土的物理性质和压实机理.pdf

1 第一章 土的物理性质和压实机理 土的物理性质是土的最基本的性质 随着土的组成的不同和三项比例指标的不 同 土表现出不同的物理性质 比如 土的干湿 轻重 松密和软硬等 而土的这 些物理性质某种程度上又确定了土的工程性质 比如 松散 湿软地层 土的强度 低 压缩性大 反之 强度大 地基承载力高 压缩性小 土颗粒大 无粘性土 地层的渗透性大 地基稳定性好 承载力大 土颗粒细 粘性土 则地层的渗透性 小 地基稳定性差 土颗粒大小不均匀 级配好 则土在动荷载作用下 易于压实 因此 本章详细介绍了构成土的形成和组成 定性 定量地描述土的物质组成 以及密实性对工程性质的影响 其中主要包括土的三相组成分析 土的三相比例指 标的定义 粘性土的界限含水量 砂土的密实度 常规土工实验标准及方法 地基 土的工程分类方法和土的压实特性等 这些内容是学习土力学所必需的基本知识 是评价土的工程性质 分析与解决土的工程技术问题的基础 1 1 土的形成及颗粒特征 一 土的形成 一 土的形成 地球表面的整体岩石 在大气中经受长期的风化 剥蚀后形成形状不同 大小 不一的颗粒 这些颗粒在不同的自然环境下的堆积 或经搬运和沉积而形成的沉积 物 当沉积年代不长 即沉积颗粒在压紧硬结成岩石之前的一种松散物质 即形成 了土 土的是一种集合体 土粒之间的孔隙中包含着水和气体 因此 土是一种三 相体 岩石和土在不同的风化作用下形成不同性质的土 风化作用主要有物理风化 化学风化和生物风化 1 物理风化 岩石经受风 霜 雨 雪的侵蚀 温度 湿度的变化 不均匀的 膨胀与收缩破碎 或者运动过程中因碰撞和摩擦破碎 只改变颗粒的大小和形状 不改变矿物颗粒的成分称为物理风化 只经过物理风化形成的土是无粘性土 一般 也称为原生矿物 2 化学风化 母岩表面破碎的颗粒受环境因素的作用而产生一系列的化学变 化 改变了原来矿物的化学成分 形成新的矿物 次生矿物 经化学风化生成的 土为细粒土 具有粘结力 成分最主要是粘土颗粒以及大量的可溶性盐类 3 生物风化 由植物 动物和人类活动对岩体的破坏称生物风化 其矿物成分 没有发生变化 二 土的三相组成 二 土的三相组成 土是由固体 液体 气体三部分组成的三相体系 固体部分为土粒 由矿物颗 粒或有机质组成 构成土的骨架 骨架间有许多孔隙 可为水和气所填充 这三个 2 组成部分本身的性质以及它们之间的比例关系和相互作用决定土的物理性质 土的三相组成比例并不是恒定的 它随着环境的变化而变化 土的三相组成比 例不同 土的状态和工程性质也随之各异 例如 固体 气体 液体 0 为干土 此时粘土呈坚硬状态 砂土呈松散状态 固体 气体 液体为湿土 是一种非饱和土 此时粘土多为可塑状态 固体 液体 气体 0 为饱和土 此时粉细砂或粉土遇强烈地震 可能产生液 化 而使工程遭受破坏 粘土地基受建筑荷载作用发生沉降需十几年才能稳定 一 固体矿物颗粒 一 固体矿物颗粒 土的固体矿物颗粒是土的三相组成中的主体是决定土的工程性质的主要成分 固体矿物颗粒的矿物成分 大小 形状和组成情况是决定土的物理力学性质的主要 因素 1 土粒的成分 土粒的矿物成分可分为原生矿物和次生矿物 一般粗颗粒的砾石 砂等都是由 原生矿物构成 成分与母岩相同 性质比较稳定 由其工程性质表现为无粘性 透 水性较大 压缩性较低 常见的如石英 长石和云母等 次生矿物主要是粘土矿物 其成分与母岩完全不同 其性质较不稳定 具有较强的亲水性 遇水易膨胀 常见 的粘土矿物有高岭石 伊利石 蒙脱石 其物理性质见表 1 1 表 1 1 主要粘土矿物的物理性质 粘土矿物 形状 直径 m 厚度 比表面积 m2 g 液限 Wl 塑性指数 Ip 蒙脱石 薄片状 0 1 1 30A 800 150 700 100 650 伊利石 板状 0 1 2 200 300A 80 100 120 50 65 高岭石 六角形板状 0 3 4 0 05 2 m 15 50 20 图 1 2 1 3 分别表示粘土矿物晶片结构及常见粘土的基本构造单元 晶胞 和 晶体构造 由图可知 蒙脱石结构单元连接较弱 亲水性最大 具有较强的吸水膨 胀和失水收缩的特性 伊利石亲水性低于蒙脱石 高岭石结构单元的相互联结力较 强 水分子不能进入 因此高岭石的亲水性最小 2 颗粒级配 颗粒的大小通常用粒径来表示 土粒的粒径变化时 土的性质也相应地发生变 化 工程上将各种不同的土粒 按粒径范围的大小分组 即某一级粒径的变化范围 称为粒组 土的各粒组的相对含量就称为土的颗粒级配 常用的土的颗粒级配的表示方法有表格法 级配曲线法和三角坐标法 1 表格法 是以列表形式直接表达各粒组情况 详见表 1 4 表 1 4 土粒粒组划分 粒组名称 粒径范围 mm一般特征 3 漂石 块石颗粒 200 卵石 碎石颗粒 200 20 透水性很大 无粘性 无毛细水 粗 20 10 中 10 5 圆砾 角砾颗 粒 细 5 2 透水性大 无粘性 毛细水上升高度 不超过粒径大小 粗 2 0 5 中 0 5 0 25 细 0 25 0 1 砂粒 极细 0 1 0 075 易透水 当混有云母等杂质时透水性 减小 而压缩性增大 无粘性 遇水 不膨胀 干燥时松散 毛细水上升高 度不大 随粒径变小而增大 粗 0 075 0 01 粉粒 细 0 01 0 005 透水性小 