对土的工程性质的研究

【摘要】土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，在原地残留或经过不同的搬运方式，在各种自然环境中形成的堆积物。土是由颗粒(固相)、水溶液(液相)和气(气相)所组成的三相体系。组成土的固体颗粒矿物有原生矿物、不溶于水的次生矿物、可溶盐类、易分解的矿物以及有机质。各种土的颗粒大小和矿物成分差别很大，土的三相间的数量比例也不尽相同，而且土粒与其孔隙水溶液及环境水之间又有复杂的物理化学作用。【关键字】建设工程；工程性质一、土的孔隙比和含水量土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比，反映天然土层的密实程度，一般孔隙比小于0．6的是密实的低压缩性土，大于1．0的土是疏松的高压缩性土。天然土层的含水量变化范围很大，一般于的粗砂土，其值接近于0，而饱和砂土可达35％；坚硬的黏性土含水量为20％～30％，而饱和状态的软黏性土(如淤泥)可达60％以上。一般而言，土的含水量增大时，其强度就降低。土的饱和度是土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，饱和度Sr越大，表明土孔隙中充水愈多。Sr50％是稍湿状态，Sr在50％～80％之间是很湿状态，Sr80％是饱水状态。碎石土和砂土为无黏性土，紧密状态是判定其工程性质的重要指标。颗粒小于粉砂的是黏性土，黏性土的工程性质受含水量的影响特别大。当含水量很小时，黏性土比较坚硬，处于固体状态，具有较大的力学强度。随着土中含水量的增大，土逐渐变软，并在外力作用下可任意改变形状，即土处于可塑状态。若再继续增大土的含水量，土变得愈来愈软弱，甚至不能保持一定的形状，呈现流塑或流动状态。黏性土这种因含水量变化而表现出的各种不同物理状态，称为土的稠度。黏性土能在一定的含水量范围内呈现出可塑性，这是黏性土区别于砂土和碎石土的一大特性，据此特点，黏性土也可称为塑性土。土的可塑性是指土在外力作用下可以形成任意形状而不裂缝，且当外力解除后仍可保持既得形状的性能。随着含水量的变化，黏性土由一种稠度状态转变为另一种状态，对应于转变点的含水量称为界限含水量，也称为稠度界限，是黏性土的重要特性指标，对黏性土的工程性质评价及分类等有重要意义。黏性土的界限含水量，有缩限、塑限和液限。半固态黏性土随水分蒸发体积逐渐缩小，直到体积不再缩小时的界限含水量叫缩限，体积不再随水分蒸发而缩小的状态为固态。半固态黏性土随含水量增加转到可塑状态的界限含水量叫塑限，也称塑性下限。由可塑状态转到流塑、流动状态的界限含水量叫液限。液限和塑限的差值称为塑性指数，它表示黏性土处在可塑状态的含水量变化范围。塑性指数愈大，可塑性就愈强。黏性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，称为液限指数。液限指数愈大，土质愈软。二、土的力学性质土的力学性质主要是压缩性和抗剪强度。土的压缩性是土在压力作用下体积缩小的特性。在荷载作用下，透水性大的饱和无黏性土，其压缩过程在短时间内就可以结束。然而，黏性土的透水性低，其压缩稳定所需的时间要比砂土长得多，其固结变形往往需要几年甚至几十年。在土的自重或外荷载作用下，土体中某一个曲面上产生的剪应力值达到了土对剪切破坏的极限抗力时，土体就会沿着该曲面发生相对滑移而失稳。土对剪切破坏的极限杭力称为土的抗剪强度。三、特殊土的工程性质根据土中有机质含量，土可以分为无机土、有机质土、泥炭质上和泥炭；根据土的颗粒级配和塑性指数分为碎石土、砂土、粉土和黏性土；根据土的地质成因分为残积土、坡积上、洪积上、冲积土、湖泊沉积物、海洋沉积物、冰积土和冰水沉积土、风积土。这里强调的是要注意一些特殊土的工程性质。(1)淤泥及淤泥质土。具有高含水量、高孔隙性、低渗透性、高压缩性、低抗剪强度、较显著的触变性和蠕变性等特性。(2)湿陷性黄土。在天然含水量时一般呈坚硬或硬塑状态，具有较高的强度和低的或中等偏低的压缩性，但遇水浸湿后，强度迅速降低，有的即使在其自重作用下也会发生剧烈的沉陷。黄土在我国分布很广，其中湿陷性黄土约占3／4，遍及甘、陕、晋的大部分地区以及豫、宁、冀部分地区。湿陷性黄土受水浸湿后，在其自重压力下发生湿陷的，称为自重湿陷性黄土。而在其闩重压力与附加压力共同作用下才发生湿陷的，称为非自重湿陷性黄土。在自重湿陷性黄土地区修筑渠道，初次放水时就可能产生地面下沉，两岸出现与渠道平行的裂缝；管道漏水后由于自重湿陷可能导致管道折断；路基受水后由于自重湿陷而发生局部严重坍塌；地基土的自重湿陷往往使建筑物发牛很大的裂缝或使砖墙倾斜，甚至使一些很轻的建筑物也受到破坏。而在非自重湿陷性黄土地区，这类现象极为少见。所以在这两种不同湿陷性黄土地区所采取的地基设计、地基处理、防护措施及施工要求等方面均应有较大差别。(3)红黏土。天然含水量高(一般为40％～60％，最高达90％)、密度小(天然孔隙比一般为1．4～1．7，最高为2．0)、塑性高(塑限一般为40％～60％，最高达90％，塑性指数一般为20～50)，通常呈现较高的强度和较低的压缩性，不具有湿陷性。