2.5 土的结构及物理状态指标

土的结构是指土颗粒或团粒在空间的排列方式和它们之间的联结特征。土的结构和土的状态密切相关。

2.5.1 粗粒土的结构与状态

2.5.1.1 粗粒土的结构

粗粒土的结构是指粗粒土中颗粒相互排列的形式。在沉积过程中，粗颗粒在自重作用下沉落，每个土粒都被已下沉稳定的颗粒所支承，土粒间呈点与点的接触，如图2-13所示，这种结构称为单粒结构。随着形成条件不同，可以密实的或疏松的状态存在，如图2-14所示。疏松状态的单粒结构在荷载作用下，特别是在动荷载作用下，土粒会移向更稳定的位置而产生相应的变形；密实的单粒结构则比较稳定，力学性能较好。这些是粗粒土，如砂、砾石等土类的结构特征。

2.5.1.2 砂土的密实状态

天然条件下砂土可处于从疏松到密实的状态。例如大小相同的圆球的排列（图2-14），其孔隙比e变化在0.91（疏松）与0.35（密实）之间；实际上砂土颗粒大小混杂，形状也非球形，故天然状态下砂土的孔隙比大致变动在0.33～1.0之间。实测表明，一般粗粒砂多处于较密实的状态，而细粒砂特别是含片状云母颗粒多的砂，则较疏松；一般静水中沉积的砂土要比流水中疏松，新近沉积的砂土要比沉积年代较久的疏松。

砂土的结构密实状态对其力学性质影响很大。砂土其结构越稳定则状态越密实。因而压缩变形小，强度高的砂土层，是建筑物的良好地基；反之，测状态疏松的砂，特别是饱和的细砂，其结构常处于不稳定状态，因而对工程建设不利。

2.5.1.3 砂土密实度指标

土的密实程度可用孔隙比的大小来判断。但是，颗粒形状和级配不同的砂土，其孔隙比有很大的变化，不能考虑颗粒形状和级配的影响。为此，用土天然状态的孔隙比与最松和最密状态的孔隙比相比较就较合理。因而通常采用相对密度D_r来评价砂土的密实程度，其定义为

式中：D_r为砂土的相对密度；e为砂土在天然状态时的孔隙比；e_max为砂土在最疏松状态时的孔隙比，即最大孔隙比；e_min为砂土在最密实状态时的孔隙比，即最小孔隙比。

显然，D_r=0，即e=e_max，表示砂土处于最疏松状态；D_r=1，即e=e_min，表示砂土处于最密实状态。判别砂土的松密标准如下：

D_r<0.33时，砂土是疏松的；

D_r=0.33~0.67时，砂土是中密的；

D_r>0.67时，砂土是密实的。

相对密度D_r可综合反映土粒形状、土粒级配和结构等因素对密实度的影响。但由于天然状态的e值不易确定，而且按规程方法在室内测定e_max和e_min时，也有人为因素造成的误差，所以，实际工程中常采用原位测试方法（如标准贯入试验，见第10章）来判别砂土的密实度。

2.5.2 黏性土的结构与稠度

2.5.2.1 黏性土的结构

黏性土的结构不但与其颗粒的大小、形状和黏土矿物有关，而且还与沉积条件有很大关系，一般分为蜂窝状、絮凝型和分散型三类。

1.蜂窝状结构

较细的土粒在自重作用下沉落时，碰到其他正在下沉或已沉稳的土粒，由于土粒细而轻，粒间接触点处的引力大于下沉土粒重量，土粒就被吸引而不再改变它们的相对位置，逐渐形成连环状单元。很多这样的连环连接起来，便形成孔隙较大的蜂窝状结构，如图2-15（a）所示。蜂窝状结构常在粉质黏土中遇到。

2.絮凝型结构

絮凝型结构的黏粒大都呈针状或片状，土粒尺寸小，重量轻，在水中下沉缓慢，且这些片状颗粒沉积时，其结构的类型主要取决于沉积期间孔隙溶液的电化学性质和结合水膜的厚度。带电的片状黏粒可以形成“面—面”“边—面”“边—边”等三种不同连接类型。片状黏粒在盐水中沉积时，由于结合水膜薄，颗粒在水中做杂乱无章的运动时，一旦接触，相邻片状颗粒间的静电引力就会导致絮凝的结果。在这种情况下，单个黏粒片会形成以“边—边”和“边—面”连接为主的絮凝型结构（也称片架结构），如图2-15（b）所示。这种结构是片状颗粒搭成的架室结构，孔隙比大，对扰动比较敏感，当结构遭到破坏时，具有大压缩性、低强度等特点。

