陸有忠，張正奇，徐陳明

(宜春學(xué)院 科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，江西 宜春 336000)

土是地殼表層母巖經(jīng)受強(qiáng)烈風(fēng)化(生物、物理和化學(xué))作用的產(chǎn)物，是各種土粒(礦物顆粒)的集合體[1]。顆粒本身強(qiáng)度遠(yuǎn)大于顆粒間的膠結(jié)強(qiáng)度，或無(wú)膠結(jié)。土區(qū)別于其他固體介質(zhì)相的主要特征是土的碎散和多孔，在一般情況下，土顆粒間有大量孔隙，孔隙被水和空氣填充。

各種工程建筑與土都有著十分密切的關(guān)系，土廣泛分布于地殼表面，特別是被廣泛地利用水工建筑中，如土被用作地基，在其上修建涵閘、壩堤、碼頭、橋梁、渡槽等建(構(gòu))筑物(稱地基土)；如修筑土層堤壩、路基和其他土工建筑物時(shí)，土就被用作建筑材料(稱土料)；土被用作建筑物周圍的介質(zhì)或護(hù)層，在其上修建運(yùn)河、渠道、隧洞、地下廠房以及地下管道等。對(duì)于工程建筑的質(zhì)量、性狀，土的性質(zhì)具有直接而又重大的影響。因此，研究土也直接關(guān)系到工程的安全使用和經(jīng)濟(jì)合理問(wèn)題[2]。

在天然狀態(tài)下，土一般由固體顆粒、水和空氣三相所組成，稱為三相系，三者之間的比例關(guān)系和相互作用，不僅反映出土的物理性質(zhì)，也反映出構(gòu)造的物理狀態(tài)，影響著土的力學(xué)性質(zhì)。

土非真正的連續(xù)體，其特性既不同于剛體，更不同于理想的彈性體或剛-塑性體，而具有壓硬，剪脹或剪縮，時(shí)效，結(jié)構(gòu)與觸變等特殊的屬性，其應(yīng)性狀受應(yīng)力路徑和歷史的影響等，但某些參數(shù)與指標(biāo)的定義多是基于線性變形理論。認(rèn)識(shí)這些特殊性與差異，特別是對(duì)于重大工程，深入勘察場(chǎng)地，實(shí)地了解主要土層性狀，分析場(chǎng)地中原始應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力歷史，同時(shí)考慮工程施工過(guò)程中與竣工后可能造成應(yīng)力場(chǎng)與邊界條件等的不利變化，從而對(duì)試驗(yàn)提出相應(yīng)的要求。必要時(shí)，尚應(yīng)提出特殊試驗(yàn)的要求，并注意試驗(yàn)方法—計(jì)算公式—安全系數(shù)的配套使用[3-8]。

為了對(duì)宜春地區(qū)幾處典型地塊不同深度的土體進(jìn)行比較準(zhǔn)確的定名分類，土體的密度、含水率、孔隙比、等實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行判斷的重要工作。密度主要有天然密度，相對(duì)密度、干密度，飽和密度，浮密度等等[1]。這次實(shí)驗(yàn)主要研究天然密度、干密度、飽和密度。為了使土樣的定名更準(zhǔn)確，孔隙比是需要參照的另外一個(gè)參數(shù)。傳統(tǒng)測(cè)量土的孔隙比的方法有三種，氣壓比重法、吸水法、容重?fù)Q算法[2]。其中氣壓比重法是利用boyle—Mariotteshen定理[8]，用環(huán)刀選取土樣后，置于109℃烘干箱中24小時(shí)，隨后送入氣壓比重計(jì)的氣囊中抽氣，將抽出的氣體與大氣壓強(qiáng)之差在玻璃管連通器中直接顯示可轉(zhuǎn)化為孔隙率，再通過(guò)孔隙率與孔隙比的關(guān)系，算出對(duì)應(yīng)的孔隙比。但是此種方法耗時(shí)較長(zhǎng)，通過(guò)考慮各種因素，研究小組決定采用的是第2種方法—吸水法。

1 土樣選取與密度測(cè)定

此次實(shí)驗(yàn)所用幾種土樣取自宜春地區(qū)不同地塊不同深度，為了獲得精確結(jié)果并進(jìn)行準(zhǔn)確的定名，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，盡量保持研究土樣不受擾動(dòng)，分別對(duì)它們進(jìn)行編號(hào)(圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)取土(原始土樣，非擾動(dòng))

(1)原理

土的密度是指土單位體積的質(zhì)量，用ρ表示，試驗(yàn)中單位取g/cm3。根據(jù)所取土樣的外觀特點(diǎn)，天然密度的測(cè)定采用環(huán)刀法。環(huán)刀法是采用一定體積環(huán)刀切取土樣并稱土質(zhì)量的方法，環(huán)刀內(nèi)土的質(zhì)量與體積之比即為土的密度。

