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第一章 土、岩石的物理性质和分类第一节、 土的物理性质和分类一、 概述首先在讲此节前先了解土、岩石的基本概念。岩石：岩石是构成地壳的自然物体，由多种矿物或一种矿物组成的集合体。在成岩过程和长期的地质历史多次地壳运动，岩体被层理、节理、裂隙断层等所加割，使得天然岩体既有连续性又有裂隙性。土：是覆盖在地表、没有胶结和弱胶结的堆积物，土是地表岩石在漫长的地质年代中经过物理风化、化学风化生成的。 具体来说土是由矿物颗粒和或大或小的孔隙组合起来的，这些孔隙被水和空气所填充，所以土的显著特征是多孔性和散体性这就是所说的土的三项组成。土的三相决定物质的性质、相对含量以及土的结构，构成等各种因素，必然在土的轻重、松密、干湿、软硬等以系列物理和状态上有不同的反映。二、 土的组成（一）土的固体颗粒（矿物颗粒）土的固体颗粒的大小和形状，矿物成分及组成情况是决定土的物理力学性质的重要因素。 粗大颗粒往往是岩石经过物理风化作用形成的碎屑，或是岩石中未产生化学变化的矿物颗粒，形状大多呈块状或粒状，比如石英，长石。 细小土粒主要是化学风化作用形成的次生矿物和生成过程中混入的有机物质，形状大多呈片状。土的组成情况就是常说的土的颗粒级配。1、土的颗粒级配土中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（各粒组占土粒总质量的百分数）来表示称为土的颗粒级配。土的颗粒级配是通过颗粒分析试验来确定的，对于粒径大于0.075mm的粗粒组用筛分法确定，粒径小于0.075mm的细粒组可用密度计法或吸管法（移液管法）测得颗粒级配。粗筛孔径分：100、80、60、40、20、10、5、2、 8种细筛孔径分：2、1.0、0.5、0.25、0.1 、 5种试验时将风干，分散的代表性土样通过一套孔径不同的标准筛，称出留在各个筛子上的土重，即可求得各个粒组的相对含量。根据试验数据可绘制颗粒级配曲线，横坐标表示粒径，采用对数坐标表示，纵坐标表示小于某粒径的土占总土的百分含量。通过做出来的颗粒大小分配曲线，可以看出曲线较陡则表示粒径大小相差不大，土粒较均匀。曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，颗粒不均匀，即级配良好。可以用不均匀系数Cu和曲率系数Cc两个指标来分别描述颗粒级配曲线的坡度和形状：，d60：在分配曲线上小于该粒径的土含量占总土质量的60的粒径称为限制粒径（控制粒径）；反映土中颗粒级配均匀程度。d10：在分配曲线上小于该粒径的土含量占总土质量的10的粒径，称有效粒径，反映粒径分布曲线的形状、级配优劣程度。d30：在分配曲线上小于该粒径的土含量占总土质量的30的粒径。只有同时满足Cu5、Cc13两个条件才能称之为良好级配，反之为不良级配。良好级配：指土的粒径范围较宽广，各个粒组都有一定的含量，级配曲线多呈下凹型。不良级配：指土的颗粒均匀或缺乏中间粒径，不能同时满足Cu、Cc这两个条件。2、土粒的矿物成分原生矿物：岩石经物理风化后破碎成碎屑，矿物成分不变。比如：石英、长石、云母等。次生矿物：岩石经化学风化后，原生矿物发生了化学变化而形成次生矿物。按其与水发生反应可分为可溶性、不可溶性两种；可溶性又细分为易溶、中溶、难溶三种。不可溶的次生矿物都是原生矿物溶滤过后的次生变质产物，是构成粘土颗粒的主要成分故又称粘土矿物。