土的壓實(shí)原理_地質(zhì)與巖土力學(xué)基

情景7　土的形成、狀態(tài)、類型及土的物理指標(biāo)

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

1.了解巖土工程中土的概念，風(fēng)化的意義，風(fēng)化帶，風(fēng)化殼，第四季沉積物。

2.掌握土的三相組成，各種性質(zhì)和狀態(tài)。

3.掌握土的物理性質(zhì)、狀態(tài)指標(biāo)。

4.理解土的壓實(shí)性及掌握擊實(shí)試驗(yàn)操作。

5.掌握巖土工程分類。

【能力要求】

1.能夠闡述土的物理性質(zhì)指標(biāo)和狀態(tài)指標(biāo)的定義及表達(dá)式，能根據(jù)指標(biāo)判別土的性狀。

2.能夠利用三相簡(jiǎn)圖進(jìn)行指標(biāo)間的相互換算。

3.能夠利用規(guī)范法對(duì)土進(jìn)行工程分類、定名。

4.能夠獨(dú)立測(cè)定土的密度、含水量以及液塑限聯(lián)合測(cè)定。

5.能夠完成土的擊實(shí)試驗(yàn)。

【必要的理論知識(shí)與資料】

7.1　土的概念

土在日常生活里是一個(gè)寬泛的概念，不同的生活狀態(tài)里人們的認(rèn)識(shí)與表達(dá)不盡相同，學(xué)習(xí)者可以思考土的概念由來(lái)。

《說(shuō)文》土:地之吐生物者也。二象地之下，地之中，物出形也。相關(guān)的詞匯有塵土，泥土，土壤，土地，領(lǐng)土，國(guó)土等等，它的時(shí)空感、質(zhì)感、運(yùn)動(dòng)感、功能等都在不同的詞匯里顯露出來(lái)。

它的特點(diǎn)是細(xì)小、堆積、也易運(yùn)動(dòng)，可擾動(dòng)，可飛揚(yáng)，可流淌，它的個(gè)體是什么?它的堆積體是什么?它的功能是靠什么作用和表現(xiàn)的?這些都是我們思考土體的基本疑問(wèn)。

與整個(gè)地球相比，土占很小的比例，它是地質(zhì)作用的產(chǎn)物，簡(jiǎn)單地說(shuō)土是巖石風(fēng)化的自然產(chǎn)物。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中，地殼表層的巖石在風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)、堆積的各個(gè)階段形成大小懸殊的顆粒，就是土。在不同的自然環(huán)境中，由各種營(yíng)力的地質(zhì)作用生成了不同類型的土;而土歷經(jīng)壓密固結(jié)、膠結(jié)硬化也可再生成巖石?，F(xiàn)在所見(jiàn)到的土是近期地質(zhì)歷史——第四紀(jì)以來(lái)生成的尚未固結(jié)的松散物質(zhì)。

由原巖風(fēng)化產(chǎn)物——碎屑物質(zhì)，經(jīng)各種外力地質(zhì)作用(剝蝕、搬運(yùn)、沉積)形成尚未膠結(jié)硬化的沉積物(層)，通稱“第四紀(jì)沉積物(層)”或“土”。這個(gè)定義所涵蓋的范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于農(nóng)業(yè)活動(dòng)里的土壤概念。這個(gè)“第四紀(jì)沉積物(層)”或“土”沉積在地表，覆蓋在基巖之上，人類活動(dòng)在它之上，各種建筑物往往就建造在它上面，所以土體物質(zhì)和它的存在空間是工程建設(shè)的基本載體和存在空間，認(rèn)真研究土體物質(zhì)的組成、發(fā)展、運(yùn)動(dòng)、特性以及與土建工程活動(dòng)的相關(guān)性就是非常必要和必需的了。

7.2　風(fēng)化作用與風(fēng)化物狀態(tài)

在沉積巖的形成過(guò)程里，我們已經(jīng)明白了地質(zhì)歷史中風(fēng)化作用的巨大意義，在當(dāng)下的地球現(xiàn)實(shí)環(huán)境里，我們依然要明白風(fēng)化作用的巨大意義，今天的意義在于對(duì)巖石的破壞，對(duì)已經(jīng)形成土體的深入改造，風(fēng)化不會(huì)停止，巖石與土體的變化也不會(huì)停止，我們必須牢牢記住一切存在的物質(zhì)、物體都在變動(dòng)變化之中，原有的一切都會(huì)不復(fù)存在，都將以新的面目出現(xiàn)。

只是在這些變化之中，有些物質(zhì)的、功能的變化在給定的時(shí)間段變化緩慢，有些變化則充滿了不確定性和多變性，我們必須充分意識(shí)到這些和分析造成這些不同的原因，才會(huì)科學(xué)應(yīng)對(duì)自然變化對(duì)人類工程活動(dòng)的影響。

晝夜和季節(jié)的氣溫變化，可使地表各種原巖、土體不斷發(fā)生熱脹擠壓、脫離，冷縮拉斷、開(kāi)裂等機(jī)械破碎。水和水溶液的存在，可使原巖以及土體不斷發(fā)生水化、氧化、碳酸鹽化、溶解以及縫隙水凍脹引起崩裂等化學(xué)變化和機(jī)械破碎。動(dòng)植物和微生物的活動(dòng)，也可使原巖、土體不斷發(fā)生機(jī)械破碎和化學(xué)變化(圖7－1，7－2)。巖石、土體經(jīng)深度風(fēng)化后結(jié)構(gòu)變化、破壞，它的強(qiáng)度降低、透水性增強(qiáng)。風(fēng)化作用不但是一種對(duì)顆粒物的改變，也是對(duì)整體構(gòu)架的改變，在大的地理分布和小的土體空間里都因?yàn)轱L(fēng)化的各種作用而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。在較小的土體空間里，各種運(yùn)動(dòng)、擾動(dòng)、淋溶、沉積使土體呈現(xiàn)出各向不同的諸多性質(zhì)和層化、斑塊化等。

風(fēng)化作用根據(jù)其性質(zhì)和影響因素的不同分為物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化三種類型。

三種風(fēng)化作用，實(shí)際上不是孤立進(jìn)行的。如物理風(fēng)化使巖石逐漸破碎，增大了巖石的孔隙率和表面積，為化學(xué)風(fēng)化創(chuàng)造了有利的條件;反過(guò)來(lái)，化學(xué)風(fēng)化則使所形成的碎屑發(fā)生質(zhì)的變化，顆粒變得更小并使巖石松軟、體積膨脹，從而有利于再次的物理風(fēng)化的進(jìn)行。一般的說(shuō)物理風(fēng)化在先，化學(xué)在細(xì)小層次跟進(jìn)，再由生物風(fēng)化積極主動(dòng)全面鋪開(kāi)。各種風(fēng)化作用一般是同步進(jìn)行，只是在某一地區(qū)的特定自然地理環(huán)境下，通常以一種風(fēng)化作用占主導(dǎo)地位。

圖7－1　巖石風(fēng)化過(guò)程示意圖

圖7－2　根劈作用

7.2.1　巖石風(fēng)化帶的劃分

巖石風(fēng)化的程度和深度各地不一。風(fēng)化作用在地表最明顯，隨著深度的增加，其影響逐漸減弱以至消失。

被風(fēng)化了的巖石圈的疏松表層稱風(fēng)化殼。在全球各地由于風(fēng)化的原因差異，形成了各種不同形貌的風(fēng)化物，往往具有明顯的地域特點(diǎn)，充分表現(xiàn)出地帶性和非地帶性的規(guī)律。深刻認(rèn)識(shí)風(fēng)化殼的特點(diǎn)，對(duì)于工程建設(shè)有莫大幫助，對(duì)于工程與環(huán)境的適應(yīng)性預(yù)判和分析未來(lái)面臨的變化和變化速率都有很好的指導(dǎo)意義。

