土的物理性質(zhì)和工程分類

張雨銘（遼寧科技學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，遼寧 本溪 117000）

1.引言

土是人們十分熟悉的東西，普天之下，莫非王土。土是人類最古老的朋友，萬物生發(fā)于土，歸藏于土，人們?cè)趶V袤深厚的大地上耕耘營造，生息繁衍，基于土的性質(zhì)復(fù)雜性，作為天然材料的不確定性和對(duì)環(huán)境的高度敏感性，在研究土的工程性質(zhì)時(shí)，我們只能根據(jù)不同的問題和要求對(duì)土做不同的理想化和假設(shè)，不能期望能夠像其他力學(xué)一樣，可以通過嚴(yán)密的理論和精確的計(jì)算來解決土工問題。土是自然的產(chǎn)物，我們也應(yīng)在自然中熟悉土、掌握土和應(yīng)用土。

2.土的形成

2.1 土的搬運(yùn)和沉積

第四紀(jì)土壤因其不同的運(yùn)輸方式和積累方式，可分為殘積土和運(yùn)積土。殘積土是指風(fēng)化后母巖表層的碎屑或細(xì)粒礦物顆粒。運(yùn)積土是指風(fēng)化所形成的土顆粒，在大自然的力量下，把沉積在不同地方的沉積物運(yùn)走，因?yàn)橥令w粒在搬運(yùn)過程中彼此之間相互摩擦，使土顆粒變得更加圓滑。

2.2 風(fēng)化作用

巖石和土中的粗顆粒在自然界會(huì)不斷風(fēng)化。物理風(fēng)化，化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化這三種風(fēng)化過程通常是同時(shí)進(jìn)行的，并且這些過程之間是還會(huì)相互促進(jìn)，使風(fēng)化過程更加迅速。

土壤中的粗顆粒被機(jī)械破壞或因?yàn)楦鞣N氣候因素而放生變化稱為物理風(fēng)化。因?yàn)榈乇憝h(huán)境因素和土壤中巖屑顆粒的作用而使巖土發(fā)生變化從而產(chǎn)生新礦物的過程稱為化學(xué)風(fēng)化。因?yàn)楦鞣N生物產(chǎn)生影響從而使巖土的破壞過程加速稱為生物風(fēng)化。

3.土的三相組成

固體顆粒、水和氣體三部分組成了土壤。礦物是固體部分最大組成部分，固體部分中有一少部分為有機(jī)物。固體部分構(gòu)成土的骨架，土壤骨架中有許多孔隙，當(dāng)水將這些空隙全部填滿，該類土叫做飽和土。如果水將土中孔隙的一部分占據(jù)，孔隙的剩余部分被氣體填滿，那就叫做不飽和土壤。如果土的孔隙中不含有水而是完全被氣體占據(jù)，該類土叫做干土。固體顆粒、土中水、土中氣體的含量是土的工程性質(zhì)的決定依據(jù)。

3.1 固體顆粒

固體顆粒之間相互嵌擠形成土壤骨架，土壤骨架決定了土壤的物理力學(xué)性質(zhì)。分析土壤中固體顆粒的大小和顆粒在土壤中的比例是必要的，這就是土壤的顆粒級(jí)配。

3.2 土中水

組成土的第二種主要成分是土中水。土中存在著一部分結(jié)晶水，這種水存在于固體顆粒內(nèi)部的礦物中。除結(jié)晶水外，將其余土中水分為結(jié)合水和自由水兩類。

3.3 土中氣體

土壤中的氣體可大致分為為以下幾種形式：吸附在土壤顆粒表面的氣體，溶解在水中的氣體，由顆粒和水包圍的封閉氣體，以及自由的氣體。其中，與大氣連通的自由氣體，并不會(huì)對(duì)土壤的性質(zhì)造成顯著影響。封閉氣體的體積與壓力成反比。封閉氣體會(huì)堵塞滲流通道，對(duì)土壤的滲透性造成極大影響。

4.土的物理狀態(tài)