湿时稍有粘性 遇水膨胀 小 干时稍有收缩 毛细水上升高度 较大较快 极易出现冻胀现象 粘粒 0 005 透水性很小 湿时有粘性和可塑性 遇水膨胀大 干时收缩显著 毛细水 上升高度较大 但速度较慢 a b c d e 图 1 3 粘土矿物构造 a 高岭石的基本构造单元 b 蒙脱石和伊利石的基 本构造单元 c 高岭石的晶体构造 d 蒙脱石的晶体 构造 e 伊利石的晶体构造 硅 氧 四 面铝氢氧八面体 硅 氧 晶 片 铝氢氧晶片 图 1 2 粘土矿物晶片及结 构 4 2 级配曲线法 是一种图示方法 通常用半对数纸绘制 横坐标表示某一粒径 纵坐标表示小于某一粒径的土粒的百分含量 如图 1 5 所示 级配曲线上 60 d与 10 d 的比值称为不均匀系数 u C 即 10 60 d d Cu 1 1 不均匀系数 u C为表示土颗粒组成的重要特征 当 u C很小时曲线很陡 表示土 均匀 当 u C很大时 曲线平缓 表示土的级配良好 曲率系数 c C为表示土颗粒组成的又一特征 c C按下式计算 6010 2 30 dd d Cc 1 2 式中 10 d 30 d 60 d 分别相当于累计百分量为 10 30 和 60 的粒径有效 粒径 10 d称为有效粒径 60 d称为限定粒径 不均匀系数反映大小不同粒组的分布情况 u C10 的土 级配曲线平缓 土不均匀 级配良好 c C 1 3 的土级配 曲线连续 c C3 的土级配曲线不连续 u C 10 且 c C 1 3 的不均匀级配 良好的土 经压实后 细颗粒充填于粗颗粒形成的孔隙中 容易获得较大的密实度 和较好的力学特性 3 三角坐标法 这是一种图示法 它利用等边三角形内任意一点至三个边的平 行距离的总和等于三角形边长 a 的原理 即 OE OF OD 100 三角 坐标法只适用于划分为三个粒组的情况 例如当把粘性土划分为砂土 粉土和粘土 lgd mm 小于某粒径土的质量 土的粒径 d0 0010 010 05d 0 1 d 1510 10 30 50 60 70 90 100 2 1 3 6010 40 80 20 曲线 30 d 60 d 10 d 1 2 3 0 330 0050 0630 03 0 081 特征粒径 mm 图 1 5 颗粒级配曲线 5 粒组时 就可以用图 1 6 所示的三角坐标图来表示 例如图中 m 点的坐标分别为 粘粒含量 37 7 粉粒含量 28 1 砂粒含量 34 2 上述三种方法各有其特点和适用条件 表格法能很清楚地用数量说明土样的各 粒组含量 但对于大量土样之间的比较就显得过于冗长 且无直观概念 使用比较 困难 累计曲线法能用一条曲线表示一种土的粒度成分 而且可以在一张图上同时表 示多种土的粒度成分 能直观地比较其级配状况 三角坐标法能用一点表示一种土的粒度成分 在一张图上能同时表示许多种土 的粒度成分 便于进行土料的级配设计 三角坐标图中不同的区域表示土的不同组 成 因而还可以用来确定按粒度成分分类的土名 4 粒度成分分析方法 对于粗粒土可以采用筛分法 而对于细粒土则必须采用沉降分析法分析粒度成 分 筛分法适用于粒径 0 075mm 的粒组 主要设备是一套标准筛 筛子的孔径分别 为 20 10 5 2 1 0 5 0 25 0 1 0 075mm 将这套孔径不同的筛子 按从上 至下筛孔逐渐减小放置 将事先称过重量的烘干土样过筛 称出留在各筛上的土重 然后计算占总颗粒的百分数 比重法适用于粒径 0 075mm 的土 主要仪器是土壤比重计和容积为 1000mL 量 筒 此法根据斯托克斯 Stokes 定理 球状的细颗粒在水中的下沉速度与颗粒直径 的平方成正比的原理 把粒径按其在水中的下沉速度进行粗细分组 在实验室内具 体操作时 是利用比重计测定不同时间土粒和水混合物悬液的密度 据此计算出某 一粒径土粒占总颗粒的百分数 A EO DB F C 粘粒 0 075mm 含量 粉粒 0 005 0 075mm 含量 6 例题 1 1 取烘干土 200g 全部通过 10mm 筛 用筛分法求各粒组含量和小 于某种粒径 以筛眼直径表示 土量占总土量的百分数 解 1 将筛分结果列于表 1 7 表 1 7 某种土的筛分结果 筛孔直径 mm 筛上土的质量 即粒组含 量 g 筛下土的质量 即 小于某粒径土的含 量 g 筛上土的质量占总 土质量的百分数 小于该筛孔土的质 量占总土质量的百 分数 5 2 0 1 0 0 5 0 25 0 10 10 16 18 24 22 38 190 174 156 132 110 72 5 8 9 12 11 19 95 87 78 66 55 36 2 将表 1 7 中筛分试验的筛余量 即颗粒小于 0 1mm 的土颗粒 72g 用 比重计法进行分析 得到细粒土的粒组含量 如表 1 8 表 1 8 细粒部分粒组含量 粒组 mm 0 1 0 05 0 05 0 01 0 01 0 005 0 005 含量 g 20 25 7 20 3 两种分析方法结合 就可以将一个混合土样分成若干各粒组 并求得 各粒组的含量 如表 1 9 表 1 9 某土样粒径级配分析的结果 粒径 mm 10 5 2 1 00 50 250 100 05 0 01 0 005 粒组含量 g 10 16 18 24 22 38 20 25 7 20 小于某粒径土累积含量 