在工程點(diǎn)的垂直觀察分析中，巖石風(fēng)化后的工程地質(zhì)性質(zhì)變化很大，為了選擇合適的水工建筑場(chǎng)地和確定基礎(chǔ)開(kāi)挖深度，以保證建筑物的穩(wěn)定，對(duì)巖石風(fēng)化程度、風(fēng)化深度必須進(jìn)行了解。對(duì)于巖石風(fēng)化帶界限的劃分和風(fēng)化帶的命名，不同的工程實(shí)踐有不同的劃分依據(jù)和命名方法。一般是根據(jù)巖石風(fēng)化后的顏色、結(jié)構(gòu)、礦物成分及物理力學(xué)性質(zhì)等方面的變化，將風(fēng)化巖石劃分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化和微風(fēng)化4個(gè)帶。下表(表7－1)中所列四個(gè)風(fēng)化帶，不是在任何風(fēng)化巖石的垂直剖面上都能見(jiàn)到的，由于水流沖刷等外力的影響，常保留其中2～3個(gè)帶。也可能由于堆積覆蓋而造成類似重復(fù)的較多層次等。

表7－1　巖石的風(fēng)化程度分級(jí)表

續(xù)表

注:①波速比Kv為風(fēng)化巖石與新鮮巖石壓縮波速度之比。②風(fēng)化系數(shù)Kf為風(fēng)化巖石與新鮮巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度之比。③巖石風(fēng)化強(qiáng)度，除按表列特征和定量指標(biāo)劃分外，也可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)劃分。④花崗巖類巖石，可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)劃分，N≥50為強(qiáng)風(fēng)化;50＞N≥30為全風(fēng)化;N＜30為殘積土。⑤泥巖和半成巖，可不進(jìn)行風(fēng)化程度劃分。

7.2.2　第四紀(jì)沉積物

第四紀(jì)沉積物是這一地質(zhì)時(shí)期環(huán)境信息的主要載體，是研究第四紀(jì)古環(huán)境的物質(zhì)基礎(chǔ)。沉積物成因類型的判別，主要依據(jù)沉積物產(chǎn)出部位的地貌、沉積體的形態(tài)、沉積物的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、沉積物的物質(zhì)組成、生物化石的種類及排列方式、地球化學(xué)指標(biāo)。第四季沉積物的分析是對(duì)所處工程環(huán)境的地質(zhì)歷史把握，方便人們系統(tǒng)和完整分析土體變化，為工程建設(shè)提供變化因子和地下物質(zhì)范圍判讀，避免地質(zhì)勘探的支離破碎和低效。

第四紀(jì)沉積物的成因類型，根據(jù)沉積物形成的環(huán)境和作用應(yīng)力，分為陸相、海陸過(guò)渡相和海相三大類，各種成因類型又可進(jìn)一步劃分為若干亞類。

7.2.2.1.　殘積物

殘積物是指原巖表面經(jīng)過(guò)風(fēng)化作用而殘留在原地的碎屑物。殘積物主要分布在巖石出露地表及經(jīng)受強(qiáng)烈風(fēng)化作用的山區(qū)、丘陵地帶與剝蝕平原。殘積物組成物質(zhì)為棱角狀的碎石、角礫、砂粒和黏性土。殘積物裂隙多、無(wú)層次、不均勻，如以殘積物作為建筑物地基，應(yīng)當(dāng)注意不均勻沉降和土坡穩(wěn)定問(wèn)題。

7.2.2.2.　坡積物

坡積物是片流和重力共同作用下，在斜坡地帶堆積的沉積物。它是山區(qū)公路及引水設(shè)施等勘測(cè)設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的第四紀(jì)陸相沉積物中的一個(gè)成因類型。它順著坡面沿山坡的坡腳或山坡的凹坡呈緩傾斜裙?fàn)罘植?，所以在地貌學(xué)上稱為坡積裙。

坡積物的上部常與殘積物相接，堆積的厚度也不均勻，一般上薄下厚。坡積物底面的傾斜度取決于基巖，顆粒自上而下呈現(xiàn)由粗到細(xì)的分選現(xiàn)象，其礦物成分與下伏基巖無(wú)關(guān)。作為地基時(shí)，坡積物易產(chǎn)生不均勻沉降，且極易沿下臥巖層面產(chǎn)生滑動(dòng)面失穩(wěn)。這些在工程設(shè)計(jì)、施工中都需要予以足夠的重視。

7.2.2.3.　洪積物

由洪流搬運(yùn)、沉積而形成的堆積物稱為洪積物。洪積物一般分布在山谷中或山前平原上。在谷口附近多為粗顆粒碎屑物，遠(yuǎn)離谷口顆粒逐漸變細(xì)，這是因?yàn)榈貏?shì)越來(lái)越開(kāi)闊，使得山洪的流速逐漸減緩。其地貌特征是靠谷口處窄而陡，離谷后逐漸變?yōu)閷挾?，形如扇狀，稱為洪積扇。洪積物作為建筑物地基時(shí)，應(yīng)注意不均勻沉降。

7.2.2.4.　沖積物

沖積物是河流在河床中或溢出河床的堆積物。沖積物是平原區(qū)地下主要含水層系和工程建筑基礎(chǔ)。沖積物主要分布在河床、沖積扇、沖積平原或三角洲中，其成分非常復(fù)雜，河流匯水面積內(nèi)的所有巖石和土都能成為該河流沖積層的物質(zhì)來(lái)源。沖積物的分選性好，層理明顯，磨圓度高。山區(qū)河流沉積物較薄，顆粒較粗，透水性很大，抗剪強(qiáng)度高，承載力較高，幾乎不可壓縮，是良好的地基地層。但在山區(qū)河谷地帶進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，必須考慮山洪、滑坡和崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生。

7.2.2.5.　淤積物

一般由湖沼沉積而形成的堆積物稱為淤積物，主要包括湖相沉積物和沼澤沉積物等。湖相沉積物包括粗顆粒的湖邊沉積物和細(xì)顆粒的湖心沉積物。后者主要為黏土和淤泥，夾有粉細(xì)砂薄層呈帶狀黏土，強(qiáng)度低，壓縮性大。湖泊逐漸淤塞和陸地沼澤化，演變成沼澤。沼澤沉積物即沼澤土，主要為半腐爛的植物殘余物一年年積累起來(lái)形成的泥炭所組成。泥炭的含水量極高，透水性很低，壓縮性很大，不宜作為永久建筑物的地基。

7.2.2.6.　冰磧物與冰水沉積物

冰川融化，其搬運(yùn)物就地堆積形成冰磧物。冰磧物的主要特點(diǎn)是巨大的石塊和泥質(zhì)混合在一起，粒度相差懸殊，缺乏分選，磨圓差，棱角分明，不具成層性，礫石表面常具有磨光面或冰川擦痕，礫石因長(zhǎng)期受冰川壓力作用而彎曲變形。

冰雪融化形成的水流可沖刷和搬運(yùn)冰磧物進(jìn)行再沉積，形成冰水沉積物。冰水沉積物具有一定程度分選和良好的層理。

7.2.2.7.　風(fēng)積物

風(fēng)積物是指經(jīng)過(guò)風(fēng)的搬運(yùn)而沉積下來(lái)的堆積物。風(fēng)積物主要以風(fēng)積砂為主，其次為黃土風(fēng)積物的成分由砂和粉粒組成，其巖性松散，一般分選性好，孔隙度高，活動(dòng)性強(qiáng)，通常不具層理，只有在沉積條件發(fā)生變化時(shí)才發(fā)生層理和斜層理，工程性能較差。

