1.2　地基岩土的分类及工程特性指标

1.2.1　岩石的分类

岩石为颗粒间牢固连接、呈整体或者具有节理裂隙的天然地质体。岩石作为建筑物地基，除应确定其地质名称之外，尚应按表1-3、表1-4划分其坚硬程度与完整程度。

岩石的坚硬程度应按照岩块的饱和单轴抗压强度frk按表1-3分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩以及极软岩。当缺乏饱和单轴抗压强度资料或不能进行该项试验时，可在现场通过观察定性划分。

岩体完整程度应按表1-4划分为完整、较完整、较破碎、破碎以及极破碎。

注：完整性指数为岩体纵波波速与岩块纵波波速之比的平方。选定岩体、岩块测定波速时应有代表性。

岩石按风化程度可分为未风化、微风化、中风化、强风化以及全风化。微风化岩石岩质新鲜，表面稍有风化迹象。中等风化岩石结构与构造层理清晰，岩体被节理、裂隙分割成块状（粒径为20～50cm），裂隙中填充少量风化物，锤击声脆，并且不易击碎，用镐难挖掘，岩心钻方可钻进。强风化岩石结构和构造层理不甚清晰，矿物成分已显著变化，岩体被节理、裂隙分割成为碎石状（粒径为2～20cm），碎石用手可折断，用镐可挖掘，手摇钻不易钻进。

1.2.2　土的分类

土是自然地质历史的产物，它的成分、结构以及性质是千变万化的，工程性质也是千差万别的。为了能大致地判断土的基本性质、合理地选择研究内容与方法，以及便于科学技术交流，有必要对土的类型进行科学的划分。一般的，根据不同的工程目的、不同的工程领域和不同的研究内容、方法将具有共性的土划归为一类。这些共性对于其他领域而言即为个性，类别的划分突出了这些个性，有利于人们侧重深入研究这些个性。

目前，土的分类体系主要有两种：第一种体系按照土的粒径从粗到细的顺序，以大于某一粒径土颗粒的百分数含量超过某一界限来定名；第二种体系则按照两个土颗粒粒组相对含量的多少，以含量多的来定名。两个体系对于粗粒土都是根据粒度成分来分类的，而对于细粒则是根据土的Atterberg界限进行分类的。此外，还有一些其他分类方法。对于细粒土，第一种体系根据塑性指数分类，第二种体系则根据塑性图分类。

我国土的分类体系受到以上两种体系的影响，在不同工业领域形成了种类繁多、特点各异的分类体系标准。其中，影响较大的一个是以国家标准《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）（2007版）为代表的分类体系，反映了我国对于美国ASTM分类方法的研究水平。另一个分类体系源自前苏联的土分类方法，通过我国几十年工程实践经验总结和科学研究，已有明显的发展。前者将土分为巨粒土、含巨粒的土、粗粒土（砾类土和砂类土）和细粒土四个大类，而后者则把土划分为碎石土、砂土、粉土以及黏性土四个大类。

在《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）中，土的定名标准见表1-5，土的种类划分标准见表1-6～表1-9。

注：分类时应根据粒组含量栏从上到下以最先符合者确定。

注：分类时应根据粒组含量栏从上到下以最先符合者确定。

注：塑性指数由相应于76g圆锥体沉入土样中深度为10mm时测定的液限计算得到。

碎石土和砂土的密实度可以由表1-10与表1-11得到。

注：1.本表适用于平均粒径小于等于50mm且最大粒径不超过100mm的卵石、碎石、圆砾、角砾。对于平均粒径大于100mm的碎石土，可按《建筑地基基础设计规范》（CB 50007—2011）附录B鉴别其密实度。

2.表内N63.5为经综合修正后的平均值。

有机土的野外鉴别方法见表1-12。

粉土为介于砂土和黏性土之间，塑性指数Ip≤10并且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50％的土。

