黏土物理性质-土力学与地基基础

土的物理状态也叫水理性质，一般指的是黏性土的液限、塑限（由实验室测得）及由这两个指标计算得来的液性指数和塑性指数。这几个指标也是工程中必须提供的，对于饱和黏性土还有灵敏度和触变性。

由于无黏性土的单粒性，可用孔隙比、相对密度和标准贯入试验锤击数N作标准测定其密实程度，以确定砂土的工程性质。但对于黏性土，其颗粒很细，黏粒粒径d＜0.005 mm，细土粒周围形成电场，电分子力吸引水分子定向排列，形成黏滞水膜。要确定黏性土的工程性质，需要考虑土粒与土中水相互作用的关系。

黏性土最主要的物理状态特征是它的稠度。黏性土的稠度是指土的软硬程度或土对外力引起变形或破坏的抵抗能力。

1.黏性土的稠度界限

含水率的大小对黏性土的工程性质要产生极大的影响。黏性土随着含水率的增加，稠度逐渐发生变化（固态、半固态→可塑状态→流动状态），如图1-14所示。

图1-14　土中水与稠度状态

黏性土中含水率很低时，水被黏土颗粒表面的电荷紧紧吸着于颗粒表面，土中水的形态仅为强结合水（忽略极少数的弱结合水）。强结合水的性质接近于固态水，此刻土能承受较大的剪切应力，在外力作用下呈现具有脆性的固体特征，其体积不再收缩。按照强结合水水膜厚度的不同，黏性土表现为固态或半固态。

当黏性土中的含水率有所提高时，在强结合水水膜以外开始出现弱结合水，土中水的形态为强结合水和弱结合水。弱结合水呈黏滞状态，受力时可以变形，能从水膜较厚处向邻近水膜较薄处移动，土会显示出一定的抗剪强度。在这种含水率的情况下，在外力作用下可塑成任何形状而不发生裂缝，当外力移去后能保持既有形状，不回弹也不坍塌，黏性土的这种特性称为可塑性，相应的状态为可塑状态。弱结合水的存在是黏性土具有可塑性的根本原因。黏性土处于可塑状态的含水率变化范围近似等于黏土颗粒所能吸附的弱结合水的质量占黏土颗粒质量的百分比。黏土颗粒吸附弱结合水的能力主要与黏土颗粒的比表面积和矿物成分相关。黏土颗粒越细，比表面积越大，吸附弱结合水的能力越强；黏土颗粒由亲水矿物组成（例如蒙脱石），吸附弱结合水的能力也越强。

当黏性土中的含水率增大到一定程度时，土中开始有部分水分子近似摆脱了黏土颗粒的电荷引力，土中开始出现自由水。此时，土中水的形态为强结合水、弱结合水和自由水。若黏性土中的含水率持续增加，土中自由水的含量越来越多，甚至黏土颗粒完全被自由水分隔开。由于自由水可以自由流动，这时的黏土处于流动状态，不能承受剪应力。

由上述分析可知，黏土稠度的改变实质上是黏土中水的形态的改变。黏性土从一种状态进入另一种状态时的分界含水率称为稠度界限或特征含水率。

土由固态、半固态进入可塑状态的界限含水率称为塑限，用ωP表示；由可塑状态进入流动状态的界限含水率称为液限，用ωL表示。黏性土随含水率的增加其状态变化如图1-15所示。

图1-15　黏性土随含水率的增加状态变化

2.稠度界限的测定方法

（1）液限ωL的测定

我国用锥式液限仪来测定液限，如图1-16所示。

图1-16　锥式液限仪（尺寸单位：mm）

将调成均匀的浓糊状的试样装满盛土杯（盛土杯至于底座上），刮平杯口面，手握手柄将圆锥体轻放于试样之上，使其在自重作用下缓慢下沉。经过5 s圆锥沉入深度恰好为10 mm时，该试样的含水率即为液限ωL值。

若锥体入土深度大于10 mm，说明土样的含水率高于液限；若锥体入土深度小于10 mm，说明土样的含水率低于液限。需重新调配试样，直到合格为止。

对于合格的试样，利用烘干法测定其含水率，即为液限ωL。

欧美等国家多采用碟式液限仪测定液限。

（2）塑限ωP的测定

用搓条法测定，将调配好的试样，用手先搓成直径小于10 mm的小圆球，然后用手撑放在毛玻璃板上搓成小土条，若土条搓至直径为3 mm时正好断裂或出现较多裂缝，这时土样的含水率就是塑限。若土条搓至直径3 mm时仍未断裂，说明试样含水率高于塑限；如土条过早断裂，说明土样含水率低于塑限。在这些情况下，都需重新调配试样直到合格为止。然后，将合格的试样称取15 g，用烘干法测定含水率，即得塑限ωP。

