土體及其工程性質(zhì)詳解課件

1、第5章 土體及其工程性質(zhì) 15.1 土的成因與結(jié)構(gòu)5.2 土的工程分類5.3 土的物理力學(xué)指標(biāo)5.4 無黏性土與黏性土的性狀5.5 特殊土的工程地質(zhì)特征P822 土是原來的巖石（母巖）在風(fēng)化作用后在原地或經(jīng)搬運(yùn)作用在異地各種地質(zhì)環(huán)境下形成的堆積物。 土的工程性質(zhì)指標(biāo)包括物理性質(zhì)指標(biāo)和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)兩類。物理指標(biāo)是指用于定量描述土的組成、土的干濕、疏密與軟硬程度的指標(biāo)；力學(xué)指標(biāo)主要是用于定量描述土的變形規(guī)律、強(qiáng)度規(guī)律和滲透規(guī)律的指標(biāo)。 本章主要介紹土的工程分類、第四紀(jì)土的地質(zhì)成因及特征、土的三相關(guān)系、土的三相比例指標(biāo)、無黏性土的性質(zhì)、黏性土的性質(zhì)、土的力學(xué)性質(zhì)以及特殊土的工程地質(zhì)特征等內(nèi)容。 5.

2、1 土的成因與結(jié)構(gòu) 35.1.1 土的成因及特征 巖石經(jīng)過風(fēng)化（物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化、生物風(fēng)化）、剝蝕等作用會形成顆粒大小不等的巖石碎塊或礦物顆粒，這些巖石碎屑物質(zhì)在斜坡重力作用、流水作用、風(fēng)力吹揚(yáng)作用、冰川作用及其他外力作用下被搬運(yùn)到別處，在適當(dāng)?shù)臈l件下沉積成各種類型的土體。 土體按地質(zhì)成因可分為殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、淤積土、冰積土和風(fēng)積土。 4地表巖石破壞搬運(yùn)沉積土的形成55.1.4 土的三相關(guān)系 土的三相關(guān)系包括固相土顆粒、土中水、土中氣。土的兩相介質(zhì)土的三相關(guān)系61. 土的固相 土的固相指的是土中固體顆粒的大小及所構(gòu)成的骨架，土骨架可以傳遞有效應(yīng)力，有效應(yīng)力=上覆土層的總應(yīng)力孔

3、隙水壓力u。土是由各種大小不同的礦物顆粒組成的，所以有必要對土顆粒分組。1）粒組的劃分及特征粒徑 (或粒度)：指土顆粒直徑的大小(單位為mm)，可通過篩分時的篩孔孔徑和水中下沉的當(dāng)量球體的直徑來確定；粒組：界于一定粒徑范圍的土粒，稱為粒組；土的粒度成分 (或稱土的顆粒級配)：指土中各粒組顆粒的重量占該土顆粒的總重量的百分?jǐn)?shù)。顆粒級配良好表示土顆粒大小不均勻。 土的粒徑由大到小逐漸變化時，土的工程性質(zhì)也相應(yīng)地發(fā)生變化。因此，在工程上粒組的劃分在于使同一粒組土粒的工程性質(zhì)相近，而與相鄰粒組土粒的性質(zhì)有明顯差別。土粒粒組的劃分見下表。 78 2）顆粒分析試驗(yàn) 由級配曲線可以直觀地判斷土中各粒組的含量

4、情況，如果曲線陡峻(曲線C)，表示土粒大小均勻，級配不好；反之，曲線平緩（曲線B），則表示土粒大小不均勻，但級配良好。 9102. 土的液相 1) 結(jié)合水 結(jié)合水是指受分子引力、靜電引力吸附于土粒表面的土中水。 a.強(qiáng)結(jié)合水 土粒的靜電引力強(qiáng)度是隨離開土粒表面的距離增大而減弱的，靠近土粒表面的水分子，受到土粒的強(qiáng)烈吸引(可達(dá)10002000MPa)，而失去自由活動能力，整齊地排列起來。這部分水稱為強(qiáng)結(jié)合水，又叫吸著水。 b.弱結(jié)合水 距離土粒表面稍遠(yuǎn)的水分子，受到土粒的吸引力減弱，有部分活動能力，排列疏松不整齊，這部分水叫弱結(jié)合水，又叫薄膜水。 11 2)非結(jié)合水 非結(jié)合水為土?？紫吨谐鐾亮?/p>

