（岩土工程专业论文）长江口北侧松散沉积物工程特性评价研究.pdf

摘要 摘要 土的工程特性本质上是土性参数综合效应的外在表现。依据土分类的工程特性差异原则，土的工 程特性评价某种程度上是对相关土性参数一物理性质指标、力学性质指标及其相互之间关系的分析研 究。鉴于这一基本认识，本文对长江口北侧松散沉积物的工程特性进行了分析研究。 长江口北侧松散沉积物受长江发育演变、古气候冷暖周期性变化、以及海侵与海退等因素影响， 形成一套具有多沉积旋回韵律的海陆交互相巨厚松散层。由于所受地质作用及沉积环境的复杂性，使得 表征长江口北侧粘性土传统的物理性质指标与力学性质指标之间发生显著脱节。由物理性质指标并不能 如期地推测土的工程性质( 如渗透性、力学强度、压缩性等) 。表现出粘性土的物理特性指标偏“软( 差) ” 与工程特性指标偏“硬( 好) ”的不吻合性。 针对这一工程现象，在回顾现有土分类研究现状的基础上，运用多元统计主成分分析原理，研究 了长江口北侧( 通启段沿线) 软质土( 主要为亚粘土、亚砂土) 常规物理性质指标反映其土性性质的能力。 得出孔隙特征和粒度成分指标，反映该亚砂土土性性质水平最高；塑性特征指标反映亚粘土土性性质水 平相对最高的结论。塑性特征指标反映亚砂土的基本信息的能力显著偏低，且采用液性指数划分其稠度 的传统方法及公路桥涵地基与基础设计规( j t j 0 2 4 8 5 ) 把亚砂土归属为粘性土范畴，显得不尽合 理，值得商榷。这一结论，对今后规范的修订具有一定的借鉴与参考价值。 其次，应用灰色理论的关联度分析原理，对长江口北侧粘性土的物理状态指标与力学指标间的关 系进行了分析研究，量化了指标间的关联性。初步建立了基于孔隙函数f e 或孔隙比e 更加合理、简单 和有效的亚砂土物理状态划分的新标准。这一标准相对传统的液性指数i l 的划分原则，使得物理状态 指标与力学指标有良好的对应性。亚粘土、粘土的关联度分析结果表明，指标含水比i c 与力学指标间 的关联性相对最好，建立以含水比l c 为控制指标的物理状态划分体系，不仅与力学指标有良好的对应 性，而且避免了传统状态划分指标( i l ) 中塑限指标测试所带来较大误差的影响。新的物理状态评价体 系，为长江1 3 北侧( 通启段沿线) 软质土的工程特性评价提供了依据，且对今后类似工程场地工程特性 的认识，具有借鉴作用和参考价值。 晟后，对长江1 3 北侧( 通启段沿线) 沉积物的物理力学性状进行分析研究，得出长江口北侧软质土 相对一般软土地基，其强度明显偏高的结论。此结论不仅具有重要的工程指导价值，而且为类似场地合 理选取地基处理方式提供依据。 关键词：粘性土：亚粘土；亚砂土；稠度；物理性质指标；力学性质指标；主成分分析；关联度分析 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i co fs o t l l st h ec o m p r e h e n s i v er e p r e s e n t a t i v eo f t h es o i lp a r a m e t e r se s s e n t i a l l y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fs o t lc l a s s i f i c a t i o n ，t os o m ee x t e n t ，t h ee v a l u a t i o no fs o l le n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c si sn a m e l yt h es t u d yo ft h es o t lp h y s i c a li n d i c e s 、t h em e c h a n i c a ii n d i c e sa n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e m i nv i e wo ft h ea b o v eu n d e r s t a n d i n g , t h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h el o o s es e d i m e n ti nt h e n o r t ho f y a r i g t z er i v e re s t u a r ya r ea n a l y z e di nt h i sp a d e r t h e1 0 0 s es e d i m e n ti nt h en o r t ho fy a n g t z er i v e re s t u a r yi saq u i t et h i c kl o o s el a y e r c o n s i s t i n go f m a r i n e c o n t i n e n t a ld e p o s i tw i t hm u l t i d e p o s i tc y c l er h y t h m i t e sf o rb e i n gl n f