土的工程分類和特殊土的工程地質(zhì)特征

1、第三章 土的工程分類和特殊土的工程地質(zhì)特征第一節(jié) 土的工程地質(zhì)分類一、概述土的工程地質(zhì)分類，按其具體內(nèi)容和適用范圍，可以概括的分為三種基本類型 一般性分類：比較全面的綜合性分類； 局部性分類：僅根據(jù)一個(gè)或較少的幾個(gè)專門指標(biāo)，或僅對(duì)部分土進(jìn)行分類； 專門型分類：根據(jù)某些工程部門的具體需要而進(jìn)行的分類。土的工程地質(zhì)分類的一般原則和形式：在充分認(rèn)識(shí)土的不同特殊性的基礎(chǔ)上歸納其共性，將客觀存在的各種土劃分為若干不同的類或組。常將成因和形成年代作為最粗略的第一級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，即所謂地質(zhì)成因分類。將反映土的成分（粒度成分和礦物成分）和與水相互作用的關(guān)系特征作為第二級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，即所謂的土質(zhì)分類。為了進(jìn)一步研究土

2、的結(jié)構(gòu)及其所處狀態(tài)和土的指標(biāo)變化特征，更好的提供工程設(shè)計(jì)施工所需要的資料，必須進(jìn)一步進(jìn)行第三級(jí)分類，即工程建筑分類。上述三種土的工程地質(zhì)分類中，土質(zhì)分類是土分類的最基本形式，有兩種分類原則：一是按土的粒度成分；二是按土的塑性特性。國(guó)內(nèi)外的土質(zhì)分類方案很多，歸納起來有三種不同體系，一是按粒度成分，一種是按塑性指標(biāo)，一種是綜合考慮粒度和塑性的影響。二、土的分類（一）按地質(zhì)成因分類：土按地質(zhì)成因可分為：殘積、坡積、洪積、沖積、冰積、風(fēng)積等類型。（二）按顆粒級(jí)配和塑性指數(shù)分類土按顆粒級(jí)配和塑性指數(shù)可分為碎石土、砂土、粉土和粘性土。1土按顆粒大小分類粒組名稱分界顆粒（mm）組亞組漂石或塊石大800中40

3、0小200卵石或碎石極大100大60中40小20圓礫或角礫粗10中5細(xì)2砂粒粗0.5中0.25細(xì)0.10極細(xì)0.05粉粒粗0.1細(xì)0.05粘粒粗0.002細(xì)2、碎石土的分類碎石土的分類土的名稱顆粒形狀顆粒級(jí)配漂石塊石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于200mm的顆粒超過全重50卵石碎石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于20mm的顆粒超過全重50圓礫角礫圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于2mm的顆粒超過全重503砂土的分類土的名稱顆粒級(jí)配礫砂粒徑大于2mm的顆粒含量占全重2550粗砂粒徑大于0.5mm的顆粒含量超過全重50中砂粒徑大于0.25mm的顆粒含量超過全重50細(xì)砂粒徑大于0.075mm的

4、顆粒含量超過全重85粉砂粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重504、粉土的分類土的名稱顆粒級(jí)配砂質(zhì)粉土粒徑小于0.005mm的顆粒含量不超過全重10%粘質(zhì)粉土粒徑小于0.005mm的顆粒含量超過全重10%5、粘性土的分類（1）根據(jù)堆積時(shí)代分1）老堆積土：第四紀(jì)晚更新世及其以前堆積的粘性土，一般具有較高的強(qiáng)度和較低的壓縮性。2）一般堆積土：第四紀(jì)全新世堆積的粘性土3）新近堆積土：全新世以后（2）根據(jù)塑性指數(shù)Ip分土的名稱塑性指數(shù)粉質(zhì)粘土10Ip17粘土Ip17（3）按工程特性分具有一定分布區(qū)域或工程意義上具有特殊成分、狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特征的土稱特殊性土，根據(jù)工程特性分為： 濕陷性土 紅粘土 軟土（

