石振明
土木工程学院 地下建筑与工程系
2014年4月28日
第4章 土的工程性质与分类
? 4.1 概述 ? 4.2 土的组成 ? 4.3 土的结构、构造
? 4.4 土的工程分类
4.1 概述
土的定义 是连续、坚固的岩石在风化作用下形成 的大小悬殊的颗粒,在原地残留或经过不同 搬运方式,在各种自然环境中形成的堆积物。 土的物质组成
包括作为上骨架的固体矿物颗粒、孔 隙中的水及其溶解物质以及气体。因此, 土是由颗料(固相)、水溶液(液相)和 气(气相)所组成的三相体系。
4.2 土的组成
a.固体颗粒 在土的三相组成物质中,固体颗粒 (以下简称土粒)是土最主要的物质成分。 土的工程性质主要取决于组成土的土 粒的大小和矿物类型,即土的粒度成分和 矿物成分。
4.2 土的组成
1. 基本概念 粒径(度)
颗粒大小以直径(单位为 mm )计,称 为粒径(或粒度)。
粒组
界于一定粒径范围的土粒,称为粒组。
粒度成分(或称颗粒级配)
土中不同粒组颗粒的相对含量,称为土 的粒度成分(或称颗粒级配),它以各粒组 颗粒重量占该土颗粒总重量的百分数来表示。
4.2 土的组成
2. 土的粒组划分标准
划分方法不完全一致,一般采用的粒组划分 及各粒组土粒的性质特征见表 2-1 。表中根据界 限粒径200、20、2、0.075和0.005mm把土粒分为 六大粒组: 漂石(块石)颗粒: d>200mm; 卵石(碎石)颗粒: 200mm>d >20mm ; 圆砾(角砾)颗粒: 20mm>d >2mm ; 砂粒: 2mm>d >0.075mm; 粉粒: 0.075mm>d >0.005mm; 粘粒: d10的土则是不均匀的,即级配良好。
4.2 土的组成
曲率系数(Cc)
用于来说明累积曲线的弯曲情况,从而分析 评述土粒度成分的组合特征:
Cc = d302/(d10 ·d60)
式中d10,d60的意义同上,d30为相应累积含 量为30%的粒径值。 Cc值在1~3之间的土级配较好。Cc值小于1或 大于3的土,累积曲线都明显弯曲(凹面朝下或朝上) 而呈阶梯状,粒度成分不连续,主要由大颗粒和小 颗粒组成,缺少中间颗粒。
4.2 土的组成
7. 土的矿物成分 根据组成土的固体颗粒的矿物成分的 性质及其对土的工程性质影响不同,分为 以下四大类别: (1)原生矿物; (2)不溶于水的次生矿物(以粘土矿 物和硅、铝氧化物为主); (3)可溶盐类及易分解的矿物; (4)有机质。
4.2 土的组成
b.土中水
在自然条件下,土中总是含水的。在一般粘 性土,特别是饱和软粘性土,土中水的体积常占 据整个土体相当大的比例(一般为50%~60%, 甚至高达80%)。研究土中水,必须明确有关土 中水的如下概念: (1)水分子H2O是强极性分子. (2)土中水是水溶液。 (3)土中水溶液与土颗粒表面及气体有着 复杂的相互作用。
4.2 土的组成
土中水的分类 按土中水所呈现的性质差异及其对土 的影响性质与程度,可将土中水分为结合 水和非结合水两大类。
4.2 土的组成
强结合水
土 中 水 分 类
结合水 弱结合水
土中水
固态水 非结合水 液态水 气态水 重力水 毛细水
4.2 土的组成
c.土中气体 土中的气体,主要为空气和水气。但 有时也可能含有较多二氧化碳、沼气及硫 化氢,这些气体大多因生物化学作用生成。 气体的存在形式:一种是封闭气体, 另一种是游离气体。
4.3 土的结构、构造
土的工程性质及其变化,除取决于其 物质成分外,在较大程度上还与诸如土的 粒间连结性质和强度;层理特点;裂隙发 育程度和方向以及土质的其他均匀性特征 等土体的天然结
构和构造因素有关。
4.3 土的结构、构造
a.土的结构 是指土颗粒本身的特点和颗粒问相 互关系的综合特征,具体来说是指:
1)土颗粒本身的特点:土颗粒大小、形 状和摩圆度及表面性质(粗糙度)等。 2)土颗粒之间的相互关系特点:粒间排 列及其连结性质。
4.3 土的结构、构造
土的结构类型 分为单粒(散粒)结构和集合体(团 聚)结构。 单粒结构(散粒结构),单粒结构为 砂性土所特有,对土的工程性质影响主要 在于其松密程度。 集合体结构,也称团聚结构或絮凝结 构。这类结构为粘性土所特有。
4.3 土的结构、构造
单粒结构特点
1)具有单粒结构的碎石土和砂土,虽然孔隙比较 小,而孔隙大,透水性强,土粒间一般没有内 聚力,但土粒相互依靠支承,内摩擦力大,并 且受压力时土体积变化较小。 2)再者,由于这类土的透水性强,孔隙水很容易 排出,在荷载作用下压密过程很快。因此,即 使原来比较疏松,当建筑物结构封顶,地基沉 降也告完成。 3)对于具有单粒结构的土体,一般情况(静荷载 作用)下可以不必担心它的强度和变形问题。
4.3 土的结构、构造
集合体结构特点
1)孔隙度很大(可达50%~98 %),而各单独 孔隙的直径很小,特别是聚粒絮凝结构的孔隙 更小,但孔隙度更大,因此,土的压缩性更大。 2)含水量很大,往往超过50%,而且因以结合水 为主,排水困难,故压缩过程缓慢。 3)具有大的易变性—不稳定性。
4.3 土的结构、构造
