第一章 土的物理性质及工程分类
第一节 土的组成与土的结构构造
一、土的形成
土的物理力学性质与它的形成方式及形成后的历史有关，对土的成因的了解有助于预测它的大致成分、结构和性质。
（一）风化作用
自然界中的土是由岩石经过漫长的地质年代，在各种复杂的自然因素和地质作用下经过长期风化、剥蚀、搬运、沉积作用而形成的松散的沉积物。
1.物理风化
地壳表层的岩石长期暴露在大气中，经受自然界的温度变化、冻融循环、波浪冲击、地震等引起的物理作用使岩石逐渐崩解，碎裂成大小、形状不同的碎块，这个过程称为物理风化。
2.化学风化
岩体或岩石物理风化后的产物与空气、各种水溶液相互接触，发生化学反应，使岩石进一步碎裂，并使母岩成分发生变化，产生了黏土矿物、铝铁氧化物和氢氧化物等次生矿物。
3.生物风化
动植物和人类活动对岩石的破坏，称为生物风化，如植物根系的生长对岩石的破坏，人类开采矿山、修铁路、修隧道、劈山修公路等活动。
（二）土的沉积类型
土在形成过程中，由于风化、搬运、沉积的条件不同，具有各种各样的成因，不同成因类型的土具有各自的分布规律和基本特征。
1.残积土
残积土指岩石风化后产生的碎屑未被搬运，残留于原地的堆积物。这种土常出现在宽广的分水岭地带，在平缓的山坡和低洼的谷地也有一定的分布。
2.坡积土
坡积土指高处岩石风化后的产物在重力、水流的作用下，沿斜坡向下移动，沉积在较平缓的斜坡上或坡脚处而形成的堆积物。坡积土自坡面至坡脚，颗粒由粗到细，表现出轻微的分选性，其矿物成分与下伏岩石无关。
3.洪积土
洪积土指山洪暴雨和大量融雪形成的暂时性洪水，把大量残积土、坡积土剥蚀、搬运到山谷冲沟出口或山前倾斜平原沿途堆积下来的土。
4.冲积土
冲积土指江河流水的地质作用剥蚀两岸的基岩和沉积物，经搬运和沉积在河流坡降的平缓地带形成的堆（沉）积物。冲积土中，河道淤塞沉积物表面变干后易形成硬壳层，上部可能被河漫滩沉积物覆盖，下部的黏土依然很软，作建筑物地基时在现场勘测中需要注意。
5.湖积土
湖积土指在湖泊、沼泽等极为缓慢的水流或静水条件下沉积的土，内部常含有机物，成为具有特殊性质的土。湖泊若逐渐淤塞，则可演变成沼泽，形成沼泽土。基本特征是：含水率极高（可达百分之百），透水性很低，压缩性很高，承载力很低，不适宜于作为永久性建筑的地基。沼泽土中充分腐化的土称为腐殖土，未完全腐化还保留有植物残余物的土称为泥炭土。
6.海积土
海积土指由水流挟带到海洋环境中沉积起来的土，颗粒较细，表层土质松软，工程性质较差。
7.风积土
由风力搬运形成的堆积物称为风积土。风积土常见的有黄土和砂丘。我国西北地区广泛分布的黄土就是一种典型的风积土。黄土干燥时由于土粒粒间有胶结作用，其胶结强度较大，有较大的承载力和较小的变形，但遇水后其结构迅速破坏，强度大大削弱，发生显著的附加沉降，称为湿陷。
8.冰积土
冰川活动有极大的搬运能力，在冰川融化过程中发生沉积作用形成冰积土。
二、土的特点
土的形成过程的多样性和复杂性决定了土和其他建筑材料相比具有特殊的物理力学性质，具有它自身的特点。
（一）碎散性
岩石经风化作用变成了碎散的颗粒，颗粒之间连接较弱，存在大量孔隙，可以透水和透气。受到外力作用孔隙的大小还会变化，透水、透气的性能也随之改变，说明土的性质不是一成不变的。
（二）多相性
自然界的土往往是由固体颗粒以及颗粒之间孔隙中的水和气组成的，称为三相体系。三相组成各部分的性质以及它们之间的比例关系和相互作用决定了土的物理力学性质。同一地点的土体，它的三相组成的比例不是固定不变的，天气的晴雨、季节变化、温度高低、地下水的升降、建筑物荷重作用等，都会使土的三相之间的比例发生变化。
（三）自然变异性
由于土的成因不同，自然界中的土呈现多样性。即使在同一场地，不同深度处土的种类和性质也可能不相同。在同一土层中，沿水平方向土的性质也会发生改变，甚至在同一位置的土，性质也随方向而异。如沉积土一般竖直方向的透水性小，水平方向的透水性大。
三、土的三相组成
土与连续的固体物质不同，它是一种松散颗粒堆积物，是固体颗粒、水、气的混合物，常称为三相体系。其中固体颗粒称为固相，土颗粒之间互相连接、架叠构成土的骨架，称土骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙，孔隙中的水称为液相，孔隙中的气体称为气相。当孔隙完全被水充满时称饱和土，饱和土只有固相和液相两相，如地下水位以下的土。当孔隙中一部分是水，一部分是气体时，称非饱和土（湿土），如地下水位以上地面以下一定深度内的土。当孔隙中没有水，完全充满气体时，称为干土，如土工试验中经烘箱烘干的土。各相的性质及相对含量的大小直接影响土体的性质，因此要了解土的工程性质，首先必须研究土的三相组成。
