2.土的性质及工程分类.ppt

2土的性质及工程分类 2 1概述2 2土的三相组成与土的结构2 3土的物理性质指标2 4无粘性土的密实度2 5粘性土的物理特性2 6土的渗透及渗流2 7土的动力特性2 8土 岩 的工程分类 2 1 1土的物理性质概述 岩石 风化 物理 化学 作用 岩石破碎化学成分改变 搬运沉积 大小 形状和成分都不相同的松散颗粒集合体 土 土中颗粒的大小 成分及三相之间的相互作用和比例关系 反映出土的不同性质 2 1概述 固体矿物颗粒 固相 土中气体 气相 土中水 液相 土的三相组成 2 2土的三相组成及其结构 2 2 1土的固体颗粒 固相 土的固体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 1 土粒的矿物成分 1 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 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 2 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 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 2 土粒粒组 1 粒度 粒组 界限粒径的概念 2 土粒粒组的划分 3土的颗粒级配 工程上将各种不同的土粒按其粒径划分为若干粒组 土中各个粒组的相对含量 即各粒组占土粒总量的百分数 称为土的颗粒级配 1 土的颗粒级配 2 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 的曲线 土的颗粒级配曲线 3 颗粒级配的描述 不均匀系数Cu描述颗粒级配的不均匀程度 曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态 连续级配土 Cu 5的土视为级配不良的土 Cu 5的土视为级配良好的土 不连续级配土 同时满足Cu 5和Cc 1 3时 为良好级配土 d10 d30 d60为小于某粒径的土粒含量为10 30 和60 时所对应的粒径 1 筛分法 用一套孔径不同的标准筛 按从上至下筛孔逐渐减小放置 将风干的试样土倒进筛内然后摇振 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 4颗粒分析试验 筛分法 d 0 075mm的土 2 比重计法 利用大小不同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 2 2 2土中的水和气 1 土中水的存在形态 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 是塑性性有可塑性的原因 2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 3粘土颗粒与水的相互作用 1 粘土颗粒表面的带电现象粘土颗粒表面带有负电荷 在直流电的作用下土颗粒向正极移动 工程上利用这一特性进行电渗排水 2 双电层与扩散层的概念 3 影响扩散层的因素 4土的冻胀 1 土的冻胀现象及其危害 2 影响冻胀的因素 土的因素冻胀现象通常发生在细粒土中 粉砂 粉土 粉质粘土和粉质亚砂土冻胀明显 水的因素有水源补给时冻胀现象明显 温度因素气温下降缓慢 强度小 负温持续时间常 冻胀明显 2 2 3土的结构和构造 1土的结构 土粒的大小 形状 相互排列及连接关系等特征 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 特点 土粒间点与点接触 根据形成条件不同 可分为疏松状态和密实状态 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 2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 2 3土的物理性质指标 2 3 1土的三相图及指标定义 1三个基本试验指标 1 土的密度 单位体积土的质量 2 土的含水量 土中水的质量与土粒质量之比 以百分数表示 测定方法 通常用烘干法 亦可近似用酒精燃烧法 土粒相对密度变化范围不大 细粒土 粘性土 一般2 70 2 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 土粒相对密度ds 土粒质量与同体积的4 时纯水的质量之比 2 反映单位土体质量和重力的指标 3 饱和密度 sat 土体中孔隙完全被水充满时单位体积质量 2 干密度 d 单位体积土中固体颗粒部分的质量 4 浮密度 土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差 1 天然密度 3反映土的空隙特征和含水程度的指标 1 孔隙比e 土中孔隙体积与土粒体积之比 3 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 2 孔隙率n 土中孔隙体积与总体积之比 以百分数表示 Sr 50 稍湿 50 Sr 80 很湿 Sr 80 饱和 2 3 2指标间的换算 质量m 体积V 土的三相指标中 土粒比重ds 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 换算关系式 例题分析 例 某土样经试验测得体积为100cm3 湿土质量为187g 烘干后 干土质量为167g 若土粒的相对密度ds为2 66 求该土样的含水量 密度 重度 干重度 d 孔隙比e 饱和重度 sat和有效重度 解答 2 