3.分散型结构

在淡水中沉积时由于结合水膜较厚，相邻颗粒间的静电斥力而引起颗粒间的分散，在这种情况下黏粒片基本上为“面—面”连接，称为分散型结构（也称片堆结构），如图2-15（c）所示。这种结构定向程度较高，密度较大，具有明显的各向异性。研究表明，在外力作用下可以破坏絮凝结构的“面—边”和“边—边”的连接而压成比较密实的分散型结构。

实际上天然沉积黏土，颗粒排列都不是单一的，通常总是呈粒团状态存在，既有粒团内部颗粒的排列，又有粒团之间的排列。例如在海相沉积黏土中常可见到粒团间的絮凝型任意排列，而在淡水湖相沉积黏土中主要是粒团内分散定向排列。

正如本章固体颗粒特性所提及的，黏性土的结构常因外力或周围环境的改变而改变。如，黏性土当受到扰动作用时导致结构破坏、强度降低；当扰动停止后，又因静置而强度逐渐恢复，工程中称这种性质为土的触变性，触变的程度通常用灵敏度表示，其值为饱和黏性土原状土试样与重塑土试样无侧限抗压强度的比值。土的触变性在工程施工中经常遇到，必须慎重对待，更多内容详见第6章。

此外，黏性土的结构对压实土的影响极大，如土石坝的施工，具体内容见第7章。

2.5.2.2 黏性土的稠度状态

1.黏性土的界限含水率

黏性土含水率变化，导致土颗粒间的距离增大或减小，会使土的结构、几何排列和土颗粒连接强度发生变化，从而使黏性土具有不同的软硬或稀稠的稠度状态，如图2-16所示。当含水率很大时，土粒被自由水隔开，土就表现为软稠的液态；水分减少时，多数土粒间存在弱结合水，土粒在外力作用下相互错动而颗粒间的结构连接并不丧失，土处于可塑稠度状态；水分再减少，弱结合水膜变薄，黏滞性增大，土即向脆性的半固体状态转化；当水分继续减少，土中主要含强结合水时，结构连接较强，则土处于固态。

工程上研究黏性土的状态，必须确定黏性土由某一物理状态过渡到另一状态时的含水率，即界限含水率，以作为定量的区分标准。固态和半固态间的界限含水率称缩限含水率（简称缩限），用w_s表示；可塑态与半固态间的界限含水率称塑限含水率 （简称塑限），用w_p 表示；可塑态与液态间的界限含水率称液限含水率 （简称液限），用 w_L 表示。由于瑞典科学家阿太堡（A.Atterberg，1911）首先进行这方面的研究，因此，这些界限含水率又称阿太堡界限。以下简要介绍液限、塑限和缩限的测定方法。

（1）液限w_L。目前我国诸多部门多采用如图2-17所示的锥式液限仪测定黏性土的液限。其主要做法是在特定的盛土杯中装满调匀的土样，刮平土表面后，将质量为76g的平衡锥放于土表面中心，锥体在自重作用下沉入土中。变换土的含水率，当锥体恰好在10s左右沉入土内10mm时，这时土的含水率就是土的液限，也称10mm液限；当锥体在10s左右沉入土内17mm时，此时的含水率称17mm液限。

世界上很多国家用碟式液限仪测定土的液限，碟式液限仪如图2-18所示。SL 237—1999《土工试验规程》也介绍了这种方法。美国、日本等国应用更为普遍。它的具体做法是将调成浓糊状的土样装入碟中，刮平表面，用切槽器在土中成槽，槽底宽度为2mm，然后将碟子抬高10mm，以每秒2次的速率使碟下落，连续下落25次后，如土槽合拢长度为13mm，这时试样的含水率就是土的液限。

(2)塑限w_p。黏性土的塑限常用滚搓法来测定。其具体做法是将土样放于毛玻璃板上，用手掌搓成直径为3mm的细条，产生裂纹并断开时的含水率即为塑限。

SL 237—1999《土工试验规程》和GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》推荐采用光电式液限塑限联合测定仪(仪器见《土工试验规程》或本书后附录)测土的液限和塑限。液限塑限联合测定仪的理论基础是圆锥下沉深度与相应含水率在对数坐标纸上具有直线关系。

光电式液限塑限联合测定仪系通过光电控制落锥而得出圆锥下沉与含水率的关系，绘于双对数坐标图中，如图2-19所示。相对于圆锥下沉深度2mm时的含水率为塑限，下沉深度10mm（或17mm）时的含水率为液限。

需要说明，目前国际上用以测定液限的圆锥仪和碟式仪，各国采用的规格也不尽相同，对试验结果也有影响。将碟式仪和我国采用的76g锥入土深度10mm圆锥仪进行比较，结果是随着液限的增大，两者测得的差值增大。一般情况下，碟式仪测得的液限大于圆锥仪下沉深度10mm的液限，而与下沉深度17mm的液限相近。圆锥仪法和碟式仪法比较见表2-6。

