冻土的工程性质样本Word文件下载.docx
- 文档编号:21687031
- 上传时间:2023-01-31
- 格式:DOCX
- 页数:37
- 大小:415.14KB
冻土的工程性质样本Word文件下载.docx
《冻土的工程性质样本Word文件下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《冻土的工程性质样本Word文件下载.docx(37页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
在工程建设中,评价冻土、选取冻土作为天然地基时,冻土层温度是重要指标。
冻土层温度状态分为稳定状态和非稳定状态。
冻土层温度状态也许在某些局部因素作用下,例如工程施工,而遭到破坏。
如果引起温度状态变化因素消除后,在本地自然条件影响下,冻土温度恢复到从前状态,则这种温度状态叫稳定状态。
如果温度不能恢复到本来状态,则叫作非稳定状态。
非稳定状态普通发生在高于-1℃高温近年冻土中。
冰对土颗粒胶结特性是工程建筑中评价冻土重要指标。
冰胶结强度与土温度、成分、含水量、盐渍度等关于。
按照胶结限度,自然条件下近年冻土可分为坚硬冻土、塑性冻土和松散冻土。
坚硬冻土或低温冻土是指被冰牢固胶结在一起冻土,它特点是:
在荷载作用下,呈脆性破坏,并且事实上是不可压缩,其压缩系数不大于0.001cm2/Kg。
坚硬冻土温度界限大体如下:
粉砂:
-0.3℃
粘砂土:
-0.6℃
砂粘土:
-1.0℃
粘土:
-1.5℃
塑性冻土或高温冻土是指土颗粒未被冰所有胶结而具备可压缩性冻土。
当冻土中冰和未冻水饱和度不大于0.8,且温度高于坚硬冻土界限温度时,可遇到塑性冻土(重要指粘性土)。
塑性冻土压缩系数不不大于0.001cm2/Kg。
松散冻土是指含冰量很低粗颗粒碎石土和砂土。
这种冻土中冰胶结作用只在个别团粒集合体中发生,而整个土体仍处在松散状态。
粘性土(细颗粒土)与无粘性土(粗颗粒土)重要区别在于粘性土与水发生强烈物理和物理化学作用。
并由此产生一系列特有性质,如粘性、塑性、膨胀和收缩、崩解等。
粘性是细粒土基本特性,因而而称为粘性土。
粘性是土颗粒与水互相作用而产生一种联系,称为原始内聚力,是粘性土抵抗外荷载作用强度重要来源之一。
粘性大小取决于土密度和含水量(在其她条件相似时)。
当土颗粒靠得很紧,含水量很低时,土中重要含强结合水,这时土体现出很大粘性,并呈固态或半固态。
随着含水量增长,弱结合水逐渐增多,水膜增厚,土体积亦增长,产生膨胀现象。
在膨胀过程中,由于颗粒间距离加大,颗粒间联系重要靠弱结合水,土粘性减少,呈塑性状态。
这时土在外力作用下,可以塑成任何形状而不产生裂纹和体积变化。
当外力去除后,土体仍能保持所得形状,这种性质称为塑性。
当含水量继续增长,土中开始有大量自由水浮现,土颗粒间被自由水隔离,粘性消失,土进入液性状态。
细颗粒土所处这种不同状态,称为土稠度。
上述变化过程在一定限度上是可逆。
当土中含水量减小时,颗粒周边结合水膜变薄,土颗粒在分子和毛细管力作用下趋于靠紧,土体积随之减小,产生收缩现象,土粘性增长,土稠度便从液性状态依次进入塑态和半固态、固态。
粗颗粒土,由于比表面积小,土中水重力作用超过接触面现象作用,因此上述现象不明显,普通察觉不出来。
土骨架是冻土多相体系基本,土颗粒大小和形态、矿物成分、反映土颗粒表面物理化学实质吸附离子互换容量和成分对土构造构造特性、冻结时水分迁移、冰析和冻胀等有重大影响。
二、冻土构成
冻土是复杂多项和多成分体系。
矿物颗粒、冰、未冻水和气体是冻土基本成分。
即冻土是由固体矿物颗粒或有机矿物颗粒、粘塑性冰(胶结冰、冰夹层、冰包裹体)、未冻水(强结合水和未冻弱结合水)和气体成分(空气和蒸汽)构成四项体系。
这些基本成分决定了冻土构造构造特性,物理力学性质和热物理性质,以及冻结和融化过程特性。
1.固体矿物颗粒
矿物颗粒成分,大小和形状以及矿物颗粒表面物理化学性质对冻土物理力学性质有重要影响。
土颗粒构成对冻结时水分迁移、析冰和冻胀影响特别大。
冻土性质,特别是抵抗外力强度,不但取决于颗粒大小,并且取决于颗粒形状。
在外力作用下,不同形状颗粒之间,如园、带梭角和扁平状,产生局部应力是不同。
