任务一 土的工程分类与性质
一、土的组成
土是风化的产物，是由固体颗粒、水和空气组成的三相体系。在外力作用下，土体并不显示为一般固体的特性，也不表现为一般液体的特性，因此，在研究土的工程性质时，既有别于固体力学，也有别于液体力学。
自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质也相应地发生变化。例如，土的性质随着粒径的变细，可由无黏性变化到有黏性。因此可以将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干组，各个粒组，随着分界尺寸的不同而呈现一定质的变化，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。
目前我国常用的土粒粒组划分方法，按照界限粒径的大小，将土粒分为以下六个组：漂石（块石）（大于200mm）、卵石（碎石）（60～200mm）、圆砾（角砾）（2～60mm）、砂粒（0.075～2mm）、粉粒（0.005～0.075mm）和黏粒（小于0.005mm）（漂石、卵石、圆砾是一定磨圆形状、圆形或亚圆形）。
土中土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量来表示，称为土的颗粒级配。
如何来分析土中的颗粒级配情况，通常用筛分法与水分法两种。
筛分法适用于粒径大于0.075mm的粗颗粒。如果粒径小于0.075mm，可以采用水分法测出土颗粒的含量，然后画出颗粒的级配曲线。如果级配曲线平缓，表示土中各种大小粒径均有，颗粒不均匀，级配良好。如曲线较陡，则表示土粒均匀，级配不好。
衡量颗粒级配好坏的指标为不均匀系数，不均匀系数反映大小不同粒组的分布情况。不均匀系数越大，土粒径的分布范围越大，土粒越不均匀，曲线越平缓，级配良好。
一般认为，不均匀系数小于5，称为均质土，其级配不好；不均匀系数大于10，称为级配良好的土。
土中总含有水，土中水以三种状态出现：液态、固态、气态。土中水的存在会影响到土的物理性质和力学性质，尤其是当固体颗粒愈小时，水的影响愈大。
存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类。
土中的气体存在于未被水占据的土孔隙中。与大气相连的气体对土的力学性质影响不大。在细黏土中存在与大气隔绝的气泡，使土具有弹性，受压时气体体积缩小，卸荷后体积又恢复，不易压缩，只有强夯时才能压缩。
二、土的特征指标
1.土粒比重
土粒质量与同体积4℃时的水的质量之比称为土粒比重。
土粒比重通常在2.65～2.80之间，它的大小决定于土的矿物成分。砂土的比重约为2.65，黏土约为2.70～2.80。土中含有大量有机质时，土粒比重显著减小。同一种类的土，其比重值的变化幅度很小。土粒比重可在试验室内用比重瓶法测定。
2.土的含水量
土中含水的质量与工程质量之比称为土的含水量。
含水量是表示土湿度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围很大，砂土为0～40%；黏性土为20%～100%，有的甚至达到百分之几百。
土的含水量一般采用烘干法测定。将土样在100～105℃恒温下烘干，这时土中的自由水与结合水排走了，根据烘干前后的质量差，可知水的含量及土粒质量，即可求出。
3.土的密度
单位体积土的质量称为土的密度。
天然状态下土的密度范围较大，其具体情况如下。
砂土：1.6～2.0g/cm3。
黏土：1.8～2.0g/cm3。
腐殖土：1.5～1.7g/cm3。
土的密度一般用“环刀法”测定。
4.土的干密度、饱和密度和有效密度
单位土体积固体颗粒的质量称为干密度。干密度可以用来评价土的紧密程度，工程上作为人工填土压实质量的控制指标。
土孔隙充满水时，单位体积土体质量称为饱和密度。