（3）缩限w_s。黏性土的缩限是介于半固态和固态间的含水率，它反映土的胀缩性，可用蒸发皿法测得，详见SL 237—1999《土工试验规程》。

2.土的可塑状态

黏性土常处于可塑状态，黏土具有可塑性，这是区分黏性土与砂土的重要特征之一。所谓可塑性是指土体在一定条件（含水率相等）下受外力作用时，形状可以发生变化，但整体不受破坏（即不产生裂缝），外力移去后仍继续保持其变化后的形状的特性。

土的可塑性大小是以处在可塑状态的界限含水率变化范围来衡量的。这个范围就是液限和塑限的差值，称为塑性指数，以I_p表示

塑性指数习惯上不带%符号。图2-20资料表明：土的塑性指数与黏粒含量之间成近似的直线关系；且矿物成分对直线斜率有较大的影响，蒙脱石随着黏粒含量的增加（与伊利石、高岭石比较），塑性指数增大得最显著。这些都表明了反映黏性土可塑性的塑性指数，不但能体现与其结构或土粒表面与结合水的相互作用有关的一个稠度状态，而且还能综合反映土颗粒的大小、矿物成分和土中水的化学成分对土的可塑性的影响，见表2-7。故黏性土可按塑性指数进行分类。

根据土的可塑性，卡萨格兰德（A.Casagrande，1936）认为，土的塑性指数和液限是反映细粒土特性的重要指标。研究表明，由于成因和成分不同，即使塑性指数相近的细粒土，其工程性质也不一定相同，有时甚至相差较多。所以，因而可把液限与对应的塑性指数画在所谓的塑性图上（图2-21中w_L为碟式仪测试结果），以反映土的类别和性质。从图2-21中看出，从同一土层或矿物成分相似的土层中所取出试样的试验点（如实线所代表的黏土和冰碛黏土），都落在大致平行于A线［A线用方程式I_p=0.73（w_L-20）表示］的线上；含不同数量的高岭石、伊利石和蒙脱石的各种人工制备土样的点子，都落在两根虚线之间。虽然A线是由统计推求的，但在A线上下，土的性质有明显的不同，如无机黏土的可塑性界限通常落在A线以上，而无机粉土则落在A线以下。所以，图2-21所示的塑性图便成为不少国家用以对细粒土进行分类的基础。

2.5.2.3 黏性土的稠度指标

土的天然含水率在一定程度上也说明黏性土的软硬与干稀的稠度状况。但是，仅有含水率的绝对数值，还不能阐明土处于什么样的稠度状态。例如有几个含水率相同的土样，若它们的液限、塑限不同，则这些土样所处的稠度状态就可能不一样。因此，黏性土的稠度需要一个表征的指标，即液性指数I_L。用液性指数I_L表征土的稠度状态，定义为

由式（2-15）可知：

w≤w_p时，即I_L≤0，土是坚硬的；

w_p<w≤w_L时，即0<I_L≤1.0，土处于塑性状态；

w>w_L时，即I_L>1.0，土是流塑的。

工程上还可细分：

0＜I_L≤0.25时，土是硬塑的；

0.25<I_L≤0.75时，土是可塑的；

0.75<I_L≤1.0时，土是软塑的。

由于w_L、w_p是由扰动土样测定的指标，所以用I_L来判别黏性土软硬程度的缺点是没有考虑土原状结构的影响。在含水率相同时，原状土要比扰动土硬。因此，虽然用上述标准判别扰动土的软硬状态是合适的，但对原状土就偏于保守。

2.5.2.4 黏性土的收缩、膨胀和崩解

饱和黏性土中含水率发生变化时，土的状态不但随之而异，且其体积也会发生变化，如图2-22中曲线ABC所示。如果土中的含水率从A点开始由大变小，包围着土粒的弱结合水的厚度变薄，土粒互相移近，土的体积因而变小。这时土体积的减小量等于减小的水的体积，土仍然是饱和的。含水率减小到比缩限小的B点时，空气便会进入土中，土的总体积减小的程度变慢。所谓缩限，是指黏性土从半固态继续蒸发水分过渡到固态时，体积不再收缩的界限含水率（B点），它集中反映土的胀缩性。为简化和实用，常用图2-22中的AB′C来代替收缩曲线ABC，即以B′定义缩限^[3]。必须注意，在收缩过程中，可能因土体各部分收缩不一致，从而产生不均匀应力，导致土体产生裂缝；反之，当土的含水率由小变大时，水分子的楔入，使水膜变厚，挤开相邻土粒，土体因而发生体积膨胀，使土的强度降低。如果膨胀使得相邻土粒的间距超过其引力范围，粒间的结构连接便遭到破坏，土体就会崩解破碎。所以，收缩开裂、膨胀崩解对黏性土的力学性质常会产生明显的影响。