b.土的构造 1. 土的构造定义与研究意义 土的构造:指整个土层(土体)构成 上的不均匀性特征的总和。 整个土体构成上的不均匀性包括:层 理、夹层、透镜体、结核、组成颗粒大小 悬殊及裂隙发育程度与特征等。这种构成 上的不均匀性是由于土的矿物成分及结构 变化所造成的。
4.3 土的结构、构造
研究意义 (1)土体构造特征反映土体在力学性质 和其他工程性质的各向异性或土体 各部位的不均匀性,因此,要掌握 其变化规律。如,由砂土和粘性土 组成的层状或互层构造土体的物理 力学性质皆显示其各向异性特点。 (2)土体的构造特征是决定勘探、取样 或原位测试布置方案和数量的重要 因素之一。
4.3 土的结构、构造
土的构造特点 (1)对于碎石土,粗石状构造和假斑状构 造是最普遍的; (2)对于砂土和砂质粉土,各种不同形式 的夹层、透镜体或交错层构造,较为 普遍。 (3)在粘性土中,常见有层状、显微层状 构造及各种裂隙、节理构造。
4.3 土的结构、构造
4.3 土的结构、构造
4.4 土的工程分类
1. 土的工程分类的目的
1)根据土类,可以大致
判断土的基本工程特 性,并结合其他因素评价地基土的承载力、 抗渗流与抗冲刷稳定性,在振动作用下的 可液化性以及作为建筑材料的适宜性等; 2)根据土类,可以合理确定不同上的研究内 容与方法; 3)当土的性质不能满足工程要求时,也需根 据土类(结合工程特点)确定相应的改良 与处理方法。
4.4 土的工程分类
2. 土的工程分类应遵循的原则
1)工程特性差异性的原则。即分类应综合考虑 土的各种主要工程特性(强度与变形特性 等),用影响土的工程特性的主要因素作为 分类的依据。 2)以成因、地质年代为基础的原则。土的工程 性质受土的成因(包括形成环境)与形成年 代控制。 3)分类指标便于测定的原则,即采用的分类指 标,要既能综合反映土的基本工程特性,又 要测定方法简便。
4.4 土的工程分类
3. 我国土的工程分类
(1)土按堆积年代可划分 老堆积土 第四纪晚更新世Q3及其以前堆积的土层, 一般呈超固结状态,具有较高的结构强度; 一般堆积土 第四纪全新世(文化期以前Q4)堆积上层; 新近堆积土 文化期以来新近堆积的上层Q4,一般呈欠 压密状态,结构强度较低。
4.4 土的工程分类
(2)土根据地质成因分 可分为残积土、坡积土、洪积土、冲 积土、湖积土、海积土、风积土和冰川沉 积土,各成因类型沉积土的特征见书中有 关章节。 (3)土根据有机质含量分 可分为无机土、有机质土、泥炭质土 和泥炭。
4.4 土的工程分类
(4)土按颗粒级配和塑性指数分
1)碎石土:粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50 %的土。 2)砂土:粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50 %,且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重 50%的土。根据颗粒级配分为砾砂、粗砂、中砂、 细砂和粉砂。 3)粉土:粒径大于0.075mm的颗粒不超过全重50 %,且塑性指数小于或等于10的土。根据颗粒 级配(粘粒含量)分为砂质粉土和粘质粉土。 4)粘性土:塑性指数大于10的土。根据塑性指数 分为粉质粘土和粘土。
4.4 土的工程分类
(5)特殊类土
具有一定分布区域或工程意义上具 有特殊成分、状态和结构特征的土称为 特殊性土,规范分为湿陷性土、红粘土、 软土(包括淤泥和淤泥质土)、混合土、 填土、多年冻土、膨胀土、盐渍土、污 染土。
土的工程分类及性质
土的工程分类及性质
一,土的分类
根据土的开挖难易程度将土分为八类,前四类为一般土,即可人工也可机械,后四类为岩石,必须用爆破等施工方式。 二,土的工程性质
土的工程性质可用一些物理量来表示。
1)土的含水量:土中水的质量与固体颗粒质量之比。 W =m w
m s
含水量影响边坡稳定和填土压实,含水量在25%以上,机械开挖 是行车困难,容易陷车。
应用:最佳含水量可使填土获得最大密实度的含水量。
2)土的密度
天然密度:土在天然状态下单位体积的质量。
=m V
干密度:单位体积土中固体颗粒的质量。
=d m s V
土的质量密度影响土的承载力、土压力和边坡的稳定性。 应用:检测填土压实质量的控制指标。
3)土的渗透性:水在土体中渗流的性能,一般用渗透系数K 表示。 渗透系数K :在水力坡度(I =?L ) 为1的渗流作用下,水在土
中渗出的速度(v =KI )
土的渗透系数与土的颗粒级配、密实程度有关。
应用:选择降低水位方法、回填土。
4)土的可松性:自然状态下的土经开挖后,内部组织破坏,其体积 因松散而增加,以后虽经回填压实仍不能恢复其原来体积的性质。 一般用可松性系数表示。
最初可松性系数:土经开挖后的松散体积与原自然状态体积之比。 K =S V 松散 V 原
最后可松性系数:土经回填压实后的体积与原自然状态体积之比。 K '=S V 压实 V 原
土的可松性对土方开挖、运输、场地平整、土方量的平衡调度、 土方存放、挖土回填、留回填松土等均有很大影响。
土的性质与工程分类
第一章 土的性质与工程分类
学习指导
内容简介