4无粘性土的密实度 2 4 1无粘性土的密实度的划分 1 孔隙比e 孔隙比e可以用来表示粉砂土的密实度 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 优点 简单方便缺点 无法反映土的级配因素 2 相对密实度Dr 优点 计入土的级配因素 理论上比较完善 缺点 天然孔隙比难以获取 且emax emin的测定受人为的影响较大 砂土的密实度划分 分别为砂土在最松散状态 天然状态 最密实状态时的孔隙比 3 按动力触探确定无粘性土的密实度 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 4碎石土的野外鉴别 2 5粘性土的物理特性 2 5 1粘性土的界限含水量 1界限含水量 粘性土由某一种状态过渡到另一状态的分界含水量称为土的界限含水量 2界限含水量的测定 液限 锥式液限仪 碟式液限仪 液塑限联合测定仪塑限 搓条法 液塑限联合测定法 3界限含水量的测定方法规定与比较 2 碟式液限仪测定的液限大于锥式液限仪测定的液限 1 测定方法规定 液塑限联合测定仪 下沉深度为10mm所对应的含水量为液限 下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限 2 5 2粘性土的塑性指数和液性指数 1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 液性指数表征土抵抗外力的量度 其值越大 表示抵抗外力的能力越小 根据IL值可以直接判定土的软硬状态 2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 例题分析 例 某砂土试样 试验测定土粒相对密度ds 2 7 含水量 9 43 天然密度 1 66 cm3 已知砂样最密实状态时称得干砂质量ms1 1 62kg 最疏松状态时称得干砂质量ms2 1 45kg 求此砂土的相对密度Dr 并判断砂土所处的密实状态 解答 砂土在天然状态下的孔隙比 砂土最小孔隙比 砂土最大孔隙比 相对密实度 中密状态 2 5 3粘性土的灵敏度和触变性 1灵敏度 低灵敏 中等灵敏 高灵敏 2触变性 粘性土结构遭到破坏 强度降低 但随着时间发展土体强度恢复的胶体化学性质称为土的触变性 2 6土的渗透及渗流 2 6 1土的渗流定律 1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究 结论 水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比 水力梯度 即沿渗流方向单位渗流长度的水头损失 1达西定律 1 达西渗流试验 2 达西定律适用范围与起始水力坡降 达西定律 砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系 密实的粘土 需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透 同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系 2土的渗透系数 时间t内流出的水量 1 常水头试验 整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大 k 10 3cm s 的土 例如砂土 2 现场抽水试验 3影响渗透系数的因素 1 土粒大小与级配 细粒含量愈多 土的渗透性愈小 例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时 砂土的渗透系数就会大大减小 2 土的密实度 3 水的动力粘滞系数 同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数 土的密实度增大 孔隙比降低 土的渗透性也减小 动力粘滞系数随水温发生明显的变化 水温愈高 水的动力粘滞系数愈小 土的渗透系数则愈大 4 土中封闭气体含量 土中封闭气体阻塞渗流通道 使土的渗透系数降低 封闭气体含量愈多 土的渗透性愈小 2 6 3渗透力和临界水头梯度 1 渗透力 水流流经这段土体 受到土颗粒的阻力 阻力引起的水头损失为h 说明 渗透力j是渗流对单位土体的作用力 是一种体积力 其大小与水力坡降成正比 作用方向与渗流方向一致 单位为kN m3 2 临界水力梯度 当土颗粒的重力与渗透力相等时 土颗粒不受任何力作用 好像处于悬浮状态 这时的水力梯度即为临界水力梯度 在工程计算中 将土的临界水力梯度 除以某一安全系数Fs 2 3 作为允许水力坡降 i 设计时 为保证建筑物的安全 将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降 i 内 2 6 4渗透破坏与控制 1 流土渗流作用下 局部土体表面隆起 或某一范围内土粒群同时发生悬浮 移动的现象 流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处 不发生于土体内部 开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象 属于流土破坏 细砂 粉砂 淤泥等较易发生流土破坏 2 管涌在渗流作用下 无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙 发生移动并被带出的现象 土体在渗透水流作用下 细小颗粒被带出 孔隙逐渐增大 形成能穿越地基的细管状渗流通道 掏空地基或坝体 使其变形或失稳 管涌既可以发生在土体内部 也可以发生在渗流出口处 发展一般有个时间过程 是一种渐进性的破坏 3 