土石方工程与地基处理

第一章
土石方工程与地基处理
第一节 土的工程性质及分类 一、 土的组成 1 、组成： 宏观—颗粒+ 水+空气 三相体系（图） 微观—矿物质（石英 长石 云母 盐类 蒙脱石 伊里石 高岭石）+有机质+水（结合水 ,自 由水）+空气 ●结合水—由分子引力吸附于土粒表面的水, 无溶解能力. ●自由水—存在于土粒表面电场以外的水,有 溶解能力,传递压力. 2、粒组与级配 土的颗粒不同，性质就不同。 1）粒组：把大小相近的土粒人为合为一组 称粒组。 工程上的六大粒组：块石.碎石.角砾.砂粒、 粉粒.粘粒。(见表1--1）
图 土的三相比例示意图
1、实测指标 （1） 土的密度和干密度 密度--天然状态下单位体积土的质量 ρ = m/v (t/m3) 砂土ρ=1.6---2.0 T/m3 粘土ρ=1.8---2.0 T/m3 干密度--干燥(1050c恒温2小时)土粒的单位体积质量。 ρd = mS /v， 一般情况 ρd =1.3--1.8T/m3 工程中，常以土的干密度来评价土的密度，控制回填土的密实程度。 （2）土颗粒的相对密度(比重） dS = mS /vS· 1 /ρw1 土颗粒比重反映土的矿物成分和有机质含量情况。 砂土 dS=2.65--2.69 粉土 dS= 2.70--2.71 粘性土 dS= 2.72--2.74
③压缩性指标
●压缩系数 图 （a）为压 缩系数的含义-土样在完全 侧限条件下， 压力的增量△p 与孔隙比的变化 量△e之比。a = △e/△p = tanα = -(e1-e2)/(p1-p2) = (e1- e2)/(p2-p1) 图（b)为两个不同土样的压缩曲线
压缩系数的求取方法---压缩试验
●
认识地基变形时、量关系 地基的变形过程就是土的压缩变形过程，土的压缩变形快慢与排气排水 速度有关，他们取决于土的渗透性和排水气条件。在有好的排水气条件 下，砂土随着施工加荷的终结，变形也基本完成：对含水量大的粘土， 施工完毕时仅完成总变形量的5%—20%。完成最终变形量要5-10年，甚 至几十年。 在相同压力条件下不同土的压缩变形量差别很大，可通过压缩试验确定。
四、粘性土的物理特性 1、特征：颗粒细小（d<0.005mm），含矿物成份较多，水对其工程 性质影响较大。在天然状态下，粘土的软硬程度取决于含水量多少。
2、界限含水量--液限、塑限和缩限 ①界限含水量--粘性土由一种状态转到另一种状态的的分界含
水量 ( % )
②液限WL--土由
可塑状态转到流动 态的界限含水量 判别：液限仪测定 （详《土工试验方 法标准〉(GB123-88)
粘土、密实黄土
五类土（软石） 撬、 锤 不放坡 风化石、灰岩 六类土 岩石 爆破 锤 风化花岗岩、片岩、砂岩 七类土（坚岩） 爆破 锤 大理石、石灰岩 八类土（特坚石） 爆破 锤 花岗岩、石英岩
六、土的力学性质 1、压缩性：
土在压力作用下体积减小的特性称为压缩性。
①土体缩小的三个原因： ● 土中水、气排走 ● 土颗粒被压缩
用金属环刀 切取原状土样，将土样连同环刀一起放入压缩仪内： 按P=50,100,200,300,400KPa分组加压至变形稳定： 分别测出变形稳定后的“e‖， 得p--e曲线 取p--e曲线中的一段，视为 直线，其斜率a 即为压缩 系数。它是评价地基压缩 性的重要指标，单位是MPa-1。
在工程中，通常以p1 =100KPa和p2 =200kPa求出的压缩系数a１－２来评 价土的压缩性高低。 a１-２ <0.1MPa-1时， 属低压缩性土： 0.1Mpa-1≤a1--2<0.5Mpa-1时，属中压缩性土： a１-２ ≥0.5Mpa-1时， 属高压缩性土。 ●压缩摸量 定义：土在完全侧限条件下，竖向附加应力σz与相应的竖向应变εz的比值： 由 σz=p2– p1 ε z =(e1-e2)/(1+e1) 代入Es= σz . / ε z 得 Es = (1+e1) /a a= (e1-e2)/（ p2– p1） 压缩模量Es是表示土的压缩性高低的又一个指标。Es与a成反比关系， a越大，Es越小，土的压缩性越高，土越软弱，越易被压缩，越不宜作地基； a越小，Es越大，土的压缩性越低，越不易被压缩，越宜作地基。 工程中除了用a 判断土的压缩性外，还用 ES1-2 来判断土的压缩性。
