工程地质与地基基础（蔡燕燕）第2章 土的物理性质及工程分类.ppt

第2章 土的物理性质及工程分类,2.1 土的生成与特性,2.1.1 土的生成 （1）物理风化 （2）化学风化 （3）生物风化,2.1.2 土的结构和构造 结构： 单粒结构：稳定性好。强度高 蜂窝结构：空隙大，颗粒较细 絮状结构：二级蜂窝结构。强度低，压缩性高 构造： 层状构造 分散构造 结核状构造 裂隙状构造,单粒结构,蜂窝结构,絮状结构,2.1.3 土的工程特性 压缩性高 强度低抗剪强度 透水性大 2.1.4 土的生成与工程特性的关系 搬运：流水搬运优于风力搬运 沉积：年代越长，工程性质越好 自然地理环境,2.2 土的三相组成,土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相体系。 固体+气体（液体=0）：干土 固体+液体+气体：湿土 固体+液体（气体=0）：饱和土,2.2.1 土的固体颗粒土粒及土的颗粒级配 岩石的风化作用形成土 风化剥蚀搬运沉积 （一）土的矿物成分 1、土的矿物成分主要取决于母岩的成分及其经受的风化作用。 2、土的固体颗粒物质分为无机矿物颗粒和有机质。 原生矿物：即岩浆在冷凝过程中形成的矿物。 次生矿物：原生矿物经风化，与周围环境相互作用后形成的 矿物。,（二）土的颗粒级配 土的颗粒大小与土的性质密切相关，随着土粒粒径的变化,土的性质也会发生相应的变化（无粘性土【大】 粘性土【小】 ） 将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干粒组，各个粒组随着分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。 我们以200、60、2、0.075、0.005mm为界限粒径，把土颗粒分为6个粒组:漂石块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾(角砾)颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。这些界限粒径是以同一粒组的土粒具有相类似的性质来确定的。土中某个粒组的相对含量较高，该粒组就对土的性质起主导作用，因此，有必要研究粒组的相对含量。,土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量(各粒组占土粒总量的百分数)来表示，称为土的颗粒级配。 土的颗粒分析试验： 目的测定各个粒组的相对含量 粒径分析法筛分法 d0.075mm 比重计法 d0.075mm 或 移液管法 颗粒级配曲线（半对数坐标） 曲线的坡度（判断颗粒的均匀程度） 陡均匀 平缓不均匀 问题：什么是粒径均匀和不均匀？级配良好与不良好？,土的颗粒级配曲线,利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标， 不均匀系数Cu： d60限定粒径 d10有效粒径 曲率系数Cc Cu10 不均匀 级配良好 级配良好的土，同时满足Cu5且Cc=13，其密度、强度、稳定性较好，透水性较低，对于堤坝、填方、垫层、路基是较好的材料。,2.2.2 土中水 土中水可以处于液态、固态或气态。 存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类： 结合水土粒表面有电分子引力吸附的土中水； 自由水土粒电场影响范围以外的水（能传递静水压力） 强结合水（弹性、粘性） 结合水 弱结合水（可塑性） 重力水（存在于地下水位下的透水层中） 自由水 毛细水（存在于地下水位上的透水层中）,毛细水上升高度：与毛细管半径成反比 毛细压力 冻胀融陷 措施：避开冻结区域,2.2.3 土中气 土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。 封闭的气泡（增大土的弹性和压缩性，降低透水性）； 自由气体，与大气相通的，对土性影响不大。 2.2.4 土的构造 在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征称为土的构造，土的构造最主要特征就是成层性即层理构造。土的构造的另一特征是土的裂隙性。 1层状构造：物质成分、颗粒大小不同的交错层理构造。 2分散构造：各部分的土粒无明显差别，分布均匀。 3裂隙构造：裂隙破坏土的整体性，增大透水性，造成土体不均匀。 4结核状构造：细粒土中混有粗颗粒或各种结核,2.3 土的物理性质指标,土的三相比例指标：土粒比重、含水量、密度、干密度、饱和密度、有效密度、孔隙率、孔隙比、饱和度。