黏性土的物理特征

1.黏性土的界限含水率

黏性土是一种细颗粒土,颗粒粒径极细,所含黏土矿物成分较多,土粒表面与水相互作用的能力较强,故黏性土的含水率对土所处的状态影响很大。黏性土由于其含水率的不同,而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。含水率很大时,土粒与水混合成泥浆,是一种黏滞流动的液体,称为流动状态。含水率逐渐减小,黏滞流动的特征逐渐消失而显示出一种可塑状态,所谓可塑状态,就是当黏性土在某含水率范围内时,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。含水率继续减小,土体的体积随着含水率的减小而减小,土的可塑性逐渐消失,从可塑状态转变为不可塑的半固态状态。当含水率继续减小到某一界限时,土体体积不再随含水率减小而变化,这种状态称为固态状态。

黏性土由一种状态转到另一种状态的分界含水率(图2-9)称为界限含水率。它对黏性土的分类及工程性质的评价有重要意义。土从流动状态转到可塑状态的界限含水率称为液限,用符号wL表示;土从可塑状态转到半固态的界限含水率称为塑限,用符号wP表示;土从半固态转到固态的界限含水率称为缩限,用符号wS表示。界限含水率都以百分数表示。

图2-9　黏性土的界限含水率

对土的工程性质影响较大的是液限和塑限,所以下面主要介绍液限和塑限的测定方法。以前我国主要采用锥式液限仪法测定液限,采用搓条法来测定塑限,美国、日本等国家采用碟式液限仪法来测定黏性土的液限。现在液限和塑限的测定方法可采用“联合测定法”,主要仪器为液、塑限联合测定仪(图2-10)。试验时取代表性试样,加不同数量的纯水,调成三种不同稠度的试样,用电磁落锥法分别测定圆锥在自重下沉入试样5s时的下沉深度,在双对数坐标纸上作出圆锥体的下沉深度与含水率的关系曲线,如图2-11所示。在圆锥下沉深度与含水率的关系曲线上查得下沉深度为17mm时所对应的含水率为液限,查得下沉深度为10mm时所对应的含水率为10mm液限,查得下沉深度为2mm时所对应的含水率为塑限,取值以百分数表示。

图2-10　光电式液、塑限联合测定仪结构示意图
1—水平调节螺钉;2—控制开关;3—指示灯;
4—零线调节螺钉;5—反光镜调节螺钉;6—屏幕;
7—机壳;8—物镜调节螺钉;9—电磁装置;
10—光源调节螺钉;11—光源装置;
12—圆锥仪;13—升降台;14—水平泡

图2-11　圆锥下沉深度与含水率关系图

2.黏性土的塑性指数和液性指数

(1)塑性指数。塑性指数是指液限和塑限的差值,用符号IP表示,计算时不带%符号,即

塑性指数表示土处在可塑状态的含水率变化范围,其值的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,在一定程度上反映了土中黏粒含量的多少。黏粒含量越多,则土的比表面积越大,结合水含量越高,因而土处在可塑状态的含水率变化范围越大,塑性指数越大。塑性指数是土的固有属性,塑性指数值可视为常数,与土的天然含水率无关。工程上常用塑性指数对黏性土进行分类,即IP＞17为黏土;10＜IP≤17为粉质黏土。

(2)液性指数。液性指数指黏性土的天然含水率和塑限的差值与塑性指数比值,用符号IL表示,即

液性指数是表征黏性土软硬状态的指标,液性指数一般用小数表示。由上式可见,当土的天然含水率w＜wP时,IL小于0,天然土处于坚硬状态;当w＞wL时,IL大于1,天然土处于流动状态;当wL＜w＜wP时,IL为0～1,则天然土处于可塑状态。因此,可以根据液性指数IL来判断黏性土所处的软硬状态。IL值越大,土质越软;IL值越小,土质越坚硬。《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)根据液性指数的大小,将黏性土划分为五种软硬状态,具体的划分标准见表2-8。

表2-8　黏性土的状态

3.黏性土的灵敏度和触变性

(1)黏性土的灵敏度。天然状态下的黏性土通常都具有一定的结构性。当土体受到外力扰动作用,土粒间的胶结物质以及土粒、离子、水分子所组成的平衡体系受到破坏,即结构遭受破坏时,土的强度就会降低、压缩性增大,土的这种结构性对强度的影响一般用灵敏度来衡量。黏性土的灵敏度是以天然结构的原状土的无侧限抗压强度与该土经重塑(土的结构性彻底破坏)后的无侧限抗压强度之比来表示,即

式中 qu——原状土的无侧限抗压强度(kPa);

　　q′u——具有与原状土相同尺寸、密度和含水率的重塑土的无侧限抗压强度(kPa)。

灵敏度的概念主要是针对饱和以及近饱和的黏性土而言。按灵敏度的大小,黏性土可分为:St≤2为不灵敏;2＜St≤4为中等灵敏;4＜St≤8为灵敏;St＞8极灵敏。土的灵敏度越高,其结构性越强,受扰动后土的强度降低就越多。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。饱和黏性土的结构受到扰动后,导致强度降低,但当扰动停止后,土的强度又随时间而逐渐(部分)恢复,这是由于土粒、离子和水分子体系随时间而逐渐趋于新的平衡状态,土的这种性质称为触变性。例如,在饱和黏性土中打桩时,桩周土的结构受到破坏,强度降低,但当打桩停止后,土的强度可随时间部分恢复。因此,在打桩时要“一气呵成”才能进展顺利,提高工效;相反,从成桩完毕到开始试桩则应给土一定的强度恢复的间歇时间,使桩的承载力逐渐增加。这就是利用了土的触变性机理。

【例2-3】 某砂土的密度ρ＝1.77g/cm3,含水率w＝9.8%,土粒相对密度ds＝2.68,由该砂样的相对密实度试验,得到其最大干密度ρdmax＝1.74g/cm3,最小干密度ρdmin＝1.37g/cm3。请确定该砂土的相对密实度并判断其密实程度。

【解】 (1)该砂土的最大孔隙比和最小孔隙比分别为:

(4)该砂土的密实程度判断:

Dr＝0.7＞0.67

所以,该砂土处于密实状态。

【例2-4】 某一完全饱和黏性土试样的含水率为30%,土粒比重为2.73,液限为33%,塑限为17%。试求孔隙比,干密度和饱和密度,并按塑性指数和液性指数分别定出该黏性土的分类名称和软硬状态。

【解】 由于试样是完全饱和黏性土,所以Sr＝100%