[分享]论土的级配

发表于2017-07-26 1660人浏览 3人跟帖总热度:288

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标签：土中砂中砂粒

作为土，中砂是粒径大于0.25mm的颗粒质量超过全部土质量的50%，同时大于0.5mm的颗粒质量不大于全部土质量的50％的土；而中砂粒是指粒径为0.25mm-0.5mm的颗粒。这二者有什么区别呢？

2.论土的级配

这就涉及到土的命名与粒组的命名问题。自然界中的土其组成及其混杂，可能含有极大颗粒和极小的颗粒，例如上述的中砂，其中从0.005mm~100mm的颗粒都可能有，可是我们必须给每一种土命名，就要按其主要颗粒的大小进行分类定名。但在分析土的颗粒级配时，我们需进行筛分，在筛分的基础上将颗粒分组，亦即粒组。中砂粒组颗粒只能是0.25mm-0.5mm，正如将人按年龄分组一样。所以“中砂”是土类，“中砂粒”是粒组。

对于颗粒大于0.075mm的颗粒我们可用筛子进行筛分，筛网的孔径一般为：60mm,40mm,20mm,10mm,5mm,2mm,1mm,0.5mm,0.25mm,0.1mm和0.075mm。粒组的划分有些像用年龄段对人的划分：

图１土的粒组与人的年龄段

划分粒组的作用在于对土进行分析，然后在此基础上对土进行定名。图1是土的粒组与人的年龄段对比。土的中砂粒组相当于人18-30岁的青年一样。当然，也有的将15、16岁的叫做小青年。现在的国家级杰出青年似乎是不大于45岁；你如能进入政治局，50岁还可称作青年干部。

对于粗粒土，主要是按照土的颗粒大小对土进行分类，对于细粒土就不能只看颗粒的尺寸了。比如在粒组分类中将

的颗粒叫黏粒，如果将原生矿物，比如石英研磨成小于0.005mm的颗粒，就都变成了黏粒，那么它们组成的土是否就成了黏土了？答案是否定的，因为还要看塑性指数Ip。黏土矿物颗粒除了很细小外，其形状都是片状的，这就使其比表面积极大，例如有的蒙特土黏土比表面积可达800m2/g。黏土最重要的性质是其与水的相互作用，即形成结合水和双电层，这就表现出土的塑性。这正如身高不足1m的侏儒，不能算是儿童。据吉尼斯纪录，世界上最矮的男人只有50多厘米，却已经70多岁了。我看少年足球和篮球比赛，有的队员就不像是少年，最好是测骨龄。

通常粒径级配累积曲线上的一点代表小于该粒径的颗粒质量占总质量的百分数。为什么不用大于该颗粒的含量百分数表示呢？其实大于与小于的百分数都是可以的，也有的教材与文献的表示就相反。小于该粒径的颗粒质量占总质量的百分数是用某筛孔的过筛量累积统计出来的；而大于该粒径的颗粒质量占总质量的百分数是用某筛孔以上的筛余量累积统计的。如图2所示，前者为降曲线，后者为升曲线。两条曲线是对称的，在50％处相交。

图2　不同的颗粒级配累积曲线

在这种级配曲线中有一些所谓特征粒径，如d10, d30, d50, d60等。尽管它们的规定有一定的人为因素。但其本身是有一定的物理意义的。例如d50是所谓平均粒径，小于该粒径与大于该粒径的土颗粒质量都占总质量的50%，如图2所示。d10叫作有效粒径，它对于土的渗透系数有特殊意义，例如渗透系数可以用如下的经验公式估算：

在一个级配连续的土中，大颗粒形成的孔隙被中颗粒所填充；中颗粒的孔隙被小颗粒所填充；这样，决定土的渗透系数的往往是细颗粒的粒径及其所形成的孔隙。d10除了影响土的渗透系数以外，还与土的渗透变形，例如接触冲刷等有关。

式(2)中的Cu叫不均匀系数，式(3)中的Cc叫曲率系数，前者表示土级配的均匀程度，后者可表示土的级配的连续性。d60也称为控制粒径，它是判别土的级配连续性的重要参数。对于级配不连续的土，例如有一种土是由

的粗细两大类粒径组成，如果d30=0.5mm，表明大于5mm的砾石颗粒所占的比例近70%，在这种土中大颗粒可以形成骨架，细颗粒只起填充其孔隙的作用，力学性质有粗粒决定；反之，如果d60=5mm，表明细颗粒占近40%，粗颗粒形不成骨架，它们悬浮在细颗粒所形成的砂土中，其力学性质主要由细颗粒决定，亦即表现为砂土特性。在1976年的唐山地震中，密云水库土坝水下护坡的过渡料虽然属于砾石土，但由于含砂量较多，在地震中形成较高的超静孔隙水压力而出现滑坡。其中的砾粒被液化的砂粒裹挟着滑动了。