粘土矿物：主要有蒙脱石：晶片之间间距大，具有非常弱的键联结，亲水性强，容易引起大量的膨胀和收缩，压缩性高，强度低；高岭石：晶片之间间距小，具有非常强的氢键联结，水不能自由渗入，可朔性低，压缩性低；伊利石：其工程性质介于蒙脱石，高岭石之间。（二）土中的水和气1、土中的水强结合水、弱结合水、自由水：毛细管水重力水强结合水：紧靠土的固体颗粒表面具有氢键联结、静电引力，具有高粘度和抗剪强度，没有溶解能力，不能传递静水压力，只有吸热变成蒸汽时，才能移动。弱结合水：紧靠于强结合水的外围，形成一层结合水膜，具有定向排列和渗透吸附特性，也不能传递静水压力。自由水：当弱结合水离土粒表面越远，其受到的静电引力愈弱，就可以逐渐过渡为自由水。自由水的性质和普通水一样，可以传递静水压力，有溶解能力，自由水按其移动所受作用力的不同可分为毛细管水和重力水。毛细管水：受到水与空气交界面处表面强力作用的自由水，主要存在于潜水位以上土层中，当土层中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面和土粒接触处的表面引力反作用于土粒，使土具有微弱的凝聚力，可以在工程现场稍湿的砂堆，能保持垂直陡壁几十厘米高而不坍落，就是这个原因。重力水：存在于地下水位以下土层中，它对土粒产生浮力作用。2、土中的气体主要存在于土中的孔隙未被水占据的部分。有的是与大气相通的自由气体，受到外界作用可被挤出对土的性质无影响；有的是与大气不相通的封闭气体，它的存在会减少土的透水性；增大土的弹性。由于土中气相的数量与分布情况不易测定，所以气相对土的物理力学性质的影响问题，目前研究的还不够。三、 土的三相比例指标 以上所讲大家对土的基本物理性质有所了解，还需对土的三相从数量上进行确定，主要包括土粒比重、含水率、密度、孔隙比、孔隙率、饱和度等。1、 土粒比重Gs：土粒质量与同体积的4的水的质量之比。 ws：土粒质量 vs：土粒体积土粒的比重决定于土的矿物成分，一般在2.62.8之间，有机质土为2.42.5，泥炭土：1.51.8土粒的比重的测定方法：粒径小于5mm的土用比重瓶法测定。粒径大于5mm的土，其中大于20mm颗粒小于10时，用浮称法测定；含大于20mm颗粒大于10时，用虹吸筒法测定；粒径小于5mm部分用比重瓶法测定，取其加其权平均值作为土粒比重：Gs1：粒径大于5mm土粒比重 p1：大于5mm土占总质量的百分数Gs2：粒径小于5mm土粒比重 p2：小于5mm土占总质量的百分数一般土粒的比重用纯水测定，对于含有可溶盐、亲水性胶体或有机质的土，须用中性液体（如煤油）测定。为了排除土中的空气，用比重瓶法测定比重时要进行煮沸，煮沸时间砂及砂质粉土不少于30min，粘土及粉质粘土不少于1h。用中性液体（如煤油）测定含有可溶盐、亲水性胶体或有机质的土比重时，用真空抽气法代替煮沸法，抽气真空应接近1个大气压，抽气时间一般12h。2、土的含水量（率）：土在105110下烘到衡量时所失去的水质量和达到衡量后干土质量的比值。 土的“含水量”和：“含水率”在定义上是不同的。室内含水率试验方法：a、酒精燃烧法（适用于简易测定细粒土的含水率） b、比重法（适用于砂类土） c、烘干法（烘干时间对粘质土不少于8h，砂类土不少于6h，对含有机质超过10的土，应将温度控制在6570的恒温下烘至衡量。）3、土的密度：单位体积土的质量。 ：含水率一般粘性土：1.82.0g/cm3,砂土：1.62.0 g/cm3，腐植土1.51.7g/cm3。土的密度的试验方法：粘性土宜采用环刀法，土样宜破碎，难以切削可用腊封法。原位密度测试方法：环刀法、灌砂法、灌水法（适用于砾类土）核子射线法（适用于细粒土）。