7.2.2.8.　混合成因的沉積物

混合成因的沉積物保持原成因特征，常見(jiàn)的有殘積坡積物、坡積洪積物和洪積沖積物等。

7.3　土的三相組成

通常情況下，土是一種松散物質(zhì)，在這些松散的礦物顆粒之間存在著許多孔隙，通常孔隙中會(huì)有液體(一般是水)和氣體(一般是空氣)。故此，土是由土顆粒、水、空氣三部分組成，也就土是具有三相性。當(dāng)然也有特殊情況比如嚴(yán)格意義上的干土是由土顆粒、空氣兩部分組成;完全飽和土是由土顆粒、水、兩部分組成。

顯然，地基中的土的工程性質(zhì)與組成土的這三部分的性質(zhì)及其之間的比例密切相關(guān)。因此，我們應(yīng)該研究其組成及其相互關(guān)系。

7.3.1　土中的固體顆粒(土顆粒)

土粒主要是由礦物顆粒構(gòu)成，是土的骨架，是決定土的工程特性的主要成分。土粒的大小和形狀，礦物成分及組成情況對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)有很多的影響。

(1)土粒的礦物成分。

土粒的礦物成分主要決定于母巖的成分及其所受的風(fēng)化作用，不同的礦物成分有著不同的影響，其中以細(xì)粒組的礦物成分尤為重要。其礦物成分為三類:

①原生礦物。

由巖石經(jīng)物理風(fēng)化而成，其成分與母巖相同，如漂石、卵石和圓礫的組成主要是巖石碎屑、母巖。

②次生礦物。

由巖石經(jīng)化學(xué)風(fēng)化而成，改變了母巖的成分，生成很細(xì)小的新的礦物，如黏粒主要由蒙脫石、伊里石和高嶺石組成，由于蒙脫石礦物的組成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，由其組成的土體也就有著較強(qiáng)的與水作用的能力，工程性質(zhì)很不穩(wěn)定。而高嶺石礦物本身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，與水作用能力較弱，由其組成的土體也就結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，工程性質(zhì)較好。伊利石上很細(xì)小的扁平顆粒，其顆粒表面帶有電荷，具有很強(qiáng)的與水作用能力。

③腐殖質(zhì)。

腐殖質(zhì)定義:已死的生物體在土壤中經(jīng)微生物分解而形成的有機(jī)物質(zhì)。黑褐色，含有植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的一些元素，能改善土壤，增加肥力。腐殖質(zhì)幫助空氣和水進(jìn)入土體空隙，自身消解也增加土體的空隙，它產(chǎn)生或提供植物必需的氮，硫黃，鉀和磷。動(dòng)植物殘?bào)w在微生物作用下形成簡(jiǎn)單化合物的同時(shí)又重新合成復(fù)雜的高分子化合物。腐殖質(zhì)的存在使生物風(fēng)化更為活躍，加劇土體的變化。如果土中腐殖質(zhì)含量高，使土的壓縮性增大，不宜作為建筑材料。

(2)土粒大小與工程性質(zhì)。

自然界中土顆粒的大小各異，相差懸殊，如巨粒土漂石粒徑大于200mm，而細(xì)粒土粘粒粒徑小于0.005mm，二者粒徑相差超過(guò)4萬(wàn)倍?？偠灾亮４笮?duì)土的性質(zhì)起著決定性作用。為了便于研究，把土粒按粒徑大小為原則劃分為6個(gè)粒組，用數(shù)學(xué)數(shù)軸的方式表達(dá)如圖7－3所示。

圖7－3　土的粒徑分組

每個(gè)粒組內(nèi)的土的工程性質(zhì)相似。通常境況下，粗大顆粒的土黏結(jié)力小，表面所帶電荷少，搬運(yùn)路徑短。因此，性質(zhì)簡(jiǎn)單。而細(xì)小顆粒土，經(jīng)化學(xué)風(fēng)化作用形成的次生礦物和生成過(guò)程中混入的有機(jī)物質(zhì)。黏結(jié)力大，搬移路徑長(zhǎng)，性質(zhì)復(fù)雜，具有很強(qiáng)的與水作用能力。而且顆粒愈小，表面積愈大，顆粒表面所帶電荷愈多，則其與水作用的能力愈強(qiáng)。

(3)土的粒徑級(jí)配。

天然土很少是某一個(gè)粒組的土，往往由多個(gè)粒組混合而成，土粒有大有小。工程中常用土中各粒組的相對(duì)含量占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，就是土的粒徑級(jí)配。這也是粗粒土的分類定名的標(biāo)準(zhǔn)。

確定粒組相對(duì)含量的方法，工程中常用下列兩種試驗(yàn)方法，相互配合使用。

①篩分法。

適用于土粒粒徑小于、等于60mm，大于0.075mm的土。其主要試驗(yàn)設(shè)備為一套標(biāo)準(zhǔn)的分析篩，篩子孔徑分別為20，10，5，2，1，0.5，0.25，0.075mm。將干土樣倒入標(biāo)準(zhǔn)篩中，蓋嚴(yán)上蓋，置于篩分機(jī)上振篩10～15min，而后按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)稱量。

②密度計(jì)法。

適用于土粒粒徑小于0.075mm的土。是將定量的土樣與水混合傾注量筒中，使懸液體積到1000mm，懸液經(jīng)過(guò)攪拌大小顆粒均勻地分布于水中，因此懸液的濃度上下一致。然而顆粒相同的土粒依照司篤克定律將以等速下降，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后量得某一深度懸液的比重與原來(lái)的懸液的比重相比較，即可求出小于某批徑的百分?jǐn)?shù)。

將篩分析和比重計(jì)試驗(yàn)的結(jié)果繪制在以土的粒徑為橫坐標(biāo)(為對(duì)數(shù)坐標(biāo))，小于某粒徑之土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo)，得到的曲線稱土的粒徑級(jí)配累積曲線常用圖7－4表示。

土的粒徑級(jí)配累積曲線是土工上最常用的曲線，從這曲線上可以直接了解土的粗細(xì)、粒徑分布的均勻程度和級(jí)配的優(yōu)劣。由曲線的坡度還可鑒別土的均勻程度。如曲線較平緩，表示土粒粒徑大小相差懸殊，土粒不均勻，既級(jí)配良好;如曲線較陡，表示粒徑相差不大，土粒均勻，即級(jí)配不良。

圖7－4　土的級(jí)配曲線

工程上常采用不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc來(lái)衡量土粒級(jí)配的不均勻程度:

式中:

d10——小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，相應(yīng)的粒徑稱為有效粒徑。

d30——小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為30%時(shí)的粒徑。

d60——小于某粒徑的土粒質(zhì)量累計(jì)百分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，該粒徑稱為控制粒徑。

不均勻系數(shù)Cu反映大小不同粒組的分布情況。Cu越大表示土粒大小的分布范圍越大，顆粒大小越不均勻，其級(jí)配越良好，作為填方工程的土料時(shí)，則比較容易獲得較大的密實(shí)度。

曲線系數(shù)Cc描寫的是累積曲線的分布范圍，反映曲線的整體形狀;或稱反映累積曲線的斜率是否連續(xù)。

在一般情況下:①工程上把Cu≤5的土看做是均粒土，屬級(jí)配不良;Cu＞5時(shí)，稱為不均粒土;Cu＞10的土屬級(jí)配良好。②經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)級(jí)配連續(xù)時(shí)，Cc的范圍約為1～3;因此當(dāng)Cc＜1或Cc＞3時(shí)，均表示級(jí)配線不連續(xù)。