由于塑性很高，所以尽管天然含水量高，一般仍处于坚硬或硬可塑状态，甚至饱水的红黏土也是坚硬状态的。广泛分布于我国的云贵高原、四川东部、广西、粤北及鄂西、湘西等地区的低山、斤陵地带顶部和山间盆地、洼地、缓坡及坡脚地段。(4)膨胀土。含有大量的强亲水性黏土矿物成分，具有显著的吸水膨胀(自由膨胀量一般超过40％，也有超过100％的)和失水收缩，且胀缩变形往复可逆。在天然条件下一般处于硬塑或坚硬状态，强度较高，压缩性较低，易被误认为是工程性能较好的土，但—旦地表水浸入或地下水位上升使含水量剧烈增大，或土的原状结构被扰动时，土体会骤然强度降低、压缩性增高。在膨胀土地区进行工程建筑，如果不采取必要的设计和施工措施，会导致大批建筑物的开裂和损坏，甚至造成坡地建筑场地崩塌、滑坡、地裂。膨胀土多分布于Ⅱ级以上的河谷阶地或山前丘陵地区，个别处于Ⅰ级阶地。(5)填土。是在一定的地质、地貌和社会历史条件下，由于人类活动而堆填的土。填土分为素填土、杂填土、冲填土。素填土是由碎石、砂土、粉土或黏性土等一种或几种材料组成的填土。一般密实度较差，但若堆积时间较长，由于土的自重压密作用，也能达到一定密实度。如堆填时间超过10年的黏性土、超过5年的粉土、超过2年的砂土，均具有一定的密实度和强度，可以作为一般建筑物的天然地基。素填土地基具有不均匀性，防止建筑物不均匀沉降是填土地基的关键；杂填土是含有大量杂物的填土。试验证明，以生活垃圾和腐蚀性及易变性工业废料为主要成分的杂填土，一般不宜作为建筑物地基。主要以建筑垃圾或一般工业废料组成的杂填土，采用适当的措施进行处理后可作为一般建筑物地基。在利用杂填土作为地基时，应注意其不均匀性、工程性质随堆填时间而变化、含腐殖质及水化物等问题；冲填土是由水力冲填泥砂形成的沉积土，如在整理和疏浚江河航道时，送至江河两岸形成的填土。冲填土的含水量大，透水性较弱，排水固结差，一般呈软塑或流塑状态，比同类自然沉积饱和土的强度低、压缩性高。四、土的矿物成分土的矿物成分主要取决于母岩的成分及其所经受的风化作用。不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响，通常，粗大土粒其矿物成分往往保持母岩未风化的原生矿物，而细小土粒主要是次生矿物等无机物质以及土生成过程中混入的有机质。因此细粒土的矿物成分更为重要。土的固体颗粒物质分为无机矿物颗粒和有机质。矿物颗粒的成分有两大类：(1)原生矿物。即岩浆在冷凝过程中形成的矿物，如石英、长石；云母等。由它们构成的粗粒土，例如漂石、卵石、圆砾等，都是岩石的碎屑，其矿物成分与母岩相同。由于其颗粒大，比表面积小(单位体积内颗粒的总表面积)，与水的作用能力弱，其抗水性和抗风化作用都强,故工程性质比较稳定。若级配好，则土的密度大，强度高，压缩性低。(2)次生矿物。系原生矿物经化学风化作用后而形成新的矿物(例如粘土矿物)。它们颗粒细小，呈片状，是粘性土固相的主要成分。由于其粒径非常小(小于2um)，具有很大的比表面积，与水的作用能力很强，能发生一系列复杂的物理、化学变化。例如一个棱边为lcm的立方体，其体积为lcm’，总表面积只有6cm’，比表面积为6cm2／cm3＝6cm2；若将lcm3立方体颗粒分割成棱边为o．001mm的许多立方体颗粒，则其总表面积可达6X10％m2，比表面积可达6X104cm’。由此可见，由于土粒大小不同而造成比表面积数值上的巨大变化，必然导致土的性质的突变，这种结果是可以想像到的。另外，对土的工程性质影响较大的，还有土粒粒间各种相互作用力的影响，而粒间的相互作用力又与矿物颗粒本身的结晶结构特征有关，也就是说，与组成矿物的原于和分子的排列有关，与原子分子间的键力有关。结论土的性质包括它的物理性质、力学性质、水理性质以及工程性质等。土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相分散体系。土中颗粒的大小、成分及三相之间的比例关系，反映出土的不同物理性质。如干湿、轻重、松密及软硬等。土的这些物理性质又与力学性质(强度、压缩性、渗透性等)有着密切的联系。如土湿软、松散别强度低，压缩性大；土颗粒大则渗透性好；土粒大小不均匀(级配好)，则在动荷载作用下，易于压实等。在进行土力学计算及处理地基基础问题时，不仅要知道土的物理性质特征及其变化规律，了解各类土的特性，还必须熟练掌握反映土三相组成比例和状态的各指标的定义、试验或计算方法，以及按土的有关特征和指标确定地基土的分类方法。【参考文献】[1]CoreyAT.Meaeurementofwaterandairpermeabilityinunsaturatedsoil[J].ProcofseisocAmery,1957,21(l):7-10.[2]黄文熙3挡土墙的土压力研究，水工建设中的结构力学与岩土力学问题［8］3北京：水利电力出版社.[3]Yoshimi,Osterberg.Compressionofpartialsaturatedcohesivesoils[J].ASCE,1963,(SM4)[4]沈珠江.科学抽象在岩土力学研究中的意义[A].第九届土力学及岩土工程学术会论文集[C].北京:清华大学出版社,2003.97-101.