的浓度和化学性质，如水中阳离子浓度越高，则靠近土颗粒表面的阳离子也越多，极性分子越少，结合水也就越薄。 （2）自由水 不受电场引力作用的水称为自由水。自由水又可分为毛细水和重力水。 ① 毛细水，毛细水分布在土颗粒间相互连通的弯曲孔道。由于水分子与土颗粒之间的附着力和水、气界面上的表面张力，地下水将沿着这些孔道被吸引上来，而在地下水位以上形成一定高度的毛细管水带。它与土中孔隙的大小、形状、土颗粒的矿物成分以及水的性质有关。 在潮湿的粉、细砂中，由于孔隙中的气与大气相通，孔隙水中的压力也小于大气压力，此时孔隙水仅存于土颗粒接触点周围。 ② 重力水，在重力本身作用下的水称重力水。重力水能在土体中自由流动，具有溶解能力，能传递水压力。 水是土的重要成分之一。一般认为水不能承受剪力，但能承受压力和一定的吸力；一般情况下，水的压缩量很小，可以忽略不计。 3）土的气体部分 在非饱和土中，土颗粒间的孔隙由液体和气体充满。土中气一般以下面两种形式存在于土中：一种是四周被颗粒和水封闭的封闭气体，另一种是与大气相通的自由气体。 当土的饱和度较低，土中气体与大气相通时，土体在外力作用下，气体很快从孔隙中排出，则土的强度和稳定性提高。当土的饱和度较高，土中出现封闭气体时，土体在外力作用下，则体积缩小；外力减小，则体积增大。因此，土中封闭气体增加了土的弹性。同时，土中封闭气体的存在还能阻塞土中的渗流通道，减小土的渗透性。 1.3 土的物理性质指标 由于土是由固体颗粒、液体和气体三部分组成，各部分含量的比例关系，直接影响土的物理性质和土的状态。例如，同样一种土，松散时强度较低，经过外力压密后，强度会提高。对于粘性土，含水量不同，其性质也有明显差别，含水量多，则软；含水量少，则硬。 在土力学中，为进一步描述土的物理力学性质，将土的三相成分比例关系量化，用一些具体的物理量表示，这些物理量就是土的物理力学性质指标。如含水量、密度、土粒比重、孔隙比、孔隙率和饱和度等。为了形象、直观地表示土的三相组成比例关系，常用三相图来表示土的三相组成，如图1-2所示。在三相图左侧，表示三相组成的质量，三相图的右侧，表示三相组成的体积。 1) 实测指标 （1）土的含水率 ( ω ) 土的含水量 ω 是指土中液体的质量 (mw ) 和土颗粒质量 (ms) 之比，用百分比表示。这一指标需通过试验取得。 （1-4） 式中土粒的质量 ms 就是干土的质量，是把土烘干至恒量后称得的，气体的质量忽略小计，液体的质量由总质量 m 和干土的质量ms 相减而得。 （2）土的密度 ( ( ) 土的密度 ( 是指单位体积土的质量，在三相图中，即是总质量与总体积之比。单位用 或计。公式如下： （1-5） 对粘性土，土的密度常用环刀法测得。即用一定容积V的环刀切取试样，称得质量m，即可求得密度 ( 。( 通常称为天然密度或湿密度。工程计算中还常用到饱和密度和干密度两种密度。 饱和密度((sat)：孔隙完全被水充满时土的密度，公式为： （1-6） 干密度（(d）：土被完全烘干时的密度，若忽略气体的质量，干密度在数值上等于单位体积中土粒的质量。公式为 （1-7） 实际工程中，由于人们习惯用重量表示物质含量的多少，所以还常用到土的重度。对应于上述几种密度，相应地用天然重度γ、饱和重度γsat和干重度γd来表示土在不同含水状态下单位体积的重量。在数值上，它们等于相应的密度乘以重力加速度g。此外，静水中土体受水的浮力作用，其重度等于土的饱和重度减去水的重度，称为浮重度γ′，单位用计。由于重量 (G) 与质量 (m) 有存在G = mg 关系，所以土的重度γ与土的密度 ( 的关系如下： γ = ( ╳ g = 9.8( ( 1-8 ) 其中g为重力加速度（）有时工程上为了计算方便，取 。土的密度随土的三相组成比例不同而异，一般情况在1.60 ~ 2.20之间。 （3） 土粒比重 ( Gs ) 土粒比重 ( Gs) 是土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4℃时的质量之比，这一指标需试验取得，公式如下： （1-9） 式中，( s为土粒的密度，即单位土体土粒的质量； 为4℃时纯蒸馏水的密度。 