流土与管涌的判别 渗透破坏的形式与土的类别 颗粒级配以及水力条件等因素有关 粘性土由于粒间具有粘聚力 粘结较紧 一般不出现管涌而只发生流土破坏 一般认为不均匀系数Cu 10的匀粒砂土 在一定的水力梯度下 局部地区较易发生流土破坏 对Cu 10的砂和砾石 卵石 分两种情况 1 当孔隙中细粒含量较少 小于30 时 由于阻力较小 只要较小的水力坡降 就易发生管涌 2 如孔隙中细粒含量较多 以至塞满全部孔隙 此时细料含量约为30 35 此时的阻力最大 一般不出现管涌而会发生流土现象 例题分析 例 某土坝地基土的比重ds 2 68 孔隙比e 0 82 下游渗流出口处经计算水力坡降i为0 2 若取安全系数Fs为2 5 试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏 解答 临界水力坡降 由于实际水力坡降i i 故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏 允许水力坡降 4渗流破化的防治措施 1 水工建筑物渗流处理措施 水工建筑物的防渗工程措施一般以 上堵下疏 为原则 上游截渗 延长渗径 下游通畅渗透水流 减小渗透压力 防止渗透变形 垂直截渗 主要目的 延长渗径 降低上 下游的水力坡度 若垂直截渗能完全截断透水层 防渗效果更好 垂直截渗墙 帷幕灌浆 板桩等均属于垂直截渗 设置水平铺盖 上游设置水平铺盖 与坝体防渗体连接 延长了水流渗透路径 排水减压 为减小下游渗透压力 在水工建筑物下游 基坑开挖时 设置减压井或深挖排水槽 2 基坑开挖防渗措施 人工降水 采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位 在基坑内 外 设置排水沟 集水井 用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出 要求地下水位降得较深 采用井点降水 在基坑周围布置一排至几排井点 从井中抽水降低水位 设置板桩 沿坑壁打入板桩 它一方面可以加固坑壁 同时增加了地下水的渗流路径 减小水力坡降 水下挖掘 在基坑或沉井中用机械在水下挖掘 避免因排水而造成流砂的水头差 为了增加砂的稳定性 也可向基坑中注水 并同时进行挖掘 2 7土的动力特性 2 7 1土的压实原理及作用 原理 使用一定的压实 振动机具 使土颗粒重新组合 彼此挤紧 空隙减小 形成密实的整体 达到压实的目的 作用 土体经过压实之后 内摩阻力和粘聚力大大增强 使土体的强度增大 稳定性增强 压实使土体的透水性明显减低 毛细水作用减弱 水稳定性大大提高 2 7 2击实试验及其影响因素 在试验室内通过击实试验研究土的压实性 击实试验有轻型和重型两种 轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土 击实筒容积为947cm3 击锤质量为2 5kg 把制备成 每层土料用击锤均匀锤击25下 击锤落高为30 5cm 重型击实试验适用于粒径小于40mm的土 击实筒容积为2104cm3 击锤质量为4 5kg 击锤落高为45 7cm 分五层击实 每层56击 根据击实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度 1 击实试验 2土的击实曲线 击实曲线的特点 具有峰值 击实曲线位于理论饱和曲线的左边 击实曲线左陡右缓 影响土压实性的因素很多 主要有含水量 击实功能 土的种类和级配等 1 含水量的影响 2影响击实效果的因素 填料的含水率过高或过低都是不利的 含水率过低 填土遇水后容易引起湿陷 过高又将恶化填土的其他力学性质 因此 在实际施工中填土的含水率控制得当与否 不仅涉及到经济效益 而且影响到工程质量 最佳含水量 在一定的压实功下使土最容易压实 并能达到最多密实度时所对应的含水量称为最佳含水量 土料的最大干密度和最优含水量不是常数 最大干密度随击数的增加而逐渐增大 最优含水量逐渐减小 同时 光凭增加击实功能来提高土的最大干密度是有限的 当含水量较低时击数的影响较显著 当含水量较高时 含水量与干密度关系曲线趋近于饱和线 这时提高击实功能是无效的 2 击实功能的影响 3 土类和级配的影响 土的级配对土的压实性影响很大 级配良好的土 易于压实 级配不良的土 不易压实 含粗粒越多的土样其最大干密度越大 而最佳含水量越小 即随着粗粒土的增多 击实曲线形态不变但朝左上方移动 2 8土 岩 的工程分类 1分类的目的和原则 目的 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 2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 3 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 分类 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 1 岩石 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 2 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 3 砂土 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 4 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IP 10的土称为粉土 5 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IP 10的土称