工程地质与地基基础02土的性质及工程分类

2、土的物理性质及工程分类2.1概述2.2土的组成及土的结构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2.8土的工程分类土的形成形成过程形成条件物理力学性质影响土是岩石经过风化后,在不同条件下形成的自然历史的产物搬运、沉积风化岩石地球土地球2.1概述固体矿物颗粒（固相）土中气体（气相）土中水（液相）2.2土的三相组成及土的结构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（2）次生矿物（3）腐植质2.2.1土的固体颗粒次生矿物蒙脱石伊利石高岭石高岭石高岭石伊利石伊利石蒙脱石2.土颗粒的大小与形状•粒组按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类•界限粒径3.土的粒径级配（1）定义工程中常用土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数来表示，称为土的粒径级配。（2）粒径分析方法•筛分法（d0.075mm的土）•密度计法（d0.075mm的土）筛分法（d0.075mm的土）筛分法就是用一套标准筛子如孔直径(mm)：20、10、5.0、2.0、l.0、0.5、0.25、0.1、0.075，将烘干且分散了的200g有代表性的试样倒入标准筛内摇振，然后分别称出留在各筛子上的土重，并计算出各粒组的相对含量，即得土的颗粒级配。沉降分析法：具体有密度计法(也称比重计法)或移液管法(也称吸管法)。该两法的理论基础都是依据Stokes(司笃克斯)定律，即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105.02.01.00.50.250.1200g10161824223872P%958778665536筛分法原理图筛分法密度计法（d0.075mm的土）（3）颗粒级配的表示方法表示方法：表格法、颗粒累计级配曲线法10-22-0.050.05-0.0050.005A09910B066304C44560010.10.011E-302040608010010小于某粒径的土粒质量/%粒径/mm特征粒径:d60:限定粒径d10:有效粒径d30:中值粒径不均匀程度：Cu=d60/d101、不均匀系数连续程度:Cc=d302/(d60×d10)2、曲率系数粒径级配累积曲线及指标的用途：粒组含量用于土的分类定名；不均匀系数Cu用于判定土的不均匀程度：Cu≥5,不均匀土；Cu5,均匀土曲率系数Cc用于判定土的连续程度：Cc=1~3,级配连续土；Cc3或Cc1,级配不连续土不均匀系数Cu和曲率系数Cc用于判定土的级配优劣：如果Cu≥5且Cc=1~3，级配良好的土；如果Cu5或Cc3或Cc1,级配不良的土2.2.2土中水和气（1）固态水（2）气态水（3）液态水结合水:吸附在土颗粒表面的水自由水:电场引力作用范围之外的水2.2.2.1土中水存在的状态强结合水弱结合水重力水毛细水结合水排列致密、定向性强密度1.2~2.4g/cm3冰点-76℃具有极大的粘滞性和固体的特性温度高于100°C时可蒸发强结合水位于强结合水之外，电场引力作用范围之内密度1.0~1.7g/cm3冰点-20~30℃外力作用下可以移动不因重力而移动，有粘滞性弱结合水图2.8矿物颗粒对水分子的静电引力作用土中毛细现象2.2.2.3毛细水分布在土粒内部相互贯通的孔隙可以看成许多形状不一、直径互异、彼此连通的毛细管rThccos2•上升高度:毛细升高与孔径成反比粘土粉土砂土砾石分析对象:水柱cos22rThrwcT为表面张力2.2.2.5土体中气体(气相)土体中的气体是指存于土体空隙中未被水占据的部分,存在形式有两种:自由气体:与大气相通,对土的性质影响不大封闭气体:与大气隔绝,增大土体的弹性和压缩性土体中气体2.2.1土的结构2.2.3土的结构构造单粒结构蜂窝结构絮状结构砂粒粉粒粘粒2.2.2土的构造层状构造分散构造结核状构造裂隙状构造2.3.1土的三相比例指标概述土的物理性质直接反映土的松密、软硬等物理状态，也间接反映土的工程性质。土的松密和软硬程度主要取决于土的三相各自在数量上所占的比例。三相指标的定义2.3土的物理性质指标固相液相气相土颗粒土中水土中气Water水Air空气Soil固体颗粒VaVwVsVvVma=0mwmsm质量体积土的物理性质指标一共有9个。（1）反映土松密程度的指标有2个：土的孔隙比e=Vv/Vs土的孔隙率n=Vv/V×100％（2）反映含水程度的指标有2个：土的含水量w=mw/ms×100％土的饱和度Sr=Vw/Vv×100％(3)特定条件下的密度指标有5个：土的天然密度ρ=m/v土的干密度ρd=Ms/V土的饱和密度ρsat＝(ms+Vv×ρw)/V土的浮密度（有效密度）ρ/=(ms-Vs×ρw)/V=ρsat-ρw土粒相对密度（土粒比重）ds=ms/mw=ms/(Vs.ρw1)=ρs/ρw1其中三个基本试验指标土的天然密度ρ测定：环刀法土的含水量w测定：烘干法土粒相对密度（土粒比重）ds测定：比重瓶法其它6个指标：Sr、ρd、ρsat、ρ/、e、n可通过指标换算得到。2.3.4指标的换算土的密度、含水量、土粒比重是通过试验测定，其他指标可由这三个指标换算得到。2.4无粘性土的密实度（1）孔隙比e优点：简单方便缺点：无法反映土的级配因素0.60.750.85松散中密密实稍密（2）相对密实度Dr定义：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。minmaxmaxreeeeD（3）标准贯入试验锤击数N为标准301510松散中密密实稍密2.5粘性土的物理特性界限含水量、液限、塑限、缩限塑性指数液性指数灵敏度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，反映土的软硬程度。