大地工程原理 第五章 土壤分類

土壤分類 5.1 概述 5.2 組織分類 5.3 工程行為分類 5.4 AASHTO 分類系統 5.5 統一土壤分類系統 5.6 AASHTO 與統一土壤分類系統之比較 5.7 總結 第五章 土壤分類 第127頁

5.1 概述 一般而言，過去所發展之土壤分類系統大約可分成兩個主要類別： 5.1　概述 一般而言，過去所發展之土壤分類系統大約可分成兩個主要類別： 1. 土壤組織分類，根據粒徑分布；土壤內砂土、粉土與黏土尺寸材料所占之百分比。本章將討論美國農業部（USDA）所發展之土壤組織分類系統。 第五章 土壤分類 第128頁

5.1　概述 2. 另一個主要類別則是根據土壤之工程行為，考慮土壤粒徑分布及塑性（也就是液性限度與塑性限度）。在此類別下有兩種現在廣為使用之分類系統： a. 美國州高速公路與交通主管協會（AASHTO）分類系統，以及 b. 統一土壤分類系統（USCS）。 本章將針對如何使用上述兩種系統做土壤分類提供詳細之討論。 第五章 土壤分類 第128頁

5.2 組織分類 一般而言，土壤組織（texture）是指土壤表面之外觀。土壤組織受其中顆粒大小之影響。 5.2　組織分類 一般而言，土壤組織（texture）是指土壤表面之外觀。土壤組織受其中顆粒大小之影響。 圖5.1 顯示美國農業部所發展之組織分類系統 砂土尺寸（sand size）：直徑2.0 mm 到0.05mm。 粉土尺寸（silt size）：直徑0.05 mm 到0.002mm。 黏土尺寸（clay size）：直徑小於0.002 mm。 第五章 土壤分類 第128-129頁

5.2 組織分類 第五章 土壤分類 第129頁 圖5.1 圖5.1 美國農業部所發展之組織分類系統 黏土 黏 土 百 分 比 粉 土 百 分 5.2　組織分類 黏土 黏 土 百 分 比 粉 土 百 分 比 粉質 黏土 砂質 黏土 粉質 黏壤土 黏性壤土 土壤 砂質 黏壤土 壤土 粉質壤土 壤土 　砂質 砂質壤土 粉土 砂土 砂土百分比 圖5.1 美國農業部所發展之組織分類系統 第五章 土壤分類 第129頁 圖5.1

例題 5.1 使用USDA 組織分類系統為以下土壤做分類。 第五章 土壤分類 第130頁

例題 5.1－解 步驟1：計算修正後礫石、砂土、粉土和黏土之百分比如下： 第五章 土壤分類 第130頁

例題 5.1－解 據此得到下表︰ 第五章 土壤分類 第130頁

例題 5.1－解 步驟2：根據修正之土壤顆粒組合，參考圖5.1 決定此土壤屬於哪一個分類區域。結果如下表： 第五章 土壤分類 第131頁

5.3　工程行為分類 當今有兩種土壤工程師常用，而且比較複雜之分類系統，這兩種系統都同時考慮粒徑分布與阿太堡限度，分別是美國州高速公路與交通主管協會（AASHTO）分類系統與統一土壤分類系統（USCS）。 第五章 土壤分類 第131頁

5.4　AASHTO 分類系統 AASHTO 分類系統於1929 年發表，當時稱之為公共道路管理分類系統（Public Road Administration classification system）。 第五章 土壤分類 第131頁

5.4 AASHTO 分類系統 此系統是根據以下之規範來做分類： 顆粒尺寸 礫石：通過開孔75 mm 的篩，而停留在美國標準10 號 篩（篩孔2 mm）之部分。 砂土：通過美國標準10 號篩（篩孔2 mm），而停留在 美國標準200 號篩（篩孔0.075 mm）之部分。 粉土與黏土：通過美國標準200 號篩之部分。 塑性：當土壤細料部分之塑性指數在10 或更低時， 稱此土壤為粉質（silty）；當細料部分之塑性指數在 11 或更高時，稱此土壤為黏土質（clayey）。 做土壤分類時不考慮卵石（cobbles）或巨石 （boulders）（尺寸大於75mm）。但是若有，則必 須記錄其含量的百分比。 第五章 土壤分類 第132-133頁

