土的工程性质与分类

1、第1章 土方工程1主要内容概述土的工程性质与分类场地平整、沟槽、基坑开挖土方机械化施工土壁支撑与基坑支护土方回填地基处理爆破施工2第一节 概述1 土方工程施工的特点 （1）量大面广； （2）劳动强度大，人力施工效率低、工期长； （3）施工条件复杂，受地质、水文、气侯影响大，不确定因素多。3 2、施工设计应注意 （1）摸清施工条件，选择合理的施工方案与机械； （2）合理调配土方，使总施工量最少； （3）合理组织机械施工，以发挥最高效率； （4）作好道路、排水、降水、土壁支撑等准备及辅助工作； （5）合理安排施工计划，避开冬、雨季施工； （6）制定合理可行的措施，保证工程质量和安全。4学习要求 了

2、解土的成因和三相组成，掌握土的物理性质和物理状态指标的定义、物理概念、计算公式和单位。了解地基土的工程分类依据与准确定名。基本内容 土的三相组成 土的三相比例指标 土的物理性质 土的结构与构造 土的工程分类第二节、土的物理性质和工程分类5土的三相组成1 土是由固相、液相、气相组成的三相分散系。 固相包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质； 液相主要是水(溶解有少量的可溶盐类)； 气相主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等。 6土的三相组成2 土体三相比例不同，土的状态和工程性质也随之各异，例如： 固体+气体（液体=0） 为干土，此时粘土呈坚硬

3、状态 砂土呈松散状态； 固体+液体+气体 为湿土，此时粘土多为可塑状态； 固体+液体（气体=0） 为饱和土，此时粉细砂或粉土遇强烈地震， 可能产生液化，而使工程遭受破坏； 粘土地基受建筑物荷载作用发生沉降 需几十年才能稳定。什么是液化？7土的三相组成3 如果饱和疏松的土是由细砂粒或粉砂粒所组成，在强烈的振动作用下，土的结构会突然破坏变成流动状态，引起所谓“砂土液化”现象，使地基失去承载力，在地震区将会引起震害。 1964年6月16日，日本新瀉发生里氏7.5级地震后，因地基土发生液化所造成的破坏。倒了，但结构未破坏8土的三相组成4土的形成 自然界的土是由岩石经风化、搬运、堆积而形成的。 “土”一

4、词在不同的学科领域有其不同的涵义。就土木工程领域而言，土是指覆盖在地表的没有胶结和弱胶结的颗粒堆积物。 物理风化 指岩石经受风、霜、雨、雪的侵蚀，温度湿度的变化、 不均匀膨胀与收缩，使岩石产生裂隙，崩解为碎块(原生矿物）。 这种风化仅改变颗粒大小与形状，不改变原来矿物成分。生成的土呈松散状态，无粘性土。 化学风化 指岩石碎屑与空气、水和各种水溶液相接触，经氧化、 碳化和水化作用，改变原来矿物成分，形成新的矿物(次生矿物)。生成的土为细粒土，粘性土。 生物风化 由动物、植物和人类对岩体的破坏称生物风化。9土的三相组成510土的三相组成6土的固体颗粒 土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于

5、成土母岩的矿物组成及其后的风化作用。成土矿物可分为两大类：原生矿物 次生矿物 由岩石经物理风化生成的 由原生矿物经化学风化生成的新矿物 颗粒成分与母岩的相同 它的成分成分与母岩的完全不同 常见的有石英、长石和云母 有高岭石、伊利石和蒙脱石粘土矿物 颗粒较粗，多呈浑圆形状 颗粒极细，且多呈片状 吸附水的能力弱，无塑性 性质活泼，吸附水能力强，具塑性水溶盐 可溶性次生矿物。常见的有岩盐、钾盐、石膏、方解石，硫酸盐类还对金属和混凝土有一定的腐蚀作用。有机质 动植物分解后的残骸，称为腐殖质。其颗粒极细，粒径小于0.1m，呈凝胶状，带有电荷，具极强的吸附性。11土的三相组成712土的三相组成8土中水 土

