任务1.5 土的现场鉴别及工程分类

1.5.1 土的现场鉴别

1.5.1.1 岩土工程勘察概述

岩土工程勘察工作是交通工程设计和施工的基础，目的主要是查明工程地质条件，分析存在的地质问题，对建筑地区做出工程地质评价。岩土工程勘察的任务是按照不同勘察阶段的要求，正确反映场地的工程地质条件及岩土体性态的影响，并结合工程设计、施工条件以及地基处理等工程的具体要求，进行技术论证和评价，提交出岩土工程问题及解决问题的决策性具体建议，并提出基础、边坡等工程的设计准则和岩土工程施工的指导性意见，为设计、施工提供依据，服务于工程建设的全过程。岩土工程勘察应分阶段进行，岩土工程勘察可分为可行性研究勘察（选址勘察）、初步勘察和详细勘察三阶段，初步勘察应符合初步设计或扩大初步设计的要求，详细勘察应符合施工设计的要求。

工程地质勘察的内容主要有：工程地质调查和测绘、勘探及采取土试样、原位测试、室内试验、现场检验和检测，最终根据以上几种或全部手段，对场地工程地质条件进行定性或定量分析评价，编写满足不同阶段所需的成果报告文件。

1.5.1.2 土的现场鉴别

土的现场鉴别及工程分类是岩土工程勘察的重要组成部分，自然界的土类众多，其成分和工程性质变化很大。土的工程分类的目的就是将工程性质相近的土归成一类并予以定名，以便对土进行合理的评价和研究。

土的现场鉴别是在现场勘查中根据经验和简易的试验，由土的干强度（将一小块土捏成土团，风干后用手掰断、碾碎，根据用力大小判断：很难或用力才能捏碎或掰断者为干强度高；稍用力即可捏碎或掰断者为干强度中等；易于捏碎或捻成粉末者为干强度低）、手捻感觉（将稍湿或坚硬的小土块在手中揉捏，然后用拇指和食指将土块捻成片状，根据手感和土片光滑度区分：手感滑腻、无砂、捻面光滑者为塑性高；稍有滑腻感、有砂粒、捻面稍有光滑者为塑性中等；稍有黏性、砂感强、捻面粗糙者为塑性低）、搓条（将含水率略大于塑限的湿土块在手中揉捏均匀，再在手掌上搓成土条，根据土条断裂而能达到的最小直径区分：能搓成直径小于1mm土条者为塑性高；能搓成直径小于1～3mm土条者为塑性中等；搓成直径大于3mm土条即断裂者为塑性低）、摇振反应（将软塑至流动的小土块捏成土球，放在手掌上反复摇晃，并用另一手振击该手掌，土中自由水渗出，球面呈现光泽，用两手指捏土球，放松手水又被吸入，光泽消失，根据上述渗水和吸水反应快慢区分：立即渗水及吸水者为反应快、渗水及吸水中等者为反应中等、渗水吸水慢及不渗不吸者为反应慢或无反应）、韧性（将土块搓直径3mm土条，再揉成团，再次搓条，根据韧性判断）等，可参考表1.6对土类进行鉴别简易分类。

1.5.2 土的粒组及颗粒级配

1.5.2.1 粒组及颗粒级配

土的粒径与土的性质之间有一定的对应关系。通常将土的粒径大小相近性质相近的土划分为一组，称为粒组，土的粒组划分见表1.7。土的把土在性质上表现出有明显差异的粒径作为划分粒组的分界粒径。土中各粒组的相对含量用各粒组占土粒总质量的百分数表示，称为土的颗粒级配。土的粒组颗粒级配是通过颗粒大小分析试验来测定的。

