第4章第四纪堆积物与土的工程性状---蒋冲

1第4章第四纪堆积物与土的工程性状4.1概述4.2土的工程分类4.3第四纪土的地质成因及特征4.4土的三相关系4.5土的三相比例指标4.6无黏性土的性质4.7黏性土的性质4.8土的力学性质4.9特殊土的工程地质特征24.1概述土的形成与外动力地质作用密切相关。不同类型的土，工程性质相差很大，在工程建设中也应该采取不同的处理方法，尤其是一些特殊土，在进行工程建设时会产生特殊的工程地质问题，需进行适当的处理，因此，很有必要对土的工程性状进行深入的了解。本章主要介绍土的工程分类、第四纪土的地质成因及特征、土的物质组成、结构与构造、三相比例指标、无黏性土的性质、黏性土的物理特征、土的力学性质以及特殊土的工程评价等内容。3学完本章后应掌握以下内容：（1）土的工程分类方法及不同类型土的特点；（2）第四纪土的成因、分类及特征；（3）土的物质组成、结构与构造以及土的三相指标的定义和计算；（4）无黏性土和黏性土的各自特点，以及对其性质进行描述所用的指标意义；（5）土的压缩及强度特性；（6）特殊土的特点及工程评价内容。学习中应注意回答以下问题：（1）土按堆积年代、地质成因、颗粒级配、塑性指数以及有机质含量各分为哪几类？不同类型土的特点有哪些？（2）第四纪土有哪些特征？残积土、坡积土、洪积土、冲积土、淤积土、冰积土、风积土各有哪些特点？（3）土的矿物成分有哪些？土的粒度成分怎样划分？土中水有哪些类型？（4）土的结构和构造有哪些类型？各种类型的特点是什么？（5）土的三相比例关系的指标包括哪些？各自的定义是什么？各指标间如何进行换算？（6）影响无黏性土紧密状态的因素有哪些？无黏性土紧密状态指标是什么？（7）黏性土的塑性指数和液性指数如何确定？黏性土的膨胀、收缩和崩解特性对工程的影响？（8）土压缩变形的特点与机理是什么？压缩性指标有哪些？土的抗剪强度的特点与机理是什么？抗剪强度指标有哪些？（9）软土、湿陷性黄土、膨胀土、冻土和填土的工程特性及处理措施有哪些？4地表岩石破坏搬运沉积土的形成土(soil)是岩石在风化作用后经搬运作用或在原地或在异地各种环境下形成的堆积物。54.2土的工程分类4.2.1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.老黏性土(oldclayeysoil)老黏性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。2.一般黏性土(generalclayeysoil)一般黏性土是指第四纪全新世(Q4文化期以前)堆积的黏性土。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.新近堆积的黏性土(newclayeysoil)新近堆积的黏性土是指文化期以来堆积的黏性土，一般为欠固结，强度低。64.2.2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、冰积土和风积土。4.2.3土按有机质含量分类可按表分为无机质土、有机质土、泥炭质土和泥炭。74.2.4土按颗粒级配或塑性指数分类《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)、《建筑地基基础设计规范》(GB5007—2002)中的土按颗粒级配或塑性指数分类分为碎石土、砂土、粉土和黏性土。1.碎石土(crushedstone)粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量50％的土。根据颗粒级配和颗粒形状碎石土又可分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾。82.砂土(sand)粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量的50％，粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量的50％的土。根据颗粒级配分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。