5、包括淤泥和淤泥質(zhì)土） 多年冰土 膨脹土 鹽滯土 混合土 填土 污染土（4）根據(jù)有機(jī)質(zhì)含量分類 分類名稱有機(jī)物含量(Q)無(wú)機(jī)土Q5%有機(jī)質(zhì)土5%Q10%泥炭質(zhì)土10Q60泥炭Q60第二節(jié) 特殊土的工程地質(zhì)特性特殊土：是指某些具有特殊物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)，而工程地質(zhì)性質(zhì)也較特殊的土。特殊土的種類甚多，常見的有淤泥類土、膨脹土、紅粘土、黃土類土、人工填土等。一、淤泥類土（一）形成條件和成分結(jié)構(gòu)特點(diǎn)淤泥類土是指在水流緩慢、不通暢、缺氧和飽水條件下的環(huán)境中沉積，有微生物參與作用的條件下，含較多的有機(jī)質(zhì)，疏松軟弱的粉質(zhì)粘性土。物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1粒度上主要是粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)砂土2含大量粘土礦物和部分石英、長(zhǎng)石、

6、云母；有機(jī)質(zhì)含量較多（515）。3呈灰、灰藍(lán)、灰綠和灰黑等暗淡的顏色，污染手指并有臭味。4結(jié)構(gòu)、常為蜂窩狀、疏松多孔，定向排列明顯、層理較發(fā)育，常具薄層狀構(gòu)造。我國(guó)淤泥類土基本上可以分為兩大類：一類是沿海沉積淤泥類土；一類是內(nèi)陸和山區(qū)湖盆地及山前谷地沉積地淤泥類土。沿海沉積的淤泥類土，分布較穩(wěn)定，厚度較大，土質(zhì)較疏松軟弱；大致可分為四個(gè)類型：1瀉湖相沉積2溺湖相沉積3濱海相沉積4三角洲相沉積分布在內(nèi)陸平原區(qū)地淤泥類土主要有：（1）湖泊（2）河漫灘（3）牛軛湖相（二）工程地質(zhì)性質(zhì)的基本特點(diǎn)1、高孔隙比、飽水、天然含水率大于液限孔隙比常見值為1.02.0；液限一般為4060，飽和度一般>90

7、，天然含水率多為5070。未擾動(dòng)時(shí)，處于軟塑狀態(tài)，一經(jīng)擾動(dòng)，結(jié)構(gòu)破壞，處于流動(dòng)狀態(tài)。2、透水性極弱：一般垂直方向地滲透系數(shù)較水平方向小些。3、高壓縮性：a12一般為0.71.5Mpa1，且隨天然含水率的增大而增大。4、抗剪強(qiáng)度很低，且與加荷速度和排水固結(jié)條件有關(guān)不排水：三軸快剪，；直剪，º5º，c0.02Mpa；在排水條件下，抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)程度提高而增大，固結(jié)快剪的10º15º，c0.02Mpa。5、較顯著的觸變性和蠕變性二、膨脹土在工程建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)遇到一種具有特殊變形性質(zhì)的粘性土，它的體積隨含水量地增加而膨脹，隨含水量減少而收縮，并且這種作用循環(huán)可逆

8、，具有這種膨脹和收縮性地土，即稱為膨脹土。（一）分布和成因膨脹土一般分布在盆地內(nèi)崗，山前丘陵地帶和二、三級(jí)階地上。大多數(shù)是上更新世及以前的殘坡積、沖積、洪積物，也有晚第三紀(jì)至第四紀(jì)的湖泊沉積及其風(fēng)化層。（二）成分和結(jié)構(gòu)特征（1）從巖性上看，以粘土為主，具有黃、紅、灰、白等色，土中含有較多地粘土，粘土占總數(shù)的98%，粘土礦物多為蒙脫石、伊利石和高嶺石。蒙脫石含量越多，膨脹性越強(qiáng)烈。（2）結(jié)構(gòu)致密，呈堅(jiān)硬硬塑狀態(tài)，強(qiáng)度較高，內(nèi)聚力較大。（3）裂隙發(fā)育，豎向、斜交和水平三種均有，可見光滑鏡面和擦痕。（4）富含鐵、錳結(jié)核和鈣質(zhì)結(jié)核。（5）化學(xué)成分為SiO2(45%66%)、Al2O3(13%31%)、

9、Fe2O3(315%)、硅鋁率K35。（三）一般工程地質(zhì)特征膨脹土的液限、塑限和塑性指數(shù)都較大：液限為4068，塑限為17%35，塑性指數(shù)為1833。膨脹土的飽和度一般較大，常在80以上，天然含水率較小，1730。（四）膨脹土的判別和脹縮性分級(jí)1、膨脹土的判別凡是具有前面所述的特征，且自由膨脹率Fs大于40者，應(yīng)判定為膨脹土?！白杂膳蛎浡蔉s”：系指人工制備的烘干土，在水中增加的體積與原體積的比，以百分率表示。2、土的脹縮性分級(jí)膨脹土的脹縮性，根據(jù)脹縮總率劃分為強(qiáng)、中等和弱三級(jí)： >4，脹縮性強(qiáng) 24，中等 0.72， 弱脹縮總率以表示，并按下式計(jì)算：式中：在壓力0.5MPa時(shí)的膨脹率，

