土力学与地基基础：土的不同结构对工程性质的影响

很多实验资料表明，对于同一种土，原状土样和重塑土样（将原状土样破碎，在实验室内重新制备的土样）之间的力学性质有很大的差别。说明土粒本身的特点和土粒之间的联结关系对土体的工程性质影响较大。

土的结构是指土颗粒的大小、形状、相互排列及其联结关系的综合特征。

1.土粒间的联结关系

（1）接触联结：颗粒之间的直接接触，接触点上的联结强度主要来源于外加压力所带来的有效接触压力。这种联结方式在碎石土、砂土、粉土中或近代沉积土中普遍存在。

（2）胶结联结：颗粒之间存在着许多胶结物质，将颗粒胶结联结在一起，一般其联结较为牢固。胶结物质一般有黏土质、可溶盐以及无定形铁、铝、硅质等。

（3）结合水联结：通过结合水膜而将相邻土粒联结起来的形式，又叫水胶联结。这种联结在一般黏性土中普遍存在。

（4）冰联结：含冰土的暂时性联结，融化后即失去这种联结。

2.土的结构类型

因土体的成因、沉积环境、年代的不同会形成许多复杂的土体结构，通常将土体的结构分为三种类型。

（1）单粒结构

单粒结构是由粗大土粒在水中或空气中下沉而形成的，土颗粒之间有稳定的空间位置，单粒结构为砂类土和碎石类土的主要结构形式，其特点是土粒间存在点与点的接触。在单粒结构中，土粒的粒度和形状、土粒在空间的位置决定其密实度。因此，这类土的孔隙比的值域变化较宽。同时，因颗粒较大，土粒间的分子吸引力相对很小，颗粒间几乎没有联结。

单粒结构可以是松弛的［见图1-18（a）］，也可以是紧密的［见图1-18（b）］。呈紧密状态单粒结构的土，由于其土粒排列紧密，在动、静荷载作用下都不会产生较大的沉降和变形，所以强度较大，压缩性较小，一般是良好的天然地基。紧密结构的砂土只有在侧向松动，如开挖基坑后才会变成流砂状态，基坑周围土随水流失而造成灾害。具有松散单粒结构的土，骨架不稳定，易变形，当受到震动或其他外力作用时，土粒易发生移动，土中孔隙减少，引起土的较大变形，未经处理不宜做地基。(www.xing528.com)

图1-18　土的单粒结构

（2）蜂窝结构

蜂窝结构主要由粉粒或细砂粒（粒径为0.005～0.075 mm）组成的结构形式（见图 1-19），在水中因自重作用而下沉，碰到别的正在下沉或已沉积的土粒，由于土粒间的分子引力大于下沉土粒的重力，则下沉土粒被吸引，土粒就停留在最初的接触点上不再下沉，逐渐形成链环状单元。很多这样的链环联结起来，便形成较大孔隙的蜂窝结构。

具有蜂窝结构的土有很大孔隙，但由于骨架作用和一定程度的粒间联结，使其可承担一般的水平静荷载。当其承受较高水平荷载或动力荷载时，其结构被破坏，导致严重的地基沉降。

图1-19　土的蜂窝结构

（3）絮状结构

絮状结构又称絮凝结构（见图1-20），对于细微的黏粒（粒径小于0.005 mm）或胶粒（粒径小于0.002 mm）大都呈针状或片状，在水中呈现胶体特征，自重作用较小，能够在水中长期悬浮，不因自重而下沉。这时，黏土矿物颗粒与水的作用产生的粒间作用力就凸显出来了，黏土矿物颗粒由于电分子力的作用，使土粒表面附有一层极薄的水膜。这种带有水膜的土体在水中运动时，与其他土粒碰撞而凝聚成小链环状的土粒集合，质量增大而下沉，当一个小链环碰到另一小链环时相互吸引，不断扩大形成大链环状，形成絮状结构。因小链环中已有孔隙，大链环中又有更大孔隙，形象地称为二级蜂窝结构，这种结构在海相沉积黏土中比较常见。

图1-20　土的絮状结构

上述三种结构中，具有密实的单粒结构的土，强度大，压缩性小，工程性质最好；具有蜂窝结构和絮状结构的土，颗粒间存在大量微细孔隙，其压缩性大，强度低，透水性弱；又因土粒之间的联结较弱且不稳定，在受扰动力作用下（如施工扰动影响），土粒的接触点可能脱离，土的天然结构受破坏，土的强度会迅速降低。但是，蜂窝结构和絮状结构的土，其土粒间的联结强度会由于压密和胶结作用而逐渐得到加强，这种强度称为结构强度。具有絮状结构的黏性土，其土粒之间的联结强度（结构强度）往往由于长期的固结（压密）作用和胶结作用而得到加强。因此，集粒间的联结特征是影响絮状结构类土体工程性质的主要因素。在取土样做试验时，应尽量减少扰动，避免破坏土的原状土样，保持土体原有的物理力学性质。