1.5.2.2 颗粒分析试验

颗粒分析试验是测定干土中各粒组占该土总质量的百分数，以了解土粒的颗粒级配情况，为土的分类及概略地判断土的工程性质，土料选择提供依据。颗粒分析试验方法有筛分法、密度计法和移液管法。筛分法适用于粒径大于0.075mm的土，筛分法是将土样通过孔径逐渐减少的一组标准筛（图1.14），对通过某一筛孔的土粒，可以认为其粒径恒小于该孔径，反之对遗留在筛上的颗粒可以认为其粒径恒大于该筛的孔径，这样即为将土样不同颗粒按筛孔大小逐级分组和分析。密度计法适用于粒径小于0.075mm的细粒土，它是将一定质量的风干土样倒入盛1000mL纯水的玻璃量筒中，经过搅拌将其拌成均匀的悬液状，土粒会在悬液中靠自身下沉，土颗粒的大小不同在水中沉降的速度也不同，在土粒下沉过程中，用密度计测出悬液中对应不同时间、不同溶液密度，如图1.15所示，根据密度计读数和土粒的下沉时间，就可以根据公式计算出不同土粒的粒径及其小于该粒径的质量百分数。密度计法或移液管法适用于粒径小于0.075mm的土。

1.5.2.3 颗粒级配曲线

土颗粒大小分析试验的成果，通常在半对数坐标系中点绘成一条曲线，称为土的颗粒级配曲线，如图1.16所示，图中曲线的纵坐标为小于某粒径的质量百分数，横坐标为用对数尺度表示的土粒粒径。因为土中的粒径通常相差悬殊，横坐标用对数尺度可以把细粒部分的粒径间距放大，而将粗粒部分的间距缩小，把粒径相差悬殊的粗、细粒的含量都表示出来。尤其能把占总质量小，但对土的性质影响较大的微小土粒部分的含量清楚地表示出来。

由于粒径相近的颗粒所组成的土，具有某些共同的成分和特性，所以常根据颗粒级配曲线计算各粒组的百分比含量，可以根据颗粒级配曲线评价土的级配是否良好，并作为对土进行工程分类的依据。

土中各粒组的相对含量为小于两个分界粒径质量百分数之差。图1.16中的曲线，对应各粒组的百分比含量分别为：砾（60～2mm）占13%（100%-87%），砂粒（2～0.075mm）占54%（87%-33%）。

1.5.2.4 良好级配的判别

在颗粒级配曲线上，可根据土粒的分布情况，定性地判别土的均匀程度或级配情况。如果曲线的坡度是渐变的，则表示土的颗粒大小分布是连续的，称为连续级配；如果曲线中出现水平段，则表示土中缺乏某些粒径的土粒，这样的级配称为不连续级配（图1.17线C），粒径在1～2mm之间曲线是水平的，说明该土缺乏这部分粒径的土粒，所以颗粒大小分布是不连续的。如果曲线形状平缓（图1.17线B），土粒大小变化范围大，表示土粒大小不均匀，土的级配良好，级配良好的土，粗细颗粒搭配较好，粗颗粒间的孔隙有细颗粒填充，易被压实到较高的密度。因而渗透性和压缩性较小，强度较大。如果曲线形状较陡（图1.17线A），土粒大小变化范围窄，表示土粒均匀，土的颗粒级配不良。

所以颗粒级配常作为选择筑填土料的依据，为了判断土的颗粒级配是否良好，常用不均匀系数C_u和曲率系数C_c两个判别指标：

式中 d₆₀、d₃₀、d₁₀——颗粒级配曲线上纵坐标为60%、30%、10%时所对应的粒径，d₁₀称为有效粒径，d₆₀称为控制粒径。

不均匀系数C_u是反映级配曲线坡度和颗粒大小不均匀程度的指标。C_u值愈大，表示颗粒级配曲线的坡度就愈平缓，土粒粒径的变化范围愈大，土粒就愈不均匀；反之，C_u值愈小，表示曲线的坡度就愈陡，土粒粒径的变化范围愈小。土粒也就愈均匀，工程上常将C_u&lt；5的土称为均匀土，把C_u≥5的土称为不均匀土。

曲率系数C_c是反映d₆₀与d₁₀之间曲线主段弯曲形状的指标，曲率系数越大，土料差别越大。一般C_c值在1～3之间时，表明颗粒级配曲线主段的弯曲适中，土粒大小的连续性较好；C_c值小于1或大于3时，颗粒级配曲线都有明显弯曲而呈阶梯状。如图1.17中的曲线C，颗粒级配不连续，主要由粗颗粒和细颗粒组成，缺乏中间颗粒。我国《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）中规定：级配良好的土必须同时满足两个条件，即C_u≥5和C_c=1～3；如不能同时满足这两个条件，则为级配不良的土。

