土的物理性質和工程分類

張雨銘（遼寧科技學院資源與土木工程學院，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，萬物生發于土，歸藏于土，人們在廣袤深厚的大地上耕耘營造，生息繁衍，基于土的性質復雜性，作為天然材料的不確定性和對環境的高度敏感性，在研究土的工程性質時，我們只能根據不同的問題和要求對土做不同的理想化和假設，不能期望能夠像其他力學一樣，可以通過嚴密的理論和精確的計算來解決土工問題。土是自然的產物，我們也應在自然中熟悉土、掌握土和應用土。

2.土的形成

2.1 土的搬運和沉積

第四紀土壤因其不同的運輸方式和積累方式，可分為殘積土和運積土。殘積土是指風化后母巖表層的碎屑或細粒礦物顆粒。運積土是指風化所形成的土顆粒，在大自然的力量下，把沉積在不同地方的沉積物運走，因為土顆粒在搬運過程中彼此之間相互摩擦，使土顆粒變得更加圓滑。

2.2 風化作用

巖石和土中的粗顆粒在自然界會不斷風化。物理風化，化學風化和生物風化這三種風化過程通常是同時進行的，并且這些過程之間是還會相互促進，使風化過程更加迅速。

土壤中的粗顆粒被機械破壞或因為各種氣候因素而放生變化稱為物理風化。因為地表環境因素和土壤中巖屑顆粒的作用而使巖土發生變化從而產生新礦物的過程稱為化學風化。因為各種生物產生影響從而使巖土的破壞過程加速稱為生物風化。

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物。固體部分構成土的骨架，土壤骨架中有許多孔隙，當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，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，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的決定依據。

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性質。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晶水，這種水存在于固體顆粒內部的礦物中。除結晶水外，將其余土中水分為結合水和自由水兩類。

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，并不會對土壤的性質造成顯著影響。封閉氣體的體積與壓力成反比。封閉氣體會堵塞滲流通道，對土壤的滲透性造成極大影響。

4.土的物理狀態

4.1 土的三相組成的比例關系

4.2 土的物理狀態指標

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

5.土的結構

土壤結構是指土壤顆粒或團聚體(幾個或多個團聚體)的空間排列及其相互聯系。聯結也就是粒間的結合力。土壤的自然結構是在漫長的歷史發展中形成的。土由于其不同組成、不同沉積環境和不同沉積時代，從而形成了各種復雜的結構。

5.1 粗粒土的結構

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。粗顆粒會在重力作用產生下沉，當粗顆粒觸碰到穩定的粒子并使其能夠處于平衡狀態時，就會形成一個單一的顆粒結構。

5.2 細粒土的結構

對于比表面積很大，重量很輕的黏土顆粒等，土中的細顆粒，重力不會對土顆粒間的作用與產生較大影響。另一種粒間作用力對構造的形成起主導作用。這些粒間力既有引力也有斥力。它們包括：范德華力、庫侖力、膠結作用、毛細力。

6.土的工程分類

6.1 水利部《土工試驗規程》分類法

這種分類法是先根據土中的有機質含量將其分為有機土和無機土，對于無機土又分為巨粒土、粗粒土和細粒土，其中，粒徑大于60mm的顆粒質量大于顆粒總質量50%的土稱為巨粒土；小于0.075mm的顆粒質量大于或等于顆粒總質量50%的土稱為細粒土；顆粒在巨粒土與細粒土之間的土稱為粗粒土。

6.2 《建筑地基基礎設計規范》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，天然土實際上被分為碎石土、砂土、粉土和黏性土四大類。

7.土的壓實性

填土廣泛應用于許多工程項目，如地基、路堤、堤防和土壩等。特別是，高土石壩經常被填滿數百萬平方米，甚至超過一千萬平方米。因此土的壓實性對土方工程意義重大。

7.1 細粒土的壓實性

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

7.2 粗粒土的壓實性

通常以相對密度對粗粒土的壓實標準加以控制。近年來，因為地震災害的發生，經過分析認為應加大高烈度區的粗粒土的壓實相對密度。試驗結果分析表明，在靜力或者動力作用下，飽和粗粒土的相對密度大于0.75時，土體強度會顯著增大，變形會顯著減小。由此分析0.7 ～ 0.75為粗粒土力學性能的轉折。