【特约评论】粗粒土、细粒土与黏性土、无黏性土（一）——李广信

摘要：在近年来我国的注册岩土工程师考试的考题中，常常出现关于粗粒土、细粒土与黏性土、无黏性土的错误概念。在这里进行一些分析讨论，也希冀同行积极发表意见，“疑义相与析”。粗粒土、细粒土与黏性土、无黏性土是一些并不十分准确与清晰的名词术语，呈极复杂与不确定的状态。在人们的印象中、生活中、工程实践中以及不同的行业中存在相当的误解，可能各有主张，但可以肯定的是：细粒土不一定都是黏性土，粗粒土也非一定是无黏性土。

粗粒土、细粒土与黏性土、无黏性土（一）

李广信

在近年来我国的注册岩土工程师考试的考题中，常常出现关于粗粒土、细粒土与黏性土、无黏性土的错误概念。在这里进行一些分析讨论，也希冀同行积极发表意见，“疑义相与析”。

粗粒土、细粒土与黏性土、无黏性土是一些并不十分准确与清晰的名词术语，呈极复杂与不确定的状态。在人们的印象中、生活中、工程实践中以及不同的行业中存在相当的误解，可能各有主张，但可以肯定的是： 细粒土不一定都是黏性土，粗粒土也非一定是无黏性土。

一．细粒土与细粒组，粗粒土与粗粒组

对于土的细粒组与粗粒组国内外较为一致的界限是0.075mm（也有为0.06mmm 或其他）。相应的如果定义砂粒组，或进一步定义细、中、粗砂粒组也都以一个特定的粒径区间，所以“粒组”是一个明确的在一定粒径范围内的颗粒组。

但是如果说粗粒土、砂土、中砂土，那么就千奇百怪了，它们只表明哪一些粒组的颗粒“为主体”，或主要表现出哪一种土性。例如一种“中砂土”可能含有砾、碎、块石，还可能含有粉土粒、黏土矿物、有机质等。常常如何定名土需要依靠有关的“规范”，而不同的规范又会有不同的规定。

二．粗粒土与细粒土

建筑业的规范，例如“建筑地基基础术语标准”（GB/T-2014）中，定义：

粗粒土： 粒径大于0.075mm的颗粒质量超过土颗粒总质量的50%以上的土；

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细粒土： 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。

按此规定，似乎世间的土非此即彼，不是粗粒土就是细粒土。可是按照水利部主编的《土工试验方法标准》GB/T 50123-2019或《土的工程分类标准》GB/T 50145-2007，在工程中土被分为巨粒类土、粗粒类土和细粒类土，也有的规范还单分出有机土。看起来并非是非驴即马，还有骡子。

工业与民用建筑物大多建造在河流的中下游，地基土分层，各层土由水流搬运、沉积二而成，土的粒径在一个相对较狭窄的范围，因而分类相对容易。而大型水利水电工程多位于河流之上游的河谷，遇到的土多为坡积土，混合土，粒径范围极其宽广。建筑业最关心土的强度与变形特性；而水利水电行业优先关注的是土的渗透性，所以关于土的分类不同有其行业特点。

三．黏性与黏聚力

黏性土与无黏性土的区别就在于是否有黏性或是否有黏聚力c。那么黏性与黏聚力的形成机理、测试与确定方法又如何分析与进行的呢？

3.1 黏聚力的来源

在土力学中指出，黏聚力的产生是由于以下的原因：颗粒间的咬合、非饱和土的吸力、冰冻、静电引力、范德华力、胶结力、粒间的化合价键等。而在土的分类中所说的“黏性”，多指黏土矿物间的电化学作用。

3.2 黏聚力的判断与测定

人们可以通过观察，如土是否成块、是否可以竖直开挖与填筑等判断土的黏性与黏聚力，似乎最精准的测定方法就是试验，即在压力（或围压）为零时是否具有抗剪强度（c）。可这又是土力学中至今几乎无法解决的难题。