【例1.9】取1000g风干散粒土样进行筛分法试验，试验结果列于表1.8（第一行、第二行），补充完整试验表格，分析各粒组含量。

解：留在孔径2.0m筛上的土粒质量为100g，则小于该孔径土粒质量为1000-100=900（g），小于该孔径土粒质量的百分数为900/1000=90%。

留在孔径1.0mm筛上的土粒质量为100g，则小于该孔径土粒质量的百分数为（900-100）/1000=80%；同样可求得小于其他孔径的土粒质量百分数。

因0.5≥d&gt；0.25的土粒含量为300g，则粒径范围0.5≥d&gt；0.25（中砂）的含量为300/1000=30%；同样可求得其他粒组的土粒质量百分数，所以该土样各粒组含量分别为砾10%、砂80%（其中粗砂35%、中砂30%、细砂15%），细粒（包括粉粒和黏粒）10%。

【思考题】

颗粒级配曲线反映的是什么?如何判断级配是否良好?

【例1.10】如图1.17所示，曲线A、B、C表示某道路工程三种不同粒径组成的土，试求A土中各粒组的百分含量为多少?各土的不均匀系数C_u和曲率系数C_c为多少?并对A种土的颗粒级配情况进行评价。

解：

（1）由曲线A查得各粒组的含量百分比为

砂粒：（0.075～2mm）占100%-5%=95%。

粉粒：（0.005～0.075mm）5%。

（2）查曲线A得知：d₆₀=0.165mm，d₁₀=0.11mm，d₃₀=0.15mm。

由于C_u和C_c不能同时满足C_u≥5和C_c=1～3的条件，故A土级配不良。

1.5.3 土的工程分类

人们对土已提出过不少的分类系统，如地质分类、土壤分类、结构分类等，每个分类系统，反映了土某些方面的特征。对同样的土如果采用不同的规范分类，定出的土名可能会有差别。所以在使用规范时必须先确定工程所属行业，根据有关行业规范，确定建筑物地基土的工程分类。

1.5.3.1 交通部《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）分类法

1.分类符号构成及分类

（1）分类符号。《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）对各类土的分类名称都配有以英文字母组合的分类符号，以表示组成土的成分和级配特征，见表1.9。

（2）符号构成。表示土类的符号按下列规定构成。

1）由1个符号构成时，即表示土的名称。例如：S表示砂；M表示粉土。

2）由2个符号构成时，第1个表示土的主要成分，第2个符号表示土的特征指标（土的液限或级配）。例如：GW表示级配良好砂，SP表示级配不良砂。

3）由3个符号构成时，第1个符号表示土的主要成分，第2个表示液限的高低（或级配的好坏），第3个符号表示土中所含的次要成分。例如：CHS表示含砂高液限黏土；CHG表示含砾高液限黏土；MLG表示含砾低液限粉土；MLS表示含砂低液限黏土。

4）有机质土时，第1个符号表示土的主要成分，第2个表示液限的高低（或级配的好坏），再在各相应土类代号之后缀以代号O，如CHO表示有机质高液限黏土；MLO表示有机质低液限粉土。

2.一般土的分类

按照交通部颁发的《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）的分类法，土的总分类体系见图1.18，分类时应以图1.18从左到右分三大步确定土的名称。

1）鉴别有机土和无机土。根据土中完全分解、部分分解到未分解的动植物残骸和无定型物质判断是有机土还是无机土。一般有机土呈黑色、青黑色或暗色，有臭味，含纤维质，手触有弹性和海绵感。土中有机质含量Q_u&gt；10%的土称为有机土；5%≤Q_u≤10%的土称有机质土。

2）对巨粒土分类、粗粒土分类和细粒土分类。

a.巨粒土分类。当土样中巨粒组（d＞60mm）质量大于总质量的75%时，该土称漂（卵）石。

当土样中巨粒组质量为总质量的50%～75%（含75%）时，该土称为漂（卵）石夹土。

当土样中巨粒组质量为总质量的15%～50%（含50%）时，该土称为漂（卵）石质土，见表1.10。

b.粗粒类土的分类和定名。当土样中巨粒组质量少于或等于为总质量的15%，且巨粒组和粗粒组（60mm≥d＞0.075mm）质量之和大于总质量的50%的土称为粗粒土，粗粒类土又分为砾类土和砂类土。当粗粒类土中砾粒组（60mm≥d＞2mm）质量大于砂粒组质量的土称砾类土；当粗粒类土中砂粒组（2mm≥d＞0.075mm）质量大于砾粒组质量的土称砂类土。砾类土和砂类土又根据其中的细粒含量和类别以及粗粒组的级配再细分，详见表1.11、表1.12。