嚴(yán)格來(lái)看，評(píng)價(jià)地基土的級(jí)配是否良好時(shí)，應(yīng)該把滿足Cu≥5且Cc=1～3的土，稱為級(jí)配良好的土;不能同時(shí)滿足上述兩個(gè)要求的土，稱為級(jí)配不良的土。

【例題7.1】如圖7－4兩種土的級(jí)配曲線分別為A和B，試評(píng)價(jià)這兩種土級(jí)配是否良好。

【解】根據(jù)上述，評(píng)價(jià)地基土的級(jí)配是否良好時(shí)，需要通過(guò)Cu及Cc進(jìn)行判斷，從圖可知A曲線:

d10=0.74mm　d30=3.8mm　d60=16mm

滿足Cu≥5且Cc=1～3，可以判斷A曲線級(jí)配良好。

同理可以知道曲線B的:d10=0.13mm、d30=0.32mm、d60=1.3mm

可以得到:Cu=10，Cc=0.61

也是不能滿足上述條件，所以級(jí)配不良。

7.3.2　土中水

組成土的第二種主要成分是土中水。在自然條件下，土中總是含水的。土中水可以處于液態(tài)、固態(tài)或氣態(tài)。土中細(xì)粒越多，即土的分散度越大，水對(duì)土的性質(zhì)的影響也越大。

研究土中水，必須考慮到水的存在狀態(tài)及其與土粒的相互作用。

存在于土粒礦物的晶體格架內(nèi)部或是參與礦物構(gòu)造中的水稱為礦物內(nèi)部結(jié)合水，它只有在比較高的溫度(80～680℃，隨土粒的礦物成分不同而異)下才能化為氣態(tài)水而與土粒分離，從土的工程性質(zhì)上分析，可以把礦物內(nèi)部結(jié)合水當(dāng)做礦物顆粒的一部分。

存在于土中的液態(tài)水可分為結(jié)合水和自由水兩大類。

(1)結(jié)合水。

指受電分子吸引力吸附于土粒表面的土中水，這種電分子吸引力高達(dá)幾千到幾萬(wàn)個(gè)大氣壓，使水分子和土粒表面牢固的粘結(jié)在一起。

結(jié)合水因離顆粒表面遠(yuǎn)近不同，受電場(chǎng)作用力的大小也不同，所以分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水。

①?gòu)?qiáng)結(jié)合水。

系指緊靠土粒表面的結(jié)合水，它的特征是:沒(méi)有溶解鹽類的能力;不能傳遞靜水壓力;只有吸熱變成蒸汽時(shí)才能移動(dòng)。

這種水極其牢固地結(jié)合在土粒表面上，其性質(zhì)接近于固體，密度約為1.2～2.4g/cm3，冰點(diǎn)為－78℃，具有極大的粘滯度、彈性和抗剪強(qiáng)度。

如果將干燥的土移在天然濕度的空氣中，則土的質(zhì)量將增加，直到土中吸著的強(qiáng)結(jié)合水達(dá)到最大吸著度為止。

土粒越細(xì)，土的比表面積越大，則最大吸著度就越大。

②弱結(jié)合水。

弱結(jié)合水緊靠于強(qiáng)結(jié)合水的外圍形成一層結(jié)合水膜。它仍然不能傳遞靜水壓力，但水膜較厚的弱結(jié)合水能向臨近的較薄的水膜緩慢移動(dòng)。

當(dāng)土中含有較多的弱結(jié)合水時(shí)，土則具有一定的可塑性。砂土比表面積較小，幾乎不具可塑性，而粘土的比表面積較大，其可塑性范圍較大。

弱結(jié)合水離土粒表面積愈遠(yuǎn)，其受到的電分子吸引力愈弱小，并逐漸過(guò)渡到自由水。

(2)自由水。

自由水是存在于土粒表面電場(chǎng)影響范圍以外的水。它的性質(zhì)和普通水一樣，能傳遞靜水壓力，冰點(diǎn)為0℃，有溶解能力。

自由水按其移動(dòng)所受到作用力的不同，可以分為重力水和毛細(xì)水。

①重力水。

重力水是存在于地下水位一下的透水土層中的地下水，它是在重力或壓力差作用下運(yùn)動(dòng)的自由水，對(duì)土粒有浮力作用，重力水對(duì)土中的應(yīng)力狀態(tài)和開(kāi)挖基槽、基坑以及修筑地下構(gòu)筑物時(shí)所應(yīng)采取的排水、防水措施有重要的影響。

②毛細(xì)水。

毛細(xì)水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。其形成過(guò)程通常用物理學(xué)中毛細(xì)管現(xiàn)象解釋。分布在土粒內(nèi)部相互貫通的孔隙，可以看成是許多形狀不一，直徑各異，彼此連通的毛細(xì)管。

7.3.3　土中氣體

土的孔隙中沒(méi)有被水占據(jù)的部分都是氣體。土中氣體的成因，除來(lái)自空氣外，也可由生物化學(xué)作用和化學(xué)反應(yīng)所生成。

土中氣體按其所處狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為以下幾大類:密閉氣體和自由氣體。

(1)自由氣體。

自由氣體與大氣連通，對(duì)土的性質(zhì)影響不大。

(2)密閉氣體。

封閉氣體的體積與壓力有關(guān)，壓力增大，則體積縮小;壓力減少，則體積增大。因此密閉氣體的存在增加了土的彈性。

密閉氣體可降低地基的沉降量，但當(dāng)其突然排除時(shí)，可導(dǎo)致基礎(chǔ)與建筑物的變形。

密閉氣體在不可排水的條件下，由于密閉氣體可壓縮性會(huì)造成土的壓密。密閉氣體的存在能降低土層透水性，阻塞土中的滲透通道，減少土的滲透性。

當(dāng)由于不透水性土層中氣體為封閉氣泡時(shí)，土體表現(xiàn)為彈性和不透水性。在填土施工時(shí)，一般表現(xiàn)為“橡皮土”，因此在黏性土作填料時(shí)一般要摻入透水性較好的砂土。高壓縮性土層中一般可能存在可燃?xì)怏w，施工時(shí)也應(yīng)加以注意。在進(jìn)行人工挖孔樁基施工或打井時(shí)，還應(yīng)注意深部土層致密、干燥，土中氣體較少(缺氧)導(dǎo)致安全事故的可能，此時(shí)應(yīng)采取較好的向孔內(nèi)通風(fēng)的措施。土中氣體也影響土體的力學(xué)性質(zhì)，在某些特殊情況下，也應(yīng)加以注意。

7.4　土的物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)

土的松散與密實(shí)程度，主要取決于土的三相各自在數(shù)量上所占的比例。也就是說(shuō)，我們從工程力學(xué)的角度研究土的物理力學(xué)性質(zhì)，就必然要研究土的三相比例關(guān)系。

7.4.1　土的三相圖

為便于說(shuō)明和計(jì)算土的物理性質(zhì)指標(biāo)，采用如圖7－5所示的土的三相組成比例示意圖。

從三相比例圖中，可得到土中各部分質(zhì)量之間和體積之間的基本關(guān)系為:

圖7－5　土的三相草圖

式中:V，Vs，Vw，Va，VV分別表示土的總體積、土粒體積、土中水的體積、土中空氣的體積及孔隙體積;m，ms，mw，ma分別表示土的總質(zhì)量、土粒質(zhì)量、土中水的質(zhì)量、土中空氣的質(zhì)量，由于空氣質(zhì)量很小，可以忽略不計(jì);

7.4.2　土的物理性質(zhì)

土的物理性質(zhì)指標(biāo)，可分為兩類:一類是必須通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定的，稱為基本指標(biāo)或?qū)崪y(cè)指標(biāo)，如天然密度、含水率和土粒比重;另一類是可以根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的指標(biāo)換算而得到的，稱為推到指標(biāo)或換算指標(biāo)，如孔隙比，孔隙率和飽和度等。

