土的性质及工程分类.ppt

1 第二章土的性质及工程分类 2 2 1概述 风化作用 物理作用 岩石产生量的变化 化学作用 生物作用 岩石产生质的变化 岩石岩石 矿物 颗粒搬运沉积物 土是岩石风化的产物 土与岩石的区分仅在于颗粒胶结的强弱 3 土是三相体 土 液相 水 气相 气 固相 土颗粒 土 残积土 运积土 风成沉积土 水成沉积土 冰川沉积土 饱和土中的孔隙均被水所充填 所以饱和土为二相体 影响土的工程性质的因素 1 三相组成2 沉积年代3 成因 4 残积土 Residualsoil岩石风化后仍然留在原地的堆积物 残积土的厚度和风化程度主要取决于气候条件和暴露时间 其明显特征是颗粒多为角粒 且母岩种类对残积土的性质有显著影响 优良母岩 质地不良母岩 运积土 Transportedsoil经流水 风和冰川等动力搬运离开产地的堆积物 可分为 5 河流沉积土 水冲积形成的 上游颗粒粗 下游颗粒细 故 上游 强透水 引起渗漏和渗透变形问题下游 地基土的高压缩性和低强度引起的基础沉降和稳定问题 同时要考虑渗透变形问题 6 风积土 黄土典型特点 湿陷性 所谓湿陷性指黄土未浸水时 含水率低 一般10 左右 仍能维持陡壁或承受较大的建筑物荷载 可一旦湿水 其胶结强度会迅速降低 会在自重或建筑物荷载下剧烈下沉 黄土的这种性质称为湿陷性 7 2 2土的三相组成及土的结构 一 土的固相土的重要组成 土颗粒的矿物成分不同 粗细不同 形状不同 土的性质不同 1 土粒的矿物成分矿物成分对土的性质有着重要影响 其中以细粒组的矿物成分最为重要 8 土颗粒的矿物成分 原生矿物 次生矿物 原生矿物 包括石英 长石和云母等 为岩石物理风化的产物 化学性质稳定或较为稳定 次生矿物 为原生矿物化学风化的产物 主要是粘土矿物 9 由于晶片结合的情况不同 便形成了具有不同性质的各种粘土矿物 主要有蒙脱石 伊里石和高岭石 硅氧四面体 硅氧晶片 铝氢氧八面体 铝氢氧晶片 的基本单元粘土矿物结构 10 蒙脱石 亲水性强 吸水膨胀 脱水收缩 伊里石 亲水性中等高岭石 亲水性差 蒙脱石 11 2 土的粒组按土颗粒粒径 d 大小将土颗粒分组 称为粒组 划分粒组的分界尺寸称为界限粒径 巨粒 60mm土的粒组粗粒 0 075 60mm细粒 0 075mm 12 13 3 土的颗粒级配土颗粒的大小及其组成情况 通常以土中土颗粒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 土的颗粒级配可由土的颗粒大小分析试验 简称颗分试验 测定 筛析法 密度计法 d 0 075mm 移液管法 d 0 075mm 颗分试验 14 利用一套孔径由大到小的筛子 将事先称过质量的干试样放入筛中 经过充分震摇后 把留在各级筛上的土粒分别称量 算出小于某粒径的土粒含量 用以确定土中各粒组的土粒含量 15 筛分法 适用于粒径大于0 075mm的土 16 比重计法 适用于粒径小于0 075mm的土 17 比重计法是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 将一定质量土浸入水中搅拌成悬液 搅拌停止后 土粒便开始下沉 悬液的浓度随之发生变化 利用特制的密度计 在不同时刻测悬液浓度的变化 即可换算出相应的粒径及小于该粒径的土粒质量 绘出级配曲线 18 颗粒分析的先进方法 激光颗分 19 根据颗粒大小分析试验结果 可以绘制颗粒级配累积曲线 横坐标为粒径 用对数坐标表示 纵坐标为小于某粒径的土重含量 用常数坐标表示 颗粒级配曲线的坡度可以大致反映土的均匀程度 曲线陡 表示粒径大小相差不多 土颗粒比较均匀 曲线缓 表示粒径大小相差悬殊 土颗粒不均匀 级配良好 水平段 台阶 表示缺乏某些粒径 是不连续级配 20 21 22 几个特殊粒径 d10 d30 d60小于某粒径的土颗粒质量累积百分数为10 