工程地质赖天文第三章 土的工程性质

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1、1,第3章 土的工程性质,3.1 土的形成 3.2 土的工程性质 3.3 土的工程分类 3.4 特殊土的工程地质性质,2,概 述 水在自然界的存在状态:气体、液体和固体 水在地球存在的位置:大气水、地表水、地下水 自然界中水的循环：大气水、地表水和地下水之间这种不间断的运动和相互转化。 水是人类赖以生存的重要资源，又是一种重要的动力地质作用。,3,3.1 土的形成 水的地质作用,定义：地面流水是指沿陆地表面流动的水体。 类型：根据流动的特点，地面流水分为三种类型： 片流：沿地面斜坡呈片状流动无固定流路的水流。洪流：当片流汇集于沟谷中形成急速流动的水流。 河流：沿着沟谷流动的经常性流水叫河流。

2、暂时性流水的地质作用：淋滤作用（残积层）、洗刷作用（坡积层）和冲刷作用（洪积层）； 河流的地质作用：侵蚀作用、搬运作用和沉积作用（冲积层）。,4,3.1.1 暂时流水的地质作用,淋滤作用及残积土（Qel） 大气降水渗入地下时，将地表附近细小颗粒带走，同时也将周围易溶成分溶解带走，而残留在原地的则是一些未被带走，不易溶解的松散物质，这个过程称为淋滤作用。残留在原地的松散破碎物质叫残积物。 淋滤作用使地表附近的岩石逐渐失去完整性和致密性。,残积土的特征： 1位于地表以下，基岩风化带以上，从地表至地下，破碎程度逐渐减弱； 2残积物的物质成分与下伏基岩成份基本一致； 3残积层厚度与地形,降水量,水中化

3、学成分等多种因素有关； 4残积层具有较大的孔隙率，较高的含水量，力学性质较差。,5,洗刷作用与坡积土（Qdl） 大气降水在汇集之前，沿山坡坡面形成漫流，将覆盖在坡面上的风化破碎物质洗刷到山坡坡脚处，这个过程称为洗刷作用。在坡脚处形成的新的沉积层称为坡积层。,坡积土的特征 1坡积物的厚度变化较大，一般在坡脚处最厚，向山坡上部及远离山脚方向均逐渐变薄尖灭； 2坡积层多由碎石和粘性土组成，其成分与下基岩无关； 3搬运距离较短，坡积层层理不明显，碎石棱角清楚； 4坡积层松散、富水、力学性质差。,6,坡积裙 坡积裙是由山坡上的水流将风化碎屑物质，携带到山坡下，并围绕坡脚堆积，形成的裙状地貌。,坡积裙的形

4、态,7,冲刷作用与洪积土（Qpl） 地表流水汇集后，水量增大，侵蚀能力加强，携带的泥砂石块也渐多，使沟槽不断下切，同时沟槽也不断加宽，这个过程称为冲刷作用。 集中暴雨或积雪骤然大量融化，都会在短时间内形成巨大的地表暂时流水，一般称为洪流。洪流所携带的大量泥砂、石块被搬运到一定距离后沉积下来，形成洪积层。,8,由冲刷作用形成的沟底狭窄、两壁陡峭的沟谷叫冲沟。,9,冲沟形成的条件： (1) 地表岩石或土比较疏松； (2) 裂隙发育； (3) 地面坡降大，角度陡； (4) 地面植被稀少； (5) 降水较集中。,冲沟的发展阶段： (1) 冲槽阶段； (2) 下切阶段； (3) 平衡阶段； (4) 休止

5、阶段；,在冲沟附近修筑工程建筑，必须查明冲沟的形成条件、原因，特别是冲沟的活动程度，提出合理的治理方案和措施。,10,洪积土的特征 （1）洪积层多位于沟谷进入山前平原、山间盆地、流入河流处。从外貌看洪积层多呈扇形，称洪积扇。 （2）洪积层成分较复杂，由沟谷上游汇水区内的岩石种类决定。 （3）有不规则的交错层理、透镜体、尖灭及夹层等； （4）从断面上看，地表洪积物颗粒较细，向地下愈来愈粗。也就是说，洪积层初具分选性和层理。同时，由于携带物搬运距离较远，沿途受到摩擦、碰撞，使洪积物具有一定磨圆度。 （5）规模很大的洪积层一般可划分为三个工程地质条件不同的地段：靠近山坡沟口的粗碎屑沉积地段，孔隙大，