c.细粒类土的分类和定名。细粒质量大于或等于总质量的50%的细粒类土又分为细粒土、含粗粒的细粒土和有机质土。粗粒组质量小于总质量的25%的土称细粒土；粗粒组质量为总质量的25%～50%（含50%）的土称含粗粒的细粒土；有机质含量5%≤Q_u≤10%的有机质土。细粒土、含粗粒的细粒土和有机质土的细分如下：

（a）细粒土的分类。细粒土应根据塑性图分类。塑性图以土的液限ω_L为横坐标，塑性指数I_P为纵坐标，如图1.19所示。塑性图中有A、B两条线，A线方程式I_P=0.73（ω_L-20），I_P=7线以上为黏土，I_P=4线以下为粉土，黏土～粉土过渡区（CL～ML）的土可按相邻土层类别考虑细分。B线方程式为ω_L=50%，ω_L＜50%为低液限，ω_L≥50%为高液限。这样A、B两条线将塑性图划分为四个区域，每个区域都标出两种土类名称的符号。应用时，根据土的ω_L和I_P值可在图中得到相应的交点。按照该点所在区域的符号，由表1.13便可查出土的典型名称。

（b）含粗粒的细粒土分类。含粗粒的细粒土应先按表1.12的规定确定细粒土名称，再按下列规定最终定名：粗粒中砾粒占优势，称含砾细粒土，在细粒土代号后缀以代码“G”；粗粒中砂粒占优势，称含砂细粒土，在细粒土代号后缀以代码“S”。

（c）有机质土的分类。可直接从塑性图中查出有机质土的定名。此外，自然界中还分布有许多一般土所没有的特殊性质的土，如黄土、红黏土、膨胀土、冻土等特殊土。它们的分类都有专门的规范，工程实践中遇到时，可选择相应的规范查用。

【例1.11】某无机土样的颗粒级配曲线上查得大于0.075mm的颗粒含量为97%，大于2mm的颗粒含量为63%，大于60mm的颗粒含量为7%，d₆₀=3.55mm，d₃₀=1.65mm，d₁₀=0.3mm。试按（JTG E40—2007）规范对土分类定名。

解：

（1）因该土样的粗粒组含量为：97%-7%=90%，大于50%，该土属粗粒土。

（2）因该土样砾粒组含量为：63%-7%=56%，大于50%，该土属于砾类土。

（3）因该土样细粒组含量为100%-97%=3%，小于5%，查表1.9，该土属于砾。需根据级配情况进行细分。

（4）该土的不均匀系数

曲率系数

C_c=1～3，故属良好级配，因此该土定名为级配良好的砾，即GW。

1.5.3.2 建设部《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）分类法

建设部颁发的《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）与《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）对各类土的分类方法和分类标准基本相同，差别不大。现将《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）分类标准介绍如下：

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）将作为建筑地基的土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土六大类，另有淤泥质土、红黏土、膨胀土黄土等特殊土。

1.岩石

作为建筑地基的岩石根据其坚硬程度和完整程度分类。岩石按饱和单轴抗压强度分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩，详见表1.14；岩石风化程度可分为未风化、微风化、中等风化、强风化和全风化岩石详见表1.15。

2.碎石土

粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50%的土为碎石土，根据粒组含量及颗粒形状可进一步分为漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾，分类标准见表1.16。

3.砂土

粒径大于2mm的颗粒含量不超过总质量的50%、粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土为砂土。根据粒组含量可进一步分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂，分类标准见表1.17。