g 19017415613211072 52 27 20 小于某粒径土占总土质量 的百分比 95 087 078 066 055 036 026 0 13 5 10 0 二 土中水 二 土中水 7 土中水即为土的液相 其含量及其性质 明显地影响土的性质 水分子 H2O 为极性分 子 由带正电荷的氢原子 H 与带负电荷的氧 原子 O 2 组成 固体颗粒本身带负电荷 在其 周围形成电场 在电场范围内 水中的阳离 子和极性水分子被吸引在颗粒四周 定向排 列 如图 1 10 所示 根据水分子受到引力的 大小 土中水主要可以分成结合水和自由水 两大类 1 结合水 结合水可以分为强结合水 和弱结合水两类 不受颗粒电场引力作用的 水称为自由水 自由水又可分为重力水和毛 细水 1 强结合水 受颗粒电场作用力吸引紧紧包围在颗粒 表面的水分子称为强结合水 它的性质接近 固体 不传递静水压力 密度约为 1 2 2 4g cm2 100 时不蒸发 冰点为 78 具有极大的粘滞性 2 弱结合水 也称薄膜水 弱结合水指紧靠于强结合水外围形成的一层水膜 其厚度 0 5 m 这层水膜里 的水分子和水化离子仍在土颗粒电场作用范围以内 弱结合水也不传递静水压力 但水膜较厚的弱结合水能向邻近的较薄的水膜处缓慢转移 弱结合水的存在是粘性 土在某一含水量范围内表现出可塑性的原因 弱结合水密度 1 0 1 7g cm2 冰点温 度为 20 至 30 3 重力水 这种水位于地下水位以下 在本身重力或压力差作用下运动的自由水 对土粒 有浮力作用 土中重力水传递水压力 与一般水的性质无异 4 毛细水 这种水存在于地下水位以上 受水与空气交界面处的表面张力作用而存在于细 颗粒的孔隙中的自由水 由于表面张力作用 地下水沿着不规则的毛细孔上升 形 成毛细上升带 其上升的高度取决于颗粒粗细与孔隙的大小 砂土 粉土及粉质粘 土中毛细水含量较大 毛细水的上升 会使地基湿润 强度降低 变形增大 在干 旱地区 地下水中的可溶盐随毛细水上升后不断蒸发 盐分便积聚于靠近地表处而 使地表土盐渍化 在寒冷地区会加剧土的冻胀作用 5 气态水 气态水即水汽 对土的影响不大 6 固态水 当气温降至 0 以下时 液态的自由水结冰为固态水 由于水的密度在 4 时 为最大 低于 0 的冰 不是冷缩 反而膨胀 使基础发生冻胀 寒冷地区基础的 图 1 10 矿物颗粒对水分子的静电引力作用 8 埋置深度要考虑冻胀问题 三 土中气体 三 土中气体 土中的气体是指存在于土孔隙中未被水占据的部分 存在的形式有两种 一种 与大气相通 不封闭 对土的性质影响不大 称为自由气体 另一种则封闭在土的 孔隙中与大气隔绝 封闭气体 不易逸出 增大了土体的弹性和压缩性 减小了透 水性 称为封闭气泡 在淤泥和泥炭土中 由于微生物的分解作用 产生一些可燃气体 如硫化氢 甲 烷等 使土层不易在自重作用下压密而形成具有高压缩性的软土层 1 2 土的结构及工程性质 1 2 土的结构及工程性质 一 土的形成与工程特性的关系 一 土的形成与工程特性的关系 由于各类土的生成条件不同 其工程特性相差也甚为悬殊 1 搬运 沉积条件 流水搬运沉积的土优于风力搬运沉积的土 2 沉积年代 土的沉积年代越长 土的工程性质越好 3 沉积的自然地理环境 由于我国地域辽阔 地形高低 气候冷热 雨量多少全国各地相差很悬殊 这 些自然地理环境不同所生成的土的工程特性也会有较大差异 二 土的结构 二 土的结构 土的结构是指土颗粒之间的相互排列和连接方式 它在某种程度上反映了土的 成分和土的形成条件 因而它对土的特性有重要的影响 土的结构分为 3 种 单粒结构 粗颗粒在重力的作用下单独下沉时与稳定的颗粒相接触 稳定下 来 就形成单粒结构 单粒结构可以是疏松的 也可以是密实的 图 1 11 蜂窝结构 较细的颗粒在水中单独下沉时 碰到已沉积的土粒 因土粒间的 分子引力大于土粒自重 则下沉的土粒被吸引不再下沉 依次一粒粒被吸引 最终 形成具有很大孔隙的蜂窝状结构 图 1 11 单粒结构的不同形态 9 絮状结构 粒径极细的粘土颗粒在水中长期悬浮 这种土粒在水中运动 相 互碰撞而吸引逐渐形成小链环状的土集粒 质量增大而下沉 当一个小链环碰到另 一个小链环时相互吸引 不断扩大形成大链环状的絮状结构 因小链环中已有孔隙 大链环中又有更大的孔隙 形象地称为二级蜂窝结构 此 种絮状结构在海积粘土中常见 以上三种结构中 以密实的单粒结构工程性质最好 蜂窝结构与絮状结构如被 扰动破坏天然结构 则强度低 压缩性高 不可用作天然地基 三 土的构造 三 土的构造 土的构造是指同一土层中 土颗粒之间相互关系特征 一般可分为以下几种 层状构造 土粒在沉积过程中 由于不同阶段沉积的土的物质成分 粒径大小或颜色不同 沿竖向呈现层状特征 常见的有水平层理和交错层理 常带有夹层 尖灭和透镜体等 产状 层状构造反映不同年代不同搬运条件形成的土层 为细粒土的一个重要特征 分散构造 在搬运和沉积过程中 土层中的土粒分布均匀 性质相近 呈现分散构造 分 散构造的土可看作各向同性体 各种经过分选的砂 砾石 卵石等沉积厚度常较大 无明显的层理 呈分散构造 裂隙构造 土体被许多不连续的小裂隙所分割 裂隙中往往充填着盐类沉淀物 不少坚硬 和硬塑状态的粘性土具有此种构造 红粘土中网状裂隙发育 一般可延伸至地下 