1.1 工程中的土
1.1.1 关于土的资料收集
1.土的工程分类及现场鉴定方法
土的种类繁多，分类方法也很多，例如，根据土的颗粒级配或塑性指数分类、根据土的沉积年代分类、根据土的工程特点分类等。在土方工程施工中，根据土的坚硬程度和开挖方法将土分为松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、软石、次坚石、坚石、特坚石类。前类属一般土，后四类属岩石，如表所示。
表1.1 土的工程分类
2.组成
土是由岩石风化生成的松散沉积物，由矿物颗粒（固相）、水（液相）和空气（气相）三部分组成。这三部分之间的比例关系随着周围条件的变化而变化，三者相互间比例不同，反映出土的物理状态也不同，如干燥、稍湿或很湿，密实、稍密或松散。这些指标是最基本的物理性质指标，对评价土的工程性质，进行土的工程分类具有重要意义。
3.结构
结构主要指土体中土粒的排列与连接，可分为：单粒结构、蜂窝结构、绒絮结构，如图所示。
图1.1 土的结构
具有单粒结构的土是由砂粒等粗土组成，土粒排列越密实，土的强度越大。具有蜂窝结构的土是由粉粒串联而成，存在着大量的空隙，结构不稳定。绒絮结构与蜂窝结构类似，所以研究土的结构对工程施工是非常重要的。
1.1.2 工程性状
土对土方稳定性、施工方法及工程量均有很大影响。
1.土的质量密度和重力密度
天然状态单位体积土的质量称为土的质量密度，简称土的密度，用符号ρ表示。天然状态单位体积土所受的重力称为土的重力密度，简称土的重度，用符号γ表示。
ρ=m/V （1.1）
γ=G/V=m·g/V=ρ·g （1.2）
式中：m——土的质量（t）；
V——土的体积（m3）；
G——土的重力（kN）；
g——重力加速度（m/s2）。
天然状态下土的密度值变化较大，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
土在天然状态下单位体积的质量，称为土的天然密度（简称密度）。一般黏土的密度为1800～2000kg/m3，砂土为1600～2000kg/m3。土的密度按下式计算：
干密度是土的固体颗粒质量与总体积的比值，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——土的总质量（kg）；
ms——土中固体颗粒的质量（kg）；
V——土的体积（m3）。
3.土的含水量
土的含水量是土中水的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示，即
式中：ω——土的含水量；
mw——土中水的质量（kg）；
ms——土中固体颗粒的质量（kg）。
一般土的干湿程度用含水量表示。含水量在5％以下称为干土；在5％～30％之间称为潮湿土；大于30％称为湿土。含水量对土方边坡的稳定性、回填土的夯实等均有影响。在一定含水量的条件下，用同样的夯实机具，可使回填土达到最大的密实度，此含水量称为土的最佳含水量。各类土的最佳含水量如下：砂土为8％～12％；粉土为9％～15％；粉质黏土为12％～l5％；黏土为19％～23％。
4.土的渗透性
土的渗透性是指水流通过土中孔隙的难易程度。土的渗透性用渗透系数K表示。地下水的流动以及在土中的渗透速度都与土的渗透性有关。地下水在土中渗流速度一般可按达西定律计算确定，其公式如下：
v=KI （1.6）
图1.2 砂土渗透实验
式中：v——水在土中的渗流速度（m/d）；
I——水力坡度
；
K——土的渗透系数（m/d）。
K值的大小反映土渗透性的强弱。土的渗透系数可以通过室内渗透试验（见图1.2）或现场抽水试验测定，一般土的渗透系数如表1.2所示。
表1.2 土的渗透系数