颗粒大小不同,冻土变形和强度特性不同。
在温度和荷载作用时间等相似时:
大块碎石类土:
变形小、强度大;
砂土:
变形次之,强度次之;
粘性土:
变形大,强度小。
在温度和应力条件等相似时,颗粒形状不同,颗粒与冰接触处应力不同,从而未冻水含量不同,使冻土构造和强度发生变化。
矿物颗粒表面物理化学特性取决于颗粒矿物成分和分散度。
细颗粒土中颗粒重要是由某些次生矿物,如高岭土、伊利石和蒙脱土等构成,它们粒径都很小(0.005~0.000001毫米),并且多呈半鳞片状,因而具备胶体特性,即表面活动性。
粘性土矿物成分对冻土物理力学性质及冻结过程(析冰、冻胀等)影响很大,不同矿物成分粘性,按其冻胀性可排成如下顺序:
高岭粉土>
水云母粉土>
蒙脱粉土
互换阳离子成分对细分散土冻胀有特别大影响。
在其她条件相似状况下,互换阳离子对析冰和冻胀影响大小是:
Fe+3>
Al+3>
Ca+2>
K+1>
Na+1
矿物颗粒分散度可用比表面积来表达,比表面积是指冻土中所有颗粒表面积总和。
假定矿物颗粒是球形,那么粒径为0.2~2毫米土比表面积约为45平方厘米,而粒径为0.0001~0.000001毫米土为104万平方厘米,事实上最细颗粒常成薄片状,比表面积比这个值还要大。
2.冰
冰是冻土必不可少构成某些。
冰决定着冻土构造构造特点和物理力学特性。
水结晶时,体积增大9.07%和密度减小8.31%(水密度等于0.999968g/cm3,冰密度为0.9168g/cm3),比热减小一倍多(水比热是1.009,冰比热是0.497千卡/公斤·
度)。
水结晶生成六角形冰晶体。
同步最强烈冰晶增长不是沿主对称轴,而是沿着付轴发生,因而,冰晶是片状构造,具备明显各向异性。
在垂直于主光轴方向上,冰粘塑性变形性最大;
在平行于主光轴方向上,冰流变性体现差,甚至在弹性变形后即开始脆性破坏。
冰在荷载作用下,甚至在极小应力下都会产生粘塑性变形。
只是在瞬时荷载作用下,冰才具备弹性,但无实际意义(弹性极限太小)。
在一定温度和压力条件下,冰具备同素异构性。
即一种型式持续冰晶体可以变成另一种型式冰晶体。
水在0℃和正常大气压力下,生成普通冰,而在上万个大气压作用下,则生成某种变态冰,这种冰虽然在正温条件下也能存在。
普通冰晶格特点是氢原子活动性,因而,在温度和压力作用下,冰可以变化,只是在-78℃温度下,冰才处在稳定状态。
当温度低于-70℃时,冰由六角形结晶变成立方体结晶。
在地壳中存在所有冰,无论它生成和埋藏形式,统称为地下冰。
按地下冰生成过程,可将地下冰分为三类:
①构造冰
②洞穴脉冰
③埋藏冰
构造冰是指在土体冻结过程中生成冰,它对冻土构造形成具备首要作用。
在某种状况下,构造冰以细小冰体充填于土孔隙。
而在另一种状况下,则以纯冰透镜体夹层形式埋藏于冻土中。
构造冰又可分为如下三种:
胶结冰、分凝冰、侵入冰。
胶结冰是孔隙冰特殊形式,它是胶结土颗粒及团粒细小冰体。
它是在含水量小土冻结时,或任何含水量土迅速冻结状况下形成,在胶结冰生成过程中,不发生土颗粒明显位移。
分凝冰是由弱结合水向冻结缘迁移冻结而成。
大多以透镜体或不规则形状存在。
在形成分凝冰同步,土颗粒之间发生相对位移,在冰分凝过程中,形成冻土冷生构造。
冰透镜体和冰夹层厚度可从零点几毫米至几十厘米。
侵入冰是指承压地下水侵入近年冻土或季节冻土后冻结而生成冰。
参加侵入冰形成水是自由重力水。
侵入水冻结可以顶起上部冻土层,即形成冻胀丘。
洞穴脉冰是存在于近年冻土各种裂隙中冰。
这些裂隙可以是基岩裂隙、热收缩裂隙、或冻胀丘上膨胀裂隙。
埋藏冰是指各种生成于地表冰(河冰、湖冰、海冰、冰堆冰和积雪等)被堆积在其上沉积物掩埋而成为埋藏地下冰。
埋藏冰能近年保存而不融化条件是其上复盖沉积物厚度不不大于季节融化层深度。
太阳光穿过冰层时,产生一种温床效应,即:
冰层吸取太阳幅射短波,整个冰层升温,上、下表面同步融化效应。
这一点可从高原上热融湖中冰层融化过程得到证明。
高原热融湖塘中冰层有厚达2米以上,这些冰层是在寒季几种月中形成,五月冰层开始融化,至六月上旬,几乎所有融化完。
而在六月上旬冻土层融化深度普通仅50~80cm。
温床效应是地下冰暴露后迅速融化因素。
3.未冻水
土冻结是随时间发生复杂热学和物理化学过程。
