关于土的分类(高大钊)

世界上本来存在着测定液限含水率的两种技术体系:一种是拥于美国卡萨格兰德( Casagrande) 碟式仪测定液限的方法;另一种是用圆锥仪测定液限的方法。但我国在30年以前，各个行业所采用的方法是一致的，都源于前苏联瓦西里耶夫平衡锥(圆锥质量76g，下沉深度10mm) 测定液限的方法;是属于后一种技术体系的试验标准。至于塑限含水率，各个行业都采用搓条的方法测定。我国从前苏联引进技术标准并在工程实践中大量采用以后，前苏联瓦西里耶夫平衡锥法和搓条法都列入了我国的技术标准，成为法定的试验方法。从20 世纪70 年代末开始，我国在接触和引进西方国家的技术标准时，就注意到了美国卡萨格兰德碟式液限仪与瓦西里耶夫平衡锥液限仪试验结果之间的差别。一些学者的文章中认为锥式仪液限含水率时士的强度高于碟式仪液限含水率时土的强度，这两种方法所测定的液限含水率并不相等，碟式仪测定的液限大于锥式仪测定的液限。如果从这个概

念出发，将美国的碟式仪标准引人我国的标准体系在技术上并不是很困难，也是顺理成章的事。

但当时我国有些单位正在研制一种可以替代平衡锥的联合测定仪，希望用这种仪器同时测定液限和塑限，于是就出现了订入《土工试验方法标准》(GB/T50123一1999)的液、塑限联合测定法的试验标准。这种联合测定法标准的圆锥质量和锥角与瓦西里耶夫平衡锥的规格完全一样，但将圆锥沉人深度从原来的lOmm增加到17mm，同时将沉人深度为2mm时的含水率定义为塑限。可是，在这本标准中还保留了测定塑限的搓条法，也引入了碟式的液限测定仪。在这本试验标准的后续版本中，继续保持了这些内容。

与此同时，公路系统又提出了另一种规格不同的联合测定仪，圆锥质量为100g，取圆锥沉人深度20mm时的含水率为液限含水率，取圆锥沉入深度3mm时的含水率为塑限含水率。

至此，在我国的岩土工程技术标准体系中出现了如表4-1所示的四种液限含水率的测定标准和三种塑限含水率的测定标准。

由于液、塑限测定标准不同，据以划分士类的标准也就必然不同。目前，我国现行国家标准中并存着两种士的分类系统，即塑性指数分类法和塑性图分类法。如果将同一种士分别按照两种分类方法定名，可能得到完全不同的土名;同一个土名在这两个分类系统中的含义也是不同的。例如，在塑性指数分类法中，黏土是塑性指数大于17的土，但在塑性图分类方法中，塑性指数大于17的土不一定称为黏土，塑性指数小于17的土也有可能定名为黏士，这主要取决于在塑性图上的位置。

无论是塑性指数分类法，还是塑性图分类法都需要应用土的液限和塑限指标。由于测定这两个指标的试验方法不同，分类的结果也就有很大的差别。在《土的分类标准》(GBJ145-90) 的塑性图分类标准中，采用了两种液限的试验方法，其差别主要在于平衡锥的沉人深度不同。一种是《岩土工程勘察规范》采用的沉入深度为lOmm 的标准，这一标准与我国习惯使用的方法是一致的，其优点是便于将积累的工程经验延续下来，并不致引起使用上的混乱;而另一种则是《土工试验方法标准》采用的沉人深度为17mm 的标准，其理由是当沉人深度为lOmm时士的极限抗剪强度值比美国Casagrande碟式仪液限时的强度值高，不符合国际上通用的标准，因而采用将沉人深度加大到17mm的方法来降低土的极限抗剪强度值，使之与Casagrande碟式仪的标准等效。与此同时，《土工试验方法标准》还将塑限的搓条法改为也用平衡锥沉人的方法，将泪人深度为2mm时的含水率定义为塑限。

在分类问题上的混乱还表现在采用不同试验标准都声称与美国ASTM同一个试验标准等效。在我国，除了《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)外，《公路土工试验规程》(JTJ051-93)也采用与美国ASTM等效方法确定的液限试验标准。为了与国际上通用的液限试验标准相协调，改变了与我国习惯沿用的试验方法完全不同的液限试验标准，但是却得出了两种不同的试验标准，所测得的液限也会不完全相同，这就更进一步使我国的土分类体系难以统一，形成了三足鼎立的局面。

与液、塑限试验标准相应的是细粒土的分类也存在着两个分类体系。我国长期习惯采用的分类方法是按塑性指数分类，另一个是以美国ASTM的统一分类法为借鉴的塑性图分类法。《岩土工程勘察规范} (GB 50021-2001)

和《建筑地基基础设计规范》（GBJ 50007-2002) 都是采用塑性指数分类法;而《土的分类标准》(GBJ145-90) 和公路行业的技术标准都采用塑性图分类法。

