土力学与地基基础：土的固体颗粒及其特性

土的固体颗粒主要是土粒，有时还有粒间胶结物和有机质（半腐烂或全腐烂的植物质和动物的残骸等），它们构成了土的骨架。土粒大小与其颗粒形状、矿物成分、结构构造有着一定的联系。因此，土的固体颗粒是影响土的物理力学性质的重要因素。

1.土粒的矿物成分

土的固体相部分是由各种矿物颗粒或矿物集合体组成的，不同矿物成分的性质是有差别的，因此由不同矿物组成的土的性质也是不同的。

土粒的矿物成分如图1-2所示。土粒分为无机矿物颗粒与有机质，对有机质含量超过3%～5%的土应予注明，不宜作为填筑材料。无机矿物颗粒由原生矿物和次生矿物组成。

图1-2　土中矿物成分分类

原生矿物是指地壳岩浆在冷凝过程中形成的矿物，常见的有石英、长石、云母、角闪石等。由物理风化生成的土粒通常由一种或几种原生矿物组成，颗粒较粗，一般为无黏性土。颗粒呈现圆形、板状、块状，吸附水的能力弱，无塑性，物理性质较稳定。

次生矿物是由原生矿物经化学风化作用而形成的矿物。次生矿物主要是黏土矿物、无定形的氧化物胶体（如Al2O3、Fe2O3）和盐类（如CaCO3、CaSO4、NaCl等）。常见的黏土矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石。由次生矿物构成的土粒极细，多呈片状或针状，性质不稳定，有较强的吸附水的能力，含水率的变化易引起体积胀缩，有塑性。

黏土矿物大多具有由硅氧四面体与铝氧八面体两个基本单位所组成的层状结晶格架。根据不同结晶格架，可形成很多种类的黏土矿物，其中分布较广且对土性质影响较大的是蒙脱石、高岭石和伊利石（或水云母）三种，如图1-3所示。

图1-3　黏土矿物结构示意图

三大类黏土矿物中，高岭石晶层之间联结牢固，水不能自由渗入，故其亲水性差，可塑性低，胀缩性弱；蒙脱石则反之，晶胞之间联结微弱，活动自由，亲水性强，胀缩性亦强；伊利石的性质介于两者之间。

2.土粒的大小和颗粒级配曲线

（1）土的粒组划分

在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成。土粒的大小称为粒度，通常以粒径表示。土粒粒径往往相差悬殊，例如漂石的粒径可以达到200 mm，而黏粒的粒径比0.005 mm还小。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应发生变化。随着粒径变细，单位体积内颗粒的表面积就会变大，与水接触的面积就会愈多，颗粒间相互作用的能力就愈强。土的性质随粒径的变细可由无黏性变化到有黏性。粗颗粒的砾石具有很强的透水性，但完全没有黏性和可塑性。细颗粒的黏土透水性虽然很小，却具有较大的黏性和可塑性。

为了研究方便，工程上将土中各种不同粒径的土粒，按粒径大小和性质接近的原则，分成若干粒组。各粒组的土颗粒随着分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。由于用途不同，界限粒径在不同国家甚至同一国家的不同部门的划分标准也不尽相同，表1-1是《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10093—2017）对粒组的划分。

表1-1　土粒粒组的划分

（2）颗粒分析试验

工程土常常是不同粒组的混合物，而土的性质主要取决于不同粒组的相对含量。土的颗粒级配是指干土中各粒组颗粒质量所占干土总质量的百分数。土的颗粒级配是通过土的颗粒大小分析试验测定的，常用的测定方法有筛析法、密度计法和移液管法。

筛析法适用于粒径小于或等于200 mm，大于0.075 mm的土体；密度计法和移液管法统称水分法，适用于粒径小于0.075 mm的土体。

筛析法：利用一套孔径由大到小的筛子，将事先称过质量的干试样放入筛中，上加顶盖，下加底盘，叠在一起，如图1-4所示。经过充分振摇后，把留在各级筛上的土粒分别称量，算出小于某粒径的土粒含量，用以确定土中各粒组的土粒含量。

图1-4　标准筛和振筛机

分析筛有粗筛和细筛两种。粗筛孔径（圆孔）为200、150、100、75、60、40、20、10、5、2 mm。细筛孔径为2、1、0.5、0.25、0.075 mm。筛析法的取样数量应符合表1-2的规定。

表1-2　取样数量

试验时，根据无黏性土颗粒大小，按表1-2的规定，取代表性风干试样过2 mm筛，称筛上或筛下的试样质量，筛下的试样质量小于试样总质量的10%时，不做细筛分析；筛上的试样质量小于试样总质量的10%时，不做粗筛分析。取2 mm筛上试样倒入依次叠好的粗筛最上层筛中，筛下的试样倒入依次叠好的细筛最上层筛中，进行筛析。细筛宜置于筛析机上进行筛析，振筛时间为10～15 min。筛后各级筛上和底盘内试样质量的总和与筛前试样总质量的差值，不得大于试样总质量的1%。