l u e n c e db yd e v e l o p m e n te v o l u t i o n o f y a n g t z er i v e r 、c o l d w a r mp e r i o d i cv a r i a t i o no f p a l e o c l i m a t e 、t r a n s g r e s s i o n 、r e g r e s s i o na n do t h e rf a c t o r s f o rt h ec o m p l e x i t yo fg e o l o g i c a lp r o c e s s e sa n dd e p o s i t i o n a le n v i r o n m e n t ，t h ec o n v e n t i o n a lp h y s i c a li n d i c e s p r o m i n e n t l yd i s a g r e ew i t ht h ec o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a li n d i c e sr e p r e s e n t i n gc l a y e ys o i li nt h en o r t ho fy a n g t z e r i v e re s t u a r ys ot h e e n g i n e e r i n gp r o p e r t y o fs o i ls u c ha sp e r m e a b i l i t y 、m e c h a n i c a l s t r e n g t ha n d c o m p r e s s i b i l i t y c a n tb e n r e r r e df r o mi t sp h y s i c a li n d i c e sa su s u a l t h ed i s c o r d a n c ei st h a tt h ep h y s i c a l i n d i c e sa r es o f t e ra n dt h em e c h a n i e a l i n d i c e sa r eh a r d e rt h a nt h eu s u a l f i r s t l y ，a i m i n ga tt h ee n g i n e e r i n gp h e n o m e n o n ，b a s e do nr e v i e w i n gt h es i t u a t i o no fs o i lc l a s s i f i c a t i o n ，t h e p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sp r i n c i p l ei nm u l t i s t a t i s t i ct h e o r yi sa p p l i e dt or e s e a r c ht h ec a p a b i l i t yt h a tt h e r o u t i n ep h y s i c a li n d i c e so fs o f tc l a y ( m a i n l yl o a ma n ds a n d yl o a m ) i nt h en o r t ho fy a n g t z er i v e re s t u a r y ( a l o n gt h et o n g q ih i g h w a yl i n e ) r e f l e c ts o i lc h a r a c t e r i s t i c t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ep o r ec h a r a c t e r i s t i c j n d i c e sa n dg r a i ns i z ec o m p o s i t i o ni n d e xc a nr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i co f s a n d y 】d a n 3m o s t l y o nt h eo t h e rb a n d t h ec h a r a c t e r i s t i ci n d e xo fp l a s t i c i t yc a nr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i co fi o a mm a i n l y t h ea b i l i t yt or e f l e c tt h e b a s i ci n f o r m a t i o no fs a n d yl o a mb yt h ec h a r a c t e r i s t i ci n d e xo fp l a s t i c i t yi sr e d u