（一）土的固相
1.土的矿物成分
土的矿物成分主要取决于母岩的成分及其所经受的风化作用。矿物成分不同，其土的性质也不同，尤其对细粒土性质的影响最为显著。
（1）原生矿物。原生矿物是岩石经物理风化后破碎而成的颗粒，其母岩矿物成分不变，如石英、长石、云母等。石英和长石呈粒状，强度很高，是砾石、砂等无黏性土的主要矿物成分。云母呈薄片状，强度较低，压缩性大，通常细砂及粉砂含有较多云母。
（2）次生矿物。次生矿物是岩石经化学风化后形成的颗粒，其矿物成分经化学作用形成了新的矿物，如蒙脱土、伊利土、高岭土等。黏土矿物是组成黏性土的重要成分，颗粒很细，呈片状或针状，具有胶体特性，亲水性强。土中含黏土矿物愈多，则土的黏性、塑性和胀缩性也愈大。不同类型的黏土矿物其亲水性和胶体特性的强弱也有差异，其强弱的顺序为：蒙脱土>伊利土>高岭土。
（3）有机质。风化作用的进一步发展往往有生物作用参与，使土中增加了有机成分。有机成分是动、植物的残骸腐烂分解所造成的，根据腐烂分解程度分为泥炭和腐殖质。有机质具有较强的亲水性，压缩性大，强度低，是土中的有害物质成分。土中的有机质含量过多，将对土产生不良影响。因此选择筑坝土料时，对有机含量有一定限制，一般认为不宜超过5%，对防渗料应小于2%。
2.粒组的划分
自然界中的土是由无数大小不同、形状各异且变化悬殊的土颗粒组成的。土颗粒的大小常以粒径表示，粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化。粒径大小在一定范围内的土，其矿物成分和性质都比较接近。工程上通常将工程性质相近的一定粒径范围内的土粒划分为一组，称为粒组。
目前，对粒组的划分，各个国家，甚至同一国家的不同行业部门都有不同的规定，国内外尚无统一的粒组划分方法。表1-1所列为国内常用的土粒粒组划分标准及各粒组的主要特征。
表1-1 土粒粒组划分
3.颗粒分析试验
颗粒分析试验方法分为筛析法和比重计法。筛析法适用于粒径0.075～60mm的土，试验时取一定质量风干、分散的代表性土样通过一套自上而下孔径由大到小的标准筛，经振筛机充分振动，将粒径不同的土粒分开，求出留在每个筛上土重的相对含量，即可求得各个粒组的相对含量。密度计法适用于粒径小于0.075mm的土，试验时将土放在水中分散制成均匀悬浮液，根据大小不同的土粒在静水中下沉速度不同的原理，把不同粒径的土粒区分开来，并算出各粒组的百分数。详见附录。
4.颗粒分析结果评价
土的性质主要取决于土中不同粒组的相对含量。颗粒级配指以土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示土粒的组成情况。根据颗粒分析试验结果可以绘制半对数表达的颗粒级配曲线，其横坐标表示粒径，由于土粒粒径相差悬殊，宜采用对数坐标表示；纵坐标表示小于或大于某粒径的土重的累计百分含量（图1-1）。
由颗粒级配曲线的坡度可以大致判断土的均匀程度或级配是否良好。如果曲线较陡，表示粒径大小相差不多，土粒较均匀，级配不良；反之曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，即级配良好。为了定量描述土粒的级配情况，工程中常用不均匀系数Cu和曲率系数Cc反映土颗粒的不均匀程度。
（1）不均匀系数Cu。限定粒径d60和有效粒径d10的比值称为不均匀系数，即
式中 d60、d10——小于某粒径的土粒质量占总质量60%、10%时相应的粒径，d10称为有效粒径，d60称为限定粒径。
图1-1 颗粒级配曲线
不均匀系数的大小可用来衡量土粒的均匀程度。一般土的不均匀系数越大，表示级配曲线越平缓，土颗粒大小分布范围就越宽广。而不均匀系数越小，表示级配曲线越陡，土颗粒分布范围越狭窄。工程上常把Cu＜5的土看作是均粒土，属级配不良；Cu＞10的土，为不均匀土，属级配良好。
（2）曲率系数Cc。土的颗粒级配累积曲线的斜率是否连续可用曲率系数Cc表示，表达式为
式中 d30——小于某粒径的土粒质量占总质量30%时相应的粒径，d10、d30、d60可从颗粒级配曲线上得到。