灌砂法所用的量砂应选择适当粒径使其密度变化较小。通过比较试验，认为粒径在0.30.4mm时密度变化较小，通过国外资料，粒径在0.30.5mm范围内量砂密度较稳定。土工试验建议量砂粒径为0.250.5mm。土的干密度：土单位体积中固体颗粒部分的质量。干密度在工程上通常是作为评定土体紧密程度的标准，以控制填土工程的施工质量。4、孔隙比e和孔隙率n孔隙比e是土中孔隙体积与土粒体积之比。土的孔隙率n：土中孔隙所占体积与总体之比。5、饱和度Sr：土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。换算公式： 四、界限含水率和塑性指数细粒土由于含水率不同，分别处于流动状态、可塑状态、半固体状态和固体状态。液限是细粒土呈可塑状态的上限含水率；塑限是细粒土呈可塑状态的下限含水率；缩限是细粒土从半固体状态继续蒸发水分过渡到固体状态时体积不再收缩的界限含水率。塑性指数： 液性指数：五、土的工程分类（一） 一般知识1、 目的：通过工程用土的鉴别、定名和描述，对土的性状作定性评价。2、适用范围：适用于各类工程用土，但不适用于有机土、混凝土所用砂和石料。3、土的分类的依据：a、土颗粒的组成及其特性。b、土的塑性指标。C、土中有机质含量4、土的粒组粒径范围划分粒组统称粒组划分粒组范围巨粒组漂石（块石）组d200卵石（碎石）组200d60粗粒组砾粒（角粒）粗砾60d20中砾20d5细砾5d2砂砾粗砂2d0.5中砂0.5d0.25细砂0.25d0.075细粒组粉粒0.075d0.005粘粒d0.0055、土类基本代号漂石（块石）：B；卵石（碎石）；砾（角砾）G；砂：S；粉土：M；粘土：C；细粒土：F；混合土：；有机质土O；黄土：Y；膨胀土：E；红粘土：R；级配良好：W；级配不良：P；高液限：H；低液限：La、1个代号即表示土的名称，例：Cb 一卵石、碎石。M一粉土。b、2个代号构成土的名称时，第一个基本代号表示土的主成分，第二个基本代号表示土的特性指标，例：Gp 一不良级配砾，CL一低液限粘土c、由3个代号构成土的名称时，第一个基本代号表示土的主成分，第二个基本代号表示液限的高低（或级配的好坏），第三个基本代号表示土中所含次要成分。例：CHG含砾高液限粘土 MLS含砂低液限粉土（二） 土的分类：1、 巨粒土和含巨粒土的分类、定名2、 粗粒土的分类、定名3、 细粒土的分类、定名（塑性图分类）4、 特殊土的分类、定名（三） 土石坝填筑材料的分类 土石坝是利用当地天然材料修建的挡水建筑物。筑坝材料主要是坝址附近的天然土、砂、石料。按其使用目的及填筑部位不同可分为防渗料、坝壳料、反滤料、过渡料和护坡料等。1、 防渗料：主要作用是防渗，凡渗透系数小于10-5cm/s的细粒土、砾石土均可作为防渗料2、 坝壳料：主要用于保持坝体的稳定，一般要求较高的强度下游坝壳水下部位及上游坝壳水位变动区的坝壳料要求有较高的透水性。一般砾石土、砂砾石、卵石、漂石、料场开采的石料，枢纽建筑物中开挖的石料均可作为坝壳料。3、 反滤料和过渡料设置反滤料和过渡料是保证土石坝安全运行的一个重要措施，当渗透水流由一种材料区流入另一种渗水性较大的材料区时，中间需设置反滤料（作用是防止渗透破坏）。防渗体和坝壳的粒径和刚度相差很大，中间设置过渡料（作用避免坝体内刚度突变）4、 护坡料为了防止土石坝坝坡面因风浪淘刷或雨水冲刷遭到破坏，坝坡一般要设置有护坡。第二节岩石的物理性质和分类一、岩石的物理性质指标有密度、比重、吸水率、前二个与土的密度、比重的计算基本相同。