竖直压力为 0的直剪试验，几乎是无法进行的，因为上盒中土的自重、试样顶帽的自重以及上下盒间等环节的摩阻力都是难以完全消除的，因而难以做到剪切面上。而在极低围压下的砂土三轴试验更是一个难题，据日本学者的试验分析，引起误差的原因有：试样膜的约束、压力室内静水压力、试样与上帽及下座间的摩擦、测水管与试样中心的水位差等8种因素直接影响试验结果，经常会测得纯净的砂土当表观上时，亦即具有黏聚力。另一方面，在这些试验中，粗粒土的强度非线性会使强度包线非直线，从不同的围压试验得到的强度直线外延到竖坐标上往往不过原点。

四．黏性土与无黏性土

在“建筑地基基础术语标准”（GB/T-2014）中，定义： 黏性土是塑性指数大于10 的细粒土；《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001中规定“ 黏性土应根据塑性指数分为粉质黏土和黏土”。可见二者的规定是一致的。

“建筑地基基础术语标准”（GB/T-2014）定义无黏性土：“ 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”。

从以上的定义可以看到：

① 细粒土并不都是黏性土，例如粉土（包括黏质粉土与砂质粉土），即使具有相当数值的的黏聚力，也不能归入黏性土；

② 粗粒土也并不都是无黏性土，只有“抗剪强度中黏聚力可以忽略的粗粒土”才属于无黏性土。在《土的工程分类标准》GB/T 50145-2007中，属于巨粒类土的巨粒混合土是巨粒含量大于15%，不大于50%的土，如果巨粒以外都是黏性土。则黏聚力是会相当大的。在图1中，粗颗粒含量如果小于65%，则粗粒悬浮在黏性土的基质中，土的性质主要由黏性土所决定。在水电资源丰富的我国西南地区修建高堆石坝，粗颗粒的碎石、堆石料极为丰富，而用作心墙防渗的黏性土极为缺少。这种高山峻岭坝址附近，极难征用几十上百万方黏性土作为防渗土料，通常在细粒土中加入（30~40）%碎石料。其渗透系数并不会明显减小，其黏聚力也等于黏性土的黏聚力。

图1粗颗粒含量小于65%的粗粒混合土

③ 在黏性土与无黏性土之间存在着一个很大的空间。例如人们发现有一定黏聚力的饱和粉土层在地震时也会液化，就把这些土成为“少黏性土”。在入日常生活和实际工程中也会发现，一些粗粒土具有相当大的黏聚力，但根据上述的定义，又不能认为是黏性土。

五．粗粒土与无黏性土

在岩土工程技术人员中和在一些高校的岩土工程教师和教材中，甚至在一些“专家”中，将粗粒土等同于无黏性土是一个较为普遍错误。正如《建筑地基基础术语标准》关于无黏性土的定义：“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”，可见只有一部分粗粒土属于无黏性土。也有人望文生义，认为无黏性土就是c=0kPa的土，这有一些片面性。为什么粗粒土不一定都是无黏性土，有下面一些情况。

5.1 混合土

如上所述，《土的工程分类标准》中的混合粗粒土（50%<粗粒含量£75%）与粗粒混合土（15%<粗粒含量£50%），《建筑地基基础术语标准》中的粗粒土（>0.075mm的颗粒含量>50%），在这些土中，如果粗颗粒含量小于能够形成土骨架的65%，而其余细粒部分都属于黏性土（如图1所示），则这种粗粒土就表现出具有黏性土的特性。所以在我国西南地区的高堆石坝可采用掺入40%碎石的黏性土或采用冰碛土作为防渗料，其具有较高的黏聚力是不言而喻的。

5.2 咬合力

粗粒土中颗粒间的咬合力在宏观可表现为黏聚力，如图2所示。由于颗粒间的咬合，在咬合处被剪断的前后，其强度包线表现为两段直线，分别表示为：

(1)

(2)

(3)

其中为颗粒间矿物的滑动摩擦角，是颗粒咬合处被剪断时的竖向应力，可见，其表观的黏聚力c，是由颗粒的矿物强度决定的。

图2 土的咬合及其强度

粗粒土颗粒间的咬合可以产生很大的表观黏聚力，图3是青海沟后水库溃坝后的断面。高达71m的面板堆石坝，其纯净的砾石、卵石、漂石筑坝土料压实干密度高达2.23g/cm³，崩溃坝后其残坡以大于70°的近于竖直的形状竖立，其稳定完全靠粗颗粒间的咬合力维持。

