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土力学-西南交大
第一章土的物理性质就工程意义而言，土是地表附近各类固体颗粒松散堆积物的总称。它是长期自然生成的， 是由不同的固体颗粒（固相）、水（液相）和气（气相）组成的千差万别的三相体，各组成之 间的关系十分复杂，且常因外界条件的改变而发生变化。土在受力后是否发生强度破坏或出现 大的变形，主要取决于其组成物质的性质、各相之间的相互关系和变化规律。而这些特性与土 的物理性质有密切关系。因此可以说，土的物理性质是其力学和工程性质的基础。 为了便于解决工程实际问题，我们应首先学习表示土物理性质的各种指标和测试方法，并 掌握如何根据土的特征、有关指标值和形成年代等对土进行工程分类的方法。 本章主要介绍土的生成、土的组成、土的三相含量指标、土的物理状态及其有关指标、土 的膨胀、收缩、冻胀以及土（岩）的分类。第一节 土的生成天然土是地壳表层岩石在长期风化、挤压和解体后经地壳运动、水流、冰川、风等自然力 的剥蚀、搬运及堆积等作用在各种自然环境中生成的松散堆积物，其主要特点是土颗粒之间的 物理化学胶结很弱，甚至完全无联结。 在地质年代中天然土的历史一般较短，多数是在一百万年内，也就是通常所说的“第四纪” 堆积、沉积物。不同的物质、不同的胶结、不同的成因、不同的生成环境和不同的形成历史造 成了各类天然土复杂多变的三相组成、相互关系与相互作用。 一、风化作用 风化作用是由于气候气温变化、大气、水分及生物活动等自然条件使岩石产生破坏的地质 作用。风化作用可分为物理风化、化学风化和生物风化三种类型。 物理风化作用的主要因素是气候气温的变化。在昼夜、晴雨的气温变化中，岩石表面的温 度变化比内部大，因而表里缩胀不均，加之所含不同矿物的膨胀性质不同，削弱甚至破坏了岩 石矿物间的结合作用，久而久之，使岩石产生裂隙，由表及里遭到破坏。这种现象在大陆性干 燥气候区表现最为显著。在湿冷地区，渗入岩石裂隙中的水由于气温变化而不时地冻结和融化， 导致裂隙逐渐扩大，造成岩石崩裂破碎。在干旱地区，大风挟带沙砾对岩石的打磨也可使岩面 迅速剥蚀。 物理风化作用只引起岩石的机械破坏，其产物如砂、砾石和其他粗颗粒土的矿物成分与母 岩相同。 化学风化作用是岩石在水溶液和大气中的氧、二氧化碳等的化学作用下受到的破坏作用。 化学风化作用有水化作用、水解作用、氧化作用、碳酸化作用及溶解作用等。化学风化作用不 仅使岩石破碎，而且使其化学成分改变，形成性质不同的新矿物。 生物风化作用是指生物活动过程中对岩石产生的破坏作用，可分为物理生物风化和化学生 物风化两种。如植物根部生长在岩缝中生长，使岩石产生发生机械破坏；动植物新陈代谢所排5出的各种酸类、动植物死亡后遗体的腐烂产物以及微生物作用等，则使岩石成分发生变化，以 至达到破坏。 上述风化作用常常是在同时存在、互相促进的。但在不同环境中，会有不同的主次关系。 岩石成分和结构构造的不同，其风化作用造成的破坏程度也会有差别。 二、土的成因类型 常见的岩石风化产物因经受不同自然力的剥蚀、 搬运和堆积沉积作用而生成不同类型的土。 不同地质成因的土具有不同的地质特征和工程性质。土的主要堆积类型有： （1）残积土――岩层表面经风化破坏后残留原地的碎屑堆积物。残积土未经搬运过程的分 选和打磨作用，颗粒大小不均，多棱角。一般干寒地区残积土颗粒较粗，湿热地区颗粒较细。 从地表以下到基岩，风化作用逐渐减弱至消失，无明显层理。残积土分布厚度变化较大，表层 土常是含有机质较多的土壤，比较疏松。 （2）坡积土――由雨水和融雪将山坡高处的岩石风化产物洗刷、剥蚀、顺坡向下搬运的堆 积物。其中有时还混杂有陡坡峭壁风化岩石的坠落破碎物。其矿物成分常与下卧基岩无关。坡 积土一般由上而下厚度逐渐变大。新堆积的土质疏松。如基岩倾斜，则斜坡上的坡积土常处于 不稳定状态。 （3）洪积土――由暂时性山洪急流将大量 泥砂和石块等挟带到沟谷口或山麓平原堆积而 成的堆积物。 离沟谷口近处堆积的是夹有泥沙的 石块和粗粒碎屑，较远处是分选较好的细粒泥 沙。因山洪是周期性发生的，每次大小不同，故 洪积土常呈不规则层理构造，如图 1-1 所示。土 的力学性质以近山处较好。 （4） 冲积土――由江河水流搬运的岩石 风化产物在沿途沉积而成的堆积物。 这些被搬运 的土颗粒有的来自山区或平原， 有的是江河剥蚀 河床及两岸的产物。 冲积土分布范围很广， 可分 为山区河谷冲积土、 山前平原冲积土、 平原河谷 冲积土、三角洲冲积土等类型。冲积土的特点是有明显的层理构造和分选现象，砂石有很好的 磨圆度。从山区到平原，因河床坡度大致是由陡转平，水的流速是由急变缓，故堆积物厚度由 小到大，粒度由粗变细，土的力学性质一般也逐渐变差。 （5） 湖沼积土――在湖泊或沼泽地的缓慢水流或静水中的堆积物。 如由河流注入湖泊时带 来的岩石碎屑、盐类、有机质和由湖浪剥蚀湖岸岸壁所产生的碎屑物质，在湖泊内不同位置沉 积而成的，称为湖积土。淡水湖湖积土的粒度通常自湖边到湖心由粗变细，湖中间主要是黏性 土、淤泥类土、常含较多的有机质，土质松软。盐湖湖积土主要是含盐分较多的黏性土和各种 盐类。在沼泽地的堆积物称为沼泽土，其主要成分是含有半腐烂的植物残余体的泥炭。其特点 是含水量极高，土质十分松软。 （6） 海积土――由江河入海带来的或由海浪、潮汐等剥蚀海岸产生的各种物质以及海洋 中的生物遗体等沉积而成的堆积物。近海岸一带粒度较粗，土质尚好。离海岸越远，堆积物越6 图 1-1 土的层理构造 1―表层土；2―淤泥夹黏土透镜体； 3―黏土尖灭层；4―砂土夹黏土层； 5―砾石层；6―石灰岩层。细小。深海堆积物主要为有机质软泥等。 （7） 冰川积土――在严寒地区由冰川的地质作用生成的堆积物。其中由冰川剥蚀和搬运 的碎屑到温度较高因冰体融化而沉积的，称为冰碛土。如再经融化的冰水搬运后沉积的称为冰 水堆积土。冰碛土成分复杂，层理不清，但一般较密实，土质尚好。冰水堆积土以沙砾为主， 在山麓分布较广，厚度较大，可能有黏性土夹层和透镜体。 （8） 风积土――由于风力的地质作用，包括风夹带沙砾对岩石的打磨和风对岩石风化碎 屑的吹扬、搬运和堆积作用而形成。主要有砂丘和原生黄土。砂丘是松散而不稳定的堆积物。 黄土的主要特征是：大孔性、垂直节理发育、由可溶盐胶结、湿陷性。 三、特 殊 土 在土的堆积过程中，自然地理环境和人为条件对土的性质有重大影响。某些地区的特殊条 件形成了土的特殊物质成分和特殊性质，这些土称为特殊土。特殊土主要包括软土、人工填土、 湿陷性土、红黏土、膨胀土、多年冻土、混合土、盐渍土、污染土等。自然特殊土分布一般具 有明显的区域性。如沿海地区的软土，西北、华北等地区的黄土，以黔滇桂等省为主的红黏土， 分布在南部和中部的不少地区的膨胀土（胀缩土、裂土），严寒地区的冻土等。除自然堆积物 外，还有人类活动的堆积物，即人工填土和污染土。 四、土的堆积年代的影响 不同堆积土，特别是黏性土的性质，不仅与生成的条件有关，也与形成历史有关。一般生 成年代越久，上覆土层越厚，土被压的越密实，受到的化学作用或胶结作用越大，土粒间的联 结越强，因而强度也就越大，压缩性就越小。反之，新近堆积的土质较松软，工程性质较差。 现今的常见土大多数生成于第四纪（符号为 Q）的地质年代。第四纪又可按年代早晚分为 更早新世（Q1）、中更新世（Q2）、晚更新世（Q3）和全新世（Q4）。通常把 Q3 及以前时期 堆积的土层称为老堆积土，把 Q4 时期内文化期（有人类文化的时期）以前堆积的称为一般堆 积土，把文化期以后堆积的称为新近堆积土。第二节 土的粒径组成和矿物成分土的粒径组成和矿物成分是土的主要物质成分，是决定土的物理性质的基本要素。 一、土的粒径组成 土的粒径组成是指土中不同大小颗粒的相对含量，也称土的颗粒级配或粒度成分。土的工 程性质同它的粒径组成有密切的关系。工程界常根据土的粒径组成对土进行分类。事实上，粒 径组成是判断土工程特性的关键因素。 (一) 土粒粒组划分 天然土中所含的固体颗粒是大小混杂的。为确定土的粒径组成，需要把大小相近的颗粒归 入同一 “粒组” 或 “粒径” 。 我国比较普遍采用的粒组划分法见图 1-2。 粒组大小用 “粒径” （mm） 表示，土粒通常被分成六大粒组：漂（块）石、卵（碎）石、圆（角）砾、砂粒、粉粒、黏粒7（图 1-2）。根据需要，各粒组还可划分成若干亚组。 粒组划分法各国各部门不全相同。如砾组上限，我国建筑、铁路等部门采用 20mm，水利 部门则采用 60mm，国外多采用 60～75mm；粉粒范围，我国一般采用 0.005～0.075mm，国外 还有采用 0.002～0.063mm 的；黏粒上限，我国一般采用 0.005mm，国外也有采用 0.002mm 的。圆砾、 角砾 粗砾 60 图 1-2 细砾 20 2 粗 砂 0.5 砂 中 粒 细 粒建筑、铁路等部门 水利部门 分界粒径/mm漂石、块石卵石、碎石粉粒 粉粒黏粒 黏粒 0.005漂（块）石粒 卵（碎）石粒 2000.25 0.75粒组划分示意图(二) 粒径分析 对土的粒径组成的测定称为粒径分析或颗粒分析。粒径分析的方法，一般分为筛分法和沉 淀法 （水分法的一种） 两种。 筛分法用于测定粒径小于或等于 60mm 而大于 0.075mm 的粗土粒， 用沉淀法测定粒径小于 0.075mm 的细土粒。用密度计测定细颗粒粒径组成的沉淀法称密度计法 （以前称比重计法）。将两部分测定结果合并整理，得到土的粒径组成全貌。 1. 筛分法 将烘干、分散后的土样放进一套标准筛的最上层。各层筛的筛孔自上而下由大到小，最下 面接以底盘。经过摇筛机震摇，即可筛分出不同粒组的含量。由此可知，用筛分法得到的土粒 粒径是指其刚好能通过筛孔的孔径。自然界存在的岩石碎屑由于生成条件不同，用筛分法得到 相同粒径土粒的形状和体积通常不相同。 2. 密度计法 不同大小的土粒在水中下沉的速度是不同的。根据斯托克斯定律，一个直径为 d 的圆球状 颗粒在粘滞系数为? 的液体中以速度 v 垂直下沉时受到的阻力大小为 3?? vd 。今假定土粒为圆 球状，单位体积干土粒重度为 ? s ，当该阻力等于土粒在该液体（单位体积重度为 ? ? ）中的重 力时，土粒将以匀速 v 下沉。如取 d 、 ? 、 v 的单位分别为 mm、Pa? s、cm/s， ? s 及 ? ? 的单位 为 kN/m3，则土粒在液体中的受力平衡条件为：1 3?? vd ?10 ? ? d 3 (? s ? ? ? ) 6由此得d?180? v ? ? s ? ??180? h h ?K t ?? s ? ? ? ? t（1-1）此式即为斯托克斯公式。式中 t 、 h 分别为下沉时间(s)及下沉深度(cm）， K 为粒径计算 系数， 通常查表得知。 在液体中土粒下沉时刚开始是有加速度的， 但在极短时间内即达到匀速 v 值，故可不计加速度影响。由上式可知，计算所得的土粒粒径是与之同速下沉的假想圆球直径， 然而两者大小和形状可能都不相同。 斯托克斯公式有其适用范围。当颗粒粒径过大时，在液体中下沉时会产生非等速运动，当 颗粒直径过小时，则微粒下沉会受到布朗运动的影响。