學習單元2 確定土的物理性質

知識目標

1.了解土的成因與構造。

2.熟悉土體物理性質指標的三相換算。

3.掌握土的物理狀態指標描述。

技能目標

1.能夠充分掌握土的物理性質及其狀態。

2.能夠確定工程中的地基土的狀態和名稱。

基礎知識

一、土的成因及其構造

（一）土的形成

土的形成與外力地質作用密切相關。地殼表層的巖石在大氣中經受長期的風化、剝蝕等外力作用，破碎成形狀不同、大小不一的巖石碎塊或礦物顆粒。這些巖石碎屑物質受各種自然力（如重力、流水、冰川和風塵等）的夾帶搬運，在各種不同的自然環境下沉積下來，就形成通常所說的土。沉積下來的土，在漫長的地質年代中發生復雜的物理和化學變化，逐漸壓密、固結，最終又形成沉積巖。因此，在自然界中，巖石不斷風化破碎形成土，而土又不斷壓密、巖化而變成巖石，成為一個水無休止的循環過程。

（二）風化作用

地殼表層的巖石，在太陽輻射、大氣、水和生物等風化營力的作用下，發生物理和化學變化，使巖石崩解破碎以致逐漸分解的作用，稱為風化作用。

風化作用使堅硬致密的巖石松散破壞，改變了巖石原有的礦物組成和化學成分，使巖石的強度和穩定性大為降低，對工程建筑條件產生不良的影響。此外，如滑坡、崩塌、碎落、巖堆及泥石流等不良地質現象，大部分都是在風化作用的基礎上逐漸形成和發展起來的。所以了解風化作用，認識風化現象，分析巖石風化程度，對評價工程建筑條件是必不可少的。

風化作用按其占優勢的營力及巖石變化的性質，可分為物理風化、化學風化及生物風化三種類型。

物理風化是指巖石、礦物在原地發生機械破碎而不改變其化學成分的過程，其方式有溫差風化、冰劈作用、鹽類結晶脹裂作用等，主要發生在溫差風化最強烈的地區，如干旱沙漠地區、高寒地帶、干旱及半干旱氣候區。物理風化的結果，首先是巖石的整體性遭到破壞，隨著風化程度的增加，逐漸成為巖石碎屑和松散的礦物顆粒。

化學風化是指巖石、礦物在地表發生化學變化并可產生新礦物的過程。引起化學風化作用的主要因素是水和氧。自然界的水，不論是雨水、地面水或地下水，都溶解有多種氣體（如O₂、CO₂等）和化合物（如酸、堿、鹽等），因此自然界的水都是水溶液，水溶液可通過溶解、水化、水解、碳酸化等方式促使巖石化學風化，氧的作用方式是氧化作用。

生物風化作用是指生物活動過程中對巖石產生的破壞作用。如穴居地下的動物、植物生長的根部等都會對巖石產生機械破壞作用；動物新陳代謝所排出的產物、動物死亡后遺體腐爛的產物及微生物作用等則使巖石成分發生化學變化而遭到破壞。

巖石、礦物經過物理、化學風化作用以后，再經過生物的化學風化作用，就不再是單純的無機組成的松散物質，因為它還具有植物生長必不可少的腐殖質。這種具有腐殖質、礦物質、水和空氣的松散物質叫土壤。不同地區的土壤具有不同的結構及物理、化學性質，據此全世界可以劃分出許多土壤類型，而每一種土壤類型都是在其特有的氣候條件下形成的。例如，在熱帶氣候下，強烈的化學風化和生物風化作用，使易溶性物質消失殆盡，形成富含鐵、鋁的紅壤。

（三）土的組成

土是由固體顆粒、水和氣體組成的三相分散體系。其中，固體顆粒構成土的骨架，是三相體系中的主體；水和氣體填充土骨架之間的空隙。土體三相組成中每一相的特性及三相比例關系都對土的性質有顯著影響。

1.土的固體顆粒

土的固體顆粒由大小不等、形狀不同的礦物顆粒或巖石碎屑按照各種不同的排列方式組合在一起，構成土的骨架，是土的主要組成成分。土中固體顆粒（簡稱土粒）的大小和形狀、礦物成分及其組成情況是決定土的物理力學性質的重要因素。

