01-土体工程 第一篇 第1章 土的粒度成分与矿物成分-10

第一篇土的工程性质

第1章土的粒度成分与矿物成分

1-1土的粒度成分

研究土的固相成分可从土的粒度成分、矿物成分或化学成分等不同层面进行，其中土的粒度成分只需常规的土工试验便可分析，而测定土粒的矿物成分或化学成分则要复杂得多。分析土的粒度成分是用于描述组成土的各种不同大小土颗粒的分布特性，是研究土的固相部分的重要手段，因而是评价土的工程性质和划分土类的基本依据。

天然土是由大小不同的颗粒组成的,土粒的大小称为土的粒度。

土中各种不同大小的土粒的相对含量称为土的粒度成分。

土粒的形状一般是不规则的，且细土粒的大小只有微米级，甚至更小，故很难直接测量土粒的大小，只能用筛分析法或沉降分析法间接地定量描述土粒的大小。

粗土粒能通过的最小筛孔孔径或与细土粒在静水中具有相同沉降速度的等代圆球体直径称为土的粒径。

天然土的粒径通常是连续变化的，土颗粒的大小相差悬殊，有大于几十厘米的漂石，也有小于几微米的胶粒。实际工程中，不可能也不必要测定每一个土颗粒的粒径。

工程上一般将大小相近、性质类似的土粒合并为组，这种按土粒粒径大小和工程性质归并、划分的组别称为粒组。

土中各粒组的相对含量(各粒组质量占土粒总质量的百分比)称为土的颗粒级配。

粒组间的分界线，即粒组的界限粒径是人为规定的。划分粒组时应使界限粒径与粒组性质的变化相对应，并按一定的比例递减关系确定粒组的界限值。土的粒组的划分，各个国家甚至一个国家的不同行业部门往往采用不同的划分标准。粒组划分标准的差异将直接影响到土的分类。

国家标准《土的工程分类标准》（GB/T 50145-2007）中土的粒组划分见表。

行业标准《公路土工试验规程》（JTJ 051-93）中土的粒组划分见表。

土的粒度成分，包括土颗粒的大小、形状、含量和级配等诸方面都对土的工程性质有着显著的影响。土中主要颗粒的大小是影响土的工程性质的最基本因素，粗粒土与细粒土的性质各异，在于其主要颗粒的大小不同。土粒的形状是多种多样的，卵石接近于圆形或亚圆形而碎石颇多棱角，砂呈粒状而黏土颗粒大多为扁平状。由于土中颗粒粒径的变化一般是渐变的，各粒组的含量既反映了主要颗粒的粒径范围，也反映了土的级配。土的颗粒大小、形状、含量和级配等都将直接影响土的密实度、土颗粒间相互嵌挤和咬合的方式与程度，最终影响到土的力学性质。正是由于土的粒度成分的差异将使土的工程性质产生质的差异，故可用土的粒度成分作为土的分类指标。

（2）土的粒度成分的表示方法

常用的土的粒度成分表示方法有表格法、曲线图法和三角坐标法。

1）表格法是以列表形式直接表示土中各种粒度成分的相对含量。根据表格所列的内容不同，具体有两种列表方式：

一种是列出各粒组的界限粒径和对应的累计质量百分数，即小于（或大于）各粒组界限粒径的颗粒质量百分数；

另一种列出各粒组的粒径范围和对应的各粒组的颗粒质量百分数。

小于各粒组界限粒径的质量百分数可直接由试验结果整理得到，用100减去小于各粒组界限粒径的质量百分数即为大于各粒组界限粒径的质量百分数，各粒组的质量百分数可由对应各粒组两个界限粒径的累计质量百分数之差求得。

2）曲线图法是一种图形表示方法，在半对数坐标纸上，以颗粒粒径为横坐标(由于土粒粒径的值域范围较广，达几个数量级，故采用对数坐标表示)，以小于某粒径的颗粒质量百分数为纵坐标，绘制颗粒大小分布曲线，又称颗粒级配曲线或颗粒累计曲线，见图2-1-1。由颗粒级配曲线可求得各粒组的质量百分数和大于各粒组界限粒径的质量百分数。颗粒级配曲线另一重要用途是通过该曲线可确定两个土的级配指标，即不均匀系数和曲率系数。土的级配指标用于评价土的颗粒级配状况，并且作为粗粒土的分类指标。

图2-1-1 颗粒大小分布曲线

3）三角坐标法属三因分类法，也是一种图形表示方法,用于表示土只划分为三个粒组的情况。三角坐标法利用等边三角形内任意一点至三条边的垂直距离（h1、h2、h3）的总和恒等于三角形之高H的原理,将H分为100等分，则h1、h2、h3分别表示组成土的三个粒组的质量百分数，即等边三角形内的一点可以表示某一土样的粒度成分，见图2-1-2。

土的粒度成分的上述三种表示方法各有其特点和适用条件。在工程上可根据使用要求选用合适的表示方法，也可在不同的场合选用不同的方法。

表格法能较明确地用数量说明土样的各粒组含量，是最基本和最直接的表示方法，对用粒度成分进行土的分类是十分方便的，但对于大量土样之间的比较就显得过于冗长，且不够直观。

曲线图法用一条曲线表示一种土的粒度成分，可在同一张图上

表示多个土样，能直观地观察和比较其级配状况，并可确定土的级配指标，对土的级配状况进行定量评价。

三角坐标法能用一点表示一个土样的粒度成分，在一张图上能同时表示许多土样的粒度成分，便于进行土料的级配设计。三角坐标图中不同的区域表示土的不同组成，因而还可用来确定按粒度成分分类的土名。但三角坐标法适用于土只由三个粒组组成的情况。

图2-1-2 三角坐标图

（3）土的级配指标

土的粒度成分是粗颗粒土分类的最基本依据。

按土的粒度成分进行土的分类时，确定分类界限有两种方法：

一种是将各粒组的含量作为土的分类界限，如《土的分类标准》（GBJ 145-90）和《公路土工试验规程》（JTJ 051-93）中土的分类方法；

另一种是将累计的粒组含量，即大于某粒径的颗粒含量作为土的分类界限，如国家标准《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）和国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)中土的分类方法。

评价土的级配状况主要是针对粗粒土（对于黏土等细粒土，主要研究其塑性，土的级配状况已无意义），土的级配指标不均匀系数和曲率系数是通过颗粒级配曲线确定的。

1）不均匀系数

1060d d C u = （2-1-2）

式中 C u —— 不均匀系数； d 60─— 限制粒径,累计质量百分数为60%的粒径（mm ）；

d 10─— 有效粒径,累计质量百分数为10%的粒径（mm ）。

2）曲率系数

1060230d d d C c = （2-1-3）

式中 C c — 曲率系数；

d 30─ 累计质量百分数为30%的粒径（mm ）。

上述公式中，d 60、d 30和d 10的数值均在土的颗粒级配曲线图（图2-1-1）上确定。

土的级配良好包含两方面的因素：其一是土的粒径变化范围广，即粒度大小要不均匀；其二是各种粒径的颗粒都要保证一定的含量，不要出现某些粒径范围含量特别多或某些粒径范围的颗粒缺失等现象。同时满足这两方面条件的土，在压力（包括自重压力）作用下容