土的工程性質(zhì)與分類

1、第1章 土方工程1主要內(nèi)容概述土的工程性質(zhì)與分類場(chǎng)地平整、溝槽、基坑開挖土方機(jī)械化施工土壁支撐與基坑支護(hù)土方回填地基處理爆破施工2第一節(jié) 概述1 土方工程施工的特點(diǎn) （1）量大面廣； （2）勞動(dòng)強(qiáng)度大，人力施工效率低、工期長(zhǎng)； （3）施工條件復(fù)雜，受地質(zhì)、水文、氣侯影響大，不確定因素多。3 2、施工設(shè)計(jì)應(yīng)注意 （1）摸清施工條件，選擇合理的施工方案與機(jī)械； （2）合理調(diào)配土方，使總施工量最少； （3）合理組織機(jī)械施工，以發(fā)揮最高效率； （4）作好道路、排水、降水、土壁支撐等準(zhǔn)備及輔助工作； （5）合理安排施工計(jì)劃，避開冬、雨季施工； （6）制定合理可行的措施，保證工程質(zhì)量和安全。4學(xué)習(xí)要求 了

2、解土的成因和三相組成，掌握土的物理性質(zhì)和物理狀態(tài)指標(biāo)的定義、物理概念、計(jì)算公式和單位。了解地基土的工程分類依據(jù)與準(zhǔn)確定名。基本內(nèi)容 土的三相組成 土的三相比例指標(biāo) 土的物理性質(zhì) 土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 土的工程分類第二節(jié)、土的物理性質(zhì)和工程分類5土的三相組成1 土是由固相、液相、氣相組成的三相分散系。 固相包括多種礦物成分組成土的骨架，骨架間的空隙為液相和氣相填滿，這些空隙是相互連通的，形成多孔介質(zhì)； 液相主要是水(溶解有少量的可溶鹽類)； 氣相主要是空氣、水蒸氣，有時(shí)還有沼氣等。 6土的三相組成2 土體三相比例不同，土的狀態(tài)和工程性質(zhì)也隨之各異，例如： 固體+氣體（液體=0） 為干土，此時(shí)粘土呈堅(jiān)硬

3、狀態(tài) 砂土呈松散狀態(tài)； 固體+液體+氣體 為濕土，此時(shí)粘土多為可塑狀態(tài)； 固體+液體（氣體=0） 為飽和土，此時(shí)粉細(xì)砂或粉土遇強(qiáng)烈地震， 可能產(chǎn)生液化，而使工程遭受破壞； 粘土地基受建筑物荷載作用發(fā)生沉降 需幾十年才能穩(wěn)定。什么是液化？7土的三相組成3 如果飽和疏松的土是由細(xì)砂粒或粉砂粒所組成，在強(qiáng)烈的振動(dòng)作用下，土的結(jié)構(gòu)會(huì)突然破壞變成流動(dòng)狀態(tài)，引起所謂“砂土液化”現(xiàn)象，使地基失去承載力，在地震區(qū)將會(huì)引起震害。 1964年6月16日，日本新瀉發(fā)生里氏7.5級(jí)地震后，因地基土發(fā)生液化所造成的破壞。倒了，但結(jié)構(gòu)未破壞8土的三相組成4土的形成 自然界的土是由巖石經(jīng)風(fēng)化、搬運(yùn)、堆積而形成的。 “土”一

4、詞在不同的學(xué)科領(lǐng)域有其不同的涵義。就土木工程領(lǐng)域而言，土是指覆蓋在地表的沒有膠結(jié)和弱膠結(jié)的顆粒堆積物。 物理風(fēng)化 指巖石經(jīng)受風(fēng)、霜、雨、雪的侵蝕，溫度濕度的變化、 不均勻膨脹與收縮，使巖石產(chǎn)生裂隙，崩解為碎塊(原生礦物）。 這種風(fēng)化僅改變顆粒大小與形狀，不改變?cè)瓉?lái)礦物成分。生成的土呈松散狀態(tài)，無(wú)粘性土。 化學(xué)風(fēng)化 指巖石碎屑與空氣、水和各種水溶液相接觸，經(jīng)氧化、 碳化和水化作用，改變?cè)瓉?lái)礦物成分，形成新的礦物(次生礦物)。生成的土為細(xì)粒土，粘性土。 生物風(fēng)化 由動(dòng)物、植物和人類對(duì)巖體的破壞稱生物風(fēng)化。9土的三相組成510土的三相組成6土的固體顆粒 土是巖石風(fēng)化的產(chǎn)物。因此土粒的礦物組成將取決于

