学习单元2 确定土的物理性质

知识目标

1.了解土的成因与构造。

2.熟悉土体物理性质指标的三相换算。

3.掌握土的物理状态指标描述。

技能目标

1.能够充分掌握土的物理性质及其状态。

2.能够确定工程中的地基土的状态和名称。

基础知识

一、土的成因及其构造

（一）土的形成

土的形成与外力地质作用密切相关。地壳表层的岩石在大气中经受长期的风化、剥蚀等外力作用，破碎成形状不同、大小不一的岩石碎块或矿物颗粒。这些岩石碎屑物质受各种自然力（如重力、流水、冰川和风尘等）的夹带搬运，在各种不同的自然环境下沉积下来，就形成通常所说的土。沉积下来的土，在漫长的地质年代中发生复杂的物理和化学变化，逐渐压密、固结，最终又形成沉积岩。因此，在自然界中，岩石不断风化破碎形成土，而土又不断压密、岩化而变成岩石，成为一个水无休止的循环过程。

（二）风化作用

地壳表层的岩石，在太阳辐射、大气、水和生物等风化营力的作用下，发生物理和化学变化，使岩石崩解破碎以致逐渐分解的作用，称为风化作用。

风化作用使坚硬致密的岩石松散破坏，改变了岩石原有的矿物组成和化学成分，使岩石的强度和稳定性大为降低，对工程建筑条件产生不良的影响。此外，如滑坡、崩塌、碎落、岩堆及泥石流等不良地质现象，大部分都是在风化作用的基础上逐渐形成和发展起来的。所以了解风化作用，认识风化现象，分析岩石风化程度，对评价工程建筑条件是必不可少的。

风化作用按其占优势的营力及岩石变化的性质，可分为物理风化、化学风化及生物风化三种类型。

物理风化是指岩石、矿物在原地发生机械破碎而不改变其化学成分的过程，其方式有温差风化、冰劈作用、盐类结晶胀裂作用等，主要发生在温差风化最强烈的地区，如干旱沙漠地区、高寒地带、干旱及半干旱气候区。物理风化的结果，首先是岩石的整体性遭到破坏，随着风化程度的增加，逐渐成为岩石碎屑和松散的矿物颗粒。

化学风化是指岩石、矿物在地表发生化学变化并可产生新矿物的过程。引起化学风化作用的主要因素是水和氧。自然界的水，不论是雨水、地面水或地下水，都溶解有多种气体（如O₂、CO₂等）和化合物（如酸、碱、盐等），因此自然界的水都是水溶液，水溶液可通过溶解、水化、水解、碳酸化等方式促使岩石化学风化，氧的作用方式是氧化作用。

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。如穴居地下的动物、植物生长的根部等都会对岩石产生机械破坏作用；动物新陈代谢所排出的产物、动物死亡后遗体腐烂的产物及微生物作用等则使岩石成分发生化学变化而遭到破坏。

岩石、矿物经过物理、化学风化作用以后，再经过生物的化学风化作用，就不再是单纯的无机组成的松散物质，因为它还具有植物生长必不可少的腐殖质。这种具有腐殖质、矿物质、水和空气的松散物质叫土壤。不同地区的土壤具有不同的结构及物理、化学性质，据此全世界可以划分出许多土壤类型，而每一种土壤类型都是在其特有的气候条件下形成的。例如，在热带气候下，强烈的化学风化和生物风化作用，使易溶性物质消失殆尽，形成富含铁、铝的红壤。

（三）土的组成

土是由固体颗粒、水和气体组成的三相分散体系。其中，固体颗粒构成土的骨架，是三相体系中的主体；水和气体填充土骨架之间的空隙。土体三相组成中每一相的特性及三相比例关系都对土的性质有显著影响。

1.土的固体颗粒

土的固体颗粒由大小不等、形状不同的矿物颗粒或岩石碎屑按照各种不同的排列方式组合在一起，构成土的骨架，是土的主要组成成分。土中固体颗粒（简称土粒）的大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土的物理力学性质的重要因素。

