砂土粒组介于砾与粉土之间,其主要成分为石英、长石、云母等原生矿物。作为土力学的研究对象之一,砂土一般呈单粒结构,透水性强、毛细上升高度很小,湿时粒间具有弯液面力,能将细颗粒连接在一起;干时和饱水时,粒间没有联结,呈松散状态,塑性极低或无塑性,无明显的胀缩性,压缩性低,强度较高。但细砂、粉砂在受振动时易产生液化现象。
砂土按颗粒级配可划分为5类,命名时根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定:砾砂(粒径大于2毫米的颗粒含量占全重25%~50%);粗砂(粒径大于0.5毫米的颗粒含量超过全重50%);中砂(粒径大于0.25毫米的颗粒含量超过全重50%);细砂(粒径大于0.075毫米的颗粒含量超过全重85%);粉砂(粒径大于0.075毫米的颗粒含量超过全重50%)。
影响砂土工程性质的主要因素是密实度。相对密实度定义为最大孔隙比与天然孔隙比之差和最大、最小孔隙比之差的比值。通常定义
为疏松状态,
为中密状态,
为密实状态。
20世纪70年代初,随着土的应力-应变-抗剪强度的统一本构理论迅速发展,砂土的抗剪强度已经与其应力-应变关系混成一体,作为统一本构理论的一个组成部分出现。砂土物理性质对其抗剪强度指标(内摩擦角)的影响如下表所示。
影响因素 | 对内摩擦角 |
孔隙比 |
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棱角度 |
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颗粒表面粗糙度 |
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含水率 |
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颗粒尺寸 | 影响不大,且不确定 |
颗粒级配 | 颗粒不均匀系数越大,内摩擦角越大 |
饱和砂土固结排水剪切试验表明,松砂剪缩,密砂有剪胀效应,即:松砂不会出现强度峰值及其后的强度下降趋势,而密砂在较小的轴向应变下就出现明显的强度峰值,其后剪胀将维持相当长的阶段,抗剪强度逐渐下降并趋于稳定值。中密砂剪切应变规律则介于密砂和松砂两种状态之间。在饱和砂土的固结不排水剪切试验中,松砂和中密砂一般均无强度峰值出现,或峰值后剪应力的下降量很微小;密砂则因其具有明显的剪胀特性而可能会在其孔隙中出现过大的负孔隙水压力值,进而产生空穴现象。
砂土属于典型的颗粒材料,工程破坏常以剪切带的形式呈现。例如砂质土土坝边坡的滑塌,呈平面状态的剪切带破坏;密砂地基的整体剪切破坏则呈曲面滑动形式。剪切带理论是土力学研究的重要问题之一。