土的物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系及固、液二相相互作用表现出来的性质。土的物理性质在一定程度上决定了它的力学性质,其指标在工程计算中常被直接应用。 土的工程分类应能反映土性质的变化规律。
教学目标
掌握土的基本物理性质、粘性土的稠度与可塑性、土的工程分类 学习要求
1、重点掌握土的各种物理性质指标的定义
2、掌握影响各指标大小的因素及各指标的单位与常见值 3、掌握各指标之间的关系及求取方法,熟悉各指标的实际应用 4、了解土的透水性和土的结构 5、了解土的各种工程特性
6、熟悉工程分类中的土质分类原则及建设部的土质分类标准
基本概念
天然密度、土粒密度、含水量、孔隙比、孔隙度、饱和度、容重、稠度、塑限、液限、塑性指数、液性指数
学习内容
第一节 土的基本物理性质 第二节 土的结构 第三节 土的水理性质 第四节 第五节 第六节 第七节
粘性土的稠度与可塑性 土的压实性 土的工程分类 特殊土介绍
学时安排
本章总学时数:6.5学时 第一节 第二节 第三节 第四节
1.0学时 1.0学时 0.5学时 0.5学时
第五节 0.5学时 第六节 1.0学时 第七节 2.0学时
主要教学内容
第一节 土的基本物理性质
土的基本物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系。
一、土的三相图
土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。三相比例指标反映了土的干燥与潮湿、疏松与紧密,是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标,也是工程地质勘察报告中不可缺少的基本内容。
可采用土的三相示意图使三相比例关系形象化和阐述方便。
图 土的三相示意图
V—土的总体积,cm3; m—土的总质量,g; Vs—土中固体颗粒实体的体积,cm3; ms—土的固体颗粒质量,g; Vv—土中孔隙体积,cm3; mw—土中液体的质量,g; Vw—土中液体的体积,cm3; ma—土中空气的质量,(ma=0); Va—土中气体的体积,cm3。
二、三相基本试验指标
土的密度、土粒密度、土的含水量三个指标可在实验室内直接测定,是实测指标,常称为土的三相基本试验指标。
1.土的密度(天然密度)
土的密度是指土的总质量与总体积之比,即单位体积土的质量,其单位是g/cm3,常见值为1.6~2.2g/cm3(见下表)。
工程实际中,常将土的密度换算成土的重度(γ),重度等于密度乘以重力加速度g,其单位是kN/m3,即:
,
土的密度常用环刀法测定。
2.土粒密度(土粒比重)
土粒密度是指固体颗粒的质量与其体积之比,即单位体积土粒的质量,其单位为g/cm3。
土粒密度也称土粒比重(土粒相对密度),是指土的质量与4℃时同体积水的质量之比,其值与土粒密度相同,但没有单位,在用作土的三相指标计算时必须乘以水的密度值才能平衡量纲。
土粒密度大小决定于土粒的矿物成分,与土的孔隙大小和含水多少无关,它的数值一般在2.6~2.8g/cm3之间(见表 )。
表 各种主要类型土的土粒密度
3.土的含水量
土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比,以百分数表示,又称土的含水率。
含水量通常以百分数表示,它是描述土的干湿程度的重要指标。土的天然含水量变化范围很大,从干砂的含水量接近于零到蒙脱石的含水量可达百分之几百。 含水量常用烘干法测定。
三、其它常用换算指标
除了上述三个试验指标之外,还有六个可以计算求得的指标,称为换算指标,包括以下指标。
1.表示土中孔隙含量的常用指标
土中孔隙大小、形状、分布特征、连通情况与总体积等,称为土的孔隙性。其主要取决于土的颗粒级配与土粒排列的疏密程度。实际上土的孔隙性指标一般反映的是土中孔隙体积的相对含量,主要有孔隙度和孔隙比两个指标。
(1)孔隙度
孔隙度——又称孔隙率,指土中孔隙总体积与土的总体积之比,用百分数表示。
土的孔隙度取决于土的结构状态,砂类土的孔隙度常小于粘性土的孔隙度。土的孔隙度一般为27~52%。
(2)孔隙比
孔隙比——指土中孔隙体积与土中固体颗粒总体积的比值,用小数表示。
土的孔隙比说明土的密实程度,按其大小可对砂土或粉土进行密实度分类。 如在《岩土工勘察规范》中,用天然孔隙比来确定粉土的密实度。e
为中密;e>0.9为稍密的粉土。
(3)孔隙比与孔隙度的关系
2.表示土中含水程度的指标
表示土中水含量的指标除含水量外,还有饱和度。
饱和度——土孔隙中所含水的体积与土中孔隙体积的比值称为土的饱和度,以百分数表示。
饱和度可以说明土孔隙中充水的程度,其数值为0~100%,干土Sr=0;饱和土Sr=100%。
3.表示土的密度和容重的指标 (1)饱和密度
土的孔隙完全被水充满时的密度称为饱和密度,是指土孔隙中全部充满液态水时的单位体积土的质量,即
式中:ρw为水的密度(g/cm3),常近似取1.0g/cm3。
(2)干密度
干密度指土在干燥状态下的密度,在数值上等于单位体积中土粒的质量,即