岩石的吸水率：指干燥岩石漫于水中，岩石吸入水的质量与岩石干质量之比。岩石的吸水率取决于岩石所含孔隙的数量、大小以及孔隙细微裂隙的连通情况。在工程上往往可用吸水率的大小来评价岩石的抗冻性，当吸水率小于0。5%一般认为该岩是耐冻的。二、岩石的分类按成因可分为岩浆岩、沉积岩、变质岩按坚固程度分：硬质、软质岩石。按风化程度：全风化、强风化、弱风化、微风化第二章土石料的压实土石方工程是用土石等天然建筑材料经开采、装料、运输、卸料、铺散、压实等工序完成的，其中压实是土石方填筑的最后一道工序也是保证工程质量最重要的工序，土石料的碾压费用一般只占土石方填筑工程总价的5%15%，有的工程因为压实方法或控制含水量不当，工程质量达不到设计要求，不得已中途被迫停工或变更设计，所以正确掌握土、石的压实特性，合理选择压实机械、压实参数是土石方填筑工程的主要问题之一。 粘性土的压实：主要靠颗粒及其吸着水膜的弯曲、畸变及颗粒的重新排列来完成，无粘性土和碎石的压实主要靠颗粒的重新排列和颗粒接触点局部破碎来完成。第一节粘性土的压实一、 压实的基本原理 是指一定的粘性土，用一定的压实功能和压实方法压实时，土的压实干密度与含水量之间的关系。也就是压实曲线。二、 对压实曲线机理的解释 1、普洛克特的毛管润滑说 它认为土中水分影响压实有两个主要因素，即毛管压力、润滑作用。 2、霍金吐根粘着水的解释 近年研究表明，粘着水的厚度仅几个分子厚，但一般压实含水量都有较大，土中水已不只限于粘着水，它的证点是不充分的。3、兰姆的颗粒定向理论着眼于土的物理化学领域中的双电层理论，缺点是仅考虑了片状粘土颗粒不适用于含粗粒的土及含有非片状颗粒的土。4、西尔夫、奥尔逊有效应力理论的解释5、 巴顿、西特的解释三、 影响粘性土压实的因素（一） 含水量对压实的影响（二） 压实功能对压实的影响随压实功能的增加，最大干密度增加，最优含水率减小。Ec：压实功能 Wr：锤重（Kn） H：落高 （m）Nb：每层击实次数 Nl：层数 v：击实筒体积 （m3）（三） 土类对压实的影响不同类别的土，用相同的压实方法和压实功能进行压实，其压实曲线因土类不同而各异。（四） 含水率的制备方法对压实的影响 含水率制备方法有：1、 由湿到干：是将天然含水率较高的土风干到试验要求的含水率。2、由干到湿：是将天然含水率较高的土风干到低于试验要求的含水量，然后再加水制备成试验要求的含水量。 例：如南方的典型红土，“由湿到干”制备的含水率，团粒内湿外干；由“干到湿”制备的含水率团粒内干外湿。试样含水量制备方法不同，其击实试验最优含水率可以相差5%，最大干密度相差0.5g/cm3。所以室内击实时，如土粒天然含水量高于最优含水量，土料事先须降低含水量，试样制备后采用“由湿到干”。否则应采用“由干到湿”。（五）粗粒含量的影响 一般情况下是随着粗粒含量的增加，最大干密度是增加的，但增加到一定程度值时，最大干密度反而降低。1、 确定砾石土不同粗粒含量的最大干密度理论计算法。假定砾石土受一定功能击实时，粗粒间孔隙完全被细粒所填充，而且细粒的压实干密度达到细粒用标准功能单独击实的最大干密度。则砾石土不同粗粒含量的最大干密度理论计算公式为：砾石土最大干密度理论计算值p：粗粒含量：粗粒比重 但理论计算的与实际的做击实试验得出的最大干密度有一定的偏差，其原因为：当砾石土击实时，随着粗粒含量的增加，细粒所受的功能减少，细粒压实干密度值并不能达到，而是随粗粒含量的增加而减少，同时，粗粒含量增加到一定限度后，粗粒架空，细粒不能填满粗粒孔隙。