《土的分类标准》（GBJ 145—1990）规定：对于纯净的砾类土、砂类土，当Cu≥5且Cc=1～3时，为良好级配砾或良好级配砂；不能同时满足上述条件时，可以判断为级配不良。颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质。级配良好的土，粗颗粒间的孔隙易被较细的颗粒所填充，土的密实度较好，透水性、压缩性较小，作为地基土，强度和稳定性也较好，可用作堤坝或其他土建工程的填方土料，比较容易获得较大的密实度。
（二）土的液相
1.结合水
受电分子引力的作用吸附在土粒表面的一层水，称为结合水。结合水因离土粒表面远近不同，又可分为强结合水和弱结合水。
（1）强结合水。紧靠土粒表面的结合水称为强结合水。水的性质接近固体，不传递静水压力，对土的工程性质影响甚小。
（2）弱结合水。指存在于强结合水外围的结合水。它不能传递静水压力，呈黏滞状态，可发生变形，可在颗粒间转移。弱结合水对黏性土的性质影响很大，也是黏性土在某一含水率范围内表现出可塑性的根本原因。
2.自由水
位于结合水以外的水称为自由水，离土粒较远，按其移动所受的作用力不同，又可分为重力水和毛细水。
（1）重力水。受重力作用在土中流动的水称为重力水。处于地下水位以下，对土粒和结构物水下部分有浮力作用，并使土的重度减小。
（2）毛细水。毛细水是受水与空气界面的表面张力作用而存在于细孔隙中的自由水，位于地下水位以上，受毛细作用而上升。毛细水主要存在于中、细砂和粉质黏土中。粗砂及砾石类土，因孔隙大，难以形成毛细水。土中的毛细水上升可导致建筑物地基潮湿，降低其强度，增大其变形。
（三）土中的气体
存在于土孔隙中的气体可分为自由气体和封闭气体两大类。
1.自由气体
自由气体指土孔隙中的气体与大气连通，存在于无黏性土中。当土受外力作用时，气体很快就会排出，对土的工程性质影响不大。
2.封闭气体
封闭气体与大气隔绝，存在黏性土中。当土受外力作用时，气泡压缩；而当外力减少或卸除后，气泡膨胀，致使土层不易压实，增大土的弹性。封闭气泡还会堵塞土中渗流通道，从而减小土的渗透性。
四、土的结构与构造
（一）土的结构
土的结构指土粒单元的大小、形状、排列及联结方式等因素形成的综合特征，它对土的物理力学性质有重要影响。
1.单粒结构
单粒结构主要存在于砾、砂组成的粗粒土中。重力作用下由粗大土粒在水或空气中下沉到稳定的位置而形成。因颗粒较大，颗粒自重大于土粒间的分子吸引力，颗粒间以单个颗粒相互联结。疏松的单粒结构稳定性差，密实的单粒结构则较稳定，是良好的天然地基（图1-2）。
图1-2 单粒结构
图1-3 土的蜂窝结构
2.蜂窝结构
蜂窝结构多出现在由粉粒为主的细粒土中，由细颗粒（主要是粉粒或细砂）在重力作用下在水中下形成。粒径在0.075～0.005mm的土粒在水中沉积时，基本上是以单个土粒下沉。由于细颗粒之间的相互吸引力大于重力，下沉中的颗粒遇到其他已沉颗粒时将停留在最初的接触面上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窝结构（图1-3）。
3.絮状结构
絮状结构主要由细小的黏粒（粒径不大于0.005mm）集合体组成，多见于以黏粒为主的黏性土中。能够长期悬浮在水中，黏粒不因自重而下沉，当这些黏粒被带到电解质浓度较大的环境中（如海水），黏粒凝聚成絮状的集合体而下沉，并沉积成类似蜂窝具有很大孔隙的絮状结构（图1-4）。
图1-4 土的絮状结构
上述结构中，密实的单粒结构强度大，压缩性小，工程性质最好，蜂窝结构其次，絮状结构最差。尤其是絮状结构，若天然结构被扰动破坏，则强度低，压缩性高，不可作为天然地基。
（二）土的构造
土的构造指在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系，土的构造主要有层理构造、分散构造和裂隙构造。
1.层理构造
土的构造最主要的特征就是成层性，即层理构造。它是在土的形成过程中，由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同，而沿竖向呈现的成层特征。
2.分散构造
常见于无胶结的砂、砾石、卵石等厚层土中，土层中各部分的土粒组合无明显差别，分布均匀，各部分的性质也相近。
3.裂隙构造
土体中有很多不连续的小裂隙，称为土的裂隙构造，如某些硬塑或坚硬状态的黏土为此种构造，黄土具有特殊的柱状裂隙等。
另外，工程中还应注意土中有无包裹物，如腐殖物、贝壳、结核体等，以及有无天然或人工孔洞，如动植物洞穴、古墓和废井等，这些都会造成土的不均匀性，对工程可能造成一定的危害。