,1 、土的密度和重度 m / V（g/c3） = w / V =g（kN/m3） 测试方法：环刀法，灌水法 2、土的含水量标志土的湿度 Mw：水的质量 Ms：固体颗粒质量 测试方法：烘干法 天然状态下, 同一类粘性土，含水量越高, 力学性质越差。,3 、土粒比重（土粒的相对密度）Gs 取决于矿物成分 土粒的密度与同体积4C的水的密度比值 Gs= 测试方法：比重瓶法，经验值法 土粒相对密度参考表,=,4 、干土密度d和干土重度d 简称：土的干密度、干重度 dms/v (g/cm3) 单位体积土粒的质量 评定土体的紧密(密实)程度的标准（控制填土的质量） d=dg (kN/m3) 5、土的饱和密度sat、饱和重度sat及浮重度 sat指土孔隙中充满水时，单位体积土的质量。 浮重度又称有效重度 ,地下水位下土受到水浮力的作用，重力扣浮力（认为孔隙充满水） = sat - 10,6、土的孔隙比e和孔隙率n 反映土的密实程度 n - 土中孔隙体积与土总体积之比的百分率; e - 土中孔隙体积与土颗粒体积之比。 7、土的饱和度Sr反映水填充土孔隙的程度 土中水的体积与孔隙体积之比为土的饱和度。 即能反映土被水充满程度的物理指标。,8、三相比例指标换算 确定三相草图上各量的大小，按指标定义确定换算公式 设土的固体颗粒体积Vs1 则 由基本指标、Gs、（试验确定）推 其他指标 (根据已知参数选择合适的换算公式，求其余参数。),例题,在某住宅地基勘察中，已知一个钻孔原状土试样结果为：土的密度=1.80g/cm3、土粒比重Gs=2.70、土的含水率=18.0%，求其余五个物理性质指标。,2.4 土的物理状态指标,2.4.1 无粘性土的密实度 与土的工程性质有关,呈密实状态时，强度较大，可作为良好的天然地基，呈松散状态时，则是不良地基。 1、砂土的密实度 e越大，土越松散 土的基本物理性质指标中，孔隙比e 的定义就是表示土中孔隙的大小。e 大，表示土中孔隙大，则土疏松；反之，土为密实。因此，可以用孔隙比的大小来衡量土的密实性,方法评价： 优点：用一个指标e 即可判别砂土的密实度，应用方便简捷。 缺点：由于颗粒的形状和级配对孔隙比有极大的影响，而只用一个指标e 无法反映土的粒径级配的因素。例如，对两种级配不同的砂，采用孔隙比e 来评判其密实度，其结果是颗粒均匀的密砂的孔隙比大于级配良好的松砂的孔隙比，结果密砂的密实度小于松砂的密实度，与实际不符。 为了考虑颗粒级配对判别密实度的影响，引入相对密实度的概念，即用天然孔隙比e与该土的最松状态孔隙比emax和最密实状态孔隙比emin进行对比，来判别它的密实度 可用相对密实度Dr来表示砂土的密实度。,砂土的密实状态按如下划分 方法评价： 优点：把土的级配因素考虑在内，理论上较为完善。 缺点：e，emax，emax都难以准确测定。目前主要应用于Dr填方质量的控制，对于天然土尚难应用 emax：量筒法 emin：振动锤击法,砂土难取得原状土，故天然孔隙比e难获得，emax、emin因仪器不标准也难以确定，故我国岩土工程勘查规范（GB5002194）按标准贯入试验锤击数N63.5划分砂土的密实度。N 的大小，综合反映了土的贯入阻力的大小，亦即密实度的大小。规定砂土的密实度按下列标准惯入锤击数进行划分 2、碎石土的密实度 此类土可在现场观察，进行野外鉴别， 分为三类：密实、中密和稍密。,10,15,30,松散,稍密,中密,密实,2.4.2 粘性土的塑性指数和液性指数 （粘性土的物理状态指标） 粘性土具有可塑性质的土，含水量对粘性土的工程性质有极大的影响。粘性土由于其含水量的不同，而分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态 一、粘性土的塑限和液限 界限含水量：粘性土状态变更的界限值（分界含水量）。 粘性土颗粒细受影响大。,界限含水量的意义及测定办法。 常用测定方法： 塑限P搓条法 液限L锥式液限仪 还有其它土工试验方法测定L 联合测定法:对应圆锥入土 深度为10mm及2mm时土的 含水量分别为土的液限L和 塑限P 。,二、粘性土的塑性指数IP 塑性指数是指液限和塑限的差值(省去符号)，即土处在可塑状态的含水量变化范围。 IP大小主要与粘粒（0.005的土粒）含量有关，也与土 中结合水的可能含量有关。 粘粒多土粒比表面大结合水含量高IP大 IP反映土的塑性大小，即土在可塑状态含水量范围的 大小，可用来对粘性土分类。,二、粘性土的液性指数Il 液性指数是指粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。 