(2)所用儀器

①環(huán)刀：內(nèi)徑6～8 cm，高2～3 cm。

②精密電子秤：稱量500 g，分度值0.01 g。

③其它：切土刀、鋼絲鋸、凡士林等。

其次，這支40mm F1.4 DG HSM |Art鏡頭是適馬第一支為了達(dá)到電影鏡頭所追求的視角和性能標(biāo)準(zhǔn)而開發(fā)的Art系列鏡頭。這支鏡頭使用三枚FLD螢級(jí)低色散鏡片和三枚SLD特殊低色散鏡片，最大限度地校正了軸向色差和倍率色差。大光圈下即可在焦平面上呈現(xiàn)清晰的成像效果，與柔和的焦外虛化部分相比，可以更好地突出主體。畸變被控制在1%或以下，彗形像差也得到了良好的校正。

(3)操作步驟

①量測(cè)環(huán)刀：取出環(huán)刀，稱出環(huán)刀的質(zhì)量，并涂一薄層凡士林。

②切取土樣：將環(huán)刀的刀口向下放在土樣上，然后用切土刀將土樣削成略大于環(huán)刀直

徑的土柱，將環(huán)刀垂直下壓，邊壓邊削使土樣上端伸出環(huán)刀為止，然后將環(huán)刀兩端的余土削平。

③土樣稱量：擦凈環(huán)刀外壁，稱出環(huán)刀和土的質(zhì)量。

(4)試驗(yàn)注意事項(xiàng)

①稱取環(huán)刀前，把土樣削平并擦凈環(huán)刀外壁；

②如果使用電子天平稱重則必須預(yù)熱，稱重時(shí)精確至小數(shù)點(diǎn)后二位。

(5)計(jì)算公式

按下列計(jì)算土的天然密度：

(1)

式中：ρ—密度，計(jì)算至0.01g/cm3，m—濕土質(zhì)量，g，m1—環(huán)刀加土的質(zhì)量，g，m2—環(huán)刀質(zhì)量，g，V—環(huán)刀容積，cm3。

試驗(yàn)需進(jìn)行3次平行測(cè)定，其平行差值≤0.03g/cm3，取其算術(shù)平均值。

干密度的測(cè)得是用烘干箱，將烘干箱溫度調(diào)至109℃，然后將上述標(biāo)準(zhǔn)試樣放入24小時(shí)，然后測(cè)出此時(shí)的土體質(zhì)量，利用公式算出土的含水率(三次平行測(cè)定獲得最終數(shù)據(jù))，最后再利用公式

ρd=ρ/(1+w)

(2)

式中ρd—干密度，ρ—天然密度，w—含水率。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量土樣的比重方法是，首先將上述土樣放入烘干箱中，調(diào)節(jié)烘干箱的溫度為109℃，烘干時(shí)間是24小時(shí)，測(cè)得此時(shí)的干土的質(zhì)量為S(g)，并準(zhǔn)備一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)帶玻璃蓋子的罐子，質(zhì)量J(g)，往這個(gè)玻璃杯中加滿水測(cè)出此時(shí)玻璃杯與水的質(zhì)量J+W(g)，利用公式

(3)

在公式(3)中Gs代表的是土樣的比重。對(duì)于土樣空隙比的測(cè)定，這次采用的是吸水法，首先將實(shí)樣土樣放到環(huán)刀中，注意保持土樣圖面與環(huán)刀水平，然后將土樣和環(huán)刀一起放到含水的容器中，其水面高度不高于環(huán)刀高度，經(jīng)24小時(shí)浸泡后，進(jìn)行稱重，然后放到109℃的烘箱中烘干24小時(shí)，稱重烘干后的土樣，進(jìn)而算出容積飽和含水率。

通過(guò)比較上述土樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以對(duì)這些土樣進(jìn)行定名，見(jiàn)下表。

表1 七種土樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 結(jié)果與分析

圖2 土樣天然密度、干密度、飽和密度/(g/cm3)

圖2表明了上述幾種土樣的密度數(shù)值大小。飽和密度表明了土體孔隙全部充滿水時(shí)單位土體體積的質(zhì)量，而干密度指的是土的孔隙中完全沒(méi)有水時(shí)的密度，因此也間接的反映的土的孔隙比。通過(guò)天然密度與干密度這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以間接知道土樣的含水量的情況。