5、成土母巖的礦物組成及其后的風(fēng)化作用。成土礦物可分為兩大類：原生礦物 次生礦物 由巖石經(jīng)物理風(fēng)化生成的 由原生礦物經(jīng)化學(xué)風(fēng)化生成的新礦物 顆粒成分與母巖的相同 它的成分成分與母巖的完全不同 常見的有石英、長(zhǎng)石和云母 有高嶺石、伊利石和蒙脫石粘土礦物 顆粒較粗，多呈渾圓形狀 顆粒極細(xì)，且多呈片狀 吸附水的能力弱，無(wú)塑性 性質(zhì)活潑，吸附水能力強(qiáng)，具塑性水溶鹽 可溶性次生礦物。常見的有巖鹽、鉀鹽、石膏、方解石，硫酸鹽類還對(duì)金屬和混凝土有一定的腐蝕作用。有機(jī)質(zhì) 動(dòng)植物分解后的殘骸，稱為腐殖質(zhì)。其顆粒極細(xì)，粒徑小于0.1m，呈凝膠狀，帶有電荷，具極強(qiáng)的吸附性。11土的三相組成712土的三相組成8土中水 土

6、中水處于不同位置和溫度條件下，可具有不同的物理狀態(tài)固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。液態(tài)水是土中孔隙水的主要存在狀態(tài)，因其受土粒表面雙電層影響程度的不同可分為結(jié)合水、毛細(xì)水、重力水。后兩者也稱為非結(jié)合水（自由水）。水的類型 主要作用力 結(jié)合水物理化學(xué)力非結(jié)合水毛細(xì)水表面張力和重力重力水重力13土的三相組成9結(jié)合水 土顆粒表面帶有一定的電荷，當(dāng)土粒與水相接觸時(shí)，由于靜電作用力，將吸引水化離子和水分子，形成雙電層，在雙電層影響下的水膜稱為表面結(jié)合水。雙電層的厚薄也反映了結(jié)合水的厚薄，結(jié)合水具有與一般自由水不同的性質(zhì)，其密度較大、粘滯度高、流動(dòng)性差、冰點(diǎn)低、比熱較大、介電常數(shù)較低。這種差異隨距離增加而減弱。 弱結(jié)合

7、水強(qiáng)結(jié)合水+14土的三相組成10自由水(非結(jié)合水) 在雙電層影響以外的水為自由液態(tài)水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，這部分水稱為非結(jié)合水，它包括毛細(xì)水和重力水。毛細(xì)水 毛細(xì)水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水。毛細(xì)現(xiàn)象是毛細(xì)管壁對(duì)水的吸力和水的表面張力共同作用的結(jié)果。 重力水 重力水是存在于地下水位以下的適水土層中的地下水。它是在重力或壓力差作用下運(yùn)動(dòng)的自由水，對(duì)土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影響。15土中的自由水重力水毛細(xì)水重力水對(duì)土顆粒產(chǎn)生浮力作用。毛細(xì)水是地基凍害、地下室潮濕的主要原因。16土中氣土中的氣體： 與大氣相通（自由氣體）對(duì)

8、土的性質(zhì)影響不大。 壓縮性高 與大氣隔絕（封閉氣體）隨壓力增加或減少體積發(fā)生變化，對(duì)土的彈性變形產(chǎn)生影響，對(duì)土的性質(zhì)影響較大，降低透水性成分： 一般空氣中成分 微生物產(chǎn)生可燃?xì)怏w（H2S）17土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造1土的結(jié)構(gòu) 1.定義：指土顆粒的大小、形狀、表面特征，相互排列及其聯(lián)結(jié)關(guān)系的綜合特征。 2.分類： 單粒結(jié)構(gòu) 砂層，礫石層 蜂窩結(jié)構(gòu) 粉粒 絮狀結(jié)構(gòu) 粘粒 18單粒結(jié)構(gòu) 單粒結(jié)構(gòu)是由粗大土粒在水或空氣中下沉而形成的。因其顆粒較大、土粒間的分子吸引力相對(duì)很小，所以顆粒間幾乎沒有聯(lián)結(jié)，至于未充滿孔隙的水分只可能使其具有微弱的毛細(xì)水聯(lián)結(jié)。單粒結(jié)構(gòu)可以是疏松的，也可以是緊密的。 呈緊密狀單粒結(jié)構(gòu)的土

