粗粒土、細粒土與黏性土、無(wú)黏性土（一）

在近年來(lái)我國的注冊巖土工程師考試的考題中，常常出現關(guān)于粗粒土、細粒土與黏性土、無(wú)黏性土的錯誤概念。在這里進(jìn)行一些分析討論，也希冀同行積極發(fā)表意見(jiàn)，以期“疑義相與析”。

粗粒土、細粒土與黏性土、無(wú)黏性土在土力學(xué)中是一些并不十分準確與清晰的名詞術(shù)語(yǔ)，呈很復雜與不確定的狀態(tài)。在人們的印象中、生活中、工程實(shí)踐中以及不同的行業(yè)中存在很多不同理解甚至誤解，但可以肯定的是：細粒土不一定都是黏性土，粗粒土也非一定是無(wú)黏性土。

一．細粒土與細粒組，粗粒土與粗粒組

對于土的細粒組與粗粒組國內外較為一致的界限是0.075mm（也有為0.06mmm 或其他）。相應的如果定義砂粒組，或進(jìn)一步定義細、中、粗砂粒組也都以一個(gè)特定的粒徑區間，所以“粒組”是一個(gè)在一定明確的粒徑范圍內的顆粒組。

但是如果說(shuō)粗粒土、砂土、中砂土，那就可能是千奇百怪了，它們只表明哪一些粒組的顆?！?u>為主體”，或主要表現出哪一種土性。例如一種某規范所謂的“中砂土”可能含有礫、碎、塊石，還可能含有粉土粒、黏土礦物、有機質(zhì)等。常常如何定名土需要依靠有關(guān)的“規范”，而不同的規范又會(huì )有不同的規定。

二．粗粒土與細粒土

建筑業(yè)的規范，例如“建筑地基基礎術(shù)語(yǔ)標準”（GB/T-2014）中，定義：

粗粒土：粒徑大于0.075mm的顆粒質(zhì)量超過(guò)土顆?？傎|(zhì)量的50%以上的土；

細粒土：粒徑大于0.075mm的顆粒質(zhì)量不超過(guò)土顆?？傎|(zhì)量的50%以上的土。

按此規定，似乎世間的土非此即彼，不是粗粒土就是細粒土?？墒前凑账恐骶幍摹锻凉ぴ囼灧椒藴省稧B/T 50123-2019或《土的工程分類(lèi)標準》GB/T 50145-2007，在工程中土被分為巨粒類(lèi)土、粗粒類(lèi)土和細粒類(lèi)土，也有的規范還單分出有機土?？雌饋?lái)并非是非驢即馬，還有騾子。但是對于通常所說(shuō)的“粗粒土”與“細粒土”，人們大體上還可以有所共識。

工業(yè)與民用建筑物大多建造在河流的中下游，其地基土分層，各層土多由水流搬運、沉積而成，土的粒徑在一個(gè)相對較狹窄的范圍，因而分類(lèi)相對容易。而大型水利水電工程常位于河流上游的河谷，遇到的土多為坡積土，混合土，粒徑范圍極其寬廣。建筑業(yè)最關(guān)心土的強度與變形特性；而水利水電行業(yè)優(yōu)先關(guān)注的是土的滲透性，所以關(guān)于土的分類(lèi)不同有其行業(yè)特點(diǎn)。

三．黏性與黏聚力

黏性土與無(wú)黏性土的區別就在于其是否有黏性或是否有黏聚力c。那么黏性與黏聚力的定義、形成機理、測試與確定方法又如何分析與進(jìn)行的呢？

3.1 黏聚力的來(lái)源

在土力學(xué)中指出，黏聚力c的產(chǎn)生是由于以下的原因：顆粒間的咬合、非飽和土的吸力、冰凍、靜電引力、范德華力、膠結力、粒間的化合價(jià)鍵等。而在土的分類(lèi)中所說(shuō)的“黏性”，多指黏土礦物間的電化學(xué)作用。