（1）礦物成分按成因分類。

① 原生礦物：是巖石經過物理風化作用形成的碎屑物，如石英、長石、云母等。

② 次生礦物：巖石經化學風化作用而形成的新礦物成分，其中數量最多是黏土礦物。常見的黏土礦物有高嶺石、蒙脫石、伊利石。石英、長石是砂、礫石等無黏性土的主要礦物成分，呈林狀。黏土礦物是組成黏性土的主要成分，顆粒極細，呈片狀或針狀，具有高度的分散性和膠體性質，其與水相互作用形成黏性土的一系列特性，如可塑性、膨脹性、收縮性等。

（2）土中的有機質。在巖石風化以及風化產物搬運、沉積過程中，常有動物、植物的殘骸及其分解物質參與沉積，成為土中的有機質。有機質易于分解變質，故土中有機質含量過多時，將導致地基或土壩壩體發生集中滲流或不均勻沉降。因此，在工程中常對土料的有機質含量提出一定的限制，筑壩土料一般不宜超過5%，灌漿土料小于2%。

當土粒的粒徑由大到小逐漸變化時，土的性質也相應發生變化。隨著土粒粒徑變小，無黏性且透水性強的土逐漸變為有黏性和低透水性的可塑性土。所以應根據土中不同粒徑的土粒，按某一粒徑范圍分成若干組，通常將土劃分為六大粒組，即漂石或塊石顆粒、卵石或碎石顆粒、圓礫或角礫顆粒、砂粒、粉粒及黏粒。各粒組的界限粒徑分別是200mm、60mm、2mm、0.075mm和0.005mm，見表1-1。

為了說明天然土顆粒的組成情況，不僅要了解土顆粒的大小，還需要了解各種顆粒所占的比例。實際工程中，常以土中各個粒組的相對含量（各粒組占土粒總重的百分數）表示土中顆粒的組成情況，稱為土的顆粒級配。土的顆粒級配直接影響土的性質，如土的密實度、透水性、強度、壓縮性等。

為了直觀起見，工程中常用顆粒級配曲線直接表示土的級配情況。曲線的橫坐標用對數表示土的粒徑（因為土粒粒徑相差常在百倍、千倍以上，所以宜采用對數坐標表示），單位為mm；縱坐標則表示小于或大于某粒徑的土重含量或稱累計百分含量。從曲線中可直接求得各粒組的顆粒含量及粒徑分布的均勻程度，進而估測土的工程性質，如圖1-15所示。由曲線的形態可以大致判斷土粒大小的均勻程度。如曲線較陡，表示粒徑范圍較小，土粒較均勻，級配良好；反之，曲線平緩，則表示粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻，級配不良。

為了定量反映土的級配特征，工程中常用不均勻系數C_u來評價土的級配優劣。

C_u=d₆₀/d₁₀　（1-1）

式中，d₁₀——土的顆粒級配曲線上的某粒徑，小于該粒徑的土的質量占總土質量的10%，稱為有效粒徑；

d₆₀——土的顆粒級配曲線上的某粒徑，小于該粒徑的土的質量占總土質量的60%，稱為限定粒徑。

在工程建設中，常根據不均勻系數C_u值來選擇填土的土料，若C_u值較大，表明土粒不均勻，則其較顆粒均勻的土更容易被夯實（級配均勻的土不容易被夯實）。通常把C_u<5的土看作級配均勻的土，把C_u>10的土看作級配良好的土。

2.土中的水

土中的水在自然界中存在的狀態可以分為固態、氣態和液態三種形態。

固態水又稱為礦物質內部結晶水，是指在溫度低于0℃時土中水以冰的形式存在，形成凍土。其特點是凍結時強度高，而解凍時強度迅速降低。

氣態水是指土中的水蒸氣，對土的性質影響不大。

液態水包括存在于土中的結合水和自由水兩大類。

（1）結合水。結合水是指在電場作用力范圍內，受電分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水。它距離土顆粒越近，作用力越大；距離越遠，作用力越小，直至不受電場力作用，如圖1-16所示。結合水的特點是包圍在土顆粒四周，不傳遞靜水壓力，不能任意流動。由于土顆粒的電場有一定的作用范圍，因此結合水有一定的厚度，其厚度與顆粒的黏土礦物成分有關。

