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含强结
含结合
含大
结合
合水及
水及少
量自
1水
部分弱
部分自
由水
结合水
流动状态:
当粘土中水较多、土粒完全被水隔开时,土成泥浆状,可流动。
这时土的抗剪强度极低。
可塑状态:
在外力作用下可塑成任何形状而不发生裂缝,当外力移去后能保持既得形状,不回弹也不坍塌,粘性土的这种特性称为可塑性,相应的状态为可塑状态。
此时土有很小的抗剪强度。
半固态:
当含水量继续减少时,土体因水份减少而发生体积收缩,称为半固态。
固态:
当含水量进一步减少,但其体积不再收缩时,粘土处于固态。
处于半固态和固态的粘性土,具有较大的抗剪强度,在外力作用下不再有可塑性,而是呈脆性。
界线含水量:
粘性土的一种状态转入另一种状态时的分界含水量称为界线含水量。
土由流动状态变成可塑状态的界限含水量称为液限,用VL表示;
土由可塑状态变化到半固态的界限含称为塑限,用VP表示;
由半固态到固态的界限含水量称为缩限,用V表示。
塑限V和液限V在国际上称为阿太堡界限,来源于土壤学,后来应用于土木工程。
处于固态的土,基本上只含强结合水;
处于半固态的土,含强结合水及部分弱结合水;
处于塑性状态的粘性土含有结合水和少部分自由水;
处于流动状态的粘性土含有大量的自由水。
(二)界限含水量的测定方法
1.液限W的测定
我国用锥式液限仪来测定,如下图所示。
将调成浓糊状的试样装满盛土杯,刮平杯口面,手握手柄将园锥体轻放于试样之上,使其在自重作用下缓慢下沉。
如经过15s圆锥沉入深度恰好为10mm时,该试祥的含水量即为液限Wl值。
若锥体入土深度大于10mm说明土样的含水量高于液限;
若锥体入土深度小于10mm说明土样的含水量低于液限。
需重新调配试样,直到合格为止。
对于合格的试样,利用烘干法测定其含水量,即为液限Wl。
在欧美等国家多采用碟式液限仪。
2.塑限W的测定
用“搓条法”测定,将调配好的试样,用手先搓成直径小于10mm的
小园球,然后用手撑放在毛玻璃板上搓成小土条,若土条搓至直径为3mm
时正好断裂或出现较多裂缝,这时土样的含水量就是塑限。
若土条搓至直径3mn时仍未断裂,说明试样含水量高于塑限;
如土条过早断裂,说明土样含水量低于塑限。
在这种情况下,都需重新调配试样直到合格为止。
然后,将合格的试样称取15g,用”烘干法”测定含水量,即得塑限仆。
3.液塑限联合测定法(公路系统)
用锥式液限仪进行试验时,圆锥的入土深度与土样的含水量有关。
试
验表明,二者在双对数坐标上为直线关系,如下图所示
Z
t
i
)
/
1|
021
0灿p3
10」
0WL6
aic
土杵含水・
2
-3eKTY誉弓
试验时,调配成三种含水量不同的试样,分别用锥式液限仪来测定入土深度,这样便在双对数座标上得到三个点,通过这三点,画一条直线。
相应于入土深度10mm寸的含水量为液限3L,相应于入土深度为2mnfl寸的含水量为塑限3P。
(三)塑性指数与液性指数
1.塑性指数:
液限3L与塑限3P的差值,即
IP=3L一3P
习惯用不带%的数值表示。
塑性指数的大小,反映了土处于可塑状态的含水量变化范围。
IP值越大,土处于可塑状态的含水量范围也越大。
而土处于可塑状态时,土中水是结合水和小部分自由水。
因此,IP的大小与土中结合水的含量有明显的关系,也就是与土颗粒大小有关,土粒越细,粘粒越多,其比表面积越大,结合水含量越高,Ip值也就越大。
此外,塑性指数的大小也与矿物成份和土中水的化学成份有关,可看