用液性指数可表示粘性土的软硬状态,四、粘性土的灵敏度 土的结构性：受到外力扰动作用，土体结构破坏， 土的强度降低。 用灵敏度St来衡量粘性土结构性对强度的影响。 qu，qu 分别为原状土和重塑土试样的无侧限抗压强度（kPa)。 根据灵敏度将粘性土类。 土的触变性 结构受破坏，强度降低以后的土，若静置不动，则土颗粒和水分子及离子会重新组合排列，形成新的结构，强度又得到一定程度的恢复。这种含水量和密度不变，土因重塑而软化，又因静置而逐渐硬化，强度有所恢复的性质，称为土的触变性。,五、粘性土的活动度 A 土的活动度是用土的活性指数A以衡量土中粘性矿物吸附结合水的能力。粘性土的塑性指数与土中胶粒含量百分数的比值称为活动度A，即： 式中，I p粘性土的塑性指数； P0.002粒径d0.002mm 颗粒的重量占土总重量的百分比。 非活性粘土中的矿物成分以高岭石等吸水能力较差的矿物为主，而活性粘土的矿物成分则以吸水能力很强的蒙脱石等矿物为主。,2.5 地基土（岩）的工程分类,分类作用：根据分类名称可以大致判断土(岩)的工程特性、评价土(岩)作为建筑材料的适宜性以及结合其他指标来确定地基的承载力 根据定名及其土的状态分类： 分为：岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土、特殊土等,一、岩石_岩体（强度最高） 定义：岩石是颗粒间牢固联结，呈整体或具有节理裂隙的岩体 岩浆岩 微风化 按成因可分 沉积岩 按风化程度分 中风化 变质岩 强风化 硬质岩石 按坚固性分 软质岩石,岩石坚硬程度的定性划分,岩石风化程度的划分,二、碎石土 d 2mm的颗粒含量超全重的50的土。 又分为六种：漂石、块石、卵石、碎石、圆砾、角砾。 颗粒形状以圆形及亚圆形为主的土，由大至小分为漂石、卵石、圆砾3 种；颗粒形状以棱角形为主的土，相应分为块石、碎石、角砾3 种 定名时应按含量由大到小最先符合者确定。,碎石土的密实度,碎石土密实度野外鉴别方法,碎石土的工程性质： 常见的碎石土，强度大，压缩性小，渗透性大，为优良地基。其中密实碎石土为优等地基；中密实碎石土为优良地基；稍密碎石土为良好地基 三、砂土 d 2mm 颗粒含量不超全重50，且 d 0.075mm 的颗粒含量超全重50的土 根据粒组含量分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂五种。 定名时应按含量由大到小最先符合者确定 工程性质： 密实与中密状态的砾砂、粗砂、中砂为优良地基；稍密状态的砾砂、粗砂、中砂为良好地基。 粉砂与细砂要具体分析：密实状态时为良好地基；饱和疏松状态时为不良地基。,【例题】某住宅进行工程地质堪察时，取回一个砂土试样。经筛选试验，得到各粒组含量百分比，如图所示，试定砂土名称。,解：按表1.28 分类标准，可得： （1）粒径d2mm 含量占30，在2550之间，可定为砾砂； （2）粒径d0.5mm 含量占5650，可定为粗砂； （3）粒径d0.25mm 含量占7050，可定为中砂； （4）粒径d0.075mm 含量占8685，可定为细砂； （5）砂土粒径d0.075mm 含量占8650，可定为粉砂。 根据粒径分组含量由大到小以最先符合者确定的规定，该砂土应定名为砾砂。,四、粉土 d 0.075mm 的颗粒含量不超全重50，且 IP10 的土， 工程性质介于粘性土和砂土之间。 粉土的密实度与天然孔隙比e有关： e1.0 处于松散状态，强度较低，是较差的地基 粉土在饱水状态下易于散化与结构软化，强度降低，压缩性增大 砂质粉土（小于0.005mm的颗粒含量不超过50） 根据颗粒 级配分 粘质粉土（小于0.005mm的颗粒含量超过50）,粉土的工程性质：粉土的性质介于砂土与粘性土之间。它既不具有砂土透水性大、容易排水固结、抗剪强度较高的优点，又不具有粘性土防水性能好、不易被水冲蚀流失、具有较大粘聚力的优点。在许多工程问题上，表现出较差的性质，如受振动容易液化、冻胀性大等等。因此，在新的规范中，将其单列一类，以便于进一步研究。密实的粉土为良好地基。饱和稍密的粉土，地震时易产生液化，为不良地基 五、粘性土 1、塑性指数IP10的土，分类：按塑性指数的大小分为粘土和粉质粘土。10I p17 为粉质粘土；I p 17 粘土。工程性质：粘性土的工程性质与其含水量大小密切相关。密实硬塑的粘性土为优良地基；疏松流塑状态的粘性土为软弱地基。 2、按沉积年代分 l 老粘土工程性质较好，强度高，压塑性低(结合当地经验) l 一般粘性土分布最广，工程性质变化大，其力学性质在各类土中属中等。 l新近沉积粘性土欠固结，强度较低。