按吸引力的強弱，結合水又可分為：

① 強結合水（吸著水）：緊靠土粒表面，厚度只有幾個水分子厚，小于0.003μm。強結水性質接近固體，不傳遞靜水壓力，105℃才能蒸發，冰點為-78℃，密度為（1.2~2.4）×10³kg/m³，具很大的黏滯性、彈性和抗剪強度，其性質接近固體。黏土只含強結合水時，呈固體堅硬狀態；砂土只含強結合水時，呈散粒狀態。

② 弱結合水（薄膜水）：在強結合水外側，厚度小于0.5μm。密度為（1.0~1.7）×10³kg/m³，不傳遞靜水壓力，呈黏滯體狀態。此部分水對黏性土影響最大。

（2）自由水。自由水是存在于土粒表面電場范圍以外的水，土的性質與普通水一樣，服從重力定律，能傳遞靜水壓力，冰點為0℃，有溶解力。自由水按其移動所受作用力的不同，可分為自重水和毛細水。

① 自重水指土中受重力作用而移動的自由水，它存在于地下水位以下的透水層中。

② 毛細水受到與空氣交界面處表面張力的作用，存在于潛水位以上透水土層中。當孔隙中局部存在毛細水時，毛細水的彎液面和土粒接觸處的表面張力作用于土粒，使土粒之間由于這種毛細壓力而相互擠緊，從而具有微弱的黏聚力，稱為毛細黏結力，如圖1-17所示。

在工程中，毛細水的上升對建筑物地下部分的防潮措施與地基土的浸濕和凍脹有較大影響。碎石土中無毛細現象。

3.土中的空氣

土中的空氣存在于土孔隙中未被水占據的空間。一般可以分為自由氣體和封閉氣體。自由氣體是指在粗粒的沉積物中常見的與大氣連通的空氣，在外力作用下，將很容易被從空隙中擠出，所以它對土工程性質影響不大。與大氣不相通的氣體稱為封閉氣體，常存在于細粒土中，在外力作用下，使土的彈性變形增加，可在車輛碾壓時，使土形成有彈性的橡皮土。

（四）土的結構

很多試驗資料表明，對于同一種土來說，原狀土和重塑土樣的力學性質有很大差別。土的結構和構造對土的性質有很大的影響。土的結構是指由土粒單元的大小、形狀、相互排列及其聯結關系等因素形成的綜合特征，主要有以下幾種基本類型：

1.單粒結構

在沉積過程中，較粗的土粒相互支承并達到穩定，形成單粒結構。全部由砂粒及更粗的土粒組成的土都具有單粒結構。因其顆粒較大，土粒間的分子吸引力相對很小，所以顆粒間幾乎沒有聯結，至于未充滿孔隙的水分只可能通過微弱的毛細水聯結。單粒結構可以是疏松的，也可以是緊密的，如圖1-18所示。

呈緊密狀單粒結構的土，由于其土粒排列緊密，在動荷載、靜荷載作用下都不會產生較大的沉降，所以強度較大，壓縮性較小，是較為良好的天然地基。具有疏松單粒結構的土，其骨架是不穩定的，當受到振動及其他外力作用時，土粒易發生移動，土中孔隙劇烈減小，引起土的很大變形，因此，這種土層如未經處理一般不宜作為建筑物的地基。

2.蜂窩狀結構

蜂窩結構主要由粉?；蚣毶傲＝M成。粒徑在0.005mm~0.075mm之間的土粒在水中沉積時，基本上是以單個土粒下沉。當碰上已沉積的土粒時，由于它們之間的相互引力大于其重力，因此，土粒就停留在最初的接觸點上不再下沉，逐漸形成土粒鏈。土粒鏈組成弓形結構，形成具有很大孔隙的蜂窩狀結構，如圖1-19所示。

