2.3 土的固体颗粒

土的固体颗粒对土的物理力学性质起着决定性作用。固体颗粒的大小、形状与矿物成分，颗粒的相互搭配情况，颗粒与水的相互作用机制及气体在孔隙中的相对含量是决定土的物理力学性质的主要因素。根据前述可知，土主要由原生矿物、次生矿物、水溶盐和有机质等矿物成分构成，次生矿物中黏土矿物含量最多。一般而言，矿物成分不同，颗粒粗细和形状也不同。原生矿物一般都是粗颗粒，形状多为粒状；而次生矿物大多为较细的颗粒，形状多为针状或片状。研究颗粒粒径的大小及不同粒径颗粒所占的比例，对于土的工程性质评价和工程分类有重要的意义。

2.3.1 土的矿物成分

组成土粒的矿物称为成土矿物，其成分取决于成土母岩的矿物成分及其所发生的风化作用。土中的无机矿物是岩石风化后的主要产物，也是成土矿物的主要组成部分，按照其与母岩的关系可分为原生矿物（primary mineral）和次生矿物（secondary mineral）。此外，还可能有有机质的存在。

1.原生矿物

原生矿物是母岩经物理风化形成的与母岩矿物成分相同的产物，其化学成分保持不变，仅大小和形状发生变化。原生矿物的化学性质较稳定，具有较强的抗水性和抗风化稳定性。原生矿物形成的土颗粒一般较粗，多呈棱角状、浑圆状、块状或板状，吸附水的能力较弱，性质较稳定，塑性较低，是粗粒土的主要矿物成分。常见的原生矿物主要有石英、长石、云母类矿物，其次为角闪石、磁铁矿等。原生矿物对土物理力学性质的影响程度要比其他几种矿物小很多，它们对物理力学性质的影响主要表现在颗粒形状、坚硬程度和抗风化稳定性等方面。

2.次生矿物

次生矿物是原生矿物和造岩矿物在氧化、水解、水化和溶解等化学风化作用下形成的新矿物。次生矿物构成的土颗粒较细，多呈片状或针状，其性质较不稳定，有很强的吸附水能力。次生矿物含量较大的土通常具有较弱的透水性，且具有一定的塑性，含水量的变化会引起物理力学性质的明显变化。常见的次生矿物主要有黏土矿物、含水倍半氧化物及次生二氧化硅。

在次生矿物中，黏土矿物是数量最多的矿物。黏土矿物按其晶层结构的不同可分为高岭石（kaolinite）、伊利石（illite）和蒙脱石（montmorillonite）三类。黏土矿物主要是各种硅酸盐类矿物分解形成的含水铝硅酸盐，即使其在土中的含量不大，也会对土的物理力学性质产生重大的影响。

3.水溶盐

水溶盐属于可溶性的次生矿物，主要包括各种矿物化学性质活泼的K、Na、Ca、Mg、Cl、S等元素，在以阳离子及酸根粒子的形式溶于水并向外迁移的过程中，因蒸发等浓缩作用形成的可溶性卤化物、硫酸盐及碳酸盐等矿物。它们一般经结晶沉淀，充填于土粒间的孔隙中，形成不稳定的胶结物，将土颗粒胶结起来。在气候干旱地区，水溶盐也可能构成土的固相颗粒，但仍主要以土粒间胶结物的形式出现。

根据土体中的水溶盐在水中溶解度的大小，可将其分为易溶盐、中溶盐及难溶盐三类。土中盐类的溶解和结晶会对土的工程性质产生重要的影响，硫酸盐类对金属和混凝土还有一定的腐蚀作用。因此，工程中对易溶盐和中溶盐的含量有一定的限制。例如，土坝的填土要求二者的总含量不超过8%；铁路路堤填土要求二者的总含量不超过5%，其中硫酸盐的含量不超过2%。由于土中水溶盐的存在，孔隙水的离子浓度和成分会受到影响，土的物理力学性质也会受到一定的影响。

