1.土壤的分类

在土方工程中通常把土和石统称为土壤。在天然土层中，土壤由各种大小不同的颗粒所组成。根据土粒直径的大小可分为：直径在200mm以上的称为漂石（浑圆或圆棱）；20～200mm的称为卵石（浑圆或圆棱）或碎石（尖棱）；2～20mm的称为砾石（浑圆或圆棱）或角砾（尖棱）；0.05～2mm的称为砂，0.005～0.05mm的称为粉粒；0.005mm以下的称为粘土类。

在构筑道路的土方工程中，根据土壤中土粒直径大于2mm、在0.05～2mm之间和小于0.005mm土粒质量分数的多少，又把土壤分为砾土、砂土、亚砂土、粉土、亚粉土和粘土等（见表3-3），它们具有不同的路用性质。在野外施工时对土的分类一般采用现场目测、手触等简易方法鉴别，其方法见表3-4。

砂土与粘性土在性质上有很大差别，而且砂土与其他类含有较多粘土类的土在性质上也有很大差异。通常把砂土和性质上有相近似的碎石类土叫做非粘性土。

表3-3 根据土壤颗粒组成分类表

注：1.粗砂粒径为0.25～2.00mm，细砂粒径为0.25～0.05mm。

2.当土中大于2mm的颗粒质量分数超过10%时，属于砾土类。

3.划分土类时，以小于2mm者作100%计。

4.路基土分类，一般以基本土分类，必要时采用亚类，或以成因分类加以补充。例如，黄土类粉质亚粘土、盐质粉土、黑土类轻粘土。

表3-4 土壤的简易鉴别方法

在土方工程中，根据土壤开挖的难易程度与所用开挖机具的方法不同，将其分为16级，其中Ⅰ～Ⅳ级称为泥土，工程机械可直接开挖作业；Ⅴ级以上为岩石，除少部分可使用重型机械直接开挖外，其余需进行爆破。Ⅰ～Ⅴ级土壤的分类见表3-5。

表3-5 Ⅰ～V级土壤分类表

2.土壤的主要特性

在土方作业中影响机械作业难易程度和土体稳定性的土壤特性主要有以下几个：

（1）土壤的含水量土壤的含水量是指土壤空隙中含水多少的程度，用土壤中所含水分的质量和土壤质量的百分比表示，即

式中 w——含水量；

m——土样总质量；

m_L——土样中所含土粒质量。

一般含水量在5%以下的土壤，称为干燥土壤，开挖、压实都较困难；含水量为5%～30%的称为湿润土壤，开挖、压实比较容易；含水量在30%以上的称为潮湿土壤，机械运行不便，开挖、压实也不容易。

因此，机械作业中，应经常注意土壤中含水的程度，以便适时地改进作业方法和施工措施，以提高作业率，各种土壤的最佳含水量是：砂土8%～12%，粉土10%～16%，粘砂土6%～15%，轻砂粘土13%～19%，重砂粘土16%～20%，粉砂粘土18%～21%，粘土20%～23%。

（2）土壤的堆密度及干堆密度堆密度是指单位体积土壤的质量，用r表示，单位是kg/m³，即

式中 m——所取土壤的质量；

V——土壤的体积；

m_L——土壤中所含土粒的质量；

m_S——所含水分的质量。

不同种类的土壤堆密度不同，同种土壤的堆密度也因密实程度和含水量的不同而不同。堆密度大的一般比较密实，强度高，也难开挖。在天然含水量不大、中等密实的情况下，土的平均堆密度为：砂土和粘砂土1.6～1.8t/m³；砂粘土1.7～1.9t/m³；粘土1.8～2.0t/m³。

土壤的干堆密度是单位体积土壤中所含土颗粒的质量，即

式中 r_g——干堆密度。(www.daowen.com)

干堆密度是反映土壤密实程度的一个标志，路基或场地压实后用测定土的干堆密度来检查是否达到所要求的密实度。

（3）土壤的松散性土壤的松散性是指自然状态下的土壤经开挖后，原始土颗粒之间的连接和排列情况遭到破坏，其体积比原来体积增大的性质。松散性用松散系数K_S表示，即

式中 V_W——开挖后的土壤体积；

V₀——开挖前的土壤体积。

不同种类的土壤及不同的开挖方法有着不同的松散系数。Ⅰ～Ⅳ级土壤的松散系数见表3-6。

表3-6 土壤的松散系数（Ks）

注：初始松散系数是指土壤刚经挖散时的松散系数，残余松散系数是指土壤松散后又经过若干时间，在自然条件下有一定程度变实了的松散系数。

（4）土壤的自然静止角松散的土壤从一定高度落下积成土堆时，土壤的坡角称为自然静止角。自然静止角的大小，因土壤的种类、含水量多少及密实程度不同而不同。各种土壤的自然静止角见表3-7。在土方施工中，土壤的自然静止角主要影响工作装置的铲装系数，自然静止角越大，铲装系数越大，反之越小。