一般认为斯托克斯公式可用于 0.2 ～ 0.002mm 的粒径范围。 下面简要介绍沉淀法确定粒径的主要过程。图 1-3（a）所示容器盛有均匀分布土粒的悬液，8并在 t=0 时让其自由下沉。在土粒下沉至 t 时刻，悬液中深度 h 以上已没有大于粒径 d 的颗粒了，如图 1-3（b）。但在 h 深度的微 段内，等于及小于 d 粒径的颗粒数量不变， 因为从上沉至该处的数量与该处沉下去的 数量相等。设下沉前单位体积均匀悬液体积 内的土粒总重度为 q0 (q0 ? Qs / VL , Qs 为全 部土粒总重，VL 为悬液体积），下沉开始至t 时刻在 h 深度单位体积悬液中的土粒总重为 q 。则小于粒径 d 的土粒重占全部土粒重 的百分数为 p ? q / q0 。显然 p 也是小于 d 的土粒质量占总质量的百分数。 在土粒开始下沉后的不同时刻 t 在上述容器内放入密度计（图 1-4），测得密度计浮泡中心 处悬液相对密度为 GL ,浮泡中心离液面距离为 h ，则可将 h 、 t 代入式（1-1）求得 d ，并可如 下计算相应于 d 的 p 值。 因测得悬液相对密度为 GL 处的单位体积悬液重 ? L 为：? L ? q ? ? ? (1 ? q ? s )GL ? ? L / ? ? ? pq0 / ? ? ? 1 ? pq0 / ? s ? 1 ? pq0 (1/ ? ? ?1/ ? s ) 令 Gs 为土粒相对重度， Gs ? ? s / ? ? ，由上式可得：故p?? sVL GL ? 1Qs ? Gs ? 1?100%（1-2）上式中，还应根据密度计的种类对试验量测到的 GL 做相应校正，对此，详见相应密度计的 具体说明。 为保证试验质量，试验前必须把土中细粒聚成的粒团彻底分散。常用 方法是煮沸悬液并加六偏磷酸纳或氨水等进行离子交换，以加厚土粒周围 的扩散层，使成团土粒相互分开，详见相关土工试验方法。 3. 粒径分布曲线（级配曲线）及应用 土的粒径组成情况常用粒径分布曲线表示。粒径分布曲线的绘制方法 是将小于给定粒径的土粒累计质量占土粒总质量的百分数和粒径之间的相 互关系绘制在图上。因粒径变化范围大，故通常在半对数坐标纸上标出并 联成曲线。国内常将该图横坐标上的粒径由大到小排列，如图 1-5（a）所 示。北美西欧等地区则常将粒径由小到大排列，如图 1-5（b）。 粒径曲线是对土样进行分析判断的重要工具。它可以对土样的分类、 粒径构成、渗透、夯实、压浆加固、回填等工程性质进行综合评估。 如图 1-5（a）所示的四条粒径曲线中，土样①的细粒最多，主要是粉 粒和黏粒，为黏性土。其他几个土样粗粒较多，主要是各种砂粒。土样② 的曲线较陡，表明颗粒较均匀，大部分集中在粒径变化不大的范围内。土图 1-4 密度计9样③的曲线中出现平坡段，表明该范围粒径的颗粒短缺。土样④的曲线坡度较缓和，表明颗粒 不均匀，粒径变化范围较大。 工程上常用不均匀系数 Cu 和曲率系数 Cc 来评价粗粒土的颗粒级配情况，其定义为：Cu ? d60 / d102 Cc ? d 30 / ? d 60 ? d10 ?（1-3） （1-4）式中d 60 ， d10 ， d30 ――粒径分布曲线的纵坐标上 p 等于 60％、10％、30％时对应的粒径，其中 d10 称为有效粒径。 不均匀系数 Cu 越大，表明曲线越平缓，粒径分布越不均匀。曲率系数 Cc 反映曲线弯曲的 形状，表明中间粒径和较小粒径相对含量的组合情况。据此可判断土的级配是否良好： (1) 当 Cu ? 5 和 Cu ? 1 ~ 3 时，表明该土的粒径分布范围较广，粒径不均匀且级配良好，大 土粒间的孔隙可由较小土粒填充，图 1-5 的土样④即属于此情况。级配良好的土易被压实，是 较好的工程填料。 (2) 不完全符合上述两个条件者，如 Cu ? 5 ，即粒径分布均匀，颗粒大小差别不大，土样 ②为一例；如 Cc ? 1 ，表明中间粒径颗粒偏少，较小粒径颗粒偏多，土样③为一例；如 Cc ? 3 ， 表明中间颗粒粒径偏多，较小粒径颗粒偏少。这些情况都属级配不良。图 1-5（a）粒径分布曲线（中国）图 1-5（b）粒径分布曲线（德国）二、土的矿物成分 土粒的矿物成分主要决定于母岩的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，其中以细粒组的矿物成分尤为重要。 漂石、卵石、圆砾等粗大土粒是岩石碎屑，他们的多矿物成分与母岩相同。 砂粒大部分是母岩中的单矿物颗粒，如石英、长石和云母等。其中石英的抗化学风化能力 强，在砂粒中尤为多见。 粉粒的矿物成分是多样性的，主要是石英和 MgCO3、CaCO3 等难溶盐的颗粒。 黏粒的矿物成分主要有黏土矿物、 倍半氧化物 （如 Al2O3、 Fe2O3） 、 次生二氧化硅 （如 SiO2） 、 和各种难溶盐类（如 CaCO3，MgCO3），他们都是次生矿物。黏土矿物的颗粒都很微小，经 X 射线分析证明其内部具有层状晶体构造。 倍半氧化物和次生二氧化硅指 Al2O3 或 Fe2O3 等矿物，是由原生矿物铝硅酸盐经化学风化 后，原结构破坏而游离出结晶格架的细小碎片。倍半氧化物颗粒很细小，易形成细黏粒或胶粒，10亲水性较强。易形成细黏粒或胶粒，亲水性较强。 可溶性次生矿物是土中水溶液中的金属离子及酸根离子，因蒸发等作用而结晶沉淀形成的 卤化物、硫酸盐和碳酸盐等矿物，大多成为土粒间孔隙中的填充物。根据其溶解度大小可再分 为难溶盐、中溶盐和易溶盐。难溶盐主要有方解石(CaCO3)、白云石(MgCO3),在干旱地区一部 分难溶盐也构成粉粒和较粗的黏粒。中溶盐中最常见的是石膏（CaSO4?2H2O）。易溶盐主要有 岩 盐 (NaCl ） 、 芒 硝 (Na2SP4?10H2O ） 、 苏 打 (Na2CO3?10H2O ）等。易溶 盐、中溶盐多数结晶细小， 呈黏性，易溶解，以离子存 在于溶液中。可溶性次生矿 物也称为水溶盐。它有减少 土中孔隙，胶结土粒，提高 土的力学性质的作用。但当 它溶解后，就会使土的性质 急剧变坏。土中易溶盐常因 土中含水量的多少而改变它 的状态（液态或固态）。失 水时呈固态，起胶结作用， 含水较多时则离解为水溶液中的离子。所以溶解度越大，危害也就越大。 腐植质是高度分解而成分复杂的有机酸及其盐类，于水的相互作用强烈，有很大的比表面 积。但腐植质的性质同溶于水中的物质成分和含量有关,含 Na+、K+、NH4+等的腐植质呈极强的 亲水性，而被 Ca2+饱和的呈较弱的亲水性。 分解不完全的泥炭具有疏松多孔的纤维结构，孔隙率很高，能保持很多水分，在外荷载作 用下或当水分减少时，体积可大大缩小。泥炭的强度由其纤维结构的交织作用提供，不一定随 含水量减少而相应增大。 土中如含有较多有机质，就可能有强烈的吸水性，相当高的可塑性，明显的湿胀和干缩性， 以及高压缩性和低强度。 各矿物成分与粒组大小之间的内在联系大致反映在图 1-6 中。黏土矿物是最重要的次生矿物，有结晶与非结晶两类，结晶类主要由两种原子层（称为晶 片）构成。一种是硅氧晶片，它的基本单元是 Si-O 四面体（图 1-7）；另一种是铝氢氧晶片，11它的基本单元是 Al-OH（图 1-8）。由于晶片结合情况的不同，便形成了具有不同性质的各种黏 土矿物，其中主要了解较多的有高岭石、蒙脱石和伊利石三类。 高岭石由长石及云母类矿物转变而成，容易在酸性介质条件下形成，其颗粒在黏土矿物中 相对较粗。高岭石晶胞之间的联结是氧原子与氢氧基之间的氢键，它具有较强的联结力，因此 晶胞之间的距离不易改变，水分子不能进入，亲水性较差，是比较稳定的黏土矿物。在细粒土 中，黏粒主要是高岭石者，则具有较好的工程性质。 蒙脱石是化学风化的初期产物，其结构单元（晶胞）是由两层硅氧片之间夹一层铝氢氧晶 片所组成。由于晶胞的两个面都是氧原子，其间没有氢键，因此联结很弱，水分子可以进入晶 胞之间，从而改变晶胞之间的距离，甚至达到完全分散到单晶胞为止。因此，当土中蒙脱石含 量较大时，则具有较大的吸水膨胀和脱水收缩的特性。 伊利石的结构单元类似于蒙脱石，所不同的是 Si-O 四面体中的 Si4+可以被 Al3+、Fe3+所取 代，因而在相邻晶胞间将出现若干一价正离子（K+）以补偿晶胞中正电荷的不足。所以伊利石 的结晶结构没有蒙脱石那样活跃。 有些水溶盐如芒硝、石膏等含结晶水，其体积可因吸水而增大，失水而减小，使土的结构 和性质发生变化。许多水溶盐溶于水后对金属、混凝土有腐蚀性和浸蚀性，危害基础工程和地 下建筑物。因此，土坝、路堤等的填料土对水溶盐，尤其是易溶盐的含量常有相应的限制。第三节一、土中水的类型和性质土中的水和气体在自然条件下，土中总是含水的。随着外界条件 的改变土中的水不仅改变其含量，也改变其存在状态 和性质。土中水的存在状态和含量对土的状态和性质 有重大影响。 土中的水可分为矿物内部的结合水和土粒间孔隙 中的水两大类。 矿物内部结合水是矿物颗粒的组成部分，一般只 通过矿物成分影响土的性质。 土粒间孔隙中的水按其存在状态分为固态水 (冰)、气态水(水汽)和液态水。土中水以液态水最为 重要。因水分子为双极体，其氧原子和氢原子排列不 对称，正电荷和负电荷不能完全平衡，故有正极和负 极的极化现象，使得液态体水具有微弱的电离作用。 常温水由于热力运动的结果，水分子排列很凌乱，故 仍呈现中性，但作为单独的水分子，还是有极性的。 液态水可分为表面结合水、毛细水和重力水，其特性 以及对土性质的影响有很大不同。工程上习惯把毛细 水和重力水合称为自由水，但也有认为自由水即重力12 图 1-9 结合水的形成与双电层水。一般认为，自由水指不受粒面静电引力影响的非结合水。 (一) 表面结合水（简称结合水） 结合水是细小土粒因表面静电引力而吸附在其周围的水，它在土粒表面形成了一层水膜， 亦称为结合水膜或水化膜。结合水密度较重力水大，具有较高的粘滞性和抗剪强度。不能传递 静水压力，不受重力作用而转移，冰点低于 0℃。 越靠近土粒表面的结合水被吸附的越紧密牢固，活动性越小。离粒面越远，受到土颗粒的 吸引力越弱，活动性越大，水分子排列越杂乱，逐渐形成扩散层。从这个意义上讲，结合水可 分为强结合水和弱结合水，参见图 1-9。 强结合水是最靠近黏粒表的结合水。它不仅可在湿土中形成，也可由土粒从空气中吸收水 气形成， 也称吸着水。 紧贴粒面的强结合水分子受到的吸引力可达 1GPa， 故强结合水很难移动。 一般通过长时间高温烘烤（150～300℃）才会气化脱离。强结合水没有溶解和导电的能力。相 对密度约为 1.2～2.4，冰点约为-78℃，其力学性质类似固体。 强结合水在砂土中含量极微，最多不到 1％（与干土重相比），只含强结合水的砂土呈散 粒状态。强结合水在黏性土中的含量最多可达 10％～20％，如含较多蒙脱石的黏性土甚至可超 过 30％。只含强结合水的黏性土呈坚硬的固体状态，磨碎后成粉末。 弱结合水也称薄膜水，位于强结合水外围，占结合水的绝大部分。弱结合水受到粒面引力 随粒面距离的增大而减弱，并可向引力较大处或结合水层较薄处转移。