3 4m 黄土具有特殊的柱状裂隙 裂隙破坏了土的完整性 水容易沿裂隙渗漏 造 成地基土的工程性质恶化 此外 土中的包裹物 如腐殖质 贝壳 结核体以及天然或人为洞穴等构造特征 都构成土的不均匀性 结核状构造 在细粒土中混有粗颗粒或各种结核的构造属结核状构造 如含 礓石的粉质粘土 含砾石的冰责粘土等 通常分散构造的工程性质最好 结核状构造工程性质好坏取决于细粒土部分 裂隙状构造中 因裂隙强度低 渗透性大 工程性质差 1 3 土的三项比例及物理性质指标 1 3 土的三项比例及物理性质指标 土的物理性质指标是反映土的工程性质的特征指标 土是由固体矿物颗粒 水 气体三部分组成 这三部分本身的性质 之间的比例关系和相互作用决定了土的物 理性质 土的各组成部分的质量和体积之间的比例关系 用土的三项比例指标表示 对于评价土的物理 力学性质有重要意义 一 土的三相图 一 土的三相图 土中三相之间相互比例不同 土的工程性质也不同 现在需要定量研究三相之 间的比例关系 即土的物理性质指标的物理意义和数值大小 工程实际中常用三相图 来表示 把自然界中土的三相混合分布的情况分别集中起来 固相集中于下部 液相 10 居中部 气相集中于上部 图左 边标出各相的质量 图右边标明 各相的体积 如图 1 12 所示 图中符号含义如下 V 土的总体积 cm 3 svswa VVVVVV Vv 土的孔隙体积 cm 3 wav VVV s V 土粒体积 cm 3 a V 气体体积 cm 3 w V 水的体积 cm 3 m W 土的总质 重 量 g N sw mmm sw WWW a m a W 土中气体的质 重 量 g N 0 a m s m s W 固体颗粒质 重 量 g N w m w W 水的质 重 量 g N 二 土的物理性质指标确定 二 土的物理性质指标确定 土的物理性质指标一共有 9 个 反映土松密程度的指标有 土的孔隙比e 孔 隙率n 反映土的含水程度的指标有 含水量 饱和度 r S 特定条件下土的重度 有 重度 干重度 d 饱和重度 sat 浮重度 以及土粒比重 相对密度 s G 其中土的三项基本物理性质指标 土的重度 土粒比重 s G 土的含水量 由实验 室直接测定 1 土的密度指标 1 土的密度指标 土的重度 单位体积土的重量 以 kN m 3计 即 W 3 mkN V 土的总体积 土的总重量 1 3 它与土的密度有如下关系 108 9 3 mKNg g 9 81m s 2 为了计算方便 取 g 10m s2 天然土的重度随着土的矿物成 分 孔隙体积和水的含量而异 一般变化于 16 22kN m 3之间 测定方法 有环刀法和灌水法 其中环刀法适用于粘性土 粉土与砂土 灌水 法适用于卵石 砾石与原状砂 土的干重度 d 单位体积土中固体颗粒的重量 即 V s d W 土的总体积 固体颗粒重量 1 4 常见值 13 20 kN cm 3 测定方法有大环刀法和放射性同位素法 在工程中 土的干密度通常用作填方工程 包括土坝 路基和人工压实地基 土体压实质量控制的标准 土的干密度越大 表明土体压利越密实 土的工程质量 土的三相草图图1 12 固相 液相 m v w s s a a 气相 体积 cm 质量 g m 1 80 m 1 525 0 V 1 V 0 565 V 0 435 V 0 275 V 0 16 mw 0 275 3 11 越好 土的饱和重度 为土的孔隙中全部充满水时单位体积土的重量 即 V V wVs sat W 总体积 量孔隙全部充满水时的重 1 5 常见值 18 23 kN cm 3 土的浮重度 土的浮重度定义为地下水位以下 土体受水的浮力作用时 扣出水的浮力后单位体积土的重量 即 w wss V V sat W 1 6 常见值 8 13kN m 3 2 反映土松密程度的指标 2 反映土松密程度的指标 土的孔隙比e 土的孔隙比定义为孔隙体积与土粒体积之比 即 s V V V e 固体颗粒体积 孔隙体积 1 7 常见值 砂土e 0 5 1 0 当砂土e1 0 时 为软弱地基 确定方法 e的值可根据 与 实测值计算而得 土的孔隙度 孔隙比 n 孔隙体积与土总体积之比 反映了土中孔隙大小 的程度 即 100 V V n v 土体总体积 孔隙体积 1 8 常见值 n 30 50 确定方法 n的值可根据 s G与 实测值计算而得 3 土的含水程度指标 3 土的含水程度指标 土的含水量 土中水的重量与土粒重量的比值 即 100 s w W W w 固体颗粒重量 水的重量 1 9 天然土层的含水量变化范围很大 它与土的种类 埋藏条件及其所处的自然地 理环境等有关 一般砂土为 2 65 2 69 粘性土为 2 72 2 75 有四种测定方法 分别为 烘箱法 适用于粘性土 粉土与砂土常规试验 红 外线法 适用于少量试样试验 酒精燃烧法 适用于少量试样快速试验 铁锅炒干 法 适用卵石与砂夹卵石 土的饱和度 r S 土的饱和度定义为土中水的体积与孔隙体积的比值 即水充 填土中孔隙的程度 有 100 V w r V V S 孔隙体积 水的体积 1 10 根据饱和度 r S可把细砂 粉砂等土划分为下列 3 种湿度状态 即 r S 50 稍湿 12 50 80 饱和 常见值 r S 0 1 确定方法 r S的大小可据 s G与w的实测值计算得到 