10、 ：土的收縮系數(shù) ：土的天然含水量：土在收縮過程中含水率的下限值，如式中為負(fù)值時(shí)，按負(fù)值考慮，如大于8時(shí)按8考慮，小于0時(shí)按0考慮。式中收縮系數(shù)可通過收縮試驗(yàn)測(cè)得，它是土的收縮曲線的直線部分的斜率，即：式中：與相應(yīng)的收縮率之差：反映了地基土的收縮變形受大氣降雨和蒸發(fā)的綜合影響，可按下式計(jì)算：式中：是條件系數(shù)；為土的塑限。三、紅粘土紅粘土是指碳酸鹽類巖石（石灰?guī)r，白云巖，泥質(zhì)泥巖等），在亞熱帶溫濕氣候條件下，經(jīng)風(fēng)化而成的殘積、坡積或殘坡積的褐紅色、棕紅色或黃褐色的高塑性粘土。（一）成因和分布成因類型：殘積、坡積、和殘坡積上部為坡積，下部為殘積的情況居多。主要分布在云南、貴州、廣西、安徽、四川東部

11、等。（二）成分和結(jié)構(gòu)特征紅粘土的粘粒組分（粒徑<0.005mm）含量高，一般可達(dá)5570，粒度較均勻，高分散性。粘土顆粒主要是多水高嶺石和伊利石類粘土礦物為主。主要化學(xué)成分為：SiO2(33.568.9%)、Al2O3(9.612.7%)、Fe2O3(13.436.4%)、硅鋁率一般均小于2。常呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，常有很多裂隙（網(wǎng)狀裂隙）、結(jié)核和土洞。（三）工程地質(zhì)性質(zhì)的基本特點(diǎn)1、高塑性和分散性液限一般為5080%，塑限為3060，塑性指數(shù)一般為2050。2、高含水率、低密度天然含水率一般為3060，飽和度>85，密實(shí)度低，大孔隙明顯，孔隙比>1.0；液性指數(shù)一般都小于0.4；堅(jiān)

12、硬和硬塑狀態(tài)。3、強(qiáng)度較高，壓縮性較低固結(jié)快剪值8º18º，c值可達(dá)0.040.09MPa，多屬中壓縮性土或低壓縮性土，壓縮模量515MPa。4、不具濕陷性，但收縮性明顯，失水后強(qiáng)烈收縮，原狀土體縮率可達(dá)25。紅粘土具有這些特殊性質(zhì)，是與其生成環(huán)境及其相應(yīng)的組成物質(zhì)有關(guān)。（1）沿深度上，隨著深度的加大，紅粘土的天然含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)都有較大的增高，狀態(tài)由堅(jiān)硬、硬塑可變?yōu)榭伤?、軟塑，而?qiáng)度則大幅度降低。（2）在水平方向上，由于地形地貌和下伏基巖起伏變化，性質(zhì)變化也很大，地勢(shì)較高的，由于排水條件好，天然含水率和壓縮性較低，強(qiáng)度較高，而地勢(shì)較低的則相反。四、濕陷性黃土黃土在

13、一定壓力作用下受水浸濕，土結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著附加下沉，導(dǎo)致建筑物破壞，具有特性的黃土，稱濕陷性黃土。1、分布與特征作為濕陷性土的典型代表黃土，在全世界的分布比較廣泛的，據(jù)某些學(xué)者估計(jì)，黃土的覆蓋面積在整個(gè)歐洲約占10，亞洲約占30；以前蘇聯(lián)的黃土分布最廣，約占其國(guó)土面積的15；我國(guó)黃土分布面積達(dá)60萬(wàn)平方公里，其中有濕陷性的約為43萬(wàn)平方公里。主要分布在黃河中游的甘肅、陜西、晉、寧、河南、青海等省區(qū)。地理位置屬于干旱與半干旱氣候地帶。其物質(zhì)主要來源于沙漠與戈壁。我國(guó)濕陷性黃土的固有特征有：1）黃色、褐黃色、灰黃色；2）粒度成分以粉土顆粒（0.050.005mm）為主，約占60；3）孔隙比e