在某些外因(如压力、水 溶液成分及浓度变化、电流、干燥、浸湿、冻结和融化等)影响下弱结合水在土中的含量可发生 变化，从而引起黏性土物理力学性质的改变。在工程实践中，这个特性具有重要的意义。 弱结合水在砂土中的含量较低，最多只有几个百分点，在黏性土中含量可高达 30％～40％ 以上，含蒙脱石较多的黏性土弱结合水含量甚至可大于干土的重量；泥炭中的弱结合水其含量 可高达干土重的 15 倍。 (二) 毛细水 在土中固、液、气三相交界面处，地下水在分子引力和水表面张力作用下，克服自身重力 后在粒间细缝中滞留或上升至地下水面以上一定高度的自由水，亦称毛细水。毛细水上升高度 同土粒粒径的粗细、形状、组成、矿物成分、土的紧密程度及水溶液成分和浓度等有关系。 毛细水按其存在状态可分为毛细上升水和毛细悬挂水。前者的特点是毛细水下部与地下水 面相接，后者则是毛细水下部悬空，不与地下水面相连。 毛细水上升高度在粗粒土中很小， 在细粒土中较大。如在砾砂、粗砂层中 的毛细水上升高度只有几个厘米。在中 砂、细砂层中可达能上升几十厘米至一 米左右，在粉土、黏土中则可上升至几 米高（参见图 1-10 和表 1-1）。但毛细 水主要存在于孔径为 0.002～0.5mm 的 孔隙中，孔径小于 0.002mm 孔隙中的水 主要是结合水，毛细水含量少。 在毛细水上升区域内土体处于饱和状态。图 1-10 毛细水现象13从上可知，毛细水是由细土颗粒表面吸力和水表面张力将地下水“提升”后形成的。所以， 毛细水增加了该范围内土骨架的压力，从而提高了该部分土体中的有效压力。同时，上升毛细 水对该区域内的孔隙水产生“负”压作用的吸力。这使得砂粒间可出现不大的黏聚作用。这种 作用在砂土完全浸入水时消失，故称“假黏聚力”。要注意到，这种增加的土骨架“有效压力” 和孔隙水“负压”与外荷载作用无关，可增加土的强度。表 1-1 土的分类* 粗砂 中砂 细砂 粉沙 粉土 黏土 毛细水上升高度经验值（Smoltczyk，） 颗粒有效粒径/mm 0.7 0.35 0.10 0.045 0.01 0.001 毛细水上升高度 hc 经验值 0.08m 至 0.2m 至 0.5m 至 1.0m 至 5m 达到甚至超过 50m*：分类名称与国内不同，这里以国内分类法为准。当然，在寒冷地区毛细水上升可加剧冻胀、冻融现象，对工程带来不利影响。 (三) 重力水 重力水是在重力或压力差作用下能流动的普通水，存在于土粒间较大孔隙中。重力水对水 中土粒有浮力作用，可传递静水压力。流动的重力水可带走土中的细小颗粒或使土颗粒处于失 重状态而丧失稳定。 重力水还能溶蚀或析出土中的水溶盐和其他可溶性物质，从而改变土的结构。 二、土中的气体 土中气体主要是空气和水气，在某些有机质土中可含有较多的二氧化碳、沼气及硫化氢等 气体。土中气体有不同的存在形式：与外界大气相连通的游离（自由）气体，被土粒表面吸附 的结合气体，被孔隙水包围的封闭气体和溶解气体。 土中气体对土工程性质的影响一般较小。但在某些情况下仍不可忽略，如封闭气体的存在 会降低土的透水性，使土体不易被压实；在压缩状态下可能会冲破土层逸出，造成突然沉 陷；溶解于水的二氧化碳会加剧化学潜蚀等作用。在温度、压力变化时，近地表土体孔隙水中 气体的溶解或释放，会改变土体的结构和压缩性。14第四节 土的结构及其联结土的结构是指由土颗粒单元大小、形状、相互排列以及相互联结和作用等因素构成的结构 特征。它综合反映了土的状态、物理和力学性质。 从工程意义上讲，土的结构主要包括土粒的外表特征及粒径组成、土粒的排列和土粒间的 联结三个方面。这三个方面相互关联，构成了土的总的结构特征和性状。 一、粗粒土结构及粉土结构 砂、石的颗粒较粗，比表面积较小，颗粒表面含结合水极少。颗粒之间一般为直接接触， 相互联结以及毛细水作用极弱，物化胶结物联结的情况也很少，通常是靠重力聚合，成散粒堆 积状态，为典型的单粒结构或散粒结构[图 1-11（a）]。 磨圆度较高和级配良好的单粒结构易于在外力作用下形成密实状态[图 1-11（b）]。级配良 好的密实状单粒结构砂石，由于其土粒结构排列紧密，在静、动荷载作用下都不会产生较大沉 降，所以强度较大，压缩性较小，是较为良好的天然地基。而磨圆度低、级配差的单粒结构在 较快速度堆积条件下（如洪水沉积）常成疏松状态[图 1-11（a）]。具有疏松单粒结构的土，其 骨架是不稳定的，当受到震动及其他外力作用时，土粒易于发生移动，引起很大的变形。因此， 这类土层未经加固处理一般不宜用作建筑物的地基。 以粉粒为主的粉土结构颗粒联结作用也很弱。细粉颗粒质量小，当单颗粒下沉时碰到已沉 积的土粒，就可能因粒间引力而停留在接触点上不再下沉，从而形成孔隙很大的蜂窝结构（图 1-12）。蜂窝结构土体骨架不稳定，易沉降变形，大多属于低强度、高压缩性、与水作用敏感、 蠕变特点突出的不良地层。一般不经加固处理不能直接作为建筑物地基。图 1-11土的单粒结构图 1-12土的蜂窝结构二、黏粒土结构 黏粒含量大的黏性土结构比粗粒土结构复杂很多。这主要是因为黏性土结构的联结十分复 杂，对于黏性土而言，这种结构联结将起到很大作用。 黏性土结构的联结主要表现在黏粒之间的黏着和聚合作用。这是由黏粒本身的物理化学特 性决定的， 属于土粒结构联结的内力。 在本学科范围内该内力的总和称为黏聚力 （也称内聚力） 。 黏聚力是黏性土与粗粒土相区别的重要标志。由于黏聚力的存在，黏性土的颗粒可以在没有外 界约束的条件下联结在一起而不散开。而在不同含水情况下，表现为或硬如固体，或柔软可塑， 或可黏附在其他物体上，或缓慢粘滞流动。15产生黏聚力的基本因素有范德华力、库仑力（即 相邻黏粒间静电引力或斥力）和相邻黏粒间公共反离 子层的水胶联结等。 黏性土多在水中沉积形成，其结构与形成过程关 系很大。悬浮在水中的黏粒相遇时可能相互吸引，凝 聚成较大的团聚体或集粒而下沉，也可能不发生凝聚 而分散下沉。黏粒多为片状，发生凝聚的接触方式可 有面与面接触、面与边接触和其他方式接触。接触方 式同黏粒间的作用力有关。 图 1-13 表示了相邻黏粒之间的范德华引力和静电 斥力与粒面距离的关系。由图可见，粒面距离减小到 一定程度后，范德华力的增大速率要比静电斥力更迅 速。 当黏粒周围的水溶液中电解质增加到足够多时， 由于黏粒粒面结合水膜减薄和静电斥力减小，黏粒就 能互相靠拢。如范德华力超过静电斥力，黏粒间可能发生面―面接触的凝聚[图 1-14（a）]。图 1-13 电解质浓度对黏粒间 作用力的影响图 1-14黏粒接触的主要形式图 1-15共有反离子的水胶联结面―边接触的凝聚则与静电引力作用有关。即一个黏粒表面的负电荷与另一个黏粒边缘局 部的正电荷相互吸引而发生凝聚[图 1-14（b）]。在电解质浓度低的水中，悬浮黏粒因静电斥力 大而不能凝聚，主要表现为分散缓慢下沉，并大致平行地堆积。在上覆压力（如后期沉积的上 覆土自重）的作用下，前期沉积的黏粒或团聚体间距逐渐被压缩减小，因而它们的反离子层有 部分同时处在相邻黏粒的静电引力范围内，形成了兼有楔入和黏结作用的水胶联结，使它们保 持一定距离的凝聚状态（图 1-15）。图 1-16黏性土的典型结构类型（a）分散结构（两维）；（b）絮凝结构（两维）；（c）絮凝结构（三维）。由上述基本因素所构成黏聚力一般统称为原始黏聚力。其中库仑力和水胶联结比范德华力 更易受环境的影响而变化。除电解质浓度外，离子成分、溶液的 pH 值和温度等的变化也会使16它们发生变化，使结构联结被削弱或加强。 此外，天然土中常常存在一些化学胶结物质，如碳酸盐、铁和铝的氧化物、硅酸盐及某些 有机物等。在一定条件下这些物质能使细粒土形成胶合联结。胶结的联结作用一般较强，但呈 脆性，被浸湿或扰动破坏后短时期内难以恢复。故这种联结力一般称为固化黏聚力。 由于矿物成分、组成、形成/搬运过程、环境、水文、历史时间等因数所致，使得黏土结构 形式呈复杂多样性。根据黏性土形成过程的沉积特点大致可认为存在两个典型的结构类型，即 分散结构和絮凝结构（图 1-16）。 分散结构[（图 1-16（a）]是黏粒在河、湖淡水中沉积形成的。在足够的上覆压力作用下， 颗粒的排列有部分定向性。结构一般较为紧密，稳定性相对较高。 以面―边接触的凝聚为主的絮凝结构[（图 1-16（b）]一般是黏粒在盐类含量较多的海水及 某些河湖中凝聚沉积形成的。黏粒排列定向性较差或无定向性，土的性质较均匀，各向异性不 明显。孔隙含量大，结构较疏松，稳定性较低。 应该指出，黏土结构常常要比上述典型结构的土粒组合复杂得多。 三、不均匀土混合结构 粗细土粒混杂的不均匀土也是常见的，主要是块石+卵/碎石+砂砾+粉土+黏土的混合体， 其两种典型的混合结构示于图 1-17。 其一是粗粒构架， 即由粗粒 组成的主体骨架结构， 其中含有 的黏粒不受压力，未经压密，起 着黏聚、填充和减少空隙的作 用。图 1-17 不均匀土的混合结构另一种是黏粒结合体，其中粗粒互不接触，由黏粒组成承压结构，故具有黏粒土特性。 自然状态下，常常可能是多种结构形式同时出现，体现出岩土结构的多样性、复杂性、不 均匀性和不确定性的显著特点。第五节 土的三相比例指标对生成特点、矿物成分和结构特性的了解有助于正确地评估土的工程性质，但这仍然是定 性的分析。 为了进行工程的具体设计和施 工，还必须进行相关的定量计算。就土而 言， 首先需要确定土的一系列物理性质指 标。 如前所述，土是由颗粒、水和气三相 组成的。 这三相组成部分的质量和体积之 间的比例关系， 是确定土体性质状态的关 键指标。图 1-18 土的三相含量及计算17表示土的三相组成比例关系的指标，称为土的三相比例指标，包括密度、含水量、土粒相 对密度、孔隙比、孔隙率和饱和度等。其中，前三个可通过实验室有关试验直接测得，称为基 本指标，其他指标可通过相关关系求得。 为了便于阐述和计算，工程上用图 1-18 所示的三相组成示意图来表示各部分之间的数量关 系，图中符号的意义如下： ms――土粒质量 m――土的总质量，m=ms+mw Vw――土中水的体积 Vv――土中孔隙体积，Vv=Vw+Va mw――土中水的质量 Vs――土粒体积 Va――土中气的体积 V――土的总体积，V=Vs+Vw+Va图 1-18 中所示的气体质量 ma 相比很小，可忽略不计。 一、土的质量密度和重力密度 土的质量密度 ? 是土的质量 m 与其体积 V 之比，即单位体积土的质量，简称土的密度。单 位多用 g/cm3 或 kg/m3。??m V（1-5）土的密度可在实验室中用容积为 V 的环刀切取土样，并用天平称土的质量 m 求得，此法称 环刀法。不能用环刀取样时可改用蜡封法等测定。 土的重力密度 ? 是单位体积土体所受的重力，一般简称为重度（也称容重），单位多用 kN/m3。如土受到的总重力为 W,则??W V（1-6）显然，土的重度即土的密度乘以重力加速度 g 。天然土的重度一般为 16～22kg/m3。因有 机质和水的含量高，有机软黏土的相对密度较小，一般小于 15kg/m3，可在 10.4～13kg/m3 之间。 二、含水量 土的含水量 ? 是土中水的质量 mw 与土粒质量 ms 之比，也是两者所受的重力比。