6、透水性强，地下水埋藏深，压缩性小，承载力比较高，是良好的天然地基；洪积层外围的细碎屑沉积地段，如果在沉积过程中受到周期性的干燥，黏土颗粒发生凝聚并析出可溶盐分时，则洪积层的结构密实，承载力比较高；在上述两地段之间的过渡带，因为常有地下水溢出，水文地质条件不良，对工程建筑不利。,11,12,新疆天山脚下洪积扇,13,河谷要素,14,河流在纵向的特征,15,河流的沉积作用,山区沉积作用:砾,石,砂 平原沉积作用:冲洪积平原 中下游沉积作用:冲积平原 河口沉积作用:三角洲,良好的分选性和磨圆度是河流沉积物区别于其他成因沉积物的重要特征。,16,三角洲的地基条件差,良好的建筑材料和水源,成分复杂,分选

7、性好,层理明显磨圆度高,山区冲积物薄,颗粒粗,承载力高,从上游到下游沉积物 逐渐变细,河流沉积物（冲积土）的特征,17,3.2 土的工程性质,气相,固相,液相,+,+,构成土骨架，起决定作用,重要影响,土体,次要作用,18,3.2.1 土的粒组,物理状态 力学特性,粒径级配,矿物成分,颗粒形状,19,颗粒大小,粒组 按粗细进行分组，将粒径接近的归成一类 界限粒径,20,粒径级配,颗粒大小,各粒径成分在土中占的比例,狭义的粒径级配,影响土性的主因,21,粒径级配,确定方法 筛分法：适用于粗粒土 (0.1 mm) 水分法：适用于细粒土 (0.1 mm),各粒组的相对含量，用质量百分数来表示,表述方

8、法 粒径级配累积曲线,22,1. 三相草图,质量,体积,3.2.2 土的基本物理性质,23,三相草图,已知关系五个:,共有九个参数: V Vv Vs Va Vw / ms m w ma m,剩下三个独立变量,三相草图法,物性指标是比例关系: 可假设V=1cm3或Vs=1cm3或m=1g,对于饱和土, Va=0 剩下两个独立变量,实验室测定,其它指标,是一种简单而实用的方法,24,2.室内测定的三个物理性质指标,土的密度、土粒的比重、土的含水量,土的密度,土的容重,=g,工程上更常用, 用于计算土的自重应力,单位: kg/m3 或 g/cm3,单位: kN/m3,一般范围: 1.602.20 g

9、/cm3,定义: 单位体积土的质量,有时也称土的天然密度,表达式:,相关指标:,三相草图有助于直观理解物性指标的概念,25,土粒比重,s: 土粒的密度，单位体积土粒的质量,单位: 无量纲,土粒比重一般范围: 粘性土 2.702.75 砂 土 2.65,4C时纯蒸馏水的密度,=1.0 g/cm3,土粒比重在数值上等于土粒的密度,定义: 土粒的质量与同体积纯蒸馏水在4C时的质量之比 或 土粒的密度与4C时纯蒸馏水的密度的比值,表达式:,26,土的含水量,定义: 土中水的质量与土粒质量之比, 用百分数表示,注意: 其实是含水比, 可达到或超过100,表达式:,27,表示土中孔隙含量的指标,孔隙比,孔

10、隙率 (孔隙度),. 其它常用的物理性质指标,关系:,在某种程度上反映土的松密,砂类土：28-35% 粘性土：30-50% 有的可达60-70%,定义: 土中孔隙体积与固体颗粒体积之比, 无量纲,表达式:,定义: 土中孔隙体积与总体积之比, 用百分数表示,表达式:,Vs=1,Vv=e,V=1+e,三相草图可用于确定物性指标之间的关系,28,表示土中含水程度的指标,含水量,饱和度,表达式:,定义: 土中水的体积与孔隙体积的比值,饱和度表示孔隙中充满水的程度,Sr=0 : 干土 Sr=1 : 饱和土,29,表示土的密度和容重的指标,天然密度,干密度,饱和密度,天然容重,干容重,浮容重,有效容重,饱

11、和容重,单位: kg/m3 或 g/cm3,单位: kN/m3,定义: 土被完全烘干时的密度, 等于 单位体积内土粒的质量,表达式:,30,各种密度容重之间的大小关系：,天然密度,干密度,饱和密度,天然容重,干容重,浮容重,饱和容重,31,3.2.3 粘性土的软硬状态,也称稠度状态,稠度状态与含水量有关,粘性土,含水量,较硬,变软,流动,32,塑限wp,液限wl,稠度界限,粘性土的稠度反映土中水的形态,固态或半固态,塑态,流态,强结合水膜最大,出现自由水,强结合水,弱结合水,自由水,稠度状态,含水量,土中水的形态,w,吸附弱结合水的能力,塑性指数,33,相对稠度,问题：仅适用于重塑土,即使含水