4.有机质

有机质是土层中动植物残骸分解形成的产物。有机质的化学成分可分为碳水化合物、蛋白质、脂肪、碳氢化合物及碳五类。土中的有机质主要包括两类：一类是完全分解形成的腐殖质；另一类是分解不完全的植物残骸形成的泥炭。腐殖质的颗粒极细，粒径小于0.1μm，呈凝胶状，具有极强的吸附性。可将有机质含量小于5%的土称为无机土。

土中有机质的存在会对土的工程性质产生显著影响。一般规律是，随着有机质含量的增加，土的分散性加大（分散性指的是土在水中能够大部分或全部自行分散成原级颗粒土的性质），天然含水率增高（有机土的含水率可达200%以上），干密度减小，胀缩性增加（有机土的胀缩性可大于75%），压缩性增大，强度减小，承载力降低。因此，有机质的存在对工程极为不利。

2.3.2 土的颗粒大小

自然界中的土是各种地质作用形成的天然产物，是由无数个粒径不同的土颗粒组成的。天然状态下，土颗粒尺寸相差悬殊，有粒径大于200mm的漂石，还有粒径小于0.005mm的黏粒。土粒的大小、不同大小土粒含量的比例是影响土物理力学性质的重要因素。

1.土粒的粒组

（1）土粒粒组的划分。

土粒的大小程度称为粒度，颗粒的大小通常以粒径表示。实际试验条件下得到的粒径并不是颗粒的真实直径，在筛分试验条件下，得到的是与筛孔直径等效的名义粒径，在密度计法试验条件下，得到的是与实际土粒有着相同沉降速度的理想球体直径等效的名义粒径。由于土是由众多不同粒径的颗粒组成的，单一粒径的土体基本不存在。为了方便研究，工程中常把性质和粒径大小接近一致的土粒划分为一组，称为粒组，即一定粒度范围内的土粒。不同粒组之间的分界粒径称为界限粒径。各个粒组分别有一个可反映主要特征的名称，对应的性质也有一定差异。随着粒径变化，粒组对应的特性也发生变化，具体变化情况如下。

粒径：从大到小。

可塑性：从弱到强。

黏性：从无到有。

透水性：从高到低。

毛细水：从无到有。

表2.1所示为《土的分类标准》（GB/T 50145—2007）中对土粒粒组的划分。图2.1所示的是黏粒、粉粒和砂粒的大小对比。

图2.1 砂粒、粉粒与黏粒图示

（2）土粒粒组与矿物成分的关系。

随着岩石风化程度及风化产物搬运距离的不断增加，风化形成的矿物颗粒逐渐变小变细，矿物成分也相应发生变化。研究发现，颗粒的矿物成分与粒度之间存在明显的内在联系，较粗的颗粒大多是由原生矿物构成的，而较细的颗粒一般由次生矿物构成。因此，土粒组与矿物成分之间存在一定的内在联系，见表2.2。

2.土的颗粒级配及颗粒级配试验

为了研究土颗粒的组成情况，不仅要了解土颗粒的粗细，还要了解土各个粒组的含量，这是因为土中各粒组的含量也会对土的性质产生重要的影响。土中某粒组的含量定义为一定质量的干土中，该粒组的土粒质量占干土总质量的百分数。土中各粒组的相对含量称为土的级配（gradation）。土的级配好坏会直接影响土的工程性质。众多学者也一直在探索土级配与土工程性质之间的相互关系。级配良好的土在压实时能达到较高的密实度和较低的孔隙率，压实后的透水性小，强度高，压缩性低；反之，级配不良的土，压实后的密实度低，透水性强，强度低。

表2.2 土颗粒尺寸与矿物成分之间的内在关系

自然界中的土一般都是由不同粒径范围的粒组组成的。测定土中各个粒组含量，以确定土粒径分布范围的试验称为土的颗粒分析试验。通过颗粒分析试验可以得到土样的颗粒级配，为土的工程分类、土的工程性质判别提供依据。

常用的颗粒分析试验有筛分法和密度计法两种。对于粒径大于0.075mm的粗粒土，可采用筛分法；对于粒径小于0.075mm的细粒土，可采用密度计法。当土内兼有粒径大于0.075mm和小于0.075mm的土粒时，宜配合应用两种方法进行颗粒级配测定。