含水量常 用百分数表示，即??m? W? ? ?100% ms Ws(1-7)测定含水量的方法最简单的是烘干法。将土样称重后在 105～110℃左右的温度下烘干，由 失去水的质量与烘干土质量比值为含水量。上述烘干温度只是统一的温度，实际上可能有部分 强结合水没有除去，而矿物内部的结合水则可能减少，但数量很少，一般不予考虑。若土中含 超过 5％的有机质，为避免因烘干时分解损失而致过大误差，应在 65～70℃下烘干。 粉土的湿度按其含水量 ? （％）可分为稍湿（ ? ＜20）、湿（20≤ ? ≤30）和很湿（ ? ＞ 30）三种状态。 天然土的含水量差别很大。砂土通常不超过 40％，黏性土多在 10％～80％，近代沉积的松 软黏性土天然含水量可达 100％以上。国外介绍的一种有机粉土的含水量为 680％，泥炭含水量 可达 50％～2000％。18三、土粒重度和土粒相对密度 土粒重度 ? s 是土粒所受重力 Ws 与土粒体积 Vs 之比，即??Ws Vs（1-8）土粒相对密度 ?s 是烘干土粒与同体积的 4℃纯水之间的质量比或重力比。如水的密度为?? ，则?s ?ms ms ? M ? Vs ? ??（1-9）土粒相对密度的测定较多采用比重瓶煮沸法。将干土粒放入比重瓶，加蒸馏水煮沸除气， 测得土粒排开水的体积，代入式（1-9）求得。如土中含有较多水溶盐、亲水性胶体，特别是有 机质时，求得土粒排开水的体积偏小，因而所得土粒相对密度偏大，应以苯、煤油等中性液体 替换蒸馏水。 土粒相对密度多在 2.65～2.75 之间。砂土约为 2.65，黏性土变化范围较大，以 2.65～2.75 最常见。如土中含铁锰矿物较多时，相对密度较大。含有机质较多的土粒相对密度较小，可能 会降至 2.4 以下。 四、孔隙比和孔隙率 孔隙比 e 是土中孔隙体积 Vv 与土粒体积 Vs 之比，即e? Vv Vs（1-10）孔隙率 n 是土中孔隙体积与（三相）土的体积 V 之比，一般用百分数表示：n? Vv Vv ? ?100% V Vs ? Vv（1-11）孔隙比或孔隙率的大小反映了土的松密程度。 e 或 n 越大， 土越松，反之则土越密。 土体受压力后，土粒体积几乎没有减小，主要是土体孔隙 的减小。由式（1-10）可知土体积的减少量（可看作孔隙体积的 减小量）与孔隙比减小量成正比。 孔隙比或孔隙率不能直接测得。现用土粒体积 Vs 为 1 的单 元土三相简图（图 1-19）推导孔隙比与基本指标的关系式。根图 1-19 单元土的三相简图据 ? s 及 ? 的定义，当土粒体积为 1 时，其重 Ws ＝ ? s ?1 ? ? s ，这时水重为 Ws ? ? ? ? s ? ? ，故其 和 为 ? s (1? ? ) 。 又 根 据 e 及 ? 的 定 义 ， 此 单 元 土 的 体 积 应 为 1 ? e ， 土 重 为 ? (1? e ) 。 故 ，由此得 ? s (1? ? ) ? ? (1?e )e?? s (1 ? ? ) ?1 ?n 1? n（1-12）孔隙率也可以用同法得到。但孔隙率与孔隙比有固定关系，从它们的定义可得到：n?e 1? e或e ?（1-13）孔隙比的变化范围很大，多在 0.25～4.0 之间。砂土一般为 0.5～0.8；黏性土一般为 0.6～191.2；粉土 e＜0.75 为密实，0.75≤e≤0.90 为中密，e＞0.90 为稍密。少数近代沉积未经压实黏性 土的 e 可大于 4，泥炭一般为 5～15，有的高达 25。 鉴于孔隙比或孔隙率是通过其他指标转换得到，故受到其他指标可靠性和误差的影响。工 程实践中应首先采用非转换得到指标，其次再来考虑采用转换指标。 五、饱 和 度 土的饱和度 Sr 是土中水的体积 V? 与孔隙体积 Vv 之比。其表达式可为： V? ?G sSr ? Vv ? e（1-14）饱和度多用小数表示，也有用百分数表示的。砂土的潮湿程度可根据其饱和度划分为稍湿 （ Sr ? 0.5 ）、很湿（ 0.5 ? Sr ? 0.8 ）、饱和（ Sr ? 0.8 &）三种情况。完全饱和时 Sr ＝1。 六、土的饱和重度、浮重度、干重度 土的饱和重度是指 Sr ＝1 的饱和土重度 ? sat 。根据定义并按三相简图可得：? sat ?式中? s ? e? ?1? e（1-15）? ? ――水的重度≈10kN/m3。 土的浮重度 ? ? 是土浸入水中受到浮力作用后的重度。据其定义可得： ? ?? ? ? ? ? sat ? ? ? ? s ?1? eWs ? ? ? s ? V 1? e 1? ?（1-16）土的干重度 ? d （也有采用干密度 ?d 的）是单位体积土中的干土粒重。由三相简图可得：?d ?（1-17）在工程计算中，应根据具体情况采用不同状态的土重度。例如，作为天然地基土在地下水 位以上部分应采用原状土的重度，在地下水位以下部分，有的部门常采用浮重度，有的部门则 可能还要根据土的透水性和工程特点等因素确定采用浮重度或者采用饱和重度。 与工程有关的土一般含有水分。但由式（1-17）可知： ? d 越大 e 越小（ ? s 不变），即土越 密实，故堤坝、路基、机场、填土地基等工程常以土压实后的干重度作为保证填土质量的指标。 如填筑黏性土路堤， 堤面以下 1.2m 内的 ? d 一般应达到压实试验所得最大值的 90％～95％， 1.2m 以下要求达到 85％～90％；而在填土地基，则一般应达到 94％～97％。 七、最大干重度和最优含水量 土的干重度越大，表明土体中颗粒含量越高，土体承载力等工程性质越好。 土的干重度与其含水量有关，过干过湿都不能达到最大干重度。工程实践表明，其他条件 （压实土的方法、土的组成等）相同，在一定含水量时，干重度将达到最大值，即为最大干重 度 ? d max ，此时的含水量称为最优（佳）含水量?op。 图 1-20 为某黏性土采用各种压实方法测得的含水量――干重度曲线。由图可见，含水量较 低时，黏粒间水浸润不够使得相对移动摩阻较大，一定的外加压实功不足以使土达到更紧密的 状态。增加含水量会使粒面结合水膜变厚，粒间相对移动和靠拢的阻力减小，此时土体更易于20被压密，故干重度增大。当含水量超过相应的最优含水量时，土已接近饱和状态，空气所占孔 隙很小，且在孔隙中被水包围而处于封闭状态，在瞬间夯击或短时间碾压时孔隙水和气体来不 及排出，黏性土难以被进一步压密。这时含水量的增加将引起孔隙量的增加，即干重度的降低。 可见，含水量对干重度的影响显著。 同时，图 1-20 也表明不同压实方法对最大干重度 和最优含水量的影响。在工地常用机械碾压或夯实等方 法，在实验室则用击实试验法。击（压）实功越大，所 得最大干容重也越大，最优含水量则越小。但击实功较 大时，引起最大干重度的增加量越来越小，故要选择与 现场碾压机械压实能量相匹配的、合理的压实方法。 粒径级配较好的粗粒土、黏粒含量和亲水性矿物含 量较少的黏性土具有较大的最大干重度和较低的最优 含水量，也容易达到其最大干重度。 【例 1-1】某工地需压实填土 7200m3，从铲运机卸图 1-20 含水量―干重度曲线下松土的重度为 15kN/m3，含水量为 10％，土粒相对密 度为 2.7。求松土孔隙比。如压实后含水量为 15％，饱和度为 95％，问共需松土体积，并求压实土重度及干重度。 【解】由式 1-12 可得： 松土孔隙比 e松 ?2.7 ?10 ?1 ? 0.10 ? ? s (1 ? ? ) ?1 ? ? 1 ? 0.98 ? 15 ??s 0.15 ? 2.7 由式 1-14 可得： 压实土孔隙比 e实 ? ? ? 0.426 Sr 0.95 V V V ? Vs 另外， 松土孔隙比 e松 ? v ? 松 ?Vs ? 松 Vs Vs 1 ? e松 V V V ? Vs 同理得 压实土孔隙比 e实 ? v ? 实 ?Vs ? 实 Vs Vs 1 ? e实 1 ? e松 联解上两式， 可得 V松 ? ?V 1 ? e实 实 1 ? 0.98 3 所以， 共需松土 V松 ? 7200 ? ? 9997.2 m 1 ? 0.426 ? s (1 ? ? ) 2.7 ?10 ? (1 ? 0.15) 3 压实土重度 ? ? ? ? 21.77 kN/m1? e 1 ? 0.426 ? ?1 2.7 ?10 ?1 压实土干重度 ? d ? s ? ? 18.93 kN /m3 1 ? e 1 ? 0.426八、各物理指标相互关系 各物理指标之间的相互转换关系见表 1-2。21表 1-2各物理指标之间的转化关系一览表 已知土粒密度 ?s 和水的密度 ?wa)未知已知基本指标饱和（ S?dr? 1.0 ）非饱和（ Sr?1）nnn 1? nee 1? e?1?w(? wsat )?? sat?s ? ?r ?s ? ?www ? ?s w ? ? s ? Sr ? ? ww ? ?s Sr ? ? wn (nw )e (ew )e 1? e孔隙率n? 1? d ?s?1 ? w? ? ?s?s ?1 ?wsat ? ? s wsat ? ? s ? ?wwsatnn 1? n孔隙比eeew e?s1? e?s ?1 ?dw ? ?d ? ?s ?w ? ( ?s ? ?d )?1 ? w ? ??s ?w?s ? ?r ?r ? ?weew e?s1? e基本 指标饱和度Srnw nw ? ? ? ?s ?w[?1 ? w? ? ?s ? ? )]1?s ? ?w wsat ? ? s ? ? w1?r ? ? w ?? ?s ? ?w s?r ? ? w ?r ? (1 ? w) ? ( ?r ? ?w )?s ? ?r ?w ? ?r ? ?w ?sw wgesSr ? ? s ? ? w w ? ? s ? Sr ? ? wnw n干密度 ?d 土粒密度?s?1 ? n ? ?s?r ? n ? ?w1? n?d?d ? ?w ?w ? w ? ?d?1? w?1? n? ? ?s? ? nw ? ? w1? nn ?w ? 1 ? n ?s?r ? e ? ? ?r ? ?w ?e?? ? ?w ? ? ?1 ? w? ? ( ?r ? ?w )1 )?w ? (1? w?r ? ? w ?w ? wsat ? ( ?r ? ?w )Sr ? ? ? ? w (1 ? w) ? Sr ? ? w ? w ? ??1? e? ? ? ? ew ? ?we?含水量 饱和w(? wsat )n ?w ? 1 ? n ?s?w ?s?w ? ((1 ?1?d??s??1?s)w?1 ? wsat ? ?s ? ?wwsat ? ? s ? ? ww Sr( Sr ? w) ? ? s ? ? w w ? ? s ? Sr ? ? w?w ?s饱和密度? sat?1? n? ? ?s ? n ? ?w?s ? e ? ?w1? e?d ) ? ?w ? ?d ?s?w ??1? w? (1 ??w ) ?r?r?1? n? ? ?s ? n ? ?wnw ?w ? 1 ? n ?s?s ? e ? ?w1? e非 饱和含水量 w 含水孔隙率 nw 含水孔隙比ew_ _ _ _3 3_ _ _ _ww?ww ? ? 