在工程上 砂土与粉土的饱和度可作为湿度的划分标准 具体分为稍湿的 很 湿的与饱和的三种湿度状态 如图 1 13 所示 0 5 0 8 图 1 13 砂土与粉土的湿度标准 4 其它指标 4 其它指标 土粒比重 s G 土粒相对密度 定义为土粒的重度与同体积纯蒸馏水在 4 时的 重度比值 即 ws s w s w s V m 时的重度纯水 固体颗粒的重度 4 Gs 1 11 3 10mKN s 常见值 土粒比重的大小取决于土粒的矿物成分 一般为砂土为 2 65 2 69 粉土为 2 70 2 71 粘性土为 2 72 2 75 测定方法 有比重瓶法和经验法 值得注意的是 土的各项物理性质指标 并不是相互独立的 只要已知其中任 意 3 个指标 可以推导出其它 6 个指标 由于土的各项物理性质指标都是反映土中 三相物质成分的相对含量的比值 因而可用下述简便方法由已知指标导出其他物理 性质指标 步骤 假设1 s V 1 V或1 s m 并画出三相简图 解出各相物质成分的重量和体积 利用定义式导出所求的物理性质指标 土的三相比例指标换算公式见表 1 14 表 1 14 土的三相比例指标换算公式 名称 符号 表达式 单位 常见值 换算公式 密度 重度 V m 10 3 cmg 3 cmKN 1 6 2 2 16 22 1 w d 1 w d 比重 s G s s s V m G 砂土 2 65 2 69 粉土 2 70 2 71 粘性土 2 72 2 75 稍湿的 很湿的 饱和的 13 含水量 w 100 s w m m w 砂土 0 40 粘性土 20 60 100 1 d w 孔隙比 e s v V V e 砂土 0 5 1 0 粘性土 0 5 1 2n n e 1 孔隙度 n 100 V V n v 30 50 100 1 e e n 饱和度 r S v w V V Sr 0 1 干密度 干重度 d d V ms d dd 10 3 cmg 3 cmKN 1 3 2 0 13 20 1 d 1 d 饱和密度 饱和重度 sat sat V Vmm wasw sat satsat 10 3 cmg 3 cmKN 1 8 2 3 18 23 有效密度 有效重度 wsat wsat 3 cmg 3 cmKN 0 8 1 3 8 13 例题 1 2 在某住宅地基勘测 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 2 70 土的含水量 18 求其余 6 个物理性质指 标 解 1 绘制三相计算草图 如 图 1 14 所示 2 令 V 1cm3 3 已知 3 80 1cmg V m 故 m 1 80 g 4 已知18 0 s w m m 所以 sw mm18 0 又知 gmm sw 80 1 所以 gms525 1 18 1 80 1 3 0 275wm V 0 16 V 0 275 V 0 435 V 0 565 V 1 0 m 1 525 m 1 80 质量 g 体积 cm 气相 a a s s w v m 液相 固相 土的三相草图图1 14 14 故 gggmmm sw 275 0525 180 1 5 3 275 0cmVw 6 已知70 2 s s s V m G 所以 3 70 2 70 2 525 1 cmg g V s m s 0 565cm 3 7 孔隙体积 333 435 0565 01cmcmcmVVV wv 8 气相体积 333 16 0275 0435 0cmcmcmVVV wva 9 据所求物理性质指标的表达式可得 孔隙比 77 0 565 0 435 0 3 3 cm cm V V e s v 孔隙度 5 43435 0 V Vv n 饱和度 632 0 435 0 275 0 3 3 cm cm V V s v w r 干密度 3 53 1cmg V ms d 干重度 3 3 15mKN d 饱和密度 3 96 116 080 1cmg V Vmm wasw sat 饱和重度 3 6 19mKN sat 有效密度 333 96 0 0 1 96 1 cmcmgcmg wsat 有效重度 333 6 9 10 6 19 mKNmKNmKN wsat 1 4 无粘性土的密实特性 1 4 无粘性土的密实特性 无粘性土工程性质的主要因素是密实度 若土颗粒排列紧密 其结构就稳定 压缩变性小 强度大 可作为良好的天然地基 反之 密实度小 结构疏松 不稳 定 压缩变形大 因此在工程中 常用密实度判断无粘性土的工程性质 土的密实度通常是指单位体积中固体颗粒的含量 判别无粘性土的密实度的常 用方法有下列几种 一 孔隙比确定法 一 孔隙比确定法 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 见表 1 15 15 表 1 15 砂土的密实度 密实度 土的名称 密 实 中 密 稍 密 松 散 砾砂 粗砂 中砂 e 0 60 0 60 e 0 75 0 75 e 0 85 e 0 85 细砂 粉砂 e 0 70 0 70 e 0 85 0 85 e 0 95 e 0 95 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 二 相对密实度法 二 相对密实度法 