地基土的基本性质及分类

子项1.2　地基土的基本性质及分类

1.2.1　土的组成与物理性质

1）土的组成和结构

一般情况下，天然状态的土是由固相、液相和气相三部分组成，这三部分通常称为土的三相组成，如图1.13所示。这些组成部分的性质及相互间的比例关系决定了土的物理力学性质。

图1.13　土的三相组成示意图

（1）土的固相

土的固相，即土中固体颗粒，简称土粒，是土中最主要的组成部分。土粒分为无机矿物颗粒与有机质，无机矿物颗粒由原生矿物和次生矿物组成。土粒的成分不同、粗细不同、形状不同，土的性质也不同。

①原生矿物。岩石经物理风化作用后破碎形成的矿物颗粒，称为原生矿物。常见的原生矿物有石英、长石和白云母等。无黏性土的主要矿物成分是石英、长石等原生矿物。

②次生矿物。岩石经化学风化作用（水化、氧化、碳化等）所形成的矿物，称为次生矿物。常见的次生矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石三大黏土矿物。另外，还有一类易溶于水的次生矿物，称为水溶盐。

③土中的有机质。土中的有机质是在土的形成过程中动、植物的残骸及其分解物质与土混掺沉积在一起，经生物化学作用生成的物质。有机质亲水性很强，因此有机土压缩性大、强度低。当有机质含量超过5%时，不能作为堤坝工程的填筑土料，否则会影响工程质量。

（2）土中水

土中的水按存在方式不同，分别以固态、液态、气态三种形式存在。

①液态水。按照水与土相互作用的强弱，土中的液态水分为结合水和自由水。

图1.14　土粒与水分子相互作用模拟图

结合水是指受土粒表面电场力作用失去自由活动的水。大多数黏土颗粒表面带有负电荷，因而围绕土粒周围形成了一定强度的电场，使孔隙中的水分子极化，这些极化后的极性水分子和水溶液中所含的阳离子，在电场力的作用下定向地吸附在土颗粒表面周围，形成一层不可自由移动的水膜，即结合水。结合水又可根据受电场力作用的强弱分为强结合水和弱结合水，如图1.14所示。

土孔隙中位于结合水以外的水称为自由水，自由水由于不受土粒表面静电场力的作用，可在孔隙中自由移动，按其运动时所受的作用力不同，可分为重力水和毛细水。重力水可溶解土中的水溶盐，使土的强度降低，压缩性增大，还可以形成渗透水流，并对土粒产生渗透力，使土体发生渗透变形。在工程实践中毛细水的上升可能使地基浸湿，使地下室受潮或使地基、路基产生冻胀，造成土地盐渍化等问题。

②气态水。气态水即水汽，对土的性质影响不大。

③固态水。固态水即冰。当气温降至0℃以下时，液态水结冰为固态水。水结冰，体积膨胀，使地基发生冻胀，所以寒冷地区确定基础的埋置深度时要注意冻胀问题。

（3）土中气体

土中的气体可分为自由气体和封闭气体两种基本类型。自由气体是与大气连通的气体，受外荷作用时，易被排出土外，对土的工程力学性质影响不大。封闭气体是与大气不连通，以气泡形式存在的气体。封闭气体的存在可以使土的弹性增大，使填土不易压实，还会使土的渗透性减小。

（4）土的结构

土的结构是指土粒或粒团的排列方式及其粒间或粒团间连接的特征。土的结构是在地质作用过程中逐渐形成的，它与土的矿物成分、颗粒形状和沉积条件有关。通常土的结构可分为三种基本类型，即单粒结构、蜂窝结构和絮状结构，如图1.15所示。

图1.15　土的结构

2）土的物理性质指标

土的物理性质不仅取决于三相组成中各相的性质，而且三相之间量的相对比例关系也是一个非常重要的影响因素。把土体三相间量的相对比例关系称为土的物质性质指标，工程中常用土的物理性质指标作为评价土体工程性质优劣的基本指标，物理性质指标还是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。为了更直观地反映土中三相数量之间的比例关系，常常把分散的三相物质分别集中在一起，并以图1.16的形式表示出来，该图称为土的三相草图。

