细粒土、粗粒土与黏性土、无黏性土（二）-李广信-评论员-岩土网

细粒土、粗粒土与黏性土、无黏性土的定义及它们之间的关系与区别是应清晰确定与界定的，它们性质的表述、在工程中会有何种形式的表现也应有正确的认识，这对土力学学科以及相关工程都有主要意义。

一. 土的状态

普遍意义上的“土”之物理力学状态可用一些一般性的指标表示，如密度（重度）、孔隙率（孔隙比）、含水量（饱和度）；它们可反映土的松密、软硬、干湿、强弱等物理力学状态。但有些特定的土需要用最能反映其状态及力学性质的特定指标或参数，其中相对密度、稠度等就是如此。

1.1无黏性土的相对密度

相对密度是表示土的松密状态的指标，常见的说法有“粗粒土的相对密度”、“砂土的相对密度”，国外的教材较普遍是称为“砂砾土（sands and gravels)的相对密度”。

定义为砂砾土的相对密度有一定道理。一是我国标准确定相对密度的最大、最小干密度试验所用的容器一般为1000mL~2000mL，粒径较大的颗粒的土料就难以进行试验。所以要求最大粒径不大于5mm，且粒径为2mm~5mm的颗粒质量含量不超过15%。二是相对密度指标D_r一个最重要的用途在于判定饱和砂土的液化，上述粒径正是砂土的范畴。

但相对密度是以特定土的目前的孔隙比e（干密度r_d）与其所能达到的最大、最小孔隙比（干密度）之间的比例关系来表示的，用它在物理性质上表现这种土的松密程度，在力学性质上表示其强度变形特性，这最适合于无黏性土。对于细粒土和有一定胶结的粗粒土，单凭孔隙比间的相对关系是不能唯一反映这些性质的。

在上个世纪的80~90年代的七-五国家科技攻关项目“土质防渗体高土石坝研究”中，当时有几个科研单位与高校用不同尺寸的大型三轴试验仪对小浪底高堆石坝的堆石料进行三轴试验。由于试样的尺寸不同，相似法采用不同缩尺模拟原型堆石料，试样不可能达到原型堆石料的干密度r_d（2.2g/cm³~2.3g/cm³），我们商定用相同的相对密度制样。这样就按照模拟料的最大粒径加大试验容器，测定最大、最小干密度，而原型料就在现场进行试验。最后各家的试验成果具有规律性和可比性，也分析了堆石料不同缩尺和不同模拟方法对力学性质的影响及其规律。所以，不限于各种《规范》、《标准》的约束，扩展为无黏性土的相对密度是完全可以接受的。

那为什么不说是“粗粒土的相对密度”呢？因为其中有胶结的以及含泥量很高的粗粒土，不能用相对密度唯一地反映其强度、模量以及液化可能性。在《岩土工程勘察规范》GB 50021-2001中，对于砂土的密度有两种指标，一种是相对密度D_r：

疏松：D_r￡1/3；中密：1/3<D_r￡2/3；密实：Dr>2/3。

另一种使用标准灌入击数N来判定，见表1：

表1 砂土密实度分类

标贯击数	密实度	标贯击数	密实度
N￡10	松散	15<N￡30	中密
10<N￡15	稍密	N>30	密实

由于确定相对密度的试验是室内试验，是完全碎散的重塑土样，而原位的砂石土层则可能经历悠久地质历史，具有一定胶结与黏聚力，即使测出其原位的孔隙比，经室内试验计算出其相对密度，与用标贯击数判断的也没有可比性。只有那些填方的砂土，或者在原位颗粒间基本没有联结的无黏性土，两种土密实度的分类判断才会较为一致。

1.2 细粒土的稠度界限

在土力学中，有个反映土软硬状态的指标——稠度，对应的就有液限、塑限和缩限w_L、w_p、w_s等界限水量。这些界限含水量用于哪种土，目前的认识也不是很清晰，有“黏性土的界限含水量”、“黏土的界限含水量”等。如果注意到细粒土的分类，则可明确地确定是“细粒土的稠度界限”。

在建筑行业中，所说的细粒土为粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过土颗粒总质量的50%以上的土。而细粒土进一步分类则是：塑性指数I_p>10的为黏性土，其中I_p>17的为黏土；I_p￡10的为粉土，7<I_p￡10的为黏质粉土，3<I_p￡7的为砂质粉土。其中

图片未命名 (1)

在《土的分类标准》GB/T 50145-2007中，细粒类土进一步是按塑性图分类，见图1.