(1)土的基本指標(biāo)。

①土的天然密度ρ(濕密度)。

物理意義　　在天然狀態(tài)時(shí)單位體積的土質(zhì)量，g/cm3。

常見(jiàn)值　　ρ=1.6～2.2g/cm3

測(cè)定方法　　土的密度可在室內(nèi)及野外現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)定。室內(nèi)一般采用“環(huán)刀法”測(cè)定。

②含水率ω。

物理意義　　土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示。

測(cè)定方法　　室內(nèi)測(cè)定:一般用“洪干法”。

③土粒比重ds。

物理意義　　土粒在105～110℃溫度下烘至恒重時(shí)的質(zhì)量與同體積4℃時(shí)純水的質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示。

測(cè)定方法　　比重瓶法。

(2)土的推導(dǎo)物理指標(biāo)。

①干密度ρd。

物理意義　　土的孔隙中完全沒(méi)有水時(shí)的密度，就是土單位體積中土粒的質(zhì)量。

常見(jiàn)值　　土的干密度一般常在1.4～1.7g/cm3

工程應(yīng)用　　在工程上常把干密度作為評(píng)定土體緊密程度的標(biāo)準(zhǔn)，以控制填土工程的施工質(zhì)量。

②飽和密度ρsat。

物理意義　　土的孔隙完全被水充滿時(shí)的密度稱為飽和密度;即土的孔隙中全部充滿液態(tài)水時(shí)的單位體積質(zhì)量。

常見(jiàn)值　1.8～2.30g/cm3。

③浮密度ρ'。

物理意義　　土的浮密度是單位體積土中，土粒質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之差。

④飽和度sr。

物理意義　　土中孔隙水的體積與孔隙體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示。

飽和度愈大，表明土中孔隙中充水愈多，它在0～100%;干燥時(shí)sr=0;孔隙全部為水充填時(shí)，sr=100%。工程研究中，一般將sr大于95%的天然粘性土視為完全飽和土;而砂土sr大于80%時(shí)就認(rèn)為已達(dá)到飽和了(表7－2)。

表7－2　工程上sr作為砂土濕度劃分的標(biāo)準(zhǔn)

⑤孔隙比e。

物理意義　　土中孔隙體積與土粒體積之比，以小數(shù)表示。

孔隙比e是個(gè)重要的物理性指標(biāo)，可以用來(lái)評(píng)價(jià)天然土層的密實(shí)程度。一般e＜0.6的土是密實(shí)的低壓縮性土;e＞1.0的土是疏松的無(wú)壓縮性土。

⑥孔隙率n。

物理意義　　土的孔隙體積與土體積之比，或單位體積土中孔隙的體積，以百分?jǐn)?shù)表示。

土的孔隙比或孔隙度都可用來(lái)表示同一種土的松，密程度。它隨土形成過(guò)程中所受的壓力、粒徑級(jí)配和顆粒排列的狀況而變化。一般說(shuō):粗粒土的孔隙度小，細(xì)粒土的孔隙度大。

(3)基本指標(biāo)與推導(dǎo)指標(biāo)的關(guān)系。

若假設(shè)土體內(nèi)土粒體積Vs=1.0，則土的三相組成比例示意圖變?yōu)槿鐖D7－6所示。

①孔隙比與孔隙率的關(guān)系。

因?yàn)閂s =1.0，依據(jù)e=，則孔隙體積Vv=e，土體體積V=Vv+Vs=1+e

②孔隙比與比重和干密度的關(guān)系。

得:

圖7－6　土的三相組成比例示意圖

③飽和度與含水量，比重和孔隙比的關(guān)系。

當(dāng)Sr=100%時(shí)，土完全飽和時(shí)，則:e=ωds。

常見(jiàn)的物理性質(zhì)指標(biāo)及相互關(guān)系換算公式見(jiàn)表7－3。

表7－3　常見(jiàn)物理性質(zhì)指標(biāo)及相互關(guān)系換算表

【例題7.2】某原狀土樣，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得天然密度ρ=1.67g/cm3，含水量ω=12.9%，土粒比重的ds=2.67，求干密度ρd，孔隙比e，孔隙度n和飽和度sr。

例題7.2　土的三相示意圖

【解】繪三相草圖

(1)設(shè)土的體積V=1cm3

根據(jù)密度定義得:m=ρV=1.67×1=1.67g。

(2)根據(jù)含水量ω=×100%得:mw=ωms= 0.129ms，又知道m(xù)a=0

因?yàn)閙=mw+ms，即0.129ms+ms=1.67

(3)根據(jù)土粒比重ds=2.67，依據(jù)公式ds=(ρw=1g/cm3)，

可知:

(5)從三相圖可知V=Va+Vw+VS=1cm3，則有:

Va=1－Vw－Vs=1－0.554－0.190=0.256cm3，

所以Vv=V－Vs=1－0.554=0.446cm3。

(6)根據(jù)孔隙比定義:e=

得

(7)根據(jù)孔隙度定義:n=得

(8)根據(jù)飽和度定義:Sr=

得

(9)根據(jù)干密度定義:ρd=得

【例題7.3】薄壁取樣器采取的土樣，測(cè)出其體積與質(zhì)量分別為38.4cm3和67.21g，把土樣放入烘箱烘干，并在烘箱內(nèi)冷卻到室溫后，測(cè)得重量為49.35g，土粒比重ds=2.69。試求土樣的ρ(天然密度)，ρd(干密度)，ω(含水量)，e(孔隙比)，n(孔隙率)，sr(飽和度)。

【解】依據(jù)土的物理指標(biāo)定義可知:

(1)天然密度ρ==1.750g/cm3;

(2)干密度ρd==1.285g/cm3;

(3)含水量ω=×100%=36.19%;

(4)孔隙比e=－1=1.093;

(5)孔隙率n=　1×100%=52.22%;

(6)飽和度sr==89.07%。

7.5　土的物理狀態(tài)

7.5.1　無(wú)粘性土的密實(shí)度

無(wú)粘性土如砂、卵石均為單粒結(jié)構(gòu)，它們主要的物理狀態(tài)指標(biāo)為密實(shí)度，即單位土體中固體顆粒的含量。其密實(shí)度與其工程性質(zhì)有著密切的關(guān)系，密實(shí)的無(wú)粘性土由于壓縮性小，抗剪強(qiáng)度高，承載力大，可作為建筑物的良好地基。但如處于疏松狀態(tài)，尤其是細(xì)砂和粉砂，其承載力就有可能很低，因?yàn)槭杷傻膯瘟＝Y(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的，在外力作用下很容易產(chǎn)生變形，且強(qiáng)度也低，很難作天然地基。如它位于地下水位以下，在動(dòng)荷載作用下還有可能由于超靜水壓力的產(chǎn)生而發(fā)生液化。例如，我國(guó)海城1975年2月4日的7.3級(jí)地震，震中區(qū)以西25～60km的下遼河平原，發(fā)生強(qiáng)烈砂土液化，大面積噴砂冒水，許多道路、橋梁、工業(yè)設(shè)施、民用建筑遭受破壞。1976年7月28日唐山的7.8級(jí)地震，也引起大區(qū)域的砂土液化。因此，凡工程中遇到無(wú)粘性土?xí)r，首先要注意的就是它的密實(shí)度。

工程中依據(jù)什么作為劃分密實(shí)度的標(biāo)準(zhǔn)呢?