红黏土为碳酸盐岩系的岩石经红土化作用形成的高塑性黏土，其液限通常大于50。红黏土经再搬运后仍保留其基本特征，其液限大于45的土为次生红黏土。

人工填土指的是由于人类活动而堆积的土，根据其物质组成和成因，可分为素填土、压实填土、杂填土以及冲填土。

素填土为由碎石土、砂土、粉土以及黏性土等组成的填土。经过压实或夯实的素填土为压实填土。杂填土为含有建筑垃圾、工业废料以及生活垃圾等杂物的填土。冲填土为由水力冲填泥砂形成的填土。

膨胀土为土中黏粒成分主要是由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀与失水收缩特性，其自由膨胀率大于等于40％的黏性土。

湿陷性土为浸水后产生附加沉降，其湿陷系数大于等于0.015的黏性土。

1.2.3　土的工程特性指标

1.2.3.1　土的物理指标

（1）土的物理性质指标　土的物理性质指标反映土的工程性质的特征，具有十分重要的实用价值。

①密度ρ和容重γ。土的密度ρ为单位体积土的质量，容重γ是单位体积土的重力。

②土粒相对密度。土粒相对密度（单位体积土粒的质量）与4℃时纯水密度之比，称为土粒相对密度，或称为土粒比重。

③含水量w。土的含水量表示土中含水的数量，是土体中水的质量与固体矿物质量的比值，用百分数表示。

④孔隙比e。土的孔隙比是土中孔隙体积与固体颗粒的体积之比值。

⑤孔隙度（孔隙率）n。土的孔隙度表示土中孔隙大小的程度，是土中孔隙占总体积的百分比。

⑥饱和度Sr。土的饱和度为水在孔隙中充满的程度。

⑦干密度ρd与干容重γd。土的干密度为单位体积的土，把水分烘干后的质量。土的干容重为单位体积的土，将水分烘干之后的重力，也就是γd=ρdg=9.8ρd≈10ρd（kN/m3）。

⑧饱和密度ρsat与饱和容重γsat。土的饱和密度为孔隙中全部充满水时，单位体积的质量。土的饱和容重为孔隙中全部充满水时，单位体积的重力，也就是γsat=ρsatg=9.8ρsat≈10ρsat（kN/m3）。

⑨有效密度ρ'与有效容重γ'。土的有效密度（浮密度）指地下水位以下土体受水的浮力作用时单位体积的质量。土的有效容重（浮重度）是地下水位以下，土体单位体积的重力，即γ'=ρ'g=9.8ρ'≈10ρ'（kN/m3）。

常见土的物理性质指标可以参见表1-13。

在以上土的9个物理指标当中，土的密度（容重）、土粒相对密度以及土的含水量称为土的三项基本物理指标。土的孔隙比与孔隙度反映土的松密程度，土的含水量与土的饱和度反映土中含水程度。这9个物理指标是相互关联的，若ρ、ds和w由实验室测定后，则其余6个物理性指标可以通过三相草图求得（如图1-1所示）。

（2）黏性土的塑性　黏性土随着含水量的不断增加，土的状态变化为固态—半固态—可塑状态—液体状态，相应的地基承载力相差很大。黏性土最主要的物理特征并非孔隙比及相对密度，而是土粒与土中水相互作用产生的稠度。

黏性土的稠度反映土粒之间的黏结强度随着含水量高低而变化的性质，各种不同状态之间的分界含水量具有重要的意义。

①液限ωL（％）。黏性土呈液态与塑态之间的分界含水量称之为液限wL，一般借助锥式液限仪或碟式液限仪进行测定。

②塑限ωP（％）。黏性土呈塑态与半固态之间的分界含水量称为塑限wP，一般可借助滚搓法与液、塑限联合测定法进行测定。

③缩限ωS（％）。黏性土呈半固态和固态之间的分界含水量叫作缩限wS，可用收缩皿法测定。

④塑性指数。黏性土与粉土的液限和塑限的差值去掉百分数后的值为塑性指数。

塑性指数表示细颗粒土体处于可塑状态下含水量变化的最大区间。一种土的IP越大，表明该土能吸附结合水多，但是仍处于可塑状态，亦即该土黏粒含量高或矿物成分吸水能力强。工程上通常用它作为黏性土与粉土定名的标准。