干密度的单位是g/cm3。土的干密度越大,土越密实,强度就越高,水稳定性也好。干密度常用作填土密实度的施工控制指标。
在工程中饱和密度或干密度乘以重力加速度g,分别变换为饱和重度或干重度,
另外,处于地下水位以下的土层,如果土层是透水的,此时土受水的浮力作用,土的实际重量将减小,那么这种处于地水位以下的有效重度常特称为土的浮重度,即
饱和重度与浮重度之间有关系,
对于同一种土来讲,土的天然重度、干重度、饱和重度、浮重度在数值上有如下关系:
四、指标之间的换算关系
上述表示土的三相比例关系的指标一共有9个,即:土粒密度、天然密度、干密度、饱和密度、浮重度、含水量、饱和度、孔隙度、孔隙比。它们主要反映了土的密实程度与干湿状态,而且相互之间都有内在联系。
土的三相指标之间可以进行换算,由于三个基本指标可以实测,因此,一般用它们来换算其他指标。换算的一般方法是: 第一种方法:
第二种方法:
三相比例指标之间可以建立相互换算关系,具体的换算公式可查阅换算表2-2,计算例题见例题。
例题
某原状土样,经试验测得ρ=1.85g/cm3, w=25%,ρs=2.70g/cm3,求ρd,e,n,Sr。 解法1:由三相图,根据各指标的定义式求解
绘三相图如上,设得Vs=1.0cm3 1)确定三相组成的体积与质量
2)按定义求其它各指标
解法2:由指标之间的变换关系式直接求解
五、无粘性土的密实度
无粘性土的密实程度用相对密度Dr来表示,
式中:emax为最大孔隙比,即最疏松状态下的孔隙比;emin为最小孔隙比,即紧密状态下的孔隙比;e为天然孔隙比,即通常所指天然状态下的孔隙比。
砂土的天然孔隙比界于最大和最小孔隙比之间,故相对密度Dr=0~1;当e=emax时,Dr=0,砂土处于最疏松状态;当e=emin时,则Dr=1,砂土处于最紧密状态。
工程实际中,常用相对密度判别砂土的震动液化,或评价砂土的密实程度。按相对密度值可将砂土分为三种密实状态,
实际上,由于砂土原状样不易取得,测定天然孔隙比较为困难,加上实验室测定砂土的与精度有限,因此计算的相对密度值误差较大,在实际工程中,常用标准贯入测试来判定砂土的密实状态,见表2-3。
表 用标贯击数判定砂土的密实状态
第二节 土的结构
土的结构是指组成土的土粒大小、形状、表面特征,土粒间的连结关系和土粒的排列情况,
其中包括颗粒或集合体间的距离、孔隙大小及其分布特点。
土的结构是土的基本地质特征之一,也是决定土的工程性质变化趋势的内在依据。土的结构与土的颗粒级配,矿物成分、颗粒形状及沉积条件有关。
一、土粒间的连结关系
土中颗粒与颗粒之间的连结主要有如下几种类型: 1.接触连结 2.胶结连结 3.结合水连结 4.冰连结
二、土的结构类型 1、粗粒土的结构
粗粒土的结构主要为单粒结构。根据颗粒间的排列接触关系可分为松散结构和密实结构。
2、细粒土的结构
粘土矿物一般呈片状。它们之间的接触方式主要有面-面、边-边、边-面三种基本类型。面对面的片状堆积结构称为分散结构或片堆结构(叠聚体)。以边-面、边-边联结的结构称为凝聚结构或片架结构(絮凝体)。
3、两个相关概念: (1)土的灵敏度:
以同一种土的原状土强度与经过重塑(含水量不变、土的结构彻底破坏)后的强度之比。
(2)土的触变性:
当扰动停止后,饱和粘性土的抗剪强度随时间而逐渐增大的性质。
第三节 土的水理性质
土的透水性就是指水在土孔隙中渗透流动的性能。水在土体孔隙中流动的现象称为渗流。土的渗透问题包括:渗透流量问题,渗透变形(或渗透破坏)问题,渗流控制问题等。
一、土的渗透规律
在层流状态下,土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律——即Darcy定律(1856)。该定律认为,渗出水量Q与圆筒过水断面积A和水力梯度I成正比,且与土的透水性质有关,其表达式为:
或
式中:v--渗透速度(cm/s);k--渗透系数(cm/s)。
渗透系数是反映土的透水性能的比例系数,是水力梯度为1时的渗透速度,其量纲与渗透速度相同。其物理含义是单位面积单位水力梯度单位时间内透过的水量。 不同类型的土,其渗透系数不同,可查阅土的渗透系数参考值表。
表 土的渗透系数参考表
1.砂土、粉土的渗透规律
基本属于层流,故其渗透规律服从达西定律(见下图a )。
2.纯砾以上很粗的土的渗透规律
水力梯度较大时,水在这类土中的流态已不再是层流,而是紊流。这时达西定律不适用,渗透速度与水力梯度之间的关系不再保持直线而变为次线性的曲线(见下图 b)。
3.粘性土的渗透规律
目前对饱和均质粘性土中水的渗透规律有着不同的认识。如图 c所示的渗透规律曲线可大致反映粘性土的渗透规律。
图 土的渗透曲线
a-砂、粉土; b-纯砾以上很粗的土; c-粘性土
二、渗透力
流经土体的水流会对土颗粒和土体施加作用力每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力称为渗透力,用j表示。
渗透力是一种体积力,单位为kN/m3,其大小和水力坡降成正比,方向与渗流方向一致。 渗透力方向与重力方向一致时,渗透力对土骨架起渗流压密作用,对稳定有利;渗透力方向与重力方向相反时,渗透力对土骨架起浮托作用,对稳定不利。