c e dp r o m i n e n t l y a n di ti sn o t a l ir e a s o n a b l et h a tt h er o u t i n em e t h o dt oa d o p t i n gr e l a t i v ew a t e rc o n t e n t ( 1 l ) t od i v i d ec o n s i s t e n c yo fs a n d y l o a ma n dt h a ts a n d yl o a mi ss u b j e c tt o c l a yc a t e g o r yi n 印e c i f i c a t i o n sf o rd e s i g no fg r o u n db a s ea n d f o u n d a t i o no f h i g h w a yb r i d g e sa n dc u l v e r t s ( j t j 0 2 4 - 8 5 ) ，s oi td e s e r v e sd i s c u s s i o n t h er e s u l t sa r eu s e f u lf o r t h em o d i f i c a t i o no f c r i t e r i o nj nf u t u r e s e c o n d l y ，t h eg r e yc o r r e l a t i o na n a l y s i sp r i n c i p l ei sa p p l i e dt oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep h y s i c a l s t a t ei n d i c e sa n dt h em e c h a n i c si n d i c e so fc l a y e ys o i li nt h en o r t ho fy a r 【g t z er i v e re s t u a r y ，w h i c hq u a n t i f i e s t h ec o r r e l a t i o na m o n gt h ei n d i c e s e s s e n t i a l l ym o r er a t i o n a i 、s i m p l ea n de f f e c t i v es t a n d a r di se s t a b l i s h e db a s e d o i lf i o r a v a n t ep o r ef u n c t i o n ( f e ) o rv o i dr a t i o ( e ) t h eb e t t e rc o r r e s p o n d e n c ei sr e a c h e db e t w e e nt h ep h ) s i c a l s t a t ei n d i c e sa n dt h em e c h a n i c a ii n d i c e sb yt h en e ws t a n d a r d c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ld i v i s i o n p r i n c i p l eo fr e l a t i v ew a t e rc o n t e n t ( 1 c ) ，t h eg r e yc o r r e l a t i o na n a l y s i sr e s u l t so fl o a ma n ds a n d yl o a mi n d i c a t e t h a tt h eg r e yc o r r e l a t i o nb e t w e e nw a t e rc o n t e n tr a t i oa n dt h em e c h a n i c a l l n d i c e sa r et h er e l a t i v e l yb e s t s oj ti s n o to n l yl e a dt h eb e t t e rc o r r e i p o n d e n c eb e t w e e nt h ei n d e xo fw a t e rc o n t e n tr a t i oa n dt h em e c h a n i c a li n d i c e s b u ta l s oa v o i dt h ei n f l u e n c eo fe r r o rt e s t i n gp l a s t i cl i m i t ( w p ) i nt h ec o n v e n t i o n a ld i v i s i o ni n d e xo fr e l a t i v e w a t e rc o n t e n t ( i l ) t h a te s t a m i s ht h en e wd i v i s i o ns y