⑤液性指数IL。黏性土的液性指数（相对稠度）是天然含水量与塑限的差值和液限与塑限差值之比，反映土的软硬程度，在工程上为确定黏性土承载力的重要指标。

可以通过黏性土的液性指数确定其存在状态（表1-14）。当用静力触探探头阻力或者标准贯入试验锤击数判定黏性土的状态时，可按照当地经验确定。

1.2.3.2　土的强度指标

在各类建筑工程设计中，为确保建筑物的安全可靠，要求建筑地基必须同时满足变形条件和强度条件，以便确保在上部荷载作用下地基的稳定性，不发生地基剪切或者滑动破坏。

土的抗剪强度与诸多因素有关，库仑经过试验认为：①当土体中任何一个面上的剪应力等于土体的抗剪强度时土体就会破坏；②土体中任何一个面上的抗剪强度τf均可表述成作用于该面上的法向应力σ的函数。

试验证明，在法向应力变化范围不大时，抗剪强度和法向应力的关系近似于直线关系。所以，土的抗剪强度τf和法向应力σ的关系可用下式表示：

式中　τf——土的抗剪强度，kPa；

σ——剪切破坏面上的法向总应力，kPa；

c——土的黏聚力（对于无黏性土c=0），kPa；

φ——土的内摩擦角，（°）。

式（1-13）称作土体抗剪强度的库仑定律，c、φ即为土的抗剪强度指标，可以借助试验测得。c、φ反映了土体抗剪强度的大小，为土体非常重要的力学性质指标，但有效应力的影响不可忽视。tanφ=f为土的内摩擦系数，φtanφ则为土的内摩擦力，一般由两部分组成：一部分是剪切面上颗粒与颗粒接触面所产生的摩擦力；而另一部分则是颗粒之间的相互嵌入和联锁作用产生的咬合力。黏聚力c是由于黏土颗粒之间的胶结作用、结合水膜以及分子引力作用等形成的。根据库仑定律，对于某一种土，它们是作为常数来使用的。在实际上，它们均随试验方法和土样的试验条件等的不同而发生变化，即使是同一种土c与φ值也不是常数。

表1-15中给出了不同物理状态下的土体抗剪强度指标的平均值，可供使用时参考。

1.2.3.3　压缩性指标

（1）土的压缩模量和变形模量　为了得到土的压缩性指标，在工程上常在侧限条件下由地质勘察取天然结构的原状土样，进行侧限压缩试验测定。侧限压缩试验通常又叫作固结试验。

在完全侧限条件下，土的竖向附加应力增量与相应的应变增量之比值叫作土的压缩模量Es，可以利用室内压缩试验获得。

在上述侧限压缩试验中，当竖向压力由增到，同时土样的厚度由h1减小至h2时：

在部分侧限条件下，应力增量与相应的应变增量的比值叫作变形模量E0。它是利用现场荷载试验的结果获得的，可利用p-s曲线（图1-2中oa段）直线段内或者接近于直线段内任一压力p1和它对应的沉降s1，通过弹性力学公式反算出地基的变形模量：

式中　ω——沉降影响系数，和承压板的形状刚度等有关，方形承压板取0.88，圆形承压板取0.79；

b——承压板的边长或直径；

μ——土的泊松比。

（2）土的静、动弹性模量　根据测定方法不同，土的弹性模量Ed可分为“静弹模”与“动弹模”。静弹模采用静三轴仪测定。在图1-3所示的加卸载曲线中，弹性模量Ed为该曲线上应力和应变的比值：

