第3章 抗疏力土的物理性质

   3.1原状土的物理性质

3.1.1土的类型及物理性质

从应用土力学的观点来看，土指的是地球外壳中所有的松散物质，也就是岩床之上所有的物质。土包括矿物颗粒（例如：沙子和粘土）、表层土中的有机物、沼泽地中的堆积物，以及这些物质中的空气和水。

⑴风化作用

矿质土（Mineral soil）是由岩石经风化作用而形成的，风化作用包括物理风化、化学风化和生物风化。

①物理风化

岩石通过物理风化形成的土称为颗粒土（Granular soil），因其性质与原岩床相似，被称为原生矿物。

物理风化，又称机械风化，常见的物理风化方式主要有：温差风化、冰劈风化、盐类结晶与潮解作用和层裂作用。简单地说，物理风化作用，是指岩石发生的机械破碎，基本只有体积大小、形态的变化，而没有显著的化学变化，即没有新的物质产生。

②化学风化

岩石通过化学风化形成的土，称为粘土矿物（Clays），又称次生矿物，是水穿过岩石使其某些矿物成分发生改变而形成的。简单地说，岩石的化学风化使岩石的化学成分发生了分解，产生了新的物质，即粘土矿物。粘土矿物是无机晶体，与原岩床相比其特性变化非常复杂。

③生物风化

在生物活动的影响下，地表岩石遭到的破坏，称为生物风化作用。生物对岩石的破坏主要有三种方式:一是在岩石裂隙中,生物根茎的逐渐膨胀，导致岩石裂隙不断扩大，最终引起岩石崩解；二是生物的新陈代谢及遗体腐烂，对岩石的分解；三是岩石表层在水的作用下生长的植物，在不断的扩大过程中对岩石的分解。

除了自然界的自然风化作用外，人类的工程活动会大大加速岩石的风化过程。

⑵土的类型

矿质土的主要类型，是砂砾（Gravel）、沙子（Sand）、淤泥（Silt）、和粘土（Clay）。

表3.1.1-1 土的基本类型

BASIC TYPES OF SOIL

⑶土的物理性质

①土的轻重程度指标

a.土的天然密度p   

天然土单位体积的质量，称为土的天然密度(单位为g/cm³)。

b.土的干密度P_d

土单位体积中固体颗粒的质量，称为土的干密度，并以p_d表示。

c.土的饱和密度P_sat

土孔隙中被水充满时，单位体积土体质量，叫饱和密度p_sat。

d.土的浮密度P′

处于水下的单位体积土体的有效质量，叫土的浮密度P′。

e.土粒相对密度（土粒比重）d_s

单位体积土颗粒质量与4⁰C纯水单位体积的质量之比，叫土粒相对密度d_s。

这五项密度中，工程上常用土的干密度来评价土的密实度，以控制填土的施工质量。

②土的松密程度指标

a.孔隙比e

土中孔隙体积与土粒体积之比，叫孔隙比。

孔隙比是个重要的物理性指标，用小数表示，它可以用来评价天然土层的密实程度。孔隙比e＜0.6的土是密实的,具有低压缩性,e＞1.0的土是疏松的高压缩性土。

b.孔隙率n

土的孔隙率n是土孔隙体积与总体积之比，以百分数表示。

C.土的含水程度指标

a.土的含水率w

土中水的质量与土颗粒质量之比，称为土的含水率w，以百分数计算。

b.土的饱和度S_r

土中被水充满的空隙体积与空隙总体积之比，称为土的饱和度S_r。

 3.1.2土的三相组成

土体是土颗粒组成的固体骨架。在这个固体骨架中，存在着大量的空隙，这些空隙由液体或气体填充。土颗粒、空隙水及空隙气体，称为土的三相。当土的空隙中仅含液体时，称为饱和土；当土的空隙中仅含有气体时，称为干土。饱和土及干土称为二相土；当土中同时存在液体及气体时，称为三相土或非饱和土。如图所示

 

图3.1.2-1土相模型

土的三相组成物质的占比，不是固定不变的，不同的土质有不同的占比；相同的土质占比，随压力、温度、湿度等因素的变化而变化。在单位体积中，土的三相组成物质的比值，即体积与质量的相对比值，是衡量土的物理性质的指标。

在日常生活中，土体遇水而软，晒后变硬，就是土的三相组成物质的占比发生变化而引起的。

泥石流、山体滑坡、地陷等自然灾害，大多数情况都是土的三相组成物质的占比发生变化而引起的。

⑴土中的水

根据土中水的位置、支配水运动的力、流量的测试，土中的水可分为：

游离水或称为重力水（free water or gravitational water）：这类水在地下水位线以下，因地心引力可自由移动。

毛细水（Capillary water）：这类水在地下水位线以上，由表面张力形成，即通过土颗粒之间的毛孔向上吸附。

束缚水或称支持水（Attached water or held water）：这是一种覆盖在土颗粒周围的水膜。束缚水作为土颗粒的一部分，除非有强大的外力作用，在一般情况下是不运动的。在粘性土中，束缚水的量是很大的，相对土颗粒而言，水膜的厚度是很厚的。

 

图3.1.2-2土中水的种类 

毛细吸水：地下水位线以上，土中水的运动主要是通过毛细吸水(capillary rise)来实现的，而引起毛细吸水的原因，是土中水的表面张力。表面张力使水在孔隙内产生弯液面（the meniscus弯月面），沿孔壁向上运动。