1979年，岩土工程学报的创刊号上，王正宏和李生林发表了短文《介绍〈土工试验规程〉1978 年修改稿中的土的分类法》，是我国岩土工程学术刊物上最早介绍这本规程中的土分类方法的文章，给出了如表4-2 所示的土分类的总表。

但后来制订的《土的分类际准》（GBJ145-90)与这个总表比较又有了一些变化，首先将粗粒土划分为巨粒土、砾类土和砂类土三类，见表4-3～表4-5。对细粒土，这个标准所采用的塑性图也与总表中的塑性图不同，由B、 C两根线改为一根B线，具体的分类界限见图4-1和表4-6。

在20世纪80年代，我国的土分类体系发生很大变化的时候，建筑行业的两本国家标准《建筑地基基础设计规范》和《岩土工程勘察规范》都在编制的过程中，我分别参加了这两本国家标准的编制工作，对当时的情况比较了解，结合文献资料回忆当年的发生的一些事，回答网友所提出的问题。

为编制《岩士工程勘察规范》作准备工作，建设部综合勘察院组织了\"地基承载力和士的分类\"课题的研究。对士的分类问题，收集了我国大量数据，分析用塑性图方法进行分类的可行性和以及可能出现的问题。与此同时，《建筑地基基础设计规范》编制组也对74版规范提出的土分类方法进一步加以完善。这两本规范都以积极慎重的态度注视着我国岩土工程界发生的这些变化，考虑着建筑系统的土分类体系是否改变和怎样改变的问题。1987 年，《建筑地基基础设计规范》审查会之前，由这两本国标的主编协调两本规范的内容时，对土的分类问题研究的结论是认为应仍保持建筑行业已有的分类方法，不宜立即采用塑性图分类方法，因而土的液限试验仍采用76g锥lOmm沉入深度的标准，不采用联合测定仪的标准。为此，《土的分类标准》(GBJ145-90) 在修订时也将建筑行业采用的上述标准列入该分类标准，希望在两种标准平行使用的过程中，积累资料，逐步统一。

但是，从那个时候到现在，又过去了20年，关于土分类的泪乱局面没有根本改观。前几年，顾宝和大师曾经做过一段时间的调查研究，力图正本清源，为统一我国的土分类系统探索途径，但限于种种原因，这项工作也难以进一步展开。看来在我们这一代人手中已经不可能处理和解决这个问题了，只有在这一页翻过以后，希望各个行业新的一代领军人物之间能够协调与解决这个问题。

在1980年进行的上述土分类课题研究的结论中，有下列几个问题值得今后继续研究:

(1)联合测定仪与碟式仪测定结果之间等效的问题。由公路系统和水电系统分别采用不同规格的联合测定仪，制订两个试验标准的过程中，对比试验的结果都表明锥式液限仪和碟式液限仪试验结果之间存在着等效的关系，但当时也有不同的意见。下面给出的资料说明，由于这二种试验仪器的原理有着根本的区别，从本质上说并不等效，仅从统计角度看，只是在一定的范围内存在着相关性。碟式仪的原理是不同含水率的土样在振动作用下的性状存在差异，按照一定的标准设备条件和标准试验方法测定的液限反映了土样在一定振动条件下的与标准强度值对应的含水率;而锥式仪测定的是在静力条件下圆锥沉人土样→定深度时的含水率，与之对应的强度也可以求得。

根据研究报道，平衡锥的质量为76g，沉入深度为lOmm的试验标准时土样的不排水强度高于碟式液限仪试验标准的对应不排水强度，两者相差约4倍，如以不排水强度1. 7kPa为条件可以得出沉人深度17mm代替lOmm标准的等效结论。如以平衡锥的质量为76g，沉入深度为17mm的试验标准求得的液限ωLl7为纵坐标，碟式液限仪试验结果ωLc为横坐标画出其回归线:

ωLl7=0. ωLc+6.17 (4-1)

式中: ωLl7——沉人深度为17mm的锥式仪液限; ωLc——碟式仪测定的液限。

如果锥式仪得到的液限能与碟式仪的液限等效，这条回归线应该与45°线平行。但根据散点资料发现此回归线与45°线相交，如图4-2 所示。从图中可以看出，对高液限土，碟式仪液限ωLc高于锥式仪液限ωLl7; 而低液限土则相反，碟式仪液限ωLASTM低于锥式仪液限ωLl7。出现这种交叉现象的原因在于这两种液限测定仪器的原理不同，其结果不能互相比较。碟式仪测定时低液限的土在振动作用下能发生液化现象，在较高含水率时就

达到了试验的标准，因此其液限ωLASTM高于锥式仪液限ωLl7;土的液限越高，越加不会液化，此时虽可比性比较强，但碟式仪测定的结果ωLASTM却低于锥式仪液限ωLl7， 说明也是不等效的;仅在液限从40%至70%的范围内，回归线与45°线的误差比较小，才可以认为是等效的。由此可见，等效是有条件的，只适用于中等塑性的土类;对低塑性土和高塑性土，这两种方法并不等效。