12、量相同，稠度可能不同,液性指数,对不同的粘土，wp、wl 大小不同,定义：,wp,w,wl,IL1,坚硬状态 可塑状态 流 态,0.00 0.25 0.25 - 0.75 0.75 1.00,硬塑 可塑 软塑,对同一种粘土，含水量可反映其稠度,问题：,34,吸附弱结合水的能力；大致反映粘土颗粒含量、粘性大小,塑性指数,常作为细粒土工程分类的依据,缺点 不能充分反映粘土颗粒含量,不同的粘土矿物结合水的能力不同,活性指数,p0.002: 粒径小于0.002mm颗粒的质量占总土总质量的百分比,A 1.25,非活性粘土 正常粘土 活性粘土,35,目的：,依据：,建筑地基基础设计规范-GB50007-2

13、002分类法,岩土工程勘察规范-GB5002-2001分类法,3.3 土的工程分类,便于研究、交流及应用,能反映土的物理力学性质,土的组成 土的状态 土的结构,36,建筑地基基础设计规范-GB50007-2002分类法,土,岩石 碎石土 砂土 粉土 粘性土 人工填土,37,碎石土,土的名称 颗粒形状 粒组含量,漂石 块石,圆形及亚圆形为主 棱角形为主,粒径大于200mm的颗粒超过全质量50%,卵石 碎石,圆形及亚圆形为主 棱角形为主,圆形及亚圆形为主 棱角形为主,圆砾 角砾,粒径大于20mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于2mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于2mm的颗粒超过总土重50%的土,

14、38,砂土,土的名称 粒组含量,粒径大于2mm的颗粒占全质量25 - 50%,砾砂 粗砂 中砂 细砂 粉砂,粒径大于0.5mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于0.25mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量85%,粒径大于0.075mm的颗粒超过全质量50%,粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%，而粒径 大于0.075mm的颗粒含量超过全重的50%,39,粉土,粒径大于0.075mm的颗粒含量小于全质量50%而塑性指数Ip10的土,塑性指数Ip10的土,粘性土,10Ip17的土,Ip17的土,粘土,粉质粘土,A 1.25,非活性粘土 正常粘土 活性粘土,40,4

15、1,42,土按地质成因分类,土按地质成因分类可分为： 残积土、坡积土、洪积土、冲积土、 淤积土、冰积土、风积土、海积土,43,洪积土,冲积土,残积土,坡积土,44,冰积土,淤积土,风积土,45,土按堆积年代分类,土按堆积年代分类可以分为老黏性土、一般黏性土和新近堆积的黏性土。 1. 老堆积土 老堆积土是指第四纪晚更新世(Q3)及其以前堆积的土。它是一种堆积年代久、工程性质较好的土，一般具有较高强度和较低压缩性。 2. 一般堆积土 一般堆积土是指第四纪全新世(Q4文化期以前)堆积的土层。其分布面积广，工程性质变化很大，是经常遇见的岩土工程勘察对象。 3. 新近堆积土 新近堆积土是指文化期以来堆积

16、的土层，一般为欠固结，强度低。,46,3.4 特殊土的工程地质性质,3.4.1 黄土 3.4.2 软土 3.4.3 膨胀土 3.4.4 冻土,47,黄土是在干旱、半干旱气候条件下形成的第四纪的一种松散的特殊土。,3.4.1 黄土,48,黄土的特征,（1） 颜色为淡黄、褐色或灰黄色； （2） 粒度成分以粉土为主，约占有60% 70%，一般不含0.25mm的颗粒； （3） 含各种可溶盐，富含碳酸盐（CaCO3），可形成钙质结核（姜结石）； （4） 孔隙多且大，结构疏松； （5） 无层理，但有垂直节理和柱状节理。天然条件下能保持近于垂直的边坡； （6） 具有湿陷性。,49,具有(（1）（5）)项特征的为标准黄土，只有其中部分特征的黄土叫黄土状土或黄土质土。 具有湿陷性的黄土为湿陷性黄土。,50,黄土的分布,黄土在世界上的分布面积达1300万km2，我国的黄土面积是世界上最大的，达64万km2，比