图3.1.2-3 毛细吸水              图3.1.2-4 土壤间表面凝聚

⑵土中的气

土中的气体，存在于土空隙中未被水占据的部分。在粗粒的沉积物中与大气相通的空气，对土的力学性质影响不大。在细粒土中常存在着与大气隔绝的封闭气泡，使土在外力作用下的弹性变形增加，透水性减小。

⑶土的结构和构造

土的结构，是指由土粒单元的大小、形状、相互排列，及其联结关系等因素形成的综合特征。土的结构和构造，对土的物理力学性质有重要影响。土的结构一般分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构。土的构造，是土层的层理、裂隙及大孔隙等宏观特征。土的构造最主要特征就是成层性，即层理构造。常见的土的构造，有水平层理结构和交错层理结构。

土颗粒、水和气的关系

土体力学性质的多变性，是固体颗粒、空隙水与空隙气体间比例变化及相互作用的结果。土是由土颗粒、水及气体三相物质组成的集合体，土中空隙体积大土就松，土中水多土就软。也就是说，土的松密程度和软硬程度，主要取决于土的三相组成物质在数量上所占的比例。

3.1.3粘性土的物理性质

⑴粘性土界限含水率

粘性土从一种状态变化到另一种状态的含水率，称为界限含水率。由瑞典科学家阿太堡（Atterberg）提出，故又称为阿太堡界限含水率。界限含水率，分为液限、塑限、缩限。

 

图3.1.3-1 粘性土的界限含水率 

⑵粘土的塑性指数

粘土的液限和塑限之差值，称为塑性指数Ip。Ip值愈大，表示土的可塑性范围愈大，土中所含有的结合水愈多，土与水之间作用愈强烈。

⑶粘性土(细粒土)的塑性指数划分

表3.1.3-1 中国分类标准

   3.2抗疏力土的物理性质

抗疏力土=原状土+稳定剂。抗疏力土与稳定剂之间所发生的变化属物理变化，而不是化学变化，抗疏力土中也没有任何新的物质产生。这就是说，抗疏力土没有改变土的自然属性，仍然可以作为农业生产用土。

既然抗疏力土没有改变土的自然属性，那么，在土中添加稳定剂的意义何在？

虽然稳定剂没有改变土的自然属性，但却改变了土体和土颗粒的某些物理属性。正是因为这些物理性质的改变，才使“土体疏松、土体渗流及土体冻胀”得以化解，使“土体失稳、土体变形、强度降低”等病害得以克服，使抗疏力土成为优质的耕植土和工程建筑土。

3.2.1抗疏力土与原状土物理性质对比

⑴土的轻重程度指标对比

①天然密度p

抗疏力土的密度>天然密度。

②干密度P_d

抗疏力土的干密度>原状土。

⑵土的松密程度指标对比

①孔隙比 e

抗疏力土的孔隙比e＜原状土e＜0.6。

②孔隙率n

抗疏力土的孔隙率n＜原状土n。

⑶土的含水程度指标对比

抗疏力土的最佳含水量＜原状土的最佳含水量。

3.2.2抗疏力土与原状土的强度对比

⑴CBR

在相同条件下，抗疏力土的CBR值大于原状土CBR值几倍至十几倍。

⑵回弹模量

在相同条件下，抗疏力土的回弹模量值>原状土回弹模量值。

⑶弯沉值

在相同条件下，抗疏力土的弯沉值<原状土弯沉值。

3.2.3抗疏力土与原状土的渗透量对比

在相同条件下，抗疏力土渗透量<原状土渗透量八至十几倍。抗疏力土与原状土的对比数据，将在“科学论证”章节中展示。

  3.3抗疏力土保持土的自然属性

前文已述，抗疏力土没有改变土的自然属性，仍然可以作为农业生产用土。

一般认为，土的自然属性，即地球陆地表层的疏松物质，由各种颗粒状矿物质、有机物质、水分、空气、微生物等组成，能生长植物。简而言之，土的自然属性就是植物能从土中生长出来。

抗疏力土保持了土的自然属性，能生长植物，这一论断不是推论，而是被所有抗疏力工程所验证的事实。

3.3.1 抗疏力土能生长植物

⑴道路工程

如图3.3.1-1所示，路中间没有草，而路两边有草。没草的原因是路中间车辆碾压多，而有草的原因是路边车辆碾压少。

 

图3.3.1-1抗疏力生态路5年后质量追踪 

⑵水利工程

 

图3.3.1-2启培抗疏力水塘竣工与质量追踪对比图 

⑶边坡工程

  

图3.3.1-3启培抗疏力边坡工程生态恢复对比

⑷地埂工程

 

图3.3.1-4启培抗疏力地埂工程生态恢复对比

⑸沟渠工程

 

图3.3.1-4启培抗疏力沟渠工程生态恢复对比

3.3.2 抗疏力土可反复使用

原状土的自然属性之一就是可反复使用，抗疏力土仍然保持了这一属性。如图3.3.2-1所示：

 

                      A.暴雨破坏图                       B.雨后修复图

图3.3.2-1

该路段铺筑抗疏力混合料后，尚未压实便遭暴雨袭击，图A.为经车辆碾压后的路况。

雨停后，将损坏路段翻耕、晾晒、整形，压实，图B.为修复后的路况。几小时后，该路段再次遭到暴雨袭击，路面完好无损，无一车辙。

案例启示

抗疏力土工程可能失误，但不可能失败！

（待续）

 

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 主编：纪学欣