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 max e和最密实状态孔隙比 min e进行对比 比较e靠 近 max e或靠近 min e 来判别它的密实度 相对密实度 minmax max ee ee Dr 1 12 式中 r D 土的相对密实度 max e 土的最大孔隙比 max e 土的最小孔隙比 e 土的天然孔隙比 松散 中密 密实 33 00 67 033 0 167 0 r r r D D D 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 max e max e都难以准确测定 目前主要应用于 r D填方质量的控制 对于天然土尚难应用 三 根据现场标准贯入试验判定 三 根据现场标准贯入试验判定 标准贯入试验是一种原位测试方法 试验方法 将质量为 63 5kg 的锤头 提升 到 76cm 的高度 让锤自由下落 打击标准贯人器 使贯入器入土深为 30cm 所需的 锤击数 记为 N63 5 这是一种简便的测试方法 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 我国 岩土工程勘查规范 GB50021 94 规定砂土 的密实度按表 1 16 标准惯入锤击数进行划分 表 1 16 砂土的密实度 标准贯入试 验锤击数 N63 5 10N63 5 15N10 63 5 30N15 63 5 16 密实度 松散 稍密 中密 密实 1 5 粘性土的物理特性粘性土的物理特性 粘性土随着含水量不断增加 土的状态变化为固态 半固态 可塑状态 液体 状态 相应的地基土的承载力基本值会逐渐下降 因此 粘性土的物理特性可以用 稠度表示 稠度是指粘性土含水量不同时所表现出的物理状态 它反映了土的软硬 程度或土对外力引起的变化或破坏的抵抗能力的性质 土中含水量很少时 由于颗 粒表面的电荷的作用 水紧紧吸附于颗粒表面 成为强结合水 按水膜厚薄的不同 土表现为固态或半固态 当含水量增加时 被吸附在颗粒周围的水膜加厚 土粒周 围有强结合水和弱结合水 在这种含水量情况下 土体可以被捏成任意形状而不破 裂 这种状态称为塑态 弱结合水的存在是土具有可塑状态的原因 当含水量再增 加 土中除结合水外 土中出现了较多的自由水 粘性土变成了液体呈流动状态 粘性土随含水量的减少可从流动状态转变为可塑状态 半固态及固态 粘性土从一种状态过渡到另外一种状态的分界含水量称为界限含水量 粘性土呈液态与塑态之间的分界含水量称为液限 L w 粘性土呈塑态与半固 态之间的分界含水量称为塑限 P w 粘性土呈半固态与固态之间的分界含水量称 为缩限 s w 如图 1 15 所示 0 s w P w L w 固态 半固态 塑态 液态 w 图 1 15 粘性土的稠度 一 界限含水量的测定方法 一 界限含水量的测定方法 1 液限 L 锥式液限仪测定法 将粘性土调成均匀的浓糊状 装入金属杯中 刮平表面 放在底座上 用质量为 76g 的圆锥式液限仪来测定 手持液限仪顶部小柄 将锥尖 接触土表面的中心 松手让其在自重作用下下沉 若液限仪经 5s 沉入土中深度恰好 是 10mm 这时杯内土样的含水量为液限 L w 如液限仪沉人土样中锥体的刻度高于 或低于土面 则表示土样的含水量低于或高于液限 为了避免放锥时的人为晃动影 响 可采用电磁放锥的方法 碟式液限仪测定法 将调成糊状的试样装在碟内 刮平表面 用特制开槽器将 土样划开 形成 V 型槽 以每秒两转的速度转动手柄 使碟子反复起落 坠击底座 当击数为 25 次 V 型槽合拢长度为 13mm 时 试样的含水量即为液限 L w 2 塑限 P w 滚搓法 用手将天然湿度的土样搓成小圆球 球径小于 10mm 放置在毛玻璃 板上 再用手掌搓滚成细条 当土条搓到直径 3mm 时 恰好产生裂缝并开始断裂 则此时土条的含水量即为塑限 若土条搓不到直径 3mm 就已经有裂缝 说明土样的 含水量小于塑限 则须加少量水调匀后再搓条 液 塑限联合测定法 测定时 将土调成不同含水量的试样 制备 3 份不同稠度 的试样 试样的含水量分别为接近液限 塑限和两者的中间状态 先后分别装满盛土 17 杯 刮平杯口表面 将 76g 质量的圆锥仪放在试样表面中心 使其在重力作用下徐 徐沉试样 测定圆锥仪在 5s 时下沉的深度和相应的含水量 然后以含水量为横坐标 圆锥下沉深度为纵坐标 绘于双对数坐标纸上 将测得的 3 点连成直线 由含水量 与圆锥下沉深度关系曲线上 查出下沉 10mm 对应的含水量即为 10mm 液限 L w 查得 下沉 17mm 对应的含水量为 17mm 液限 L w 下沉 2mm 对应的含水量即为塑限 P w 3 缩限 s w 主要用收缩皿法测定 二 塑性指数二 塑性指数 p I和液性指数和液性指数 L I 1 塑性指数 p I 粘性土与粉土的液限与塑限的差值 去掉百分数 称为塑性指 数 表明细颗粒土体处于可塑状态下 含水量变化的最大取间 土粒愈细 粘粒含 量愈多 其比表面积也愈大 与水作用和进行交换的机会愈多 塑性指数 p I也愈大 p I越大 表明土能吸附结合水越多 并仍处于可塑状态 亦即该土粘粒含量高或矿 物成分吸水能力强 在工程中 用塑性指数作为粘性土与粉土的定名标准 