表3-7 土壤的自然静止角 （单位：°）

3.土壤的切削

土壤的切削是一个复杂的物理现象，了解机械作业过程中土壤切削的过程、切削阻力及影响切削阻力的因素，有助于正确合理地使用机械，改进作业方法，提高作业效率。

（1）土壤切削过程和阻力分析推土机作业时，是通过铲刀将土体从基土上剥离下来，并把它们移运一定的距离，这个过程叫土壤的切削。当铲刀的刀片切入土壤时，接触部分的土壤最初因受到挤压和剪切发生紧缩，当铲刀继续下移，压力超过土壤的抗剪强度时，基土的原始结构被破坏，土壤或土层被切离，其破坏情况与土壤的力学性质和物理性质有关。例如，切取干燥而坚硬的土壤时呈碎块状（见图3-54a），含水量适中的一般土壤切削呈层状（见图3-54b），含水量较大的粘性土壤切削呈刨片状（见图3-54c），而干燥松散的土壤切削呈堆状（见图3-54d）。这是楔形刀具进行切削土壤时的共同现象。显然，切削边在土壤中运动时要受到阻力。这个阻力来自三个方面，即土壤原始结构遭破坏时的阻力、土壤与土壤间的内摩擦力、土壤与铲刀的摩擦阻力。前两项之和称为切削阻力。由于这三项阻力往往同时存在，很难区别开来，通常把第三项阻力也包括在内。因此，切削阻力就是在切削过程中土壤作用在铲刀上的反作用力。

图3-54 土壤切削时的破坏情况

在实际计算中，将切削总阻力F分解成两个分力，如图3-55所示，一个是沿着铲刀切土时运动轨迹切线方向的分力F_e，这是土壤的切削和移动的阻力；另一个是沿铲刀运动轨迹法线方向的分力F_n，这是土壤阻止铲刀插入的阻力，即对推压的阻力。F_e是主要的，实际中常将F_e用下式表示

F_e=σ_tbh

图3-55 土壤切削受力情况

式中 σ_t——切削比阻力（Pa）；

h——切削深度；

b——切削宽度。

切削比阻力是单位断面面积土层的阻力，它综合地考虑了切削时土体的破坏、摩擦、铲装等阻力，通常由试验来确定。切削深度h值可根据在一定行程内铲土完毕且装满的条件下求出。Ⅰ～Ⅳ级土壤的切削比阻力的取值范围是：Ⅰ级0.1～0.3，Ⅱ级0.4～0.6，Ⅲ级0.7～1.3，Ⅳ级1.4～2.5。

铲刀切土的法向阻力F_n，一般用F_e的百分数表示，即

F_n=ψF_e

系数中的值由试验得出，在土质均匀、无石块杂物存在时，ψ=10%～15%。当铲刀刃变钝又在不均匀土壤中作业时，ψ的值增加0.5～1倍，甚至更大。

（2）影响切削的主要因素由于机械作业的条件复杂，影响土壤作业的因素很多，现就主要几项分述如下：

1）土壤的性质和状态。非粘性土壤的切削阻力比粘性土壤小；松散土壤的切削阻力比密实的土壤小。必要时应预先对较密实的土壤进行疏松等辅助作业，以便提高机械作业效率。土壤的含水量对切削阻力影响也较大，干硬的土壤比潮湿的土壤切削阻力大，因为含水量对土壤抗剪、抗压强度影响较大。砂性土的粘性随含水量的增加而增大，因而，切削阻力也略为增加。为此，应根据不同作业地区或地段的土壤湿度情况配以推运能力相当的机械。

2）工作装置几何尺寸。推土机铲刀平面角的大小，影响铲土断面的宽度，平面角增大，则切削阻力减小。但铲土角增大时，切削阻力也增大。因此，应根据土壤的变化情况，适时地调整铲刀的铲土角和平面角，以提高机械的铲切能力。

刀片的锋利程度，对切削阻力也有一定的影响，刀片越锋利阻力越小。因此，推土机使用中应注意刀片的磨损和破坏情况，在可能的情况下，应尽量使其保持锋利，以减小切削阻力。

3）作业工艺过程方面的因素。作业工艺过程方面的因素即切削断面大小、深度和速度的影响。切削宽度大，深度大，速度快时，则切削阻力也大。根据这些情况，推土机在施工作业时，应采取恰当的作业方法和作业速度，以克服切削阻力，提高作业效率。