三、临界水力坡降
当向上的渗流力克服了重力,土体就要发生浮起,俗称流土。此时的水力坡降就称为临界水力坡降,用icr表示,根据土骨架的静力平衡条件可推得:
土的临界水力坡降取决于土的物理性质指标——浮重度γ′,由此可得
四、渗透变形
土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。 渗透变形的基本型式为流土和管涌。
1、流土
指在向上的渗透水流作用下,表层土局部范围内的土体或颗粒同时发生悬浮、移动的现象。 判断流土的可能性
2、管涌
指在渗透水流的作用下,土中的颗粒被水流逐渐带走,最终导致土体内形成贯通的渗流管道,造成土体坍塌的现象。
一般粘性土只会发生流土,而不会发生管涌,属于非管涌土。 无粘性土中粗颗粒构成的孔隙直径大于细颗粒的直径时,才可能让细颗粒在其中移动,这是发生管涌的必要条件
无粘性土是否发生管涌的判别标准为(几何条件):
发生管涌的水力条件:
表 发生管涌的条件
第四节 粘性土的稠度与可塑性
粘性土的稠度与可塑性是土粒与水相互作用后所表现出来的物理性质。
一、粘性土的稠度状态
粘性土因含水多少而表现出的稀稠软硬程度,称为稠度。因含水多少而呈现出的不同的物理状态称为粘性土的稠度状态。土的稠度状态因含水量的不同,可表现为固态,塑态与流态三种状态。
固态:含水量相对较少,粒间主要为强结合水连结(强结合水或固定层重叠),连结牢固,土质坚硬,力学强度高,不能揉塑变形,形状大小固定。
塑态:含水量较固态为大,粒间主要为弱结合水连结(即弱结合水或扩散层重叠),在外力作用下容易产生变形,可揉塑成任意形状不破裂、无裂纹,去掉外力后不能恢复原状,即可塑性。
流态:含水量继续增加、粒间主要为液态水占据,连结极微弱,几乎丧失抵抗外力的能力,强度极低,不能维持一定的形状,土体呈泥浆状,受重力作用即可流动。
图 土中水与稠度状态图件
二、界限含水量——稠度界限
粘性土的稠度状态的变化是由于土中含水量的变化而引起的,粘性土由一种稠度状态转变为另一种稠度状态,相应于转变点(临界点)的含水量称为稠度界限(界限含水量)。 工程上常用的有液性界限wL和塑性界限
wp
图 稠度界限与稠度状态关系图 由固态转变到流态的界限含水量,称为塑性界限(塑限),由塑态转变到流态的界限含水量,
称为液性界限(液限)。
粉土的液限在32~38%之间,粉质粘土为38~46%,粘土为40~50%。 塑限常见值为17~28%。
粘性土的液限与塑限一般在室内进行测定,液限常采用锥式液限仪,塑限常采用搓条法。
三、液性指数和塑性指数
土处于何种稠度状态取决于土中的含水量,但是由于不同土的稠度界限是不同的,因此天然含水量不能说明土的稠度状态。为判别自然界中粘性土的稠度状态,通常采用液性指数(IL)进行评价,即:
表 按液性指数划分粘性土的稠度状态表
性土的独特性能。由于粘性土的可塑性是含水量界于液限与塑限之间表现出来的,故可塑性的强弱可由这两个稠度界限的差值大小来反映,这差值称为塑性指数IP 。即
塑性指数越大,意味着粘性土处于可塑态的含水量变化范围越大,其可塑性就越强。所以在工程实际中直接按塑性指数大小对一般粘性土进行分类,1994年国家标准《岩土工程勘察规范》按塑性指数IP将粘性土分为两类,IP>17为粘土,17≥IP>10为粉质粘土,IP≤10为粉土或砂类土。
具体应用可参见例题。
例题
从某地基取原状土样,测得土的液限wL=47%,塑限wp=18%,天然含水量w=40%,问:1)地基土为何种土?2)该地基处于什么状态?
解:1)由下式求塑性指数:
根据1994年国家标准《岩土工程勘察规范》,Ip=29>17,该土为粘土。 2)根据下式求液性指数:
查稠度状态表,1.0>IL>0.75,得土处于软塑状态。
第五节 土的压实性
土的压实是指土体在压实能量作用下,土颗粒克服粒间阻力,产生位移,使土中孔隙减小,密度增加。 一、土的压实与含水量的关系
土的含水量是影响填土压实性的主要因素之一。在低含水量时,水被土颗粒吸附在土粒表面,土颗粒因无毛细管作用而互相联结很弱,土粒在受到夯击等冲击作用下容易分散而难于获得较高的密实度。在高含水量时,土中多余的水分在夯击时很难快速排出而在土孔隙中形成水团,削弱了土颗粒间的联结,使土粒润滑而变得易于移动,夯击或碾压时容易出现类似弹性变形的“橡皮土”现象,失去夯击效果。
土的干密度ρ d是反映土的密实度的重要指标,它与土的含水量、压实能量和填土的性质等有关。将同一种土配置成不同含水量的土样后进行室内压实试验,可以获得如下图所示的含水量w与干密度ρ d 之间的关系曲线,称作击实曲线。
二、最优含水量和最大干密度
压实曲线表明,存在一个含水量可使填土的干密度达到最大值,产生最好的击实效果。将这种在一定夯击能量下填土最易压实并获得最大密实度的含水量称作土的最优含水量,用wop表示。
在最优含水量下得到的干密度称作填土的最大干密度,用ρdmax表示。
压实曲线表明,压实功能愈大,得到的最优含水量愈小,相应的最大干密度愈高 对于同一种土,最优含水量和最大干密度随压实功能而变化
含水量超过最优含水量以后,压实功能的影响随含水量的增加而逐渐减小