2、确定砾石土不同粗粒含量的最大干密度经验化式当p时（为达到最大干密试时粗粒含量）与1-p在半对数坐标图上呈线性关系lg(1-p):最大干密度实测值：最大干密度理论计算值一般用砾石土作防渗料，为了保证防渗要求，均控制pp。当缺乏砾石土不同粗粒含量的最大干密度实测资料时，且p0.15，可直接用理论分式求得不同粗粒含量的最大干密度，当0.15p12%材料作击实试验，细粒含量5%的作相对密度试验。细粒含量5%12%的既作相对密度试验又作击实试验。二、影响无粘性土和石料压实的主要因素（1）压实功能对压实的影响随着压实功能增加压实干密度增加，或者说随着碾压遍数的增加，压实干密度也增加。（2）最大粒径对压实的影响最大粒径与压实干密度在半对数坐标上呈线性关系（3）颗粒级配对压实的影响颗粒级配直接影响无粘性土和石料压实的难易及压实干密度的大小，一般凡Cu值大，Cc值在13左右或相对靠近，级配良好的，压实性均较大，最大干密度也较大。三、室内相对密度试验1、最小干密试试验：对于粒径小于5mm的砂、砂砾，有量筒法、漏斗法和松砂器法；对粗砂采用铲、勺松填法。2、最大干密度：振打轻锤法，振动台法、表面振动器法。 振打轻锤法：适用于粒径小于5mm的砂砾土 振动台法：适用于粗粒土。第三节土料含水率的调节土石坝填筑对土料含水率有比较严格的要求，粘性土的填筑含水量一般应控制在最优含水率附近，上下限偏离不超过23之间,如果料场土的天然含水率过湿或过干,天然含水率高于或低于设计要求的含水率上下限时,就需要进行土料含水量调节,使其满足设计要求.一、 增加含水率措施 为了保证含水率分布均匀，一般均在开挖前在料场进行（1）料场表面湿调法，效果很好（2）设置沟道或钻孔进行灌水二、 降低含水量的措施（1）农耕翻晒法（2）混合法：将过湿的粘土和粗粒土混合，不但能调节土的含水率而且可以改善土的颗粒组成.（3）强制干燥法：用风热的方法降低土料含水率,费用高，优点是不受外界气候条件影响。设备类型:热风方式 喷烧器方式第四节现场碾压试验一、 试验目的1） 核实设计填筑标准的合理性和可能性2）确定达到设计填筑标准的经济合理的压实方法，包括碾压机具、压实参数、机械参数等3）确定压实质量控制方法，培训质检控制试验人员4）研究和改进填筑的施工工艺和措施二、 压实设备的选择压实设备的选择有的由业主选择，在标书中明确规定必须使用哪种压实设备；有的由承包方根据经验和可能取得的设备选择适宜的压实设备。三、 压实参数和试验组合（一）压实参数，主要指机械参数和施工参数当型号选定后，压实设备的机械参数就基本确定，施工参数有行车速度、层厚、遍数、加水量。（二）试验组合1、经验确定法；2、循环法，即每种参数均与其它所有参数相互组合3、淘汰法，每次只变动一个参数，固定其它参数，通过试验求出该参数的适宜值，同样变动另一个参数，用试验求得第二个参数的适宜值，依此类推。4、综合法：同时采用上述两种或三种方法，部分参数采用经验确定法，部分参数采用淘汰法，部分参数采用循环法确定。四、 试验场地（一）一般要求1、场地应地势平坦，地基坚实；2、用试验用的土料，先在地基上填压一层，压实达到设计标准后在其上进行正式试验；3、试验填土区的两侧至少留出一个碾宽，两端至少留出45m作为非试验区；4、试验取样区的面积，粘性土每个试验组合不小于2*5m，堆大石不小于4*10m；（二）场地布置 一场试验可完成几个或十几个组合试验。用淘汰法，每场只变动一种参数，一般一场试验布置24个组合试验；采用部分循环法，一场试验可以同时有2种或2种以上参数变动，一般一场布置十佘个组合试验。