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三、土的结构土的结构是指土粒（或团粒）的大小、形状、互相排列及联结的特征。土的结构是在成土的过程中逐渐形成的，它反映了土的成分、成因和年代对土的工程性质的影响。土的结构按其颗粒的排列和联结可分为图1-3所示的三种基本类型。图1-3土的结构的基本类型1．单粒结构单粒结构是碎石土和砂土的结构特征。其特点是土粒间没有联结存在，或联结非常微弱，可以忽略不计。疏松状态的单粒结构在荷载作用下，特别在振动荷载作用下会趋向密实，土粒移向更稳定的位置，同时产生较大的变形；密实状态的单粒结构在剪应力作用下会发生剪胀，即体积膨胀，密度变松。单粒结构的紧密程度取决于矿物成分、颗粒形状、粒度成分及级配的均匀程度。片状矿物颗粒组成的砂土最为疏松；浑圆的颗粒组成的土比带棱角的容易趋向密实；土粒的级配愈不均匀，结构愈紧密。2．蜂窝状结构蜂窝状结构是以粉粒为主的土的结构特征。粒径在0.02~0.002mm左右的土粒在水中沉积时，基本上是单个颗粒下沉，在下沉过程中、碰上已沉积的土粒时，如土粒间的引力相对自重而言已经足够地大，则此颗粒就停留在最初的接触位置上不再下沉，形成大孔隙的蜂窝状结构。3．絮状结构絮状结构是粘土颗粒特有的结构特征。悬浮在水中的粘土颗粒当介质发生变化时，土粒互相聚合，以边-边、面-边的接触方式形成絮状物下沉，沉积为大孔隙的絮状结构。土的结构形成以后，当外界条件变化时，土的结构会发生变化。例如，土层在上覆土层作用下压密固结时，结构会趋于更紧密的排列；卸载时土体的膨胀（如钻探取土时土样的膨胀或基坑开挖时基底的隆起）会松动土的结构；当土层失水干缩或介质变化时，盐类结晶胶结能增强土粒间的联结；在外力作用下（如施工时对土的扰动或切应力的长期作用）会弱化土的结构，破坏土粒原来的排列方式和土粒间的联结，使絮状结构变为平行的重塑结构，降低土的强度，增大压缩性。因此，在取土试验或施工过程中都必须尽量减少对土的扰动，避免破坏土的原状结构。四、粘性土的状态与界限含水量1．粘性土的状态随着含水量的改变，粘性土将经历不同的物理状态。当含水量很大时，土是一种粘滞流动的液体即泥浆，称为流动状态；随着含水量逐渐减少，粘滞流动的特点渐渐消失而显示出塑性（所谓塑性就是指可以塑成任何形状而不发生裂缝，并在外力解除以后能保持已有的形状而不恢复原状的性质），称为可塑状态；当含水量继续减少时，则发现土的可塑性逐渐消失，从可塑状态变为半固体状态。如果同时测定含水量减少过程中的体积变化，则可发现土的体积随着含水量的减少而减小，但当含水量很小的时候，土的体积却不再随含水量的减少而减小了，这种状态称为固体状态。2．界限含水量粘性土从一种状态变到另一种状态的含水量分界点称为界限含水量。流动状态与可塑状态间的分界含水量称为液限wL；可塑状态与半固体状态间的分界含水量称为塑限wp；半固体状态与固体状态间的分界含水量称为缩限ws。塑限wp是用搓条法测定的。把塑性状态的土在毛玻璃板上用手搓条，在缓慢的、单方向的搓动过程中土膏内的水分渐渐蒸发，如搓到土条的直径为3mm左右时断裂为若干段，则此时的含水量即为塑限wp。详细的试验操作步骤请查阅滚搓法塑限试验的内容液限wL可采用平衡锥式液限仪测定。平衡锥重为76g，锥角为30º。试验时使平衡锥在自重作用下沉入土膏，当15s内正好沉入深度10mm时的含水量即为液限wL。采用平衡锥式液限仪单独测定液限的试验过程可观看试验过程演示。目前在液限与塑限的测定中还有根据平衡圆锥沉入深度与液限、塑限的对应关系而采取的液限塑限联合测定法，其试验操作步骤请查阅液限塑限联合测定法的内容。3.塑性指数与液性指数（1）塑性指数可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征。可塑性的大小用土处在塑性状态的含水量变化范围来衡量，从液限到塑限含水量的变化范围愈大，土的可塑性愈好。这个范围称为塑性指数Ip：（1-12）塑性指数习惯上用不带％的数值表示。塑性指数是粘土的最基本、最重要的物理指标之一，它综合地反映了粘土的物质组成，广泛应用于土的分类和评价。（2）液性指数液性指数IL是表示天然含水量与界限含水量相对关系的指标，其表达式为：(1-13)可塑状态的土的液性指数在0到l之间，液性指数越大，表示土越软；液性指数大于1的土处于流动状态；小于0的土则处于固体状态或半固体状态。