3.2 黏聚力的判斷與測定

人們可以通過(guò)觀(guān)察，如土是否成塊、是否可以豎直開(kāi)挖與豎直填筑等判斷土的黏性與黏聚力，但似乎最精準的測定方法就是試驗，即在壓力（或圍壓）為零時(shí)是否具有抗剪強度（c=t_f）?？蛇@又是土力學(xué)中至今幾乎無(wú)法解決的難題。

豎直壓力為0（s_n=0kPa）的直剪試驗，幾乎是無(wú)法進(jìn)行的，因為上盒中土的自重、試樣頂帽的自重以及上下盒間等環(huán)節的摩阻力都是難以完全消除的，因而難以做到剪切面上s_n=0kPa。而在極低圍壓（s₃￡10kPa）下的砂土三軸試驗更是一個(gè)難題，據日本學(xué)者的試驗分析，引起誤差的原因有：試樣膜的約束、壓力室內靜水壓力、試樣與上帽及下座間的摩擦、測水管與試樣中心的水位差等8種因素直接影響試驗結果，經(jīng)常會(huì )測得純凈的飽和砂土當表觀(guān)上s₃=0kPa時(shí)，t_f>0kPa。亦即具有黏聚力。另一方面，在這些試驗中，粗粒土的強度非線(xiàn)性會(huì )使強度包線(xiàn)非直線(xiàn)，從不同的圍壓試驗得到的強度直線(xiàn)外延到豎坐標上往往不過(guò)原點(diǎn)。

四．黏性土與無(wú)黏性土

在“建筑地基基礎術(shù)語(yǔ)標準”（GB/T-2014）中，定義：黏性土是塑性指數大于10 的細粒土；《巖土工程勘察規范》(GB 50021-2001中規定“黏性土應根據塑性指數分為粉質(zhì)黏土和黏土”?？梢?jiàn)二者的規定是本質(zhì)上一致的。

“建筑地基基礎術(shù)語(yǔ)標準”（GB/T-2014）定義無(wú)黏性土：“顆粒間不具有黏聚力，在抗剪強度中黏聚力可以忽略的粗粒土”。

從以上的規定可以看到：

① 細粒土并不都是黏性土，例如粉土（包括黏質(zhì)粉土與砂質(zhì)粉土），即使具有相當數值的的黏聚力，也不能稱(chēng)為黏性土；

② 粗粒土也并不都是無(wú)黏性土，只有“抗剪強度中黏聚力可以忽略的粗粒土”才屬于無(wú)黏性土。在《土的工程分類(lèi)標準》GB/T 50145-2007中，屬于巨粒類(lèi)土的巨?；旌贤潦蔷蘖：看笥?5%，不大于50%的土，如果巨粒以外都是黏性土。則黏聚力是會(huì )相當大的。在圖1中，粗顆粒含量如果小于65%，則粗粒懸浮在黏性土的基質(zhì)中未能形成骨架，土的性質(zhì)主要由黏性土所決定。在水電資源豐富的我國西南地區修建高堆石壩，粗顆粒的碎石、堆石料極為豐富，而用作心墻防滲的黏性土極為缺少。在這種高山峻嶺壩址附近，極難征用幾十上百萬(wàn)方黏性土作為防滲土料，通常在細粒土中加入（30~40）%碎石料。其滲透系數并不會(huì )明顯減小，其黏聚力也基本等于黏性土的黏聚力。

圖1粗顆粒含量小于與大于65%的粗?；旌贤?

③ 在黏性土與無(wú)黏性土之間存在著(zhù)一個(gè)廣袤的空間。例如人們發(fā)現具有一定黏聚力的飽和粉土層在地震時(shí)也會(huì )液化，就把這些土成為“少黏性土”。在日常生活和實(shí)際工程中也會(huì )發(fā)現，一些粗粒土具有相當大的黏聚力，但根據上述的定義，又不能認為是黏性土，當然也不能列入無(wú)黏性土。