成是土的一个综合性指标。
对于塑性指数相似的粘性土,一般均表现出相似的物理力学性质。
因此,常用塑性指数作为粘性土分类的标准。
2.液性指数(稠度)
WWpWWp
LWLWpIP
式中:
3——土的天然含水量。
由上式可见:
当3<
3P时,Il<
0,土处于固态和半固态。
当3P3L时,0<
IL<
1,土处于可塑状态。
当3>
3l时,Il>
1,土处于流动状态。
由此可见,液性指数Il的大小反映了粘性土的软硬程度。
Il越大,土越软。
根据液性指数Il的大小,《建筑地基基础设计规范》将粘性土划分为五种软硬状态,划分标准见表1-7(P22)。
(四)粘性土的灵敏度和触变性
天然状态下的粘性土,由于地质历史作用常具有一定的结构性。
当土体受到外力扰动作用,其结构遭受破坏时,土的强度降低,压缩性增高。
工程上常用灵敏度S来衡量粘性土结构性对强度的影响。
qu――原状土无侧限抗压强度,kPa;
qu'
――重塑土无侧限抗压强度,kPa。
咼灵敏土,St4
根据灵敏度的大小,粘性土分为中灵敏土,2St4
低灵敏土,St2
土的灵敏度愈高,其结构性愈强,受扰动后土的强度降低就愈明显
因此,在基础工程施工中必须注意保护基槽,尽量减少对土结构的扰动,
2.粘性土的触变性:
粘性土受扰动时强度降低,而静止时土的强度又重新增长的性质,称为土的触变性。
土的触变性对桩基础很有利,打预制桩时,桩周围土受震结构破坏,强度降低,使桩容易打入。
当打桩停止后,土的部分强度又恢复,使桩的承载力又提咼了。
(五)土的最优含水量
1.定义
修建公路,有一半以上的路段为填方路段,人工填土作为路基必须处理,一般采用压路机碾压法。
对于建筑工程,当人工填土作为建筑物地基时,也必须处理,一般利用人工夯实的方法进行分层夯实,以提高填土的强度,增加密实度和降低透水性,降低压缩量。
对于过干的土进行夯打时,由于土中水主要是强结合水,土粒周围的水膜很薄,颗粒间具有很大的分子吸引力,阻止颗粒间的移动,击实比较困难。
当含水量继续增加时,土中含强结合水及弱结合水,水膜变厚,土粒间联结力减弱而使土粒便于移动,击实效果较好;
当水含量继续增大时,土中出现了自由水,击实时,孔隙中过多的水分不易立即排出,势必阻止土粒间的靠扰,产生软弹现象(俗称橡皮土),击实效果反而下降。
所以,要使土的击实效果最好,含水量必定有一个最佳值,即最优含水量。
最优含水量:
在一定夯击或压实能量下,填土达到最大干密度时,相应的含水量为最优含水量。
2.最优含水量wop的测定
用击实仪测定,如下图所示。
图中击锤重24.5N,锤底直径50mm,落距460mm,击实筒的容积为1000cm3,内装土样。
导筒起导向作用,将土样放于击实筒内,用手拿起击锤,松手后击锤在自重作用下下落,可将土样击实。
试验时,对同一种土,配成若干份含水量不同的试样,对每一份先取1/3倒入击实筒内,进行击实。
对于砂土一般20击,粘土30击。
然后再取1/3倒入击实筒,再进行击实,最后将另外1/3倒入击实筒,进行击实,也就是分三层夯实,达
到规定击数后,测定土样的含水量和干密度。
含水量一般用烘干法测定,而土样的干密度可按下式计算,即
m
d1+A°
h
(1)
m——击实筒的土样质量,g;
Ao——击实筒内面积,cm2;
h击实后试样高度,cm;
宀-----含水量,用烘干法测定。
根据对不同含水量试样进行试验的结果,绘制击实曲线,即含水量与
干密度关系的曲线,如下图所示,曲线处于峰值的含水量就是最优含水量30P,相应的干密度为Pdmax.