第六节 土的工程分类
一、工程分类的一般原则和类型
基本原则是所划分的土类能反映土性质的变化规律。 土的工程分类总起来可以归纳为三级分类
第一级分类是成因类型分类,主要按土的成因和形成年代作为分类标准,如《岩土工程勘察规范》将土按堆积年代划分为三类:
1. 老堆积土,第四纪更新世Q3及其以前堆积的土层;
2.一般堆积土,第四纪全新世(文化期以前Q4)堆积的土层; 3.新近堆积土,文化期以来Q4新近堆积的土层。
第二级分类是土质类型分类,主要考虑土的物质组成(颗粒级配和矿物成分)及其与水相互作用的特点(塑性指标),按土的形成条件和内部连结,将土划分为
二、岩土工程勘察规范分类法(GB50021-94)
在实际工程应用中规定,土中粒径d>0.075mm(有的规范用0.1mm)的土粒质量大于全部土粒质量的50%时称为粗粒土, 小于50%时称为细粒土。 粗粒土包括碎石类土和砂类土,按粒径级配进一步细分。
细粒土包括粉土和粘性土,多用塑性指数Ip或液限wL加塑性指数Ip进行细分。
1.碎石类土
碎石类土是粒径大于2mm的颗粒含量超过50%的土。
表 碎石类土分类表
2.砂类土
砂类土是粒径大于2mm的颗粒含量不超过50%,粒径大于0.075mm的颗粒含量超过50%的土。
表 砂类土分类表
3.粉土
粉土是粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过50%,塑性指数Ip小于或等于10的土。
表 粉土分类表
4.粘性土
粘性土是粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过50%,塑性指数Ip大于10的土。
表 粘性土分类表
第七节 特殊土介绍
一、黄土 二、盐渍土 三、
四、膨胀土
五、淤泥及淤泥质软土 六、垃圾土及污染土
巩固与提高 本章小结
本章主要学习的内容是土的基本物理性质、粘性土的稠度与可塑性、土的透水性、土的工程分类。重点掌握的内容是各种物理性质指标的定义,影响各指标大小的因素,各指标的单位与常见值,各指标之间的关系及求取方法,各指标的实际应用;工程分类中的土质分类原则及建设部的土质分类标准。
思考:
1.土的三相实测指标是什么? 2.什么是粘性土的界限含水量?
3.土中结合水可分为哪两种,它们各有什么特点? 4.什么是塑性指数,其工程用途是什么?
自我测试
(1)土的天然密度的范围值一般为__________
2.6-2.8g/cm3
1.3-1.7g/cm3
1.6-2.2g/cm3
(2)对于同一种土,土的天然重度(γ)、干重度(γd)、饱和重度(γsat)、浮重度(γ')在数值上存在如下关系:__________
γsat≥γ≥γd>γ'
γ≥γd>γsat>γ
'
γsat≥γ'>γ≥γd
(3)一般粘性土的天然含水量为:__________
大于80%
10%-30%之间
小于
20%
20%-50%之间
(4)既用于评价砂土或粉土的密实程度,还用于地基沉降量计算的指标是:_________
孔隙比
孔隙度
相对密度
(5)三个实测指标是:__________
含水量、天然密度、土粒密度 饱和度
(6)当液性指数在0.75-1.0之间时,土的稠度状态为:_________
可塑
硬塑
软塑
天然密度、干密度、含水量
饱和密度、孔隙比、
(7)当塑性指数Ip≥10时,土的名称为:__________
粘性土
粘土
粉土
(8)按建设部的土质分类标准,当粒径大于0.25mm的颗粒质量超过总质量的50%时,土的名称是:__________
细砂
中砂
粉砂
正确答案:
Question 1.1.6-2.2g/cm3 Question 3.20%-50%之间 Question 6.软塑 Question 7.粘土 Question 8.中砂
2土的性质及工程分类
土力学与基础工程
第2章 土的性质及工程分类
一、单选题
1、下列几种重度在数值上关系正确的为( )
?
? A 、γ≥γsat ≥γd >γ' B、γsat ≥γ≥γd >γ' C 、γsat ≥γd ≥γ>γ' D、γsat ≤γ≤γd <>
段的平均水头梯度为( )。 2、观测孔A 、B 的水位标高分别为5.00和5.20m ,两孔的水平距离为20m ,已则AB
? A 、0. 020 B、0. 015 C、0. 010 D、0. 20
2.65,液限36.4%,塑限18.9%,则该土样的名称及物理状态为( )。 3、某原状土样处于完全饱和状态,测得土的含水量w =32. 45%,土粒相对密度
(1)黏土,软塑;(2)粉质黏土,可塑
(3)黏土,硬塑;(4)粉质黏土,硬塑
4. 土的絮状结构是由( )集合体组成的结构形式 。
A. 粘粒 B. 砂粒 C . 粉粒 D、砾粒
5、无粘性土是按( )进行分类的。
(A)颗粒级配 (B) 矿物成分 (C) 液性指数 (D) 塑性指数
6、对粒径分布曲线来说,当某一段曲线很陡时,说明该范围粒径的颗粒( ) ? A 、含量很低 B、含量很高 C、含量比较适中 D、不能反映其含量
A 、强结合水 B、弱结合水 C、自由水 D、毛细水 7、( )的存在使粘性土具有可塑性。 ?
