纪沉积土及其工程地质特性.ppt

楼歪歪,楼脆脆,8层55m, 直径(底部)16m 偏离中心5.27m 倾斜5.5度 修建时间: 11731350,采用地基应力解除法 从另一侧掏土，使北 侧地基高度下降,从地基下掏土,加拿大Transcona 谷仓，建于1913年。高31m，宽23m。地基破坏后，西侧下陷 8.8m ，东侧抬高 1.5m ，倾斜 27度 。后用388个50T千斤顶纠正，但位置较原先下降 4m 。,苏州虎丘塔,建于公元959961年期间，7级8角形砖塔，塔底直径13.66m，高47.5m。塔顶1957年位移 1.7m ，1978年 2.3m 。重心偏 离基础轴线 0.924m 。,1981-1987年采用地下围桩、钻孔注浆、壳体基础及地基防水、塔墩砖砌体补换等综合治理措施，成功地解决了塔基不均匀沉降等一系列难题，使其倾斜之势得到有效的控制。,成都国际金融中心基坑工程,823m,万丈高楼平地起,上天容易入地难,打牢根基是关键,武汉地质条件复杂，有粘土、粉土、粉细砂、卵石，还有岩层。上软下硬的地层，是隧道挖掘的“大敌”。 隧道两岸大部分为粉细砂地层，一旦透水，后果不堪设想。,大坝,道路,土乃万物之基,边坡,地铁、隧道,桥梁,建筑,孙 秀 丽 ,第四章 第四纪沉积土及其工程地质特征,土,固相,液相,气相,颗粒的大小,矿物组成,结构和构造,土体,工程特性,力学特性,？,物理特性,4.1 土的组成及其结构与构造,一、土的固相,土粒的大小、相关矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响,1.土的颗粒级配,工程上将各种不同的土粒按其粒径范围，划分为若干粒组，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（即各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配,试验方法,筛分法：适用于0.075mmd60mm,比重计法:适用于d0.075mm,筛分法,用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，然后计算其占总土粒质量的百分数,利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量,比重计法,颗粒粒径级配曲线,纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标）,Cu=,颗粒级配的描述,工程上常用不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度,Cu愈大，表示土粒愈不均匀。工程上把Cu5的土视为级配不良的土； Cu10的土视为级配良好的土,曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况,对于砾类土或砂类土，同时满足Cu5和Cc=13时，定名为良好级配砂或良好级配砾,2.土粒的矿物成分,矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用,原生矿物：由岩石经过物理风化形成，其矿物成分与母岩相同,次生矿物：岩石经化学风化后所形成的新的矿物，其成分与母岩不相同,例：石英、云母、长石等,特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点,例：粘土矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石等,特征：性质较不稳定，具有较强的亲水性，遇水易膨胀的特点,二、土中的水,土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水,1.结合水,强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体,弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱,2.自由水,存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0，有溶解能力,以两种形式存在：毛细水、重力水,三、土中气体,土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体,1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大,2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时,四、土的结构,在成土过程中所形成的土粒的空间排列及其联结形式，与组成土的颗粒大小、颗粒形状、矿物成分和沉积条件有关,1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态,粗粒土：单粒结构,力学特性：土粒相互支撑，内摩擦力大，受压时土体积变化较小，透水性强，孔隙水易排出,工程特性：建筑物结构封顶，地基沉降即告完成，在静载作用下不必担心强度和变形问题,2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构,3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构,粉 土：蜂窝结构,分散结构：淡水,絮凝结构：海水,工程特性：压缩性大，排水困难，压缩过程缓慢，水稳性差,4. 土的结构变化,（1） 砂土的振动密实和液化,1964年6月16日日本新瀉7.5级地震,（2） 粘性土的结构性和灵敏度,灵敏度,24，中等灵敏；48，灵敏；816，特别灵敏；16，超灵敏,触变性,原状土与重塑土的强度比,五、土的构造,土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性,1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征,2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物,4.2土的物理力学性质及其指标,一、土的三相图,质量m,体积V,二、直接测定指标,1.