百度文库
● 封闭在土中的水，气被压缩。
实践证明：一般情况，土受到的压力常在 100-600kpa 之间，这时土颗粒及 水的压缩变形量不到全部土体压缩变形量的 1/400，可忽略不计。所以土压 缩变形主要原因是由于空隙减小和排出水的缘故。是土的一个力学属性。
②了解土的压缩性的目的 ● 地基变形量控制
地基在荷载作用下会发生变形，建(构)筑物基础随之沉降，《建筑地基 基础设计规范》（GBJ7-89）对建筑物的地基变形容许值有严格规定.地 基变形对管道接头会有影响. 。
(3) 标准贯入试验 适应现场测试。《建筑地基基础设计规范》 （GBJ7-89）要求采用标准贯入试验。（N63.5法） 方法：63.5kg 重锤，自由落距 76cm ，先把贯入器打 入土中15cm，然后根据打入30cm所需锤数N（表1-4） 来判断密实度。 砂土(四级)，N≤10 松散，10<N<15 稍密，15≤N<30 中密，30<N 密实 (4) 静力触探 触探头压入土中，阻力应变仪测出探头受到的阻力， 土越密实，探头所受阻力越大，仪器可把阻力换算成 密实度或承载力
三、无粘性土（砂土，碎石土） 的密实度 1 特征：由砾石，砂砾沉积而成， 单粒结构（右图），颗粒粗， 少结合水，无粘接力。
2、性质与密实度紧密相关。尤其是砂土。 e＜0.6 密实砂土 良好天然地基，e＞ 1.0 松散砂土不宜作天然地 基 3、砂土的密实度判别方法 ⑴ 测孔隙比 e 不能反映土的级配和形状。 ⑵ 测相对密度 Dr =( emax- e)/( emax- emin ) Dr=1 e=emin 最密实 Dr=0 e=emax 最松疏 1≥Dr≥0.67 密实 0.67≥Dr≥0.33 松散 引入相对密度概念，可以消除上述影响，但测emax、emin较繁，且在 实验室测定的土样很难保证土的原状样式（取样，运输过程已有扰动， e已非原状土的e值），故测Dr理论上可行，实际意义不大 。
五、土的工程分类 ：岩土的种类很多 《建筑地基基础设计规范》
（GBJ7-89）把土分为五大类： （一） 碎石土 （碎石土 ≠ 含碎石的土）： d>2mm 的颗粒含量超过总重 50%的土（表1-6） （二）砂土 d>2mm不超过50%，d>0.075mm超过50% 按颗粒级配分 砾砂 粗砂 中砂 细砂 粉沙 （表1-7）五种 （三）粉土 IP≤10 d>0.075mm的颗粒不超过50%，粒径介于砂土与粘 土之间。 （四）粘性土 IP>10 按IP细分 粉质粘土：10< IP≤17 粘土：IP>17 （五）人工填土 素填土、杂填土、冲填土（表1-9） 强调 1、粗粒径土按级配分类，细粒土按塑性指数分类； 2、建筑地基基础设计规范对土的工程分类有明显界限； 3、土石方施工中对土的分类不同于工程设计对土的分类：
粘土状态与含水量关系
〈土工试验方法标准〉（GBJ23-88）和〈土工试验操作规程〉。
③塑限WP—土由半固态转到可塑态的界限含水量 判别：槎条法：
④缩限WS—土由固态转到半固态的界限含水量。 3、塑性指数、液性指数 ①塑性指数Ip=WL-WP
Ip值越大，土的可塑范围越宽，表明土的颗粒越细，吸附的水量越多， 吸水能力越大。土质不同，塑限—液限区间宽度不同，反过来，利用区 间大小，可判别土的性质。因Ip大小主要由两个因素决定： a、粘粒（d<0.005mm）的含量。土中含粘粒越多，比表面积越大， 土的结合水含量越高。 b、土的矿物成分 多含氧化物，氢氧化物，有机质的土粒表面带 电场，易吸收水分子，如蒙脱石，膨胀土，可以吸收大量的结合水.