5、表面靜電引力作用范圍的一般液態(tài)水。主要受重力作用控制，能傳遞靜水壓力和溶解鹽分，在溫度0左右凍結(jié)成冰。典型的代表是重力水，界于重力水和結(jié)合水之間的過渡類型水為毛細(xì)水。 a.毛細(xì)水 毛細(xì)水是由于毛細(xì)作用保持在土的 毛細(xì)孔隙中的地下水。 b.重力水(或稱自由水) 重力水是存在于較粗大孔隙中，具有 自由活動能力，在重力作用下流動的水， 為普通液態(tài)水。 123. 土的氣相 土的氣相是指充填在土的孔隙中的氣體，包括土中與大氣連通的氣體和土中密閉的氣體兩類。 5.3 土的物理力學(xué)指標(biāo) 13 巖土工程勘察報告中土的物理力學(xué)指標(biāo)包括土的比重、重度、含水量、飽和度、孔隙比、液限、塑限、Ip、IL、強(qiáng)度指標(biāo)c值值

6、、壓縮指標(biāo)a值Es值、地基承載力特征值fa、樁基單位面積的側(cè)阻力qs端阻力值qp等。 5.3.1 土的三相關(guān)系及物理指標(biāo) 14 表示土的三相比例關(guān)系的指標(biāo)，稱為土的三相比例指標(biāo)，亦即土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，包括土的顆粒比重、重度、含水量、飽和度、孔隙比和孔隙率等。 151.土的密度 土的密度是單位體積土的質(zhì)量。2.土的相對密度（比重） 土粒重量與同體積的4時水的重量之比，稱為顆粒比重，它在數(shù)值上為單位體積土粒的重量。3.土的重度 單位體積土的重量稱為土的重度。4.土的干重度、飽和重度 和浮重度 土單位體積中固體顆粒部分的重量，稱為土的干重度。 土孔隙中充滿水時的單位體積重量，稱為上的飽和重度。

7、在地下水位以下，單位土體積中土粒的重量扣除浮力后，即為單位土體積中土粒的有效重量，稱為土的浮重度或水下重度。5.土的含水量 土中水的重量與土粒重量之比，稱為土的含水量，以百分?jǐn)?shù)計。6.土的飽和度 土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比，稱為土的飽和度，以百分率計。 7.土的孔隙比和孔隙率 土的孔隙比是土中孔隙體積與土粒體積之比。 土的孔隙率是土中孔隙所占體積與總體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示。5.4.2 黏性土的性狀16 黏性土的物理狀態(tài)因其顆粒很細(xì)，與水作用很強(qiáng)烈，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與無黏性土差別很大，工程性質(zhì)也與無黏性土差別很大。 影響?zhàn)ば酝列再|(zhì)的主要因素包括受荷歷史和形成環(huán)境、黏性土的含水量、黏性土中所含

8、礦物的膠體活動性、黏性土遇水膨脹和失水收縮的程度、黏性土的耐崩解特性以及黏性土壓實(shí)的最優(yōu)含水量等。 黏性土的主要特性指標(biāo)包括黏性土的界限含水量（包括液限、塑限和縮限）、塑性指數(shù)、液性指數(shù)、活動性指數(shù)以及最優(yōu)含水量等。 1.界限含水量 17 塑性指數(shù) 液性指數(shù) 2. 活動性指數(shù) 18 5.5 特殊土的工程地質(zhì)特征P82 19 不同的地質(zhì)條件、地理環(huán)境和氣候條件造成了不同區(qū)域的工程性質(zhì)各異的土質(zhì)。有些土類，由于形成條件及次生變化等原因而具有與一般土類顯著不同的特殊工程性質(zhì)，稱其為特殊土。特殊土的性質(zhì)都表現(xiàn)出一定的區(qū)域性，有其特殊的規(guī)律，在工程上應(yīng)充分考慮其特殊性，采取相應(yīng)的治理措施，否則很容易造成

