粗粒土

大于0.1毫米颗粒含量较多的土

粗粒土是指大于0.1毫米颗粒含量较多的土，大致相当于砂类。

概念

粗粒土指碎石类土和砂土的总称，粗粒土分类是以其颗粒组成及颗粒特征为主要依据。按颗粒大小划分粒组，然后按不同粒组的百分比含量作为划分粗粒土土类的主要指标；其次按颗粒的磨圆度来进一步划分亚类；有时尚需视含细粒土的类别及含量来进一步划分。

结构

粗粒土一般是单粒结构。由于粗粒土中颗粒的大小可以相差很大，小的颗粒填补了大颗粒所形成的孔隙，级配良好的粗粒土比级配均匀的粗粒土密度更高。另一方面，形状不规则的颗粒可以使密度降低、孔隙更大。即使是由均匀圆球组成的“土”，它们在空间的排列方式不同，也会造成不同的松密状态和不同力学性质。不同排列方式会使粗粒土在密度、渗透性、强度、压缩性、各向异性等方面表现出很大的差异。尽管除了云母等矿物之外，大多数非粘土矿物的颗粒都呈粒状。但它们又不是各方向尺度都相等的，多少呈椭球形、扁平形，甚至针、片状。粗颗粒的长宽比L/W的频率分布是表示其颗粒分布的一个重要指标。以蒙特雷(Monterey)0号砂为例，这是一种分选很好的河砂，主要由石英和少量的长石组成。即使如此，它仍有50%以上的颗粒的轴长比(即长轴与短轴之比)大于1.39。这对于大多数砂土和粉土是有代表性的。在重力场中，土颗粒，特别是粗粒土，在沉积过程中的定向作用是很突出的。可以用颗粒的长轴与空间某一方向(如水平方向)的夹角表示这种空间定向作用。

用砂雨法制成的试样会表现更强的空间定向作用。当粗粒土中含有一定比例的粘土或其胶结物质时，粗粒土还会被粘结而形成不同的集合形式。

力学性质

①抗剪强度和应力应变特性

无黏性粗粒土

无黏性粗粒料的抗剪强度由三部分组成：粗颗粒间的交错排列产生的抗剪咬合力，颗粒破碎、充填重新排列而发挥的抗剪阻力，以及矿物颗粒间滑动的摩擦阻力。其值取决于母岩性质、颗粒形状、孔隙比或相对密度以及应力水平等。咬合力是由于低压下颗粒问的剪胀阻力引起的。当应力增大到一定程度时，粗颗粒破碎、细颗粒充填及颗粒重新排列的发牛将产生一定的抗剪强度，同时剪胀效应逐渐消失。这时无黏性粗粒料的抗剪强度主要表现为滑动摩擦阻力。矿物颗粒间的滑动阻力分量是由于颗粒接触面粗糙不平，对某种矿物而言通常是不变的。粗粒土的内摩擦角不仅包括颗粒间的滑动摩擦效应，还包括颗粒破碎充填与重新排列的综合效应。粗粒土的咬合力和内摩擦角是一组从低应力到高应力非线性变化的参数。其抗剪强度包线实际上是一个通过初始咬合力截距、坡度不断减小的非线性曲线，而不是线性包线。

在低应力范围内粗粒土的咬合力可达50～200kPa，是一个变化较大而又客观存在的物理参数，与细粒黏土的黏聚力有着本质的不同。在低应力下，粗粒土的内摩擦角较大，例如石灰岩石碴的初始内摩擦角约48°。在 1～2MPa中等压力范围内，粗颗粒开始破碎，剪胀作用逐渐减弱，颗粒间以滑动摩擦为主。在高应力下，颗粒破碎、细粒充填及颗粒重新排列。使剪胀作用消失。

黏性粗粒土

黏性粗粒土与无黏性粗粒土在剪切条件下的变形规律相似。例如随着干密度的增大，应力一应变曲线的初始切线坡度变陡，对应的峰值强度也增高，但对应的破坏应变减小。低密度下发生剪缩硬化而后弱软化，颗粒不发生破碎，密度较大时表现为应变剪胀软化。以细粒为主的砾石土，其初始切线坡度较陡，但峰值强度较低，破坏应变也较小，随后伴随先剪缩再剪胀的弱软化。以粗粒为主时则呈剪缩硬化的变形特征。干密度一定时，应力一应变曲线的起始切线坡度和峰值强度都随围压的增加而变陡和提高。在低围压时表现为先剪缩后剪胀软化。随着围压的增大，剪胀效应逐渐减小，主要表现为剪缩。

②岩性软化及湿化变形

粗粒料作为单粒结构，是岩石风化后的产物。由于母岩成分、物理风化和化学风化程度不同，形成的粗粒料有的化学性质稳定，具有较强的抗水性和抗风化能力，亲水性较弱，不易产生浸水岩性软化，例如石英、长石等。有的经风化、氧化、水化、水解及溶解。形成的粗粒料岩性松软，容易浸水软化，从而导致受压时颗粒尖角甚至颗粒整体破碎。

粗粒土的湿化变形，主要是由于一定应力条件下。浸水使粗颗粒岩性软化，棱角破碎，强度降低，然后相互滑移和填充，改变原来结构，从而引起的附加变形。包括湿化体应变和湿化偏应变，并可分别在浸水条件下由球应力和偏应力共同引起，并随着围压增大而增加。影响湿化变形的主要因素有母岩矿物成分及风化程度、浸水时间、初始含水率、干密度、颗粒级配、应力状态、应力路径等。