1 ? w ?w_ _ _ __ _ _ _wSr ? w ? ? s w ? ? s ? Sr ? ? ww?ew ??w ?s?d ?w?s ?wnwnw 1? new 1? ew?w??s ?w?s ?wew? s ? ew ? ? w1? e土密度 ? a)?1? w? ?d?(1 ? w) Sr ? ? s ? ? w w ? ? s ? Sr ? ? w?1? n? ? ?s ? nw ? ?工程上取 ?w =1.0t/m =1.0g/cm 。22第六节 土的物理状态及相关指标土的物理状态主要指土的松、密、软、硬状态，对工程性质有十分重要的影响。对无黏性 土主要是评定其密实程度，对黏性土则主要是评定其软硬程度，也称稠度。显然，密实、硬塑 状土具有较高的强度和较低的压缩性，可作为良好的天然地基。 一、粗粒土密实度 评定粗粒土、砂土等非黏性土密实程度的指标通常有相对密实度 Dr 、超重型圆锥动力触探 锤击数 N120 、重型圆锥动力触探锤击数 N63.5 、标准贯入试验锤击数 N 。 对于同一种砂土，孔隙比可以反映土的密实度：孔隙比大，说明土的密实度小，孔隙比小， 说明土的密实度大。但对于不同的砂土，相同的孔隙比却不能说明其密实度也相同，因为砂土 的密实度还与土粒形状、大小及粒径组成有关。例如粗细颗粒兼有、级配良好的砂土在达到最 大密实度时的孔隙比， 即最小孔隙比 emin ， 会小于土粒大小均匀、 级配不良的砂土所达到的 emin 。 因此有些行业部门采用相对密实度作指标，其定义如下：Dr ? emax ? e emax ? emin（1-18）emax ， emin ――土的最大、最小孔隙比，分别相应于最疏松、最紧密状态的孔隙比； e ――土的天然状态孔隙比。 emax 和 emin 可在实验室内分别用漏斗法、量筒倒转法或振动锤击法测定。求 emax 的砂土应 是干燥土样，而求 emin 不宜用烘干砂土，可使用含水量约为最优含水量（约 4％～10％）的砂式中 土样。 相对密实度值在 0 ～ 1 之间。当 e ? emax ， Dr ＝ 0 ；当e ? emin ， Dr ＝1。故 Dr 越大，砂土越密实。 相对密实度的概念比较合理。 但测定 emax 和 emin 的方法不够完善， 且砂土的原状土不易取得， 尤其是在地下水位以下时 更是困难，故天然孔隙比较难准确测定。 《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 05） 按相对密实度划分砂土密实度的有关规定见表 1-3。表 1-3 密实程度 密 中 稍 松 实 密 密 散 砂类土密实程度的划分 相对密实度 Dr Dr＞0.67 0.4＜Dr≤0.67 0.33＜Dr≤0.4 Dr≤0.33 图 1-21 标准贯入试验设备 1―穿心锤； 2―锤垫； 3―触探杆； 4―贯入器头；5―出水孔；6―由 两半圆形管并合而成贯入器身； 7―贯入器靴 N＞30 15＜N≤30 10＜N≤15 N≤10 标准贯入试验锤击数 N动力触探和标准贯入适用于砂类土和碎石类土密实度的 现场测定。 其基本原理是， 将一定质量重锤提升到指定高度后 自由下落， 利用重锤下落冲击力将探头击入土中。 配合钻孔资 料，通过贯入深度一定值时的锤击数来评判土的密实度和状137态。 动力触探可在地面或坑底进行，可获得锤击击数与贯入深度之间连续变化的关系。在我国 动力触探可分轻型 DPL、重型 DPH 和超重型 DPSH 三种。国外有 DPL-5、DPL、DPM-A、DPM 和 DPH 等类型，主要区分在于探头截面面积、穿心锤质量和穿心锤提升高度。 标准贯入则在钻孔底部进行，可得到锤击击数与贯入深度≤30cm 之间的关系，同时通过特 制的对开式标准贯入器（图 1-21），取得相应土样。在国外，常用类似动力触探的探头代替国 内的对开式贯入器。 在国内，动探试验适用于软岩、碎石土、砂土、粉土和一般性黏土，标贯试验适用于砂土、 粉土和一般性黏土。在国外，动探和标贯试验均适用于软岩、碎石土、砂土、粉土、残积土、 硬塑/坚硬黏土、一般性黏土和软塑～流塑状黏土。 国内动力触探和标准贯入试验的主要指标见表 1-4。表 1-4 类型及 代号 轻型 DPL 重型 DPH 特重型 DPSH 标准贯入 重锤质量 / （kg） 10± 0.2 63.5± 0.5 120± 1.0 63.5± 0.5 重锤落距 （cm） 50± 2 76± 2 100± 2 72± 2 动力触探设备类型和规格 探头截面积 （cm2） 13 43 43 对开圆筒，外径 100～140mm 探杆外径 （mm） 25 42、50 50 42 动力触探击数 符 号N 10 N63.5 N120*单 位 击/30cm 击/10cm 击/10cm 击/10cmN*：将贯入器垂直打入土层中 15cm 后，记录后续 3× 10cm 锤击数。对于不同的土，可根据标贯和动探击数判别土层的密实程度，详见表 1-3、1-5 和 1-6。表 1-5 超重型圆锥动力触探锤击数 N120N120 ≤3碎石土密实度按 N120 分类 超重型圆锥动力触探锤击数 N120 11＜ N120 ≤14N120 ＞14密实度 松 稍 中 表 1-6 散 密 密密实度 密 很 实 密3＜ N120 ≤6 6＜ N120 ≤11 重型圆锥动力触探锤击数 N63.5N63.5 ≤5碎石土密实度按 N63.5 分类 重型圆锥动力触探锤击数 N63.5 10＜ N63.5 ≤20N63.5 ＞20密实度 松 稍 散 密密实度 中 密 密 实5＜ N63.5 ≤10 密实 程度 密实表 1-7结构特征 骨架颗粒交错紧贴连续 接触，孔隙填满、密实 骨架颗粒排列疏密不均， 部分颗粒不接触， 孔隙填 满，但不密实 多数骨架颗粒不接触， 孔 隙基本填满，但较松散 骨架颗粒有较大孔隙， 充碎石类土密实程度的现场划分 天然坡和开挖情况 钻探情况 钻进困难。 钻探时， 钻具 跳动剧烈，空比较稳定 钻进较难。 钻探时， 钻具 跳动不剧烈， 孔壁有坍塌 现象 钻进较难。 钻探时钻具有 跳动，孔壁较易坍塌 钻进较容易， 钻进中孔壁中密稍密 松散 138天然陡坡稳定，坎下堆积物较少。镐挖掘困 难，用撬棍方能松动，坑壁稳定。从坑壁取 出大颗粒处，能保持凹面形状 天然坡不易陡立或陡坎下堆积物较多。 天然 坡大于粗颗粒的安息角。镐可挖掘，坑壁有 掉块现象。充填物为砂类土时，坑壁取出大 颗粒处，不易保持凹面形状 不易形成陡坎， 天然坡略大于粗颗粒的安息 角。镐交易挖掘。坑壁易掉块，从坑壁取出 大颗粒后易塌落 锹可以挖掘。天然坡多为主要颗粒的安息填物少，且松散角。坑壁易坍塌易坍塌标贯试验结果也受其它因素影响，如饱和粉细砂、地下水、上覆土、探杆侧向摩阻、贯入 设备和试验钻进方法等。国内有些规范提供了杆长为 3～21m 时的杆长修正值 ? 。但国内外对 修正系数的研究还存在较大异议。因此，应根据岩土工程问题和场地实际情况综合考虑，是否 和怎样采取修正。 碎石土为粗粒土，既难取原状土样，又不易打下标准贯入器，故一般在现场可根据土体及 钻探情况综合评定其密实程度，见表 1-7。 二、粉土密实度 《岩土工程勘察规范》 （GB 5）给出按孔隙比 e 对粉土进行密实度分类的标准， 见下表。 表 1-8孔隙比 e 粉土密实度分类 密 实 度 密 中 稍 实 密 密e ＜0.750.75≤ e ≤0.90e ＞0.9应当指出，当有经验时，也可用原位测试（触探、标贯）或其他方法划分粉土的密实度。 除此之外，还可利用静力触探、旁压仪、十字板剪切等现场试验对相关土层密实度和状态 进行划分。 静力触探（CPT）适用于砂土、粉土和黏性土等非粗颗粒土和非硬塑/坚硬状黏性土的现场 测试。其工作原理是：通过静压力将探头匀速垂直压入土中。结合现场钻孔取样，通过测试探 头端阻 ps 和侧阻 fs 的大小可对土层密度、塑性状态、抗剪强度等指标进行评判。 图 1-22 为静力触探试验结果实例。图 1-22静力触探试验结果实例（Smoltczyk,1996）荷兰 Fugro 公司给出了根据探头端阻 ps 和侧阻 fs 判断土性的关系图，见图 1-23。 G．Sanglerat（1972）给出了当探头端阻 ps＞1.5MPa 时，黏性土呈现软塑――可塑状态的 实例。K. Weiss（1978）认为，当探头端阻 ps＞5MPa 时，黏性土表现为硬塑状态。 应当注意，国外所用静力触探的设备和规格有别于国内。139三、黏性土物理状态和可塑性 与砂类、粉土类土不一样，黏性土常用其 状态指标进行分类。 这主要是因为黏性土性质 并非仅仅由颗粒大小决定， 而首先取决于黏性 土颗粒矿物质成分以及与水的作用。 由于矿物 成分确定困难， 工程上就常用测定黏性土与水 的作用来表示其物理状态及可塑特性， 进而对 其工程性质加以描述。 (一)黏性土的状态及界限含水量 黏性土在不同含水量时呈现不同的物理 状态， 它反映了黏粒表面与水的作用程度以及 土粒间联结强度或相对活动的难易程度。 黏性 土的状态直接影响到它的力学性质。 随着含水 量的改变，黏性土物理状态逐渐变化，不同阶 段会呈现不同的状态特征。 工程上常根据黏性 土随水含量的增加由硬变软的过程， 将其划分 为几种基本物理状态，如坚硬、硬塑、可塑、 软塑和流塑。 当含水量足够高时，黏性土处于流动、流 塑状态，此时黏性土可黏附在其他材料上。若含水量减少，土的黏附性将会消失，进而由流塑 转入塑性状态，此时土粒间存在一定的引力作用，足 以克服本身的重力影响而具有保持形状基本不变的能 力。 只有在一定外力作用下才发生相对移动而不脱离， 土可被改变形状而不裂、不断。当外力解除后，土仍 能保持其改变后的形状，这就是黏性土的重要特征之 一――可塑性。若含水量继续减小，可塑状态由软逐 渐变硬。若继续减少含水量，土中水基本上是强结合 水和扩散层的内层结合水，土粒间联结比较牢固，在 外力作用下已难以保持相对移动而不脱离，因而失去图 1-24 静力触探试验结果实例 图 1-23 不同土层中静力触探端阻和 侧阻之间关系图（Fugro）可塑性进入坚硬状态。 黏性土由一种主要状态向另一种主要状态转变时（Smoltczyk,1996）的含水量，通常称为界限含水量。由流塑状态转入塑性状态的界限含水量称为塑性上限，也称 为液性界限?L,简称液限或流限。由塑性状态转变为坚硬状态的界限含 水量为塑性下限，称为塑性界限?P，简称塑限。黏性土在刚进入坚硬状态时的体积还是随含 水量的减少而相应减少的，但随着粒间引力越来越大，体积减少量开始并越来越小于水的减少 量，土变得越来越硬，处于饱和状态的土此时已不再饱和。当随含水量的继续减少而黏土体积 减少量可忽略不计时，土中则主要存在强结合水，土粒间联结十分牢固，此时表明土已由有坚140硬状态转入坚固状态。此时的界限含水量称为收缩界限 ?s ，简称缩限。缩限一般用土失水收缩 的直线段和失水不收缩的直线段的延长线交点确定（参见图 1-24）。 上述三个界限含水量――液限、塑限、缩限由瑞典 农学家阿特堡（ Atterberg A .）