4.1 土的三相組成的比例關(guān)系

4.2 土的物理狀態(tài)指標(biāo)

所謂土的物理狀態(tài)，是指土的松密和軟硬狀態(tài)。粗粒土是指松散的土壤密度，對(duì)于細(xì)顆粒土來說，指的是軟土或硬土的程度，或是粘性土的稠度。

5.土的結(jié)構(gòu)

土壤結(jié)構(gòu)是指土壤顆?；驁F(tuán)聚體(幾個(gè)或多個(gè)團(tuán)聚體)的空間排列及其相互聯(lián)系。聯(lián)結(jié)也就是粒間的結(jié)合力。土壤的自然結(jié)構(gòu)是在漫長的歷史發(fā)展中形成的。土由于其不同組成、不同沉積環(huán)境和不同沉積時(shí)代，從而形成了各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

5.1 粗粒土的結(jié)構(gòu)

由于粗粒土的比表面積小，重力決定了顆粒間作用力的大小。粗顆粒會(huì)在重力作用產(chǎn)生下沉，當(dāng)粗顆粒觸碰到穩(wěn)定的粒子并使其能夠處于平衡狀態(tài)時(shí)，就會(huì)形成一個(gè)單一的顆粒結(jié)構(gòu)。

5.2 細(xì)粒土的結(jié)構(gòu)

對(duì)于比表面積很大，重量很輕的黏土顆粒等，土中的細(xì)顆粒，重力不會(huì)對(duì)土顆粒間的作用與產(chǎn)生較大影響。另一種粒間作用力對(duì)構(gòu)造的形成起主導(dǎo)作用。這些粒間力既有引力也有斥力。它們包括：范德華力、庫侖力、膠結(jié)作用、毛細(xì)力。

6.土的工程分類

6.1 水利部《土工試驗(yàn)規(guī)程》分類法

這種分類法是先根據(jù)土中的有機(jī)質(zhì)含量將其分為有機(jī)土和無機(jī)土，對(duì)于無機(jī)土又分為巨粒土、粗粒土和細(xì)粒土，其中，粒徑大于60mm的顆粒質(zhì)量大于顆?？傎|(zhì)量50%的土稱為巨粒土；小于0.075mm的顆粒質(zhì)量大于或等于顆?？傎|(zhì)量50%的土稱為細(xì)粒土；顆粒在巨粒土與細(xì)粒土之間的土稱為粗粒土。

6.2 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》分類法

這種分類體系將土分為碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土5大類，人工填土是由于人為的因素形成，只是成因上與其他土不同，因此，天然土實(shí)際上被分為碎石土、砂土、粉土和黏性土四大類。

7.土的壓實(shí)性

填土廣泛應(yīng)用于許多工程項(xiàng)目，如地基、路堤、堤防和土壩等。特別是，高土石壩經(jīng)常被填滿數(shù)百萬平方米，甚至超過一千萬平方米。因此土的壓實(shí)性對(duì)土方工程意義重大。

7.1 細(xì)粒土的壓實(shí)性

將土壤樣品分為6 ～ 7個(gè)部分。各土壤含水量不同，制成含水量不同的各土組壤樣品。將每組土樣用擊實(shí)儀通過完全一樣方法擊實(shí)。壓實(shí)完成后檢測得出土的含水量和干密度。

7.2 粗粒土的壓實(shí)性

通常以相對(duì)密度對(duì)粗粒土的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)加以控制。近年來，因?yàn)榈卣馂?zāi)害的發(fā)生，經(jīng)過分析認(rèn)為應(yīng)加大高烈度區(qū)的粗粒土的壓實(shí)相對(duì)密度。試驗(yàn)結(jié)果分析表明，在靜力或者動(dòng)力作用下，飽和粗粒土的相對(duì)密度大于0.75時(shí)，土體強(qiáng)度會(huì)顯著增大，變形會(huì)顯著減小。由此分析0.7 ～ 0.75為粗粒土力學(xué)性能的轉(zhuǎn)折。