地基与基础物理状态指标精讲

时间：2023-08-19 理论教育版权反馈

【摘要】：黏性土的物理状态随其含水率的变化而有所不同。黏性土由半固态转到可塑状态的界限含水量称为塑限wp。例如两土样的含水率均为32%，对液限为30%的土样是处于流动状态，而对于液限为35%的土样来说则是处于可塑状态。工程中，用液性指数IL作为判定土的软硬程度的指标。因此，可以利用液性指数IL表示黏性土所处的天然状态。

地基与基础物理状态指标精讲

1.黏性土的物理状态指标——塑性指数和液性指数

反映黏性土的物理状态指标是稠度。所谓稠度，是指黏性土在某一含水率时的稀稠程度或软硬程度，用坚硬、可塑和流动等状态来描述。稠度还反映了黏性土的颗粒在不同含水量时土粒间的连接强度，稠度不同，土的强度及变形特性也不同。所以，稠度也可以指土对外力引起变形或破坏的抵抗能力。黏性土处在某种稠度时所呈现出的状态，称为稠度状态。

（1）界限含水率

黏性土所表现出的稠度状态，是随含水率的变化而变化的。黏性土的物理状态随其含水率的变化而有所不同。黏性土的土粒很细，所含黏土矿物成分较多，故水对其性质影响较大，土粒表面与水相互作用的能力较强，土粒间存在黏聚力。

黏性土随着含水量的变化，可具有不同的状态（图2.2.1）。

图2.2.1 黏性土状态与含水量关系图

当含水量较大时，土粒间距较远、中间为自由水隔开时，土粒与水混合成泥浆状态，这时土就处于流塑状态。

随着水分蒸发，其体积随之缩小。当含水率减少到一定程度时，泥浆变稠，逐渐变成可搓捏的塑性状态（土膏）。黏性土在某含水率范围内土粒在外力作用下相互滑动而不产生颗粒间联系的破坏，这时，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并当外力移去后仍能保持既得的形状，土的这种性能称为可塑性。

若水分再蒸发，含水率继续减小，其体积仍在缩小，土就会由可塑状态转变为不可塑的半固态状态。

水分继续蒸发，直到体积不再减小而质量减少的固体状态。土中含水率较低，强度较大。

黏性土所处的状态不同，其承载力也不同。如图2.2.2所示，随着含水率减小，土体的承载力呈增大趋势。

我们把黏性土从一种状态过渡到另一种状态之间的分界含水率（图2.2.3）成为界限含水量。它对黏性土的分类和工程性质的评价有重要意义。

图2.2.2 黏性土承载力与含水率关系示意图

图2.2.3 黏性土的物理状态与界限含水率关系

1）液限w_L（%）。黏性土由可塑状态转到流动状态的界限含水量称为液限w_L。液限是黏性土在极小扰力作用下将发生流动时的最小含水率。

2）塑限w_p（%）。黏性土由半固态转到可塑状态的界限含水量称为塑限w_p。塑限是产生塑性变形的最小含水率。

3）缩限w_s（%）。黏性土呈半固态不断蒸发水分，则体积不断缩小，直到体积不再缩小时土的界限含水率称为缩限w_s。

（2）塑性指数I_p

细粒土的液限与塑限的差值定义为塑性指数I_p，常用百分数的绝对值表示（不带%），其表达式为：

I_p=w_L-w_p （2.2.1）

塑性指数反映细粒土体处于可塑状态下，含水率变化的最大区间。液限与塑限之差越大，说明土体处于可塑状态的含水率变化范围越大。

塑性指数的大小与土中结合水的含水率有直接关系。土中含的结合水愈多，土与水之间的作用越强烈。一种土的I_p越大，表明该土所能吸附的弱结合水多，即该土黏粒含量高或矿物成分吸水能力强。从土的颗粒讲，土粒越细、黏粒含量越高，其比表面积越大，则结合水越多，塑性指数也越大。如图2.2.4所示，黏粒含量越大，塑性指数越高，近似成直线关系。

