土的工程分类和特殊土的工程地质特征

精品课程《土质学与土力学》第三章安徽理工大学1第三章土的工程分类和特殊土的工程地质特征本章学习要点：学习最具代表性的几种工程分类方法，特别是土的工程地质分类，《建筑地基基础设计规范》分类法。掌损碎石土、砂土、粉土、粘性土的分类标志。本节是本章重点内容之一，应掌握各类土的分类方法，会根据土的物性指标，确定土的名称。学习掌握特殊土的工程地质特性，特别是淤泥类土、膨胀土、红粘土、湿陷性黄土和人工填土等工程地质性质。第一节土的工程地质分类一、概述土的工程地质分类，按其具体内容和适用范围，可以概括的分为三种基本类型一般性分类：比较全面的综合性分类；局部性分类：仅根据一个或较少的几个专门指标，或仅对部分土进行分类；专门型分类：根据某些工程部门的具体需要而进行的分类。土的工程地质分类的一般原则和形式：在充分认识土的不同特殊性的基础上归纳其共性，将客观存在的各种土划分为若干不同的类或组。常将成因和形成年代作为最粗略的第一级分类标准，即所谓地质成因分类。将反映土的成分（粒度成分和矿物成分）和与水相互作用的关系特征作为第二级分类标准，即所谓的土质分类。为了进一步研究土的结构及其所处状态和土的指标变化特征，更好的提供工程设计施工所需要的资料，必须进一步进行第三级分类，即工程建筑分类。上述三种土的工程地质分类中，土质分类是土分类的最基本形式，有两种分类原则：一是按土的粒度成分；二是按土的塑性特性。国内外的土质分类方案很多，归纳起来有三种不同体系，一是按粒度成分，一种是按塑性指标，一种是综合考虑粒度和塑性的影响。二、土的分类（一）按地质成因分类：土按地质成因可分为：残积、坡积、洪积、冲积、冰积、风积等类型。（二）按颗粒级配和塑性指数分类土按颗粒级配和塑性指数可分为碎石土、砂土、粉土和粘性土。1．土按颗粒大小分类粒组名称分界颗粒（mm）组亚组漂石或块石大800中400小200卵石或碎石极大100大60中40小20精品课程《土质学与土力学》第三章安徽理工大学2圆砾或角砾粗10中5细2砂粒粗0.5中0.25细0.10极细0.05粉粒粗0.1细0.05粘粒粗0.002细2、碎石土的分类碎石土的分类土的名称颗粒形状颗粒级配漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒超过全重50％卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于20mm的颗粒超过全重50％圆砾角砾圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于2mm的颗粒超过全重50％3．砂土的分类土的名称颗粒级配砾砂粒径大于2mm的颗粒含量占全重25～50％粗砂粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50％中砂粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50％细砂粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85％粉砂粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50％4、粉土的分类土的名称颗粒级配砂质粉土粒径小于0.005mm的颗粒含量不超过全重10%粘质粉土粒径小于0.005mm的颗粒含量超过全重10%5、粘性土的分类（1）根据堆积时代分1）老堆积土：第四纪晚更新世及其以前堆积的粘性土，一般具有较高的强度和较低的压缩性。2）一般堆积土：第四纪全新世堆积的粘性土3）新近堆积土：全新世以后（2）根据塑性指数Ip分土的名称塑性指数粉质粘土10＜Ip≤17粘土Ip＞17（3）按工程特性分精品课程《土质学与土力学》第三章安徽理工大学3具有一定分布区域或工程意义上具有特殊成分、状态和结构特征的土称特殊性土，根据工程特性分为：湿陷性土红粘土软土（包括淤泥和淤泥质土）多年冰土膨胀土盐滞土混合土填土污染土（4）根据有机质含量分类分类名称有机物含量(Q)无机土Q＜5%有机质土5%≤Q≤10%泥炭质土10％＜Q≤60％泥炭Q＞60％第二节特殊土的工程地质特性特殊土：是指某些具有特殊物质成分和结构，而工程地质性质也较特殊的土。