在地下水位以下，土受到浮力作用后，单位土体积中土颗粒的有效质量称为有效密度。
5.土的孔隙比和孔隙率
土的孔隙比是土中孔隙体积与土的颗粒体积之比，无量纲，是表明土密集程度的一个很重要的物理指标。
土的孔隙率是土中孔隙体积与土总体积之比，以百分数表示。
6.土的饱和度
土中水的体积与孔隙总体积之比称为土的饱和度。饱和度说明土的潮湿程度。
三、土的工程分类（表1-1）
表1-1 土的工程分类
注 表中的前四类是土，后四类是石。在预算基价中，将一至三类土划分为一般土，砂砾坚土即四类土。
四、土的性质
1.土的天然含水量
水的质量与固体颗粒质量之比称为土的天然含水量，以百分数表示，即
式中 mw——土中水的质量，kg；
ms——土中固体颗粒的质量，kg。
ω越大，越不利。当ω＜5%时为干土；ω=5%～30%为湿土；ω＞30%为饱和土。
含水量影响挖土的难易、边坡坡度、回填压实程度。
2.土的密度
（1）土的天然密度。
式中 m——土的总质量，kg；
V——土的天然体积，m3。
（2）土的干密度。
式中 ms——土中固体颗粒的质量，kg；
V——土的天然体积，m3。
ρd越大，土越密实。土的干密度影响基坑底及回填土压实程度。
3.土的可松性
可松性是自然状态土经开挖后，体积增大、回填压实后，其体积仍不能恢复原状的性质，用可松性系数表示，即
式中 ks——土的最初可松性系数；
——土的最终可松性系数；
V1——土在天然状态下的体积，m3；
V2——土被挖出后在松散状态下的体积，m3；
V3——土经压实后的体积，m3。
可松性影响平衡调配、场地设计标高、机具数量。
4.土的渗透性
渗透性是指水流通过土中孔隙的难易程度，即水在单位时间内穿透土层的能力。
5.土方边坡
土方边坡坡度是以其挖土深度和放坡宽度的比值表示，即
式中 h——挖土深度，m；
b——放坡宽度，m。
土方边坡大小与以下因素有关，如土质、开挖深度、开挖方法、边坡留置时间长短、坡顶有无荷载以及排水情况等。
五、压实的意义
1.非黏性土（无黏性土）的密实度
非黏性土的密实度与过程性质有密切关系，当密实状态时，强度较大，可作为良好的天然地基；当软弱状态时，则是一种软弱地基。非黏性土的密实度与孔隙比有密切的关系。因此可以用孔隙比来表示密实度，它是确定砂土地基承载力的主要根据。
孔隙比评定砂土密实性虽然简单，但没有考虑到颗粒级配的因素，所以还可用相对密度来表示砂的密实程度。
相对密度是无黏性粗粒土密实度的指标，对判断地基稳定性和强度，以及抗震稳定性方面具有重要的意义。
另外，天然孔隙比虽然是评价非黏性土的一个重要物理指标，但在具体工程中，难于取得原样，因此可以用标准贯入试验或静力触探试验来判别砂土的密实度。
2.黏性土的物理特征
黏性土的含水量低时，强度高；含水量高时，强度低。并且随着含水量的变化，黏性土会呈现出不同的物理状态，即：固态、半固态、可塑状态、流动状态。
单介绍可塑状态来说，所谓可塑状态，就是当黏性土在某含水量范围内，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并当外力移去后仍然能保持既得的形状。
黏性土的工程性质与土的成因、生成年代的关系很密切，不同成因和年代的黏性土，尽管其某些物理指标值可能很接近，但其工程性质可能相差很悬殊。
3.压实的意义
在工程中有时要进行填土，为了提高填土的强度，增加密实性，通常要分层压实。土体压实后可以更好地抵御水对土体的冲刷。实践经验证明，对过湿的土进行夯压或碾压时会出现软弹现象；对很干的土进行夯实或碾压时，显然也不能把土充分压实。所以，要使土的压实效率最好，其含水量要适当。在一定的压实能量下，使土最容易压实，并能达到最大密实度的含水量称为最优含水量，相对应的干密度为最大干密度。实验证明，在一定压实能量下，一种类型的土，其压实曲线呈山峰形分布，当含水量低时，随着含水量的增大，土的干密度也增大，当含水量超过某一限值时，干密度随着含水量的增大而减小。