时 相应的粒径称为有效粒径d10 与之类似可以得到d30 中值粒径 和d60 限定粒径 土颗粒的级配指标 不均匀系数Cu d60 d10曲率系数Cc d30 2 d60 d10 23 Cu反映大小不同粒组的分布情况 Cu越大 表示土颗粒大小的分布范围越大 其级配良好 Cc描写累积曲线的分布范围 反映曲线的整体形状 在一般情况下 Cu 5 均粒土 为级配不良 10 级配良好 24 Cu 5 Cc 1 3 级配良好 砾类土或砂类土 单独用Cu来确定土的级配情况是不够的 需同时参考Cc 25 2 2 2土中水和气1 土中水 土中水 结合水 自由水 强结合水 弱结合水 重力水 毛细水 土的含水量试验所测定的为土中的自由水和弱结合水 26 自由水 是指存在于土粒表面电场影响范围以外的土中水 性质和普通水一样 能传递静水压力 冰点为0 有溶解盐类的能力 分为毛细水和重力水 结合水 是指水受电分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水 分为强结合水和弱结合水 强结合水 紧靠土粒表面 性质接近于固体 密度为1 2 1 4g cm3 冰点为 78 不传递静水压力 具有极大的粘滞度 弹性和抗剪强度 27 重力水 存在于地下水位以下 土颗粒电分子引力范围以外的水 在重力作用下运动 毛细水 受到水与空气交界面处表面张力的作用 存在于地下水位以上的透水层中自由水 弱结合水 在强结合水以外 电场作用范围以内 电场作用力随远离颗粒而减弱 是一种粘滞水膜 受力时能由水膜较厚处缓慢转移到水膜较薄处 能产生变形 但不因重力作用而流动 与土的可塑性 土的冻胀有关 28 粘土颗粒 水分子 极性 29 4 土的冻胀冻胀 当大气负温传入土中时 土中的自由水首先冻结成冰晶体 随着气温的继续下降 结合水的最外层也开始冻结 使冰晶体逐渐扩大 另一方面 结合水膜的减薄 使得水膜中的离子浓度增加 土粒就产生了渗透压力 在这两种引力作用下 未冻结区的水分 弱结合水和自由水 就会不断地向冻结区迁移和积聚 使冰晶体不断扩大 在土层中形成冰夹层 土体随之发生隆起 即冻胀现象 30 影响冻胀的因素 土的因素 细粒土 粉砂 粉土 粉质粘土和粉质亚砂土 冻胀现象严重 由于具有显著的毛细现象 毛细水上升高度大 上升速度快 具有较通畅的水源补给通道 土颗粒细 比表能大 土的矿物成分亲水性强 有较多的结合水 粘土虽有较厚的结合水膜 但毛细孔隙小 水分迁移阻力大 冻胀性小 水的因素 冻结区附近地下水位较高 毛细水上升高度能够达到或接近冻结线 使冻结区能得到外部水源的补给 冻胀现象严重 开敞型冻胀 冻结过程中有水源补给 冻胀强 封闭型冻胀 冻结过程中无水源补给 冻胀弱 31 温度的因素 当气温骤降且冷却强度很大时 土的冻结面迅速向下推移 即冻结速度快 此时 土中弱结合水来不及向冻结区迁移就在原地冻结成冰 毛细通道被晶体所阻塞 冻胀不明显 若气温缓慢下降 冷却强度小 但负温持续时间较长 未冻区水分不断地向冻结区迁移积聚 冻胀明显 32 5 土的气相土孔隙中未被水所占据的部位由气体充填 粗颗粒 土中的气体与大气相通 对土的力学性质影响不大 细颗粒 存在与大气隔绝的封闭气泡 使土的压缩性提高 透水性减小 封闭气泡 随着压力的增大 封闭气泡可能压缩或溶解于水中 压力减小时 气泡会恢复原状或重新游离出来 封闭气体对土的性质有较大影响 导致渗透性减小 弹性增大 拖延土的压缩和膨胀变形随时间的发展过程 33 2 2 3土的结构和构造土的结构是指由土粒单元的大小 形状 相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征 土的结构 絮状结构 d 0 005mm 粘粒在海水中 蜂窝结构 d 0 005 0 075mm 粉粒 单粒结构 d 0 075mm 