粘性土的状态可根据液性指数IL分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑，见表1-1所示。表1-3按塑性指数值确定粘性土状态IL值IL≤00IL≤0.250.25IL≤0.750.75IL≤1.01.0IL状态坚硬硬塑可塑软塑流塑【例题1-2】已知粘性土的密度s=27.5g/cm3，液限为40％，塑限为22％，饱和度为0.98，孔隙比为1.15，试计算塑性指数、液性指数及确定粘性土的状态。【解】根据液限和塑限可以求得塑性指数为18，土的含水量及液性指数可由下式求得IL＞l，故此粘性土为流塑状态。五、砂土的密实度1.砂土密实度的工程意义砂土的密实度对其工程性质具有重要的影响。密实的砂土具有较高的强度和较低的压缩性，是良好的建筑物地基；但松散的砂土，尤其是饱和的松散砂土，不仅强度低，且水稳定性很差，容易产生流砂、液化等工程事故。对砂土评价的主要问题是正确地划分其密实度。2.砂土的相对密实度砂土的密实程度并不完全取决于孔隙比，而在很大程度上还取决于土的级配情况。粒径级配不同的砂土即使具有相同的孔隙比，但由于颗粒大小不同，颗粒排列不同，所处的密实状态也会不同。为了同时考虑孔隙比和级配的影响，引入砂土相对密实度的概念。当砂土处于最密实状态时，其孔隙比称为最小孔隙比；而砂土处于最疏松状态时的孔隙比则称为最大孔隙比。有关试验标准中规定了一定的方法测定砂土的最小孔隙比和最大孔隙比，然后可按下式计算砂土的相对密实度：（1-14）从上式可以看出，当砂土的天然孔隙比接近于最小孔隙比时，相对密实度Dr接近于1，表明砂土接近于最密实的状态；而当天然孔隙比接近于最大孔隙比时则表明砂土处于最松散的状态，其相对密实度接近于0。根据砂土的相对密实度可以按表1-4将砂土划分为密实、中密、和松散三种密实度。表1-4砂土密实度划分标准密实度密实中密松散相对密度1.0～0.670.67～0.330.33～0六、土的压实原理土体能够通过振动、夯实和碾压等方法调整土粒排列，进而增加密实度的性质称为土的压实性。1．土的压实与含水量的关系土的含水量是影响填土压实性的主要因素之一。在低含水量时，水被土颗粒吸附在土粒表面，土颗粒因无毛细管作用而互相联结很弱，土粒在受到夯击等冲击作用下容易分散而难于获得较高的密实度。在高含水量时，土中多余的水分在夯击时很难快速排出而在土孔隙中形成水团，削弱了土颗粒间的联结，使土粒润滑而变得易于移动，夯击或碾压时容易出现类似弹性变形的“橡皮土”现象，失去夯击效果。土的干密度d是反映土的密实度的重要指标，它与土的含水量、压实能量和填土的性质等有关。将同一种土配置成不同含水量的土样后进行室内击实试验，可以获得如图1-4所示的含水量w与干密度d之间的关系曲线，称作击实曲线。图1-4土的击实曲线2．最优含水量和最大干密度图1-4的击实曲线表明，存在一个含水量可使填土的干密度达到最大值，产生最好的击实效果。将这种在一定夯击能量下填土最易压实并获得最大密实度的含水量称作土的最优含水量（或最佳含水量），用wop表示。在最优含水量下得到的干密度称作填土的最大干密度，用dmax表示。土的最优含水量wop通常采用室内标准击实试验确定，若采用土的塑限值含水量wp间接确定，一般可取wop＝wp＋2。七、土的工程分类1.土的工程分类原则土的工程分类是把不同的土分别安排到各个具有相近性质的组合中去，其目的是为了人们有可能根据同类土已知的性质去评价其工程特性，或为工程师提供一个可供采用的描述与评价土的方法。通常对建筑地基可分成岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土五大类。2.土的工程分类方法（1）岩石的分类岩石（基岩）是指颗粒间牢固联结，形成整体或具有节理、裂隙的岩体。它作为建筑场地和建筑地基可按下列原则分类：1）按成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。2）根据坚固性即未风化岩石的饱和单轴极限抗压强度q分为硬质岩石（q≥30MPa）和软质岩石（q30MPa）。3）根据风化程度分为微风化、中等风化和强风化。4）按软化系数KR分为软化岩石和不软化岩石。