5.4　AASHTO 分類系統 第五章 土壤分類 第132頁 表5.1

5.4　AASHTO 分類系統 第五章 土壤分類 第132頁 表5.1（續）

5.4　AASHTO 分類系統 如果要評估一土壤做為公路路基材料之優劣性，除了本土壤之類別與次類別外，尚須考慮一個數字稱為類別指數（group index, GI）。此一指數是寫在類別或次類別編號後方之括號中。 第五章 土壤分類 第133頁

5.4 AASHTO 分類系統 類別指數用以下公式來計算： 其中F200 ＝通過200號篩之百分比 LL＝液性限度 (5.1) PI＝塑性限度 (5.1) 第五章 土壤分類 第133-134頁

5.4 AASHTO 分類系統 塑性 指 數 液性限度 圖5.2 A-2、A-4、A-5、A-6 及A-7 土壤類別之液性限度與塑性指數範圍 第五章 土壤分類 第133頁 圖5.2

例題 5.2 一土壤粒徑分布分析結果如下： 通過40 號篩土壤之液性限度與塑性指數分別是25 和20。使用AASHTO系統為此土壤做分類。 例題 5.2 一土壤粒徑分布分析結果如下： 通過10 號篩之百分比= 42 通過40 號篩之百分比= 35 通過200 號篩之百分比= 20 通過40 號篩土壤之液性限度與塑性指數分別是25 和20。使用AASHTO系統為此土壤做分類。 第五章 土壤分類 第134頁

例題 5.2－解 因為通過200 號篩之土壤是20%（也就是少於35%），這是一顆粒性土壤。所以此土壤可以是A-1、A-2 或A-3。參考表5.1，從左至右來做選擇，此土壤符合A-1-b 之分類（參見下表）。 此土壤之類別指數是0，所以其分類是A-1-b(0)。 第五章 土壤分類 第134-135頁

例題 5.3 一土壤的95% 通過200 號篩，其液性限度為60，塑性指數為40。使用AASHTO 系統分類此土壤。 例題 5.3 一土壤的95% 通過200 號篩，其液性限度為60，塑性指數為40。使用AASHTO 系統分類此土壤。 第五章 土壤分類 第135頁

例題 5.3－解 此土壤95%（也就是  36%）通過200 號篩。所以它是粉質黏土材料。現在參考表5.1。從左至右來做選擇，此土壤符合A-7-6 之分類（參見下表）。 第五章 土壤分類 第135頁

例題 5.3－解 所以，此土壤分類為A-7-6(42)。 第五章 土壤分類 第135頁

5.5　統一土壤分類系統 原本的統一土壤分類系統是1942 年第二次世界大戰期間，由Casagrande所提出。當時最主要的用途是在美國陸軍工兵署機場興建工程中使用。1952年，美國陸軍工兵署與美國墾務局合作將此一系統修改。如今，統一土壤分類系統（ASTM 標準序號D-2487）在工程界被廣泛地使用。統一土壤分類系統詳列於表5.2。 第五章 土壤分類 第136頁

5.5　統一土壤分類系統 第五章 土壤分類 第136頁 表5.2

5.5 統一土壤分類系統 U-線 PI = 0.9(LL – 8) 或 A-線 PI = 0.73(LL – 20) 塑性 指 數 或 或 5.5　統一土壤分類系統 或 U-線 PI = 0.9(LL – 8) 塑性 指 數 A-線 PI = 0.73(LL – 20) 或 或 或 液性限度 圖5.3 塑性圖 第五章 土壤分類 第137頁 圖5.3

5.5 統一土壤分類系統 根據統一土壤分類，土壤分為兩大類： 5.5　統一土壤分類系統 根據統一土壤分類，土壤分為兩大類： 粗顆粒（coarse-grained） 土壤有礫石與砂土之特性且通過200 號篩之比例低於50%。此類土壤之分類符號以G 或S 開頭。G 代表礫石或礫石性土壤，S 代表砂土或砂質土壤。 細顆粒（fine-grained） 土壤中通過200 號篩之比例高於50%。此類土壤之分類符號可用M 開頭，代表無機粉土（inorganic silt），C 代表無機黏土（inorganic clay），O 代表有機粉土和黏土。泥炭土（peat）、腐殖土（muck）和其他高度有機之土壤則以Pt 來代表。 第五章 土壤分類 第137頁

5.5 統一土壤分類系統 分類系統中所使用之其他符號包括： W ── 優良級配。 P ── 不良級配。 5.5　統一土壤分類系統 分類系統中所使用之其他符號包括： W ── 優良級配。 P ── 不良級配。 L ── 低塑性（液性限度低於50）。 H ── 高塑性（液性限度高於50）。 第五章 土壤分類 第137頁