塑性指数是一个能反映黏性土性质的综合性指数，工程上普遍采用塑性指数对黏性土进行分类和评价，用塑性指数I_p作为区分黏土与粉土的标准。

《建筑地基基础设计规范》规定：

图2.2.4 塑性指数与土中黏粒含率之间的关系

4.1.9 黏性土为塑性指数I_p大于10的土，可按表4.1.9分为黏土、粉质黏土。

表4.1.9 黏性土的分类

注：塑性指数由相应于76g 圆锥体沉入土样中深度为10mm时测定的液限计算而得。

4.1.11 粉土为介于砂土与黏性土之间，塑性指数I_p≤10且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%的土。

【2.2.1】（2008年二级考题，原题是连锁题的子题，情境描述有所简化）某新建房屋采用框架结构，根据地勘资料，其基底自然土层的有关物理指标为：含水率w=22%，液限w_L=30%，塑限w_p=17%。

试问：该基底自然土层土的分类应为下列何项所示？

（A）粉土（B）粉砂（C）黏土（D）粉质黏土

【答案】（D）

【详解】塑性指数为区分黏土和粉土的标准，所求土的塑性指数为I_p=w_L-w_p=30%-17%=13%，常用百分数的绝对值表示（不带%），即I_p=13。根据《建筑地基基础设计规范》4.1.9条的规定，当10<I_p≤17时，为粉质黏土，故（D）正确。

【简解】I_p=w_L-w_p=30-17=13

根据《地规》4.1.9条，为粉质黏土。

（3）液性指数I_L

土的含水率在一定程度上可以说明土的软硬程度。对同一种黏性土来说，含水率越大，土体越软。但是，对两种不同的黏性土来说，即使含水率相同，若它们的塑性指数各不相同，那么这两种土所处的状态就可能不同。例如两土样的含水率均为32%，对液限为30%的土样是处于流动状态，而对于液限为35%的土样来说则是处于可塑状态。因此，只知道土的天然含水率还不能说明土所处的稠度状态，还必须把天然含水率w与这种土的塑限w_p和液限w_L进行比较，才能判定天然土的稠度状态，进而说明土是硬的还是软的。工程中，用液性指数I_L作为判定土的软硬程度的指标。

液性指数表达式为：黏性土的天然含水率与塑限的差值和液限与塑限的差值之比

式中 w——天然含水率。

也可用下式表示：

液性指数是判别黏性土软硬程度（即稀稠程度）的指标，也称稠度（相对稠度）。是将土的天然含水率w与w_L及w_p相比较，以表明w是靠近w_L还是靠近w_p，从而反映土的软硬不同。当天然含水率w小于w_p时，I_L小于0，土体处于固体或半固体状态；当w大于w_L时，I_L>1，天然土体处于流动状态；当w在w_p与w_L之间时，I_L在0～1之间，天然土体处于可塑状态。因此，可以利用液性指数I_L表示黏性土所处的天然状态。I_L值越大，土体越软；I_L值越小，土体越坚硬。