如果不均匀系数

，曲率系数Cc在1~3之间，就称为该土的级配良好，而Cu<5的土称为级配均匀的土。那么在工程应用中，级配良好的土更好一些还是级配均匀的土更好一些？这里讲的级配良好是指土中大中小颗粒的数量适中。这种土更容易压实，强度高。变形小；透水性较小，不易发生管涌，所以更适合于作为工程填土。例如作为软弱地基的换填土，路基、土坝、堤防等填方工程的土料等。

但是这种土的透水性不好，作为排水与反滤材料就不合适。例如在管井工程中，首先要在井位钻孔，然后放置透水井管，随后要在井管与井壁间填入“豆石”，亦即均匀的砾石，以便于透水和保土。同样在土石坝的反滤排水结构中，需要级配均匀的粗粒料。

这正如在军队中，战士都应是青年，亦即级配均匀，这样行军打仗才能步调一致，机动性好，战斗力强，令行禁止。在《三国演义》中写道刘备先是火烧新野，向百姓宣称：“无问老幼男女，愿从者，皆跟我往樊城暂避”。败走新野，到了樊城，又被曹操追赶，两县之民“扶老携幼，将男带女”，“拥民众数万，日行十余里”，最后是“引十数万百姓，三千军马”行军，虽有赵云、张飞那样的猛将，也难免大败，把老婆孩子差点丢掉。看三国看到这里总觉得刘备是在作秀，实是以十数万百姓为人质。

军队中的军官则应当级配良好，不同军阶有不同的年龄段，以充分发挥他们的威望、学识、阅历和经验。在人大代表和政协委员中，特别强调考虑“无、知、少、女”就是为了使级配良好，增大代表性。在两会期间总可以看到，在身材如酒桶一样的官员群中。点缀几个花枝招展的少数民族少女，成为一道“亮丽的风景线”，显得非常“和谐”。

在学校里，同样也是学生的级配均匀，而老师应当是级配良好的。可是这也受到多方面的影响。分析图2所示的教师队伍级配曲线是十分有趣的。其中所示的虚线是正常的级配曲线，它的各年龄段的概率分布曲线是金字塔形的。

图3 我系1976年与2016年教师队伍级配曲线示意图

图3是我定性绘制的1976年和2016年时我系教师的级配情况，横坐标为本科毕业的年度。这种曲线在个高校、科研和技术部门是有代表性的。在图(a)中，当时清华的教师基本上是本校本科毕业后留校任教师，也有一些“研究生”。1940年前基本上是留学欧美的老教师，49年前毕业的留校者主要是“地下党”员，49~57年留校的是品学兼优者；57年反右派，一批右派教师被淘汰，58~60就集中留下了一批反右的“左派”学生；60~63年“经济困难”，三年“自然灾害”，留校较少，64,65年两期的留校者增多；66年后的“文化大革命”，学生基本被扫地出门，极少有留下的；70届一些学生认为他们不能算“知识分子”，自称“新工人”，全校留下500人；其后是“工农兵学员”中留下的“上、管、改”清华大学的革命力量。

图2(b)是2016年教师队伍级配曲线，由于现在都是博士、博士后才能留校，所以曲线左移。由于80~90年期间的退休潮，“文革”前毕业的老师基本没有了，只剩下个别的永不退休的院士。82年前没有毕业生；83~90年本科毕业的教师占了总数的一半以上，他们多数并不是这期间留校的，而是98~2000年期间从国外回来的。这些人属于文革后的前期大学生，由于人才的积压，他们水平较高，学习努力，又在国外深造的经历，成为各行业、高校、院所的骨干。又由于他们人数集中，只进不出，使人员循环停止，严重地阻碍和挤压了2000年后毕业的学生留校机会；使级配严重不连续。可以预期在2025~2030年又会出现一个集中的年龄段，余波会反射到2060年左右。同样的，一个国家、社会的人口级配也会受战争、自然灾害、政策等因素的影响，造成级配的不连续。

其实土的级配不连续有时也是需要的。例如我国的西南地区，水资源丰富，交通不便，适于建土质防渗体的高堆石坝，但那里的细粒土很少，难以取得足够的防渗土料。于是常常在黏性土中添加碎石与砾石，形成人工掺合砾石土，其中碎石与砾石比例可达40%或者更高。由于粗粒土不会形成骨架而架空，所以其对渗透系数的影响不大，但可以减少防渗体的沉降与变形，也节约了大量的耕地。

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