5.土的孔隙比与孔隙率
土中孔隙体积与颗粒体积相比称为孔隙比，用符号e表示；土中孔隙体积与土的体积之比的百分数称为土的孔隙率，用符号n表示。
e=Vv/Vs （1.7）
n=（Vv/V）×100％ （1.8）
孔隙比是表示土的密实程度的一个重要指标。一般来说e<0.6的土是密实的，土的压缩性小；e>1.0的土是疏松的，土的压缩性高。
6.土的可松性和压密性
土的可松性是指天然状态下的土经开挖后土的结构被破坏，因松散而体积增大的现象。
土经开挖、运输、堆放而松散，松散土与原土体积之比用可松性系数K1表示。
K1=V2/V1 （1.9）
土经回填压实后，其体积增加值用最后可松性系数K2表示。
K2=V3/V1 （1.10）
式中：V1——开挖前土的自然状态下体积；
V2——开挖后土的松散体积；
V3——压实后土的体积。
可松性系数的大小取决于土的种类，如表1.3所示。
表1.3 土的可松性系数
注：（1）K1是用于计算挖方工程量装运车辆及挖土机械的主要参数。
（2）K2是计算填方所需挖土工程的主要参数。
（3）最初体积增加百分比=（V2-V1）/V1×100％。
（4）最后体积增加百分比=（V3-V1）/V1×100％。
土的压缩性是指土经回填压实后，使土的体积减小的现象。
土的压实或夯实程度用压实系数表示，压实系数用符号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。
土的密实度与土的含水量有关，其含水量的大小会影响土的密实度。实践证明，应控制土的最佳含水量，在土方回填时应具有最佳含水量。当土的自然含水量低于最佳含水量20％时，土在回填前要洒水渗浸；若土的自然含水量过高；应在压实或夯实前晾晒。
在地基主要受力层范围内，按不同结构类型，要求压实系数达到0.94～0.96以上。
7.土的抗剪强度
土的抗剪强度就是某一受剪面上抵抗剪切破坏时的最大剪应力，土的抗剪强度可用剪切试验确定。
砂是散粒体，颗粒间没有相互的黏聚作用，因此砂的抗剪强度即为颗粒间的摩擦力。黏性土颗粒很小，由于颗粒间的胶结作用和结合水的连锁作用，产生黏聚力。黏性土的抗剪强度由内摩擦力和一部分黏聚力组成。
由于不同的土抗剪强度不同，即使同一种土其密实度和含水量不同，抗剪强度也不同。抗剪强度决定着土的稳定性，抗剪强度越大，土的稳定性越好，反之亦然。
完全松散的土自由地堆放在地面上，土堆的斜坡与地面构成的夹角，称为自然倾斜角。为此要保证土壁稳定，必须有一定边坡，边坡以1∶n表示，如图1.3所示。
n=a/h （1.12）
图1.3 挖土边坡
式中：n——边坡率；
a——边坡的水平投影长度（m）；
h——边坡的高度（m）。
含水量大的土，土颗粒间产生润滑作用，使土颗粒间的内摩擦力或黏聚力减弱，土的抗剪强度降低，土的稳定性减弱，因此，应留有较缓的边坡。当沟槽上荷载较大时，土体会在压力作用下产生滑移，因此，边坡也要缓或采用支撑加固。
8.侧土压力
地下给水排水构筑物的墙壁和池壁、地下管沟的侧壁、施工中沟槽的支撑、顶管工作坑的后背，以及其他各种挡土结构，都受到土的侧向压力作用，如图1.4所示。这种土压力称为侧土压力。
根据挡土结构与土的位移及相互间的作用力关系，侧土压力可分为如下三种：
（1）主动土压力：土移动形成的对墙的压力。
（2）被动土压力：墙移动形成的对土的压力。
图1.4 各种挡土结构
（3）静止土压力：土移（转）动形成的对静止墙的压力，如图1.5所示。
图1.5 三种土压力
上述3种土压力，在相同条件下，主动土压力最小，被动土压力最大，静止土压力介于两者之间。3种土压力的计算可按库仑土压力理论或者朗肯土压力理论计算。
掌握土的压力，对于处理施工中的支撑工作坑后背、各类挡土墙的结构是极其重要的。