土的工程性質
正文
設計和建造各種工程建築物時，所必須掌握的天然土體或填築土料的工程特性。不同類別的工程，對土的物理和力學性質的研究重點和深度都各自不同。對沉降限制嚴格的建築物，需要詳細掌握土和土層的壓縮固結特性；天然斜坡或人工邊坡工程，需要有可靠的土抗剪強度指標；土作為填築材料時，其粒徑級配和壓密擊實性質是主要參數。土的形成年代和成因對土的工程性質有很大影響，不同成因類型的土，其力學性質會有很大差別（見土和土體）。各種特殊土（黃土、軟土、膨脹土、多年凍土、鹽漬土和紅粘土等）又各有其獨特的工程性質。土的物理性質 除土的粒徑級配外，土中各個組成部分（固相、液相、氣相）之間的比例，將影響到土的物理性質，如單位體積重 γ，含水量w，孔隙比e，飽和度sr和孔隙度n等。
粘性土中含水量的變化，還能使土的狀態發生改變，阿太堡最早提出將土的狀態分為堅硬、可塑和流動三種，並提出了測定區分三種狀態的界限含水量的方法。從流動轉到可塑狀態的界限含水量稱液性界限W1；從可塑轉到堅硬狀態時的界限含水量稱塑性界限Wp。兩者之間的差值稱土的塑性指數Ip，它反映了土的可塑狀態的範圍。土的界限含水量和土中粘粒含量、粘土礦物的種類有密切關係。為反映天然粘性土的狀態,常用液性指數I1,它等於天然含水量和塑性界限的差值（w-wp）與其塑性指數Ip的比值。I1≤0時，土處於堅硬狀態；I1>1時，為流動狀態，0≤I1≤1時，為可塑狀態。
砂土的密實狀態是決定砂土力學性質的重要因素之一，用相對密度Dr表示:Dr＝(e
－e)/(e－e
)。e為天然狀態時孔隙比,e為砂土最松狀態時的孔隙比，e則為最密狀態時的孔隙比。Dr≈1時,最密實；Dr≈0時，最鬆散。 土的壓縮和固結性質 土在荷載作用下其體積將發生壓縮，測定土的壓縮特性可分析工程建築物的地基沉降和土體變形。飽和粘土的壓縮時間決定於土中孔隙水排出的快慢。逐漸完成土壓縮的過程，即土中孔隙水受壓而排出土體之外，同時導致孔隙壓力消失的過程稱土的固結或滲壓。K.泰爾扎吉最早提出計算土固結過程的一維固結理論，並指出某些粘土中超靜孔隙水壓力完全消失後，土還可能繼續壓縮，稱次固結。產生次固結的原因一般認為是土的結構變形。反映土固結快慢的指標是固結係數，土層的水平向固結係數和垂直向的不一定相同。土的壓縮量還和它的應力歷史有關。土層在其堆積歷史上曾受過的最大有效固結壓力稱先期固結壓力。它與現今作用的有效覆蓋壓力相同時，土層為正常固結土；若先期固結壓力大於現今的覆蓋壓力，則為超固結土；反之則為欠固結土。對於超固結土，外加荷載小於其先期固結壓力時，土層的壓縮很微小，外加荷載一旦超過先期固結壓力，土的變形將顯著增大。
土的強度性質 通常指土體抵抗剪下破壞的能力，它是土基承載力、土壓和邊坡穩定計算中的重要指標之一。它和土的類型、密度、含水量和受力條件等因素有關。飽和或乾砂或砂礫的強度表現為顆粒接觸面上的摩阻力，它與作用在接觸面的上法向有效應力 σ和砂的內摩擦角Φ有關，即τ＝σtgΦ。純粘性土的不排水抗剪強度僅表現為內聚力C，而與法向應力無關，即 τ＝C。一般土則既有內聚力又有摩阻力，即τ＝C+σtgΦ。式中的 C和 Φ不是常量而是變數，不僅決定於土的基本狀態，還和外加荷載速率、外加荷載條件、應力路線等有關。飽和土中的孔隙為水充滿，受外加荷載作用時，控制土體強度的不是其所受的總應力σ，而是有效應力σ′(即總應力與孔隙壓力μ之差)：σ′＝σ－μ。因而強度試驗的條件不同，所得的強度指標亦異。試驗時，不允許土樣排水所得到的是土的總強度指標；如允許完全排水則得到的是土的有效強度指標。理論上用有效應力和有效強度指標進行工程計算較為合適，但正確判別實際工程土體中的孔隙水壓水較困難，因而目前生產上仍多用總強度原理和總強度指標。土體的強度還因其沉積條件的影響而存在各向異性。
土的流變性質 土工建築物的變形和穩定是時間的函式。有些人工邊坡在建成後數年甚至數十年才發生坍滑，擋土牆後的土壓力也會隨時間而增大等，都與土的流變性質有關。土的流變特性主要表現為：①常荷載下變形隨時間而逐漸增長的蠕變特性；②應變一定時，應力隨時間而逐漸減小的應力鬆弛現象；③強度隨時間而逐漸降低的現象，即長期強度問題。三者是互相聯繫的。作用在土體上的荷載超過某一限值時，土體的變形速率將從等速轉變至加速而導致蠕變破壞,作用應力愈大,變形速率愈大，達到破壞的時間愈短。通過試驗可確定變形速率與達到破壞的時間的經驗關係，並用以預估滑坡的破壞時間。產生蠕變破壞的限界荷載小於常規試驗時土的破壞強度。從長期穩定性要求，採用的土體強度應小於室內試驗值。土體強度隨時間而降低的原因，當然不只限於蠕變的影響。土的蠕變變形因修建擋土牆或其他建築物而被阻止時，作用在建築物上的土壓力就隨時間逐漸增大。