图1.16　土的三相草图

图中各符号的意义如下：W表示重量，m表示质量，V表示体积。下标a表示气体，下标s表示土粒，下标w表示水，下标v表示孔隙。如W_s，m_s，V_s分别表示土粒重量、土粒质量和土粒体积。

土的物理性质指标包括实测指标（如土的密度、含水率和土粒比重）和换算指标（如土的干重度、饱和重度、浮重度、孔隙比、孔隙率和饱和度等）两大类。

（1）实测指标

①土的密度ρ。土的质量密度（简称土的密度）是指天然状态下单位体积土的质量，常用ρ表示，其表达式为：

一般土的密度为1.6～2.2g／cm³。土的密度常用环刀法测定（试验方法详见土工试验部分）。土的重度是指天然状态下单位土体所受的重力，常用γ表示，其表达式为：

式中　g———重力加速度，在国际单位制中常用9.8m／s²，为换算方便，也可近似用g＝10m／s²进行计算。

②土粒比重G_s。土粒比重是指土在105～110℃下烘至恒重时的质量与同体积4℃时纯水的质量之比，简称比重，其表达式为：

式中　ρ_w———4℃时纯水的密度，取ρ_w＝1g／cm³。

土粒比重常用比重瓶法来测定。土粒比重其值主要取决于土的矿物成分和有机质含量，颗粒越细比重越大，当土中含有机质时，比重值减小。

③土的含水率ω。土的含水率是指土中水的质量与土粒质量的百分数比值，其表达式为：

（2）换算指标

①孔隙比e。土的孔隙比是指土中孔隙体积与土颗粒体积之比，其表达式为：

②孔隙率n。土的孔隙率是指土中孔隙体积与总体积之比，常用百分数表示，其表达式为：

孔隙率表示土中孔隙体积占土的总体积的百分数，所以其值恒小于100%。

③饱和度S_r。饱和度反映土中孔隙被水充满的程度，是土中水的体积与孔隙体积之比，用百分数表示，其表达式为：

理论上，当S_r＝100%时，表示土体孔隙中全部充满了水，土是完全饱和的；当S_r＝0时，表明土是完全干燥的。

④干密度ρ_d。土的干密度是指单位体积土体中土粒的质量，即土体中土粒质量m_s与总体积V之比，表达式为：

单位体积的干土所受的重力称为干重度（γ_d），可按式（1.10）计算：

土的干密度（或干重度）是评价土的密实程度的指标，干密度大表明土密实，干密度小表明土疏松。因此，在填筑堤坝、路基等填方工程中，常把干密度作为填土设计和施工质量控制的指标。

⑤饱和密度ρ_sat。土的饱和密度是指土在饱和状态时，单位体积土的密度。此时，土中的孔隙完全被水所充满，土体处于固相和液相的二相状态，其表达式为：

式中　m′_w———土中孔隙全部充满水时的水重；

ρ_w———水的重度，ρ_w＝1g／cm³。

饱和重度γsat＝ρsat×g。

3）土的物理状态指标

土的三相比例反映着土的物理状态，如干燥或潮湿、疏松或紧密。土的物理状态对土的工程性质影响较大，类别不同的土所表现出的物理状态特征也不同。

（1）黏性土的稠度

所谓稠度，是指黏性土在某一含水率时的稀稠程度或软硬程度。黏性土处在某种稠度时所呈现出的状态，称为稠度状态。黏性土有4种稠度状态，即固态、半固态、可塑状态和流动状态。土的状态不同，稠度不同，强度及变形特性也不同，土的工程性质也不同。

所谓界限含水率是指黏性土从一个稠度状态过渡到另一个稠度状态时的分界含水率，也称为稠度界限。黏性土的物理状态随其含水率的变化而有所不同，4种稠度状态之间有三个界限含水率，分别叫做缩限ω_S、塑限ω_P和液限ω_L，如图1.17所示。