分散结构 d 0 005mm 粘粒在淡水中 紧密 疏松 34 粗粒土 单粒结构 疏松状态 在荷载作用下 特别是在震动荷载作用下会使土粒移向更稳定的位置而更加密实 同时产生较大的变形 密实状态 比较稳定 力学性质好 粗砂土如砂土 砾石等土类的结构特征 35 粉土 蜂窝结构 土粒下沉过程中 接触点引力大于下沉土粒重量形成链环状单元 很多这样的链环状单元联接起来 便形成孔隙较大的蜂窝状结构 蜂窝状结构常在粉土 粘土类中遇到 36 微小的粘粒 重量极轻 靠其自重在水中下沉 极为缓慢 土粒表面常带有同号电荷 因而悬浮在水中作分子热运动 不能相互碰撞结成粒团下沉 在悬液介质发生变化时 土表面的弱吸着水厚度减薄 运动着的粘粒相互聚合 以面对边或者面对角的接触 并凝结成絮状物下沉 孔隙很大 强度低 压缩性高 对扰动比较敏感 土粒间的联接强度会由于压密和胶结作用而逐渐得到加强 37 土的构造 同一土层中的物质成分和颗粒大小等相近的各部分之间的相互关系的特征 成层性 最主要的特征 即层理构造 是在土的形成过程中 由不同阶段沉积的物质成分 颗粒大小或颜色不同 而沿竖向呈现的成层特征 裂隙性 大大降低土体强度和稳定性 增大透水性 对工程不利 此外 注意土中有无包裹物 腐殖物 贝壳 结核体等 以及天然或人为孔洞 38 2 3土的物理性质指标 土 液相 水 气相 气 固相 土颗粒 土是三相体 为了对土的基本物理性质有所了解 需要对土的三相的组成情况进行定量研究 表示土的三相组成比例关系的指标 称为土的三相比例指标 包括 含水量w 密度 土粒比重ds 孔隙比e 孔隙率n和饱和度Sr等 39 40 2 3 1指标的定义 1 三个基本试验指标土的含水量w 土中水的质量与土粒质量之比 在试验室一般用 烘干法 测定 一般来说 同一类土 当含水量增大时 其强度就降低 41 42 土的密度 土单位体积的质量 在试验室一般用 环刀法 测定 43 土粒比重ds 土粒质量与同体积的4 时纯水的质量之比 在数值上等于土粒密度 但无量纲 在试验室用 比重瓶法 测定 一般土粒比重的变化幅度不大 44 测定方法 比重瓶法 事先将比重瓶注满纯水 称瓶加水的质量m1 然后把烘干土若干克 ms 装入空比重瓶内 再加纯水至满 称瓶加水加土的质量m2 按下式计算土粒比重 45 2 反映土单位体积质量 或重度 的指标 土的密度 干密度 饱和密度 有效密度 天然重度 干重度 天然密度 饱和重度 有效重度 46 3 反映土的孔隙 含水特征指标土的孔隙比e 土中孔隙体积与土粒体积之比 可以用来评价天然土层的密实程度 土的孔隙率n 土中孔隙体积与土体总体积之比 土的饱和度Sr 土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比 47 2 3 2指标的换算 48 2 4无粘性土的密实度 无粘性土的密实度与其工程性质有着密切的关系 呈密实状态时 为良好地基 呈疏松状态时 为不良地基 无粘性土的最小孔隙比emin 处于最紧密状态的孔隙比 在试验室可用 振击法 测定 无粘性土的最大孔隙比emax 处于最疏松状态的孔隙比 在试验室可用 漏斗法 或 量筒法 测定 49 1 无粘性土的相对密实度Dr RelativeDensity 无粘性土的最大孔隙比与天然孔隙比之差和最大孔隙比与最小孔隙比之差的比值 Dr emax e emax emin 相对密实度的值介于0 1之间 值越大 表示越密实 50 2 建筑地基基础设计规范 N 3 碎石土密实度野外鉴别方法 51 标准贯入试验 StandardPenetrationTest 锤重 63 5kg 落距 760mm 打入深度 300mm 标准贯入数N63 5 52 2 5粘性土的物理特征 2 5 1粘性土的界限含水量同一种粘性土随着含水量的不同 可分别处于固态 半固态 可塑状态和流动状态 