6、中水处于不同位置和温度条件下，可具有不同的物理状态固态、液态、气态。液态水是土中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。后两者也称为非结合水（自由水）。水的类型 主要作用力 结合水物理化学力非结合水毛细水表面张力和重力重力水重力13土的三相组成9结合水 土颗粒表面带有一定的电荷，当土粒与水相接触时，由于静电作用力，将吸引水化离子和水分子，形成双电层，在双电层影响下的水膜称为表面结合水。双电层的厚薄也反映了结合水的厚薄，结合水具有与一般自由水不同的性质，其密度较大、粘滞度高、流动性差、冰点低、比热较大、介电常数较低。这种差异随距离增加而减弱。 弱结合

7、水强结合水+14土的三相组成10自由水(非结合水) 在双电层影响以外的水为自由液态水，它主要受重力作用的控制，土粒表面吸引力居次要地位，这部分水称为非结合水，它包括毛细水和重力水。毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛细现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面张力共同作用的结果。 重力水 重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的地下水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒表面吸引力的影响。15土中的自由水重力水毛细水重力水对土颗粒产生浮力作用。毛细水是地基冻害、地下室潮湿的主要原因。16土中气土中的气体： 与大气相通（自由气体）对

8、土的性质影响不大。 压缩性高 与大气隔绝（封闭气体）随压力增加或减少体积发生变化，对土的弹性变形产生影响，对土的性质影响较大，降低透水性成分： 一般空气中成分 微生物产生可燃气体（H2S）17土的结构与构造1土的结构 1.定义：指土颗粒的大小、形状、表面特征，相互排列及其联结关系的综合特征。 2.分类： 单粒结构 砂层，砾石层 蜂窝结构 粉粒 絮状结构 粘粒 18单粒结构 单粒结构是由粗大土粒在水或空气中下沉而形成的。因其颗粒较大、土粒间的分子吸引力相对很小，所以颗粒间几乎没有联结，至于未充满孔隙的水分只可能使其具有微弱的毛细水联结。单粒结构可以是疏松的，也可以是紧密的。 呈紧密状单粒结构的土

9、，由于其土粒排列紧密，在动、静荷载作用下部不会产生较大的沉降，所以强度较大，压缩性较小，是较为良好的天然地基。 具有疏松单粒结构的土，其骨架是不稳定的，当受到展动及其他外力作用时、土粒易于发生移动，土中孔隙剧烈减少。引起土的很大变形，因此，这种土层如未经处理一般不宜作为建筑物的地基。 “砂土液化”土的结构与构造219蜂窝结构 蜂窝结构是主要由粉粒(0.0750.005mm)组成的土的结构形式。据研究，粒径在0.0750.005mm左右的土粒在水中沉积时，基本上是以单个土粒下沉，当碰上已沉积的土粒时，由于它们之间的相互引力大于其重力，因此土粒就停留在最初的接触点上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窝

10、状结构。土的结构与构造320絮状结构 絮状结构是由粘粒(0.005mm)集合体组成的结构形式。粘粒能够在水中长期悬浮，不因自重而下沉。当这些悬浮在水中的粘粒被带到电解质浓度较大的环境中(如海水)粘粒凝聚成絮状的集粒(粘粒集合体)而下沉，并相继和已沉积的絮状集粒接触，而形成类似蜂窝而孔隙很大的絮状结构(也称二级蜂窝结构)。土的结构与构造421 具有蜂窝结构和絮状结构的土，颗粒间存在大量微细孔隙，其压缩性大、强度低、透水性弱。又因土粒之间的联结较弱且不甚稳定，在受扰力作用下(如施工扰动影响)，土粒接触点可能脱离，部分结构遭受破坏，土的强度会迅速降低。 具有蜂窝结构和絮状结构的土，其土粒之间的联结力

11、(结构强度)往往由于长期的压密作用和胶结作用而得到加强。土的结构与构造522粘性土结构性的演示 粘性土因受扰动而原结构被破坏后，其工程性质通常会变差，强度将明显下降。土中所示土样在保持天然结构时(原状土)，其上承受了1.5kg的压力，但当结构完全破坏而成为重塑土时，变为可流动的泥浆。 基坑(槽)泡水 开挖基坑未设排水沟或挡水堤，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，将水位降至基底开挖面以下等原因。造成地基土被水浸泡，地基松软，承载力降低，地基下沉。土的结构与构造623土的物理性质指标1 土的三相比例指标是其物理性质的反映，但与其力学性质有内在联系，显然固相成分的比例越高，其压