图1.17　黏性土的稠度状态

①缩限ω_S：是指固态与半固态之间的界限含水率。当含水率小于缩限ω_S时，土体的体积不随含水率的减小而缩小。

②塑限ω_P：是指半固态与可塑态之间的界限含水率。

③液限ω_L：是指可塑状态与流动状态之间的界限含水率。

④塑性指数I_P：是指液限与塑限的差值。

⑤液性指数I_L：是指天然含水率与塑限的差值和液限与塑限的差值之比。

（2）无黏性土的密实状态

无黏性土是单粒结构的散粒体，它的密实状态对其工程性质影响很大。密实的砂土，其结构稳定，强度较高，压缩性较小，是良好的天然地基；疏松的砂土，特别是饱和的松散粉细砂，其结构常处于不稳定状态，容易产生流砂，在振动荷载作用下，可能会发生液化，对工程建筑不利。所以，常根据密实度来判定天然状态下无黏性土的工程性质。

①孔隙比e判别。判别无黏性土密实度最简便的方法是用孔隙比e，孔隙比越小，表示土越密实；孔隙比越大，土越疏松。但由于颗粒的形状和级配对孔隙比的影响很大，而孔隙比没有考虑颗粒级配这一重要因素的影响，故应用时存在缺陷。

②相对密度D_r判别。为弥补用孔隙比判别的缺陷，在工程上采取相对密度判别。相对密度D_r是将天然状态的孔隙比e与最疏松状态的孔隙比e_max和最密实状态的孔隙比e_min进行对比，作为衡量无黏性土密实度的指标，其表达式为：

显然，相对密度D_r越大，土越密实。当D_r＝0时，表示土处于最疏松状态；当D_r＝1时，表示土处于最紧密状态。

4）土的压实性

土的压实性是指土体在一定的击实功能作用下，土颗粒克服粒间阻力，产生位移，颗粒重新排列，使土的孔隙比减小、密度增大，从而提高土料的强度，减小其压缩性和渗透性。对土料压实的方法主要有碾压、夯实、震动三类，但在压实过程中，即使采用相同的压实功能，对于不同种类、不同含水率的土，压实效果也不完全相同。因此，为了技术上可靠和经济上的合理，必须对填土的压实性进行研究。

（1）黏性土的击实特征

实践证明，对过湿的黏性土进行夯实或碾压会出现软弹现象，此时土的密度不会增大；对很干的土进行夯实或碾压，也不会将土充分压实。所以，要使黏性土的压实效果最好，含水量一定要适宜。

根据黏性土的击实数据绘出的击实曲线如图1.18所示。由图可知，当含水量较低时，随着含水量的增加，土的干密度也逐渐增大，表明压实效果逐步提高；当含水量超过某一界限ω_OP时，干密度则随着含水量增大而减小，即压实效果下降。这说明土的压实效果随着含水量而变化，并在击实曲线上出现一个峰值，相应于这个峰值的含水量就是最优含水量ω_OP。因此，黏性土在最优含水量时，可压实达到最大干密度，即达到其最密实、承载力最高的状态。

图1.18　黏性土的击实曲线

通过大量实践，人们发现，黏性土的最优含水量ω_OP与土的塑限很接近，大约是ω_OP＝ω_P±2；而且当土体压实程度不足时，可以加大击实功，以达到所要求的干密度。

（2）无黏性土的击实特征

无黏性土颗粒较粗大，颗粒之间没有黏聚力，压缩性低，抗剪强度较大。无黏性土中含水量的变化对它的性质影响不明显。根据无黏性土的击实试验数据绘出的击实曲线如图1.19所示。由图中可以看出，在风干和饱和状态下，无黏性土的击实都能得到较好的效果。

图1.19　无黏性土的击实曲线

工程实践证明，对于无黏性土的压实，应该有一定静荷载与动荷载联合使用，才能达到较好的压实效果。因此，振动碾是无黏性土最理想的压实工具。

1.2.2　土的工程分类与鉴别

土的工程分类目的是判断土的工程特性和评价土作为建筑场地的可用程度。把土性能指标接近的划分为一类，以便对土体做出合理的评价和选择合适的地基处理方法。土的分类方法有很多，不同部门根据研究对象的不同采用不同的分类方法。