首先提出，国际上称为 阿特堡界限，其中以确定塑性状态范围的液限和塑限对 工程建设最为重要。 (二) 液限和塑限的测定方法 实验室测定黏性土液限的方法主要有锥式液限仪法 和碟式液限仪法。锥式（瓦氏）液限仪（图 1-25）主要 由质量为 76g 的平衡锥组成，其锥角为 30℃。平衡锥在 重塑黏性土样表面藉自重下沉，经 5s 后的沉入深度是 10mm 和 17mm 时的含水量分别称为 10mm 和 17mm 液 同。 碟式（卡氏）液限仪[图 1-26（a）]在国外应用较多，是一个由偏心轮带动装土碟不断上升 下落、 碰击底板的装置。 先用切槽器将碟中厚 10mm 的重塑土切出底宽为 2mm 的 V 形槽[图 1-26 （b）]，摇转偏心轮，使装土碟与底板碰击 25 次。如此时土样槽底两侧土合拢长度为 13mm， 则对应的含水量取为其液限。 因测定液限的仪器与方法不同，测定结果也 会有差别。一般认为 17mm 液限与碟式液限仪测 得结果大致相同， 10mm 液限一般小于碟式测定结 果。 测定塑性的方法是人工和机械搓条法。人工 搓条法主要步骤为：用手掌搓将在毛玻璃上的重 塑黏土小圆球（球径小于 10mm）滚放成小土条， 若土条搓至 3mm 时恰好产生开裂并开始断裂，此 时土条的含水量取为塑限?P。搓条法受人为因素图 1-26 碟式液限仪 （单位： mm） 图 1-25 锥式液限仪 （单位： mm）限。我国较普遍采用的是锥式液限仪和 10mm 液限法。但各国采用的平衡锥及沉入深度不都相影响较大，成果不稳定。为改善此不足，国内外也采用机械搓条法。同时，很多研究者也在探 索更可靠的方法，如联合法测定液限和塑限。此方法采用锥式液限仪测，以电磁放锥法对不同 含水量的黏性土试样进行若干次试验，并将测定结果在双对数坐标纸上绘出。根据大量资料统 计，圆锥体入土深度与含水量之间的关系接近于直线。故做几次试验后，把不同含水量对应的 入土深度连成直线， 从直线上可直接获得入土深分别为 10mm 及 2mm 的含水量， 即为该黏土的 液限和塑限。 (三)塑性指数和液性指数 1. 塑性指数 塑性指数 I p 是指液限和塑限之差值，即：I p ? ?L ? ?P141(1-19)塑性指数常用百分率的数值表示，如 ?L ＝40％， ?P ＝22％，则 I p ＝18。 塑性指数给出黏土塑性范围的大小。塑性指数越大，可塑范围也越大。在一定意义上塑性 指数综合反映了影响黏性土特性的主要因素，因此可用于黏性土的分类及其工程性质的评估。表 1-9 土的名称 粉土 粉质黏土 黏土粉黏土分类 塑性指数 I p 10≤ I p 10＜ I p ≤17I p ＞17砂土 I p 为零。 I p 接近于零，土样接近砂土， I p 接近于 10，土样接近粉质黏土。在二者之 间可进一步细分为砂质粉土、低塑性黏土、粉土、粉质低塑性黏土等“亚类土”。 2. 液性指数 随含水量减少黏性土的塑性变形能力减弱，强度增加。因此，借助于含水量指标准确判定 黏性土变形能力尤为重要。工程上，普遍采用液性指数 I L 来定量判定黏性土所处状态。液性指 数 I L 定义是：IL ?式中? ? ?P ? ? ?P ? ?L ? ?P IP(1-20)? ――土的天然含水量。由上式可见，当天然含水量低于塑限时， I L ? 0 ,土处于坚硬状态；当天然含水量在塑限和 液限之间时， I L 在 0～1 之间，天然土处于可塑状态；当天然含水量高于液限时， I L ? 1 ，天然 土处于流动状态。《建筑地基基础设计规范》（GB ）给出，可根据液性指数黏性土 可划分为五种软硬状态，其划分标准见表 1-10。表 1-10 液性指数I L ≤0黏性土状态分类 液性指数 0．75＜ I L ≤1I L ＞1状 坚 硬 可态 硬 塑 塑状 软 流态 塑 塑0＜ I L ≤0.25 0.25＜ I L ≤0.753.液性指标国外常用液性指标 IC 来代替液性指数 I L 的。液性指标 IC 定义是：IC ??L ? ? ? 1? IL ?L ? ?P(1-21)下图给出黏性土界限含水量棒状图、液性指数 I L 和液性指标 IC 相互关系。塑 性 范 围Ic =1 Ic =0.75 Ic =0.25 Ic =0坚 固ω=0 ω s坚 硬IL =0 ω p硬 塑IL =0.25可塑软 塑IL =0.75 IL =1 ω L流 塑 增加方向 含水量 ωp Ip = ω L -ω1）IL――液性指数 1422）IC――液性指标=1-IL 3）各国对塑性范围内黏土状态划分和指标不完全相同。 图 1-27 黏性土界限含水量棒状图和塑性范围(四)影响黏性土可塑性的因素 黏性土可塑性与黏粒同水溶液的表面作用密切相关， 影响 黏性土可塑性的因素与影响扩散层厚度和弱结合水含量的因 素是一致的。 这些因素主要包括黏性土的粒径组成、 矿物成分、 交换离子成分及浓度、溶液 pH 值等。降低黏性土的可塑性可 改善其工程性质。 1. 粒径组成的影响 可塑性的大小或强弱与粒径大小的关系见表 1-11。显然，黏 粒含量，特别是细黏粒含量的增高会增强其可塑性。根据试验 资料统计，黏粒含量与塑性指数大致成线性关系（图 1-28）， 随着黏粒含量增加，液限与塑限都在增长，但液限更为敏感，故塑性指数也在增加。表 1-11 粒径/mm 可塑性 &0.005 一般没有 微弱 可塑性与粒径的关系 0.002-0.001 不大 &0.001 强烈 &0.0005 特强 图 1-28 黏粒含量对 IP 影响0.005-0.0022.矿物成分和交换离子成分的影响、活性指数黏粒矿物成分和交换离子成分对黏性土的影响很大。表 1-12 提供了主要黏土矿物饱和不同 阳离子时各项塑性指标的测定值。表中数据表明：黏土矿物亲水性越强，其液限和塑限也越高， 且但液限增高提高的幅度比塑限增高的幅度要大，故塑性指数也随之明显提高。由表中可见， 交换离子成分对可塑性的影响则主要体现在亲水性强的蒙脱石中。表 1-12 矿物种类 交换离子种类 液限/% 塑限/% 塑性指数 Na 710 60 650 K 660 100 550 主要黏土矿物饱和不同阳离子的塑性指标测定值 Mg 410 60 350 Fe 290 70 220 Na 120 57 63 K 120 58 62 伊利石 Ca 100 40 60 Mg 95 45 49 Fe 110 51 59 Na 53 32 21 K 49 29 20 高岭石 Ca Mg 38 54 27 31 11 23 Fe 59 37 22 蒙脱石 Ca 510 80 430此外，有机质、特别是腐植质也有很强的亲水性，有机质含量的增加会明显提高液限和塑 限值，液性指数也会随之增高。 对于含有不同数量、不同矿物成分黏粒的黏性土来说，塑性指数是两者综合的结果。或者 说， 塑性指数和黏粒含量也可反映黏粒矿物成分的性质。 图 1-29 给出几种主要黏土矿物的黏粒含量 p0.002 （=粒径小于 0.002mm 的质量/颗粒总质量）与塑性指数 IP 的线性关系。 图中可见， 黏性土①所含黏粒的矿物成分主要是伊利石， 而 黏性土②的矿物成分主要是高岭石。 这些线的坡度 （坡角的 正切）称为胶体活动性指数，简称活性指数（符号为 A ), 即：A?IPp0.002非活性 一般（1-22）按活性指数可将黏性土的活动性划分为三类：A ? 0.75 A ? 0.75 ~ 1.25143图 1-29矿物成分对 IP 影响A ? 1.25亲水性越强。 3. 改变黏性土可塑性的因素活性黏性土①属于活性一般，黏性土②则属于非活性。活性指数越大，黏性土所含矿物黏粒的黏性土中的黏粒多数带负电。增大水溶液中的阳离子浓度可减小扩散层的厚度，因而降低 黏性土的可塑性。对于含有亲水性强的低价阳离子矿物黏性土，通过高价阳离子去置换，也可 使扩散层变薄，进而减弱可塑性。 在一般情况下降低水溶液 pH 值会减弱黏性土可塑性。可塑性降低，表明黏粒与水的表面 作用减弱和扩散层减薄，因而黏性土的亲水性减弱，与亲水性相关的性质如可塑性、膨胀收缩 性等也会随之减弱，土的工程性质得到改善。 【例 1-2】有 A 、 B 两种黏性土，其部分物理特性如下表。试比较两种土的物理状态并简 单说明。物理特性 土类 A土 B土 孔隙比 e 0.75 0.73 含水量/?% 28 27 液限/% 31 87 塑限/% 18 31 小于 0.002mm 黏粒含量/% 35 36【解】这两种黏性土的孔隙比、含水量基本相同，但液限、塑限不同，通过计算塑性指数 分别为 13 和 56， 液性指数分别为 0.769 及-0.071， 故 A 土处于软塑状态，B 土则处于坚硬状态。 注意到两土中小于 0.002mm 黏粒的含量基本相同，故可认为其矿物的亲水性差别较大。活性指 数分别为 0.37（非活性的）及 1.56（活性的）。参考图 1-29 可认为： A 土中内的黏粒矿物成分 相当于高岭石，而 B 土的黏粒矿物成分相当于钙蒙脱石。第七节土的膨胀、收缩及冻融土的膨胀、收缩和冻胀是在特定条件下土中水物理状态发生的变化。在部分地区这些种现 象十分严重，给工程建设带来了严重影响。 一、土的膨胀和收缩 和非黏性土不同，黏性土可吸水膨胀，也可失水收缩，这是黏性土特性之一。如果黏性土 的膨胀和收缩现象十分严重，就会导致建筑物因地基强度降低和不均匀变形而出现不良现象， 引起土坡崩裂坍滑、路面结构开裂、挡土结构破坏等工程危害。 (一)膨胀性和收缩性 在外界干燥条件下，含水量较高的黏性土可因水分蒸发而引起水溶液中电解质浓度增加， 其结果是结合水膜变薄，粒间引力作用增强，土粒相互靠拢，黏性土体积缩小，同时伴随产生 失水龟裂、裂缝、崩解，甚至完全沙漠化。反之，在具备供水条件(如降水、地表水或地下水浸 润)时，含水量较低的黏性土会吸水膨胀。吸水膨胀可能是因黏粒间接触处结合水膜增厚，也可 能是因水分子被吸进黏粒的矿物晶胞层（如蒙脱石）之间，使晶胞层分开所致。 膨胀或收缩一般从黏性土表面开始。浸水膨胀时，土外层膨胀量大，导致土粒间的联结强 度降低，严重时会出现不均匀膨胀、开裂甚至解体，称为崩解（也称湿化）。如此由外向里发144展，直到完全崩解。天然土中胶结物的遇水溶解，如可溶盐，会加速土的崩解作用。 (二)膨胀性和收缩性指标 描述土体膨胀性的指标是膨胀率和膨胀力。膨胀率是指土体膨胀量与原有体积的百分比。 试验测定方法有两种： 一种是将过筛后的干土浸入水中， 使之充分吸水膨胀得到自由膨胀率 eFS , 若 eFS ? 40% ，且 ?L ? 40% ,该土可能属于膨胀土。另一种方法是利用环刀切取原状土样，然 后在无荷载条件下浸水膨胀得到膨胀率 eP 。膨胀力是土体吸水膨胀时内部产生的最大胀力。可 通过制止土膨胀所需外荷载来测定。有些黏性土膨胀力大于 100kPa ，强膨胀性土甚至大于 1000kPa。 表征土体收缩性的指标是体积收缩率（简称收缩率）和线收缩率（线缩率）,其定义分别是 收缩减少的体积和高度与原来的体积和高度的百分比。 (三)影响黏性土胀缩性的因素 影响胀缩性的因素，除了有黏性土粒径组成、矿物成分、可交换离子成分及浓度、溶液 pH 值等外，土的天然含水量也起到很大作用。