s t e mo fp h y s t e a ls t a t ew i t hw a t e rc o n t e n tr a t i o ( i c la st h e d o m i n a t e i n d e x t h en e we v a l u a t i o ns y s t e mo fp h y s i c a ls t a t eo f f e r st h ef o u n d a t i o nf o r e n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c se v a l u a t i o no fs o rc l a yi nt h en o r t ho f y a n g l z er i v e re s t u a r y ( a l o n gt h et o n g q ih i g h w a yl i n e ) ， a n di ti su s e f u la n dv a l u a b l ef o re n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sc o g n i t i o no ft h ea n a l o g i c a le n g i n e e r i n gf i e l df o r t h ef u t u r e f i n a l l y ，t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s e d i m e n ti nt h en o r t ho f y a n g t z er i v e re s t u a r y ( a l o n gt h e t o n g q ih i 曲w a y 】i n e ) a r er e s e a r c h e d ，ac o n c l u s i o ni sd r a w nt h a ts o f tc l a y e ys o i li nt h en o r t ho fy a n g t z er i v e r e s t u a r yh a v em u c hh i g h e rs t r e n g t hc o m p a r e dw i t ht h eg e n e 捌s o f ts o l lf o u n d a t i o n t h ec o n c l u s i o ni sn o to n l y i m p o r t a n tg u i d a n c ev a l u ef o re n g i n e e r i n gb u ta l s oo f f e r e dt h ef o u n d a t i o nf o rs e l e c t i n gm e t h o d so ff o u n d a t i o n t r e a t m e n t k e yw o r d s ：c l a y e ys o i l l o a m s a n d yl o a mc o n s i s t e n c yp h y s i c a li n d i c e s m e c h a n i c a li n d i c e s p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s g r e yc o r r e l a t i o na n a l y s i s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档。可以采用影印、缩印或其他复制手段何在论文。本从电子文档的内容和 纸质论文的内容一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 导师签名：日期： 绪论 绪论 0 1 概述 在工程建设领域特别是岩士工程领域，大部分的建筑物都是以地竞表层的松散沉积物( 土) 作为建筑 地基( 如厂基、坝基、路基等) 、建筑介质( 地下硐室围岩、地f 涵管、隧道，边坡工程) 或建筑材料( 土 坝、路堤或填土地基) 。因此，地壳表层松散沉物( 土) 的工程性质直接关系着工程建设的质量、经济和 安全生产。 自然界的土种类繁多，性质各异，要正确、科学地认识土的工程性质，必须对土的一般性分类、局 部性分类咀及专门性分类( 如土的工程分类) 有着深刻的认识与理解。目前，各国土的分类标准进展情况， 主要体现在各国现行的相关规范中。国外主要国家( 美、英、德、日、法、印、苏等) 的土质分类均在 美国的统一土质分类法( u s c s ) 的基础上结合本国的国情而制定了各自国家统标准的土质分类方法( 苏 联分类除外) 。 国外分类筒况衰 裹0 1 国家名称 分类名称 美国 德国 英国 日本 ( 原) 苏联 国内的分类方法主要是在5 0 年代引进苏联分类方法之后。经过6 0 、7 0 、8 0 、9 0 年代借鉴国外其 它国家及结合本国的实际情况的过程中，确立了目前国内作为国家标准和应用较广的土的工程分类的各 规范，参见表2 。 