特殊土的种类甚多，常见的有淤泥类土、膨胀土、红粘土、黄土类土、人工填土等。一、淤泥类土（一）形成条件和成分结构特点淤泥类土是指在水流缓慢、不通畅、缺氧和饱水条件下的环境中沉积，有微生物参与作用的条件下，含较多的有机质，疏松软弱的粉质粘性土。物质组成和结构特点：1．粒度上主要是粉质粘土和粉质砂土2．含大量粘土矿物和部分石英、长石、云母；有机质含量较多（5％～15％）。3．呈灰、灰蓝、灰绿和灰黑等暗淡的颜色，污染手指并有臭味。4．结构、常为蜂窝状、疏松多孔，定向排列明显、层理较发育，常具薄层状构造。我国淤泥类土基本上可以分为两大类：一类是沿海沉积淤泥类土；一类是内陆和山区湖盆地及山前谷地沉积地淤泥类土。沿海沉积的淤泥类土，分布较稳定，厚度较大，土质较疏松软弱；大致可分为四个类型：1．泻湖相沉积2．溺湖相沉积3．滨海相沉积4．三角洲相沉积分布在内陆平原区地淤泥类土主要有：（1）湖泊（2）河漫滩（3）牛轭湖（二）工程地质性质的基本特点1、高孔隙比、饱水、天然含水率大于液限孔隙比常见值为1.0～2.0；液限一般为40％～60％，饱和度一般90％，天然含水率多精品课程《土质学与土力学》第三章安徽理工大学4为50～70％。未扰动时，处于软塑状态，一经扰动，结构破坏，处于流动状态。2、透水性极弱：一般垂直方向地渗透系数较水平方向小些。3、高压缩性：a1~2一般为0.7～1.5Mpa－1，且随天然含水率的增大而增大。4、抗剪强度很低，且与加荷速度和排水固结条件有关不排水：三轴快剪，0；直剪，2º～5º，c＝0.02Mpa；在排水条件下，抗剪强度随固结程度提高而增大，固结快剪的10º～15º，c＝0.02Mpa。5、较显著的触变性和蠕变性二、膨胀土在工程建设中，经常会遇到一种具有特殊变形性质的粘性土，它的体积随含水量地增加而膨胀，随含水量减少而收缩，并且这种作用循环可逆，具有这种膨胀和收缩性的土，即称为膨胀土。（一）分布和成因膨胀土一般分布在盆地内岗，山前丘陵地带和二、三级阶地上。大多数是上更新世及以前的残坡积、冲积、洪积物，也有晚第三纪至第四纪的湖泊沉积及其风化层。（二）成分和结构特征（1）从岩性上看，以粘土为主，具有黄、红、灰、白等色，土中含有较多的粘土，粘土占总数的98%，粘土矿物多为蒙脱石、伊利石和高岭石。蒙脱石含量越多，膨胀性越强烈。（2）结构致密，呈坚硬～硬塑状态，强度较高，内聚力较大。（3）裂隙发育，竖向、斜交和水平三种均有，可见光滑镜面和擦痕。（4）富含铁、锰结核和钙质结核。（5）化学成分为SiO2(45%~66%)、Al2O3(13%~31%)、Fe2O3(3~15%)、硅铝率K＝3～5。（三）一般工程地质特征膨胀土的液限、塑限和塑性指数都较大：液限为40％～68％，塑限为17%～35％，塑性指数为18～33。膨胀土的饱和度一般较大，常在80％以上，天然含水率较小，17％～30％。（四）膨胀土的判别和胀缩性分级1、膨胀土的判别凡是具有前面所述的特征，且自由膨胀率Fs大于40％者，应判定为膨胀土。“自由膨胀率Fs”：系指人工制备的烘干土，在水中增加的体积与原体积的比，以百分率表示。2、土的胀缩性分级膨胀土的胀缩性，根据胀缩总率pse划分为强、中等和弱三级：pse4，胀缩性强pse2～4，中等pse0.7～2，弱胀缩总率以pse表示，并按下式计算：精品课程《土质学与土力学》第三章安徽理工大学5)(5.0msLppswwcee式中：5.0pe：在压力0.5MPa时的膨胀率，％sLc：土的收缩系数w：土的天然含水量mw：土在收缩过程中含水率的下限值，％如式中pse为负值时，按负值考虑，如)(mww大于8％时按8％考虑，小于0时按0考虑。式中收缩系数sLc可通过收缩试验测得，它是土的收缩曲线的直线部分的斜率，即：vecsLsL式中sLe：与w相应的收缩率之差mw：反映了地基土的收缩变形受大气降雨和蒸发的综合影响，可按下式计算：pmkww式中：k是条件系数；pw为土的塑限。