5.5 統一土壤分類系統 若要正確地使用此一系統，必須知道以下訊息之部分或全部： 5.5　統一土壤分類系統 若要正確地使用此一系統，必須知道以下訊息之部分或全部： 礫石含量百分比── 也就是通過76.2 mm 篩孔停留在4 號篩（篩孔4.75 mm）材料之百分比。 砂土含量百分比── 也就是通過4 號篩（篩孔4.75 mm）停留在200號篩（篩孔0.075 mm）材料之百分比。 粉土與黏土含量百分比── 也就是通過200 號篩（篩孔0.075 mm）材料之百分比。 均勻係數（Cu）與曲率係數（Cc）。 通過40 號篩土壤之液性限度與塑性指數。 第五章 土壤分類 第137-138頁

5.5　統一土壤分類系統 礫石性土壤之分類符號有GW、GP、GM、GC、GC-GM、GW-GM、GW-GC、GP-GM 及GP-GC；而細顆粒土壤之分類符號有CL、ML、OL、CH、MH、OH、CL-ML 及Pt。 第五章 土壤分類 第138頁

5.5　統一土壤分類系統 近來，ASTM 標準序號D-2487 訂出一套詳細的系統，來為土壤指定其分類名稱。這些名稱展示於圖5.4、5.5 及5.6。在使用這些圖表時必須切記，土壤中， 細顆粒材料部分= 通過200 號篩材料之百分比。 粗顆粒材料部分= 停留在200 號上篩材料之百分比。 礫石粒材料部分= 停留在4 號上篩材料之百分比。 砂土粒材料部分=（停留在200 號篩上材料之百分比） （停留在4 號篩上材料之百分比）。 第五章 土壤分類 第138-141頁

5.5　統一土壤分類系統 第五章 土壤分類 第138頁 圖5.4

5.5　統一土壤分類系統 第五章 土壤分類 第139頁 圖5.5

5.5　統一土壤分類系統 第五章 土壤分類 第140頁 圖5.6

例題 5.4 一土壤之粒徑分析結果如下： 通過10 號篩之百分比= 100 通過40 號篩之百分比= 80 通過200 號篩之百分比= 58 通過40 號篩部分土壤之液性限度與塑性指數分分別是30 和10。使用統一土壤分類系統做此土壤之分類。 第五章 土壤分類 第141頁

例題 5.4－解 參考表5.2。因為58% 通過200 號篩，這是細顆粒土壤。使用圖5.3之塑性圖，LL = 30，而PI = 10，它可分類（分類符號）為CL。 為了要決定分類名稱，我們使用圖5.5 與5.7，而圖5.7 是擷取自圖5.5。通過200 號篩之材料多於30%。礫石百分比= 0；砂土百分比= (100  58)  (0) = 42。所以，砂土百分比> 礫石百分比。同時礫石百分比少於15%。所以分類名稱是砂質貧級配黏土。 第五章 土壤分類 第141頁

例題 5.4－解 R200 < 30% R200  30% R200 < 15% 15% < R200 < 29% 貧級配（lean）黏土 %砂土  %礫石 %砂土< %礫石 含砂土之貧級配黏土 含礫石之貧級配黏土 礫石< 15% 礫石  15% 砂土< 15% 砂土 15% 砂質貧級配黏土 含礫石之砂質 貧級配黏土 礫石性貧級配黏土 含砂土之礫石性 CL 圖5.7 決定例題5.4 土壤之分類名稱 第五章 土壤分類 第141頁 圖5.7

例題 5.5 一土壤之已知資料如下： 使用統一土壤分類系統為此土壤做分類。提供分類符號與名稱。 通過4 號篩之百分比= 70 通過200 號篩之百分比= 30 液性限度= 33 塑性限度= 12 使用統一土壤分類系統為此土壤做分類。提供分類符號與名稱。 第五章 土壤分類 第142頁

例題 5.5－解 參考表5.2。通過200 號篩之比例為30%，低於50%。所以此土壤是粗顆粒性。 粗顆粒比例= 100  30 = 70% 礫石含量之百分比 = 停留在4 號篩之比例 = 100  70 = 30% 第五章 土壤分類 第142頁