土粒比重常用比重瓶法测得。将比重瓶加满蒸馏水，称水和瓶的总质量m1；然后把烘干土ms装入该空比重瓶，再加满蒸馏水，称总质量m2，按下面的公式求得土粒比重： ( 1-10 ) 实际上由于 = 1.0g/ ，故土粒比重在数值上等于土粒的密度，但无量纲。 天然土的颗粒是由不同的矿物组成的，它们的比重一般并不相同。试验测得的是土粒的比重的平均值。土粒的比重变化范围较小，砂土一般在2.65左右，粘性土一般在2.75左右；若土中的有机质含量增加，则土的比重将减小。 2）其它指标 （1）孔隙比（ e） 孔隙比是指孔隙的体积与固体颗粒实体的体积之比，用小数表示，公式为：  (1-11) （2）孔隙度（ n） 孔隙度是指孔隙的体积与土的总体积之比，用百分数表示，公式为： (%) ( 1-12 ) 根据二者的定义很容易证明，孔隙度 n 与孔隙比 e 之间有如下关系： ( 1-13 ) 或 ( 1-14 ) 土的孔隙比和孔隙度都是用来表示孔隙体积的含量。同一种土，孔隙比和孔隙度不同，土的密实程度也不同。它们随土的形成过程中所受到的压力、粒径级配和颗粒排列的不同而有很大差异。一般来说，粗粒土的孔隙度小，如砂类土的孔隙度一般在30%左右；细粒土的孔隙度大，如粘性土的孔隙度有时可高达70%。 （3）饱和度 (Sr) 土的饱和度Sr是指土孔隙中液体的体积与孔隙的体积之比，用百分数表示，公式如下 （1-15） 含水率ω是用来表示土中含水程度的一个重要指标，饱和度Sr则用来确定孔隙中充满水的程度。很显然，干土的饱和度Sr=0,饱和土的饱和度Sr=100% 。 土的物理性质指标之间的关系可用三相图来换算。 1.4 土的物理状态指标 1.5.1粘性土（细粒土）的物理状态指标 粘性土最主要的特征是它的稠度，稠度是指粘性土在某一含水量下的软硬程度和土体对外力引起的变形或破坏的抵抗能力。当土中含水量很低时，水被土颗粒表面的电荷吸着于颗粒表面，土中水为强结合水，土呈现固态或半固态。当土中含水量增加，吸附在颗粒周围的水膜加厚，土粒周围除强结合水外还有弱结合水。弱结合水不能自由流动，但受力时可以变形，此时土体受外力作用可以被捏成任意形状，外力取消后仍保持改变后的形状，这种状态称为塑态。当土中含水量继续增加，土中除结合水外已有相当数量的水处于电场引力范围外，这时，土体不能受剪应力，呈现流动状态。实质上，土的稠度就是反应土体的含水量。 土从一种状态转变成另一种状态的界限含水量，称为稠度界限。工程上常用的稠度界限有液限和塑限。国际上称为阿太堡界限（Aterberg Limit）。 1）液限( ) 液限指土从塑性状态转变为液性状态时的界限含水量； 2）塑限( ) 塑限指土从半固体状态转变为塑性状态时的界限含水量。 实验室测定液限使用液限仪，测定塑性用搓条法。具体方法请参阅“土工试验规程”。实际上，由于粘性土从一种状态转变为另一种状态是渐变的，没有明确的界限，因此只能根据这些通用的试验方法测得的含水量代替界限含水量。 此外，为了表征土体天然含水量与界限含水量之间的相对关系，工程上还常用液性指数 和塑性指数 两个指标判别土体的稠度。 3）塑性指数 (1-32) 式中， 为液限， 为塑限。 塑性指数越大，土性越粘，工程中根据塑性指数的大小对粘性土进行分类（见表1-16）。 4）液性指数 ： （1-33） 当 =0时， ，土从半固态进入可塑状态。当 =1时，土从可塑状态进入液态。因此，可以根据 的值直接判定土的软硬状态。工程上按液性指数 的大小，可把粘性土的状态区分开来： ≤0 坚固状态 0< ≤1. 0 可塑状态 >1.0 流动状态 应当注意，实验室测定塑限和液限时，是用扰动样，土的结构已经破坏，实测值要比实际值小，因此，用液性指数反映天然土的稠度有一定缺点，用于判别重塑土的稠度较为合适。 1）相对密实度（Dr） 相对密实度是指砂土的密实程度。孔隙比、干容重在一定程度上也可以反映土的密度程度，但这两个指标没有考虑粒径级配对土的密度程度的影响。不难验证，不同极配的砂土，可以具有相同的孔隙比e，若土颗粒的大小、形状和级配不同，则土的密实程度也明显不同。如均匀颗粒的土与包含大颗粒和小颗粒的土，其密实程度是不同的。