三、红粘土红粘土是指碳酸盐类岩石（石灰岩，白云岩，泥质泥岩等），在亚热带温湿气候条件下，经风化而成的残积、坡积或残～坡积的褐红色、棕红色或黄褐色的高塑性粘土。（一）成因和分布成因类型：残积、坡积、和残～坡积上部为坡积，下部为残积的情况居多。主要分布在云南、贵州、广西、安徽、四川东部等。（二）成分和结构特征红粘土的粘粒组分（粒径0.005mm）含量高，一般可达55～70％，粒度较均匀，高分散性。粘土颗粒主要是多以高岭石和伊利石类粘土矿物为主。主要化学成分为：SiO2(33.5~68.9%)、Al2O3(9.6~12.7%)、Fe2O3(13.4~36.4%)、硅铝率一般均小于2。常呈蜂窝状结构，常有很多裂隙（网状裂隙）、结核和土洞。（三）工程地质性质的基本特点1、高塑性和分散性液限一般为50~80%，塑限为30～60％，塑性指数一般为20～50%。2、高含水率、低密度天然含水率一般为30％～60％，饱和度85％，密实度低，大孔隙明显，孔隙比1.0；液性指数一般都小于0.4；坚硬和硬塑状态。精品课程《土质学与土力学》第三章安徽理工大学63、强度较高，压缩性较低固结快剪值8º～18º，c值可达0.04～0.09MPa，多属中压缩性土或低压缩性土，压缩模量5～15MPa。4、不具湿陷性，但收缩性明显，失水后强烈收缩，原状土体缩率可达25％。红粘土具有这些特殊性质，是与其生成环境及其相应的组成物质有关。（1）沿深度上，随着深度的加大，红粘土的天然含水率、孔隙比、压缩系数都有较大的增高，状态由坚硬、硬塑可变为可塑、软塑，而强度则大幅度降低。（2）在水平方向上，由于地形地貌和下伏基岩起伏变化，性质变化也很大，地势较高的，由于排水条件好，天然含水率和压缩性较低，强度较高，而地势较低的则相反。四、湿陷性黄土黄土在一定压力作用下受水浸湿，土结构迅速破坏而发生显著附加下沉，导致建筑物破坏，具有特性的黄土，称湿陷性黄土。1、分布与特征作为湿陷性土的典型代表——黄土，在全世界的分布比较广泛的，据某些学者估计，黄土的覆盖面积在整个欧洲约占10％，亚洲约占30％；以前苏联的黄土分布最广，约占其国土面积的15％；我国黄土分布面积达60万平方公里，其中有湿陷性的约为43万平方公里。主要分布在黄河中游的甘肃、陕西、晋、宁、河南、青海等省区。地理位置属于干旱与半干旱气候地带。其物质主要来源于沙漠与戈壁。我国湿陷性黄土的固有特征有：1）黄色、褐黄色、灰黄色；2）粒度成分以粉土颗粒（0.05～0.005mm）为主，约占60％；3）孔隙比e一般在1.0左右，或更大；4）含有较多的可溶性盐类，例如：重碳酸盐、硫酸盐、氯化物；5）具垂直节理；6）一般具肉眼可见的大孔。其工程特征：1）塑性较弱；2）含水较少；3）压实程度很差，孔隙较大；4）抗水性弱，遇水强烈崩解，膨胀量较小，但失水收缩量较明显；5）透水性较强；6）强度较高，因为压缩中等，抗剪强度较高。2、成因我国黄土的粒度成分具有自西北向东南逐渐变细的规律，并可大致分三个弧形带。从物质的主导来源而言，应认为绝大部分黄土是风成的。3、地质年代黄土在整个第四纪的各个世中均有堆积，而各世中黄土由于堆积年代长短不一，上覆土层厚度不一，其工程性质不一。一般湿陷性黄土（全新世早期～晚更新期）与新近堆积黄土（全新世近期）具有湿陷性。而比上两者堆积时代更老的黄土，通常不具湿陷性。4、湿陷性评价在黄土地区勘察中，湿陷性评价正确与否直接影响设计措施的采取。精品课程《土质学与土力学》第三章安徽理工大学7黄土的湿陷性计算与评价，按一般的工作次序，其内容主要有：（1）判别湿陷性与非湿陷性黄土；（2）判别自重与非自重湿陷性黄土；（3）判别湿陷性黄土场地的湿陷类型；（4）判别湿陷等级；（5）确定湿陷起始压力等。（1）湿陷性与非湿陷性黄土的判别黄土的湿陷性试验是在室内的固结仪内进行的，其方法是：分级加荷至规定压力，当下沉稳定后，使土样浸水直至湿陷稳定为止，其湿陷系数s的计算式是：0'hhhpps式中：0h：原状土样的原始高度，cmph：原状土样在规定压力下，下沉稳定后的高度，cm'ph：上述加压稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的高度，cm