国内土分类简况寰表0 - 2 序号 l 2 3 4 5 分类名称 土的分类标准( g b j l 4 5 9 0 ) 建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 公路桥涵地基与基础设计规范( j t j 0 2 4 - 8 5 ) 托 路土公试验规程( j y j 0 5 】一9 3 ) 岩土工程勘察规范( g b s 0 0 2 l 一2 0 0 1 ) 其中建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 、公路桥涵地基与基础设计规范( j t j 0 2 4 - 8 5 ) 是建筑工程系统的分类体系侧重于把土作为建筑地基和环境。公路土工试验规程( j t j 0 51 9 3 ) 是工程材料系统的分类体系侧重于把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基等工程。公路 桥涵地基与基础设计规范( j t j 0 2 4 8 5 ) 与公路土工试验规程( j t j 0 5 1 9 3 ) 是公路建设领域士的分 类标准，是目前现行使用的标准。两者在本质上属于不同分类体系。区别是显而易见但是在实际工程 应用中，混淆现象时有发生，给工程设计带来诸多不便。 目前，在公路桥涵地基土分类中，土被分为砂性土和粘性土。然而在实际工程建设中，特别在分 布广泛软弱地基的三角洲地区，往往会遇到介于两者之间天然沉积的一类土，粉粒含量比较高，粘性土 中经常含有一定量的粗粒含量，或砂性土中经常含有一定量的细粒含量，呈现互层或交互层理。按现有 公路桥涵地基与基础设计规范( j t j 0 2 4 - 8 5 ) 物理判别指标，则将这一类土归为粘性土范畴。然而已 有的工程实践认识，发然这一类土虽有类似于粘性土的常规物理性指标，但其工程性质特征( 如压缩性、 渗透性、强度等) 有剐于传统的砂性土与粘性土。因此，以适用于粘性土的物理性质、物理状态划分、 力学性能分析以及工程性质评价的指标或方法运用于这一类物理性质指标类似于粘性土，工程性质却异 于粘性土的土是不尽合理的。如何正确认识与评价这类土的物理性质、力学性质以及物理性质指标与力 学性质指标间的关系，建立客观合理的工程特性评价体系，并指导工程设计与施工成为在软弱地基分布 区进行公路工程建设中的关键技术之一。 0 2 本文主要内晷 对于此类物理性质类似于粘性土，而力学性质却大不相同的“土”的系统分析研究，在国内外并不 多见。国外学者n a k a s ee ta l i l l ( 1 9 8 5 ) 通过在室内调整粘性士的粗粒含量，研究了粗粒含量对具有不同 砂粒含量的重塑孝占性土的无侧限抗压强度的影响，t a n a k ae ta 1 “1 ( 1 9 9 8 ) 初步探讨了砂粒含量约大于 蛆 譬j 虬的：1 争峪 州虻， 幅d b 东南大学硕上学位论文 5 0 的天然沉积土的力学性状。c o l aa n ds i m o n i n i ( 2 0 0 2 ) 初步分析了天然沉积粉土的力学参数与物理 指标的关系。国内学者邓学钧、石名磊、洪振舜【4 5 1 ( 2 0 0 3 ) 在这一方面也进行了颇有成效地探索性分析 研究。本文就该类土，结合长江1 5 1 北侧区域高速公路( 南通一启东高速公路) 软质土处置研究丁程项目， 对其在公路地基土分类中类别及工程特性作比较系统的分析研究。 通启高速公路项目区位于长江口北侧，分布有大量的第四系沉积物。该区域受长江发育演变中气候 冷暖变化、多次旋回海侵海退等内外动力地质作用的影响，形成了与典型静海沉积不同的复杂海陆交互 相沉积屡和部分海相沉积层。由于沉积环境的不同，致使项目区的第四系沉积物特别是软弱土在物质组 成，颗粒大小，结构特征以及力学性质表现出与典型环境下软弱土性质的差异性。显著特征是沿线地层 粘性土中夹砂或互砂层多、粉粒含量高咀及“表征土的物理性质的指标偏软( 差) ，而表征七工程性质 的相关力学指标偏硬( 好) ”的现象。所谓的物理性指标偏“软( 差) ”主要是指粘性土的物理状态 指标相对较差，即软土或软弱土的孔隙比e 较大( 接近或略大于1 0 ) ；稠度指标 较高( 超过1 0 ，甚 至达到2 o ) 。但是，其他物理性指标，例如天然含水量阡j 天然重度衍u 液限暇。等指标相对优于典型 软土。力学性能指标偏“硬( 好) ”，是指软土或软弱土( 统称软质土) 的强度指标、压缩性指标和原位 的c p t 和s p t 的指标明显偏优于一般软土。物理性质指标与力学性质指标表现出显著的不对应性。尤 为突出的一个现象，就是工程勘查报告中，依据现行公路地基土分类标准公路桥涵地基与基础设计 规范( j t j 0 2 4 8 5 ) 定名的塑性相对较低的亚粘土、亚砂土，根据稠度指标i l l 。其已经呈流塑状态， 但其强度特性明显高于一般典型的软土强度。不仅如此，士的渗透性能与固结特性等，均与典型软土不 尽相同，即一般排水固结的速度相对明显偏快。 针对上述依据现行公路地基土分类标准公路桥涵地基与基础设计规范( j ”0 2 4 8 5 ) 及交通部公 路软土地基路堤设计与施工技术规范( j t j 0 17 - 9 6 1 所定名的软弱粘性土，表现出异于传统认识的粘性土 的性质特征。