五．粗粒土與無(wú)黏性土

在巖土工程技術(shù)人員中和在一些高校的巖土工程教師和教材中，甚至在一些“專(zhuān)家”中，將粗粒土等同于無(wú)黏性土是一個(gè)較為普遍錯誤。正如《建筑地基基礎術(shù)語(yǔ)標準》關(guān)于無(wú)黏性土的定義：“顆粒間不具有黏聚力，在抗剪強度中黏聚力可以忽略的粗粒土”，可見(jiàn)只有一部分粗粒土屬于無(wú)黏性土。也有人望文生義，認為無(wú)黏性土就是c=0kPa的土，如上所述，這有一些片面性和難度。為什么粗粒土不一定都是無(wú)黏性土，有下面一些情況。

5.1 混合土

如上所述，《土的工程分類(lèi)標準》中的混合粗粒土（50%<粗粒含量￡75%）與粗?；旌贤粒?5%<粗粒含量￡50%），《建筑地基基礎術(shù)語(yǔ)標準》中的粗粒土（>0.075mm的顆粒含量>50%），在這些土中，如果粗顆粒含量小于能夠形成骨架的65%，而其余細粒部分都屬于黏性土（如圖1所示），則這種粗粒土就表現出具有黏性土的特性。所以在我國西南地區的高堆石壩可采用摻入40%碎石的黏性土或采用冰磧土作為防滲料，其也具有較高的黏聚力是不言而喻的。

5.2 咬合力

粗粒土中顆粒間的咬合力在宏觀(guān)可表現為黏聚力，如圖2所示。由于顆粒間的咬合，在咬合處被剪斷的前后，其強度包線(xiàn)表現為兩段直線(xiàn)，分別表示為：

  (1)

  (2)

  (3)

其中j_m為顆粒間礦物的滑動(dòng)摩擦角，s_n0是顆粒咬合處被剪斷時(shí)的豎向應力，可見(jiàn)，其表觀(guān)的黏聚力c，是由顆粒的礦物強度決定的。

圖2 土的咬合及其強度

粗粒土顆粒間的咬合可以產(chǎn)生很大的表觀(guān)黏聚力，圖3是青海溝后水庫潰壩后的斷面。高達71m的面板堆石壩，其純凈的礫石、卵石、漂石筑壩土料壓實(shí)干密度高達2.23g/cm³，崩潰壩后其殘坡以大于70°的坡度近于豎立，其穩定完全靠粗顆粒間的咬合力維持。

圖3 溝后水庫潰壩后的斷面

5.3粗粒土的強度的非線(xiàn)性

大量的試驗結果表明，粗粒土的破壞面上抗剪強度與該面上的正應力s_n之間，或三軸試驗中的抗剪強度與圍壓s₃之間并非是線(xiàn)性關(guān)系。圖4表示的是一種堆石料的三軸試驗強度包線(xiàn)。

圖4.堆石料三軸試驗非線(xiàn)性強度包線(xiàn)

如上所述，圍壓s₃小于100kPa粗粒土的三軸試驗是很難準確進(jìn)行的，曲線(xiàn)①的前面虛線(xiàn)部分是假定強度包線(xiàn)必然過(guò)原點(diǎn)繪出的曲線(xiàn)?？梢员硎緸槭?4)或者式(5)：

  (4)

  (5)

主要是我國一些高堆石壩堆石材料式(4)的參數見(jiàn)圖5，其中的Dj可達10°~13°；這些高堆石壩的堆石料的式(5)參數范圍見(jiàn)表1。

圖5 我國一些高堆石壩筑壩材料的強度參數

表1 堆石料式(5)中的參數

在圖4中，采用線(xiàn)性的強度包線(xiàn)，如果假定線(xiàn)性包線(xiàn)必須過(guò)原點(diǎn)，則根據試驗成果優(yōu)化后的直線(xiàn)為線(xiàn)②；如果不假定線(xiàn)性包線(xiàn)必須過(guò)原點(diǎn)，則優(yōu)化為直線(xiàn)③。

在圖3中的溝后水庫的筑壩材料對于線(xiàn)①，j₀=46°, Dj=6.1°； 對于線(xiàn)②，j=41°；線(xiàn)③給出c=18.5kPa, j=37.1°。線(xiàn)③可表現出相當大的黏聚力，也可說(shuō)明為什么圖3中殘坡坡度可以在70°以上而保持穩定。