圖3表明土樣5、土樣6的含水最多，其次是土樣3、土樣4的含水量，土樣7的含水最少。

圖3 土樣比重、土樣孔隙比、含水量/%

圖4 土樣1的顆粒級(jí)配累計(jì)曲線/mm

圖4表明了在上述粒徑分布曲線小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的10%的粒徑，即可以從圖中可以讀出為土樣1的有效粒徑的大小。

圖5 土樣2的顆粒級(jí)配累計(jì)曲線/mm

圖5表明了在上述粒徑分布曲線小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的10%的粒徑，即可以從圖中可以讀出為土樣2的有效粒徑的大小。

圖6 土樣3的顆粒級(jí)配累計(jì)曲線/mm

圖6表明了在上述粒徑分布曲線小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的10%的粒徑，即可以從圖中可以讀出為土樣3的有效粒徑的大小。

圖7 土樣4的顆粒級(jí)配累計(jì)曲線/mm

圖7表明了在上述粒徑分布曲線小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的10%的粒徑，即可以從圖中可以讀出為土樣4的有效粒徑的大小。

圖8 土樣5的顆粒級(jí)配累計(jì)曲線/mm

圖8表明了在上述粒徑分布曲線小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的10%的粒徑，即可以從圖中可以讀出為土樣5的有效粒徑的大小。

圖9 土樣6的顆粒級(jí)配累計(jì)曲線/mm

圖9表明了在上述粒徑分布曲線小于該粒徑的土含量占總土質(zhì)量的10%的粒徑，即可以從圖9中讀出土樣6的有效粒徑的大小。

圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9是我們本次所采用土樣樣本的粒徑級(jí)配曲線，從圖中我們可以得出上述土樣樣本的有效粒徑。

3 結(jié)論

不同種類的土它們之間的密度、孔隙比、含水量都是不同的，這也是本實(shí)驗(yàn)根據(jù)密度、孔隙比、含水量來(lái)對(duì)土體命名的理論基礎(chǔ)。江西宜春地區(qū)的氣候?qū)儆谥衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，由于自然因素的形成宜春地區(qū)表面的自然土主要是以紅壤居多，砂土、粉土和粘土也是宜春地區(qū)常見(jiàn)的幾種土壤，本次收集的土樣中，土樣3和土樣4都是取樣于宜春地區(qū)地底下20米處，而石灰?guī)r、頁(yè)巖、大理巖是宜春地區(qū)地下幾種常見(jiàn)的土樣。因此我們給出了表2中的幾種土樣的密度、孔隙比的參考值。

表1是實(shí)驗(yàn)土樣的密度、含水量、孔隙比的具體值，由表2內(nèi)容查找可知土樣一為粉土，土樣2，土樣7為粉質(zhì)粘土，土樣3，土樣4都為泥質(zhì)頁(yè)巖，土樣5和土樣6都為碳質(zhì)頁(yè)巖。

表2 土的定名

圖10 土樣7的顆粒級(jí)配累計(jì)曲線/mm

圖11 不同土樣的有效粒徑的對(duì)比/mm

完成了對(duì)上述土樣的命名，還需要研究各種土樣滲透系數(shù)的大小，了解各種土樣抗?jié)B性的強(qiáng)弱。圖10為上述幾種原始土樣的顆粒級(jí)配曲線的對(duì)比圖，從圖10中可以清楚的看出它們之間有效粒徑的大小關(guān)系。通過(guò)得出上述土體的有效粒徑就可以利用相關(guān)公式推出滲透系數(shù)。通過(guò)計(jì)算可知粉土的滲透系數(shù)為K=1.94×10-7m/s，粉質(zhì)黏土的滲透系數(shù)為K=1.69×10-8m/s、泥質(zhì)頁(yè)巖的滲透系數(shù)為K=5.29×10-8m/s、碳質(zhì)頁(yè)巖的滲透系數(shù)為K=1.69×10-8m/s。滲透系數(shù)越大，抗?jié)B性就越弱，在工程建設(shè)中為保證工程的安全性需要對(duì)基層土進(jìn)行地基處理，如果基層土是滲透系數(shù)較大的土體就不適合作為地基土或者需要對(duì)其進(jìn)行特殊的地基加固處理。對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)中的粉土、粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)頁(yè)巖、碳質(zhì)頁(yè)巖的幾種土樣來(lái)說(shuō)粉土的滲透系數(shù)最大，所以在實(shí)際建設(shè)活動(dòng)中如果某個(gè)建筑物的地基土質(zhì)是粉土，不建議粉土作為地基土來(lái)進(jìn)行建筑活動(dòng)的。而對(duì)于粉質(zhì)黏土、碳質(zhì)頁(yè)巖來(lái)說(shuō)它的滲透系數(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)較小，如果建筑的地基土為碳質(zhì)頁(yè)巖，需要對(duì)其進(jìn)行特殊的地基加固處理。