土的密度：单位体积土的质量,工程中常用重度来表示单位体积土的重力,重力加速度，近似取10m/s2,2.土粒相对密度Gs（土粒比重）：土粒质量与同体积的4时纯水的质量之比,土粒相对密度变化范围不大：细粒土（粘性土）一般2.702.75；砂土一般为2.65左右。土中有机质含量增加，土粒相对密度减小,3.土的含水量：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示,土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。,测定方法：通常用烘干法，亦可近似用酒精燃烧法,三、换算指标,1.孔隙比e和孔隙率n,孔隙比e ：土中孔隙体积与土粒体积之比,2.土的饱和度Sr ：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示,饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态:,孔隙率n ：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示,Sr50%稍湿； 50Sr80%很湿； Sr80%饱和,3.不同状态下土的密度和重度,饱和密度sat ：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度,干密度d ：单位体积中固体颗粒部分的质量,浮密度 ：土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差,土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度，饱和密度sat，干密度d，浮密度 (kg/m3),相应的重度指标也有4个，土的重度，饱和重度sat，干重度d，浮重度 (kN/m3),四、指标间的换算,质量m,体积V,土的三相指标中，土粒比重Gs ，含水量和密度是通过试验测定的，可以根据三个基本指标换算出其余各指标,推导：,4.3.2 土的物理状态指标,一、无粘性土的密实度,土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。根据土颗粒含量的多少，天然状态下的砂、碎石等处于从紧密到松散的不同物理状态。无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系,1.孔隙比e,孔隙比e可以用来表示砂土的密实度。对于同一种土，当孔隙比小于某一限度时，处于密实状态。孔隙比愈大，土愈松散,2.相对密实度Dr,当Dr=0时， e=emin，表示土处于最疏松状态;当Dr=1.0时， e=emax，表示土体处于最密实状态,3.按动力触探确定无粘性土的密实度,Dr1/3,疏松状态,1/3Dr2/3,中密状态,2/3Dr1,密实状态,天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定(GB50007-2002),二、粘性土的稠度,1.粘性土的稠度状态,稠度是指土的软硬程度或土受外力作用所引起变形或破坏的抵抗能力,是粘性土最主要的物理状态特征,粘性土由某一种状态过渡到另一状态的界限含水量称为土的稠度界限,液塑限测定根据土工试验规程(SL237-007-1999)规定，采用液塑限联合测定仪进行测定。,0,固态或半固态,流动状态,可塑状态,塑限P,液限L,自由水,液 态,可塑态,固态或半固态,2.粘性土的塑性指数和液性指数,塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围,说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高,说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当IL0时,P,土处于坚硬状态;当IL1时,L,土处于流动状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态,液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比,土的压缩性高低，常用压缩性指标定量表示。压缩性指标，通常由工程地质勘察取天然结构的原状土样，进行室内压缩试验测定。,4.3 土的力学性质,4.3.1 土的压缩性,1室内压缩试验 (1)试验仪器 (2)试验方法：侧限压缩试验,(3)试验结果（土的压缩曲线图片）,(4)试验结果（孔隙比）的推导,2 土的压缩性指标 (1)土的压缩系数,为了便于比较，通常采用压力段由p1=100kPa 增加到p2=200kPa 时的压缩系数a1-2来评定土的压缩性如下：,中压缩性,低压缩性,(2)土的压缩指数,(3)土的压缩模量,(4)土的回弹再压缩曲线及回弹再压缩模量,土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一。,地基,外荷载,剪应力 剪切变形,剪阻力被完全发挥,剪切破坏,4.3.1土的抗剪强度,库仑公式和莫尔库伦强度理论,库伦公式,1773年C.A.库伦(Comlomb),砂土：,粘性土：,式中： 土的抗剪强度，kPa 剪切滑动面上的法向总应力，kPa 土的粘聚力(内聚力)，kPa 土的内摩擦角，度。 以上两式统称为库伦公式或库伦定律， 、 称为抗剪强度指标或抗剪强参数。,根据K.太沙基(Terzaghi)的有效应力概念,式中： 土的抗剪强度，kPa 剪切滑动面上的法向总应力，kPa 土的粘聚力(内聚力)，kPa 土的内摩擦角度。,莫尔库伦强度理论,莫尔包线,莫尔库伦破坏准则土的极限平衡条件,极限平衡状态时，大、小主应力之间的关系，称为莫尔库伦破坏准则。,将抗剪强度包线与莫尔应力圆画在同一张坐标图上。它们之间的关系有以下三种情况。