土的壓實性質 對土進行人工壓實可提高強度、降低壓縮性和滲透性。土的壓實程度與壓實功能、壓實方法和含水量有關。當壓實方法和功能不變時，土的乾容重隨含水量的增加而增加，達到最大值後，再增加含水量，其乾容重將逐漸下降。對應於最大幹容重時的含水量稱最佳含水量。壓實功能不增大而僅增加壓實次數或碾壓次數所能提高土的壓實度有一定限度，超過該限度再增加壓實或碾壓次數則無效果。填築土堤，在最佳含水量附近可用最小的功能達到最大的乾容重，因而要在室內通過壓實試驗確定填料的最佳含水量和最大幹容重(見路基填土壓實)。但壓實的方法也影響壓實效果，對非粘性土,振動搗實的效果優於碾壓;對粘土則反之。研究土的壓實性能，可選擇最合適的壓實機具。為改善土的壓實性能，可鋪撒少量添加劑。中國古代已盛行摻加生石灰來改善土的壓實性能。此外，人工控制填料的級配，也可達到改善壓實性能的目的。
土的應力-應變關係 土的變形和強度是土的最重要的工程性質。60年代以前，在工程上通常分別確定土的變形和強度指標，不考慮強度與變形間的相互影響。因為土的應力-應變關係是非線性的並具有彈塑性、 甚至粘彈塑性特徵，而當時的計算技術，尚無法進行分析。隨著計算機和數值分析法的普及,已可能把土的應力-應變關係納入土工建築物的分析計算中。正常固結粘土和松砂的剪應力和軸向應變的曲線呈雙曲線型，在整個剪下過程中，土的體積發生收縮，這類土具有應變硬化的特性。 超固結粘土和密實砂的應力-應變曲線則有峰值，其後應變再增大時,則土的強度下降,最後達穩定值。剪下過程中,土的體積先有輕微壓縮,隨後即不斷膨脹，這類土具有應變軟化的特徵。為了使用數學方程描述各類土的應力-應變特性,現已有各種非線性彈性、彈塑性和粘彈塑性模型。利用這些模型和數值分析法，可以分析一些複雜邊界條件和不均質土體的變形和穩定問題。但是這些模型中所對應的土的參數,目前尚難正確測定,土體的原始應力狀態也難確定，因而還難於在工程中普遍套用。
土的動力性質 土在岩爆、動力基礎或地震等動力作用下的變形和強度特性與靜荷載下有明顯不同。土的動力性質主要指模量、阻尼、振動壓密、動強度等，它與應變幅度的大小有關。應變幅度增大(<10-4)，土的動剪下模量減小，而阻尼比例則增大。土的動模量和阻尼是動力機器基礎和抗震設計的重要參數，可在室內或現場測試。1964年日本新潟大地震，大面積砂土液化造成大量建築物的破壞，推動了對飽和砂土液化特性的研究。液化的主要機理是土的有效強度在動荷載作用下瞬時消失，導致土體結構失穩。一般松的粉細砂最容易發生液化，但砂的結構和地層的應力歷史也有一定的影響。具有內聚力的粘性土一般不發生液化現象。
特殊土的工程性質 黃土的工程性質 一般分為新黃土和老黃土兩大類，其性質也有顯著差異（見黃土地區築路、路基設計）。
軟土的工程性質 軟土一般指壓縮性大和強度低的飽和粘性土，多分布在江、河、海洋沿岸、內陸湖、塘、盆地和多雨的山間窪地。軟土的孔隙比一般大於1.0,天然含水量常高出其液限，不排水抗剪強度很低，壓縮性很高，因而常需加固處理。最簡單的方法是預壓加固法（見預壓法）。軟土強度的增加有賴於孔隙壓力的消失，因而在地基中設定砂井以加快軟土中水的排出，這是最常用的加固方法之一。預壓加固過程中通過觀測地基中孔隙水壓力的消失來控制加壓，這是保證施工安全和效率的有效方法。此外，也可用碎石樁（見振沖法）和生石灰樁等加固軟土地基。
膨脹土的工程性質 粘土中的粘土礦物（主要是蒙脫石），當遇水或失水時，將發生膨脹或收縮，引起整個土體的大量脹縮變形，給建築物帶來損害（見膨脹土地基）。
多年凍土的工程性質 高緯度或高海拔地區，氣溫寒冷，土中水分全年處於凍結狀態且延續三年以上不融化凍土稱多年凍土。凍土地帶表層土隨季節氣溫變化有凍融交替的變化，季節凍融層的下限即為多年凍土的上限，上限的變化對建築物的變形和穩定有重大影響（見凍土地基、多年凍土地區築路）。
鹽漬土的工程性質 見鹽漬土地區築路。
紅粘土的工程性質 熱帶和亞熱帶溫濕氣候條件下由石灰岩、白雲石、玄武岩等類岩石風化形成的殘積粘性土。粘土礦物主要是高嶺石，其活動性低。中國紅粘土的特點一般是天然含水量高、孔隙比大，液限和塑性指數高，但抗水性強,壓縮性較低,抗剪強度也較高，可用作土壩填料。