图1 塑性图

其中

C——黏土

M——粉土

H——高液限

L——低液限

从两种规范（标准）看，没有细粒土的界限含水量就无法进行细粒土的进一步分类。因而说“细粒土的稠度界限”是准确和必要的。

1.3 黏性土按液性指数的状态分类

尽管稠度界限可用于全部细粒土，但并不是所有细粒土都是按照稠度进行状态分类，只有其中的黏性土才按照稠度进行状态分类。表示稠度的指标是其液性指数，见式2。

图片未命名 (2)

黏性土的状态分类见表2

表2 砂黏性土的状态分类

液性指数	状态	液性指数	状态
I_L￡0	坚硬	0.75<I_L￡1.0	软塑
0<I_L￡0.25	硬塑	I_L>1.0	流态
0.25<I_L￡0.75	可塑

可见，塑性指数I_p是某种细粒土的与其黏土矿物组成有关的固有属性；而液性指数则是与黏性土的目前的湿度（含水量）有关的指标。正如姓氏是一个人此生不变的属性，而年龄则是其不断老化的状态指标。

对于黏性土，决定其渗透性、强度指标和变形特性的是其含有的黏土矿物的种类与数量，以及相应的土中水存在的形态，这时其粒径的大小与级配已经不是其决定的因素。假设可以将石英制成0.005mm的圆珠，亦即成为黏粒，那么由它们组成的土是否就是黏土呢？答案是否定的。正如身高为80cm的侏儒不能买儿童票一样。黏土是含有一定数量的黏土矿物的土，尽管黏土颗粒的粒径不大于0.005mm，但更重要的是黏土矿物的颗粒形状为片状，带有分布不平衡的电荷，与土中水及其离子间存在复杂的电化学相互作用。由直径0.005mm石英珠组成的“土”，其比表面积只有0.44m²/g，而黏土中的蒙特土比表面积可高达800m²/g。因而黏土的塑性指数可以反映其黏土矿物的种类与含量，其液性指数可以反映其软硬状态。

1.4粉土的状态分类

粉土既不同于粗粒土，也不同于黏性土。一般来讲，粉土是一种工程性质较差的的土，它易于液化和渗透变形、易冻胀、易冲蚀和强度不高。它含有的黏土矿物很少，黏性和黏聚力低，液性指数不足以反映土的物理力学和水力学特性。按状态分类一般采用孔隙比和含水量判断其松密和软硬，其湿度和密实度对于粉土的力学、水力特性影响更大、更直接。见表3。

表3 粉土的状态分类

按孔隙比分类		按湿度（含水量）分类
孔隙比e	密实度	含水量w(%)	湿度
e<0.75	密实	w<20	稍湿
0.75￡e30.9	中密	20￡w330	湿
e>0.9	稍密	W>30	很湿

二．土的黏聚力与摩擦力

根据摩尔-库伦强度准则，土的抗剪强度通常表示为

（3） (3)

亦即土的抗剪强度可分为摩擦强度stanj和黏聚强度（力）c，一般认为，土的摩擦强度源于土骨架中颗粒间的由于法向压力而产生的摩擦力；将总抗剪强度扣除了摩擦强度图片未命名，剩下的就是所谓的黏聚强度，这似乎是显而易见，很容易区分的。但如果认真分析土的抗剪强度的机理，事情就不那么简单了。作为一种散体材料，似乎土的摩擦更能反映土的力学性质的本质。

土的真正的黏聚力是在直剪试验中正应力s_n等于0，或者三轴试验中的围压s₃等于0时，土所具有的抗剪强度。如上文上述，这种试验难以实现，另外由于强度非线性、粗颗粒的咬合、破碎等原因，认为内摩擦角j为常数，则会从强度包线与竖坐标轴的截距得到不甚真实的黏聚力。