五、现场描述及试验（一）现场描述1、应记录使用的运输车辆，卸料方式，铺料、散料方法，（所用的方法应尽量与将来施工情况近似）2、对粘性土应描述羊足入土深度变化，有无粘碾现象，气胎碾车辙深度，检查碾压后用无剪切破坏现象3、粘性土应观测上、下压实土层结合情况4、对无粘性土及堆石料应观察有无严重分离现象5、各种料种均应记录碾压前松土实际厚度及碾压后压实土层厚试（二）试验1、从碾压试验场取各种土料的代表性试样进行室内试验，试验项目见下表 料种比重颗粒分析液限塑限击实相对密度吸水率一般粘性土砾石土砂及砂砾石堆石2、现场取样试验测定每组试验压实后的密度、含水率，进行颗粒分析。对于粘土用环刀法，取样测定密度、含水率，每组试验不少于5个，当压实后土层厚度大与15cm时，沿深度每隔1015cm分层取样，每层取样不少于5个，最下部的取样深度须达到压实层的底部。对砾石土同粘性土，但应测定粗粒含量、全料密度、细粒密度、粗、细粒的含水率；砂及砂砾石，用灌砂法取样测定密度、含水率。每组试验不少于3个，当压实后土层厚度大于30cm时，沿深度每隔20cm分层取样，取一组代表性土样作颗粒分析，堆石用试杭灌水法取样每组试样不少于2个，并作颗粒分析。六、试验报告第三章压实质量控制第一节判别压实质量的指标一、粘性土的压实质量指标粘性土的压实与其强度、压缩性，惨透性等工程性质有密切关系，由于强度和压缩性的量测不但需要一些熟练的试验人员，而且在短时间内得不到试验成果，所以一般对粘性土的压实质量控制就采用一些简单密度和含水率试验（一）、干密度控制和压实度控制干密度控制不考虑土料压实性的变化，根据击实试验成果，用统计的最大干密度平均值（或中值）乘以设计规定的压实度，即得填土压实干密度控制的下限值，仅用一个干密度作为控制指标。例：某土料，最大干密度（统计资料为：最大值1.65g/cm3，中值为1.51g/cm3，最小值为1.41g/cm3）为1.51g/cm3 ,若设计规定压实度为98%，则干密度控制为1.51*0.98=1.48 g/cm3.这个干密度控制值对最大干密度中值来讲压实度相当于98%,按最大干密度最大值计算其压实度仅为90%，而按最大干密度最小值计算则高达106%，施工时按击实试验统计中值压实度98%选择碾压参数，遇到压实性好的土料就大大超压，最到压实性差的土料，则压不到要求的干密度，必须补压，有时甚至补压也达不到要求，这是干密度控制的最大缺点，其优点是方法简便，不需作击实试验。 压实度控制考虑土料压实性的变化，压实度标准不变，随土料压实性变化即随最大干密度值大小不同而变化，要求达到的压实干密度不同。根据填土实际最大干密度乘以设计规定的压实度求得填土压实干密度控制值例：某土料若规定压实度为98%，对压实性好的土，最大干密度为1.65 g/cm3，压实干密度达到1.65*0.98=1.62 g/cm3才合格；而对压实性最低的土，最大干密度为1.4 g/cm3，压实干密度达到1.4*0。98=1.38 g/cm3就合格了，这样，只要含水量在要求的范围内施工时有可能选用同一碾压参数，避免不必要的超压和补压现象，但采用压实度控制，必须已知该土的最大干密度，才能根据填土压实干密度计算其压实度，因此必须做击实试验。目前，土石方填筑工程粘性土的压实质量控制都采用压实度控制当土料比较均匀，而且工程量不大的中、小工程才采用干密度控制。（二）粗粒粘性土全料压实度控制与细料压实度控制砾石土等含有粗粒的粘性土是粗细粒混合土，说明全部粗细粒混合土的压实状况有：全料压实干密度，全料最大干密度和全料压实度等；扣除细粒只说明细粒土的压实状况则有：细料压实干密度