由式（2.2.2）可知：

I_L≤0时，即w<w_p，土是坚硬的；

0≤I_L≤1.0时，即w_p≤w≤w_L，土是可塑的；

I_L>1.0时，即w>w_L，土是流动的。

《建筑地基基础设计规范》规定，黏性土根据其液性指数I_L，可划分为5种软硬状态。

4.1.10 黏性土的状态，可按表4.1.10分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑。

表4.1.10 黏性土的状态

注：当用静力触探探头阻力判定黏性土的状态时，可根据当地经验确定。

【2.2.2】（2008年二级考题，原题是连锁题的子题，情境描述有所简化）

某新建房屋采用框架结构，根据地勘资料，其基底自然土层的有关物理指标为：含水率w=22%，液限w_L=30%，塑限w_p=17%。

试问：该基底自然土层土的状态与下列哪一项最为接近？

（A）坚硬（B）硬塑（C）可塑（D）软塑

【答案】（C）

【详解】土的软硬程度由液性指数来判别，该土的液性指数为

根据《建筑地基基础设计规范》4.1.10条的规定，当液性指数在0.25<I_L≤0.75之间时，为可塑状态，故（C）正确。

【简解】

根据《地规》4.1.10条，为可塑状态。

【2.2.3】（2007年二级考题，原题是连锁题的子题，情境描述有所简化）

某三层砖混结构采用墙下条形基础，地质条件如图2.2.5所示。

已知第二层黏土层的塑限w_p=24.5%，液限w_L=45%，含水率w=38%，试问黏土的状态应为下列何项所示？

（A）坚硬（B）硬塑

（C）可塑（D）软塑

【答案】（C）

【详解】土的软硬程度由液性指数来判别，该土的液性指数为

图 2.2.5

根据《建筑地基基础设计规范》表4.1.10的规定，当液性指数在0.25<I_L≤0.75之间时，可判断其状态为可塑。故（C）正确。

【简解】，可塑。

【2.2.4】（2000年二级考题）

当勘察报告中对某层土提供的塑性指数平均值为18.9，液性指数平均值为0.47时，作为地基土分类，该层土应定名为下列何种？

（A）硬塑状黏土（B）松散状粉土

（C）可塑状黏土（D）软塑状粉质黏土

【答案】（C）

【详解】根据《建筑地基基础设计规范》4.1.9条的规定，当塑性指数I_p>17时，土的类别为黏土。

根据《建筑地基基础设计规范》4.1.10条的规定，当液性指数0.25<I_L≤0.75时，土的状态为可塑。

故（C）可塑状黏土，为正确答案。

【简解】I_p>17为黏土；0.25<I_L≤0.75为可塑状态。故（C）正确。

【2.2.5】选择地基

条件：从甲、乙两地黏性土层中各取出土样进行界限含水量试验，两土样液、塑限相同：：_L=40%，w_P=25%。但甲地天然含水量w=45%，而乙地天然含水量w=20%。

要求：根据液性指数判断甲、乙两地中何地作为地基更佳？

【解答】甲地：，I_L>1，流塑状态；

乙地：，I_L≤0，坚硬状态。

乙地作为地基更佳。

《建筑地基基础设计规范》规定：

4.1.12 淤泥为在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，其天然含水量大于液限、天然孔隙比大于或等于1.5的黏性土。当天然含水量大于液限而天然孔隙比小于1.5但大于或等于1.0的黏性土或粉土为淤泥质土。含有大量未分解的腐殖质，有机质含量大于60%的土为泥炭，有机质含量大于或等于10%且小于或等于60%的土为泥炭质土。

【2.2.6】确定土的名称和状态

条件：已知某天然土样的天然含水率w=42.7%，天然重度γ=18.05kN/m³，土粒相对密度d_s=2.72，液限w_L=39.5%，塑限w_p=22%。

要求：确定土的状态和名称。

【解答】塑性指数 I_p=w_L-w_p=39.5-22=17.5

液性指数

因为I_p>17，I_L>1，可初步确定为黏土，且处于流塑状态。该土样的孔隙比

因w>w_L，且1<e≤1.5，根据《建筑地基基础设计规范》4.1.12条该土样定名为淤泥质黏土。

2.无黏性土的物理状态指标——密实度

无黏性土一般指砂土和碎石土，它们最主要的物理状态指标是密实度。土的密实度是指单位体积中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。天然状态下无黏性土的密实度与其工程性质有密切关系。当为松散状态时，其压缩性和透水性较高，强度较低。当为密实状态时，其压缩性较小，强度较高，为良好的天然地基。

（1）砂土的密实状态指标(www.xing528.com)

砂土是无黏性的散体，不具备可塑性。天然条件下的砂土可处于从密实到疏松的不同物理状态。

匀粒砂土颗粒一般为粒状，比较接近于圆形，其堆积情况一般为单粒结构，即单个颗粒之间互相支撑，以保持稳定。单粒结构也具有松密状态，理想的圆球状颗粒的排列结构如图2.2.6所示。图中a为疏松排列，孔隙最大；b为密实排列，孔隙比最小。实际的砂土是大、小颗粒混杂的，而且颗粒形状也不是圆形，当细小颗粒多，尤其是片状颗粒较多时，容易出现架空现象，此时多处于疏松状态。勘察试验资料表明，一般粗颗粒砂多处于较密实状态；而粒径为0.1～0.005mm颗粒占优势的细颗粒砂，处于疏松状态的比较多；片状的云母颗粒越多，也越易疏松。从沉积环境来讲，一般静水中沉积的较流水中的疏松，新沉积的较沉积久的疏松。

