細粒土、粗粒土與黏性土、無(wú)黏性土（二）

細粒土、粗粒土與黏性土、無(wú)黏性土的定義及它們之間的關(guān)系與區別是應清晰確定與界定的，它們性質(zhì)的表述、在工程中會(huì )有何種形式的表現也應有正確的認識，這對土力學(xué)學(xué)科以及相關(guān)工程都有主要意義。

一. 土的狀態(tài)

普遍意義上的“土”之物理力學(xué)狀態(tài)可用一些一般性的指標表示，如密度（重度）、孔隙率（孔隙比）、含水量（飽和度）；它們可反映土的松密、軟硬、干濕、強弱等物理力學(xué)狀態(tài)。但有些特定的土需要用最能反映其狀態(tài)及力學(xué)性質(zhì)的特定指標或參數，其中相對密度、稠度等就是如此。

1.1無(wú)黏性土的相對密度

相對密度是表示土的松密狀態(tài)的指標，常見(jiàn)的說(shuō)法有“粗粒土的相對密度”、“砂土的相對密度”，國外的教材較普遍是稱(chēng)為“砂礫土（sands and gravels)的相對密度”。

定義為砂礫土的相對密度有一定道理。一是我國標準確定相對密度的最大、最小干密度試驗所用的容器一般為1000mL~2000mL，粒徑較大的顆粒的土料就難以進(jìn)行試驗。所以要求最大粒徑不大于5mm，且粒徑為2mm~5mm的顆粒質(zhì)量含量不超過(guò)15%。二是相對密度指標D_r一個(gè)最重要的用途在于判定飽和砂土的液化，上述粒徑正是砂土的范疇。

但相對密度是以特定土的目前的孔隙比e（干密度r_d）與其所能達到的最大、最小孔隙比（干密度）之間的比例關(guān)系來(lái)表示的，用它在物理性質(zhì)上表現這種土的松密程度，在力學(xué)性質(zhì)上表示其強度變形特性，這最適合于無(wú)黏性土。對于細粒土和有一定膠結的粗粒土，單憑孔隙比間的相對關(guān)系是不能唯一反映這些性質(zhì)的。

在上個(gè)世紀的80~90年代的七-五國家科技攻關(guān)項目“土質(zhì)防滲體高土石壩研究”中，當時(shí)有幾個(gè)科研單位與高校用不同尺寸的大型三軸試驗儀對小浪底高堆石壩的堆石料進(jìn)行三軸試驗。由于試樣的尺寸不同，相似法采用不同縮尺模擬原型堆石料，試樣不可能達到原型堆石料的干密度r_d（2.2g/cm³~2.3g/cm³），我們商定用相同的相對密度制樣。這樣就按照模擬料的最大粒徑加大試驗容器，測定最大、最小干密度，而原型料就在現場(chǎng)進(jìn)行試驗。最后各家的試驗成果具有規律性和可比性，也分析了堆石料不同縮尺和不同模擬方法對力學(xué)性質(zhì)的影響及其規律。所以，不限于各種《規范》、《標準》的約束，擴展為無(wú)黏性土的相對密度是完全可以接受的。

那為什么不說(shuō)是“粗粒土的相對密度”呢？因為其中有膠結的以及含泥量很高的粗粒土，不能用相對密度唯一地反映其強度、模量以及液化可能性。在《巖土工程勘察規范》GB 50021-2001中，對于砂土的密度有兩種指標，一種是相對密度D_r：

疏松：D_r￡1/3；中密：1/3<D_r￡2/3；密實(shí)：Dr>2/3。

另一種使用標準灌入擊數N來(lái)判定，見(jiàn)表1：

表1 砂土密實(shí)度分類(lèi)

由于確定相對密度的試驗是室內試驗，是完全碎散的重塑土樣，而原位的砂石土層則可能經(jīng)歷悠久地質(zhì)歷史，具有一定膠結與黏聚力，即使測出其原位的孔隙比，經(jīng)室內試驗計算出其相對密度，與用標貫擊數判斷的也沒(méi)有可比性。只有那些填方的砂土，或者在原位顆粒間基本沒(méi)有聯(lián)結的無(wú)黏性土，兩種土密實(shí)度的分類(lèi)判斷才會(huì )較為一致。