5.4 土的結構性

粗粒土的結構性表現在顆粒的排列與聯(lián)結，前者表現出粗粒土的咬合，后者則會(huì )形成粗粒土的黏聚力。

在圖1中，如粗粒土的粗顆粒含量大于65%，粗粒形成土骨架，在強度、變形及滲透性方面，主要由粗顆粒決定。但是即使只含有20%~30%黏性土，可表現較大的滲透性，但可粘接粗顆粒而產(chǎn)生較大的黏聚力。農民就可以用少量的泥漿把不規則的塊石與漂石砌筑成幾米高的圍墻。

濟南某建筑工程場(chǎng)地，樁基擬穿過(guò)一層卵石層，卵石中含有25%以上的棕紅色硬塑黏土，結果成孔成樁十分困難。北京郊區某基坑工程，下部的長(cháng)辛店礫石層屬于半膠結礫石，含有承壓水，擬用管井降水，可是這種半膠結礫石層中成井困難。由于井管長(cháng)度不足，造成施工時(shí)上部黏土層滲透破壞發(fā)生事故。而在灘地形成的“鐵板沙”，雖屬于粉細砂，卻可以硬如鐵板，表現了很強的結構性。

土顆粒間的膠結可包括碳、硅、鐵、鉛的氧化物和有機混合物，這些膠結材料可能來(lái)源于土料本身，即在礦物的溶解與重析出過(guò)程中生成；也可來(lái)源于土中水溶液。我國近年來(lái)由于過(guò)量開(kāi)采地下水，是一些地區的地下水位大幅度下降，這個(gè)水位變化范圍的砂石類(lèi)土都會(huì )產(chǎn)生一定的膠結，在北京的某基坑工程中曾見(jiàn)到4m厚的粉細砂層幾乎豎直開(kāi)挖而沒(méi)發(fā)生事故（非雨季）。

Q3及以前（第四紀晚更新世及其以前）的老土層一般都有一定的結構性與膠結。在采礦業(yè)，從100m~200m開(kāi)采出的砂石土常具有很強的膠結，甚至處于巖與土之間的狀態(tài)。

5.5 非飽和土的吸力

非飽和土的吸力對于粗粒土中的粉、細、中砂以及一些混合土的影響較大，圖6為一種冰磧土的土水特征曲線(xiàn)（含水量與吸力間關(guān)系曲線(xiàn)）?？梢?jiàn)在較低含水量時(shí)，基質(zhì)吸力可達上千kPa。

圖6 壓實(shí)冰磧土的土水特征曲線(xiàn) 

 圖7非飽和土強度理論

根據Fredlund對非飽和土提出的雙應力系統，在非飽和土的強度中應計入吸力的影響，如圖7所示，可表示為

  (6)

其中(u_a-u_w)即為非飽和土的基質(zhì)吸力，如果設 ，則式(6)也可表示為

  (7)

這里的c2可稱(chēng)為“假黏聚力”，它在數值上可以很大。據報道，一個(gè)美國青年在很厚的沙灘中，開(kāi)挖一條隧道，自己爬了進(jìn)去后塌陷了，最后采用生命探測器才把他挖出來(lái)。

實(shí)際上，真正c=0kPa的無(wú)黏性土是較少的，包括實(shí)驗室里的純凈的風(fēng)干砂和飽和砂土，人工開(kāi)采的砂石料，沙漠里流動(dòng)沙丘，新近沉積的河海灘地的風(fēng)干與水下的砂土等，而大多數原狀粗粒土或多或少都表現出一定的黏聚力。所謂“黏聚力可以忽略的粗粒土”，黏聚力多少可以忽略，在什么情況可以忽略，都是模糊的概念，需要因地制宜。例如在基坑工程設計中的半膠結的卵石層可以忽略其黏聚力；而在這種土層入樁、成井時(shí)，則要考慮其黏聚力，不應當做無(wú)黏性土。如果利用“鐵板沙”進(jìn)行沖填，幾乎是不可能的。