（1）筛分法。

筛分法是将一套按孔径由上到下逐渐减小依次排列的筛子叠放在一起，将风干或烘干的具有代表性的试样称重后置于最上层筛子上，进行充分振动后，依次称量出留在各个筛子上土粒质量的方法。留在某筛上和该筛以上各级筛中的土粒粒径大于该筛孔的孔径。按式（2.1）即可求得小于某土粒粒径的土粒含量百分数X，即

式中 m_i，m——小于某粒径的土粒质量及试样总干重，g。

（2）密度计法。

斯托克斯（Stokes）认为球状细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径的平方成正比，密度计法即是基于不同大小的土粒在水中沉降速度不同的原理确定土粒级配的方法。试验过程中，首先将定量的土样与水在量筒中混合，搅拌使得各种粒径的土粒在悬液中均匀分布，此时悬液的浓度在不同深度处是相等的。但静止后，较粗的颗粒下沉较快，较细的颗粒下沉较慢，造成不同深度处的悬液浓度随着时间不断变化。密度计法需测定悬液表面下一定深度L_i处在不同时刻t_i的悬液浓度。具体的试验原理、操作步骤和计算方法在这里就不过多介绍了，具体可参考土工试验规程或相关试验指导书。

对于兼有粒径大于0.075mm和小于0.075mm土粒的混合土，可以先采用筛分法测定粒径在0.075mm以上的颗粒级配，再进一步根据密度计法测定筛分后全部通过0.075mm筛孔的颗粒级配。由此可以确定混合土样中各粒组的相对含量，即混合土的全部级配。

3.土的颗粒级配曲线

（1）颗粒级配曲线的形式。

颗粒分析试验结果的表示方法主要有列表法、三角坐标法和级配曲线法3种。列表法就是列出表格直接表示各粒组含量的方法，此方法较繁琐，且不能直观反映土的颗粒级配。三角坐标法只可以表达3种粒组的含量，使用有很大的限制。相对于这两种方法，级配曲线法是最常采用的颗粒级配表示方法。

颗粒级配曲线法又称累积曲线法，是一种较为全面通用的图解法。颗粒级配曲线以小于某粒径的土粒含量作为纵坐标，以土粒粒径为横坐标，可以直观地表示土的颗粒级配情况。根据颗粒级配曲线可以简单有效地获得土粒颗粒级配或粒度成分的信息，有助于土的工程性质评价和土体的级配优劣对比。由于混合土中土粒粒径的分布范围往往很大，可达成千倍甚至上万倍，同时细颗粒的含量对土工程性质的影响往往很大，不容忽略，有必要详细描述细粒的含量。因此，颗粒级配曲线的横坐标常采用粒径的对数形式，即lgd。颗粒级配曲线纵坐标表示的是小于某粒径的土颗粒质量占土样总质量的百分数，这个百分数是一个累积百分数，是所有小于该粒径的粒组质量的百分数之和。图2.2所示为半对数坐标系下的颗粒级配曲线。

图2.2 土的颗粒级配曲线（A、B和C代表三类土样）

（2）颗粒级配曲线的应用。

土的颗粒级配曲线在工程中有非常广泛的应用。根据颗粒级配曲线的连续性特征和走势陡缓可以有效判断土的颗粒粗细、颗粒分布的均匀程度及颗粒级配的优劣，可为土的工程性质评价和不同土的工程性质对比提供依据。