1.2 細粒土的稠度界限

在土力學(xué)中，有個(gè)反映土軟硬狀態(tài)的指標——稠度，對應的就有液限、塑限和縮限w_L、w_p、w_s等界限水量。這些界限含水量用于哪種土，目前的認識也不是很清晰，有“黏性土的界限含水量”、“黏土的界限含水量”等。如果注意到細粒土的分類(lèi)，則可明確地確定是“細粒土的稠度界限”。

在建筑行業(yè)中，所說(shuō)的細粒土為粒徑大于0.075mm的顆粒質(zhì)量不超過(guò)土顆?？傎|(zhì)量的50%以上的土。而細粒土進(jìn)一步分類(lèi)則是：塑性指數I_p>10的為黏性土，其中I_p>17的為黏土；I_p￡10的為粉土，7<I_p￡10的為黏質(zhì)粉土，3<I_p￡7的為砂質(zhì)粉土。其中

             (1)

在《土的分類(lèi)標準》GB/T 50145-2007中，細粒類(lèi)土進(jìn)一步是按塑性圖分類(lèi)，見(jiàn)圖1.

圖1 塑性圖

其中

C——黏土

M——粉土

H——高液限

L——低液限

從兩種規范（標準）看，沒(méi)有細粒土的界限含水量就無(wú)法進(jìn)行細粒土的進(jìn)一步分類(lèi)。因而說(shuō)“細粒土的稠度界限”是準確和必要的。

1.3 黏性土按液性指數的狀態(tài)分類(lèi)

盡管稠度界限可用于全部細粒土，但并不是所有細粒土都是按照稠度進(jìn)行狀態(tài)分類(lèi)，只有其中的黏性土才按照稠度進(jìn)行狀態(tài)分類(lèi)。表示稠度的指標是其液性指數，見(jiàn)式2。

             (2)

黏性土的狀態(tài)分類(lèi)見(jiàn)表2

表2 砂黏性土的狀態(tài)分類(lèi)

可見(jiàn)，塑性指數I_p是某種細粒土的與其黏土礦物組成有關(guān)的固有屬性；而液性指數則是與黏性土的目前的濕度（含水量）有關(guān)的指標。正如姓氏是一個(gè)人此生不變的屬性，而年齡則是其不斷老化的狀態(tài)指標。

對于黏性土，決定其滲透性、強度指標和變形特性的是其含有的黏土礦物的種類(lèi)與數量，以及相應的土中水存在的形態(tài)，這時(shí)其粒徑的大小與級配已經(jīng)不是其決定的因素。假設可以將石英制成0.005mm的圓珠，亦即成為黏粒，那么由它們組成的土是否就是黏土呢？答案是否定的。正如身高為80cm的侏儒不能買(mǎi)兒童票一樣。黏土是含有一定數量的黏土礦物的土，盡管黏土顆粒的粒徑不大于0.005mm，但更重要的是黏土礦物的顆粒形狀為片狀，帶有分布不平衡的電荷，與土中水及其離子間存在復雜的電化學(xué)相互作用。由直徑0.005mm石英珠組成的“土”，其比表面積只有0.44m²/g，而黏土中的蒙特土比表面積可高達800m²/g。因而黏土的塑性指數可以反映其黏土礦物的種類(lèi)與含量，其液性指數可以反映其軟硬狀態(tài)。

1.4粉土的狀態(tài)分類(lèi)

粉土既不同于粗粒土，也不同于黏性土。一般來(lái)講，粉土是一種工程性質(zhì)較差的的土，它易于液化和滲透變形、易凍脹、易沖蝕和強度不高。它含有的黏土礦物很少，黏性和黏聚力低，液性指數不足以反映土的物理力學(xué)和水力學(xué)特性。按狀態(tài)分類(lèi)一般采用孔隙比和含水量判斷其松密和軟硬，其濕度和密實(shí)度對于粉土的力學(xué)、水力特性影響更大、更直接。見(jiàn)表3。

表3 粉土的狀態(tài)分類(lèi)

二．土的黏聚力與摩擦力

根據摩爾-庫倫強度準則，土的抗剪強度通常表示為

                       (3)

亦即土的抗剪強度可分為摩擦強度stanj和黏聚強度（力）c，一般認為，土的摩擦強度源于土骨架中顆粒間的由于法向壓力而產(chǎn)生的摩擦力；將總抗剪強度扣除了摩擦強度，剩下的就是所謂的黏聚強度，這似乎是顯而易見(jiàn)，很容易區分的。但如果認真分析土的抗剪強度的機理，事情就不那么簡(jiǎn)單了。作為一種散體材料，似乎土的摩擦更能反映土的力學(xué)性質(zhì)的本質(zhì)。