本文主要做了如下研究分析。 1 要对土的工程特性有客观正确的认识，必然要对土的分类有着深刻的认识与理解。因此，文中首 先对现有土的分类标准或方法进行了全面地回顾与总结。 2 在深刻认识与理解土的分类标准及原理的基础上，运用多元统计理论中主成分析原理对长江口北 侧( 通启段) 软质土( 通启段工勘报告揭露沿线软弱粘性主要为亚粘土、亚砂土及少量的粘土) 的物理 性质指标进行了统计分析在尽可能少丢失研究体系信息的前提下- ，从众多的常规性物理指标中 找出反映研究体系的主要影响因素指标。量化了多指标反映长江口北侧( 通启段) 软质土土土性信息 的能力大小，直接得出长江口北侧( 通启段) 的软弱粘性土与传统认识的粘性土具有显著差异性的结 论，为进一步建立工程特性评价体系奠定了基础。 3 长江口北侧( 通启段) 软质土复杂的沉积环境，使得其物理性质指标、物理状态指标与力学性质之间 的联系结构、运行机制、联系关系、模型都表现出相当的“灰”性。鉴于此，运用灰色理论中的 关联度分析原理，对长江口北侧( 通启段) 软质土的物理状态指标与力学指标进行了关联度分析，量 化了不同物理状态指标与力学性质指标闻的密切程度。在此基础上，初步建立了不同于传统以液 性指数i l 为控制指标的物理状态评价体系。量化的物理状态指标与力学性质指标间的关系及新的 物理状态评价体系对长江口北侧( 通启段) 软质土的工程特性合理评价提供了依据，有效地指导了工 程应用。 4 三相物质组成是构成土的工程性质的物质基础。成分因素f 土粒的形成、大小、矿物成分等) 决定了 士的工程性质的可能变化范围，环境因素( 温度、压力、物理化学条件等) 决定了工程性质的变化趋 势。因此，基于前面对长江口北侧( 通启段) 软质士的分析研，结合长江口北侧( 通启段) 软质土的沉 积历史、地质成因或地质环境，研究常规试验结果( 含水量、液限、塑限、颗分、比重试验) 、常规 力学试验( 室内十字板、无侧限抗压、固结压缩、三轴固结不排水、固结快剪、渗透试验) 及相互间 的影响规律。结果表明长江口北侧( 通启段) 软质土虽具有类似于一般饱和粘性土的物理性质，但是 其力学性质却强于一般饱和粘性土。同时，进一步证明了运用统计分析与灰理论分析所得结果的 合理性与正确性。这些认识，为长江口软弱粘性土的地基处理的优化设计提供了理论依据，降低 了工程成本。 综上所述，国内外对类似于长江口北侧( 通启段) 软弱粘性土的工程性质的系统研究相对甚少，故本 论文结合工程实践所做相对比较系统的研究成果，为公路工程建设领域相关规范的修订具有重要的参考 债值。其次不仅可以提高对该类软质土的工程性质的研究和认识水平，还直接指导了该项目区软质土地 基处理技术的优化设计，降低了工程成本，取得了显著的经济效益。除此之外，本论文研究该类软质土 的方法，为今后类似研究提供了新方向。而且分析成果对今后类似工程场址的工程建设具有重要的借鉴 作用及参考价值。 2 第一章土韵分类研究现状 第一章土的分类研究现状 1 1 概述 自然界的土类众多，工程性质各异。土的分类体系就是根据土的： 程性质差异，将土划分成一定的 类别，其目的在于通过种通用韵鉴别标准，以便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累和学术 与经验的交流。目前，国内外没有统一的土分类标准。但一般应遵循下列基本原则。 f ! ) 简明的原则，即土的分类体系采用的指标，既要能综合反跌土的主要工程性质；又要测定方 法简单，使用方便。 ( 2 ) 工程特性差异的原则，土的分类体系应在一定程度上反映不同工程士的特性差异。 土的工程分类体系一般有两大类，一是建筑工程系统的分类体系- 钡1 i 重于把土作为建筑地基和环 境，故以原状土为基本对象。土的分类除考虑土的组成外，很注重土的天然结构性。二是工程材料系统 的分类体系侧重于把土作为建筑材料，用于路堤、- 十坝和填土地基等下程。这类分类体系以扰动土 为基本对象，注重土的组成，不考虑土的天然结构性。 目前，在国内作为国家标准和应用较厂的土的工程分类主要有建筑地基基础设计规范 ( g b 5 0 0 0 7 ) 、岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 9 4 ) 、以及土的分类标准( g b j l 4 5 9 0 ) 。国际上，美 国的a a s h t oc l a s s i f i c a t i o ns y s t e m ( a s t md e s i g n a t i o nd 一3 2 8 2 、a a s h t om e t h o dm 1 4 5 ，1 9 4 5 ) 和英国的 t h eb r i t i s hs o i lc l a s s i f i c a t i o ns y s t e m ( i nb s5 9 3 0 ) 等。 本课题研究土的分类，主要涉及砂性土、粘性土以及介于二者之间的中间土。显然砂性土属于粒状 散体类材料( g r a n u l a rs o i l s ) ：粘性则属于具有一定粘聚力和明显塑性特征材料( c o h e s i v es o i l s ) 。