为此，实际工程中，一般用相对密实度Dr来表征砂土的密实程度。公式为： （1-34） 式中, 指砂土的天然孔隙比； 指砂土的最大孔隙比，由它的最小干密度换算而得； 指砂土的最小孔隙比，由它的最大干密度换算而得； 将式(1-34)中的孔隙比用干密度替换，可得到用干密度表示的相对密度表达式： (1-35) 式中， 指砂土的天然干密度； 指砂土的最大干密度； 指砂土的最小干密度。 最大干密度和最小干密度可直接由试验测定。具体测定方法请参阅“土工试验规程”。 当 时， ，表示土处于最松状态。当 时， ，表示土处于最密实状态。工程中，用相对密度判别砂土的密实状态标准为： 疏松 中密 密实 粘性土不存在最大和最小孔隙比，因此粘性土的密实度只能依据孔隙比和干密度来判别。 1.5 土的工程分类 自然界中土的种类不同，其工程性质也必不相同。从直观上，可以粗略的把土分成两大类，一类是土体中肉眼可见松散颗粒，颗粒间连结弱，这就是前面提到的无粘性土（粗粒土）；另一类是颗粒非常细微，颗粒间连结力强，这就是前面提到的粘土。实际工程中，这种粗略的分类远远不能满足工程的要求，还必须用更能反映土的工程特性的指标来系统分类。前面已介绍过，影响土的工程性质的主要因素是土的三相组成和土的物理状态，其中最主要的因素是三相组成中土的固体颗粒。如颗粒的粗细、颗粒的级配等。目前，国际、国内土的工程分类法并不统一。即使同一国家的各个行业、各个部门，土的分类体系也都是结合本专业的特点而制定的。本节主要介绍我国“土的分类标准”(GBJ 145－90)和“建筑地基基础设计规范”（GB50007－2002）。 1） 土的分类标准（GBJ 145－90） 为了与国际接轨，我国特制定了“土的分类标准”，这一分类体系与一些欧美国家的土分类体系原则相近，仅根据我国的实际情况作了适当修正。按GBJ 145-90分类法，土的总分类体系如下： 对土进行分类时，首先根据有机质的含量把土分成有机土和无机土两大类。无机土中，再根据土中各粒组的相对含量把土再分为：巨粒土、含巨粒土、粗粒土和细粒土。根据土的分类标准，各粒组还可进一步细分。下面分别予以说明 （1）巨粒土和含巨粒土 土体颗粒粒径在60mm以上的称巨粒。若土中巨粒含量高于50%，该土属巨粒土；若土中巨粒含量在15%～50%之间，该土属含巨粒土。巨粒土和含巨粒土依据其中所含漂石粒含量进一步划分如表1-10。 表1-10 巨粒土和含巨粒土的分类 代号 名 称 类 型 粒 组 含 量  B 漂 石 巨 粒 土 巨粒含量≥75% 漂石含量 > 50%  Cb 卵 石   漂石含量 ≤ 50%  BSI 混合土漂石  50%<巨粒含量<75% 漂石含量 > 50%  CSI 混合土卵石   漂石含量 ≤ 50%  SIB 漂石混合土 含巨粒土 15%≤巨粒含量≤50% 漂石含量 > 卵石含量  SIC 卵石混合土   漂石含量 ≤ 卵石含量  （2）粗粒土 粗粒土中大于0.075mm的粗粒含量在50%以上。粗粒土分为砾类土和砂类土两类。若土中粒径大于2mm的砾粒含量多于50%，则该土属砾类土；不足50%，则属砂类土。 砾类土和砂类土再按细粒土(<0.075mm)的含量进一步细分。具体细粒含量和其它相关指标见表1-11、表1-12。 表1-11 砾 类 土 的 分 类 名 称 代号 类 别 细粒含量 级配或塑性图分类  级配良好砾 GW 砾类土 砾 ＜5% Cu≥5，Cc=1～3  级配不良砾 GP    不能同时满足上述条件  含细粒土砾 GF  含细粒土砾 5%～15%   粘土质砾 GC  细粒土质砾 ＞15% ≤50% 粘土  粉土质砾 GM    粉土  表1-12 砂 类 土 的 分 类 名 称 代号 类 别 细粒含量 级配或塑性图分类  级配良好砂 SW 砂类土 砂 ＜5% Cu≥5，Cc=1～3  级配不良砂 SP    不能同时满足上述条件  含细粒土砂 SF  含细粒土砂 5%～15%   粘土质砂 SC  细粒土质砂 ＞15% ≤50% 粘土  粉土质砂 SM    粉土  （3）细粒土的分类 细粒土中粒径小于0.075mm在细粒含量在50%以上，且粗粒含量少于25%。