土的真正的黏聚力是在直剪試驗中正應力s_n等于0，或者三軸試驗中的圍壓s₃等于0時(shí)，土所具有的抗剪強度。如上文上述，這種試驗難以實(shí)現，另外由于強度非線(xiàn)性、粗顆粒的咬合、破碎等原因，認為內摩擦角j為常數，則會(huì )從強度包線(xiàn)與豎坐標軸的截距得到不甚真實(shí)的黏聚力。

有人簡(jiǎn)單地認為。所謂黏性土就是有黏聚力的土，無(wú)黏性土就是黏聚力為零的土。如上所述，這并不是其區分的準則。在土力學(xué)中，正常固結黏土的有效應力強度包線(xiàn)過(guò)原點(diǎn)，即黏聚力c=0，但在一定圍壓下固結，具有一定密度的黏土肯定具有黏聚力，它源于顆粒間接觸點(diǎn)的化合價(jià)鍵。在圖2中，上圖為固結（側限壓縮）試驗的p（s）-e曲線(xiàn)，下圖為壓力對應的直剪試驗的強度包線(xiàn)。在時(shí)，正常固結黏土的前期固結應力為零（如黃河泥沙在河口剛剛沉積），呈泥漿狀態(tài)，顆粒沒(méi)有形成骨架，全部抗剪強度為零，黏聚力也就為零；當固結應力分別為時(shí)，對應的孔隙比為e₁、e₂與e₃，表明土顆粒間逐漸靠近，顆粒間接觸點(diǎn)產(chǎn)生化合價(jià)鍵，對應的黏聚力分別為c_e1、c_e2和c_e3。但這部分黏聚力是固結應力的函數而被宏觀(guān)上歸入摩擦強度部分中。

圖2 正常固結黏土的強度包線(xiàn)

這種情況下的強度包線(xiàn)不能真實(shí)地反映土的強度機理，使我們無(wú)法用試驗的黏聚力定義黏性土，而用I_p>10就更能反映黏性土中黏性的實(shí)質(zhì)。

在上述所列的土的各項黏聚力中，可以發(fā)現它們都是源于顆粒群、顆粒、分子、離子與原子鍵各種層次的相互作用。由此而產(chǎn)生的黏聚力多來(lái)源于顆粒中粒子間各種內部吸引，例如庫倫靜電吸力、范德華力、基質(zhì)吸力等，而表觀(guān)的黏聚力則是由于這些吸力而產(chǎn)生的粒間的壓力而形成的摩擦力（見(jiàn)圖3、圖4）。

在圖3中的非飽和土中，兩個(gè)顆粒間由粒間毛細水的毛細張力將二者拉在一起，在兩個(gè)顆粒間產(chǎn)生壓力，這個(gè)壓力產(chǎn)生的摩擦力，在宏觀(guān)上的抗剪強度表現為黏聚力。同樣，在圖4中黏土顆粒帶有不均勻分布的正負電荷，顆粒的角-面接觸或公用陽(yáng)離子都會(huì )由靜電引力將黏土顆粒拉在一起，顆粒間的壓力產(chǎn)生的摩擦力表觀(guān)上為土的黏聚力。有人認為這種黏聚力主要來(lái)源于所謂的“內部壓力(intrinsic pressure)”。這種內部壓力產(chǎn)生的黏聚抗剪強度本質(zhì)上還是摩擦強度。

圖3 基質(zhì)吸力                        圖4 靜電引力

在擁擠的人群中，大人手拉著(zhù)孩子可以經(jīng)受很大的由人群涌動(dòng)產(chǎn)生的拉力與剪力，而不致使孩子失散，似乎是大人與孩子之間存在著(zhù)黏聚力?？墒沁M(jìn)一步觀(guān)察分析就可以發(fā)現，其實(shí)是大人的手緊握孩子的手，緊握的壓力產(chǎn)生了較大的摩擦力，這才是抗拉與抗剪強度的實(shí)質(zhì)。

測定土的強度的室內試驗有直剪試驗和三軸試驗，對于飽和土根據排水條件可以有固結排水CD（慢剪）、固結不排水CU（固結快剪）和不固結不排水UU（快剪）三種類(lèi)型的試驗。對于某原狀的飽和黏土試樣的三種試驗結果見(jiàn)圖5.