9、，由于其土粒排列緊密，在動(dòng)、靜荷載作用下部不會(huì)產(chǎn)生較大的沉降，所以強(qiáng)度較大，壓縮性較小，是較為良好的天然地基。 具有疏松單粒結(jié)構(gòu)的土，其骨架是不穩(wěn)定的，當(dāng)受到展動(dòng)及其他外力作用時(shí)、土粒易于發(fā)生移動(dòng)，土中孔隙劇烈減少。引起土的很大變形，因此，這種土層如未經(jīng)處理一般不宜作為建筑物的地基。 “砂土液化”土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造219蜂窩結(jié)構(gòu) 蜂窩結(jié)構(gòu)是主要由粉粒(0.0750.005mm)組成的土的結(jié)構(gòu)形式。據(jù)研究，粒徑在0.0750.005mm左右的土粒在水中沉積時(shí)，基本上是以單個(gè)土粒下沉，當(dāng)碰上已沉積的土粒時(shí)，由于它們之間的相互引力大于其重力，因此土粒就停留在最初的接觸點(diǎn)上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窩

10、狀結(jié)構(gòu)。土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造320絮狀結(jié)構(gòu) 絮狀結(jié)構(gòu)是由粘粒(0.005mm)集合體組成的結(jié)構(gòu)形式。粘粒能夠在水中長(zhǎng)期懸浮，不因自重而下沉。當(dāng)這些懸浮在水中的粘粒被帶到電解質(zhì)濃度較大的環(huán)境中(如海水)粘粒凝聚成絮狀的集粒(粘粒集合體)而下沉，并相繼和已沉積的絮狀集粒接觸，而形成類似蜂窩而孔隙很大的絮狀結(jié)構(gòu)(也稱二級(jí)蜂窩結(jié)構(gòu))。土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造421 具有蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)的土，顆粒間存在大量微細(xì)孔隙，其壓縮性大、強(qiáng)度低、透水性弱。又因土粒之間的聯(lián)結(jié)較弱且不甚穩(wěn)定，在受擾力作用下(如施工擾動(dòng)影響)，土粒接觸點(diǎn)可能脫離，部分結(jié)構(gòu)遭受破壞，土的強(qiáng)度會(huì)迅速降低。 具有蜂窩結(jié)構(gòu)和絮狀結(jié)構(gòu)的土，其土粒之間的聯(lián)結(jié)力

11、(結(jié)構(gòu)強(qiáng)度)往往由于長(zhǎng)期的壓密作用和膠結(jié)作用而得到加強(qiáng)。土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造522粘性土結(jié)構(gòu)性的演示 粘性土因受擾動(dòng)而原結(jié)構(gòu)被破壞后，其工程性質(zhì)通常會(huì)變差，強(qiáng)度將明顯下降。土中所示土樣在保持天然結(jié)構(gòu)時(shí)(原狀土)，其上承受了1.5kg的壓力，但當(dāng)結(jié)構(gòu)完全破壞而成為重塑土?xí)r，變?yōu)榭闪鲃?dòng)的泥漿。 基坑(槽)泡水 開挖基坑未設(shè)排水溝或擋水堤，地面水流入基坑，或在地下水位以下挖土，未采取降排水措施，將水位降至基底開挖面以下等原因。造成地基土被水浸泡，地基松軟，承載力降低，地基下沉。土的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造623土的物理性質(zhì)指標(biāo)1 土的三相比例指標(biāo)是其物理性質(zhì)的反映，但與其力學(xué)性質(zhì)有內(nèi)在聯(lián)系，顯然固相成分的比例越高，其壓

12、縮性越小，抗剪強(qiáng)度越大，承載力越高。 三相比例指標(biāo)反映了土的干燥與潮濕、疏松與緊密，是評(píng)價(jià)土的工程性質(zhì)的最基本的物理性質(zhì)指標(biāo)，也是工程地質(zhì)勘察報(bào)告中不可缺少的基本內(nèi)容。 24土的物理性質(zhì)指標(biāo)2 土的質(zhì)量密度： = m / V d =ms / V 天然密度 ：砂土 1.62.0 t/m3 黏性土和粉土 1.82.0 t/m3 干密度 d：是檢測(cè)填土密實(shí)程度的指標(biāo)。1.31.8 t/m3, 土的干密度越大，表示土越密實(shí)，工程上常把土的干密度作為評(píng)定土體密實(shí)程度的標(biāo)準(zhǔn)，以控制基坑底壓實(shí)及填土工程的壓實(shí)質(zhì)量 25土的物理性質(zhì)指標(biāo)3含水量 定義：土中水的質(zhì)量與土粒質(zhì)量之比值。 公式： 單位：無(wú)，% 常見