对于含有黏土粒的砂类土的试验，《铁路工程土工试验规程》（TB 10102—2010）中另有规定，本书从略。(www.xing528.com)

（3）试验结果分析方法

土的颗粒大小分析试验结果，可用表格法和颗粒级配曲线法两种方式表达。

① 表格法

表格法是以列表形式直接表示土中各粒度组分的相对含量。根据表格所列的内容不同，具体有两种列表方式：一种是列出各粒组的界限粒径和对应的累计质量百分数，即小于（或大于）各粒组界限粒径的颗粒质量百分数，如表1-3所示；另一种是列出各粒组的粒径范围和对应的各粒组的颗粒质量百分数，如表1-4所示。

表1-3　颗粒大小分析试验记录（筛析法）

表1-4　颗粒级配

小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分数可用下式计算：

式中　X——小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分数（%），计算至0.1%；

　　　mA——小于某粒径的试样质量（g）；

　　　mB——细筛分析时为所取试样质量，粗筛分析时为所取试样总质量（g）；

　　　dx——粒径小于2 mm或粒径小于0.075 mm的试样质量占试样总质量的百分数（%）；若土中无大于2 mm（或无大于0.075 mm）的颗粒时，dx＝100%。

② 颗粒级配曲线法

根据颗粒分析结果，常采用颗粒级配曲线法表示土的颗粒级配。该法是比较全面和通用的一种图解法，其特点是可获得颗粒级配的定量指标，特别适用于几种土级配好坏的相对比较。颗粒级配曲线如图1-5所示。颗粒级配曲线的横坐标为土颗粒的粒径，以mm表示。由于土粒粒径的值域范围较广（可达几个数量级），且细粒土的含量对土的性质影响很大，需详细表示，故粒径的坐标通常选用对数坐标。颗粒级配曲线的纵坐标为小于某粒径的试样质量占试样总质量的百分数，用普通比例尺表示。

图1-5　颗粒级配曲线

根据颗粒级配曲线确定级配的两个定量指标，即不均匀系数Cu及曲率系数Cc，其定义分别为

式中　d10，d30，d60——分布曲线上小于某粒径的试样含量占试样总质量的百分数分别为10%、30%、60%时所对应的粒径（mm）；

　　　d10——有效粒径（mm）；

　　　d30——中值粒径（mm）；

　　　d60——限制（控制）粒径（mm）。

利用土的级配指标可对粗粒土的级配状况进行定量评价。

不均匀系数Cu反映土的粒径变化范围的大小。Cu值小，颗粒级配曲线形状陡峭，表明土的粒径变化范围小，大部分土颗粒的大小相近、甚至均匀，这种土不易压密，工程性质较差，故属级配不良。Cu值大，颗粒级配曲线形状平缓，表明土的粒径变化范围广。对于级配连续的土，采用单一指标Cu，即可达到比较满意的判别结果。Cu＞5的土称为不均匀土，反之称为均匀土。然而，Cu值大只是级配良好的必要条件，因为Cu值仅取决于d60和d10，Cu值大只能保证这两者的粒径相差悬殊，而不能保证其中间粒径的含量情况。如Cu值过大，甚至可能会出现中间粒径缺失的情况，级配曲线呈台阶状，即级配不连续，也属级配不良。如果台阶范围较大，表示这种土的颗粒特征是颗粒粗的很粗，细的很细。此时，再采用单一指标Cu则难以有效判定土的级配好坏，则需看曲率系数Cc。

曲率系数Cc反映土中介于d60与d10之间的中间粒径的含量情况。依据实践经验，当级配连续时，Cc的范围约为1～3。因此，必须同时考虑不均匀系数Cu和曲率系数Cc评价土的级配状况。Cc＞3或Cc＜1时，表示土的级配不连续，即存在粒径缺失，土的级配不良；Cu＜5时，表示土的级配均匀土的级配不良；Cu＞5（土的级配不均匀）且Cc为1～3（土的级配连续）时，土的级配良好。

在岩土工程中，须根据工程需要选土的级配。级配良好的土经压实后，既有粗颗粒构建结实的土骨架，又有中、细颗粒填充土骨架中的孔隙，可获得较高的密实度和较好的力学性质，适用于填方工程。级配均匀的土孔隙较大，具有较好的透水性，适用于排水结构物和反滤层。《铁路路基设计规范》（TB 10001—2016）中规定：级配碎石级配特性应满足不均匀系数Cu不小于15、曲率系数Cc在1～3之间。

表格法和颗粒级配曲线法在表述土的颗粒级配时各有其特点和适用条件。在工程上可根据使用要求选用合适的表示方法，也可在不同的场合选用不同的方法。表格法能较明确地用数量说明土样的各粒组含量，是最基本和最直接的表示方法，对用粒度组分进行土的分类是十分方便的，但对于大量土样之间的比较就显得过于冗长，且不够直观。曲线法用一条曲线表示一种土的颗粒级配，可在同一张图上表示多个土样，能直观地观察和比较其级配状况，并依据土的级配指标对土的级配状况进行定量评价。