93.粉土(silt)粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量50％，且塑性指数小于或等于10的土。必要时，可根据颗粒级配分为砂质粉土(粒径小于0.005mm的颗粒质量不超过总质量10％)和黏土粉土(粒径小于0.005mm颗粒质量等于或超过总质量10％)。104.黏性土(cohesivesoil)塑性指数Ip大于10的土。根据塑性指数分为粉质黏土(10Ip≤17)和黏土(Ip17)。11124.3第四纪土的地质成因及特征4.3.1第四纪土层的特征1.土的分选性2.土的碎散性3.土的三相体系4.土的自然变异性5.土的压缩固结性4.3.2第四纪土层按成因的分类1.残积土2.坡积土3.洪积土4.冲积土5.淤积土6.冰积土7.风积土13冲积土风积土冰积土洪积土淤积土残积土坡积土144.4土的三相关系土的三相关系包括固相土颗粒、土中水、土中气。土的两相介质土的三相关系154.4.1土的固体矿物成分1.原生矿物原生矿物是岩石经物理风化破碎但成分没有发生变化的矿物碎屑。常见的原生矿物有石英、长石、云母、角闪石、辉石、橄榄石、石榴石等。2.不溶于水的次生矿物组成土的这类矿物主要有：黏土矿物、次生SiO2、倍半氧化物。1617高岭石高岭石伊利石伊利石蒙脱石183.可溶性次生矿物可溶性次生矿物又叫水溶盐，按其在水中的溶解度又分为易溶盐、中溶盐和难溶盐三类。4.有机质在自然界一般土，特别是淤泥质土中，通常都含有一定数量的有机质，当其在黏性土中的含量达到或超过5％(在砂土中的含量达到或超过3％)时，就开始对土的工程性质具有显著的影响。194.4.2土的粒度成分土的粒度成分(sizefraction)是决定土的工程性质的主要内在因素之一，因而也是土的类别划分的主要依据。1.粒组划分、组成与土的工程性质关系202.粒度分析(particlesizeanalysis)及其成果表示由级配曲线可以直观地判断土中各粒组的含量情况，如果曲线陡峻(曲线C)，表示土粒大小均匀，级配不好；反之，曲线平缓（曲线B），则表示土粒大小不均匀，但级配良好。214.4.3土中水1.土中水的概念2.结合水结合水是指受分子引力、静电引力吸附于土粒表面的土中水。1）强结合水土粒的静电引力强度是随离开土粒表面的距离增大而减弱的，靠近土粒表面的水分子，受到土粒的强烈吸引(可达1000～2000MPa)，而失去自由活动能力，整齐地排列起来。这部分水称为强结合水，又叫吸着水。2）弱结合水距离土粒表面稍远的水分子，受到土粒的吸引力减弱，有部分活动能力，排列疏松不整齐，这部分水叫弱结合水，又叫薄膜水。22233.非结合水非结合水为土粒孔隙中超出土粒表面静电引力作用范围的一般液态水。主要受重力作用控制，能传递静水压力和溶解盐分，在温度0℃左右冻结成冰。典型的代表是重力水，界于重力水和结合水之间的过渡类型水为毛细水。1）毛细水毛细水是由于毛细作用保持在土的毛细孔隙中的地下水。2）重力水(或称自由水)重力水是存在于较粗大孔隙中，具有自由活动能力，在重力作用下流动的水，为普通液态水。3）气态水和固态水气态水以水汽状态存在，严格地讲应属土的气相部分。固态水就是冰，以冰夹层、冰透镜体和细小冰晶等形式存在于土中。244.4.4土中气体气体也是土的组成部分之一，土中气体成分以O2、CO2及N2为主，此外尚有CH2、H2S等，基本上与大气的成分相一致。但土中各种气体的相对含量与大气有很大差别，土粒对气体的吸附强度依次为：CO2N2O2H2，因而导致CO2在土中相对含量可高达10％，而CO2在大气中仅占0.03％。土中的气体按存在状态分为吸附气体、游离气体和密闭气体。254.4.5土的结构与构造土的结构、构造是其物质成分的连结特点、空间分布和变化形式。1.土的结构1)单粒结构特征单粒结构(singlegrainedstructure)，也称散粒结构，是碎石(卵石)、砾石类土和砂土等无黏性土的基本结构形式。土的固体颗粒电镜资料263)集合体结构特征集合体结构(assemblystructure)，也称团聚结构或絮凝结构。对集合体结构，根据其颗粒组成、连结特点及性状的差异性，可分为蜂窝状结构和絮状结构两种类型。272.