,4.4 土（岩）的工程分类,一、分类的目的和原则,土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别，目的在于通过通用的鉴别标准，便于在不同土类间作有价值的比较、评价、积累以及学术与经验的交流,分类原则：,1.分类要简明，既要能综合反映土的主要工程性质，又要测定方法简单，使用方便,2.土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性,二、分类体系与方法,分类体系：,1.建筑工程系统分类体系,2.工程材料系统分类体系,侧重把土作为建筑地基和环境，研究对象为原状土，例如：建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)地基土分类方法,侧重把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基工程。研究对象为扰动土，例如：土的分类标准(GBJ145-90)工程用土的分类和公路土工试验规程(JTJ051-93)土的工程分类,分类方法：,1.建筑地基基础设计规范(GB500072002),根据土粒大小、粒组的土粒含量或土的塑性指数把地基土（岩）分为岩石、碎石土、砂土、粉土和粘性土五大类,a.岩石的分类,颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理隙的岩体称为岩石，坚硬程度可根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分类,b.碎石土的分类,粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土称为碎石土,c.砂土的分类,粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土,d.粉土的分类,粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%，塑性指数IP10的土称为粉土,e.粘性土的分类,粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数IP10的土称为粘性土，粘性土根据塑性指数细分,f.人工填土的分类,由于人类活动而形成的堆积物称为人工填土。物质成分较杂乱,均匀性较差，根据其物质组成和成因,可分为素填土、压实填土、杂填土和冲填土,2.土的分类标准(GBJ14590),根据各粒组的相对含量把土分为巨粒土、含巨粒土、粗粒土和细粒土四大类,a.巨粒土和含巨粒土的分类,巨粒土和含巨粒土按土中粒径大于60mm的巨粒含量区分。若土中巨粒含量多于50%,属于巨粒土；若土中巨粒含量在15%50%之间，属于含巨粒土,b.粗粒土的分类,巨粒含量少于15%，剔除巨粒后，若土中粒径大于0.075mm的粗粒含量多于余土的50%，属于粗粒土。粗粒土分为砾类土和砂类土两类,c.细粒土的分类,土中粒径小于0.075mm的细粒含量多于或等于50%，且粗粒含量少于25%的土属于细粒土。,细粒土按塑性图进行细分,1、成因：岩石经物理风化和化学风化作用后残留在原地的碎屑 物称残积物或残积土，又称残积层。,2、特征：由大小不等的岩石碎块或颗粒组成, 层理不明显 表层为强风化岩屑，下为碎块,再下是半 风化岩层,最基层是未经风化基岩 残积物的组成和性质与基岩有直接关系,分布：在位置较高，或比较平缓的丘陵山 地，是搬运与堆积作用较少的地段。,4.5 土的成因及类型,一、残积土,3、残积物工程地质特征 1）表层土壤孔隙率大，压缩性高，强度低； 2）下部常为夹石或砂的粘土层、粘土充填的碎石土和砂砾 土，强度较高。,1、成因：坡积体是山坡靠上部的风化产物，在重力和水流的联 合作用下发生移动，在山坡中部或山麓处堆积的物质。,2、特征：颗粒分选程度差，岩屑磨圆程度不 高，山坡下部有与坡面平行的层次 呈间歇性堆积 性状与坡上岩性有关，与基岩无关 结构较复杂，可见古土壤埋藏剖面,分布：坡积物在气候湿润的山区较为常见，尤其在上坡植被 稀少易受冲刷和下坡地势较平缓的山地最为常见。,有的山坡常见残积体上复盖着坡积物，称坡积残积体。,二、坡积土,3、坡积物工程地质特征： 厚度变化大。 陡坡地段薄，破脚厚。 性质由原斜坡岩性决定。,三、洪积物,1、成因：洪水将山上的风化碎屑搬运到地势平缓的山谷出口处, 水流由集中变为分散，所携带的物质因流速的降低而 沉积。沉积面积大的称洪积扇，面积小的称洪积锥。,2、特点：在流水出口的中心堆积物最多，向外逐渐减少 由扇顶到扇缘总的趋势是沉积物质由粗变细 在扇顶沉积层次不明显。在扇缘为较细的细砂粉砂,3、洪积物工程地质特征： 1）上部多为砾石、卵石，强度高，压缩性小； 2）中部和下部以砂土为主，一般为良好地基；,四、冲积物,2、特征： 层界清晰而整齐,磨圆度高,粗细均一 距河床愈近沉积物愈粗，越远越细 范围大小不一,有时可达几万平方公里 是构成广大平原的主要物质,1、成因：是风化的碎屑物质经河流常年 性流水的侵蚀、搬运、沉积在 河流两岸的沉积物。在较大山 地的河流出口处,因携带泥砂 沉积所造成的扇形堆积，称冲 积扇。与洪积扇的成因相同。,冲积物按其与河流的关系分为河床沉积物、河漫滩沉积物、牛轭湖沉积物以及三角州沉积物四类。,3、冲积物工程地质特征： 1)古河床冲积物压缩性低，强度高，为良好地基，现代河 床相反； 2)河漫滩一般为较好地基，但要考虑软夹层及振动液化； 3)牛轭湖常为淤泥或泥炭质，压缩性高，不能作为地基； 4)三角洲土层常呈饱和状态，承载力低，但表层有硬壳层 时可考虑作为天然地基。,3、分布：河流沉积物与冲积扇沉积物交互沉积所形成的一系列 交接洼地和湖泊洼地上。,1、成因：一是湖周流水向湖心汇集的过程中，所携泥砂因流速 下降而在湖心沉积；二是湖中藻类等生物残体的累积。,2、特征： 分选度高，湖边向湖心颗粒由粗到细 垂直剖面中有腐殖质或泥炭夹层 铁与磷酸结合使湖泥呈蓝灰或青灰色 属静水沉积物,五、湖积物,4、湖积物工程地质特征： 1）近岸土层承载力高，远岸压缩性高，强度低；,六、海洋沉积物,2、特点： 层次深厚，层理分明，并含有一定的盐分。 盐分类型主要是氯化物。,1、成因：