通过室内动三轴仪待土样固结后，分级施加动应力，进行不排水振动试验，一般保持动应力幅值σd不变，振动次数视工程实际条件而定，由此测得动弹模。图1-4为代表性的动应力与动应变波形曲线，以及动应力σd与动应变εd关系曲线，它可以用双曲线方程来描述：

式中　a，b——待定系数。

综合式（1-18）和式（1-19）便可导出：

由图1-4（b）的曲线可知，当εd>0时，可得到最大的动弹模Edmax，也叫作切线模量。当然，动弹模也可以利用野外方法测定。

（3）土的压缩系数和压缩指数　由侧限压缩试验结果曲线的形态陡或者平缓，可以衡量该土的压缩性的高低。当外荷导致的压力变化范围不大时，例如，图1-5中从到的压缩曲线上一段，可近似地利用直线代替。该直线的斜率为：

压缩系数a表示在单位压力增量作用下土的孔隙比的减小。所以，压缩系数a值越大，土的压缩性就越大。对于一个土样压缩系数a不是一个定值。为方便比较应用，国家标准规定：取至这段压缩曲线的斜率a1-2作为判别土的压缩性高低的标准。当a1-2<0.1时，认为土样为低压缩性土；当a1-2>0.5时，则认为土样为高压缩性土；当介于二者之间时，认为土样为中压缩性土。

为了得到土的压缩指数Cc，可采用最高压力可达3200kPa的高压固结仪。试验结果以孔隙比e为纵坐标，以对数坐标为横坐标表示，绘制曲线（图1-6）。该曲线开始一段呈曲线，其后很长为直线段，也就是曲线的斜率相同，便于应用。此直线的斜率叫作压缩指数Cc，其计算公式为

在曲线中，卸载段和再压缩段的平均斜率叫做回弹指数或再压缩指数Ce，通常黏性土的Ce≈（0.1～0.2）Cc。

土的侧限压缩模量与压缩系数，两者均为建筑工程上常用的、表示地基土压缩性指标，两者均由侧限压缩试验结果求得，并且

1.2.3.4　静触阻力与标贯锤击数

（1）静力触探　在岩土工程地质勘察中，通过液压或机械传动装置，将圆锥形金属探头压入地基中。探头中贴有电阻应变片，当探头受阻力时，电阻应变片相应伸长改变电阻，可以用电阻应变仪量测微应变的数值，计算贯入阻力的大小，以便于判定地基土的工程特征，所得的贯入阻力即叫作静触阻力。

①测定比贯入阻力ps：

式中　P——总贯入阻力，包括探头与侧壁总摩阻力，N；

A——探头锥底面积，cm2；

k——探头系数；

με——电阻应变仪量测微应变读数值，Ω。

②测定锥尖阻力qc与侧壁摩阻力fs：

式中　Qc——锥尖总阻力，N；

Pf——侧壁总摩擦力，N；

Fs——摩擦筒表面积，cm2。

③根据实测比贯入阻力ps可以判别砂土密度（表1-16），也可以判别黏性土状态（表1-17）。

④根据ps、qc以及fs利用地区经验关系，可估算地基承载力、单桩承载力以及沉桩可能性和判定液化势等。

⑤根据孔压静探头在停止贯入时，孔隙水压力的消散曲线，可估算土的渗透系数及固结系数。

（2）标准贯入试验　将质量为10kg的穿心锤用钻机的卷扬机提升到76cm高度，穿心锤自由下落，将特制的圆管状贯入土中，先打入土中15cm不计数，接着每打入10cm记下击数，累计打入30cm的锤击数，就是标准贯入击数N。当锤击数已达50击，而贯入深未过30cm时，可以记录实际贯入数并终止试验。

可用标准贯入试验锤击数N来确定砂土、黏性土以及粉土的承载力，也可判定砂土的密实度，以及地震中地下水位以下砂土和粉土是否会产生液化。