100 pLp wwI 1 13 2 液性指数 L I 又称相对稠度 是用土的含水量与塑限之差除以塑性指数 反 映粘性土天然状态的软硬程度 液性指数 L I在建筑工程中可作为确定粘性土承载力 的重要指标 pL p ww ww I L 1 14 根据液性指数的大小 将粘性土划分为 5 种状态 如表 1 19 所示 表 1 19 粘性土的软硬状态按 I表 1 19 粘性土的软硬状态按 IL L划分 划分 液性指数 0 L I 25 00 L I75 025 0 L I 175 0 L I 状态 坚硬 硬塑 可塑 软塑 流塑 注 当用静力触探探头阻力或标准贯人试验锤击数判定粘性土的状态时 可根据当地经验确定 三 结构特性 三 结构特性 1 灵敏度 土的结构形成后就获得某种强度 且结构强度随时间而增长 从地层中取出能 保持原有结构及含水量的土称为原状土 土体结构受到破坏或含水量发生变化时称 为扰动土 将扰动土再按原状土的密度和含水量制备成的试样 称为重塑土 粘性 土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比 值 称为灵敏度 t S 即 u u t q q S 1 16 式中 u q 原状土的无侧限抗压强度 kPa u q 重塑土的无侧限抗压强度 kPa 18 灵敏度反映粘性土结构性的强弱 根据灵敏度的数值大小可分为 3 类土 低灵敏土 0 t S 2 中灵敏土 24 工程应用 保护基槽 遇灵敏度高的土 施工时应特别注意保护基槽 防止人 为践踏基槽 破坏土的结构 以免降低地基强度 2 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 成为土的触变性 四 活动度 四 活动度 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 002 0 P I A P 1 15 式中 p I 粘性土的塑性指数 002 0 P 粒径 0 002mm 颗粒的重量占土总重量的百分比 活动度反映粘性土中所含矿物的活动性 根据活性指数 A 的大小 粘性土可以 分如下 3 类 非活性粘土 A1 25 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 1 6 地基土的工程分类 1 6 地基土的工程分类 自然界中土的种类很多 工程性质各异 为了便于研究 需要按其主要特征进 行分类 由于各部门对土的某些工程性质的重视程度和要求不完全相同 制定分类 标准时的着眼点也就不同 加上长期的经验和习惯 很难使大家取得一致的看法 在目前还没有统一土名和土的分类法的情况下 本节将主要介绍常用的建筑地基基 础设计规范分类法 按这种分类法 土 包括岩石 分成六大类 即岩石 碎石土 砂土 粉土 粘 性土和人工填土 一 岩石 一 岩石 1 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 2 分类 据成因可分为岩浆岩 沉积岩 变质岩 根据其坚硬程度划分为坚硬岩 较硬岩 较软岩 软岩 极软岩等 5 类 见 19 表 1 20 表 1 20 岩石坚硬程度的划分 表 1 20 岩石坚硬程度的划分 坚硬程度类别 坚硬岩 较硬岩 较软岩 软岩 极软岩 饱和单轴抗压强度 标准值 rk f MPa rk f 60 60 rk f 30 30 rk f 15 15 rk f 5 rk f 5 当缺乏单轴饱和抗压强度资料或不能进行该项试验时 可在现场通过观察定性划分 见表 1 21 表 1 21 岩石坚硬程度的定性划分 表 1 21 岩石坚硬程度的定性划分 名 称 定性鉴定 代表性岩石 坚硬岩 锤击声清脆 有回弹 震手 难击碎 基本无吸水反应 未风化 微风化的花岗岩 闪长岩 辉绿岩 玄武岩 安山岩 片麻岩 石英岩 硅质砾岩 石英砂岩 硅质 石灰岩等 硬 质 岩 石 较硬岩 锤击声较清脆 有轻微回弹 稍震手 较难击碎 有轻微吸水反应 1 微风化的坚硬岩 2 未风化 微风化的大理岩 板岩 石灰岩 钙质砂岩等 较软岩 锤击声不清脆 无回弹 较易击碎 指甲可刻出印痕 1 中风化的坚硬岩和较硬岩 2 未风化 微风化的凝灰岩 千枚岩 砂质泥岩 泥灰岩等 软 质 岩 石 软 岩 锤击声哑 无回弹 有凹痕 易击碎 浸水后 可捏成团 1 强风化的坚硬岩和较硬岩 2 中风化的较软岩 3 未风化 微风化的泥质砂岩 泥岩 等 极软岩 锤击声哑 无回弹 有较深凹痕 手 可捏碎 浸水后 可捏成团 1 风化的软岩 2 全风化的各种岩石 3 各种半成岩 按风化程度可分为未风化 微风化 中风化 强风化和全风化 见表 1 22 表 1 22 岩石风化程度的划分 风化程度 特征 微风化 岩质新鲜 表面稍有风化迹象 中等风化 结构和构造层理清晰 岩体被节理 裂隙分割成块状 裂隙中填充少量风化 物 锤击声脆 且不易击碎 用镐难挖掘 用岩心钻方可钻进 强风化 结构和构造层理不甚清晰 矿物成分已显著变化 岩体被节理 裂隙分割成 碎石状 碎石用手可以折断 用镐可以挖掘 手摇钻不易钻进 全风化 按岩体的完整性划分 岩体还可根据完整性指数划分其完整程度 见表 1 23 表 1 23 岩体完整程度划分 表 1 23 岩体完整程度划分 20 完整程度等 