液限、塑限、缩限一、定义界限含水量、液限WL、塑限Wp、缩限Ws二、测定方法液塑限联合测定法wSWpWL流动状态固态可塑状态半固态0测试结果整理粘性土的可塑性指标塑性指数IP液性指数PPwwILPPPLpLIwwwwwwIIL1.00.75IL≤10.25IL≤0.750IL≤0.25IL0液性指数流塑软塑可塑硬塑坚硬状态无单位粘性土的灵敏度和触变性/uutqqS低灵敏度中灵敏度高灵敏度2.6土的渗透及渗流土中通常含有水，土中含水量的变化及土体中水的流动对土特性的影响非常大。有时这种影响可能会带来灾难。当水在土中流动较快时，将引起坝基渗流、基坑渗流、塌方、泥石流及流土、地下工程受淹等灾害。透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流第1节地下水引发的工程问题一、渗透试验与达西定律kAiLhkAqtQ1.渗透试验kivAq粗粒土：①砾石类土中的渗流不符合达西定律②砂土中渗透速度vcr=0.3-0.5cm/s2、适用条件ivovcrivoi0层流（线性流）——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土两种特例粘性土：致密的粘土ii0,v=k(i-i0))1m(kivm二、渗透系数的测定测定土的渗透系数的方法有:室内试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验htAQlk三.渗透破坏在渗透力较大时，土体内会发生流土、管涌等渗透破坏现象。介绍如下：流土:在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象。原因：动水压力GD大于水的浮重度动水压力：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。iGwD大小:在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。管涌原因：内因——有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因——渗透力足够大管涌流土与管涌的比较流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口图为发生在上海黄浦江隧道施工中流土带来的灾害。施工中发生渗水后，随后出现大量流砂涌入施工中的隧道，导致中山南路部分地面下沉，建筑倾斜。图为发生在湖南望城湘江大堤最大的管涌。由于暴雨使湘江水猛长，使土体中的水力坡降增加，加之土结构的几何原因，发生了图中的管涌。沙袋用来提高逸出口水位，以降低水力坡降。此外还抛了一些大的砾石形成反滤层。四、防治流土、管涌的基本措施防治流土的关键在于控制渗流逸出处的水力坡降,基本措施是确保实际的逸出坡降不超过允许坡降。防止管涌一般可从下两方面采取措施:1.改变水力条件,降低土层内部和渗流逸出处的渗透坡降。如上游做防渗铺盖或打板桩等；2.改变几何条件,在渗流逸出部位铺设层间关系满足要求的反滤层,是防止管涌破坏的有效措施。第5节流土、管涌及其防治大堤江河沙袋砾石•工民建标准•水利部标准•铁道部标准•交通部标准2.8土的工程分类分类依据：能反映土的物理力学性质－土的组成土的状态土的结构土的工程分类是将工程性质相近的土进行分类，以便于工程应用及研究本节主要介绍建筑地基基础设计规范——GB50007－2002分类法土岩石碎石土砂土粉土粘性土人工填土一、岩石按成因分类岩浆岩沉积岩变质岩按坚硬程度分类frk≤515≥frk＞530≥frk＞1560≥frk＞30frk60饱和单轴抗压强度标准值frk(MPa)极软岩软岩较软岩较硬岩坚硬岩坚硬程度类别frk≤515≥frk＞530≥frk＞1560≥frk＞30frk60饱和单轴抗压强度标准值frk(MPa)极软岩软岩较软岩较硬岩坚硬岩坚硬程度类别按完整程度分类0.150.35~0.150.55~0.350.75~0.560.75完整性指数极破碎破碎较破碎较完整完整完整程度等级0.150.35~0.150.55~0.350.75~0.560.75完整性指数极破碎破碎较破碎较完整完整完整程度等级二、碎石土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的颗粒超过全质量50%卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主圆形及亚圆形为主棱角形为主圆砾角砾粒径大于20mm的颗粒超过全质量50%粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%三、砂土土的名称粒组含量粒径大于2mm的颗粒占全质量25--50%砾砂粗砂中砂细砂粉砂粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%四、粉土粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip≤10的土粒径大于0.075mm的颗粒含量大于全质量50%塑性指数Ip10的土五、粘性土10Ip≤17的土Ip17的土粘土粉质粘土六、人工填土人类活动而形成的各类土。成分复杂，均匀性差。分类方法:按组成物质分类如下表：土的名称组成物质素填土素填土由碎石土、砂土、粉土、粘性土等组成的填土杂填土杂填土为含有建筑物垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土冲填土冲填土为由水力冲填泥砂形成的填土压实填土经过压实或夯实的素填土为压实填土1、软土：天然含水量大于液限()，天然孔隙比≥1．5的粘性土是淤泥，1≤e＜1.5的粘性土为淤泥质土。•工程性质：压缩性高、强度低、透水性低，为不良地基。2、红粘土和次生红粘土：50%，=30～50，e=1.1～1.7，Sr＞0.85。液限45%的土为次生红粘土。红粘土的工程性质：强度高压缩性低，失水收缩显著。七、特殊土LwwLwpI3、膨胀土：土中粘粒成分主要由亲水矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性，其自由膨胀率大于或等于40％的粘性土。4、黄土：湿陷性5、冻土：冻胀融沉6、盐渍土：含易溶盐含量大于0.5%，