例題 5.5－解 所以，超過50% 之粗顆粒通過4 號篩，所以它是砂性土壤。通過200 號篩之比例大於12%，所以本土壤屬於SM 或SC。對此土壤而言，其PI = 33  12 = 21（大於7）。而LL = 33 及PI = 21 將落在圖5.3 中之A-線以上，所以本土壤之分類符號應該是SC。 第五章 土壤分類 第142頁

例題 5.5－解 至於分類名稱，請參考圖5.4 及5.8（擷取自圖5.4）。因為礫石所占百分比大於15%，所以分類名稱是含礫石之黏土質砂土。 礫石 < 15% 礫石  15% 黏土質砂土 含礫石之黏土質砂土 SC 圖5.8 決定例題5.5 土壤之分類名稱 第五章 土壤分類 第142頁 圖5.8

例題 5.6 圖5.9 顯示兩種土壤之粒徑分布曲線。土壤通過40 號篩部分之液性與塑性限度如下： 決定統一土壤分類系統中這些土壤之分類符號與分類名稱。 第五章 土壤分類 第142-143頁

例題 5.6 200號篩 比 它 細 小 土壤A 的 百 分 土壤B 粒徑（mm）── 對數比例 圖5.9 兩種土壤之粒徑分布曲線 圖5.9 兩種土壤之粒徑分布曲線 第五章 土壤分類 第143頁 圖5.9

例題 5.6－解 土壤A 粒徑分布曲線（圖5.9）顯示通過200 號篩之部分是8%。根據表5.2，此土壤是粗顆粒土壤。同時從圖5.9 看出停留在4 號篩之部分是0%。所以，此土壤是砂土。 第五章 土壤分類 第143頁

例題 5.6－解 土壤A 根據圖5.9，D10 = 0.085 mm，D30 = 0.12 mm，D60 = 0.135 mm。所以， 當LL = 30，而PI = 30  22 = 8（大於7），落在圖5.3 中A-線上方，所以此土壤的分類符號是SP-SC。 第五章 土壤分類 第143頁

例題 5.6－解 土壤A 我們使用圖5.4 及5.10 來決定本土壤之分類名稱。 礫石含量百分比 = 0（< 15%） 所以，此土壤之分類名稱為不良級配，含黏土之砂土。 礫石 < 15% 礫石  15% 不良級配，含黏土之砂土 不良級配，含黏土與礫石之砂土 SP-SC 圖5.10 決定例題5.6 土壤A 之分類名稱 第五章 土壤分類 第144頁 圖5.10

例題 5.6－解 土壤B 粒徑分布曲線（圖5.9）顯示，通過200 號篩之部分是61%（> 50%）；所以此土壤是細顆粒土壤。已知LL = 26，而PI = 26  20 = 6。在圖5.3中， PI 落在灰色區域。所以根據表5.2 此土壤的分類符號是CL-ML。 第五章 土壤分類 第144頁

例題 5.6－解 土壤B 為決定分類名稱（假設土壤是無機），我們使用圖5.5，得到大於200號篩孔材料之百分比= 100  61 = 39（大於30）。 礫石百分比= 0；砂土百分比= 100  61 = 39 因為砂土百分比大於礫石百分比，所以本土壤為砂質粉質黏土，如圖5.11所示。 第五章 土壤分類 第144頁

例題 5.6－解 土壤B R200 < 30% R200  30% R200 < 15% 粉質黏土 %砂土  %礫石 %砂土< %礫石 含砂土之粉質黏土 含礫石之粉質黏土 礫石< 15% 礫石  15% 砂土< 15% 砂土 15% 砂質粉質黏土 含礫石之砂質 礫石性粉質黏土 含砂土之礫石性 CL-ML 圖5.11 決定例題5.6 土壤B 之分類名稱 第五章 土壤分類 第144頁 圖5.11

5.6 AASHTO 與統一土壤分類系統之比較 AASHTO 與統一分類系統，兩者均根據土壤的組織和塑性。同時，兩者都以200 號篩為界將土壤分成兩大類（粗顆粒與細顆粒）。 統一土壤分類系統中使用OL、OH、Pt 為有機土壤分類。在AASHTO 系統中則完全沒有提到有機土壤。 第五章 土壤分類 第145頁

5.7 總結 第五章 土壤分類 第146頁 圖5.12

5.7 總結 第五章 土壤分類 第146頁 表5.3

5.7 總結 第五章 土壤分類 第147頁 表5.4

5.7 總結 第五章 土壤分類 第147頁 表5.5