级 完 整 较完整 较破碎 破 碎 极破碎 完整性指数 0 75 0 75 0 550 55 0 350 35 0 15 3 3 无序 1 0 9 4 1 0 0 2 0 4 0 2 无序 整体状结构 块状结构 镶嵌状结构 破碎状结构 散体状结构 3 工程性质 微风化的硬质岩石为最优良地基 强风化的软质岩石工程性质差 地基承载力 低于一般卵石地基承载力高 二 碎石土 二 碎石土 1 定义 土的粒径 d 2mm 的颗粒含量超过总土重的 50 的土 2 分类 根据土的粒径级配中各粒组的含量和颗粒形状两者进行分类定名 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 见表 1 25 表 1 25 碎石土的分类 表 1 25 碎石土的分类 土的名称 颗粒形状 粒组含量 漂石 块石 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 粒径大于 200mm 的颗粒超过全重的 50 卵石 碎石 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 粒径大于 20mm 的颗粒超过全重的 50 圆砾 角砾 圆形及亚圆形为主 棱角形为主 粒径大于 2mm 的颗粒超过全重的 50 注 分类时应根据粒组含量栏从上到下以最先符合者确定 碎石土的密实度 可按表 1 26 分为松散 稍密 中密 密实 表 1 26 碎石土的密实度 表 1 26 碎石土的密实度 重型圆锥动力触探锤击数 N63 5 密实度 N63 5 5 松 散 5 N63 5 10 稍 密 1020 密 实 21 注 本表适用于平均粒径小于等于 50mm 且最大粒径不超过 100mm 的卵石 碎石 圆砾 角砾 对于平均粒径大于 100mm 的碎石土 可按表 1 27 鉴别其密实度 表内 N63 5为经综合修正后的平均值 表 1 27 碎石土密实度野外鉴别方法 表 1 27 碎石土密实度野外鉴别方法 密实 度 骨架颗粒含量和排列 可挖性 可钻性 密 实 骨架颗粒含量大于总重 的 70 呈交错排列 连续接触 锹镐挖掘困难 用撬棍 方能松动 井壁一般较 稳定 钻进极困难 冲击钻探 时 钻杆 吊锤跳动剧 烈 孔壁较稳定 中 密 骨架颗粒含量等于总重 的 60 70 呈交错 排列 大部分接触 锹镐可挖掘 井壁有掉 块现象 从井壁取出大 颗粒处 能保持颗粒凹 面形状 钻进较困难 冲击钻探 时 钻杆 吊锤跳动不 剧烈 孔壁有坍塌现象 稍 密 骨架颗粒含量等于总重 的 55 60 排列混 乱 大部分不接触 锹可以挖掘 井壁易坍 塌 从井壁取出大颗粒 后 砂土立即坍落 钻进较容易 冲击钻探 时 钻杆稍有跳动 孔 壁易坍塌 松 散 骨架颗粒含量小于总重 的 55 排列十分混 乱 绝大部分不接触 锹易挖掘 井壁极易坍 塌 钻进很容易 冲击钻探 时 钻杆无跳动 孔壁 极易坍塌 注 骨架颗粒系指表 1 25 相对应粒径的颗粒 碎石土的密实度应按表列各项要求综合确定 3 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 砂类土 三 砂类土 1 定义 粒径大于 2mm 的颗粒含量不超过全重的 50 粒径大于 0 075mm 的颗 粒含量超过全重的 50 的土 2 分类 砂土根据粒组含量不同又细分为砾砂 粗砂 中砂 细砂和粉砂五类 如表 1 28 所示 表 1 28 砂土的分类 表 1 28 砂土的分类 土的名称 粒组含量 砾砂 粗砂 中砂 细砂 粉砂 粒径大于 2mm 的颗粒占全重 25 50 粒径大于 0 5mm 的颗粒超过全重 50 粒径大于 0 25mm 的颗粒超过全重 50 粒径大于 0 075mm 的颗粒超过全重 85 粒径大于 0 075mm 的颗粒超过全重 50 注 分类时应根据粒径分组含量由大到小以最先符合者确定 3 工程性质 22 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 1 3 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 0 075 0 25 0 5 2 0 5 0 粒径 d mm 14 16 14 26 22 8 含量 图 砂样的粒径级配 解 按表 1 28 分类标准 可得 1 粒径 d 2mm 含量占 30 在 25 50 之间 可定为砾砂 2 粒径 d 0 5mm 含量占 56 50 可定为粗砂 3 粒径 d 0 25mm 含量占 70 50 可定为中砂 4 粒径 d 0 075mm 含量占 86 50 可定为细砂 5 砂土粒径 d 0 075mm 含量占 86 50 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 四 粉土 1 定义 粒径大于 0 075mm 的颗粒含量不超过全重的 50 且塑性指数 IP 10 的土 2 分类 根据土的密实度进行划分 粉土的密实度以孔隙比为划分标准 e 0 90 为稍密 0 90 e 0 75 为中密 e 0 75 为密实 3 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