③颗粒破碎和流变性

粗粒土是单粒结构，以点、线、面相互接触为主。此接触面积远小于其宏观的平均面积，因此接触处的应力远高于各种方法计算出的平均应力。这是粗粒料易产生颗粒破碎的内在原因。

我国高土石坝的建设日益增多，在高土石坝的建设中必须考虑粗粒料颗粒破碎的影响。例如汶川大地震时紫坪铺大坝混凝土面板下部的堆石体发生了较大的沉陷变形(剪缩)，一般认为这是粗粒土颗粒破碎的结果，地震荷载加剧了这一效应。

④压缩性

粗粒土在压缩条件下的变形特性，即压力作用下体积变小或孑L隙比减小的性能。在压力作用下颗粒会发生相对位移，重新排列到较密实的平衡位置。另外，压力增大，虽仍可忽视颗粒本身的压缩性，但是颗粒压碎的结果造成的压缩却不可忽视，后者与颗粒本身的强度有关。一些实测结果指出，优良级配的坚硬石料，颗粒破碎量较小，其平均压缩模量为70～200MPa；而质量差和级配不良的石料，由于颗粒破碎量增大，平均压缩模量降为5～20MPa，这反映了颗粒破碎对粗粒土压缩性影响较大。在大型固结仪中对几种堆石的压缩试验表明，初始孑L隙比大的堆石，压缩性大；初始孔隙比小的堆石，压缩性小。母岩性质不同，其压缩性也不同。图7—12中所有试验曲线在卸荷时回弹量都很小，这说明堆石的压缩性主要是由于颗粒的重新排列。

划分准则

①按土类划分准则

我国现行标准采用两种不同的准则：一种是按粒组的相对比例来定名；另一种是按大于某个粒组界限粒径的颗粒总质量超过某一百分比来定名。《土分类标准》(GBJ 145—90)采用前一种准则，它将大于60mm的粒组统称为巨粒，将小于等于0.075mm的粒组统称为细粒，将砾粒组和砂粒组统称为粗粒，然后比较这两个粒组，砾粒组质量多于总质量的50%的土称为砾类土；砾粒组质量少于或等于总质量的50%的土称为砂类土。《岩土工程勘察规范》(GB 50021--94)则采用后一种准则，例如它将粒径大于200mm的颗粒超过全重的50%称为漂石或块石。

②颗粒的磨圆度

《岩土工程勘察规范》(GB 50021--94)把颗粒形状以圆形及亚圆形为主的分别称为漂石、卵石或圆砾；而以棱角形为主的则称为块石、碎石或角砾。《铁路路基设计规范》(TBJl一85)，《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ 013—86)和《建筑地基基础设计规范》(GBJ7—89)都作了相同的分类规定。但在《土分类标准》(GBJ 145—90)中对颗粒的磨圆度并没有作出任何规定。

③细粒土的含有情况

《土的分类标准》(GBJ 145—90)对砾类土和砂类土中细粒土的含量和性质都作了明确的规定，并在土的名称上加以区别。细粒土含量少于5%时，在定名时不冠以细粒土的前辍、直称砾或砂；当细粒含量为5%到15%时则不管细粒土是粘土还是粉土，统称为含细粒土砾或含细粒土砂；如细粒含量超过15%，则视细粒土是粘土或者是粉土，称为粘土质砾、粘土质砂、粉土质砾或粉土质砂。

《岩土工程勘察规范》(GB 50021--94)并不以细粒土的含量来分类，而只在砂土分类时规定，当砂土中小于0.075mm的土的塑性指数大于10时，定名时应冠以含粘性土，如含粘性土粗砂等。

④关于粒径级配的规定

《土的分类标准》(GBJ 145—90)规定用不均匀系数Cu和曲率系数Cc来判别粗粒土的级配并据以分类。对于同时满足Cu≥5，Cc=1~3的土称为级配良好砾或级配良好砂；反之则称级配不良砾或级配不良砂。

《岩土工程勘察规范》(GB 50021--94)一般情况不按土的级配定名，但对颗粒级配不连续的土定为混合土。当碎石土中的粉粒和粘粒的质量超过总质量的25%时定名为Ⅰ类混合土；当粉土或粘性土中的砾粒或巨粒的质量超过总质量的25%时，定名为Ⅱ类混合土。

测试方法

由于粗粒料中粗颗粒的粒径远远超过常用的室内小型土工试验仪器的适用范围。因此，研究粗粒土的力学特性需要采用大型土工仪器。大型土T试验仪器的直径一般为300～500mm，个别的达到1000mm。但堆石料等原型材料的最大粒径达1000mm，任何大型设备都很难满足较粗的原型材料的试验需求，因此须将这些超过仪器适用范围的土料按某一方法缩尺后进行试验。国内外使用的大型仪器基本上是常规小型仪器在尺寸上的放大，试验原理与操作方法与小型仪器的差异很小。

为了使试样在仪器中的受力和变形与现场情况相近，试验仪器的尺寸与试样的最大粒径之间应当有一个合理的比值，一般为5～6。这就要求对原型材料中超过仪器允许粒径范围的颗粒(称为超径粒)进行处理。在处理粗粒土的超径粒时应选用合理的级配以使试验结果尽量与现场情况相近。一般根据现场粗粒土的原级配曲线，按照SL 237一1999《土工试验规程》，可采用等量替代法、剔除法或相似法，对超粒径的粗粒土进行处理，拟定室内试验采用的试样级配曲线。

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