有人简单地认为。所谓黏性土就是有黏聚力的土，无黏性土就是黏聚力为零的土。如上所述，这并不是其区分的准则。在土力学中，正常固结黏土的有效应力强度包线过原点，即黏聚力c=0，但在一定围压下固结，具有一定密度的黏土肯定具有黏聚力，它源于颗粒间接触点的化合价键。在图2中，上图为固结（侧限压缩）试验的p（s）-e曲线，下图为压力对应的直剪试验的强度包线。在图片未命名时，正常固结黏土的前期固结应力为零（如黄河泥沙在河口刚刚沉积），呈泥浆状态，颗粒没有形成骨架，全部抗剪强度为零，黏聚力也就为零；当固结应力分别为时，对应的孔隙比为e₁、e₂与e₃，表明土颗粒间逐渐靠近，颗粒间接触点产生化合价键，对应的黏聚力分别为c_e1、c_e2和c_e3。但这部分黏聚力图片未命名是固结应力的函数而被宏观上归入摩擦强度部分中。

图2 正常固结黏土的强度包线

这种情况下的强度包线不能真实地反映土的强度机理，使我们无法用试验的黏聚力定义黏性土，而用I_p>10就更能反映黏性土中黏性的实质。

在上述所列的土的各项黏聚力中，可以发现它们都是源于颗粒群、颗粒、分子、离子与原子键各种层次的相互作用。由此而产生的黏聚力多来源于颗粒中粒子间各种内部吸引，例如库伦静电吸力、范德华力、基质吸力等，而表观的黏聚力则是由于这些吸力而产生的粒间的压力而形成的摩擦力（见图3、图4）。

在图3中的非饱和土中，两个颗粒间由粒间毛细水的毛细张力将二者拉在一起，在两个颗粒间产生压力，这个压力产生的摩擦力，在宏观上的抗剪强度表现为黏聚力。同样，在图4中黏土颗粒带有不均匀分布的正负电荷，颗粒的角-面接触或公用阳离子都会由静电引力将黏土颗粒拉在一起，颗粒间的压力产生的摩擦力表观上为土的黏聚力。有人认为这种黏聚力主要来源于所谓的“内部压力(intrinsic pressure)”。这种内部压力产生的黏聚抗剪强度本质上还是摩擦强度。

图片未命名

图3 基质吸力图4 静电引力

在拥挤的人群中，大人手拉着孩子可以经受很大的由人群涌动产生的拉力与剪力，而不致使孩子失散，似乎是大人与孩子之间存在着黏聚力。可是进一步观察分析就可以发现，其实是大人的手紧握孩子的手，紧握的压力产生了较大的摩擦力，这才是抗拉与抗剪强度的实质。

测定土的强度的室内试验有直剪试验和三轴试验，对于饱和土根据排水条件可以有固结排水CD（慢剪）、固结不排水CU（固结快剪）和不固结不排水UU（快剪）三种类型的试验。对于某原状的饱和黏土试样的三种试验结果见图5.

图5 三种不同排水条件的三种试验强度包线

可见不同的排水条件试验得到的强度包线的黏聚力是不同的，其实CU和 UU试验中较大的黏聚力是由试验中的超静孔压力引起的，使一部分摩擦强度表现为黏聚力。

从此可见直接用有无黏聚力，及黏聚力的大小来定义与区分黏性土与无黏性土是行不通得的。宏观上抗剪强度中的黏聚强度与摩擦强度在其机理上是相当复杂的，往往不能再于本质上反映土的强度机理。因而前面所说的：黏性土是塑性指数大于10 的细粒土；无黏性土是“颗粒间不具有黏聚力，在抗剪强度中黏聚力可以忽略的粗粒土”，是更合理与实用的。

三．无黏性土的土坡稳定分析

在“注册岩土工程师执业资格考试”的考题中，对于细粒土、粗粒土和黏性土、无黏性土的概念常常有不准确的地方，下面以 2020下午知识题57题为例说明之。

例题1 2020下午知识题57

关于土坡稳定性及其验算，下列说法哪些是正确的？

(A) 一般黏性土土坡的失稳滑移，破坏滑移面必有一定深度

(B) 无黏性土坡的稳定验算也常采用条分法

(D) 含水但非饱和砂土也可有一定的无支撑自立高度

答案 ACD

评析

由于ACD已经为正确的选项，只有委屈B担任错误的选项了。无黏性土是在抗剪强度中黏聚力可以忽略的粗粒土，而在本科《土力学》教学中，常常讲砂土的滑动面是直线（平面）的，安全系数的公式为：

（4）（4）

图5 无黏性土的土坡稳定

在《土力学》教材中，对于纯净砂土讲授的滑动都是平面的滑动，因为本科《土力学》实际上是“重塑土力学”，还没有涉及到非饱和、结构性、强度的非线性等知识。在实际工程中情况是很复杂的，对于无黏性土坡常常采用圆弧条分法是确实存在的，不应误解误导。