图3 沟后水库溃坝后的断面

5.3粗粒土的强度的非线性

大量的试验结果表明，粗粒土的破坏面上抗剪强度与该面上的正应力之间，或三轴试验中的抗剪强度与围压之间并非是线性关系。图4表示的是一种堆石料的三轴试验强度包线。

图4.堆石料三轴试验非线性强度包线

如上所述，围压小于100kPa粗粒土的三轴试验是很难准确进行的，曲线①的前面虚线部分是假定强度包线必然过原点绘出的曲线。可以表示为式(4)或者式(5)：

(4)

(5)

主要是我国一些高堆石坝堆石材料式(4)的参数见图5，其中可达10°~13°；这些高堆石坝的堆石料的式(5)参数范围见表1。

图5 我国一些高堆石坝筑坝材料的强度参数

表1 堆石料式(5)中的参数

在图4中，采用线性的强度包线，如果假定包线必须过原点，则根据试验成果优化后的直线为线②；如果不假定包线必须过原点，则优化为直线③。

在图3中的沟后水库的筑坝材料对于线①，；对于线②，°；线③试验给出。线③可表现出相当大的黏聚力，也可说明图3中残坡坡度可以在70°以上而保持稳定。

5.4 土的结构性

粗粒土的结构性表现在颗粒的排列与联结，前者表现出粗粒土的咬合，后者则会形成粗粒土的黏聚力。

在图1中，如果粗粒土的粗颗粒含量大于65%，粗粒形成土骨架，在强度、变形及渗透性方面，主要由粗颗粒决定。但是即使含有20%~30%黏性土，可表现较大的渗透性，但可粘接粗颗粒而产生较大的黏聚力。济南某建筑工程场地，桩基拟穿过一层卵石层，卵石中含有25%以上的棕红色硬塑黏土，结果成孔成桩十分困难。北京郊区某基坑工程，下部的长辛店砾石层属于半胶结，含有承压水，拟用管井降水，可是这种半胶结砾石层中成井困难。由于井管长度不足，造成施工时上部黏土层渗透破坏发生事故。而在滩地形成的“铁板沙”，虽属于粉细砂，却可以硬如铁板，表现了很强的结构性。

土颗粒间的胶结可包括碳、硅、铁、铅的氧化物和有机混合物，这些胶结材料可能来源于土料本身，即在矿物的溶解与重析出过程中生成；也可来源于土中水溶液。我国近年来由于过量开采地下水，是一些地区的地下水位大幅度下降，这个范围的砂石类土都会产生一定的胶结，在北京的基坑工程中曾见到4m后的粉细砂土层几乎竖直开挖而没发生事故（非雨季）。

Q3及以前（第四纪晚更新世及其以前）的老土层一般都有一定的结构性与胶结。在采矿业，从100m~200m开采出的砂石土常具有很强的胶结，甚至处于岩与土之间的状态。

5.5 非饱和土的吸力

非饱和土的吸力对于粗粒土中的粉、细、中砂以及一些混合土的影响较大，图6为一种冰碛土的土水特征曲线（含水量与吸力间关系曲线）。可见在较低含水量时，基质吸力可达上千kPa。

图6 压实冰碛土的土水特征曲线

图7非饱和土强度理论

根据Fredlund对非饱和土提出的双应力系统，在非饱和土的强度中应计入吸力的影响，表示为

(6)

其中()即为非饱和土的基质吸力，如果，则式(6)也可表示为

(7)

这里的可称为“假黏聚力”，它在数值上可以很大。据报道，一个美国青年在很厚的沙滩中，开挖一条隧道，自己爬了进去后塌落了，最后采用生命探测器才把他挖出来。

实际上，真正c=0kPa的无黏性土是极少的，包括实验室里的纯净的风干砂和饱和砂土，人工开采的砂石料，沙漠里流动沙丘，新近沉积的河海滩地的风干与水下的砂土等。所谓“黏聚力可以忽略的粗粒土”，黏聚力多少可以忽略，是否可以忽略，在什么情况可以忽略，都是模糊的概念。例如在基坑工程设计中的半胶结的卵石层可以忽略其黏聚力；而在这种土层入桩、成井时，则要考虑其黏聚力，不应当做无黏性土。

（来源：岩土网特约评论员李广信）

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