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05中025细010极细005粉粒粗01细005粘粒粗0002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503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2550粗砂粒径大于05mm的颗粒含量超过全重50中砂粒径大于025mm的颗粒含量超过全重50细砂粒径大于0075mm的颗粒含量超过全重85粉砂粒径大于0075mm的颗粒含量超过全重504粉土的分类土的名称颗粒级配砂质粉土粒径小于0005mm的颗粒含量不超过全重10粘质粉土粒径小于0005mm的颗粒含量超过全重105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10Ip17粘土Ip173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Q5有机质土5Q10泥炭质土10Q60泥炭Q60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5153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1020液限一般为4060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5070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a12一般为0715Mpa1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直剪5c002Mpa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1015c002Mpa5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SiO24566Al2O31331Fe2O3315硅铝率K35三一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4068塑限为1735塑性指数为1833膨胀土的饱和度一般较大常在80以上天然含水率较小1730四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划分为强中等和弱三级4胀缩性强24中等072弱胀缩总率以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式中在压力05MPa时的膨胀率土的收缩系数土的天然含水量土在收缩过程中含水率的下限值如式中为负值时按负值考虑如大于8时按8考虑小于0时按0考虑式中收缩系数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式中与相应的收缩率之差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式中是条件系数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SiO2335689Al2O396127Fe2O3134364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5080塑限为3060塑性指数一般为20502高含水率低密度天然含水率一般为3060饱和度85密实度低大孔隙明显孔隙比10液性指数一般都小于04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818c值可达004009MPa多属中压缩性土或低压缩性土压缩模量515MPa4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0050005mm为主约占603孔隙比e一般在10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的计算式是式中原状土样的原始高度cm原状土样在规定压力下下沉稳定后的高度cm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利用的值可判定黄土是否有湿陷性当0015时为湿陷性黄土且该值越大湿陷性越强烈工程实际中还规定一般压力为200kPa作用下为0015003时湿陷性轻微为003007时湿陷性中等007时湿陷性强烈2自重与非自重湿陷性黄土的判别自重湿陷性当某一深处的黄土层被水浸湿后仅在其上覆土层的饱和自重压力饱和度85下产生湿陷变形的称自重湿陷性非自重湿陷性黄土当某一深度处的黄土层浸水后除上覆土的饱和自重外尚需要一定的附加荷载压力才发生湿陷的称非自重湿陷性测定方法也是在室内固结仪上进行即分级加荷至上覆土层的饱和自重压力当下沉稳定后使土样浸水湿陷达稳定为止自重湿陷系数的计算公式式中土样的原始高度cm原始土样加压至土的饱和自重压力时下沉稳定后的高度cm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精品课程土质学与土力学第三章安徽理工大学8当0015时为自重湿陷性黄土黄土的湿陷性一般是自地表以下逐渐减弱埋深七八米以上的黄土湿陷性较强不同地区不同时代的黄土是不同的这与土的成因固结成岩作用所处的环境等条件有关3湿陷性黄土场地的湿陷类型的划分在黄土地区地基勘察中应按照实测自重湿陷量或计算自重湿陷量制定建筑物场地的湿陷类型实测自重湿陷量应根据现场试坑浸水试验确定计算自重湿陷量按下列公式计算式中第i层土在上覆土的饱和85自重应力作用下的湿陷系数第i层土的厚度cmn总计算厚度内湿陷土层的数目总计算厚度应从天然地面算起当挖填方厚度及面积较大时自设计地面算起至其下全部湿陷性黄土层的底面为止但其中修正系数对陕西地区取15陇东地区取12关中地区取07其它地区取05实际工程中当7cm定为非自重湿陷性黄土场地7cm定为自重湿陷性黄土长度4黄土地基的湿陷等级湿陷等级应根据基底下各土层累积的总湿陷量和计算自重湿陷量的大小等因素按下表判定总湿陷量计算公式式中第i层土的湿陷系数第i层土的厚度cm计算时土层厚度自基础底面初勘时从地面下15米算起对非自重湿陷性黄土地基累计算至其下5m深度或沉降计算深度为止对自重湿陷性黄土应根据建筑物类别和地区建筑经验决定其中非湿陷性土层不累计湿陷性黄土地基的湿陷等级湿陷类型计算非自重湿陷性场地自重湿陷性场地精品课程土质学与土力学第三章安徽理工大学9自重湿陷量cm总湿陷量cm77353530I轻微II中等3060II中等II或IIIIII严重60III严重IV很严重5湿陷起始压力黄土的湿陷量是压力的函数事实上存在着一个压力界限值压力低于这个数值黄土即使浸了水也只产生压缩变形而不会出现湿陷现象这个界限值称为湿陷起始压力KPa湿陷起始压力是一个有一定实用价值的指标例在设计非自重湿陷性黄土地基上荷载不大的基础和土垫层时可以有意识地选择适当地基础底面尺寸及埋深或土垫层厚度使基底压力或垫层底面的总压力自重应力与附加应力之和不超过基底下土的以避免湿陷的可能性湿陷起始压力可用室内压缩试验或野外载荷试验确定即单线法和双线法按压缩试验其方法如下双线法应在同一取土点的同一深度处以环刀切取2个试样一个在天然湿度下加第一级荷重下沉稳定后浸水待湿陷稳定后在分级加荷分别测定这两个试样在各级压力下下沉稳定后的试样高度和浸水下沉稳定后的试样高度就可以绘出不浸水试样的曲线和浸水试样的曲线图见教材然后按公式计算各级荷载下的湿陷系数从而绘制曲线在曲线上取值为0015所对应的压力作为湿陷起始压力单线法应在同一取土点的同一深度处至少以环刀切取5个试样各试样均分别在天然湿度下分级加荷至不同的规定压力待下沉稳定后测出土样高度后浸水并测定湿陷稳定后的土样高度绘制曲线后确定值的方法同双线法精品课程土质学与土力学第三章安徽理工大学10此外还可利用荷载试验来确定值略试验结果证明黄土的湿陷起始压力随着土的密度湿度胶结物含量以及土的埋藏深度等的增加而增加五人工填土人工填土是一种特殊性土它是由于人类活动任意堆填而成的土在我国大多数古老城市的地表面普遍覆盖一层人工杂土堆积层这种填土无论其物质组成分布特征和工程性质均相当复杂且具有地区性特点人工填土的工程性质与天然沉积土比较起来有很大不同1性质很不均匀分布和厚度变化上缺乏规律性2物质成分异常复杂有天然土颗粒有砖瓦碎片和石块以及人类活动和生产所抛弃的各种垃圾3是一种欠压密土一般具有较高的压缩性孔隙比很大4往往具有浸水湿陷性根据其成分和成因将人工填土分为三类1素填土由碎石砂土粘性土等组成的填土根据孔隙比指标判定其类型1粘性老素填土堆积年限在10年以上或孔隙比1102非粘性老素填土堆积年限在5年以上或孔隙比1103新素填土堆积年限少于上述年限或指标不满足上列数据的素填土2杂填土含有建筑垃圾工业废料生活垃圾等杂物的填土3冲填土由水力充填泥沙形成的填土含大量水比自然沉积的饱和土强度低压缩性高常呈流塑状态扰动易发生触变现象此外还有冻土盐滞土等等