土的物理性質

第第頁土的物理性質3.2.1土的物理狀態(tài)物理狀態(tài)是認識土體性質的最初也是最基本的方面,是指土體在天然狀態(tài)下或人工制備條件下的存在性狀。土體的物理狀態(tài)主要包括各相(固、液、氣)組成及其構成方式，顆粒構成物及其大小配置，重量或體積的大小，軟硬松密狀態(tài)及程度，土中孔隙及其大小，孔隙中含水或飽水程度和多寡(這后者較之其它工程材料，卻是土體所特有的物理內容)等等。土體是由固、液、氣組成的三相分散體系，固相是土體的主體組成部分，構成土的骨架，液相和氣相充填于土體孔隙內。土顆粒的大小和形狀是描述土的最直觀和最簡單的標準。土的顆粒級配多采用累計曲線來表示,一般采用不均勻系數和曲率系數來評價土的級配優(yōu)劣及其對工程性質的影響。根據土粒的粒徑從大到小而將土體依次區(qū)分成石(漂、塊、卵、碎石等)、礫(圓、角礫)、砂(礫、粗、中、細、粉砂等)、粉土和黏性土等。一般情況下，土體依據顆粒級配或塑性指數等指標可以劃分為碎石土、砂土、粉土、黏性土、特殊性土等五大類,其中，在人們的生產實踐中最具工程意義又予以更多關切的應是砂土、粉土和黏性土等3種基本土類。在自然界中，土粒單元所構作的粒狀結構、蜂窩狀結構和絮狀結構等3種基本結構形態(tài)大體上已被確認為砂土、粉土和黏性土等3種基本土類的固相的主體結構構成形態(tài),，而散粒狀、層狀、裂隙和結核狀等四種構造形式則是土體最常見的宏觀存在形態(tài)(表3-1、表3-2、表3-3)。液相在土體中的存在由土粒核心輻射向外依次形成了結品水、強結合水、弱結合水、重力水或毛細水等的層次結構,反映了顆粒的分子引力的逐次減弱和重力場作用的逐漸增強直至完全起控制作用(表3-4)。土體內液相的數量和存在形態(tài)及其與土粒的相互作用對土體的物理狀態(tài)和工程性質具有重要影響。氣相多充填土體孔隙的一部分或極少部分，一般認為當土內氣相與大氣連通時，對土的工程性質無明顯影響，但當以封閉氣泡存在于土中時，會增大土的彈性和減小土的滲透性。土體三相構成及其存在形式和相互作用是土體性質特別是其力學性質和工程宏觀反應復雜多變的物理基礎。碎石土和砂土的物理狀態(tài)主要受控于其密實程度，而黏性土的軟硬狀態(tài)受含水率的影響更大。3.2.2土的物理指標1.三相比例指標三相比例指標是指土的三相物質在體積和質量上的比例關系，它反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密，是評價土的工程性質最基本的物理指標，其中可以在實驗室內直接測定的指標是重度(天然重度)、含水率、土粒相對密度或土粒密度(前者無量綱，后者有量綱)。由此引伸和換算出其它6個常見的物理指標，即干重度、飽和重度、浮重度、孔隙比、孔隙率及飽和度等。實際上，在土的上述常用三相比例指標中，只有3個是獨立的，只要知道任意3個指標，其余指標都可以通過三相草圖進行換算。三相比例指標的提出極大地方便了工程實用以及對土體物理狀態(tài)認識的定量化，特別是其中的孔隙比、飽和度等指標采用的是相對值概念，從而為它們的確定與應用帶來靈活性。2.物理狀態(tài)指標土體的物理狀態(tài)指標是指反映土體軟硬程度或松密程度所采用的表達方法和相應的指標。砂土、粉土的松密程度用砂土和粉土的密實度來定義和表達。此前曾用過相對密實度D.和孔隙比e來反映砂土的松密狀態(tài)，目前有關國家標準多采用標貫擊數M,和孔隙比e的大小分別將砂土和粉土區(qū)分為密實、中密、稍密和松散等不同狀態(tài);黏性土的界限含水率(縮限、塑限和液限)以及塑性指數、液性指數L則是它的重要物理狀態(tài)指標。它們不僅表示黏性土中隨著其含水率變化所導致的土體的不同軟硬狀態(tài)和稠度性狀,而且還可定性地判斷土體中黏粒含量的多寡及其對黏性土可塑性(因而也是對其工程性能)的影響。在長期的巖土工程實踐中，黏性土的塑性指數還一直被用作區(qū)分黏性土及其亞類直至粉土的標準，而根據液性指數的不同則可以把黏性十區(qū)分為堅硬、硬塑、可塑、軟塑以及流塑等五種稠度狀態(tài)，這將有助于直觀而有效地對現場土體的工程性能作出定性判斷。3.物理指標及其與工程性質的關系從土力學和基坑工程的角度考察土體物理性質,除了認識土體存在的物理狀態(tài)與性狀本身外，主要是據以了解其對土體力學性質和工程性狀的影響或作用。經過長期的實踐積累，迄今已可在兩者之間作出(也是比較方便的)定性的估計和判斷，這可在前述的表3-2、表3-3和表3-4等的概括中得覓一斑。國內外工程技術人員根據大量測試數據或資料的對比分析，運用數理統(tǒng)計的方法,已經建立相當數量的物理性質指標和力學性質指標之間相互關系的經驗表達式(黏性土的一些典型關系見表3-5)。但這些表達式多是建立在加荷條件下，由于加荷和卸荷作用下土體力學性狀具有較大差別,這些經驗關系式能否直接應用到基坑工程中還有待進一步的研究和驗證。3.2.3基坑開挖與土的物理性質的變化基坑開挖會對土體的物理性質及其指標產生一定程度的影響。如基坑開挖引起的坑底和坑周土體回彈會改變部分土體的孔隙比和密度等指標;基坑降水會造成土體含水率和飽和度的降低及軟硬物理狀態(tài)的改變;因基坑局部滲漏或意外水體作用引起的浸潤濕化作用不但會改變土體的含水率等宏觀物理指標，而且會誘發(fā)黏性土微結構失穩(wěn)等微觀結構特性發(fā)生變化;基坑開挖和降水引起的土體內滲流和負孔隙水壓力的消散也會改變