（1）矿物成分按成因分类。

① 原生矿物：是岩石经过物理风化作用形成的碎屑物，如石英、长石、云母等。

② 次生矿物：岩石经化学风化作用而形成的新矿物成分，其中数量最多是黏土矿物。常见的黏土矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石。石英、长石是砂、砾石等无黏性土的主要矿物成分，呈林状。黏土矿物是组成黏性土的主要成分，颗粒极细，呈片状或针状，具有高度的分散性和胶体性质，其与水相互作用形成黏性土的一系列特性，如可塑性、膨胀性、收缩性等。

（2）土中的有机质。在岩石风化以及风化产物搬运、沉积过程中，常有动物、植物的残骸及其分解物质参与沉积，成为土中的有机质。有机质易于分解变质，故土中有机质含量过多时，将导致地基或土坝坝体发生集中渗流或不均匀沉降。因此，在工程中常对土料的有机质含量提出一定的限制，筑坝土料一般不宜超过5%，灌浆土料小于2%。

当土粒的粒径由大到小逐渐变化时，土的性质也相应发生变化。随着土粒粒径变小，无黏性且透水性强的土逐渐变为有黏性和低透水性的可塑性土。所以应根据土中不同粒径的土粒，按某一粒径范围分成若干组，通常将土划分为六大粒组，即漂石或块石颗粒、卵石或碎石颗粒、圆砾或角砾颗粒、砂粒、粉粒及黏粒。各粒组的界限粒径分别是200mm、60mm、2mm、0.075mm和0.005mm，见表1-1。

为了说明天然土颗粒的组成情况，不仅要了解土颗粒的大小，还需要了解各种颗粒所占的比例。实际工程中，常以土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总重的百分数）表示土中颗粒的组成情况，称为土的颗粒级配。土的颗粒级配直接影响土的性质，如土的密实度、透水性、强度、压缩性等。

为了直观起见，工程中常用颗粒级配曲线直接表示土的级配情况。曲线的横坐标用对数表示土的粒径（因为土粒粒径相差常在百倍、千倍以上，所以宜采用对数坐标表示），单位为mm；纵坐标则表示小于或大于某粒径的土重含量或称累计百分含量。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，如图1-15所示。由曲线的形态可以大致判断土粒大小的均匀程度。如曲线较陡，表示粒径范围较小，土粒较均匀，级配良好；反之，曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，级配不良。

为了定量反映土的级配特征，工程中常用不均匀系数C_u来评价土的级配优劣。

C_u=d₆₀/d₁₀　（1-1）

式中，d₁₀——土的颗粒级配曲线上的某粒径，小于该粒径的土的质量占总土质量的10%，称为有效粒径；

d₆₀——土的颗粒级配曲线上的某粒径，小于该粒径的土的质量占总土质量的60%，称为限定粒径。

在工程建设中，常根据不均匀系数C_u值来选择填土的土料，若C_u值较大，表明土粒不均匀，则其较颗粒均匀的土更容易被夯实（级配均匀的土不容易被夯实）。通常把C_u<5的土看作级配均匀的土，把C_u>10的土看作级配良好的土。

2.土中的水

土中的水在自然界中存在的状态可以分为固态、气态和液态三种形态。

固态水又称为矿物质内部结晶水，是指在温度低于0℃时土中水以冰的形式存在，形成冻土。其特点是冻结时强度高，而解冻时强度迅速降低。

气态水是指土中的水蒸气，对土的性质影响不大。

液态水包括存在于土中的结合水和自由水两大类。

（1）结合水。结合水是指在电场作用力范围内，受电分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水。它距离土颗粒越近，作用力越大；距离越远，作用力越小，直至不受电场力作用，如图1-16所示。结合水的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，其厚度与颗粒的黏土矿物成分有关。