细粒土按塑性图分类。塑性图以液限为横坐标，塑性指数 为纵坐标，见图1-5，图中用A、B二条线和和及 的二段水平线将整张图分成5个区域。若土的液限和塑性指数在图中A线以上，B线以左，线之上，则该土属低液限粘土；若土的液限和塑性指数在图中A线以下，B线以右，则该土属高液限粉土。土的具体分类和名称见表1-13。 表1-13 细 粒 土 的 分 类 名 称 代号 液限( ) 塑性指数( )  高液限粘土 CH ≥50% ≥0.73( －20) 且 ≥10  低液限粘土 CL ＜50%   高液限粉土 MH ≥50% < 0.73( －20) 且  低液限粉土 ML ＜50%   2） 建筑地基基础设计规范（GB50007―2002） 这种分类方法的体系比较简单，按照土颗粒的大小、粒组的土颗粒含量把地基土分成碎石土、砂土、粉土和粘性土和人工填土。按我国“土的分类标准”，碎石土和砂土属于粗粒土，粉土和粘性土属于细粒土。粗粒土按粒径级配分类，细粒土则按塑性指数分类。 1）碎石土 粒径大于2mm的颗粒含量大于50%的土属碎石土。根据粒组含量及颗粒形状，可细分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾、角砾。具体见表1-14。 表1-14 碎 石 土 的 分 类 名称 颗 粒 形 状 粒 组 的 颗 粒 含 量  漂石 块石  圆形及次圆形为主 棱角形为主  粒径大于200mm的颗粒超过50%  卵石 碎石  圆形及次圆形为主 棱角形为主  粒径大于20mm的颗粒含量超过50%  圆砾 角砾  圆形及次圆形为主 棱角形为主  粒径大于2mm的颗粒含量超过50%  注：分类时应根据粒组含量栏从上到下以最先符合者确定。 2）砂土 粒径大于2mm的颗粒含量在50%以内，同时粒径大于0.075mm的颗粒含量超过50%的土属砂土。砂土根据粒组含量不同又分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂五类。具体见表1-15 表1-15 砂 土 的 分 类 名 称 粒 组 的 颗 粒 含 量  砾 砂  粒径大于2mm的颗粒含量占25%～50%  粗 砂  粒径大于0.5mm的颗粒含量超过50%  中 砂  粒径大于0.25mm的颗粒含量超过50%  细 砂  粒径大于0.075mm的颗粒含量超过85%  粉 砂  粒径大于0.075mm的颗粒含量50%  注：分类时应根据粒组含量栏从上到下以最先符合者确定。 3）粉土 粒径大于0.075mm的颗粒含量小于50%且塑性指数小于等于10的土属粉土。该类土的工程性质较差，如抗剪强度低，防水性差，粘聚力小等。 4）粘性土 粒径大于0.075mm的颗粒含量在50%以内，塑性指数大于10的土属粘性土。根据塑性指数的大小可细分为粘土和粉质粘土，具体如表1-16。 表1-16 粘 性 土 的 分 类 名 称 塑性指数（ ）  粘 土   粉质粘土    5）淤泥 淤泥为在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，其天然含水率大于液限、天然孔隙比大于或等于1.5的粘性土。当天然含水量大于液限而天然孔隙比小于1.5但大于或等于1.0的粘性土或粉土为淤泥质土。 6) 红粘土 红粘土为碳酸盐岩系的岩石经红土化作用形成的高塑性粘土。其液限一般大于50。红粘土经再搬运后仍保留其基本特征，其液限大于45的土为次生红粘土。 7) 人工填土 人工填土根据其组成和成因，可分为素填土、压实填土、杂填土、冲填土。 素填土为由碎石土、砂土、粉土、粘性土等组成的填土。经过压实或夯实的素填土为压实填土。杂填土为含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。冲填土为由水力冲填泥砂形成的填土。 8) 膨胀土 膨胀土为土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性，其自由膨胀率大于或等于40％的粘性土。 9) 湿陷性土 湿陷性土为浸水后产生附加沉降，其湿陷系数大于或等于0.015的土。