圖5 三種不同排水條件的三種試驗強度包線(xiàn)

可見(jiàn)不同的排水條件試驗得到的強度包線(xiàn)的黏聚力是不同的，其實(shí)CU和 UU試驗中較大的黏聚力是由試驗中的超靜孔壓力引起的，使一部分摩擦強度表現為黏聚力。

從此可見(jiàn)直接用有無(wú)黏聚力，及黏聚力的大小來(lái)定義與區分黏性土與無(wú)黏性土是行不通得的。宏觀(guān)上抗剪強度中的黏聚強度與摩擦強度在其機理上是相當復雜的，往往不能再于本質(zhì)上反映土的強度機理。因而前面所說(shuō)的：黏性土是塑性指數大于10 的細粒土；無(wú)黏性土是“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”，是更合理與實(shí)用的。

三．無(wú)黏性土的土坡穩定分析

在“注冊巖土工程師執業(yè)資格考試”的考題中，對于細粒土、粗粒土和黏性土、無(wú)黏性土的概念常常有不準確的地方，下面以 2020下午知識題57題為例說(shuō)明之。

例題1  2020下午知識題57

關(guān)于土坡穩定性及其驗算，下列說(shuō)法哪些是正確的？

(A) 一般黏性土土坡的失穩滑移，破壞滑移面必有一定深度

(B) 無(wú)黏性土坡的穩定驗算也常采用條分法

(C) 黏性土坡高度小于一定值時(shí)，坡面可以是豎直的

(D) 含水但非飽和砂土也可有一定的無(wú)支撐自立高度

答案  ACD

評析

由于ACD已經(jīng)為正確的選項，只有委屈B擔任錯誤的選項了。無(wú)黏性土是在抗剪強度中黏聚力可以忽略的粗粒土，而在本科《土力學(xué)》教學(xué)中，常常講砂土的滑動(dòng)面是直線(xiàn)（平面）的，安全系數的公式為：

                         （4）

圖5 無(wú)黏性土的土坡穩定

在《土力學(xué)》教材中，對于純凈砂土講授的滑動(dòng)都是平面的滑動(dòng)，因為本科《土力學(xué) 》實(shí)際上是“重塑土力學(xué)”，還沒(méi)有涉及到非飽和、結構性、強度的非線(xiàn)性等知識。在實(shí)際工程中情況是很復雜的，對于無(wú)黏性土坡常常采用圓弧條分法是確實(shí)存在的，不應誤解誤導。

①無(wú)黏性土的強度非線(xiàn)性

  大粒徑的碎石、塊石料在高圍壓下由于顆粒的破碎，內摩擦角會(huì )顯著(zhù)減小，

可表示為 ，其中Dj可超過(guò)10°，因而高堆石壩的最危險滑動(dòng)面都延深到深層，采用圓弧滑動(dòng)面的條分法進(jìn)行抗滑穩定分析。在高堆石壩的穩定分析中，都是采用了圓弧條分法。

不同

② 高堆石壩穩定分析考慮浸潤線(xiàn)

在高堆石壩的上下游壩坡進(jìn)行運行期的穩定分析時(shí)，要結合的壩身不同的浸潤線(xiàn)進(jìn)行。如圖6所示。在圖6(a)中，由于蓄水在壩高1/3左右，浸潤線(xiàn)以下的壩料采用浮重度，而這部分土體是抗滑力矩大于滑動(dòng)力矩，此時(shí)在上游坡，圓弧滑動(dòng)面是壩體最危險的滑動(dòng)面；圖6(b)是溝后水庫堆石壩由于防滲結構破壞時(shí)，下游浸潤線(xiàn)位置極高，分析結果表明，由于巨大的滲透力，滑動(dòng)面2對應的安全系數為0.919，滑動(dòng)面3 的滑動(dòng)穩定安全系數為0.817?？梢?jiàn)這種有純凈的無(wú)黏性土卵、礫石壩，其最小安全系數的滑動(dòng)面是深入壩身的圓弧滑動(dòng)面。

(a)                                   (b)

圖6 堆石壩上下游壩坡的穩定分析

③ 分區填筑的堆石壩

圖7為溝后水庫大壩的分區土。

圖7 溝后水庫堆石壩的分區圖

在高土石壩設計中，盡量將滲透系數小的土石料布置在上游或者中間，而把顆粒粗、透水性好的土石料布置在下游，以降低壩身的浸潤線(xiàn)，減少滲漏量，加大壩坡的安全系數。

