土的固体颗粒(固相)

土的固体颗粒是土的主要组成部分,是决定土的性质的主要因素。土颗粒的大小、形状、矿物成分及颗粒级配对土的物理力学性质有很大的影响。

1.粒组划分

自然界中的土都是由大小不同的土粒组成。随着土粒由粗到细逐渐变化,土的性质也相应地发生变化。颗粒的大小称为粒度,通常以粒径表示。工程上将各种不同的土粒按其粒径范围,划分为若干粒组,每个粒组之内土的工程性质相似。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。土的粒组划分方法各行业部门并不完全一致,目前常用的一种土粒粒组的划分方法是根据国家标准《土的工程分类标准》(GB/T50145—2007)规定的界限粒径200mm、60mm、2mm、0.075mm、0.005mm把土粒分为六大粒组:漂石(块石)、卵石(碎石)、砾粒、砂粒、粉粒和黏粒。粒组划分见表2-1。

表2-1　粒组划分

2.土的颗粒级配

天然土体中包含大小不同的颗粒,为了表示土粒的大小及组成情况,通常以土中各个粒组的相对含量(即各粒组占土粒总量的百分数)来表示,称为土的颗粒级配。

土的颗粒级配是通过土的颗粒分析试验测定的。《土工试验方法标准(2007版)》(GB/T 50123—1999)中规定:对于粒径小于或等于60mm、大于0.075mm的粗粒组,可用筛分法测定;对于粒径小于0.075mm的细粒组,可用沉降分析法测定。沉降分析法又分为密度计法(比重计法)、移液管法等。

筛分法试验是用一套孔径不同的标准筛(如20mm、10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm、0.075mm),按从上到下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛,称出留在各筛上的土的质量,然后计算占总质量的百分数,即可求得各个粒组的相对含量。

沉降分析法是根据球状的细颗粒在水中下沉的速度与颗粒直径的平方成正比的原理,把颗粒按其在水中的下沉速度进行粗细分组。在试验室具体操作时,可采用密度计法(比重计法)或移液管法测得某一时间土粒沉降距离L处土粒和水混合悬液的密度,据此可计算小于某一粒径的累计百分含量。采用不同的测试时间,可计算出细颗粒各粒组的相对含量。

根据颗粒分析试验结果,可以绘制出如图2-1所示的土的级配曲线。图中纵坐标表示小于某粒径的土粒累计百分含量,横坐标表示土粒粒径,以mm表示。由于土体中所含粒组的粒径往往相差几千倍、几万倍甚至更大,且细粒土的含量对土的性质影响很大,必须清楚表示,因此,将粒径的坐标取为对数坐标利用颗粒级配曲线可以对粗粒土进行分类定名,还可以评价土的不均匀程度及连续程度进而判断土的级配好坏。

图2-1　土的级配曲线

从曲线的坡度陡缓可以大致判断土粒的均匀程度和级配好坏。如曲线的坡度缓,表示土的粒径分布范围宽,粒径大小相差悬殊,土粒不均匀,级配良好;反之,如曲线的坡度陡,则表示土的粒径分布范围窄,粒径大小相差不多,土粒较均匀,级配不良。

为了定量反映土的不均匀性,工程上常用不均匀系数Cu来描述颗粒级配的不均匀程度:

式中 d60——小于某粒径的土粒质量占土总质量为60%时相应的粒径,即限定粒径;

　　d10——小于某粒径的土粒质量占土总质量为10%时相应的粒径,即有效粒径。

不均匀系数Cu值越大,d60与d10相距越远,曲线越平缓,土粒粒径分布范围越广,土粒大小越不均匀,土易被压实;Cu值越小,d60与d10相距越近,曲线越陡,土粒粒径分布范围越狭窄,土粒大小越均匀,土不易被压实。一般情况下,工程上把Cu＜5的土视为均匀的,属级配不良;把Cu＞10的土视为不均匀的,属级配良好,这种土作为填方或垫层材料时,易于获得较大的密实度。

实际上,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。但对于级配不连续的土,即缺乏中间粒径(d60与d10之间的某粒组)的土,级配曲线呈现台阶状(图2-1中C线),尽管其不均匀系数较大,但由于缺乏中间粒径的土,一般孔隙体积较大,所以,土的不均匀系数大,未必表明土中粗细土粒的搭配一定就好。此时,再采用单一指标Cu确定土的级配好坏是不够的,还要同时考虑级配曲线的整体形状。所以,需参考曲率系数Cc值:

式中 d30——土的粒径分布曲线上的某粒径,小于该粒径的土粒质量为总土粒质量的30%。

一般认为,砂类土或砾类土同时满足Cu≥5和Cc＝1～3两个条件时,则定名为级配良好砂或级配良好砾;若不能同时满足上述两个条件,则为级配不良砂或级配不良砾。

对于级配良好的土,较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充,这一连锁填充效应,使得土的密实度较好。此时,地基土的强度和稳定性较好,透水性和压缩性也较小。

3.土粒的矿物成分

土粒的矿物成分各不相同,主要取决于母岩的矿物成分及其风化作用。土粒的奇物成分可分为两大类,即原生矿物和次生矿物,土中矿物颗粒的成分见表2-2。

表2-2　土中矿物颗粒的成分