1）按土的主要特征分类

《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2011）将作为建筑地基的岩土，分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土六大类，另有淤泥质土、红黏土、膨胀土、黄土等特殊土。

（1）岩石

作为建筑地基的岩石，根据其坚硬程度和完整程度分类。岩石按饱和单轴抗压强度标准值分为坚硬岩、较坚硬岩、较软岩、软岩和极软岩5个等级；岩石风化程度可分为未风化、微风化、中等风化、强风化和全风化岩石，详见表1.7。

表1.7　岩石风化程度划分

（2）碎石土

粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50%的土为碎石土，根据粒组含量及颗粒形状可进一步分为漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾。

（3）砂土

粒径大于2mm的颗粒含量不超过总质量的50%、粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土为砂土。根据粒组含量可进一步分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。

（4）粉土

塑性指数I_P≤10且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%的土为粉土。

（5）黏性土

塑性指数I_P＞10的土为黏性土。黏性土按塑性指数大小又分为：黏土（I_P＞17）和粉质黏土（10＜I_P≤17）。

（6）人工填土

人工填土是指由于人类活动而形成的堆积物。人工填土物质成分较复杂，均匀性也较差，按堆积物的成分和成因可分为如下几类：

①素填土。由碎石土、砂土、粉土或黏性土所组成的填土。

②压实填土。经过压实或夯实的素填土。

③杂填土。含有建筑物垃圾、工业废料及生活垃圾等杂物的填土。

④冲填土。由水力冲填泥沙形成的填土。

在工程建设中所遇到的人工填土，各地区往往不一样。在历代古城，一般都保留有人类文化活动的遗迹或古建筑的碎石、瓦砾；在山区常是由于平整场地而堆积、未经压实的素填土；城市建设中常遇到的是煤渣、建筑垃圾或生活垃圾堆积的杂填土，一般是不良地基，多需进行处理。

（7）特殊性土

《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2011）又把淤泥、淤泥质土、红黏土和膨胀土及湿陷性黄土单独制定了它们的分类标准。

①淤泥和淤泥质土。淤泥和淤泥质土是指在静水或缓慢流水环境中沉积，经生物化学作用形成的黏性土。天然含水率大于液限，天然孔隙比e≥1.5的黏性土称为淤泥；天然含水率大于液限而天然孔隙比1≤e＜1.5为淤泥质土。

淤泥和淤泥质土的主要特点是含水率大、强度低、压缩性高、透水性差，固结需时长。一般地基需要预压加固。

②红黏土。红黏土是指碳酸盐岩系出露的岩石，经风化作用而形成的褐红色的黏性土。其液限一般大于50%，具有上层土硬、下层土软，失水后有明显的收缩性及裂隙发育的特性。针对以上红黏土地基情况，可采用换土，将起伏岩面进行必要的清除，对孔洞予以充填或注意采取防渗及排水措施等。

③膨胀土。土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀性和失水收缩性，其自由胀缩率大于或等于40%的黏性土称为膨胀土。膨胀土一般强度较高，压缩性较低，易被误认为工程性能较好的土，但由于具有胀缩性，在设计和施工中如果没有采取必要的措施，会对工程造成危害。

④湿陷性黄土。黄土广泛分布于我国西北地区，是一种第四纪时期形成的黄色粉状土，当土体浸水后沉降，其湿陷系数大于或等于0.015的土称为湿陷性黄土。天然状态下的黄土质地坚硬、密度低、含水量低、强度高。对湿陷性黄土地基一般采取防渗、换填、预浸法等处理。

2）按土的坚硬程度分类及其鉴别方法

在建筑工程施工中，根据土的开挖难易程度，将土分为松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、软石、次坚石、坚石、特坚石8类。前4类属一般土，后4类属岩石。土的这8种分类方法及现场鉴别方法见表1.8。由于土的类别不同，单位工程消耗的人工或机械台班不同，因而施工费用就不同，施工方法也不同。所以，正确区分土的种类、类别，对合理选择开挖方法、准确套用定额和计算土方工程费用关系重大。

表1.8　土的工程分类及鉴别方法

续表