第三节 土的物理状态指标

一、无黏性土的密实度

无黏性土主要指砂类土和碎石类土，颗粒较粗，土粒间无黏结力，不具有可塑性。它的工程性质主要取决于颗粒粒径及其级配，密实度是反映这类土工程性质的主要指标。无黏性土呈密实状态时，强度较高，压缩性较小，是良好的天然地基；呈松散状态时，强度较低，压缩性较大，是软弱地基。尤其是饱和粉砂、细砂，稳定性很差，在水力作用下易产生流砂，在振动荷载作用下可能发生液化。评价无黏性土密实度的方法通常有下面三种。

1.孔隙比

无黏性土的密实度在一定程度上可根据天然状态下的孔隙比e的大小来评定。根据天然状态下孔隙比的大小可将无黏性土的密实度划分为稍松、中等密实和密实三种。当e＜0.6时，属密实状态，是良好的天然地基；当e＞0.95时，为松散状态，不宜作天然地基。采用天然孔隙比的大小来判断砂土的密实度是一种较简便的方法，但这种方法没有考虑颗粒级配对密实度的影响，而且，对砂土难以取原状土样测定天然孔隙比的大小。

2.相对密实度

为了更合理地判定砂土的密实状态，除孔隙比e外，在理论上还可采用相对密实度D_r来评价无黏性土的密实度，其表达式为

式中 e_max——砂土在最松散状态时的孔隙比，即最大孔隙比；

e _min——砂土在最密实状态时的孔隙比，即最小孔隙比；

e——砂土在天然状态时的孔隙比。

由于原状土样（尤其是地下水位）难以保持土的天然结构，土的天然孔隙比难以准确测定。所以，相对密实度多用于填方工程的质量控制中，对于天然土尚难以应用。砂类土的密实度根据相对密实度划分为：

当D_r=0，表示土处于最松散状态；当D_r=1，表示砂土处于最密实状态。

3.原位测试方法

在实际工程中，较普遍采用标准贯入试验、静力触探、动力触探等原位测试方法来评价土的密实度。《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）中将砂土的密实度按原位标准贯入锤击数N分为松散、稍密、中密、密实，见表1-3。碎石土的密实度可按重型（圆锥）动力触探锤击数N_63.5分为松散、稍密、中密、密实，见表1-4。

二、黏性土的稠度

在生活中经常可以看到这样的现象，雨天土路泥泞不堪，车辆驶过便形成深深的车辙，而在久晴以后土路却非常坚硬，这种现象说明土的工程性质与它的含水率有着十分密切的关系，因此需要定量地加以研究。黏性土和无黏性土在性质上有很大差异，主要是由于土中的黏粒与水之间的相互作用产生的，黏性土最主要的状态特征是它的稠度。

（一）界限含水率

刚沉积的黏土具有液体泥浆那样的稠度，本身不能保持其形状，极易流动。随着黏土中水分的蒸发或上覆沉积层厚度的增加，它的含水率逐渐减少，体积收缩，从而丧失流动能力，进入可塑状态。这时，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形状，土的这种性质称为土的可塑性。黏土的可塑性是一个十分重要的性质，对于陶瓷工业、农业和土木工程都有重要的意义。

图1-6 黏性土的物理状态与含水率关系

图1-7 液塑限联合测定仪结构示意图

1—水平调节螺丝；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—电池装置；10—光源调节螺钉；11—光源装置；12—圆锥仪；13—升降台；14—水平泡；15—盛土杯

图1-8 圆锥体入土深度与含水率关系

同一种黏性土随其含水率的不同，可分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。黏性土由一种状态转到另一种状态的分界含水率，称为界限含水率。界限含水率包括缩限、塑限和液限。土由半固体状态水分不断蒸发，体积不断缩小，直到体积不再缩小时的界限含水率称缩限ω_S，即固态和半固态的界限含水率；土由半固态转到可塑状态的界限含水率称塑限ω_P；土由可塑状态变化到流动状态的界限含水率称液限ω_L（图1-6）。

（二）液塑限联合测定法

目前一般采用锥式仪进行液限和塑限联合测定，如图1-8所示。测定时，将调成3种不同含水率的土样，先后分别装满盛土杯内，使锥尖刚好接触土面，圆锥仪在重力作用下沉入土内，并测定圆锥仪在5s时的下沉深度。在双对数坐标纸上绘成圆锥下沉深度和含水率的关系直线，如图1-9所示，在直线上查得圆锥下沉深度17mm所对应的含水率为液限，下沉深度为2mm所对应的含水率为塑限。具体方法详见本书附录或《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）。

（三）塑性指数和液性指数

1.塑性指数

土处于可塑状态含水率的变化范围常用塑性指数I_P来描述，即液限和塑限的差值（去掉百分号），其公式为

试验表明，塑性指数与黏性土中土粒的组成、黏粒的含量及矿物成分有关。塑性指数越大，土粒越细，黏粒含量越高。塑性指数是描述土的物理状态的重要指标，反映了影响黏性土特征的各种重要因素。

2.液性指数

对于不同的土即使有相同的含水率，也未必处于同样的状态。为了确定黏性土的稠度状态，需要有一个能表示实际含水率与界限含水率之间相对关系的指标，这个指标就是液性指数，定义为黏性土的天然含水率和塑限的差值与塑性指数之比，即

液性指数常以小数表示，当I_L≤0（即ω≤ω_P）时，土处于坚硬状态，当I_L≥1（即ω＞ω_L）时，土处于流动状态。因此，可利用液性指数表示黏性土所处的软硬状态，反映黏性土的软硬程度。

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）按液性指数将黏性土划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑五种软硬状态（表1-5）。

用液性指数作为判别黏性土软硬程度的标准，其缺点是没有考虑土的结构性的影响。黏性土的塑限和液限都是采用重塑土测定的，仅表示天然结构被破坏的重塑土的界限含水率。保持天然结构的原状土，在其含水率达到液限后，并不处于流动状态，但一旦土的这种结构性被破坏，土体则呈现流动状态。

【例1-2】 一体积为50cm³的原状土样，其湿土质量为0.1kg，烘干后质量为0.07kg，土粒相对密度为2.7，土的液限ω_L=50%，塑限ω_P=30%，求土的塑性指数、液性指数，并确定该土状态。

解：m=0.1kg，m_s=0.07kg，V=50cm³

得：m_w=m-m_s=0.1-0.07=0.03（kg）

（四）黏性土的灵敏度和触变性

1.土的结构性

土的组成和物理状态不是决定土的性质的全部因素，原状黏性土的一个重要特征是具有天然结构，但天然结构若在外部因素影响下被破坏，土粒、水分子之间的平衡体系就遭到破坏，强度降低，压缩性增大。所以，土的结构性指天然土的结构受到扰动影响而改变的特性。它对强度的影响可用灵敏度来衡量，在第五章对灵敏度有进一步介绍。

2.触变性

饱和黏性土受扰动后天然结构遭到破坏，土的强度降低，但当扰动停止后，随着时间的推移，土粒、水分子之间又组成新的平衡体系，土的强度可随时间逐渐增长而（部分）恢复，黏性土的这种抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为土的触变性。在黏性土中沉桩时，往往利用振扰的方法，破坏桩侧土与桩尖土的结构，以降低沉桩的阻力，但在沉桩完成后，土的强度可随时间部分恢复，使桩的承载力逐渐增加，这就是利用了土的触变性机理。