g g
1 2
……
g
i
由图可以看出： Ku越大.级配曲线越平缓，d60 － d10的间距越大.粒径分布 带越宽，粒径分布越不均匀，级配越好。反之亦然。从理论上讲， Ku可作为 工程填土垫层用土的判别依据。Ku<5 土粒较均匀，级配不好，密实度较低。 因此，工程中尽量采用ku>5的土作填土。 二、土的三相比例指标 三相–固体颗粒,水,空气（图） Ms – 土粒的质量 Vs—土粒的体积 Mw –土中水的质量 Vw—土中水的体积 Ma –土中气 的质量 Va –土中气 的体积 M –土的质量 V –土的体积 土的 软、硬、松、密、干、湿、轻、 重，均可用三相比例关系表示。
研究Ip的意义：由于Ip反映土的粘粒含量和矿物成分。〈建 筑地基基础设计规范〉（GBJ7-89）用Ip作为粘性土的分类 标准： Ip>17 粘土 10≤Ip≤17 粉质粘土 地基基础设计和施工需要分清粘土和粉质粘土 W W WW ②液性指数 IL= W = I W
P
P
L
P
P
研究IL的意义：以IL作为判别粘性土软硬状态的指标。根据 IL 的大小，粘性土分成五种状态：坚硬、硬塑、可塑、软 塑、流塑。承载力依次降低。基础设计和地基处理方法的 确定都要考虑液性指数.
(3) 土的含水量
在天然状态下，土中水的质量与土颗粒质量之比：
w=mw /mS× 100% 或 w=mw .g /mS.g× 100% 土的含水量对土的影响： 粉土，粘性土 大 细砂，粉砂 小 碎石土 无
2、导出指标 ⑴ 重力密度：单位体积土受到的重力：r= ρ. g (KN /m3)
湿砂土 r =16---20KN /m3 湿粘土 r=18---20KN /m3 干土 r=13---18KN /m3
土石方按土的开挖难易程度分为 8类16级。工程定额单价不同。 一类土（松软土）能用锹挖掘 放坡系数0.3 砂、冲积砂土，轻亚粘土，种植土 二类土（普通土） 能用锹镐挖掘 放坡系数0.3 亚粘土、潮湿黄土、碎石
砂土
三类土（坚土） 能用镐挖掘 放坡系数0.2 密实粘土、粗砾石、碎石黄
土
四类土（沙砾坚土）要用撬、锤方式 ，不放坡 含风化碎石、卵石、重
(5) 静载试验 现场堆载，绘制荷载—沉降量曲线，根据已有资料查得密实度。 4.碎石土的密实度判别 ① 判别方法 碎石土颗粒较粗，不易取得原状土样，也难于将贯入器击入土中。 这类土一般在现场坑探--观察，根据其骨架颗粒含量、排列、可挖 性、 及可钻性鉴别(看 捻 敲 钻) ② 密实度等级---密实 中密 稍密
⑵土的孔隙比和孔隙率 ●孔隙比 e = V v /VS e 是表示土的密实度的重要指标： e＜ 0.6 密实良好的天然地基 ； e ＞1.0 松散 不宜作天然地基 ●孔隙率 n= V v / V （100%） e（n）均可表示土的松密程度，e (n)越大，土越松散； n多用于未动土的孔隙分析 ，e多用于填土压实情况。 ⑶土的饱和度：Sr=Vw/ V v 稍湿 很湿饱和
土的组成
2）级配 ：大小颗粒的百分比分布情况称级配。级配由粒径分布曲线表示 。（图）
3）级配分析方法及级配曲线的绘制 分析方法：粒径 0.075mm以上用筛分法: 20 …… 粒径0.075mm以下用比重法。 筛分法:土样风干—分散—代表性土样入 10 …… 5 …… 筛—振摇—分别称出留在各筛及底盘的土重 2 …… 量—求出各相对含量—点绘连线。 0. 5 …… 某粒组的土粒含量 = 某粒组的土颗粒质量 g i/ 土样的总质量 G0.25 …… （%） 4）不均匀系数Ku=d60/d10 d60 —限定粒径（纵座标60%对应的横座标 之值）即计算ku时考虑的粒径上限； d10 —有效粒径（纵坐标10%对应的横坐标 之值）即计算ku时考虑的粒径下限。 d60 ,d10的选定出自土工试验规范
给水排水工程施工技术与管理
目 的：调整、充实、完善学生知识结构，提高实践能力。 建立设计--施工---管理的整体概念 内 容：●土石方与地基处理知识 ● 给排水工程施工技术； ●施工组织计划； ●工程项目施工管理； ●工程招标投标。 方 法：了解（工艺 、材料和方法，工程施工管理，工程招投标）； 掌握（施工技术、 原理、 概念 施工.组织、计划 ）； 熟悉（工艺方法的基本理论）。 成 绩： 2.5学分，考试+平时