圖7表示的是個(gè)溝后水庫堆石壩的壩身分區。其中Ⅰ₁區為特殊區，砂礫石墊層料，最大粒徑20mm；Ⅰ₂區為墊層區，砂礫石墊層料，最大粒徑100mm；Ⅱ區為過(guò)渡區料，采用Ⅱ號料場(chǎng)砂礫石，最大粒徑為400mm；Ⅲ區為壩中心部位填料，新選料場(chǎng)亂漂石料，最大粒徑600mm；Ⅳ區為壩下游部位填料，為隧洞爆破開(kāi)挖石渣料，最大粒徑800mm。

可見(jiàn)壩料全是純凈的礫、卵、漂。堆石等無(wú)黏性土，但粒徑、顆粒形狀、滲透系數、強度指標不同，下游的壩料最粗、內摩擦角最高，因而危險的滑動(dòng)面是深入壩身內部的圓弧滑動(dòng)面。

除了高土石壩，一般深厚的無(wú)黏性土坡用圓弧法分析穩定也確實(shí)是“常采用條分法”的。比如在《建筑邊坡工程技術(shù)規范》5.2.3中講到：“計算土質(zhì)邊坡、極軟巖、破碎或極破碎巖質(zhì)邊坡的穩定性時(shí)，可采用圓弧滑動(dòng)面”。這里的土質(zhì)邊坡就包括黏性土坡，也包括無(wú)黏性土坡，破碎的巖質(zhì)邊坡也是多無(wú)黏性的。在《碾壓土石壩設計規范》DL/T5395-2007中，10.3.10：“對于均質(zhì)壩、厚心墻壩、或厚斜墻壩，可采用計及條塊間力的簡(jiǎn)化畢肖甫法”。這里的均質(zhì)壩就包括面板堆石壩。因而選項(B)： “無(wú)黏性土坡的穩定驗算也常采用條分法”是很正常的，也是必要的。

像這樣的考題，即使在本科土力學(xué)考試中，我也要力求避免，以免給學(xué)生造成終身的誤導。而作為“注冊巖土工程師考試”的考生，都具有一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗，“命題專(zhuān)家”更應知識面寬一些，犯這種低級的錯誤是很令人遺憾的。值得注意的是，在這些考題中有一部分是根據直接土力學(xué)教材命題的，例如十字板剪切試驗測得的不排水強度c_u等于無(wú)側限抗壓強度q_u的1/2；土的壓縮模量E_s大于土的變形模量E₀等。這些題目在大學(xué)本科的土力學(xué)期末考試中出現并不奇怪，但在“注冊巖土工程師”考試中出現就令人費解了。因為在任何工程地質(zhì)勘察報告中，很難找到這樣的結果。無(wú)側限抗壓強度試驗是使用現場(chǎng)取得之土樣的室內試驗，十字板試驗是原位測試，c_u=q_u/2，除非是有意為之；負責一般都達不到；壓縮模量E_s測定使用環(huán)刀取樣的室內試驗，而變形模量E₀常常是用原位載荷試験的p-s曲線(xiàn)推算得到，反而E₀>E_s是很常見(jiàn)的。

四．結論

4.1 根據不同土的特性，不同土的定名、按性質(zhì)與按狀態(tài)的分類(lèi)應以其最能反映其機理和決定其物理力學(xué)性質(zhì)的指標；

4.2 土抗剪強度中的表觀(guān)的黏聚力往往不是其真實(shí)的“黏聚”的表現，所以黏性土與無(wú)黏性土不能只按其試驗的黏聚力大小與有無(wú)決定名；

4.3 本科土力學(xué)講授了關(guān)于土的最基本的、簡(jiǎn)單化的特性，所謂的土也基本是室內重塑的，通過(guò)室內試驗測定參數的常見(jiàn)土，本科教學(xué)不宜簡(jiǎn)單化、絕對化，要留有余地，以便于學(xué)生以后在科研和工程中進(jìn)一步認識土的這類(lèi)和特性。

4.4 在本科土力學(xué)教學(xué)中，努力結合實(shí)踐，結合實(shí)際，樹(shù)立對于土的多樣性、復雜性和多變性的認識。