13、值：砂土w=（040)%；粘性土w=（2060)% 意義：表示濕度的物理指標(biāo)，與土的種類，埋藏條件及其所處的自然地理環(huán)境等有關(guān)。對(duì)土方邊坡的穩(wěn)定性及填方密實(shí)程度有直接的影響。26土的物理性質(zhì)指標(biāo)4土的可松性天然土經(jīng)開挖后，其體積因松散而增加，雖經(jīng)振動(dòng)夯實(shí)，仍然不能完全復(fù)原，土的這種性質(zhì)稱為土的可松性。土的可松性用可松性系數(shù)表示，即：式中 KS最初可松性系數(shù)； KS最后可松性系數(shù)； V1土在天然狀態(tài)下的體積(m3)； V2土經(jīng)開挖后的松散體積(m3)； V3土經(jīng)回填壓實(shí)后的體積(m3)； 在土方工程中，KS是計(jì)算土方施工機(jī)械及運(yùn)土 車輛等的重要參數(shù)，KS是計(jì)算填方所需挖土工程量的主要參數(shù)。土的可

14、松性用可松性系數(shù)表示，即：土的可松性用可松性系數(shù)表示，即：27例：從甲地挖出的土（長(zhǎng)2M，寬2M，深2M）去回填相同體積的乙地基坑，問挖出的土是否有多余，多余多少？或者不夠，尚缺多少？已知最初可松性系數(shù)Ks=1.20,最后可松性系數(shù)Ks=1.03 土的物理性質(zhì)指標(biāo)428土的物理性質(zhì)指標(biāo)5土的滲透性 定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)地下水穿透的土層厚度稱為滲透系數(shù)K 滲透系數(shù)K值將直接影響降水方案的選擇和涌水量計(jì)算的準(zhǔn)確性，一般應(yīng)通過抽水試驗(yàn)確定 土的名稱滲透系數(shù)K土的名稱滲透系數(shù)K黏土 6029Teton 壩1976.6.5上午10：30下游壩面有水滲出，并帶出泥土11:30洞口繼續(xù)擴(kuò)大，泥水沖蝕了壩基，主洞

15、的上方又出現(xiàn)一滲水洞12:00坍塌口加寬30土的工程分類1：根據(jù)土的顆粒級(jí)配：分為碎石類土(漂石土、塊石土、卵石土、碎石土、圓礫土、角礫土)、砂土(礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂)和粘性土(粘土、亞粘土、輕亞粘土)2：根據(jù)土的工程特性，又可分出特殊性土，如軟土、人工填土、黃土、膨脹土、紅粘土、鹽漬土、凍土等。不同的土，其物理、力學(xué)性質(zhì)也不同，只有充分掌握各類土的特性及其對(duì)施工過程的影響，才能選擇正確的施工方法 3：開挖難易程度 將土分為松軟土、普通土、堅(jiān)土、砂礫堅(jiān)土、軟石、次堅(jiān)石、堅(jiān)石、特堅(jiān)石八類，稱為土的工程分類。前四類屬一般土，后四類屬巖石，土的分類法及其現(xiàn)場(chǎng)鑒別方法見表。31土的分類 土

16、的 名 稱 開挖方法 可松性系數(shù) KS KS 一類土 (松軟土) 砂、亞砂土，沖積砂土，種植土、泥炭(淤泥) 能用鍬、鋤頭挖掘 1.081.17 1.011.04 二類土 (普通土) 亞粘土，潮濕的黃土，夾有碎石、卵石的砂，種植土、填筑土及亞砂土 用鍬、鋤頭挖掘，少許用鎬翻松 1.141.28 1.021.05 三類土 (堅(jiān)土) 軟及中等密實(shí)粘土，重亞粘土，粗礫石，干黃土及含碎石、卵石的黃土、亞粘土，壓實(shí)的填筑土 主要用鎬，少許用鍬、鋤頭，部分用撬棍 1.241.30 1.041.07 四類土 (砂礫堅(jiān)土) 重粘土及含碎石、卵石的粘土，粗卵石，密實(shí)的黃土、天然級(jí)配砂石，軟的泥灰?guī)r及蛋白石 用鎬、撬棍，然后用鍬挖掘，部分用楔子及大錘 1.261.37 1.061.09 五類土 (軟石) 硬石炭紀(jì)粘土，中等密實(shí)的頁(yè)巖、泥灰?guī)r，白堊土，膠結(jié)不緊的礫巖，軟的石灰?guī)r 用鎬或撬棍、大錘，部分使用爆破 1.301.45 1.101.20 六類土 (次堅(jiān)石) 泥巖，砂巖，礫巖，堅(jiān)實(shí)的頁(yè)巖、泥灰?guī)r，密實(shí)的石灰?guī)r，風(fēng)化花崗巖、片麻巖 用爆破方