按吸引力的强弱，结合水又可分为：

① 强结合水（吸着水）：紧靠土粒表面，厚度只有几个水分子厚，小于0.003μm。强结水性质接近固体，不传递静水压力，105℃才能蒸发，冰点为-78℃，密度为（1.2~2.4）×10³kg/m³，具很大的黏滞性、弹性和抗剪强度，其性质接近固体。黏土只含强结合水时，呈固体坚硬状态；砂土只含强结合水时，呈散粒状态。

② 弱结合水（薄膜水）：在强结合水外侧，厚度小于0.5μm。密度为（1.0~1.7）×10³kg/m³，不传递静水压力，呈黏滞体状态。此部分水对黏性土影响最大。

（2）自由水。自由水是存在于土粒表面电场范围以外的水，土的性质与普通水一样，服从重力定律，能传递静水压力，冰点为0℃，有溶解力。自由水按其移动所受作用力的不同，可分为自重水和毛细水。

① 自重水指土中受重力作用而移动的自由水，它存在于地下水位以下的透水层中。

② 毛细水受到与空气交界面处表面张力的作用，存在于潜水位以上透水土层中。当孔隙中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面和土粒接触处的表面张力作用于土粒，使土粒之间由于这种毛细压力而相互挤紧，从而具有微弱的黏聚力，称为毛细黏结力，如图1-17所示。

在工程中，毛细水的上升对建筑物地下部分的防潮措施与地基土的浸湿和冻胀有较大影响。碎石土中无毛细现象。

3.土中的空气

土中的空气存在于土孔隙中未被水占据的空间。一般可以分为自由气体和封闭气体。自由气体是指在粗粒的沉积物中常见的与大气连通的空气，在外力作用下，将很容易被从空隙中挤出，所以它对土工程性质影响不大。与大气不相通的气体称为封闭气体，常存在于细粒土中，在外力作用下，使土的弹性变形增加，可在车辆碾压时，使土形成有弹性的橡皮土。

（四）土的结构

很多试验资料表明，对于同一种土来说，原状土和重塑土样的力学性质有很大差别。土的结构和构造对土的性质有很大的影响。土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征，主要有以下几种基本类型：

1.单粒结构

在沉积过程中，较粗的土粒相互支承并达到稳定，形成单粒结构。全部由砂粒及更粗的土粒组成的土都具有单粒结构。因其颗粒较大，土粒间的分子吸引力相对很小，所以颗粒间几乎没有联结，至于未充满孔隙的水分只可能通过微弱的毛细水联结。单粒结构可以是疏松的，也可以是紧密的，如图1-18所示。

呈紧密状单粒结构的土，由于其土粒排列紧密，在动荷载、静荷载作用下都不会产生较大的沉降，所以强度较大，压缩性较小，是较为良好的天然地基。具有疏松单粒结构的土，其骨架是不稳定的，当受到振动及其他外力作用时，土粒易发生移动，土中孔隙剧烈减小，引起土的很大变形，因此，这种土层如未经处理一般不宜作为建筑物的地基。

2.蜂窝状结构

蜂窝结构主要由粉粒或细砂粒组成。粒径在0.005mm~0.075mm之间的土粒在水中沉积时，基本上是以单个土粒下沉。当碰上已沉积的土粒时，由于它们之间的相互引力大于其重力，因此，土粒就停留在最初的接触点上不再下沉，逐渐形成土粒链。土粒链组成弓形结构，形成具有很大孔隙的蜂窝状结构，如图1-19所示。

3.絮状结构

黏粒能够在水中长期悬浮，不因自重而下沉。当这些悬浮在水中的黏粒被带到电解质浓度较大的环境中（如海水）时，黏粒凝聚成絮状的集粒（黏粒集合体）而下沉，并相继与已沉积的絮状集粒接触，从而形成类似蜂窝但孔隙很大的絮状结构，如图1-20所示。