如果用由两种液限得到的塑性指数IP来画回归线，则可发现回归线与45°线的交点在塑性指数Ip为10的附近，说明塑性指数IP=10是一个分界点，塑性指数Ip低于10的土，不适用等效的结论。

(2) 塑性图A 线的作用问题。毫无疑问， Casagrande塑性图分类法在反映土的物理化学性质上比单一的塑性指数分类法肯定要全面和合理，作为土质分类反映了黏性土的一些基本的性质。但根据全国4万多个黏性土的试验数据的分析，我国各种代表性土类在塑性图上的位置见图4-3和表4-7。可见，我国常见的黏性土大多数位于A线以上， A线以下的土只占5.4%，由于94.6%的数据位于A线以上，表明A线对于这些土类没有分类的作用，采用塑性图的结果只是将按塑性指数分类变为按液限分类。在工程分类的应用上要考虑工程目的的需要和分类方法的简单易行，便于工程技术人员掌握使用，塑性图分类从形式上看将土划分为4类，比按塑性指数分类划分为3类土更全面，但实际上在A线以下土类很少，这就失去了工程实践的意义。

(3) 工程经验的延续问题。这一变化固然使试验结果，特别是液限的数值与欧美国家的试验结果比较接近，但同时引起了工程经验的延续使用方面的一些困难，由于分类标准与定名已经完全不同，过去积累的许多工程判断的经验和标准再也无法使用了。例如，现行规范规定的判别淤泥质士的标准是液性指数(天然含水率与液限之比)大于1，判别淤泥的标准是液性指数大于1.5 ，这是长期工程经验积累的结果。由于这里所指的液限是沉入深度为lOmm的液限，在改为沉入深度17mm以后也就不可能仍是这两个标准，于是，液性指数小于1的土却定名为淤泥质土，究竟取多大的数值作为划分的界限缺乏标准。在积累新的工程经验以前，这种状况可能会造成软士划分方面某种程度的混乱，这是编制规范工作不允许出现的结果。

软土的定义是天然含水率大于液限(即液性指数大于1.0) ，孔隙比大于1.0 。这里的液限是76g锥，沉入深度lOmm的液限。由于其数值小于100g锥，沉人深度20mm的液限，也小于76g锥，沉入深度17mm的液限，这就涉及软土的定名标准必须修改，但制订这些标准的部门根本就不研究这些问题，于是问题就来了，用公路标准的工程，怎样定名软土呢?这个问题不解决，就存在误判软土的可能性。

有一次在公路系统关于软土地基处理的评审会议上，我就特别关注这个问题，看公路系统的勘察报告中是怎么界定与划分软土的。结果发现勘察报告中关于土的定名全部用公路的标准，但在定名软土时却还是采用原来的标准，即天然含水率大于液限(液性指数大于1.0) ，孔隙比大于1.0，那液性指数怎么确定呢?经过询问才知道，原来在土工试验的总表中有一项液性指数，这个液性指数是还用76g锥，沉入深度10mm的液限计算的，我问他们这个液限怎么来的，大概有两种方法:一种方法是用76g锥的标准再做一遍;另一种方法是采用两种液限标准的数值之间换算的经验公式，从公路标准的液限换算为76g锥10mm沉入深度的液限。不管怎么说，划分软土时还不能不使用76g锥，沉入深度10mm的试验标准，这形成了一个悖论:不得不采用需要否定的老标准来补充新的标准的不足。对于粗粒土来说，按照这个标准分类，过去使用的土类漂石、卵石、碎石、园砾、角砾、砾砂、粗砂、中砂和细砂的名称将不复存在，而代之以表4-3、表4-4和表4-5中的土类名称。过去对于碎石类土和砂土所积累的工程经验就很难对口使用。例如，饱和的粉细砂的水稳定性差容易发生流土;不同粒径的粗

粒土，对渗透系数可以大致估计其变化范围等。

目前，我国土分类的百花齐放的局面对于技术标准化体系的发展和岩土工程的进步都已成为非常关键的技术障碍。经过20多年的讨论与工程实践，应从我国的自然条件和已有的工程经验出发，全面地分析评价上述几种测定方法的合理性和适用性，分析由于这项基本标准的变化对勘察、设计和施工可能带来的问题以及解决这些问题的途径，讨论我国土的基本分类体系的统一和分层次处理的过渡方法。

有些网友常将土分类与地基承载力表联系起来看，其实，液限和土分类的重要性倒不在于什么地基承载力表，那是极其局部的问题，严重的问题是对土的评价和工程措施可能会有严重的歧义。

几十年的实践表明，技术标准的统一不决定于技术问题，而是决定于。在原有的下，很难有新的作为。虽然相信将来肯定会将不合理的差异逐步统一，但什么时候统一就说不定了，这取决于我们大家的努力。