3.絮狀結構

黏粒能夠在水中長期懸浮，不因自重而下沉。當這些懸浮在水中的黏粒被帶到電解質濃度較大的環境中（如海水）時，黏粒凝聚成絮狀的集粒（黏粒集合體）而下沉，并相繼與已沉積的絮狀集粒接觸，從而形成類似蜂窩但孔隙很大的絮狀結構，如圖1-20所示。

上述三種結構中，密實的單粒結構土的工程性質最好，蜂窩結構其次，絮狀結構最差。后兩種結構土，如果因擾動破壞天然結構，則強度降低、壓縮性大，不可用作天然地基。

二、土的物理性質指標

（一）土的三相圖

土由固相、液相和氣相三部分組成。固相部分即為土粒，由礦物顆?；蛴袡C質組成，構成土的骨架；液相部分為水及其溶解物；氣相部分為空氣和其他氣體。如土中孔隙全部被水充滿時，稱為飽和土；孔隙中僅含空氣時，稱為干土。飽和土和干土都是兩相體系。一般在地下水位以上和地面以下一定深度內的土的孔隙中兼含空氣和水，此時的土體屬三相體系，稱濕土。

土的三相物質是混合分布的，為闡述方便，一般用土的三相圖表示，如圖1-21所示。三相圖中把土的固體顆粒、水、空氣各自劃分開來。

（二）土的主要物理指標

1.土的天然密度和干密度

土在天然狀態下單位體積的質量，稱為土的天然密度。土的天然密度用ρ表示，計算公式為

ρ=m/V?。?-2）

式中，m——土的總質量（kg）；

V——土的總體積（m³）。

單位體積中土的固定顆粒的質量稱為土的干密度，土的干密度用ρ_d表示，計算公式為

ρ_d=m_s/V?。?-3）

式中，m_s——土中固體顆粒的質量（kg）；

V——土的總體積（m³）。

土的干密度與土的天然密度之間的關系可表示為

式中，ω——土的含水率。

2.土的天然含水率

土的含水率是土中水的質量與固體顆粒質量之比的百分率，即

式中，ω——土的含水率；

m_w——土中水的質量（kg）；

m_s——土中固體顆粒的質量（kg）。

3.土的孔隙比和孔隙率

孔隙比和孔隙率反映了土的密實程度，孔隙比和孔隙率越小土越密實?？紫侗?span id="gr0e59n" class="italic">e是土中孔隙體積V_v與固體顆粒體積V_s的比值，可表示為

式中，V_v——土中孔隙體積（m³）；

V_s——土中固體顆粒體積（m³）。

孔隙率n是土中孔隙體積與總體積V的比值，用百分率表示，可表示為

式中，V——土的總體積（m³）。

4.土的可松性

土具有可松性，即自然狀態下的土經開挖后，其體積因松散而增大，以后雖經回填壓實，仍不能恢復其原來的體積。土的可松性系數可表示為

式中，K_s——土的最初可松性系數；

——土的最后可松性系數；

V_原狀——土在天然狀態下的體積（m³）；

V_松散——土挖出后在松散狀態下的體積（m³）；

V_壓實——土經回填壓（夯）實后的體積（m³）。

土的可松性對確定場地設計標高、土方量的平衡調配、計算運土機具的數量和棄土坑的容積，以及計算填方所需的挖方體積等均有很大影響。各類土的可松性系數見表1-2。

5.土的壓縮性

土的壓縮性是指土在壓力作用下體積變小的性質。取土回填或移挖作填，松土經運輸、填壓以后，均會壓縮，一般土的壓縮率參考值見表1-3。

6.土的滲透性

土的滲透性是指土體被水透過的性質，通常用滲透系數K表示。滲透系數K表示單位時間內水穿透土層的能力，以m/d表示。根據滲透系數不同，土可分為透水性土（如砂土）和不透水性土（如黏土）。土的滲透性影響施工降水與排水的速度。土的滲透系數參考值見表1-4。

（三）土的三相物理性質指標的關系

土的三相指標相互之間有一定的關系。只要知道其中某些指標，通過簡單的計算，就可以得到其他指標。上述各指標中，土粒相對密度d_s、含水量ω、重度γ三個指標必須通過試驗測定，其他指標可由這三個指標換算得來。其換算方法可從土的三相比例指標換算圖來說明，見圖1-22。令固體顆粒體積V_s=1，根據定義即可得出V_v=e，V=1+e，ms=γ_wd_s［γ_w為純凈水在4℃時的重度（單位體積的重量，即9.8kN/m3，實際近似取γ_w=10kN/m³）］，m_w=ωγ_wd_s，m=γ_wd_s(1+ω)。據此，可以推導出各指標間的換算公式，見表1-5。