8、对一种土来说,当( )最大时,该土的密实程度最高。
' ? A 、γ B、γd C、γ D、γsat
9、下列指标中,不可能大于1的指标是( )。
A 、含水量 B、孔隙比 C、液性指数 D、饱和度
10、土的最优含水量与下列哪个因素没有直接关系?( )
?A. 含水量 B.击实功能 C.天然密度 D. 土性及级配
11、. 若土的颗粒级配曲线很陡时,则表示( )
A. 不均匀系数较大 B. 土粒较均匀 C. 级配良好 D. 填土易于夯实
12. 在某住宅地基勘察中,已知一个钻孔原状土试样试验结果为:重度γ=17kN /m 3,含水量w =22. 0%,土粒相对密度d s =2. 72,则该土样的孔隙比为( )
A. 0. 952 B. 0. 867 C. 0. 98
1 D. 0. 794
二、判断题
1、液性指数会出现I L >1. 0和I L <0的情况。(>0的情况。(>
2、若土的颗粒级配曲线越陡,则表示不均匀系数越大,级配越好。( )
3、相对密实度会出现D r >1. 0和D r <0。(>0。(>
4. 粒径大于0.075mm 的颗粒含量不超过全重50%且塑性指数I p ≥10土称为粉土。( )
5. 在一定的击实功能作用下使土最易压实,并达到最大天然密度时相对应的含水量称为土的最优含水量。( )
6、当动水力方向与重力方向相同时,只要水力梯度足够大,就会发生流砂现象。( )
三、填空题
1、在土的三相比例指标中,可以用试验直接测定的指标有 。
2、土的孔隙比e 的表达式为。
3、含水量w 的表达式为。
4、液性指数I L 的表达式为。
5、无粘性土包括和 。
6、工程上按大小对粘性土进行分类,将粘性土分为和 两类。
7、粘性土的软硬状态由划分,将粘性土分为 、 、 、 、 五种不同的状态。
8、作为建筑物地基土的工程分类定名,主要是按和
9、碎石土是指。
10、砂土是指。
11、粉土是指。
四、简答题
1、无粘性土和粘性土在矿物成分、土的结构、物理状态各方面,有何重要区别?
2、地基土分为几大类?各类土的划分依据是什么?
3、何谓最优含水量?影响填土压实效果的主要因素有哪些?
4、动水力如何计算?何谓流砂现象?
五、计算题
习题2.4,2.9,2.10,2.11,2.12.2.13
2
4土的工程性质与分类
第4章 土的工程性质与分类
概述 土的组成 土的结构、构造 土的工程分类 土的成因类型
一、概述
土的定义: 是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的 大小悬殊的颗粒,在原地残留或经过不同的搬 运方式,在各种自然环境中形成的堆积物。 土的物质组成: 包括作为上骨架的固体矿物颗粒、孔隙中 的水及其溶解物质以及气体。因此,土是由颗 料(固相)、水溶液(液相)和气(气相)所 组成的三相体系。
二、土的组成
(一). 固体颗粒 在土的三相组成物质中,固体颗粒(以下 简称土粒)是土的最主要的物质成分。 土的工程性质主要取决于组成土的土粒的 大小和矿物类型,即土的粒度成分和矿物成分。
1. 基本概念
粒径(度):
颗粒大小以直径(单位为mm)计,称为粒 径(或粒度)。 粒组: 界于一定粒径范围的土粒,称为粒组. 粒度成分(或称颗粒级配): 土中不同粒组颗粒的相对含量,称为土的粒 度成分(或称颗粒级配),它以各粒组颗粒的 重量占该土颗粒的总重量的百分数来表示。
2. 土的粒组划分标准: 划分方法不完全一致,一般采用的粒组划 分及各粒组土粒的性质特征见表2-1。 表中根据界限粒径200、20、2、0.075和 0.005mm把土粒分为六大粒组: 漂石(块石)颗粒: d>200mm; 卵石(碎石)颗粒: 200mm>d >200mm ; 圆砾(角砾)颗粒: 20mm>d >2mm ; 砂粒: 2mm>d >0.075mm; 粉粒: 0.075mm>d >0.005mm; 粘粒: d10的土则 是不均匀的,即级配良好的。
曲率系数(Cc):
用于来说明累积曲线的弯曲情况,从而分析评述土 粒度成分的组合特征: Cc = d302/d10 · d60 式中d10,d60的意义同上,d30为相应累积含量为30 %的粒径值。 Cc值在1~3之间的土级配较好。Cc值小于1或大于3 的土,累积曲线都明显弯曲(凹面朝下或朝上)而呈 阶梯状,粒度成分不连续,主要由大颗粒和小颗粒组 成,缺少中间颗粒。
7. 土的矿物成分
根据组成土的固体颗粒的矿物成分的性质 及其对土的工程性质影响不同,分为以下四大 类别: (1)原生矿物; (2)不溶于水的次生矿物(以粘土矿物和 硅、铝氧化物为主); (3)可溶盐类及易分解的矿物; (4)有机质。
(二) 土中水 在自然条件下,土中总是含水的。在一般 粘性土,特别是饱和软粘性土,土中水的体积 常占据整个土体相当大的比例(一般为50%~ 60%,甚至高达80%)。 研究土中水,必须明确有关土中水的如下 概念: (1)水分子H2O是强极性分子. (2)土中水是水溶液。 (3)土中水溶液与土颗粒表面及气体有着 复杂的相互作用。
土中水的分类: 按土中水所呈现的性质差异及其对土的影 响性质与程度,可将土中水分为结合水和非结 合水两大类: 结合水(土粒表面结合水): 强结合水(吸着水) 弱结合水(薄膜水) 非结合水: 液态水: 毛细水(实为半结合水) 重力水(自由水) 气态水(水蒸气) 固态水(冰)
