土的物理性質(zhì)

第第頁土的物理性質(zhì)3.2.1土的物理狀態(tài)物理狀態(tài)是認(rèn)識(shí)土體性質(zhì)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(gòu)成方式，顆粒構(gòu)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(nèi)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(gòu)成土的骨架，液相和氣相充填于土體孔隙內(nèi)。土顆粒的大小和形狀是描述土的最直觀和最簡單的標(biāo)準(zhǔn)。土的顆粒級(jí)配多采用累計(jì)曲線來表示,一般采用不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)來評(píng)價(jià)土的級(jí)配優(yōu)劣及其對(duì)工程性質(zhì)的影響。根據(jù)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(xì)、粉砂等)、粉土和黏性土等。一般情況下，土體依據(jù)顆粒級(jí)配或塑性指數(shù)等指標(biāo)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(chǎn)實(shí)踐中最具工程意義又予以更多關(guān)切的應(yīng)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(gòu)作的粒狀結(jié)構(gòu)、蜂窩狀結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)等3種基本結(jié)構(gòu)形態(tài)大體上已被確認(rèn)為砂土、粉土和黏性土等3種基本土類的固相的主體結(jié)構(gòu)構(gòu)成形態(tài),，而散粒狀、層狀、裂隙和結(jié)核狀等四種構(gòu)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(jié)品水、強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水、重力水或毛細(xì)水等的層次結(jié)構(gòu),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(qiáng)直至完全起控制作用(表3-4)。土體內(nèi)液相的數(shù)量和存在形態(tài)及其與土粒的相互作用對(duì)土體的物理狀態(tài)和工程性質(zhì)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(rèn)為當(dāng)土內(nèi)氣相與大氣連通時(shí)，對(duì)土的工程性質(zhì)無明顯影響，但當(dāng)以封閉氣泡存在于土中時(shí)，會(huì)增大土的彈性和減小土的滲透性。土體三相構(gòu)成及其存在形式和相互作用是土體性質(zhì)特別是其力學(xué)性質(zhì)和工程宏觀反應(yīng)復(fù)雜多變的物理基礎(chǔ)。碎石土和砂土的物理狀態(tài)主要受控于其密實(shí)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(biāo)1.三相比例指標(biāo)三相比例指標(biāo)是指土的三相物質(zhì)在體積和質(zhì)量上的比例關(guān)系，它反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密，是評(píng)價(jià)土的工程性質(zhì)最基本的物理指標(biāo)，其中可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)直接測定的指標(biāo)是重度(天然重度)、含水率、土粒相對(duì)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(gè)常見的物理指標(biāo)，即干重度、飽和重度、浮重度、孔隙比、孔隙率及飽和度等。實(shí)際上，在土的上述常用三相比例指標(biāo)中，只有3個(gè)是獨(dú)立的，只要知道任意3個(gè)指標(biāo)，其余指標(biāo)都可以通過三相草圖進(jìn)行換算。三相比例指標(biāo)的提出極大地方便了工程實(shí)用以及對(duì)土體物理狀態(tài)認(rèn)識(shí)的定量化，特別是其中的孔隙比、飽和度等指標(biāo)采用的是相對(duì)值概念，從而為它們的確定與應(yīng)用帶來靈活性。2.物理狀態(tài)指標(biāo)土體的物理狀態(tài)指標(biāo)是指反映土體軟硬程度或松密程度所采用的表達(dá)方法和相應(yīng)的指標(biāo)。砂土、粉土的松密程度用砂土和粉土的密實(shí)度來定義和表達(dá)。此前曾用過相對(duì)密實(shí)度D.和孔隙比e來反映砂土的松密狀態(tài)，目前有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)多采用標(biāo)貫擊數(shù)M,和孔隙比e的大小分別將砂土和粉土區(qū)分為密實(shí)、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(shù)、液性指數(shù)L則是它的重要物理狀態(tài)指標(biāo)。它們不僅表示黏性土中隨著其含水率變化所導(dǎo)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(duì)黏性土可塑性(因而也是對(duì)其工程性能)的影響。在長期的巖土工程實(shí)踐中，黏性土的塑性指數(shù)還一直被用作區(qū)分黏性土及其亞類直至粉土的標(biāo)準(zhǔn)，而根據(jù)液性指數(shù)的不同則可以把黏性十區(qū)分為堅(jiān)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(duì)現(xiàn)場土體的工程性能作出定性判斷。3.物理指標(biāo)及其與工程性質(zhì)的關(guān)系從土力學(xué)和基坑工程的角度考察土體物理性質(zhì),除了認(rèn)識(shí)土體存在的物理狀態(tài)與性狀本身外，主要是據(jù)以了解其對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)和工程性狀的影響或作用。經(jīng)過長期的實(shí)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(jì)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(nèi)外工程技術(shù)人員根據(jù)大量測試數(shù)據(jù)或資料的對(duì)比分析，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法,已經(jīng)建立相當(dāng)數(shù)量的物理性質(zhì)指標(biāo)和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)之間相互關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式(黏性土的一些典型關(guān)系見表3-5)。但這些表達(dá)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(xué)性狀具有較大差別,這些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式能否直接應(yīng)用到基坑工程中還有待進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。3.2.3基坑開挖與土的物理性質(zhì)的變化基坑開挖會(huì)對(duì)土體的物理性質(zhì)及其指標(biāo)產(chǎn)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(huì)改變部分土體的孔隙比和密度等指標(biāo);基坑降水會(huì)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(huì)改變土體的含水率等宏觀物理指標(biāo)，而且會(huì)誘發(fā)黏性土微結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等微觀結(jié)構(gòu)特性發(fā)生變化;基坑開挖和降水引起的土體內(nèi)滲流和負(fù)孔隙水壓力的消散也會(huì)改變