上述三种结构中，密实的单粒结构土的工程性质最好，蜂窝结构其次，絮状结构最差。后两种结构土，如果因扰动破坏天然结构，则强度降低、压缩性大，不可用作天然地基。

二、土的物理性质指标

（一）土的三相图

土由固相、液相和气相三部分组成。固相部分即为土粒，由矿物颗粒或有机质组成，构成土的骨架；液相部分为水及其溶解物；气相部分为空气和其他气体。如土中孔隙全部被水充满时，称为饱和土；孔隙中仅含空气时，称为干土。饱和土和干土都是两相体系。一般在地下水位以上和地面以下一定深度内的土的孔隙中兼含空气和水，此时的土体属三相体系，称湿土。

土的三相物质是混合分布的，为阐述方便，一般用土的三相图表示，如图1-21所示。三相图中把土的固体颗粒、水、空气各自划分开来。

（二）土的主要物理指标

1.土的天然密度和干密度

土在天然状态下单位体积的质量，称为土的天然密度。土的天然密度用ρ表示，计算公式为

ρ=m/V　（1-2）

式中，m——土的总质量（kg）；

V——土的总体积（m³）。

单位体积中土的固定颗粒的质量称为土的干密度，土的干密度用ρ_d表示，计算公式为

ρ_d=m_s/V　（1-3）

式中，m_s——土中固体颗粒的质量（kg）；

V——土的总体积（m³）。

土的干密度与土的天然密度之间的关系可表示为

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质量与固体颗粒质量之比的百分率，即

式中，ω——土的含水率；

m_w——土中水的质量（kg）；

m_s——土中固体颗粒的质量（kg）。

3.土的孔隙比和孔隙率

孔隙比和孔隙率反映了土的密实程度，孔隙比和孔隙率越小土越密实。孔隙比e是土中孔隙体积V_v与固体颗粒体积V_s的比值，可表示为

式中，V_v——土中孔隙体积（m³）；

V_s——土中固体颗粒体积（m³）。

孔隙率n是土中孔隙体积与总体积V的比值，用百分率表示，可表示为

式中，V——土的总体积（m³）。

4.土的可松性

土具有可松性，即自然状态下的土经开挖后，其体积因松散而增大，以后虽经回填压实，仍不能恢复其原来的体积。土的可松性系数可表示为

式中，K_s——土的最初可松性系数；

——土的最后可松性系数；

V_原状——土在天然状态下的体积（m³）；

V_松散——土挖出后在松散状态下的体积（m³）；

V_压实——土经回填压（夯）实后的体积（m³）。

土的可松性对确定场地设计标高、土方量的平衡调配、计算运土机具的数量和弃土坑的容积，以及计算填方所需的挖方体积等均有很大影响。各类土的可松性系数见表1-2。

5.土的压缩性

土的压缩性是指土在压力作用下体积变小的性质。取土回填或移挖作填，松土经运输、填压以后，均会压缩，一般土的压缩率参考值见表1-3。

6.土的渗透性

土的渗透性是指土体被水透过的性质，通常用渗透系数K表示。渗透系数K表示单位时间内水穿透土层的能力，以m/d表示。根据渗透系数不同，土可分为透水性土（如砂土）和不透水性土（如黏土）。土的渗透性影响施工降水与排水的速度。土的渗透系数参考值见表1-4。

（三）土的三相物理性质指标的关系

土的三相指标相互之间有一定的关系。只要知道其中某些指标，通过简单的计算，就可以得到其他指标。上述各指标中，土粒相对密度d_s、含水量ω、重度γ三个指标必须通过试验测定，其他指标可由这三个指标换算得来。其换算方法可从土的三相比例指标换算图来说明，见图1-22。令固体颗粒体积V_s=1，根据定义即可得出V_v=e，V=1+e，ms=γ_wd_s［γ_w为纯净水在4℃时的重度（单位体积的重量，即9.8kN/m3，实际近似取γ_w=10kN/m³）］，m_w=ωγ_wd_s，m=γ_wd_s(1+ω)。据此，可以推导出各指标间的换算公式，见表1-5。