介于 二者之间的中间土，具有不同组成、性质和特征。国标中( g b 5 0 0 0 7 ) 明确提出了介于粘性土和砂性土 之间的粉土( s i l ts o i l s ) 的概念；在桥涵规范中，提出粘性土中亚砂土的概念，充分表明对这类土性质 的特殊性有了初步的认识。但是，在桥涵规范中，亚砂土隶属于粘性士类的台理性，值得进步研究。 事实上中间土范畴相对一般“粉土”的概念更加广泛，例如自然界中粘性土中夹砂或互砂、砂性土中夹 粘性土或互粘性土等，均隶属于中问土，而表现出与砂性土和粘性土不同的特殊性质。 由此可见，针对砂性、中问和粘性土分类和特性研究，尤其是中间土的特性研究，具有重要的 理论意义和实用价值。这一领域的研究，将主要涉及到土的个体特征、土的集合体特征和土的塑性特性。 1 2 土的结构及颗粒特征 1 2 1 土粒个体特征 根据士的分类标准( g b j l 4 5 9 0 ) 中规定的界限粒径2 0 0 、6 0 、2 、0 0 7 5 和o 0 0 5 m m ，把土粒 粒组分为巨粒、粗粒和细粒三个统称，再分为六大粒组：漂石或块石颗粒、卵石或碎石颗粒、圆砾或角 砾颗粒、砂粒、粉粒及粘粒，参见表l 一1 。 土粒的个体特征般指士的颗粒级配( 粒度成分) 和形状。粒度成分常采用累计曲线法表示，并 可以得到土粒级配的两个定量指标，即：不均匀系数c 。及曲率系数c c 。工程应用中，一般c 。 1 0 的土，属级配良好，对于级配连续的土，采用单一指标c u ，即可 达到比较满意的判断结果。但是，对于缺乏中间粒径的土，即级配不连续时，单一指标c u 则难以有效 判定土的级配好坏。因此，一般建议对于砾类或砂类土，同时满足c o _ 5 和c o = i 3 两个条件时，则 为良好级配砾或良好级配砂；如不能同时满足，则为级配不良。 1 2 2 土的集合体特征 土的结构是由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。土的结构是 指士粒的原位集合体特征，与土的组成、生成历史等有关。土的结构对地基土层的性质有重要的影响。 1 无粘性土的结构 无粘性土一般指碎石类土、砂性士或粉土，这类土的结构可分为单粒结构( s i n g l eg r a i n e ds t r u c t u r e ) 和蜂窝结构( h o n e y c o m b e ds t r u c t u r e ) 。单粒结构是由粗大土粒在水中或空气中下沉而形成的，土颗粒相 互间有稳定的空间位置，为碎石类土和砂类土的结构特征。单粒结构相对简单，土粒粒度和形状，空间 的相对位置决定其密实度。 蜂窝结构主要是由粉粒或细砂粒组成的土的结构形式。据研究，粉粒成分( 粒径为o 0 7 5 - 0 0 0 5 m m ) 在水中沉积时，土粒沉积时，粒间作用形成士粒链。土粒链组成弓架结构，形成具有很大孔隙的蜂窝状 东南大学顾士学位论文 结构。由于弓架作用和一定程度的粒间的联结，使其可承担般水平的静载荷。但是，当其承受较高水 平荷载或动力荷载时，其结构将被破坏，导致严重的地基沉降、孔隙水压力集聚导致地基液化病害。 土粒粒组的划分表1 - 1 粒组名称粒径范围( r a m ) 一 般特征 漂石或块石颗粒 2 0 0 透水性很大，无粘性，_ 无毛细水 卵石或碎石颗粒2 0 0 - 6 0 圃砾或 粗 6 0 - 2 0 出 2 0 、5 透水性大，无粘性毛细水上升高度不超过粒径大小 角砾颗粒 细 5 2 粗 2 05 中 0 5 0 2 5 易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加， 砂粒无粘性，遇水不膨胀，干燥时松散；毛细水上升高度不大， 细0 2 5 加1 随粒径变小而增太 极细 0 - 4 ) 0 7 5 粗00 7 5 00 1透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩；毛 粉粒 细00 l - 00 0 5细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象 透水性很小，湿时有粘性、可塑性遇水膨胀大，干时收缩 粘粒 0 0 0 5 显著；毛细水上升高度大，但速度较慢 注。i 爵石，鼻石和爵拉均呈室融軎形捷( 帚戚重一蓐) i = 央石，痒石和鸯砾粒带育茛前 2 牯牲戚确土粒；糟拉或称糖土粒- 3 粘粒的粒径上限也有采用o a _ 的 4 麓粒酌鞋径上甩也有直接以o 号一翦 l 径m0 7 4 i 为堆。 2 粘性土的结构 对细小的粘粒( 粒径小于 o 0 0 5 m m ) 或胶粒( 小于o 0 0 2 m m ) 。重 ：要篓； 力作用相对很小，在水中长期悬浮，土粒= 。鼍： 与水产生的粒问作用力就凸显出来。粒间熏竺皇2 t 一 作用力有粒间排斥力和粒问吸引力，且均二二。 随粒间的距离减少而增加，但是增长速率口圃口口 显著不同。当总的吸引力大于排斥力时表哥圊 现为净吸力，反之为净斥力。当土粒间为 r “r h 、f “ 净斥力时，在分散状态下缓慢沉积，形成 定向( 或至少半定向) 排列的，即片状颗 围1 _ 1 粘土囊牧沉积结构 粒在一定程度上平行排歹吐的分散型结构 ( i ) 分t t ( b ) 非盐液中鼙疆；( c ) 盐灌中絮凝 ( d i s p e r s i o n ) ，如图1 1 ( a ) 。