1.1 工程中的土
1.1.1 關于土的資料收集
1.土的工程分類及現場鑒定方法
土的種類繁多，分類方法也很多，例如，根據土的顆粒級配或塑性指數分類、根據土的沉積年代分類、根據土的工程特點分類等。在土方工程施工中，根據土的堅硬程度和開挖方法將土分為松軟土、普通土、堅土、砂礫堅土、軟石、次堅石、堅石、特堅石類。前類屬一般土，后四類屬巖石，如表所示。
表1.1 土的工程分類
2.組成
土是由巖石風化生成的松散沉積物，由礦物顆粒（固相）、水（液相）和空氣（氣相）三部分組成。這三部分之間的比例關系隨著周圍條件的變化而變化，三者相互間比例不同，反映出土的物理狀態也不同，如干燥、稍濕或很濕，密實、稍密或松散。這些指標是最基本的物理性質指標，對評價土的工程性質，進行土的工程分類具有重要意義。
3.結構
結構主要指土體中土粒的排列與連接，可分為：單粒結構、蜂窩結構、絨絮結構，如圖所示。
圖1.1 土的結構
具有單粒結構的土是由砂粒等粗土組成，土粒排列越密實，土的強度越大。具有蜂窩結構的土是由粉粒串聯而成，存在著大量的空隙，結構不穩定。絨絮結構與蜂窩結構類似，所以研究土的結構對工程施工是非常重要的。
1.1.2 工程性狀
土對土方穩定性、施工方法及工程量均有很大影響。
1.土的質量密度和重力密度
天然狀態單位體積土的質量稱為土的質量密度，簡稱土的密度，用符號ρ表示。天然狀態單位體積土所受的重力稱為土的重力密度，簡稱土的重度，用符號γ表示。
ρ=m/V （1.1）
γ=G/V=m·g/V=ρ·g （1.2）
式中：m——土的質量（t）；
V——土的體積（m3）；
G——土的重力（kN）；
g——重力加速度（m/s2）。
天然狀態下土的密度值變化較大，通常砂土ρ=1.6～2.0t/m3，黏性土和粉砂ρ=1.8～2.0t/m3。通常砂土γ=16～20kN/m3，黏性土和砂土γ=18～20kN/m3。
2.土的天然密度和干密度
土在天然狀態下單位體積的質量，稱為土的天然密度（簡稱密度）。一般黏土的密度為1800～2000kg/m3，砂土為1600～2000kg/m3。土的密度按下式計算：
干密度是土的固體顆粒質量與總體積的比值，用下式表示：
式中：ρ——土的天然密度（kg/m3）；
ρd——土的干密度（kg/m3）；
m——土的總質量（kg）；
ms——土中固體顆粒的質量（kg）；
V——土的體積（m3）。
3.土的含水量
土的含水量是土中水的質量與固體顆粒質量之比，以百分數表示，即
式中：ω——土的含水量；
mw——土中水的質量（kg）；
ms——土中固體顆粒的質量（kg）。
一般土的干濕程度用含水量表示。含水量在5％以下稱為干土；在5％～30％之間稱為潮濕土；大于30％稱為濕土。含水量對土方邊坡的穩定性、回填土的夯實等均有影響。在一定含水量的條件下，用同樣的夯實機具，可使回填土達到最大的密實度，此含水量稱為土的最佳含水量。各類土的最佳含水量如下：砂土為8％～12％；粉土為9％～15％；粉質黏土為12％～l5％；黏土為19％～23％。
4.土的滲透性
土的滲透性是指水流通過土中孔隙的難易程度。土的滲透性用滲透系數K表示。地下水的流動以及在土中的滲透速度都與土的滲透性有關。地下水在土中滲流速度一般可按達西定律計算確定，其公式如下：
v=KI （1.6）
圖1.2 砂土滲透實驗
式中：v——水在土中的滲流速度（m/d）；
I——水力坡度
；
K——土的滲透系數（m/d）。
K值的大小反映土滲透性的強弱。土的滲透系數可以通過室內滲透試驗（見圖1.2）或現場抽水試驗測定，一般土的滲透系數如表1.2所示。
表1.2 土的滲透系數
5.土的孔隙比與孔隙率