9、工程事故。 205.5.1 軟土 軟土是靜水或緩慢流水環(huán)境中沉積的以細(xì)顆粒為主的第四紀(jì)沉積物，軟土可細(xì)分為軟黏性土、淤泥質(zhì)土、淤泥、泥炭質(zhì)土和泥炭等。它具有天然含水量高、壓縮性大、承載力低和抗剪強(qiáng)度很低的特性。我國軟土分布廣泛，主要位于沿海平原地帶、內(nèi)陸湖盆、洼地及河流兩岸地區(qū)。我國軟土成因類型主要有：沿海沉積型（濱海相、瀉湖相、溺谷相、三角洲相）、內(nèi)陸湖盆沉積型、河灘沉積型、沼澤沉積型。 淤泥質(zhì)土211.軟土的物理性質(zhì)通常在軟土形成過程中有生物化學(xué)作用參與，這是因?yàn)樵谲浲脸练e環(huán)境中生長有喜濕植物，植物死亡后遺體埋在沉積物中，在缺氧條件下分解，參與軟土的形成。我國軟土有下列特征： 1) 軟土的

10、顏色多為灰綠、灰黑色，手摸有滑膩感，能染指，有機(jī)質(zhì)含量高時有腥臭味。2) 軟土的顆粒成分主要為黏粒及粉粒，黏粒含量高達(dá)6070。3) 軟土的礦物成分，除粉粒中的石英、長石、云母外，粘土礦物主要是伊利石，高嶺石次之，此外軟土中常有一定量的有機(jī)質(zhì)，可高達(dá)89。4) 軟土具有典型的海綿狀或蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其孔隙比大，含水量高，透水性小，壓縮性大，是軟土強(qiáng)度低的重要原因。5) 軟土具層理構(gòu)造，軟土、薄層粉砂、泥炭層等相互交替沉積，或呈透鏡體相間沉積，形成性質(zhì)復(fù)雜的土體。6）淤泥質(zhì)土的孔隙比e大于1，小于1.5；淤泥孔隙比大于1.5；泥炭土的含水量有可能大于100%。222. 軟土的工程性質(zhì) 23淤泥土中樁

11、破壞24淤泥土中建筑物不均勻沉降25淤泥質(zhì)土中的超載預(yù)壓排水固結(jié)法26軟土路基中攪拌樁復(fù)合地基處理典型剖面圖27軟土路基中砂石樁復(fù)合地基處理典型剖面圖28軟土路基中管樁復(fù)合地基處理典型剖面圖295.5.2 黃 土 黃土是一以粉粒為主，富含碳酸鈣，具大孔隙，質(zhì)地均一，無明顯層理而有顯著垂直節(jié)理的黃色陸相沉積物。1.黃土的物理性質(zhì)典型黃土具備以下特征：1) 顏色為淡黃、褐黃或灰黃色。2) 以粉土顆粒(0.075 mm0.005 mm)為主，約占6070。3) 土粒密度在2.54-2.84g/cm3之間，黃土的密度為1.5-1.8g/ cm3，干密度為1.31.6g/ cm3。干密度反映了黃土的密實(shí)

12、程度，干密度小于1.5g/ cm3的黃土具有濕陷性。4) 黃土天然含水量一般較低。含水量與濕陷性有一定關(guān)系。含水量低，濕陷性強(qiáng)，含水量增加，濕陷性減弱，當(dāng)含水量超過25時就不再濕陷了。5) 含各種可溶鹽，主要富含碳酸鈣，含量達(dá)1030，對黃土顆粒有一定的膠結(jié)作用，常以鈣質(zhì)結(jié)核的形式存在，又稱姜石。6) 結(jié)構(gòu)疏松，孔隙多且大，孔隙度達(dá)3364，有肉眼可見的大孔隙、蟲孔、植物根孔等。7) 無層理，具柱狀節(jié)理和垂直節(jié)理，天然條件下穩(wěn)定邊坡近直立。8) 具有濕陷性。30黃土地312.黃土的工程性質(zhì) 325.5.3 膨脹土 膨脹土是指含有大量親水黏土礦物，濕度變化時有較大體積變化，膨脹變形受約束時產(chǎn)生較