二一”■
含水9*(%)
从击实曲线可以看出,当填土中的含水量低于最优含水量时,随着含水量的增加,干密度也随之加大,表明击实效果逐步提高。
当含水量高于最优含水量后,随着含水量的增加,击实效果反而下降。
因此,用人工填土作为地基时,首先应调整其含水量为最优含水量,然后再夯实或碾压,才能获得最高的密实度。
3.最优含水量经验值
0P
有时,在缺少击实仪条件下,可根据测得的塑限估计最优含水量
二、无粘性土的密实度
对于砂、卵石、砾石等无粘性土,属单粒结构,最主要的物理特性指标就是密实度。
表明密实度的方法有三种:
1.用孔隙比e作为划分密实度的标准,e值越小,土越密实。
2.以相对密度Dr作为划分密实度的标准
相对密度
emax
emaxemin
e――天然孔隙比;
emin最密实状态下的孔隙比,即最小孔隙比。
Dr=0〜1。
Dr值越大,土越密实。
贝心
1>
Dr>
0.67密实的
0.67》Dr>
0.33中密的
0.33》Dr>
0[松散的
3.用标准贯入试验捶击数N63.5作为划分密实度的标准
标准贯入试验是一种现场原位测试方法,是将标准贯入器打入土中一定距离(30cm)所需落锤次数(标贯击数),记为N63.5,该值反映了土的密实度的大小。
该值越大,土越密实(见P20表1—5)。
2.5土的结构与构造
一、土的结构
1.土粒间的连结关系
(1)接触连结:
是指颗粒之间的直接接触,接触点上的连结强度主要来源于外加压力所带来的有效接触压力。
这种连结方式在碎石土、砂土、粉土中或近代沉积土中普遍存在。
(2)胶结连结:
是指颗粒之间存在着许多胶结物质,将颗粒胶结连结在一起,一般其连结较为牢固。
胶结物质一般有粘土质,可溶盐和无定形铁、铝、硅质等。
(3)结合水连结:
是指通过结合水膜而将相邻土粒连结起来的形式,又叫水胶连结。
这种连结在一般粘性土中普遍存在。
(4)冰连结:
是指含冰土的暂时性连结,融化后即失去这种连结
2.土的结构类型
(1)单粒结构(见P12图1—4)
单粒结构为砂土和碎石土的主要结构形式,其特点是土粒间存在点与点的接触。
松的单粒结构骨架不稳定,易变形,当受到震动或其它外力作用时,土粒易发生移动,土中孔隙减少,引起土的较大变形,未经处理不宜作地基。
密实的单粒结构土粒排列紧密结构稳定,强度较大,压缩性较小,是良好的天然地基。
(2)蜂窝结构
主要由粉粒(粒径为0.005mm~0.075mm)组成的结构形式,在水中因自重作用而下沉,碰到别的正在下沉或已沉积的土粒,由于土粒间的分子引力大于下沉土粒的重力,则下沉土粒被吸引,不再下沉,逐渐形成链环状单元。
很多这样的链环联结起来,便形成较大孔隙的蜂窝结构(见P13图1-5)。
(3)絮状结构
絮状结构又称絮凝结构,细微的粘粒(粒径小于0.005mm)大都呈针状或片状,形成絮状结构(见P13图1-6)。
蜂窝结构和絮状结构的土,其土粒间的联结强度会由于压密和胶结作用而逐渐得到加强,这种强度称为结构强度。
二、土的构造
1.层状构造
土层由不同的颜色或不同的粒径的土组成层理,一层层互相平行,反
映不同年代不同搬运条件形成的土层(见P13图1-7)。
2.分散构造
是指颗粒在其搬运和沉积过程中,经过分选的卵石、砾石、砂等因沉积厚度较大而不显层理的一种构造(见P14图1-8)。
3.核状构造
在细粒土中混有粗颗粒或各种结核,如含礓石的粉质黏土、含砾石的黏土等,均属结核状构造。
4.裂隙构造
裂隙构造是因土体被各种成因形成的不连续的小裂隙切割而形成的,
在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物(见P14图1-9)。
不少坚硬和硬塑状态的粘性土具有此种构造。
2.6土的工程分类
土是自然地质历史的产物,它的成份、结构和性质是是千变万化的,其工程性质也是千差万别的。
因此,有必要对土进行科学的分类,即把工程性质近似的土划分为一类。
人们在长期的生产实践中,已提出过不少分类系统。
如:
地质分类、土壤分类、粒径分类、结构分类等。
每一种分类系统,反映了土某些方面的特征。
在工程实践中需要的是适合于工程用途的工程分类方法,既按土
的主要工程特性进行分类。
下面主要介绍《建筑地基基础设计规范》的分类法和《公路桥涵地基与基础设计规范》分类法。