在粒间为净 吸力时，形成絮凝结构( f l o c c u l a t i o n ) ，如图1 - 1 ( b ) 和( c ) 。絮凝结构实际是不稳定的，随着溶液性质 的改变或受到震荡后可重新分散。当然，具有絮凝结构的粘性，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，是影响这一类土 工程性质的主要因素之一。 在自然界中，由单一的糙颗粒形成 的沉积物并不存在。电子显微镜的研究表 明，粘粒常集合或絮凝成亚微观的基本单 元，可称之为“域”( d o m a i n s ) ；域集合成 锑p ( d u s t e s ) ；群再大量群集构成土的结 构单元( p e d s ) 。结构单元的排列与联结构 成了土的结构，见图1 2 。 由上述可以看出，粘性土的结构十分 复杂。从实际工程的角度出发，其宏观结 构对土的性质有重要影响。但从根本上来 说，土的微观结构相对更加重要，是认识 其性质的本源。关于粘士结构的基本概念 汇总，见表1 2 。 圈1 - 2 轱性土的鲭构 ( t ) 结构簟元和宏观孔t 的捧捌；( b ) 域、群和粉粒的排列特征 4 第一章的分类研究现状 轱性土的结构表1 - 2 分散结构单个粘土颗粒沉积而成，基本平行排列 絮凝结构悬浮的粘土颗粒絮凝后沉降而成 域粘土颗粒絮凝结构构成的亚微观基本革元 群域群集而成，在轻微显微镜下可视 结构单元群对迭而成，裸限可视 1 3 粘性土的物理特征 粘性土界限含水量分别为缩限w 。、塑限w l 和液限w p 。粘性土在定含水量范围内，具有可塑性 是粘性土最基本的物理特征之一。粘性土塑性指数厶为液限和塑限差值，在一定 ! 度上，塑性指数综 合反映了粘性土及其组成的基本特性。因此，在工程上常按塑性指数厶对粘性土进行分类。液性指数 是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。当土的天然含水量w 小于w r 时，屯小于0 ， 天然土处于坚硬状态：当w 大于w ，时，虹大于1 ，天然土处于流动状态；当w 在w r 与w l 之间时，即 丑在0 - 1 之间，则天然土处于可塑状态。因此，可以利用液性指数屯作为粘性士物理状态( 稠度) 的划 分指标，参见表1 - 3 和1 - 4 。综上，粘性土的界限含水量对粘性土的分类及工程性质的评价有重要意义。 液性指教值划分粘性土稠度状态( g b 5 0 0 0 7 ) 表1 - 3 状态坚硬 硬塑可塑软塑流塑 液性指数i l _ o 0 l 匹0 2 5 02 5 i 匹0 7 507 5 1 l _ 1 0 粘性土物理状态按液性指数划分( j t j0 2 4 8 5 )襄1 。4 坌堡塑丝趱墼! ! 坚硬、半坚硬i l o _ 硬塑 0 0 i l _ 05 叫坐仉心 软塑 05 s i 匹lo 流塑1 亡10 液限含水量的测定主要有锥式液限仪和碟式液限仪两种。塑限的测定可采用搓条法、锥式液限仪， 根据液、塑限联合测定法测试。5 0 年代以来，我国一直以7 6 9 圆锥仪下沉深度】0 r a m 作为液限标准( j ” 0 2 4 8 5 ) ，但这与碟式仪测得的液限值不一致。国内研究成果分析表明，取重量7 6 9 、锥角3 0 0 的唾锥仪 下沉深度1 7 m m 时的含水量与碟式仪测出的液限值相当。公路土工试验规程( j t j 0 5 1 - 9 3 ) 规定采用重 量1 0 0 9 、锥角3 0 0 的圆锥仪下沉深度2 0 m m 与碟式仪测定的液限值相当。 必须强调，粘性土界限含水量指标w p 与w l 都是采用重塑土测定的，它是天然结构完全破坏的重塑 土的物理状态界限含水量。它们反映粘土颗粒与水的相互作用，但并不能完全反映具有结构性的粘性土 体与水的关系，以及作用后表现出的物理状态。 1 4 土的分类现状 1 4 1 土的分类标准 土的统一分类系统( u n i f i e ds o i l c l a s s i f i c a t i o ns y s t e m ) 来源于卡萨格兰特( 美国，ac a s a g r a n d e ，1 9 4 2 ) 提出的一种分类法体系( 属于材料工程系统的分类) 。其主要特点是充分考虑了土的粮度成份和塑性指 标，即粗粒土土颗粒的个体特征和细粒土土粒与水的相互作用。这一方法采用了扰动土的测试指标，对 于天然土作为地基或环境时，忽略了土粒的集合体特征( 土的结构性) 。因此，无法考虑土的成因、年 代对土工程性质的影响。目前，这一分类方法广泛应用岩土工程界。 在我国，为了统一工程用土的鉴别、定名和描述，同时也便于对土性状做出定性评价，与卡氏分类 体系相似，制定了国标土的分类标准( g b j | 4 5 - 9 0 ) 。对于一般土分类时，首先应判别土属于有机土 还是无机士。对于一般无机土的分类，首先根据土的粒度成份，将划分为巨粒土、含巨粒土、粗粒土 和细粒土。粗粒土又细分为砾类土和砂类土，并根据细粒含量和级配好坏进一步细分。细粒土则根据其 在塑性图上的位置进一步细分。此外