14、一般在1.0左右，或更大；4）含有較多的可溶性鹽類，例如：重碳酸鹽、硫酸鹽、氯化物；5）具垂直節(jié)理；6）一般具肉眼可見的大孔。其工程特征：1）塑性較弱；2）含水較少；3）壓實(shí)程度很差，孔隙較大；4）抗水性弱，遇水強(qiáng)烈崩解，膨脹量較小，但失水收縮交明顯；5）透水性較強(qiáng)；6）強(qiáng)度較高，因?yàn)閴嚎s中等，抗剪強(qiáng)度較高。2、成因我國(guó)黃土的粒度成分具有自西北向東南逐漸變細(xì)的規(guī)律，并可大致分三個(gè)弧形帶。從物質(zhì)的主導(dǎo)來源而言，應(yīng)認(rèn)為絕大部分黃土是風(fēng)成的。3、地質(zhì)年代黃土在整個(gè)第四紀(jì)的各個(gè)世中均有堆積，而各世中黃土由于堆積年代長(zhǎng)短不一，上覆土層厚度不一，其工程性質(zhì)不一。一般濕陷性黃土（全新世早期晚更新期）與新近堆

15、積黃土（全新世近期）具有濕陷性。而比上兩者堆積時(shí)代更老的黃土，通常不具濕陷性。4、濕陷性評(píng)價(jià)在黃土地區(qū)勘察中，濕陷性評(píng)價(jià)正確與否直接影響設(shè)計(jì)措施的采取。黃土的濕陷性計(jì)算與評(píng)價(jià)，按一般的工作次序，其內(nèi)容主要有：（1）判別濕陷性與非濕陷性黃土；（2）判別自重與非自重濕陷性黃土；（3）判別濕陷性黃土場(chǎng)地的濕陷類型；（4）判別濕陷等級(jí)；（5）確定濕陷起始?jí)毫Φ?。?）濕陷性與非濕陷性黃土的判別黃土的濕陷性試驗(yàn)是在室內(nèi)的固結(jié)儀內(nèi)進(jìn)行的，其方法是：分級(jí)加荷至規(guī)定壓力，當(dāng)下沉穩(wěn)定后，使土樣浸水直至濕陷穩(wěn)定為止，其濕陷系數(shù)的計(jì)算式是：式中：原狀土樣的原始高度，cm：原狀土樣在規(guī)定壓力下，下沉穩(wěn)定后的高度，cm

16、：上述加壓穩(wěn)定后的土樣，在浸水作用下，下沉穩(wěn)定后的高度，cm利用的值，可判定黃土是否有濕陷性當(dāng)<0.015時(shí)，為非濕陷性黃土0.015時(shí)，為濕陷性黃土，且該值越大，濕陷性越強(qiáng)烈。工程實(shí)際中還規(guī)定(一般壓力為200kPa作用下)：為0.0150.03時(shí)，濕陷性輕微，為0.030.07時(shí)，濕陷性中等；>0.07時(shí)，濕陷性強(qiáng)烈（2）自重與非自重濕陷性黃土的判別自重濕陷性：當(dāng)某一深處的黃土層被水浸濕后，僅在其上覆土層的飽和自重壓力（飽和度%85）下產(chǎn)生濕陷變形的，稱自重濕陷性。非自重濕陷性黃土：當(dāng)某一深度處的黃土層浸水后，除上覆土的飽和自重外，尚需要一定的附加荷載（壓力）才發(fā)生濕陷的，稱非

17、自重濕陷性。測(cè)定方法：也是在室內(nèi)固結(jié)儀上進(jìn)行，即分級(jí)加荷至上覆土層的飽和自重壓力，當(dāng)下沉穩(wěn)定后，使土樣浸水濕陷達(dá)穩(wěn)定為止。自重濕陷系數(shù)的計(jì)算公式：式中：土樣的原始高度，cm：原始土樣加壓至土的飽和自重壓力時(shí)，下沉穩(wěn)定后的高度，cm；：上述加壓穩(wěn)定后的土樣，在浸水作用下，下沉穩(wěn)定后的高度，cm當(dāng)<0.015時(shí)，定為非自重濕陷性黃土。 0.015時(shí)，為自重濕陷性黃土。黃土的濕陷性一般是自地表以下逐漸減弱，埋深七、八米以上的黃土濕陷性較強(qiáng)。不同地區(qū)，不同時(shí)代的黃土是不同的，這與土的成因，固結(jié)成巖作用、所處的環(huán)境等條件有關(guān)。（3）濕陷性黃土場(chǎng)地的濕陷類型的劃分在黃土地區(qū)地基堪察中，應(yīng)按照實(shí)測(cè)自重