在分析颗粒级配曲线时，需要得到d₁₀、d₃₀、d₅₀、d₆₀这几个典型粒径。这几个典型粒径的物理意义如下。

有效粒径d₁₀：小于该粒径的土粒含量占土样总量的10%，可见图2.2所示的B曲线。

连续粒径d₃₀：小于该粒径的土粒含量占土样总量的30%，可见图2.2所示的B曲线。

平均粒径d₅₀：小于该粒径的土粒含量占土样总量的50%，可见图2.2所示的B曲线，平均粒径大则颗粒整体较粗，平均粒径小则颗粒整体较细。

限定粒径d₆₀：小于该粒径的土粒含量占土样总量的60%，可见图2.2所示的B曲线。

根据有效粒径d₁₀、连续粒径d₃₀和限定粒径d₆₀可以简单地确定两个可体现颗粒级配情况的定量指标，即不均匀系数C_u和曲率系数C_c。两个指标的计算公式为

不均匀系数C_u可反映土中不同粒组的分布情况，即土的均匀性情况。C_u越大，土粒度的分布范围越大，土颗粒的分布越不均匀。若土颗粒的级配连续，那么不均匀系数越大，有效粒径d₁₀和限定粒径d₆₀之间的间距就越大，表明土中含有粗细不同的粒组，所含颗粒的粒径相差就越悬殊，土越不均匀。根据颗粒级配曲线可以发现，C_u越大，级配曲线就越平缓；反之就越陡峭。若级配曲线连续且不均匀系数较大，细颗粒就可填充于粗颗粒的孔隙内，形成的密实度就较高，物理力学性质和工程性质较为优良。在图2.2中，曲线B和曲线C都不存在较明显的平台段，说明B土样和C土样的级配都较连续。而曲线C较曲线B更陡，可直观判断C土样较为均匀，计算B土样和C土样的不均匀系数可知（C_u）_B>（C_u）_C，也可验证C土样较B土样更为均匀。工程中认为，C_u<5的土是均匀土，级配不良；而C_u>10的土级配良好。

曲率系数C_c描述的是土颗粒级配曲线曲率情况。当C_c>3时，说明颗粒级配曲线的曲率变化较快，土较为均匀；当C_c<3时，说明颗粒级配曲线较为平缓，平缓段内粒组的含量较少。对于工程性质优良、级配良好的土，要求1<C_c<3。

工程中评价土级配和工程性质优劣的标准如下：

1）级配曲线光滑连续，不存在平台段，坡度平缓，粗细颗粒连续，能够同时满足C_u>5和1<C_c<3两个条件的土，属于级配良好的土，可得到较高的密实度，具有较小的压缩性和较大的强度，工程性质优良。图2.2中的B曲线对应的即为级配良好土。

2）级配曲线光滑连续，不存在平台段，但曲率较大，曲线较陡，粗细颗粒连续但较均匀；或级配曲线虽然平缓但存在平台段，粗细颗粒虽不均匀，但粒径不连续。属于这两种情况的土，且不能够同时满足C_u>5和1<C_c<3两个条件，属于级配不良土，工程中的密实度较低，工程性质不良。图2.2中的C曲线和A曲线对应的即为级配不良土。

土的级配优劣还直接受颗粒形状的影响，造成土工程性质的差异。例如，含角粒的土体比含圆粒的土体更为松散，级配相对较差。同时，角粒在压缩、夯实和变形的过程中更倾向发生明显的破碎。有关粗颗粒形状的内容将在下一节进行详细介绍。图2.3所示为粉土和砂土混合土的孔隙比与粉粒含量的关系，当粉土含量较少时，粉粒会进入较大砂粒间的孔隙中，随着粉粒含量的增大，混合土的孔隙比逐渐降低。但当粉土含量达到特定值时，砂粒间的孔隙完全被粉粒填充，继续增大粉土含量时，砂粒就会在粉粒基质中相互隔离，导致混合土孔隙比的增大。

图2.3 砂土—粉土混合土最大、最小孔隙比与粉土含量的关系

【例2.1】 某烘干土样质量为200g，其颗粒分析结果如表2.3所列。试绘制颗粒级配曲线，确定不均匀系数，并评价土的工程性质。

解 土样的颗粒级配分析结果如表2.4所列。

颗粒级配曲线如图2.4所示。

由曲线可得：d₆₀=0.33，d₅₀=0.2，d₃₀=0.063，d₁₀=0.005。

不均匀系数：C_u==66＞5

曲率系数：C_c==2.41，C_c在1～3之间，故该土级配良好。