,六、人工填土 定义：人工填土是指由于人类活动而形成的堆积物。其成分复杂，均匀性差 按人工填土的堆积年代分为：老填土和新填土。 老填土：凡粘性土填筑时间超过10 年，粉土填筑时间超过5 年的称为老填土。 新填土：粘性土填筑时间小于10 年，粉土填筑时间少于5 年的称为新填土。 按人工填土的组成物质和堆积年代进行分类定名,七、特殊土 具有一定分布区域，或工程意义上具有特殊成分、状态和结构特征的土。 1、软土 主要由细粒土组成，透水性差，压缩性高，强度低，灵敏度高、结构性强的土层。 淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉土 粘性土的有机质含量5%时为有机质土，60时为泥碳 天然含水量 的粘性土，且 e1.5 淤泥 1.0e1.5 淤泥质土,2、红粘土 碳酸盐系的岩石经第四纪以来的红土化作用，形成并覆盖 于基岩上，呈棕红、褐黄等色的高塑性粘土。液限wl 50%，塑性指数I p =3050，e =1.11.7，Sr0.85。 液限wl 45%的土为次生红粘土。红粘土的工程性质：强度高压缩性低，土质上硬下软，具有明显胀缩性，裂隙发育。 3、湿陷性黄土 浸水后产生附加沉降，其湿陷系数大于等于0.015 的土，含大量碳酸盐、常能以肉眼观察到大孔隙的黄色粉状土。 自重湿陷性黄土 非自重湿陷性黄土 4、膨胀土 土中粘粒成分主要由亲水矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性，其自由膨胀率大于或等于40的粘性土。通常强度较高，压缩性较低，易被误以为良好的地基。,补充： 土的压实原理,填土压实的目的：提高强度，减少沉降量，降低透水性通常用分层压实的办法来处理地基 土的压实原理 土的击实性是指土在反复冲击荷载作用下能被压密的特性。土料压实的实质是将水包裹的土料挤压填充到土粒间的空隙里，排走空气占有的空间，使土料的空隙率减少，密实度提高。显然，土料压实过程就是在外力作用下土料的三相重新组合的过程。显然，同一种土，干密度愈大，孔隙比越小，土越密实。,一、击实试验 击实试验研究土的压实性是通过在实验室或现场进行击实试验，以获得土的最大干密度与对应的最优含水量的关系。 最优含水量：在一定的压实功能下使土最容易压实，并能达到最大密实度时的含水量 击实试验方法如下： 将某一土样分成67 份，每份和以不同的水量，得到不同含水量的土样。将每份土样装入击实仪内，用完全相同的方法加以击实。击实后，测出压实土的含水量和干密度。以含水量为横坐标，干密度为纵坐标，绘制一条含水量与干密度曲线（w d ），即击实曲线。,另一方面，从理论上说，在某一含水量下将土压到最密，就是将土中所有的气体都从孔隙中赶走，使土达到饱和。将不同含水量所对应的土体达到饱和状态时的干密度关系，也绘制于击实曲线图中，得到理论上所达到的最大压实曲线，即图中 含水量与干密度关系曲线饱和度为Sr = 100%的压实曲线，称为饱和曲线。显然，击实曲线具有如下一些特点： （1） 峰值。土的干密度与含水量的关系（击实曲线）出现干密度峰值dmax，对应该峰值的含水量为最优含水量； （2） 饱和曲线是一条随含水量增大，干密度下降的曲线。实际的击实曲线在饱和曲线的左侧，两条曲线不会相交； （3） 击实曲线位于理论饱和曲线左侧。因为理论饱和曲线假定土中空气全部被排除，空隙完全被水占据，而实际上不可能做到； （4） 击实曲线的形态。击实曲线在峰值以右逐渐接近于饱和曲线，且大致与饱和曲线平行；在峰值以左，击实曲线和饱和曲线差别很大，随着含水量的减小，干密度迅速减小。,二、影响击实效果的因素 最重要因素：含水量、击实功能和土的性质。 1、含水量 的影响 含水量不同会对土颗粒间的作用力产生影响，改变击实效果。 试验统计证明：最优含水量wop与土的塑限wp 有关，大致为wop = wp + 2。 土中的粘土矿物含量大，则最优含水量愈大 2、击实功能的影响 夯击的击实功能与夯锤的重量、落高、夯击次数以及被夯击土的厚度等有关； 碾压的压实功能则与碾压机具的重量、接触面积、碾压遍数以及土层的厚度等有关,击实试验中的压实功能用下式表示： 式中，W击锤质量（kg），在标准击实试验中击锤质量为2.5kg； d落距（m），击实试验中定为0.30m； N每层土的击实次数，标准试验为27 击； n铺土层数，试验中分3 层； V击实筒的体积，为110-3m3。 最大干密度的位置随着击实功能的 增大而增大 当击实功能增大时，最优含水量 减小，相应的最大干密度增大。,3、不同土类和级配的影响 土的颗粒级配、颗粒粗细、矿物成分和添加的材料等因素对击实效果有影响