（3）液塑限联合测定法

用锥式液限仪进行试验时，圆锥的入土深度与土样的含水率有关。试验表明，两者在双对数坐标上为直线关系，如图1-17所示。

图1-17　圆锥的入土深度与土样的含水率

试验时，调配成三种含水率不同的试样，分别用锥式液限仪来测定入土深度，这样便在双对数坐标上得到三个点，通过这三点，画一条直线。相应于入土深度10 mm时的含水率为液限ωL，相应于入土深度为2 mm时的含水率为塑限ωP。

3.塑性指数与液性指数

（1）塑性指数：液限ωL与塑限ωP的差值，用符号IP表示。

习惯上通常省略%符号，用百分数的分子表示塑性指数。塑性指数的大小，反映了土处于可塑状态的含水率变化范围。Ip值越大，土处于可塑状态的含水率范围也越大。而土处于可塑状态时，土中水是强结合水和弱结合水（忽略极少数自由水）。因此，Ip的大小与土中结合水的含量有明显的关系，也就是与土颗粒大小有关，土粒越细，黏粒越多，其比表面积越大，结合水含量越高，Ip值也就越大。

此外，塑性指数的大小也与矿物成分和土中水的化学成分有关，黏性土矿物（尤以蒙脱石类）含量越多，水化作用就会越剧烈，Ip值也就越大。黏性和可塑性反映了黏土的重要属性。对于塑性指数相似的黏性土，一般均表现出相似的物理力学性质。因此，塑性指数可看成是土的一个综合性指标，作为黏性土工程分类的重要依据。

（2）液性指数：黏性土的天然含水率和塑限的差值与塑性指数之比，用符号IL表示。(www.xing528.com)

式中　ω——土的天然含水率。

由式（1-35）可见：当ω＜ωp时，IL＜0，土处于坚硬状态。

当ωp≤ω≤ωL时，0≤IL≤1，土处于可塑状态。

当ω＞ωL时，IL＞1，土处于流动状态。

由此可见，液性指数IL的大小反映了黏性土的软硬程度。IL越大，土越软。《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB 50307—2012）根据液性指数的IL大小，将黏性土划分为五种软硬状态，划分标准见表1-15。

表1-15　黏性土状态分类

《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10093—2017）将黏性土划分为四种软硬状态，划分标准见表1-16。

表1-16　黏性土塑性状态的划分

例题1-3　某土样经试验得其天然含水率为38.8%，液限为49.0%，塑限为24.0%，试求塑性指数并判断该土处于何种状态。

解：已知ω＝38.8%，ωL＝49.0%，ωP＝24.0%，由式（1-34）得IP=49-24=25

由式（1-35）得

所以，该土处于可塑状态。

4.黏性土的灵敏度、触变性和活动度

（1）黏性土的灵敏度

天然状态下的黏性土，由于地质历史作用常具有一定的结构性。当土体受到外力扰动作用，其结构遭受破坏时，土的强度降低，压缩性增高。工程上常用灵敏度St来衡量黏性土结构性对强度的影响。土的灵敏度是以原状土的强度与同一土经重塑（指在含水量不变条件下使土的结构彻底破坏）后的强度之比来表示的。重塑试样具有与原状试样相同的尺寸、密度和含水量，测定强度常用的方法有无侧限抗压强度试验和十字板抗剪强度试验，对于饱和黏性土，其灵敏度为

式中　qu——原状土无侧限抗压强度（kPa）；

　　　——重塑土无侧限抗压强度（kPa）。

根据灵敏度的大小，黏性土分为高灵敏土（St＞4）、中灵敏土（2＜St≤4）、低灵敏土（St≤2）。

土的灵敏度愈高，其结构性愈强，受扰动后土的强度降低就愈明显。因此，在基础工程施工中必须注意保护基槽，尽量减少对土结构的扰动。

（2）黏性土的触变性

饱和黏性土受扰动时强度降低，而静止时土的强度又重新增长的性质，称为土的触变性。在黏性土中沉桩时，往往利用振扰的方法，破坏桩侧土与桩尖土的结构，以降低沉桩的阻力。但在沉桩完成后，土的强度可随着时间部分恢复，使桩的承载能力逐渐增加，这就是利用了土的触变性原理。

（3）黏性土的活动度

黏性土的塑性指数与土中胶粒含量百分数的比值，称为活动度A。

活动度反映黏性土中所含矿物的活动性。根据活动度的大小可将土分为3种：不活动黏土（A＜0.75）、正常黏土（0.75≤A≤1.25）和活动黏土（A＞1.25）。

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黏性土物理状态发生改变的根本原因是土中含水率的变化。随着黏性土中含水率的增加，黏性土由固态、半固态逐渐向可塑状态转变，直至流动状态。黏土中水的量变会导致黏土性质的质变。任何事物的发展变化均是从量变开始，量变是质变的必要准备，质变是量变的必然结果。当量变达到一定程度，突破事物的度，就产生质变。质变又引起新的量变，开始一个新的发展过程。

动画—量变与质变

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