土的构造在一定土体中，结构相对均一的土层单元体的形态和组合特征，称为土的构造。1）对于碎石土、粗石状构造和假斑状构造是最普遍的。2)对于砂土和砂质粉土，各种不同形式的夹层、透镜体或交错层构造，较为普遍。284.5土的三相比例指标表示土的三相比例关系的指标，称为土的三相比例指标，亦即土的基本物理性质指标，包括土的颗粒比重、重度、含水量、饱和度、孔隙比和孔隙率等。291.土的颗粒比重土粒重量与同体积的4℃时水的重量之比，称为颗粒比重，它在数值上为单位体积土粒的重量。2.土的重度单位体积土的重量称为土的重度。3.土的干重度、饱和重度和浮重度土单位体积中固体颗粒部分的重量，称为土的干重度。土孔隙中充满水时的单位体积重量，称为上的饱和重度。在地下水位以下，单位土体积中土粒的重量扣除浮力后，即为单位土体积中土粒的有效重量，称为土的浮重度或水下重度。4.土的含水量土中水的重量与土粒重量之比，称为土的含水量，以百分数计。5.土的饱和度土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，称为土的饱和度，以百分率计。6.土的孔隙比和孔隙率土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比。土的孔隙率是土中孔隙所占体积与总体积之比，以百分数表示。30指标的换算关系31324.6无黏性土的性质无黏性土一般指碎石土和砂土，粉土属于砂土和黏性土的过渡类型，但是其物质组成、结构及物理力学性质主要接近砂土(特别是砂质粉土)，故列入无黏性土的工程特征问题一并讨论。4.6.1影响无黏性土紧密状态的因素1.受荷历史和形成环境2.颗粒组成3.矿物成分4.6.2无黏性土紧密状态指标1.天然孔隙比332.相对密度343.标贯击数N4.其它如Es、fk等。354.7黏性土的性质黏性土的物理状态因其颗粒很细，与水作用很强烈，内部结构与无黏性土差别很大，工程性质也与无黏性土差别很大。6.7.1影响黏性土性质的主要因素及指标影响黏性土性质的主要因素包括受荷历史和形成环境、黏性土的含水量、黏性土中所含矿物的胶体活动性、黏性土遇水膨胀和失水收缩的程度、黏性土的耐崩解特性以及黏性土压实的最优含水量等。黏性土的主要特性指标包括黏性土的界限含水量（包括液限、塑限和缩限）、塑性指数、液性指数、活动性指数以及最优含水量等。6.7.2黏性土的界限含水量364.7.3黏性土的塑性指数和液性指数1.塑性指数2.液性指数4.7.4黏性土的活动性指数374.7.5黏性土的膨胀、收缩和崩解特性土的收缩是由于土粒间的结合水膜变薄、粒间距离减小所致。收缩时除了土体积缩小外，还会由于收缩的不均匀而产生裂缝。土的膨胀与收缩相反，是由于土在浸湿过程中使结合水膜变厚，土粒间的距离增大所致。土的崩解是黏性土遇水后的另一现象。若将黏性土放入水中，由于胶结物的溶解或软化，降低了土粒间的连结力，弱结合水又力图楔入土粒间，进一步破坏粒间连结。这样，土体浸入水后不久就会由表及里地崩成小块或小片，这种现象称为崩解。黏性土的膨胀、收缩和崩解特性除可能使建筑物地基产生不均匀胀缩变形外，对建筑基坑、路堤、路堑及新开挖河道岸边等工程边坡的稳定性，都有极重要的影响作用。4.7.6其它如Es、fk等。384.8土的力学性质4.8.1土的压缩性1.土压缩变形的特点与机理土的压缩性是指土在压力作用下体积压缩变小的性能。2.压缩曲线和压缩性指标1）压缩试验和压缩曲线39压缩曲线的形状与土样的成分、结构、状态以及受力历史等有关。一般情况下，高压缩性土的压缩曲线较陡；低压缩性土的压缩曲线比较平缓；原状土因有结构连结，压缩性较小，压缩曲线较平缓；而扰动土因结构破坏，压缩性较大，压缩曲线较陡。同一种土因其含水量和受力历史不同，压缩曲线形态会不一样。402)土的压缩系数和压缩指数413）压缩模量根据压缩试验资料．还可以求得另一个常用的压缩性指标——压缩模量。压缩模量是指土在有侧限条件受压时，在受压方向上的应力与相应的应变之间的比值。3.土的变形模量土的变形模量是指土在无侧限压缩条件下，压应力与相应的压缩应变的比值。424.土的前期固结压力434.8.2土的抗剪强度土的抗剪强度(shearstrength)是指土抵抗剪切破坏的极限强度。