天然含水量越小，膨胀性越大；反之，则收缩性越 大。扰动土的胀缩性比原状土大，主要因为抵抗胀缩的联结强度变小。 二、土的冻融 当气温降到零度以下时，地面土开始冻结。此时，受冻部分土体中的孔隙水将出现结冰现 象。随着从液态向固态转换，水的体积要增加约 9%（工程上，?冰?9kN/m3），故冻结后土的体 积有不同程度的膨胀，称为冻胀。当气温上升回暖时，由于冻土的解冻会造成土层的软化，强 度降低。 冻胀和融化产生的变形与沉降通常是不均匀的，常常对建筑物、路基的造成严重破坏。严 寒地区铁路桥梁冻害调查统计资料表明，不少桥梁、路基和建筑物遭受冻融损害，冻胀高度常 常大于 50mm，最大为 150mm，严重时桥梁墩身被拔断。(一) 冻胀原因及冻胀力土的冻胀主要与土颗粒构成、孔隙和地下水情况有关。 当土层为非黏性碎石等粗颗粒土时，土中孔隙开放并彼此相互联系，孔隙水主要为自由水， 毛细水作用很弱。这类地基土的冻结主要是自由水的冻结，冻结区水分不会增加，即使在饱和 状态下，这类土层冻结后的结构也不会产生明显变化，地下水面处率先冻成的冰面甚至可将冰 面以下的水挤出、排走。此类土的冻胀系数很小，冻结后产生的体积变化可忽略不计，融化时 也是如此，所以工程上将这类土划分为冻结安全的土类，或称冻结不敏感土类。 当冻结在湿润粉、黏性土等细黏粒类土中贯入时，情况则完全相反。在一定的冻结时间、 冻结温度和土质情况条件下，冰冻贯入至一定深度范围后不继续发展，此深度称为冻结深度。 在此范围内的孔隙水和部分弱结合水首先成冰， 并向上冻胀隆起。 此时，在冻结深度处冻结与非冻结土层温差的驱动下，相邻区域 内未冻结的液态和气态水能克服重力从温度较高区域向冰冻区域 运动，再加上毛细水作用，使深处地下水能源源不断地向冰晶体 运动补给（参见图 1-30），逐渐形成地下冰棱或冰土夹层并不断 膨胀、增大。由于土层孔隙大小与形状、毛细通道、深部水源分145 图 1-30 冻结时的水分迁移布的离散型，使得地下冰棱或冰土夹层厚度不均匀，地面出现不均匀隆起，严重时给地面建筑 物带来较大损害。 可见，冻胀主要是近地面处土中水分的积聚、增加和冰冻隆起的结果。冻胀时土内会产生 很大的内应力，称为冻胀力。冻胀力可使建筑物基础受到不均匀的压力，甚至超过一般建 筑物基底压力（参见表 1-13）。因此设计建筑物时，基础必须置入该地区冻结深度之下，以保 障建筑物基础安全。关于冻结深度的取值可参考《铁路桥涵地基和基础设计规范》（ TB 05）。表 1-13 土的名称 粗粒土、粗砂 中砂、细纱、粗粒粉砂 弱黏土质中砂 细粉土 粉质黏土 黏土 冻胀力参考值 （Willams,1967） 冻胀力 (kPa) 0 0～7.5 7.5～15.0 15.0～50.0 50.0～200.0 ＞200.0当气温转暖时土体冻结部分将融化。在吸收热量后地基土首先从地面开始解冻，然后向地 下逐渐扩展。在冻结深度范围内，由于深处地基仍处于冻结状态，地表附近冰棱融化后的大部 分水不能流向地下。若是黏性土类地基，则因渗透排水不畅出现吸水、积水等现象，地基将变 得非常潮湿、软化，甚至现出流塑状的翻浆冒泥现象。伴随软化过程的出现地基土承载力会明 显降低，不均匀沉降凸显。因此在解冻过程中，黏性地基土承载力会大大下降，而且远远低于 冻结过程产生前的数值。(二) 冻胀的主要影响因素及分类1.粒径组成及矿物成分根据上述冰晶体形成和扩大的原因可知，土体产生显著冻胀现象首先是要有一定数量的亲 水性矿物细小黏粒土，它能吸附较多的结合水；其次要具备大量结合水、孔隙水和毛细水迁移 和聚集的条件。若黏粒含量过多，孔隙相对封闭，孔隙中主要是结合水，则水分的继续供应完 全依靠结合水的移动。此时水分移动速度慢，距离稍远便供应不上，冻胀将受到限制。若土中 还有相当数量的粉粒或砂质粉土，能提供足够的毛细水通道，则因供水速度较快，上升高度较 大，可形成较充分的水源补给条件。可见，冻胀系数随粒径小于 0.05mm 颗粒含量的增加而增 加，含量小于 15％时不会有明显的冻胀现象。中砂以上的粗粒土，冻胀系数很小。 2. 水源 冻胀的水源包括本身水源和外来水源。本身水源是指土中水的天然含量。显然，天然含水 量大的粉土和黏性土，其冻胀隆起和融化沉陷也会较大。若天然含水量较小，则冻胀系数也较 小。含水量接近塑限时，土中水分都是受静电引力较大的结合水，土几乎没有冻胀。外来水主 要由地下水源补给。当地下水位距当地冻结深度不超过 1.5m（粉砂）至 2.0m（黏性土）时，便 具备了较好的水源条件。 3. 温度 在 0℃以下时，黏性土中仍有部分未冻结水，如在-0.3℃时，未冻结水含量约为 6％～35％； 在-10℃，约为 4％～16％；在-30℃时，约为 4％～13％。塑性指数越大，未冻结水含量越高。 所以，在已冻黏性土中，若含水量较大，仍会有结合水的迁移和冻胀的增长现象。146细粒土在冻结时会产生使结合水向冻结区迁移的引力，温差越大，引力也越大。若温度迅 速降低，可使扩散层水分子的活动能力降低，导致水的迁移速度降低。如果负温很低，可使土 中弱结合水和毛细水迅速被冻结，冰晶会堵塞供水通道。反之，如是缓慢降温，且负温不是很 低，持续期长，则在有水源供给情况下会发生连续的水分迁移集聚，冻胀就会加剧。因此，不 是温度越低，冻胀越严重，而是存在一个冻胀最严重的临界温度。根据经验，此临界值一般在 -8℃至-10℃之间。 冻结深度与温度有关。温度越低，冻结时间越长，则冻结深度越大。 4. 冻胀的分类 工程上将单位冻结深度的冻胀量定义为冻胀率。实践中常用冻胀率? （％）对地基土冻胀 性 分 类 ， 即 I 级 不 冻 胀 土 ( ? ? 1% ) 、 II 级 弱 冻 胀 土 ( ? ? 1% ~ 3.5% ) 、 III 级 冻 胀 土 ( ? ? 3.5% ~ 6% )、IV 级强冻胀土( 6% ? ? ? 12% )和 V 级特强冻胀（? ? 12% ）。 为了便于现场应用，有关设计规范制订了地基土冻胀分类表，主要考虑了土的颗粒组成、 天然含水量及稠度、地下水位距冻结深度的距离等影响因素。第八节土（岩）的工程分类工程上常将土（岩）根据不同的用途进行不同的分类。合理的分类有利于正确选择定量分 析指标和合理评价土（岩）的工程性质，以便能充分利用土的特性进行工程设计和施工。 作为建筑材料和地基的土（岩）常分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和特殊土等几 大类。岩石除按地质成因分类外，还可按其强度、风化程度、岩体结构类型或节理发育程度等 特征进行分类，粗粒土多按其级配分类，细粒土可按其塑性指数分类。对于特殊地质成因和年 代的土，应结合其成因和年代特征确定土名。对特殊性土，应结合颗粒级配或塑性指数综合确 定土名。确定混合土名称时，应根据主要含有的土类来命名。 本节还将简要介绍塑性图细粒土分类法和水利部的粗、巨粒土分类法。 由于我国幅员辽阔，各地土（岩）性质有很大差别，从事工业与民用建筑、铁路、交通、 水利等工程建设的行业部门各自都有明显的行业特点和侧重点，所以在土（岩）工程分类方面 各有其特点，具体指标的划分和命名有所不同。 一、岩石 岩石作为建筑场地和地基时，可按下列分类法进行分类。 （一）按强度分类 按饱和单轴极限抗压强度进行岩石分类的工业与民用建筑、 铁路公路等部门标准见表 1-14。表 1-14 饱和单轴抗压强度（MPa） 建设部门分类 铁路部门分类 公路部门分类 水利部门分类 相关部门岩石强度分类 60? fr&30 较硬岩 硬岩 30? fr&15 较软岩 较软岩 软质岩 软质岩 15? fr&5 软岩 软岩 fr?5 极软岩 极软岩 极软岩 fr&60 坚硬岩 坚硬岩硬质岩 坚硬岩 中硬岩（二）按完整性程度、风化程度、节理发育程度等分类147借助岩石完整性指标 Kv ――即岩体压缩波速度与岩块压缩波速度之比的平方，建设、铁路 部门将岩石分为完整( Kv ? 0.75 )、较完整( 0.55 ? Kv ? 0.75 )、较破碎( 0.35 ? Kv ? 0.55 )、破 碎( 0.15 ? Kv ? 0.35 )和极破碎( Kv ? 0.15 )共五类。 水利、铁路等部门对岩体按其风化程度分为未风化、微风化、弱风化、强风化、全风化五 类。铁路部门将岩体按节理发育程度分为四级：节理不发育、节理较发育、节理发育和节理很 发育。 还存在按岩体基本质量、坚硬程度、抗风化能力、岩矿成分、地质构造、结构类型等进行 分类的，详见相关部门的相关规范。 二、碎石土 在我国，碎石土是指粒径大于 2mm 的颗粒质量超过总质量 50％的土。《岩土工程勘察规 范》（GB ）的分类法见表 1-15。表 1-15 土的名称 漂石土 块石土 卵石土 碎石土 圆砾土 角砾土 颗粒形状 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 建设部门碎石土分类 颗粒级配 粒径大于 200mm 的颗粒质量超过总质量 50%粒径大于 20mm 的颗粒质量超过总质量 50%粒径大于 2mm 的颗粒质量超过总质量 50%铁路部门将 20mm 至 200mm 的碎石土进行了细化，增加了 60mm 一类，见表 1-16。 三、砂土 砂土是指粒径大于 2mm 的颗粒质量不超过总质量的 50％，且粒径大于 0.075mm 的颗粒质 量超过总质量 50％的土，分类见表 1-17。表 1-16 铁路部门碎石土分类 土的名称 漂石土 块石土 卵石土 碎石土 粗圆砾土 粗角砾土 细圆砾土 细角砾土 颗粒形状 圆形及圆棱形为主 棱角形为主 圆形及圆棱形为主 棱角形为主 圆形及圆棱形为主 棱角形为主 圆形及圆棱形为主 棱角形为主 颗粒级配 粒径大于 200mm 的颗粒质量超过总质量 50%粒径大于 60mm 的颗粒质量超过总质量 50%粒径大于 20mm 的颗粒质量超过总质量 50%粒径大于 2mm 的颗粒质量超过总质量 50% 砂土分类 颗粒级配表 1-17 土的名称 砾 砂 粗 砂 中 砂 148粒径大于 2mm 的颗粒质量占总质量 25%～50% 粒径大于 0.5mm 的颗粒质量超过总质量 50% 粒径大于 0.25mm 的颗粒质量超过总质量 50%细 砂 粉 砂粒径大于 0.075mm 的颗粒质量超过总质量 85% 粒径大于 0.075mm 的颗粒质量超过总质量 50%四、粉土 建筑、铁路等部门对粒径大于 0.075mm 的颗粒质量不超过总质量的 50％，且塑性指数I p ? 10 的土定为粉土，参见图 1-2 和表 1-9。五、黏性土和黏土 建筑、铁路等部门规定，当塑性指数 I p ? 10 为黏性土，其中当10 ? I p ? 17 时为粉质黏土； 当 I p ? 17 时为黏土，参见图 1-2 和表 1-9。 六、特殊性土 除了下面给出的土外，特殊性土还包含混合土、风化岩和残积土、工业和民用污染土、垃 圾土等。尤其是后两种土，已给岩土力学和工程带来新的问题和挑战。 （一）黄土 黄土以粉土为主，可细分为砂质黄土、黏质粉土等。