(三) 土中气体
土中的气体,主要为空气和水气。但有时 也可能含有较多的二氧化碳、沼气及硫化氢, 这些气体大多因生物化学作用生成。 气体的存在形式:一种是封闭气体,另一 种是游离气体。
三、土的结构、构造
土的工程性质及其变化,除取决于其物质成分外, 在较大程度上还与诸如土的粒间连结性质和强度;层 理特点;裂隙发育程度和方向以及土质的其他均匀性 特征等土体的天然结构和构造因素有关。 (一) 土的结构 1. 土的结构:是指土颗粒本身的特点和颗粒问相 互关系的综合特征,具体来说是指: (1)土颗粒本身的特点:土颗
粒大小、形状和摩圆 度及表面性质(粗糙度)等。 (2)土颗粒之间的相互关系特点:粒间排列及其连 结性质。
2. 土的结构类型: 两大基本类型:单粒(散粒)结构和集合 体(团聚)结构。 单粒结构(散粒结构),单粒结构为砂性 土所特有,对土的工程性质影响主要在于其松 密程度。 集合体结构,也称团聚结构或絮凝结构。 这类结构为粘性土所特有。
单粒结构特点:
1)具有单粒结构的碎石土和砂土,虽然孔隙比较 小,而孔隙大,透水性强,土粒间一般没有内聚力, 但土粒相互依靠支承,内摩擦力大,并且受压力时土 体积变化较小。 2)再者,由于这类土的透水性强,孔隙水很容易 排出,在荷载作用下压密过程很快。因此,即使原来 比较疏松,当建筑物结构封顶,地基沉降也告完成。 3) 对于具有单粒结构的土体,一般情况(静荷载 作用)下可以不必担心它的强度和变形问题。
集合体结构特点:
1)孔隙度很大(可达50%~98 %),而各 单独孔隙的直径很小,特别是聚粒絮凝结构的 孔隙更小,但孔隙度更大,因此,土的压缩性 更大. 2)含水量很大,往往超过50%,而且因以 结合水为主,排水困难,故压缩过程缓慢. 3)具有大的易变性—不稳定性。
(二)土的构造 1. 土的构造定义与研究意义
土的构造:指整个土层(土体)构成上的
不均匀性特征的总和。 整个土体构成上的不均匀性包括:层理、 夹层、透镜体、结核、组成颗粒大小悬殊及裂 隙发育程度与特征等。这种构成上的不均匀性 是由于土的矿物成分及结构变化所造成的。
研究意义: ( 1).土体构造特征反映土体在力学性质和 其他工程性质的各向异性或土体各部位的不均 匀性,因此,要掌握其变化规律。 如,由砂土和粘性土组成的层状或互层构 造土体的物理力学性质皆显示其各向异性特点。 又如,黄土由于其垂直节理(裂隙)发育, 强烈地降低其抗水稳定性和力学稳定性,特别 在边坡地段,沿裂隙极易产生坍方和滑坡现象。 (2)土体的构造特征是决定勘探、取样或 原位测试布置方案和数量的重要因素之一。
2.土的构造特点:
(1)对于碎石土,粗石状构造和假斑状构造 是最普遍的; (2)对于砂土和砂质粉土,各种不同形式的 夹层、透镜体或交错层构造,较为普遍。 (3)在粘性土中,常见有层状、显微层状构 造及各种裂隙、节理构造。
四、土的工程分类 1. 土的工程分类的目的: (1)根据土类,可以大致判断土的基本工程 特性,并可结合其他因素评价地基土的承载 力、抗渗流与抗冲刷稳定性,在振动作用下 的可液化性以及作为建筑材料
的适宜性等; (2)根据土类,可以合理确定不同上的研究 内容与方法; (3)当土的性质不能满足工程要求时,也需 根据土类(结合工程特点)确定相应的改良 与处理方法。
2. 土的工程分类应遵循的原则:
(1)工程特性差异性的原则。即分类应 综合考虑土的各种主要工程特性(强度与变 形特性等),用影响土的工程特性的主要因 素作为分类的依据。 (2)以成因、地质年代为基础的原则。 土的工程性质受土的成因(包括形成环境) 与形成年代控制。 (3)分类指标便于测定的原则,即采用 的分类指标,要既能综合反映土的基本工程 特性,又要测定方法简便。
3. 我国土的工程分类 (1)土按堆积年代可划分
老堆积土:第四纪晚更新世Q3及其以前堆 积的土层,一般呈超固结状态,具有较高的结 构强度; 一般堆积土:第四纪全新世(文化期以前Q4) 堆积的上层; 新近堆积土:文化期以来新近堆积的上层 Q4,一般呈欠压密状态,结构强度较低。
(2)土根据地质成因分 可分为残积土、坡积土、洪积土、冲 积土、湖积土、海积土、风积土和冰川 沉积土,各成因类型沉积土的特征见书 中有关章节。 (3)土根据有机质含量分 可分为无机土、有机质土、泥炭质土 和泥炭。
(4).土按颗粒级配和塑性指数分
1)碎石土:粒径大于2mm的颗粒含量超过 全重50%的土。 2)砂土:粒径大于2mm的颗粒含量不超过 全重50%,且粒径大于0.075mm的颗粒含量超 过全重50%的土。根据颗粒级配分为砾砂、粗 砂、中砂、细砂和粉砂。 3)粉土:粒径大于0.075mm的颗粒不超过 全重50%,且塑性指数小于或等于10的土。根 据颗粒级配(粘粒含量)分为砂质粉土和粘质 粉土。 4)粘性土:塑性指数大于10的土。根据塑 性指数分为粉质粘土和粘土。
(5).特殊类土:
具有一定分布区域或工程意义上具有特殊 成分、状态和结构特征的土称为特殊性土,规 范分为湿陷性土、红粘土、软土(包括淤泥和 淤泥质土)、混合土、填土、多年冻土、膨胀 土、盐渍土、污染土。
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