18、濕陷量或計(jì)算自重濕陷量制定建筑物場(chǎng)地的濕陷類型。實(shí)測(cè)自重濕陷量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)確定。計(jì)算自重濕陷量按下列公式計(jì)算：式中：第i層土在上覆土的飽和（%85）自重應(yīng)力作用下的濕陷系數(shù) ：第i層土的厚度，cm n：總計(jì)算厚度內(nèi)濕陷土層的數(shù)目?？傆?jì)算厚度應(yīng)從天然地面算起（當(dāng)挖、填方厚度及面積較大時(shí)，自設(shè)計(jì)地面算起）至其下全部濕陷性黃土層的底面為止，但其中<0.015土層不計(jì)。 ：修正系數(shù)，對(duì)陜西地區(qū)取1.5；隴東地區(qū)取1.2，關(guān)中地區(qū)取0.7，其它地區(qū)取0.5。實(shí)際工程中當(dāng)7cm，定為非自重濕陷性黃土場(chǎng)地；7cm，定為自重濕陷性黃土長(zhǎng)度 （4）黃土地基的濕陷等級(jí)濕陷等級(jí)應(yīng)根據(jù)基底下各土層累積

19、的總濕陷量和計(jì)算自重濕陷量的大小等因素按下表判定?？倽裣萘坑?jì)算公式：式中：第i層土的濕陷系數(shù) 第i層土的厚度，cm。計(jì)算時(shí)，土層厚度自基礎(chǔ)底面（初勘時(shí)從地面下1.5米）算起；對(duì)非自重濕陷性黃土地基，累計(jì)算至其下5m深度或沉降計(jì)算深度為止；對(duì)自重濕陷性黃土，應(yīng)根據(jù)建筑物類別和地區(qū)建筑經(jīng)驗(yàn)決定，其中非濕陷性土層不累計(jì)。濕陷性黃土地基的濕陷等級(jí)濕陷類型計(jì)算自重濕 陷量，cm總濕陷量cm非自重濕陷性場(chǎng)地自重濕陷性場(chǎng)地77353530I（輕微）II（中等）3060II（中等）II或IIIIII（嚴(yán)重）60III（嚴(yán)重）IV（很嚴(yán)重）（5）濕陷起始?jí)毫S土的濕陷量是壓力的函數(shù)。事實(shí)上存在著一個(gè)壓力界限值，

20、壓力低于這個(gè)數(shù)值，黃土即使浸了水也只產(chǎn)生壓縮變形，而不會(huì)出現(xiàn)濕陷現(xiàn)象，這個(gè)界限值稱為濕陷起始?jí)毫Γ↘Pa）。濕陷起始?jí)毫κ且粋€(gè)有一定實(shí)用價(jià)值的指標(biāo)。例：在設(shè)計(jì)非自重濕陷性黃土地基上荷載不大的基礎(chǔ)和土墊層時(shí)，可以有意識(shí)地選擇適當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)底面尺寸及埋深，或土墊層厚度，使基底壓力或墊層底面的總壓力（自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和）不超過基底下土的。以避免濕陷的可能性。濕陷起始?jí)毫捎檬覂?nèi)壓縮試驗(yàn)或野外載荷試驗(yàn)確定。即：?jiǎn)尉€法和雙線法。按壓縮試驗(yàn)，其方法如下：雙線法應(yīng)在同一取土點(diǎn)的同一深度處，以環(huán)刀切取2個(gè)試樣，一個(gè)在天然濕度下加第一級(jí)荷重，下沉穩(wěn)定后浸水，待濕陷穩(wěn)定后在分級(jí)加荷。分別測(cè)定這兩個(gè)試樣在各級(jí)壓力下，下沉穩(wěn)定后的試樣高度和浸水下沉穩(wěn)定后的試樣高度，就可以繪出不浸水試樣的曲線和浸水試樣的曲線，圖見教材。然后按公式計(jì)算各級(jí)荷載下的濕陷系數(shù)，從而繪