4.粉土

塑性指数I_P≤10且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%的土为粉土。

5.黏性土

塑性指数I_P&gt；10的土为黏性土。黏性土按塑性指数大小又分为：黏土（I_P&gt；17）；粉质黏土（10&lt；I_P≤17）。

6.人工填土

人工填土是指由于人类活动而形成的堆积物。人工填土物质成分较复杂，均匀性也较差，按堆积物的成分和成因可分为：

（1）素填土。由碎石、砂土、粉土或黏性土所组成的填土。

（2）杂填土。含有建筑物垃圾、工业废料及生活垃圾等杂物的填土。

（3）冲填土。由水力冲填泥沙形成的填土。

在工程建设中所遇到的人工填土，各地区往往不一样。在历代古城，一般都保留有人类文化活动的遗物或古建筑的碎石、瓦砾。在山区常是由于平整场地而堆积、未经压实的素填土。城市建设常遇到的是煤渣、建筑垃圾或生活垃圾堆积的杂填土，一般是不良地基，多需进行处理。

7.特殊性土

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）制定了淤泥和淤泥质土、红黏土和膨胀土及湿陷性黄土的分类标准。

（1）淤泥和淤泥质土。淤泥和淤泥质土是指在静水或缓慢流水环境中沉积，经生物化学作用形成的黏性土。

1）天然含水率大于液限，天然孔隙比e≥1.5的黏性土称为淤泥。

2）天然含水率大于液限而天然孔隙比1≤e&lt；1.5为淤泥质土。

淤泥和淤泥质土的主要特点是含水率大、强度低、压缩性高、透水性差，固结需时间长。一般地基需要预压加固。

（2）红黏土。红黏土是指碳酸盐岩系出露的岩石，经风化作用而形成的红褐色的黏性土的高塑性黏土。其液限一般大于50%，具有上层土硬、下层土软，失水后有明显的收缩性及裂隙发育的特性。红黏土经再搬运后，仍保留其基本特征，其液限ω_L大于45%的土称为次红黏土。针对以上红黏土地基情况，可采用换土，将起伏岩面进行必要的清除，对孔洞予以充填或注意采取防渗及排水措施等。

（3）膨胀土。土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀性和失水收缩性，其自由胀缩率大于或等于40%的黏性土为膨胀土。膨胀土一般强度较高，压缩性较低，易被误认为工程性能较好的土，但由于具有胀缩性，在设计和施工中如果没有采取必要的措施，会对工程造成危害。

（4）湿陷性黄土。黄土广泛分布于我国西北地区（华北也有），是一种第四纪时期形成的黄色粉状土，当土体浸水后沉降，其湿陷系数大于或等于0.015的土称为湿陷性黄土。天然状态下的黄土质地坚硬、密度低、含水量低、强度高。但一些黄土一旦浸水后，土粒间的可溶盐类会被水溶解或软化，在土的自重应力和建筑物荷载作用下使土粒间原有结构遭到破坏，并发生显著的沉陷，其强度也迅速降低，对湿陷性黄土地基一般采取防渗、换填、预浸法等处理。

1.5.3.3 交通部《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）分类法

交通部颁发的《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）与《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D 63—2007）这两个规范虽出自同一行业，但分类体系有一定的差别。

《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）中土的工程分类体系与《公路土工试验规程》（GB 50007—2002）中采用的分类体系基本相同，但分类标准有所差别。现将《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）规范的分类方法介绍如下：

《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）规范将地基岩土分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和特殊性岩土。

1.岩石

岩石为颗粒间连接牢固、呈整体或节理裂隙的地质体。根据岩石的坚固性可分为坚硬岩较硬岩、较软岩、软岩和极软岩5个等级，划分标准同《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），详见表1.13；根据岩石风化程度又可分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化5 个等级划分标准详见表1.14；岩体根据完整程度又可分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎5个等级，划分标准详见表1.18、表1.19。

2.碎石土

碎石是指粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量50%的土。

碎石可分为漂石和块石、卵石和碎石、圆砾和角砾，碎石土的定名和划分标准与《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）采用相同，划分标准详见表1.15。

3.砂土

砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过总质量的50%，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总质量50%的土。砂土也可再分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂，划分标准详见表1.20。

4.粉土

粉土为塑性指数I_P≤10且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50%的土。

5.黏性土

黏性土为塑性指数I_P＞10且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50%的土，根据塑性指数对黏性土的分类标准为：10＜I_P≤17为粉质黏土；I_P＞17为黏土。

6.特殊性岩土

特殊性岩土是具有一些特殊成分、结构和性质的区域性地基土，包括软土、膨胀土、湿陷性土、红黏土、冻土、盐渍土和填土等。