按生成年代可分为老黄土及新黄土。 老黄土的大孔结构退化，土质密实，一般无湿陷性。新黄土大孔发育，通常有湿陷性。湿陷性 可分自重湿陷和非自重湿陷两种。工程上当湿陷系数 ? ? 0.015 时判为湿陷性土。湿陷性黄土主 要为第四纪堆积黄土，土质松软，垂直节理发育，孔隙率高，压缩性高，湿陷性沉降不均，承 载力较低，为工程性质不良的地基土。 （二）软土 软土是天然含水量大于液限，天然孔隙比 e ? 1.0 的细粒土，且具有压缩性高（压缩系数a ? 0.5 MPa-1）和强度低（静力触探贯入阻力 Ps ? 800 kPa）等特点，对工程建筑十分不利。其中有机质含量 ?u ? 3% ，e ? 1.0 者为软黏性土，3% ? ?u ? 10% 时且 1.0 ? e ? 1.5 者为淤泥质土和e ? 1.5 者为淤泥， 10% ? ?u ? 60% ，e ? 3 为泥炭质土， ?u ? 60% ，e ? 10 为泥炭。我国软土多属灵敏度高的黏性土，完全扰动后强度降低 70％～80％。 （三）冻土 冻土可分为季节性冻土和多年冻土。季节性冻土为在冬季结冻的冻土，它在春夏天暖时即 会融化。对季节性冻土常以冻胀性为评价分级标准。多年冻土指冻结状态持续≥2 年的岩土层。 对多年冻土以含冰情况不同、融沉性不同等指标进行评价分级。 （四）膨胀土（胀缩土、裂土） 膨胀土具有明显的吸水膨胀软化、失水收缩开裂、反复变形与强度变化等的特征。自由膨 胀 率 4 0 %? eFS ? 6 0 ~ 6 5 时 % 为 弱 膨 胀 土 ， 60 ~ 65% ? eFS ? 90% 时 为 中 等 膨 胀 土 ，eFS ? 90% 时为强膨胀土。自然条件下多呈硬塑或坚硬状态，裂隙较发育。（五）红黏土 红黏土是指亚热带暖湿地区碳酸盐类岩石经强风化后残积、坡积形成的褐红色（或棕红、 褐黄等色）高塑性黏土，其液限等于或大于 50％。红黏土经搬运、沉积后仍保留其基本特征，149且液限大于 45％的土称为次生红黏土。在我国西南等地区颇为常见。 红黏土黏粒含量很高， 矿物成分则以石英和伊利石或高岭石为主， 塑性指数一般为 20～40， 天然含水量接近塑限，虽然孔隙比大于 1.0，饱和度大于 85％，但其强度仍较高，压缩性低。 遇水容易迅速软化。有些地区红黏土也具有胀缩性，厚度分布不均，岩溶现象较发育。 （六）盐渍土 盐渍土是指地表土层中易溶盐含量大于 0.5％的土。一般深度不大，多在 1～1.5m 以内。其 性质与所含盐分成分和含盐量有关。易溶解氯盐易使土被泡软。硫酸盐溶解度随温度升降而增 减，使盐分溶解或结晶，导致土体积减小或增大，引起土结构被破坏。碳酸盐水溶液呈较强的 碱性反应，含有较多钠离子，吸水膨胀性强，透水性小。 路堤填料对土中易溶盐含量一般有限制性规定。但在西北极干旱地区，路基堤料和基底土 不受氯盐含量限制。盐渍土对混凝土和金属管道有腐蚀性，应采取防护措施。 （七）人工填土 人工填土是因人类活动而形成的堆积物。其成分乱杂，均匀性差。人工填土可分为素填土、 杂填土和冲填土。素填土是由碎石、砂土、黏性土等组成的填土。经分层压实者统称为压实填 土。杂填土是含有大量建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。冲填土是由水力冲填泥 沙形成的沉积土。 七、塑性图细粒土分类法 用塑性指数 I P 对细粒土进行分类虽然较简单， 但分类界限值最高为 17， 不能区别高塑性土， 而且相同塑性指数的细粒土可有不同的液限和塑限，液限在塑性指标中是最敏感的，故相同塑 性指数土的性质也可能会不同。因此，用塑性指数 I P 和液限 ?L 两个指标对细粒土分类比仅用 塑性指数更加合理。卡萨格兰德（ A ? Casagrande ）统计了大量试验资料后首先提出了按 I P 和?L 对细粒土进行分类定名的塑性图，其基本原则为许多国家所采用。图 1-31塑性图我国水利部主编的《土的工程分类标准》（GB／T 5）对细粒土分类提出了分别适 用于瓦氏圆锥仪10mm液限和17mm液限的两个塑性图（图1-31）。图上土名的第一字母表示土 的名称，C 为黏土， M 为粉土。第二字母代表液限高低， H 为高液限， L 为低液限，如 ML 为 低液限粉土。第三字母表示次要土属性， O 表示有机质土； G 和 S 分别表示砾粒或砂粒，称为 含砾或含砂细粒土。如上图中的CLO和MH分别为有机质低液限黏土和高液限粉土。 塑性图中，A 线以上为黏土，A 线以下为粉土，非黏性土 ?L 取零；左下角主要是砂质粉土、150粉土和粉质黏土的混合区域，塑性指数不大、塑性弱、界限含水量不明确；上部则是塑性指数 高的黏性土。 《铁路路基设计规范》（TB ）对细粒土填料采用塑性图进行分类，见图 1-32。 图中直线 A 的方程是： I P ? 0.63(?L ? 20) ,①～⑥对应的土名及符号见表 1-13。 比较《土的工程分类标准》和《铁路路基设计规范》可知，两者在 B 线、低液限粉土（ML） 等的确定上有所不同，且后者还明确给定了 C、D 线。图 1-32《铁路路基设计规范》（TB ）对细粒土填料采用的塑性图八、《土的分类指标》中巨粒土、粗粒土分类法 该分类法包括巨粒土和含巨粒土、砾类土、砂类土三部分。 第一部分根据巨粒( d ? 60mm 的漂石、卵石)含量分类：若含量等于或大于 75％之间，以 漂石粒含量大于 50％者为漂石(代号 B ),否则为卵石( Cb )；若含量在 50％～75％之间，以漂 石粒含量大于 50％者为混合土漂石( BSI ),否则为混合土卵石( CbSI )； 若含量在 15％～50％， 以漂石含量大于卵石含量者为漂石混合土 ( SIB ) ，否则为卵石混合土 ( SICb ) ；若含量小于 15％，可酌情按粗粒土或细粒土相应规定分类定名。 第二部分砾类土是指砾粒含量超过 50％的土，根据其细粒含量及级配优劣分类，若细粒即 粉粒、黏粒含量小于 5％、级配良好者为级配良好砾( GW ),否则为级配不良砾( GP )；若细粒 含量在 5％～15％，为含细粒土砾( GF )；若细粒含量部超过 50％而大于 15％，细粒为黏粒土 者叫黏土质砾( GC ),细粒为粉土者叫粉土质砾（ GM ）。 第三部分砂类土是指砂粒含量部超过 50％的土，其分类法与砾类土相同，同样是以上述三 种细粒含量情况和级配优劣或所含细粒类型对砂类土分类，把第二部分各砾类土名称中的“砾” ( G )改成“砂”( S )即可。习1-1 关系？151题化学风化和物理风化的区别时什么？各种堆积土的工程性质与其分布位置有怎样的1-2 根据图 1-5 上四根粒径分布曲线，列表写出各土的各级粒组含量，估算②、③、④土 的 Cu 及 Cc 值并评价其级配情况。 1-3 黏性土中如何分别含有蒙脱石矿物和高岭石矿物的黏粒，在黏粒含量接近情况下，前 者的工程性质常不如后者好，说明其原因。 1-4 何谓电渗现象？如要减少黏性土中水分以加固地基，如何利用电渗现象？ 1-5 为什么离子交换作用能用于土的加固？ 1-7 触变现象的特征是什么？有什么工程意义？ 1-8 有一块体积为 60cm3 的原状土，重 1.05N,烘干后重 0.85N。已知土粒相对密度 Gs ＝ 2.67。求土的天然重度 ? 、天然含水量 ? 、干重度 ? d 、饱和重度 ? sat 、浮重度 ? ? 、孔隙比 e 及 饱和度 Sr 。 1-9 根据式（1-12）的推导方法用土的单元三相简图证明式（1-14）、 （1-15）、 （1-17）。 1-10 某工地在填土施工中所用土料的含水量为 5％， 为便于夯实需在土料中加水， 使其含 水量增至 15％，试问每 1000kg 质量的土料应加水多少？ 1-11 用某种土筑堤，土的含水量 ? ＝15％，土粒相对密度 Gs ＝2.67。分层夯实，每层先 填 0.5m，其重度 ? ＝16kN/m3，夯实达到饱和度 Sr ＝85％后再填下一层，若夯实时水没有流失， 求每层夯实后的厚度。 1-12 某饱和土样重 0.40N,体积为 21.5cm3，将其烘过一段时间后重为 0.33N,体积缩至 15.7cm3，饱和度 Sr ＝75％，试求土样在烘烤前和烘烤后的含水量及孔隙比和干重度。 1-13 设有悬液 1000cm3，其中含土重 0.50N,测得土粒重度 ? s ＝27kN/m3。当悬液搅拌均 匀，停放 2min 后，在液面下 20cm 处测得悬液相对密度 GL =1.003,并测得水的粘滞系数? ＝ 1.14?10-3Pa?s，试求相应于级配曲线上该点的数据。 1-14 某砂土的重度 ? ＝17kN/m3，含水量 ? ＝8.6％，土粒重度 ? s ＝26.5kN/m3。其最大孔 隙比和最小孔隙比分别为 0.842 和 0.562， 求该砂土的孔隙比 e 及相对密实度 Dr ， 并按规范定其 密实度。 1-15 试证明 D ? ? d max (? d ? ? d min ) 。式中 ? d max 、 ? d 、 ? d min 分别为相应于 emin 、 e 、 emax 的 r ? d ?? d max ? ? d min ? 干容重。 1-16 1-17 1-18 河岸边坡黏性土的液限 ?L ＝44％，塑限 ?P ＝28％，取一块试样重 0.401 N,烘干后 黏性土有哪些特殊的物理性质？基本原因是什么？ 为图 1-5 中的四个土样定出土名，其中①土的 ?L ＝39％， ?P ＝21％。 重 0.264 N，试确定土的名称并讨论土的物理状态和结构特点。152第二章 土的渗透性及水的渗流土中孔隙相互连通时可形成透水通道。虽然这些通道很不规则，且往往很狭窄，但水可以 靠其重力沿着这些通道在土中流动。水在土孔隙通道中流动的现象，叫做水的渗流；土可以被 水透过的性质，称为土的渗透性或透水性，它是土的力学性质之一。工程中常常会遇到水的渗 流问题，例如开挖基坑当需要排水时排水量的计算及坑底土的抗渗流稳定性验算等等。因此， 土的渗透性和水的渗流是土力学中很有实用意义的课题。第一节 土的渗透定律一、土中渗流的总水头差和水力提度 水在土中流动遵从水力学的连续方程和能量方程。后者即著名的伯努利（ D ? Bernoulli ） 方程，根据该方程，相对于任意确定的基准面，土中一点的总水头 h 为：h ? z ? hw ? hv式中（2-1）z ――势水头，或称位置水头；hw ――静水头，又叫做压力水头或压强水头； hv ――动水头，又称速度水头或流速水头。 z 与 hw 之和叫做测压管水头，它表示该点测压管内水面在基准面以上的高度。静水头hw ? u?w，其中 u 为该点的静水压力，在土力学中称为孔隙水压力。动水头 hv 与流速的平方成正比。由于水在土中渗流的速度一般很小， hv 可以忽略不计。这样，总水头 h 可用测压管水头 代替，即h ? z ? hw ? z ?u?w（2-2）如果土中存在总水头差，则水将从总水头高处沿着土孔隙通道向总水头低处流动。图 2-1 示出土中 A 和 B 两点的势水头 z A 和 zB 、静水头 h? A 和 h? B 及总水头 hA 和 h}