三、土的物理状态指标

（一）无黏性土

无黏性土一般是指具有单粒结构的砂土与碎石土，土粒之间无黏结力，呈松散状态。它们的工程性质与其密实程度有关。密实状态时，结构稳定，强度较高，压缩性小，可作为良好的天然地基；疏松状态时，则是不良地基。

1.砂土的密实度

砂土的密实度通常采用相对密实度D_r来判别，其表达式为

式中，e——砂土在天然状态下的孔隙比；

e_max——砂土在最松散状态下的孔隙比，即最大孔隙比；

e_min——砂土在最密实状态下的孔隙比，即最小孔隙比。

由式（1-10）可以看出，当e=e_min时，D_r=1，表示土处于最密实状态；当e=e_max时，D_r=0，表示土处于最松散状态。判定砂土密实度的标准：0.67<D_r≤1，为密实的；0.33<D_r≤0.67，为中密的；0<D_r≤0.33，为松散的。

具体工程中可根据标准贯入试验锤击数N来评定砂土的密实度（见表1-6）。

2.碎石土的密实度

碎石土的颗粒较粗，试验时不易取得原状土样，根据重型圆锥动力触探锤击数N_63.5可将碎石土的密实度划分为松散、稍密、中密和密实（见表1-7），也可根据野外鉴别方法确定其密实度（见表1-8）。

（二）黏性土

黏性土主要的物理状态特征是软硬程度。由于黏性土的主要成分是黏粒，土颗粒很细，土的比表面（单位体积颗粒的总表面积）大，与水相互作用的能力较强，故水对其工程性质影响较大。

黏性土物理状态的主要指标如下所述。

1.界限含水量

当土中含水量很大时，土粒被自由水所隔开，土处于流动状态；随着含水量的减少，逐渐变成可塑状态，这时土中水分主要为弱结合水；当土中主要含强结合水时，土处于固体状态，如图1-23所示。

黏性土由一种状态转变到另一种状态的分界含水量称为界限含水量。

（1）液限是土由流动状态转变到可塑状态时的界限含水量（也称为流限或塑性上限）。

（2）塑限是土由可塑状态转变到半固态时的界限含水量（也称为塑性下限）。

（3）缩限是土由半固态转变到固态时的界限含水量。

工程上常用的界限含水量有液限和塑限，缩限常用收缩皿法测试，是土由半固态不断蒸发水分，体积逐渐缩小，直到体积不再缩小时的含水量。

2.塑性指数

液限与塑限的差值（计算时略去百分号）称为塑性指数，用符号I_P表示，即

I_P=ω_L−ω_P　（1-11）

3.液性指数

土的天然含水量与塑限的差值除以塑性指数称为液性指数，用符号I_L表示，即

由上式可见，当I_L<0，即ω<ω_P时，土处于坚硬状态；当I_L>1.0，即ω>ω_L，土处于流动状态。因此，液性指数是判别黏性土软硬程度的指标。

4.灵敏度和触变性

黏性土的一个重要特征是具有天然结构性，当天然结构被破坏时，黏性土的强度降低，压缩性增大。通常将反映黏性土结构性强弱的指标称为灵敏度，用S_t表示。

式中，q_u——原状土强度；

q₀——与原状土含水量、重度等相同，结构完全破坏的重塑土强度。根据灵敏度可将黏性土分为如下三种类型：

S_t>4为高灵敏度；2<S_t≤4为中灵敏度；1<S_t≤2为低灵敏度。

黏性土扰动后土的强度降低，但静置一段时间后，土粒、离子和水分子之间又趋于新的平衡状态，土的强度又逐渐增大，这种性质称为土的触变性。