對(duì)于同一種無(wú)粘性土，當(dāng)其孔隙比小于某一限度時(shí)，處于密實(shí)狀態(tài)，隨著孔隙比的增大，則處于中密、稍密直到松散狀態(tài)。無(wú)粘性土的這種特性，是因?yàn)樗哂械膯瘟＝Y(jié)構(gòu)決定的。

(1)用孔隙比e為標(biāo)準(zhǔn)。

我國(guó)1974年頒布的《工業(yè)與民用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中曾規(guī)定以孔隙比e作為無(wú)粘性土密實(shí)度的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)同一種土，孔隙比愈大，則土愈松散。

但是僅用孔隙比存在問(wèn)題，沒(méi)有考慮到顆粒級(jí)配這一重要因素對(duì)砂土密實(shí)狀態(tài)的影響，并且在具體的工程中，難于取得砂土原狀土樣。

(2)室內(nèi)測(cè)試孔隙比確定相對(duì)密實(shí)度的方法(表7－4)。

為了克服上述方法的缺陷，以相對(duì)密實(shí)度判斷。

無(wú)粘性土的相對(duì)密實(shí)度Dr是將現(xiàn)場(chǎng)土的天然孔隙比e與該種土所能達(dá)到最密實(shí)時(shí)的孔隙比emin和最疏松時(shí)的孔隙比emax相對(duì)比的方法，來(lái)表示孔隙比為e時(shí)土的密實(shí)度。表達(dá)式為:

無(wú)粘性土的最小孔隙比是最緊密狀態(tài)的孔隙比，用符號(hào)emin表示，emin一般采用“振擊法”測(cè)定;無(wú)粘性土的最大孔隙比是土處于最疏松狀態(tài)時(shí)的孔隙比，用符號(hào)emin表示，emin一般用“松砂器法”測(cè)定。

當(dāng)e=emax時(shí)，表示土處于最疏松狀態(tài)，此時(shí)Dr=0;

當(dāng)e=emin時(shí)，表示土處于最密實(shí)狀態(tài)，此時(shí)Dr=1.0。

在理論上，通過(guò)相對(duì)密實(shí)度Dr比孔隙比e能夠更合理確定土的密實(shí)狀態(tài)，但是測(cè)定e，emin，emax困難，通常多用于填方工程的質(zhì)量控制中，對(duì)于天然土尚難以應(yīng)用。

通常無(wú)粘性土的相對(duì)密度的還可以表達(dá)為:

式中ρdmin，ρdmax為最大、最小干密度。

表7－4D　r判定砂土密實(shí)度的標(biāo)準(zhǔn)

Dr在工程上常應(yīng)用于:評(píng)價(jià)砂土地基的允許承載力;評(píng)價(jià)地震區(qū)砂體液化;評(píng)價(jià)砂土的強(qiáng)度穩(wěn)定性。

【例題7.4】某砂試樣，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定ds=2.65，ω=10%，ρ=1.65g/cm3。砂樣處于最密實(shí)狀態(tài)時(shí)稱得干砂質(zhì)量為ms1=1.65kg，處于最松散狀態(tài)時(shí)稱得干砂質(zhì)量為ms2= 1.35kg。試求相對(duì)密實(shí)度Dr，并判斷該砂層處于哪種狀態(tài)?

【解】依據(jù)孔隙比公式:，則可得到此砂土的天然孔隙比:

令砂樣體積V=1，故此砂土的天然干密度:

又依據(jù)此ρd=，令砂樣體積V=1，ms1=1.65kg，可得砂土的最大干密度:

同理可以得到，最小干密度

所以Dr=0.55

因?yàn)?.33＜Dr ＜0.67，所以該砂處于中密狀態(tài)。

(3)用原位試驗(yàn)N或N63.5為標(biāo)準(zhǔn)。

依《規(guī)范》GB5007－2002確定無(wú)粘性土的密實(shí)度，利用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探等原位測(cè)試方法來(lái)評(píng)價(jià)砂土的密實(shí)度得到了工程技術(shù)人員的廣泛采用。砂土根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的錘擊數(shù)N分為松散，稍密、中密及密實(shí)四種密實(shí)度，其劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表7－5。

表7－5　砂土密實(shí)度劃分

7.5.2　粘性土的物理狀態(tài)指標(biāo)

顆粒大小決定著顆粒表面與水作用能力的大小，因此ω不同，其土的工程性質(zhì)也不同。

(1)粘性土界限含水量。

粘性土由于其含水量的不同，而分別處于固態(tài)、半固態(tài)、可塑狀態(tài)及流動(dòng)狀態(tài)?？伤軤顟B(tài)就是當(dāng)粘性土在某含水量范圍內(nèi)，可用外力塑成任何形狀而不發(fā)生裂紋，并當(dāng)外力移去后仍能保持既得的形狀。土的這種性能叫做可塑性。粘性土由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)的分界含水量，叫做界限含水量，它對(duì)粘性土的分類及工程性質(zhì)的評(píng)價(jià)有重要意義。實(shí)際意義最大為塑限ωp和液限ωl，如圖7－7所示。

圖7－7　粘性土界限含水

土由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)到流動(dòng)狀態(tài)的界限含水量叫做液限，用符號(hào)ωl表示，土由半固態(tài)轉(zhuǎn)到可塑狀態(tài)的界限含水量叫做塑限，用符號(hào)ωp表示，它們都以百分?jǐn)?shù)表示。目前通常采用液限聯(lián)合儀來(lái)測(cè)定粘性土的塑限ωp和液限ωl。

(2)粘性土的塑性指數(shù)和液性指數(shù)。

①塑性指數(shù)。

是指液限和塑限的差值(省去%符號(hào))，即土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍用符號(hào)Ip表示，即:

通過(guò)公式7.14可以看出，塑性指數(shù)Ip愈大，土處于可塑狀態(tài)的含水量范圍也愈大。塑性指數(shù)的大小與土中結(jié)合水的可能含量有關(guān)，土中結(jié)合水的含量與土的顆粒組成、土粒的礦物成分以及土中水的離子成分和濃度等因素有關(guān)。從土的顆粒來(lái)說(shuō)，土粒越細(xì)、且細(xì)顆粒(粘粒)的含量越高，則其比表面和可能的結(jié)合水含量愈高，因而Ip也隨之增大;從礦物成分來(lái)說(shuō)，粘土礦物可能具有的結(jié)合水量大(其中尤以蒙脫石類為最大)，因而Ip也大;從土中水的離子成分和濃度來(lái)說(shuō)，當(dāng)水中高價(jià)陽(yáng)離子的濃度增加時(shí)，土粒表面吸附的反離子層的厚度變薄，結(jié)合水含量相應(yīng)減少，Ip也小，反之隨著反離子層中的低價(jià)陽(yáng)離子的增加，Ip變大。

由于塑性指數(shù)在一定程度上綜合反映了影響粘性土特征的各種重要因素，因此，在工程上常按塑性指數(shù)對(duì)粘性土進(jìn)行分類。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，粘性土按塑性指數(shù)Ip值可劃分為:當(dāng)Ip＞17為粘土，當(dāng)10＜Ip≤17時(shí)，為粉質(zhì)粘土;塑性指數(shù)數(shù)值愈大，土的塑性愈強(qiáng)，土中粘粒含量越多。

②液性指數(shù)。

粘性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比，用符號(hào)IL表示，即:

從式中可見(jiàn)，當(dāng)土的天然含水量ω小于ωp時(shí)，IL小于0，天然土處于堅(jiān)硬狀態(tài);當(dāng)ω大于ωl時(shí)，IL大于1，天然土處于流動(dòng)狀態(tài);當(dāng)ω在ωp與ωl之間時(shí)，即IL在0～1之間，則天然土處于可塑狀態(tài)。

因此可以利用液性指數(shù)IL來(lái)表示粘性土所處的軟硬狀態(tài)。IL值愈大，土質(zhì)愈軟，反之，土質(zhì)愈硬。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定粘性土根據(jù)液性指數(shù)值劃分為堅(jiān)硬，硬塑、可塑、軟塑及流塑五種軟硬狀態(tài)，其劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表7－6。

表7－6　按液性指數(shù)(IL)粘性土的物理狀態(tài)

【例題7.5】從某地基取原狀土樣，測(cè)的土的液限為37.4%，塑限為23.0%，天然含水量為26.0%，問(wèn)地基土哪類土，處于何種狀態(tài)?