13、大內(nèi)應(yīng)力的高塑性土。 331.膨脹土的物理性質(zhì) 膨脹土多為灰白、棕黃、棕紅、褐色等，顆粒成分以黏粒為主，含量在35%50%以上，粉粒次之，砂粒很少。黏粒的礦物成分多為蒙脫石和伊利石，這些粘土顆粒比表面積大，有較強(qiáng)的表面能，在水溶液中吸引極性水分子和水中離子，呈強(qiáng)親水性。天然狀態(tài)下，膨脹土結(jié)構(gòu)緊密、孔隙比小，干密度達(dá)1.61.8g/cm3，塑性指數(shù)為1823，天然含水量接近塑限，一般為18%26%，土體處于堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài)，有時被誤認(rèn)為良好地基。 342.膨脹土的工程性質(zhì) 355.5.4 凍 土 當(dāng)溫度低于0時，土中的液態(tài)水凍結(jié)成冰，形成一種具有特殊聯(lián)結(jié)的土，稱為凍土。溫度升高，土中的冰融化，則稱

14、融土，此時其含水率較凍前提高很多。 1.凍土的物理性質(zhì) 土的凍脹是土中水凝結(jié)成冰以及水在此過程中遷移富集的結(jié)果。土的凍脹程度一般用凍脹率V表示，它是凍脹變形量與凍結(jié)深度之比。它除與氣溫有關(guān)外，還受土的粒度成分、凍前含水率以及地下水位埋深的影響。在其他條件相同時，粗粒土的凍前含水率一般較小，或者凍結(jié)過程中無地下水不斷補(bǔ)給，土的凍脹程度則較低。按照凍脹率可將凍土劃分為四級，不凍脹的(6.0)。 土的融化使土體體積減小而產(chǎn)生沉降，稱為融沉。融沉程度用融沉系數(shù)A0表示，為融化后土體的沉陷變形與融化層厚度之比。它與凍土層內(nèi)冰的發(fā)育程度有關(guān)。由于在不同粒度的土中冰的發(fā)育情況和總含水量的差別很大，從而其融沉

15、性也有較大差異。按照融沉系數(shù)可將其分為四級：不融沉的、弱融沉的(A00.06)。 36 2.凍土的工程性質(zhì)37房屋凍脹裂縫凍 土385.5.5 紅黏土 紅粘土是指出露的碳酸鹽巖類巖石，經(jīng)風(fēng)化作用后形成的具有棕紅，褐黃等色，液限等于或大于50%的高塑性黏土。 紅黏土及次生紅黏土廣泛分布于我國的云貴高原、四川東部、廣西、粵北及鄂西、湘西等地區(qū)的低山、丘陵地帶頂部和山間盆地、洼地、緩坡及坡腳地段。 39 1.紅粘土的物理性質(zhì)紅粘土的粒度成分中，小于0.005mm的粘粒含量為60%-80%，其中小于0.002mm的膠粒占40%-70%，使紅粘土具有高分散性。紅粘土的主要礦物成分為高嶺石、伊利石、綠泥石

16、，是碳酸鹽類以及其他類巖石的風(fēng)化后期產(chǎn)物。粘土礦物具有穩(wěn)定的結(jié)晶格架，細(xì)粒組結(jié)成穩(wěn)固的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，土體近于兩相系且土中水多為結(jié)合水，所有這些都是決定紅粘土具有良好力學(xué)性能的基本因素。紅粘土的物理力學(xué)性質(zhì)主要有：高水量，其天然的含水量一般為4060，有的高達(dá)90；高孔隙比，天然孔隙比一般為1.41.7，最高2.0；高飽和度；高塑性界限，液限一般為6080，最高達(dá)110；塑限一般為4060，最高達(dá)90；塑性指數(shù)一般為2050。由于塑限很高，紅粘土一般仍處于堅(jiān)硬或硬可塑狀態(tài)且具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和較低的壓縮性。但各種指標(biāo)的變化幅度很大，具有高分散性。 40 2.紅粘土的工程性質(zhì) 41紅黏土42紅黏土邊坡失穩(wěn)紅黏土邊坡治理435.5.6 填 土填土是由于人為堆填和傾倒以及自然力的搬運(yùn)而形成的處于地表面的土層。1.填土的物理性質(zhì)填土的結(jié)構(gòu)往往疏松，顏色根據(jù)填充物的材料而定，孔隙往往較大，軟土中的填土含水量往往較高。填土的厚度往往不均勻。填土可劃分為素填土、雜填土和沖填土三類。1) 素填土：素填土的物質(zhì)組成主要為