土的物理性质和工程分类

张雨铭（辽宁科技学院资源与土木工程学院，辽宁 本溪 117000）

1.引言

土是人们十分熟悉的东西，普天之下，莫非王土。土是人类最古老的朋友，万物生发于土，归藏于土，人们在广袤深厚的大地上耕耘营造，生息繁衍，基于土的性质复杂性，作为天然材料的不确定性和对环境的高度敏感性，在研究土的工程性质时，我们只能根据不同的问题和要求对土做不同的理想化和假设，不能期望能够像其他力学一样，可以通过严密的理论和精确的计算来解决土工问题。土是自然的产物，我们也应在自然中熟悉土、掌握土和应用土。

2.土的形成

2.1 土的搬运和沉积

第四纪土壤因其不同的运输方式和积累方式，可分为残积土和运积土。残积土是指风化后母岩表层的碎屑或细粒矿物颗粒。运积土是指风化所形成的土颗粒，在大自然的力量下，把沉积在不同地方的沉积物运走，因为土颗粒在搬运过程中彼此之间相互摩擦，使土颗粒变得更加圆滑。

2.2 风化作用

岩石和土中的粗颗粒在自然界会不断风化。物理风化，化学风化和生物风化这三种风化过程通常是同时进行的，并且这些过程之间是还会相互促进，使风化过程更加迅速。

土壤中的粗颗粒被机械破坏或因为各种气候因素而放生变化称为物理风化。因为地表环境因素和土壤中岩屑颗粒的作用而使岩土发生变化从而产生新矿物的过程称为化学风化。因为各种生物产生影响从而使岩土的破坏过程加速称为生物风化。

3.土的三相组成

固体颗粒、水和气体三部分组成了土壤。矿物是固体部分最大组成部分，固体部分中有一少部分为有机物。固体部分构成土的骨架，土壤骨架中有许多孔隙，当水将这些空隙全部填满，该类土叫做饱和土。如果水将土中孔隙的一部分占据，孔隙的剩余部分被气体填满，那就叫做不饱和土壤。如果土的孔隙中不含有水而是完全被气体占据，该类土叫做干土。固体颗粒、土中水、土中气体的含量是土的工程性质的决定依据。

3.1 固体颗粒

固体颗粒之间相互嵌挤形成土壤骨架，土壤骨架决定了土壤的物理力学性质。分析土壤中固体颗粒的大小和颗粒在土壤中的比例是必要的，这就是土壤的颗粒级配。

3.2 土中水

组成土的第二种主要成分是土中水。土中存在着一部分结晶水，这种水存在于固体颗粒内部的矿物中。除结晶水外，将其余土中水分为结合水和自由水两类。

3.3 土中气体

土壤中的气体可大致分为为以下几种形式：吸附在土壤颗粒表面的气体，溶解在水中的气体，由颗粒和水包围的封闭气体，以及自由的气体。其中，与大气连通的自由气体，并不会对土壤的性质造成显著影响。封闭气体的体积与压力成反比。封闭气体会堵塞渗流通道，对土壤的渗透性造成极大影响。

4.土的物理状态

4.1 土的三相组成的比例关系

4.2 土的物理状态指标

所谓土的物理状态，是指土的松密和软硬状态。粗粒土是指松散的土壤密度，对于细颗粒土来说，指的是软土或硬土的程度，或是粘性土的稠度。

5.土的结构

土壤结构是指土壤颗粒或团聚体(几个或多个团聚体)的空间排列及其相互联系。联结也就是粒间的结合力。土壤的自然结构是在漫长的历史发展中形成的。土由于其不同组成、不同沉积环境和不同沉积时代，从而形成了各种复杂的结构。

5.1 粗粒土的结构

由于粗粒土的比表面积小，重力决定了颗粒间作用力的大小。粗颗粒会在重力作用产生下沉，当粗颗粒触碰到稳定的粒子并使其能够处于平衡状态时，就会形成一个单一的颗粒结构。

5.2 细粒土的结构

对于比表面积很大，重量很轻的黏土颗粒等，土中的细颗粒，重力不会对土颗粒间的作用与产生较大影响。另一种粒间作用力对构造的形成起主导作用。这些粒间力既有引力也有斥力。它们包括：范德华力、库仑力、胶结作用、毛细力。

6.土的工程分类

6.1 水利部《土工试验规程》分类法

这种分类法是先根据土中的有机质含量将其分为有机土和无机土，对于无机土又分为巨粒土、粗粒土和细粒土，其中，粒径大于60mm的颗粒质量大于颗粒总质量50%的土称为巨粒土；小于0.075mm的颗粒质量大于或等于颗粒总质量50%的土称为细粒土；颗粒在巨粒土与细粒土之间的土称为粗粒土。

6.2 《建筑地基基础设计规范》分类法

这种分类体系将土分为碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土5大类，人工填土是由于人为的因素形成，只是成因上与其他土不同，因此，天然土实际上被分为碎石土、砂土、粉土和黏性土四大类。

7.土的压实性

填土广泛应用于许多工程项目，如地基、路堤、堤防和土坝等。特别是，高土石坝经常被填满数百万平方米，甚至超过一千万平方米。因此土的压实性对土方工程意义重大。

7.1 细粒土的压实性

将土壤样品分为6 ～ 7个部分。各土壤含水量不同，制成含水量不同的各土组壤样品。将每组土样用击实仪通过完全一样方法击实。压实完成后检测得出土的含水量和干密度。

7.2 粗粒土的压实性

通常以相对密度对粗粒土的压实标准加以控制。近年来，因为地震灾害的发生，经过分析认为应加大高烈度区的粗粒土的压实相对密度。试验结果分析表明，在静力或者动力作用下，饱和粗粒土的相对密度大于0.75时，土体强度会显著增大，变形会显著减小。由此分析0.7 ～ 0.75为粗粒土力学性能的转折。