KR为饱和状态与风干状态的岩石单轴极限抗压强度之比，KR＜0.75为软化岩石，KR＞0.75为不软化岩石。（2）碎石土碎石土是指粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50％的土，按粒径和颗粒形状可进一步划分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾，具体划分见表1-5。表1-5碎石土的分类（GBJ7-89）土的名称颗粒形状粒组含量漂石圆形及亚圆形为主粒径大于200mm的颗粒超过全重50%块石棱角形为主卵石圆形及亚圆形为主粒径大于20mm的颗粒超过全重50%碎石棱角形为主圆砾圆形及亚圆形为主粒径大于2mm的颗粒超过全重50％角砾棱角形为主碎石土的密实度一般用定性的方法由野外描述确定，卵石的密实度可按超重型动力触探的锤击数划分。（3）砂土砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过总质量的50％且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总质量的50％的土。砂土可再划分为5个亚类，即砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂，具体划分见表1-6。表1-6砂土的分类（GBJ7-89）土的名称粒组含量砾砂粒径大于2mm的颗粒超过全重25%~50％粗砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全重50％中砂粒径大于0.25mm的颗粒超过全重50％细砂粒径大于0.075mm的颗粒超过全重85％粉砂粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50％（4）粉土粉土是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50％，且塑性指数Ip小于或等于10的土。粉土是介于砂土和粘性土之间的过渡性土类，它具有砂土和粘性土的某些特征，根据粘粒含量可以将粉土再划分为砂质粉土和粘质粉土。（5）粘性土粘性土是指塑性指数大于10的土。根据塑性指数大小，粘性土可再划分为粉质粘土和粘土两个亚类，当10Ip≤17时为粉质粘土，当Ip17时为粘土。具体的分类方法可参阅例题1-3。【例题1-3】完全饱和的土样含水量为30％，液限为29％，塑限为17％，试按塑性指数分类法定名，并确定其状态。【解】求塑性指数IP：求液性指数IL：根据定名标准该土样应为粉质粘土，其状态为流塑状态。本章主要讨论了土的物质组成以及定性、定量描述其物质组成的方法，包括土的三相组成、土的三相指标、土的结构构造、粘性土的界限含水量、砂土的密实度和土的工程分类等。这些内容是学习土力学原理和基础工程设计与施工技术所必需的基本知识，也是评价土的工程性质、分析与解决土的工程技术问题时讨论的最基本的内容。序号问题参考解答1何谓土粒粒组？土粒六大粒组划分标准是什么？各规范规定为何有差异？2在土的三相比例指标中，哪些指标是直接测定的？其余指标的导出思路主要是什么？3塑性指数的定义和物理意义是什么？Ip大小与土颗粒的粗细有何关系?Ip大的土具有哪些特点？4砂土的密实度如何判别？不同指标如何使用？5在土类定名时，无粘性土与粘性土各主要依据什么指标？您想测试一下自己对本章基本概念的掌握程度吗？请进入在线练习您还可以进一步完成指导教师布置的习题作业，或选择习题库中的习题进行练习学习指导学习目标掌握土的渗透定律与渗透力计算方法，具备对地基渗透变形进行正确分析的能力。学习基本要求1．掌握土的渗透定律2.掌握二维渗流及流网绘制2．掌握土中渗流量计算4.掌握土中水的渗透力与地基渗透变形分析参考学习进度内容学时A（36学时制）学时B（54学时制）渗透基本理论2.03.0流网及其工程应用1.01.5土中渗透作用力与渗透变形1.01.5合计4.06.0主要基础知识土的三相比例指标计算、流体力学初步一、工程背景在许多实际工程中都会遇到渗流问题。如水利工程中的土坝和闸基、建筑物基础施工中开挖的基坑等。图2-1(a)是水利工程中常见的闸基，在上游水位压力差的作用下，水将从上游河底进入闸基的地基，沿地基土