三、土的物理狀態指標

（一）無黏性土

無黏性土一般是指具有單粒結構的砂土與碎石土，土粒之間無黏結力，呈松散狀態。它們的工程性質與其密實程度有關。密實狀態時，結構穩定，強度較高，壓縮性小，可作為良好的天然地基；疏松狀態時，則是不良地基。

1.砂土的密實度

砂土的密實度通常采用相對密實度D_r來判別，其表達式為

式中，e——砂土在天然狀態下的孔隙比；

e_max——砂土在最松散狀態下的孔隙比，即最大孔隙比；

e_min——砂土在最密實狀態下的孔隙比，即最小孔隙比。

由式（1-10）可以看出，當e=e_min時，D_r=1，表示土處于最密實狀態；當e=e_max時，D_r=0，表示土處于最松散狀態。判定砂土密實度的標準：0.67<D_r≤1，為密實的；0.33<D_r≤0.67，為中密的；0<D_r≤0.33，為松散的。

具體工程中可根據標準貫入試驗錘擊數N來評定砂土的密實度（見表1-6）。

2.碎石土的密實度

碎石土的顆粒較粗，試驗時不易取得原狀土樣，根據重型圓錐動力觸探錘擊數N_63.5可將碎石土的密實度劃分為松散、稍密、中密和密實（見表1-7），也可根據野外鑒別方法確定其密實度（見表1-8）。

（二）黏性土

黏性土主要的物理狀態特征是軟硬程度。由于黏性土的主要成分是黏粒，土顆粒很細，土的比表面（單位體積顆粒的總表面積）大，與水相互作用的能力較強，故水對其工程性質影響較大。

黏性土物理狀態的主要指標如下所述。

1.界限含水量

當土中含水量很大時，土粒被自由水所隔開，土處于流動狀態；隨著含水量的減少，逐漸變成可塑狀態，這時土中水分主要為弱結合水；當土中主要含強結合水時，土處于固體狀態，如圖1-23所示。

黏性土由一種狀態轉變到另一種狀態的分界含水量稱為界限含水量。

（1）液限是土由流動狀態轉變到可塑狀態時的界限含水量（也稱為流限或塑性上限）。

（2）塑限是土由可塑狀態轉變到半固態時的界限含水量（也稱為塑性下限）。

（3）縮限是土由半固態轉變到固態時的界限含水量。

工程上常用的界限含水量有液限和塑限，縮限常用收縮皿法測試，是土由半固態不斷蒸發水分，體積逐漸縮小，直到體積不再縮小時的含水量。

2.塑性指數

液限與塑限的差值（計算時略去百分號）稱為塑性指數，用符號I_P表示，即

I_P=ω_L?ω_P　（1-11）

3.液性指數

土的天然含水量與塑限的差值除以塑性指數稱為液性指數，用符號I_L表示，即

由上式可見，當I_L<0，即ω<ω_P時，土處于堅硬狀態；當I_L>1.0，即ω>ω_L，土處于流動狀態。因此，液性指數是判別黏性土軟硬程度的指標。

4.靈敏度和觸變性

黏性土的一個重要特征是具有天然結構性，當天然結構被破壞時，黏性土的強度降低，壓縮性增大。通常將反映黏性土結構性強弱的指標稱為靈敏度，用S_t表示。

式中，q_u——原狀土強度；

q₀——與原狀土含水量、重度等相同，結構完全破壞的重塑土強度。根據靈敏度可將黏性土分為如下三種類型：

S_t>4為高靈敏度；2<S_t≤4為中靈敏度；1<S_t≤2為低靈敏度。

黏性土擾動后土的強度降低，但靜置一段時間后，土粒、離子和水分子之間又趨于新的平衡狀態，土的強度又逐漸增大，這種性質稱為土的觸變性。