【解】已知:ωl=37.4%　ωp=23.0%　　ω=16.0%

通過(guò)公式Ip=wL－wp=37.4%－23%=14.4

因?yàn)?0＜Ip≤17

所以地基土為粉質(zhì)粘土。

又知道IL==0.21

因?yàn)?＜IL≤0.25

所以該地基土處于硬塑狀態(tài)。

7.6　土的壓實(shí)原理

在工程建設(shè)中經(jīng)常要進(jìn)行填土壓實(shí)，例如，路基、堤壩、擋土墻、平整場(chǎng)地以及埋設(shè)管道、建筑物基坑回填等。為了增加填土的密實(shí)度，提高其強(qiáng)度，減少沉降量，降低透水性，通常采用分層碾壓、夯實(shí)和振動(dòng)的方法來(lái)處理地基。土體能夠通過(guò)碾壓、夯實(shí)和振動(dòng)等方法調(diào)整土粒排列，進(jìn)而增加密實(shí)度的性質(zhì)稱為土的壓實(shí)性。

工程實(shí)踐表明，對(duì)于過(guò)濕的粘性土進(jìn)行碾壓或夯實(shí)會(huì)出現(xiàn)軟彈現(xiàn)象(俗稱橡皮土)，土體不易被壓實(shí)，對(duì)于很干的土進(jìn)行碾壓或夯實(shí)也不能充分夯實(shí)。因此，對(duì)應(yīng)最佳的夯實(shí)效果，存在一個(gè)適宜的含水量大小。在一定的壓實(shí)功能作用下，使土最容易被壓實(shí)，并能達(dá)到最大密實(shí)度時(shí)的含水量，稱為土的最優(yōu)含水量ωop，相應(yīng)的干密度則稱為最大干密度ρdmax。

7.6.1　擊實(shí)試驗(yàn)

土的壓實(shí)性可通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行研究。室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)方法如下:將同一種土配制成5份以上不同含水量的試樣，用同樣的壓實(shí)功能分別對(duì)每一份試樣分三層進(jìn)行擊實(shí)，然后測(cè)定各試樣擊實(shí)后的含水量ω和濕密度ρ，計(jì)算出干密度ρd，從而繪出一條ω－ρd關(guān)系曲線，即擊實(shí)曲線。如圖7－8。由圖可知，在一定擊實(shí)功能下，只有當(dāng)含水量達(dá)到某一特定值時(shí)，土才被擊實(shí)至最大干密度。含水量大于或小于此特定值，其對(duì)應(yīng)的干密度都小于最大干密度。這一特定含水量即為最優(yōu)含水量ωop。

圖7－8　粘性土的擊實(shí)曲線

7.6.2　影響壓實(shí)效果的因素

影響土的壓實(shí)效果的主要因素是:土的含水量、壓實(shí)功能和土的性質(zhì)。

(1)土的含水量。

含水量較小時(shí)，土中水主要是強(qiáng)結(jié)合水，土粒間摩擦力、粘結(jié)力都很大，土粒的相對(duì)移動(dòng)有困難，因而不易被壓實(shí);當(dāng)含水量適當(dāng)增大時(shí)，土中結(jié)合水膜變厚，土粒之間的聯(lián)接力減弱而使土粒易于移動(dòng)，壓實(shí)效果變好;但當(dāng)含水量繼續(xù)增大，以致出現(xiàn)自由水，擊實(shí)時(shí)孔隙中過(guò)多的水分不易立即排出，勢(shì)必阻止土粒的靠攏，則壓實(shí)效果反而下降。

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)證明:粘性土的最優(yōu)含水量ωop與土的塑限ωp有關(guān)，大致為ωop=ωp±2%。土中粘土礦物含量大，則最優(yōu)含水量越大。

圖7－9　壓實(shí)功對(duì)壓實(shí)曲線的影響

(2)壓實(shí)功能。

夯擊的壓實(shí)功能與夯錘的重量、落高、夯擊次數(shù)以及被夯擊土的厚度等有關(guān);碾壓的壓實(shí)功能則與碾壓機(jī)具的重量、接觸面積、碾壓遍數(shù)以及土層的厚度等有關(guān)。

對(duì)于同類土，如圖7－9，由3曲線至1曲線，隨著壓實(shí)功能的增大，最大干密度相應(yīng)增大，而最優(yōu)含水量減小。所以，在壓實(shí)工程中，若土的含水量較小，則需選用夯實(shí)能量較大的機(jī)具，才能將土壓實(shí)至最大干密度;在碾壓過(guò)程中，如未能將土壓至最密實(shí)程度，則需增大壓實(shí)功能(選用功能較大的機(jī)具或增加碾壓遍數(shù)等);若土的含水量較大，則應(yīng)選用壓實(shí)功能較小的機(jī)具，否則會(huì)出現(xiàn)“橡皮土”現(xiàn)象。因此，若要把土壓實(shí)至工程需要的干密度，必須合理控制壓實(shí)時(shí)土的含水量，選用適合的壓實(shí)功能。

(3)土的性質(zhì)。

土的顆粒粗細(xì)、級(jí)配、礦物成分和添加的材料等因素對(duì)壓實(shí)效果有影響。顆粒越粗的土，其最大干密度越大，而最優(yōu)含水量越小;顆粒級(jí)配越均勻，壓實(shí)曲線的峰值范圍就越寬廣而平緩;對(duì)于粘性土，壓實(shí)效果與其中的粘土礦物成分含量有關(guān);添加木質(zhì)素和鐵基材料可改善土的壓實(shí)效果。

砂性土也可用類似粘性土的方法進(jìn)行試驗(yàn)。干砂在壓力和振動(dòng)作用下，容易密實(shí);稍濕的砂土，因有毛細(xì)壓力作用使砂土互相靠緊，阻止顆粒移動(dòng)，擊實(shí)效果不好;飽和砂土，毛細(xì)壓力消失，擊實(shí)效果良好。

(4)壓實(shí)填土的質(zhì)量指標(biāo)。

壓實(shí)填土的質(zhì)量以壓實(shí)系數(shù)λc控制。壓實(shí)系數(shù)為壓實(shí)填土的控制干密度ρd與最大干密度ρdmax的比值，即

壓實(shí)填土的最大干密度ρdmax宜采用擊實(shí)試驗(yàn)或由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。當(dāng)無(wú)試驗(yàn)資料時(shí)，最大干密度可按下式計(jì)算:

式中:ρdmax——分層壓實(shí)填土的最大干密度;

　　　η——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，粉質(zhì)粘土取0.96，粉土取0.97;

　　　wop——填料的最優(yōu)含水量。

當(dāng)填料為碎石或卵石時(shí)，其最大干密度可取2.0～2.2t/m3。

壓實(shí)填土的質(zhì)量應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型和壓實(shí)填土所在部位按表7－7的數(shù)值確定。