、《建筑地基基础设计规范》分类法
1.岩石
岩石是指颗粒间牢固粘结,呈整体或具有节理裂隙的岩体。
(1)按岩石的坚硬程度,分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩、极■软岩(见P24表1-8)。
(2)按岩石的风化程度,分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化。
(3)按岩石的完整程度,分为完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎(见P24表1-9)。
2.碎石土
是指粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。
根据粒组含量及颗粒形状可分为漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾(见P25表1-10)。
3.砂土
是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%,而粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土。
根据粒组含量分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂(见P25表1-11)
4.粉土
是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%,且塑性指数
Ip10的土。
5.粘性土
粘性土是指塑性指数Ip大于10的土。
根据塑性指数Ip可分为粉质粘土(10vlpW17)和粘土(Ip>
17)。
6.人工填土
人工填土是指由于人类活动而形成的堆积物。
(1)根据其物质组成和成因,可分为素填土、杂填土和冲填土三类。
1素填土:
由碎石、砂土、粉土、粘性土等组成的填土,不含杂质或含杂质很少。
2杂填土:
含有大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。
3冲填土:
由水力冲填泥砂形成的填土。
(2)按堆填时间,分为老填土和新填土。
1老填土:
堆填时间超过10年的粘土或超过5年的粉土。
2新填土:
堆填时间小于10年的粘土或小于5年的粉土。
7.特殊性土
(1)淤泥和淤泥质土
淤泥:
天然含水量宀>
3l,天然孔隙比e>
1.5的粘性土称为淤泥。
淤泥质土:
天然含水量3>
3l,天然孔隙比1.0<
e<
1.5的粘性土称为淤泥质土。
(2)红粘土和次生红粘土
红粘土:
液限3L>
50%,裂隙发育,具有明显收缩性的棕红、褐黄等色的高塑性粘土称为红粘土,一般分布于北纬33度以南地区。
次生红粘土:
经搬运但仍保留红粘土特征,且液限3l>
45%的土,称为次生红粘土。
(3)黄土:
是一种含大量碳酸盐类,且常能以肉眼观察到大孔隙的黄色粉状土。
天然黄土在未受水浸湿时,一般强度较高,压缩性较低。
但当其受水浸湿后,因黄土自身大孔隙结构的特征,压缩性剧增使结构受到破坏,土层突然显著下沉,同时强度也随之迅速下降,这类黄土统称为湿陷性黄土。
(4)膨胀土:
是指土中含有大量的亲水性粘土矿物成分(如蒙脱石、伊利石等),在环境温度及湿度变化影响下,可产生强烈胀缩变形的土。
由于膨胀土通常强度较高,压缩性较低,易被误认为是良好的地基。
但遇水后,就呈现出较大的吸水膨胀和失水收缩的能力,往往导致建筑物和地坪开裂、变形而破坏。
(5)多年冻土:
是指冻结状态在自然界连续保持3年或3年以上的土。
当自然条件改变时,它将产生冻胀、融陷、热融滑塌等特殊不良地质现象。
(6)盐渍土:
是指易溶盐含量大于0.5%,且具有吸湿、松胀等特性的土。
由于可溶盐遇水溶解,可能导致土体产生湿陷、膨胀以及有害的毛细水上升,使建筑物遭受破坏。
二、细粒土按塑性图分类(自学)
三、《公路桥涵地基与基础设计规范》分类法
1.碎石土的分类与《建筑地基基础设计规范》完全相同,参见表1-10。
2.砂土的分类名称和标准见表1-12。
3.粘性土的分类名称和标准见表1-13。
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