土中孔隙體積與顆粒體積相比稱為孔隙比，用符號e表示；土中孔隙體積與土的體積之比的百分數稱為土的孔隙率，用符號n表示。
e=Vv/Vs （1.7）
n=（Vv/V）×100％ （1.8）
孔隙比是表示土的密實程度的一個重要指標。一般來說e<0.6的土是密實的，土的壓縮性小；e>1.0的土是疏松的，土的壓縮性高。
6.土的可松性和壓密性
土的可松性是指天然狀態下的土經開挖后土的結構被破壞，因松散而體積增大的現象。
土經開挖、運輸、堆放而松散，松散土與原土體積之比用可松性系數K1表示。
K1=V2/V1 （1.9）
土經回填壓實后，其體積增加值用最后可松性系數K2表示。
K2=V3/V1 （1.10）
式中：V1——開挖前土的自然狀態下體積；
V2——開挖后土的松散體積；
V3——壓實后土的體積。
可松性系數的大小取決于土的種類，如表1.3所示。
表1.3 土的可松性系數
注：（1）K1是用于計算挖方工程量裝運車輛及挖土機械的主要參數。
（2）K2是計算填方所需挖土工程的主要參數。
（3）最初體積增加百分比=（V2-V1）/V1×100％。
（4）最后體積增加百分比=（V3-V1）/V1×100％。
土的壓縮性是指土經回填壓實后，使土的體積減小的現象。
土的壓實或夯實程度用壓實系數表示，壓實系數用符號λc表示。
λc=ρd/ρdmax （1.11）
式中：ρd——土的控制干密度；
ρdmax——土的最大干密度。
土的密實度與土的含水量有關，其含水量的大小會影響土的密實度。實踐證明，應控制土的最佳含水量，在土方回填時應具有最佳含水量。當土的自然含水量低于最佳含水量20％時，土在回填前要灑水滲浸；若土的自然含水量過高；應在壓實或夯實前晾曬。
在地基主要受力層范圍內，按不同結構類型，要求壓實系數達到0.94～0.96以上。
7.土的抗剪強度
土的抗剪強度就是某一受剪面上抵抗剪切破壞時的最大剪應力，土的抗剪強度可用剪切試驗確定。
砂是散粒體，顆粒間沒有相互的黏聚作用，因此砂的抗剪強度即為顆粒間的摩擦力。黏性土顆粒很小，由于顆粒間的膠結作用和結合水的連鎖作用，產生黏聚力。黏性土的抗剪強度由內摩擦力和一部分黏聚力組成。
由于不同的土抗剪強度不同，即使同一種土其密實度和含水量不同，抗剪強度也不同。抗剪強度決定著土的穩定性，抗剪強度越大，土的穩定性越好，反之亦然。
完全松散的土自由地堆放在地面上，土堆的斜坡與地面構成的夾角，稱為自然傾斜角。為此要保證土壁穩定，必須有一定邊坡，邊坡以1∶n表示，如圖1.3所示。
n=a/h （1.12）
圖1.3 挖土邊坡
式中：n——邊坡率；
a——邊坡的水平投影長度（m）；
h——邊坡的高度（m）。
含水量大的土，土顆粒間產生潤滑作用，使土顆粒間的內摩擦力或黏聚力減弱，土的抗剪強度降低，土的穩定性減弱，因此，應留有較緩的邊坡。當溝槽上荷載較大時，土體會在壓力作用下產生滑移，因此，邊坡也要緩或采用支撐加固。
8.側土壓力
地下給水排水構筑物的墻壁和池壁、地下管溝的側壁、施工中溝槽的支撐、頂管工作坑的后背，以及其他各種擋土結構，都受到土的側向壓力作用，如圖1.4所示。這種土壓力稱為側土壓力。
根據擋土結構與土的位移及相互間的作用力關系，側土壓力可分為如下三種：
（1）主動土壓力：土移動形成的對墻的壓力。
（2）被動土壓力：墻移動形成的對土的壓力。
圖1.4 各種擋土結構
（3）靜止土壓力：土移（轉）動形成的對靜止墻的壓力，如圖1.5所示。
圖1.5 三種土壓力
上述3種土壓力，在相同條件下，主動土壓力最小，被動土壓力最大，靜止土壓力介于兩者之間。3種土壓力的計算可按庫侖土壓力理論或者朗肯土壓力理論計算。
掌握土的壓力，對于處理施工中的支撐工作坑后背、各類擋土墻的結構是極其重要的。