①无黏性土的强度非线性

大粒径的碎石、块石料在高围压下由于颗粒的破碎，内摩擦角会显著减小，

可表示为图片未命名，其中Dj可超过10°，因而高堆石坝的最危险滑动面都延深到深层，采用圆弧滑动面的条分法进行抗滑稳定分析。在高堆石坝的稳定分析中，都是采用了圆弧条分法。

不同

② 高堆石坝稳定分析考虑浸润线

在高堆石坝的上下游坝坡进行运行期的稳定分析时，要结合的坝身不同的浸润线进行。如图6所示。在图6(a)中，由于蓄水在坝高1/3左右，浸润线以下的坝料采用浮重度，而这部分土体是抗滑力矩大于滑动力矩，此时在上游坡，圆弧滑动面是坝体最危险的滑动面；图6(b)是沟后水库堆石坝由于防渗结构破坏时，下游浸润线位置极高，分析结果表明，由于巨大的渗透力，滑动面2对应的安全系数为0.919，滑动面3 的滑动稳定安全系数为0.817。可见这种有纯净的无黏性土卵、砾石坝，其最小安全系数的滑动面是深入坝身的圆弧滑动面。

图6 堆石坝上下游坝坡的稳定分析

(a) (b)

图6 堆石坝上下游坝坡的稳定分析

③ 分区填筑的堆石坝

图7为沟后水库大坝的分区土。

图7 沟后水库堆石坝的分区图

在高土石坝设计中，尽量将渗透系数小的土石料布置在上游或者中间，而把颗粒粗、透水性好的土石料布置在下游，以降低坝身的浸润线，减少渗漏量，加大坝坡的安全系数。

图7表示的是个沟后水库堆石坝的坝身分区。其中Ⅰ₁区为特殊区，砂砾石垫层料，最大粒径20mm；Ⅰ₂区为垫层区，砂砾石垫层料，最大粒径100mm；Ⅱ区为过渡区料，采用Ⅱ号料场砂砾石，最大粒径为400mm；Ⅲ区为坝中心部位填料，新选料场乱漂石料，最大粒径600mm；Ⅳ区为坝下游部位填料，为隧洞爆破开挖石渣料，最大粒径800mm。

可见坝料全是纯净的砾、卵、漂。堆石等无黏性土，但粒径、颗粒形状、渗透系数、强度指标不同，下游的坝料最粗、内摩擦角最高，因而危险的滑动面是深入坝身内部的圆弧滑动面。

除了高土石坝，一般深厚的无黏性土坡用圆弧法分析稳定也确实是“常采用条分法”的。比如在《建筑边坡工程技术规范》5.2.3中讲到：“计算土质边坡、极软岩、破碎或极破碎岩质边坡的稳定性时，可采用圆弧滑动面”。这里的土质边坡就包括黏性土坡，也包括无黏性土坡，破碎的岩质边坡也是多无黏性的。在《碾压土石坝设计规范》DL/T5395-2007中，10.3.10：“对于均质坝、厚心墙坝、或厚斜墙坝，可采用计及条块间力的简化毕肖甫法”。这里的均质坝就包括面板堆石坝。因而选项(B)： “无黏性土坡的稳定验算也常采用条分法”是很正常的，也是必要的。

像这样的考题，即使在本科土力学考试中，我也要力求避免，以免给学生造成终身的误导。而作为“注册岩土工程师考试”的考生，都具有一定的工程实践经验，“命题专家”更应知识面宽一些，犯这种低级的错误是很令人遗憾的。值得注意的是，在这些考题中有一部分是根据直接土力学教材命题的，例如十字板剪切试验测得的不排水强度c_u等于无侧限抗压强度q_u的1/2；土的压缩模量E_s大于土的变形模量E₀等。这些题目在大学本科的土力学期末考试中出现并不奇怪，但在“注册岩土工程师”考试中出现就令人费解了。因为在任何工程地质勘察报告中，很难找到这样的结果。无侧限抗压强度试验是使用现场取得之土样的室内试验，十字板试验是原位测试，c_u=q_u/2，除非是有意为之；负责一般都达不到；压缩模量E_s测定使用环刀取样的室内试验，而变形模量E₀常常是用原位载荷试験的p-s曲线推算得到，反而E₀>E_s是很常见的。