粘性土由一种状态转到另一种状态的分界含水量 称为界限含水量 0 固态 半固态 可塑状态 流动状态 缩限ws 塑限wp 液限wl w 53 液限仪 锥式液限仪 碟式液限仪 塑限 搓条法 液限 塑限 液限 液塑限联合测定仪 横坐标 土样含水量 纵坐标 圆锥入土深度 54 2 5 2粘性土的塑性指数和液性指数塑性指数Ip为液限和塑限的差值 表示土处于可塑状态的含水量变化范围 塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素 土的颗粒组成 土的矿物成分以及土中水的离子成分和浓度等 液性指数Il为粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数的比值 液性指数可以表示粘性土所处的软硬状态 液性指数的值越大 表示土质越软 55 2 5 3粘性土的灵敏度和触变性灵敏度 原状土的强度与同一土经重塑 含水量不变 土的结构被彻底破坏 后的强度之比 土的灵敏度越高 其结构性越强 受扰动后土的强度降低就越多 施工中要尽量减少对土结构的扰动 触变性 粘性土的结构遭到破坏 其强度就会降低 但随着时间发展土体的强度会逐渐恢复 这种胶体化学性质称为土的触变性 56 57 2 7土的动力特性 土的静力问题 荷载不随时间变化 土的动力问题 土体在动荷载的作用下 强度和变形性质受到影响 可能造成土体破坏 但有时也可利用动荷载进行地基处理 还可以用于其它工程建设 一 土的压实原理压实的目的 增加土的密实度 提高土的强度 减少压缩性 实际工程中的压实方法 碾压 夯实和振动 粗粒土的压实标准 一般用控制 58 大量工程实践和试验研究表明 控制土的压实效果的主要因素是 土的含水量 压实机械及其压实功能等 土的压实效果常用干密度 d 单位土体积内土粒的质量 来衡量 59 二 击实试验及击实曲线击实设备 击实仪 包括击实筒 击实锤及导筒 击实方法 用击实锤按规定的落距和击数锤击分层土样 最后把被压实的土样充满击实筒 由击实筒的体积和筒体被压实的土重计算出湿密度 同时测出含水量 换算出干密度 击实曲线 击实曲线 对不同含水量的土样击实 得到不同的干密度 绘制的含水量和干密度曲线 60 击实曲线的特点 1 峰值 最大干密度 dmax2 击实曲线位于理论饱和曲线左边 3 击实曲线的形态 左陡右缓 61 最优含水量对粘性土 当压实功能和条件相同时 土的含水量过大或过小 土体都不易压实 只有把土的含水量调整到某一适宜值时 才能收到最佳的压实效果 在一定压实机械的功能条件下 土最易于被压实 并能达到最大密度时的含水量 称为最优含水量wop 相应的干密度则称为最大干密 dmax 62 含水量低时 土粒表面的结合水膜薄 水处于强结合水状态 土粒间距小 粒间引力占优势 土粒间的摩擦力 粘结力都很大 所以土粒相对位移时阻力大 压实效果差 含水量增加 结合水膜增厚 土粒间距也逐渐增加 这时斥力增加而使土块变软 引力相对减小压实功能比较容易克服粒间引力而使土粒相互位移 趋于密实 压实效果较好 含水量继续增大 随粒间引力减小 但出现了自由水 而且水占据的体积越大 颗粒占据的体积就越小 击实时孔隙中过多的水分不易排出 同时也排不出气体 以封闭气泡的形式存在于土内 阻止土粒的移动 击实效果下降 63 影响因素 1 含水量 较干 较湿均得不到充分压实 最优含水量时可以 2 击实功 加大击实功能 能克服较大的粒间阻力 使土的干密度增加 最优含水量减小 含水量较低时能量影响较显著 含水量较高时 靠加大击实功能来提高密实度是无效的 3 土粒及级配 颗粒越粗 就越能在低含水量时获得最大干密度 级配良好的土 由于细颗粒进入粗颗粒的孔隙中 压实效果好 反之差 干砂容易压实 稍湿击实效果不好 饱和砂土击实效果良好 64 压实特性在现场填土中的应用压实系数 工地压实时要