12、缩性越小，抗剪强度越大，承载力越高。 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。 24土的物理性质指标2 土的质量密度： = 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：是检测填土密实程度的指标。1.31.8 t/m3, 土的干密度越大，表示土越密实，工程上常把土的干密度作为评定土体密实程度的标准，以控制基坑底压实及填土工程的压实质量 25土的物理性质指标3含水量 定义：土中水的质量与土粒质量之比值。 公式： 单位：无，% 常见

13、值：砂土w=（040)%；粘性土w=（2060)% 意义：表示湿度的物理指标，与土的种类，埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。对土方边坡的稳定性及填方密实程度有直接的影响。26土的物理性质指标4土的可松性天然土经开挖后，其体积因松散而增加，虽经振动夯实，仍然不能完全复原，土的这种性质称为土的可松性。土的可松性用可松性系数表示，即：式中 KS最初可松性系数； KS最后可松性系数； V1土在天然状态下的体积(m3)； V2土经开挖后的松散体积(m3)； V3土经回填压实后的体积(m3)； 在土方工程中，KS是计算土方施工机械及运土 车辆等的重要参数，KS是计算填方所需挖土工程量的主要参数。土的可

14、松性用可松性系数表示，即：土的可松性用可松性系数表示，即：27例：从甲地挖出的土（长2M，宽2M，深2M）去回填相同体积的乙地基坑，问挖出的土是否有多余，多余多少？或者不够，尚缺多少？已知最初可松性系数Ks=1.20,最后可松性系数Ks=1.03 土的物理性质指标428土的物理性质指标5土的渗透性 定义：单位时间内地下水穿透的土层厚度称为渗透系数K 渗透系数K值将直接影响降水方案的选择和涌水量计算的准确性，一般应通过抽水试验确定 土的名称渗透系数K土的名称渗透系数K黏土 6029Teton 坝1976.6.5上午10：30下游坝面有水渗出，并带出泥土11:30洞口继续扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞

15、的上方又出现一渗水洞12:00坍塌口加宽30土的工程分类1：根据土的颗粒级配：分为碎石类土(漂石土、块石土、卵石土、碎石土、圆砾土、角砾土)、砂土(砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂)和粘性土(粘土、亚粘土、轻亚粘土)2：根据土的工程特性，又可分出特殊性土，如软土、人工填土、黄土、膨胀土、红粘土、盐渍土、冻土等。不同的土，其物理、力学性质也不同，只有充分掌握各类土的特性及其对施工过程的影响，才能选择正确的施工方法 3：开挖难易程度 将土分为松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、软石、次坚石、坚石、特坚石八类，称为土的工程分类。前四类属一般土，后四类属岩石，土的分类法及其现场鉴别方法见表。31土的分类 土

16、的 名 称 开挖方法 可松性系数 KS KS 一类土 (松软土) 砂、亚砂土，冲积砂土，种植土、泥炭(淤泥) 能用锹、锄头挖掘 1.081.17 1.011.04 二类土 (普通土) 亚粘土，潮湿的黄土，夹有碎石、卵石的砂，种植土、填筑土及亚砂土 用锹、锄头挖掘，少许用镐翻松 1.141.28 1.021.05 三类土 (坚土) 软及中等密实粘土，重亚粘土，粗砾石，干黄土及含碎石、卵石的黄土、亚粘土，压实的填筑土 主要用镐，少许用锹、锄头，部分用撬棍 1.241.30 1.041.07 四类土 (砂砾坚土) 重粘土及含碎石、卵石的粘土，粗卵石，密实的黄土、天然级配砂石，软的泥灰岩及蛋白石 用镐、撬棍，然后用锹挖掘，部分用楔子及大锤 1.261.37 1.061.09 五类土 (软石) 硬石炭纪粘土，中等密实的页岩、泥灰岩，白垩土，胶结不紧的砾岩，软的石灰岩 用镐或撬棍、大锤，部分使用爆破 1.301.45 1.101.20 六类土 (次坚石) 泥岩，砂岩，砾岩，坚实的页岩、泥灰岩，密实的石灰岩，风化花岗岩、片麻岩 用爆破方