表7－7　壓實(shí)填土的質(zhì)量控制

注:地坪墊層以下及基礎(chǔ)底面標(biāo)高以上的壓實(shí)填土，壓實(shí)系數(shù)不應(yīng)小于0.94。

7.7　巖土的工程分類

從工程角度來(lái)說(shuō)，巖土分類系統(tǒng)是把不同的巖土分別分列到各個(gè)具有相似性質(zhì)的組合中去，以便人們有可能依據(jù)同類巖土一致的性質(zhì)去評(píng)價(jià)其性能，或提供給人們一個(gè)比較確切的描述巖土的方法。巖土的工程分類是為工程服務(wù)的，而各類工程的巖土工程問(wèn)題側(cè)重點(diǎn)有所不同，因而形成了服務(wù)于不同類型工程的分類體系，但分類必然要遵循同類土的工程性質(zhì)最大程度相似和異類土工程性質(zhì)顯著差異的原則來(lái)選擇分類指標(biāo)和確定分類界線。目前巖土的分類方法很多，本節(jié)主要對(duì)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《巖土工程勘察規(guī)范》中的巖土分類作以介紹。

7.7.1　分類的目的、原則和分類體系

土的分類體系就是根據(jù)土的工程性質(zhì)差異將土劃分成一定的類別，目的在于通過(guò)通用的鑒別標(biāo)準(zhǔn)，便于在不同土類間作有價(jià)值的比較、評(píng)價(jià)、積累以及學(xué)術(shù)與經(jīng)驗(yàn)的交流。

分類原則如下:

(1)分類要簡(jiǎn)明，既要能綜合反映土的主要工程性質(zhì)，又要測(cè)定方法簡(jiǎn)單，使用方便。

(2)土的分類體系所采用的指標(biāo)要在一定程度上反映不同類工程用土的不同特性。

巖體的分類體系有:

(1)建筑工程系統(tǒng)分類體系側(cè)重作為建筑地基和環(huán)境的巖土，例如:《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007—2002)地基土分類方法、《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)巖土的分類。

(2)工程材料系統(tǒng)分類體系側(cè)重把土作為建筑材料，用于路堤、土壩和填土地基工程。研究對(duì)象為擾動(dòng)土，例如:《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ145—90)工程用土的分類和《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ051—93)土的工程分類。

7.7.2　分類方法

(1)巖石的分類和鑒定。

巖石是天然形成的具有一定結(jié)構(gòu)構(gòu)造的由一種礦物或多種礦物組成的集合體。具有各種結(jié)構(gòu)面的原位巖石的綜合體稱為巖體。巖石按其成因分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。巖石(體)作為建筑物的地基和建筑場(chǎng)地，可根據(jù)其強(qiáng)度、風(fēng)化程度、巖體結(jié)構(gòu)特征等進(jìn)行工程分類。

①巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)。

用直徑為75mm的金剛石鉆頭和雙層巖芯管在巖石中鉆進(jìn)，連續(xù)取芯，回次鉆進(jìn)所取巖芯中，長(zhǎng)度大于10cm的巖芯段長(zhǎng)度之和與該回次進(jìn)尺的比值，以百分?jǐn)?shù)表示，見(jiàn)表7－8。

表7－8　巖石質(zhì)量指標(biāo)的劃分

②巖石按風(fēng)化程度分類。

巖石風(fēng)化后，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分發(fā)生變化，強(qiáng)度降低，工程性質(zhì)變壞，直接影響巖石作為工程地基、工程環(huán)境或工程材料的質(zhì)量。巖石按風(fēng)化程度可劃分為六個(gè)級(jí)別，見(jiàn)表7.1。

③巖石的堅(jiān)硬程度等級(jí)可根據(jù)巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)rk定量分類(表7－9)。

表7－9　巖石堅(jiān)硬程度的定量分類

④巖體的完整性程度等級(jí)按表7－10定量劃分。

表7－10　巖體的完整性程度等級(jí)定量劃分

注:完整性系數(shù)為巖體壓縮波速度與巖塊壓縮波速度之比的平方，選定巖體和巖塊測(cè)定波速時(shí)應(yīng)注意代表性。

(2)地基土的分類和鑒定。

根據(jù)土粒大小、土的塑性指數(shù)把地基土分為碎石土、砂土、粉土和粘性土四大類。

①碎石土的分類。

粒徑大于2mm的顆粒含量超過(guò)全重50%的土稱為碎石土(表7－11)。

表7－11　碎石土的分類

注:定名時(shí)應(yīng)根據(jù)顆粒級(jí)配由大到小以最先符合者確定

②砂土的分類。

粒徑大于2mm的顆粒含量不超過(guò)全重50%的土，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過(guò)全重50%的土稱為砂土(表7－12)。

表7－12　砂土的分類

注:定名時(shí)應(yīng)根據(jù)顆粒級(jí)配由大到小以最先符合者確定

③粉土的分類。

粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過(guò)全重50%，塑性指數(shù)IP≤10的土稱為粉土。

④粘性土的分類。

粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過(guò)全重50%，塑性指數(shù)IP＞10的土稱為粘性土。粘性土根據(jù)塑性指數(shù)細(xì)分(表7－13)。

表7－13　粘性土的分類

注:塑性指數(shù)由相應(yīng)于76g圓錐體沉入土樣中深度為10mm測(cè)定的液限計(jì)算而得。

⑤特殊土的分類。

對(duì)特殊成因和年代的土類應(yīng)結(jié)合其成因和年代特征定名，特殊性土除應(yīng)描述上述相應(yīng)土類規(guī)定的內(nèi)容外，尚應(yīng)描述其特殊成分和特殊性質(zhì);如對(duì)淤泥尚需描述嗅味，對(duì)填土尚需描述物質(zhì)成分、堆積年代、密實(shí)度和厚度的均勻程度等。

【思考題】

1.什么是土的物理性質(zhì)指標(biāo)?哪些是直接測(cè)定的指標(biāo)?哪些是計(jì)算指標(biāo)?

2.甲土的含水量大于乙土，試問(wèn)甲土的飽和度是否大于乙土?

3.甲乙兩土的天然重度和含水量相同，相對(duì)密度不同，飽和度哪個(gè)大?

4.為什么僅用天然含水量說(shuō)明不了粘性土的物理狀態(tài)，而用液性指數(shù)卻能說(shuō)明?

5.在填方壓實(shí)工程中，土體是否能壓實(shí)到完全飽和狀態(tài)?為什么?

【練習(xí)題】

1.有一完全飽和的原狀土樣切滿于容積為21.7cm3的環(huán)刀內(nèi)，稱得總質(zhì)量為72.49g，經(jīng)105℃烘干至恒重為61.28g，已知環(huán)刀質(zhì)量為32.54g，土粒相對(duì)密度(比重)為2.74，試求該土樣的濕密度、含水量、干密度及孔隙比(要求按三項(xiàng)比例指標(biāo)定義求解)。

2.某原狀土樣的密度為1.85g/cm3、含水量為34%、土粒相對(duì)密度為2.71，試求該土樣的飽和密度、有效密度和有效重度(先導(dǎo)得公式然后求解)。

3.某砂土土樣的密度為1.77g/cm3，含水量為9.8%，土粒相對(duì)密度為2.67，烘干后測(cè)定最小孔隙比為0.461，最大孔隙比為0.943，試求孔隙比和相對(duì)密度，判斷該砂土的密實(shí)度。

4.某一完全飽和粘性土試樣的含水量為30%，土粒相對(duì)密度為2.73，液限為33%，塑限為17%，試求孔隙比、干密度和飽和密度，并按塑性指數(shù)和液性指數(shù)分別定出該粘性土的分類名稱和軟硬狀態(tài)。

5.經(jīng)測(cè)定，某地下水位以下砂層的飽和密度為1.991g/cm3，土粒相對(duì)密度為2.66，最大干密度為1.67g/cm3，最小干密度為1.39g/cm3，試判斷該砂土的密實(shí)程度。