图2.2.6 理想砂土的颗粒排列

a）疏松排列 b）密实排列

砂土的密实状态对其工程性质有很大影响。如密实的天然砂层是良好的天然地基。疏松的砂，尤其是饱和的细颗粒砂，动力作用下结构常处于不稳定状态，对工程建筑很不利。所以判定天然条件砂土的密实状态就很重要。

确定砂土密实度的方法有多种，工程中以孔隙比e、相对密实度D_r、标准贯入锤击数N为标准来划分砂土的密实度。

1）以孔隙比e为标准。孔隙比e可以作为砂土密实度的划分标准。孔隙比愈小，表示土越密实；孔隙比越大，土越疏松。具体划分标准见表2.2.1。

表2.2.1 砂土的密实度

用孔隙比e来判断砂土的密实度是最简便的方法。但它没有考虑土的粒径级配的影响。同样密实度的砂土在粒径均匀时孔隙比较大，而粒径级配良好时孔隙比较小。

为说明这个问题，取两种不同级配的砂土进行分析。如图2.2.7所示，把砂土颗粒视为理想的圆球。图2.2.7a所示为均匀级配的砂最紧密的排列，图2.2.7b所示同样是理想的圆球状砂，但其中除大的圆球外，还有小的圆球可以充填于孔隙中，就是说两种级配不同的砂若都具有相同的孔隙比，由于级配不同，后者比前者密实；反之，相同密实状态下，级配良好的砂，其孔隙比较小。

图2.2.7 颗粒级配对砂土密实度的影响

2）以相对密实度D_r为标准。相对密实度D_r是用天然孔隙比e与同一种砂土的最疏松状态孔隙比e_max和最密实状态孔隙比e_min进行对比，根据e靠近e_max或靠近e_min，来判断它的密实度。相对密实度D_r按下式计算：

当D_r=0时，e=e_max，表示土处于最疏松状态；当D_r=1时，e=e_min，表示土处于最密实状态。根据相对密实度D_r值可将砂土的密实状态划分为

密实 1≥D_r>0.67

中密 0.67≥D_r>0.33

松散 0.33≥D_r>0

相对密实度从理论上讲是一种完善的密实度指标，但由于测量e_max和e_min时的操作误差太大，位于水下的砂土亦很难量测它的天然空隙比，故实际应用相当困难。因此天然砂土的密实度一般通过现场原位试验测定。

3）以标准贯入锤击数N为标准。标准贯入试验是用规定的锤质量（63.5kg）和落距（76cm）把标准贯入器（带有刃口的对开管，外径50mm，内径35mm）打入土中，记录贯入一定深度（30cm）所需的锤击数N的原位测试方法。根据所测得的锤击数N，将砂土分为松散、稍密、中密及密实四种密实度，《建筑地基基础设计规范》4.1.8条表4.1.8规定了具体的划分标准。

4.1.7 砂土为粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。砂土可按表4.1.7分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。

表4.1.7 砂土的分类

注：分类时应根据粒组含量栏从上到下以最先符合者确定。

4.1.8 砂土的密实度，可按表4.1.8分为松散、稍密、中密、密实。

表4.1.8 砂土的密实度

注：当用静力触探探头阻力判定砂土的密实度时，可根据当地经验确定。

（2）碎石土的密实度

对于平均粒径不大于50mm且最大粒径不大于100mm的碎石土，可采用重型圆锥动力触探来测定其密实度。重型圆锥动力触探的探头为圆锥头，锥角60°，锥底直径7.4cm，用质量63.5kg的落锥以76cm的落距把探头打入碎石土中，记录探头贯入碎石土10cm的锤击数N_63.5。根据测得的锤击数N_63.5，将碎石土划分为松散、稍密、中密和密实四种密实度，《建筑地基基础设计规范》4.1.6条表4.1.6规定了具体的划分标准。

4.1.5 碎石土为粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。碎石土可按表4.1.5分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾。

表4.1.5 碎石土的分类