土中孔隙水冻结是随负温减少逐渐发生。
土在某负温下冻结与某负温延续时间无关。
在某一负温下,土中一某些水处在与冰共存不冻结状态。
在相称大温度范畴内,土从融化状态通过塑性冻结状态而变成坚硬冻结状态。
表1列出了几种土冻结状态变化温度值。
各种土冻结状态变化温度(℃)表1
土名
变化温度(℃)
从融化到塑性冻结状态
坚硬冻结状态
砂
0~-0.25
低于-0.25
粘砂土
-0.3~-1.0
低于-1.0
砂粘土
-0.5~-1.5
低于-1.5
粘土
-1.0~-3.0
低于-3.0
重粘土
-2.0~-4.0
低于-4.0
从表1可以看出,土在低于0℃温度下冻结,但土冻结温度波动范畴是较大。
土颗粒愈细,土冻结温度波动范畴愈大,土塑性冻结状态和坚硬冻结状态可以当作是由冻土中未冻水数量所决定。
冻土中未冻水含量取决于负温度、应力及矿物颗粒性质(分散度、矿物成分、互换离子互换容量和成分等)。
冻土中存在未冻水是冻土基本物理规律。
H·
A·
崔托维奇在上世纪40年代提出了冻土中冰水相平衡原理:
冻土中所含液相水数量、成分和性质不是固定,而是随着该体系状态参数变化而变化,并且与后者处在动力平衡状态。
冻土中冰水平衡状态原理在普通冻土学和工程冻土学中得到了应用。
用该原理可以较好解释已冻土和正冻土中所发生物理过程,对的评价外部荷载作用下冻土流变过程产生机理。
图1矿物颗粒表面与水之间
电分子引力作用示意图
1-矿物颗粒2-结合水3-弱结合水(渗入水)
为什么冻土中总是有未冻水存在呢?
这可用粘土颗粒吸附现象来解释。
图1是矿物颗粒表面与水之间电分子引力作用示意图。
图1表白,矿物颗粒表面普通带有负电荷,颗粒周边溶液中水分子双极体(水分子一端带正电,一端带负电)被颗粒吸引,在颗粒表面形成有规律排列水化膜,这便是强结合水。
这种水膜由于受到非常大静电吸引力,与颗粒结合得十分牢固,虽然在很低温度下也不也许冻结。
但是,强结合水膜电荷并局限性以平衡矿物颗粒表面所有负电荷。
因而在强结合水膜外尚有水分子被吸引,但它们距离颗粒表面较远,静电吸力减小,同步受到热运动和其她离子或颗粒吸力作用,因而与颗粒结合薄弱得多(图1),这便是弱结合水。
弱结合水是一种相成分可变化水,冻土中未冻水含量随温度变化就是弱结合水数量变化。
弱结合水在低于零度时冻结,且弱结合水膜越薄,它受到颗粒表面作用越强,冻结温度越低。
冻土中未冻水含量随负温度减少而减少。
在负温度进一步下降过程中,发生冻结弱结合水数量不但取决于负温度,并且决定于土矿物颗粒比表面积和吸附阳离子成分和应力等。
依照未冻水含量变化与负温度关系,可将土冻结时相变温度划提成三个区域:
a.强烈相变区:
在该区域内,温度变化1℃时,冻土中液相水量变化等于或不不大于1%。
b.过渡区:
冻土温度变化1℃时,未冻水量变化在0.1~1%之间。
c.实际冻透区:
温度变化1℃,水相变成冰数量不超过0.1%。
冻土中水相转换温度区域如表2。
冻土中未冻水含量与温度关系如图2。
相转换温度区域(℃)表2
土名
强烈相转换区
过渡区
实际冻透区
0~-0.2
-0.2~-0.5
低于-0.5
粉质砂粘土
0~-2.0
-2.0~-5.0
低于-5.0
饱和粘土
0~-5.0
-5.0~-10.0
低于-10.0
非盐渍侏罗纪粘土
0~-7.0
-7.0~-30.0
低于-30.0
应力大小也影响冻土中未冻水含量。
荷载作用于冻土表面时,在土矿物颗粒接触点上引起巨大接触应力,并促使在相应负温条件下,冰发生融化(表3)。
图2冻土中未冻水与温度关系
1-粘土2-亚粘土3-亚砂土4-砂土
在温度和应力等条件相似状况下,粘性土矿物成分、互换阳离子成分和互换容量对冻土中未冻水量影响很大。
具备很高互换容量和被一价阳离子(Na、K)饱和蒙脱粘土具有未冻水量最多,具备小互换容量和被多价阳离子(Fe+3、Al+3)饱和高岭粘土具有未冻水量至少。
具备中档互换容量和二价阳离子(Ca+2、Mg+2)饱和水云母粘土,未冻水含量介于上述两者之间。
外部压力对冻土中未冻水量影响表3
温度(℃)
应力
Kg/cm2
含水量
(%)
未冻水占所有水量%
无压力时
有压力时
莫斯科砂粘土*
负温
2
22
50.2
61.2
莫斯科砂粘土
-2
10
72.6
74.2
膨润粘土
49
59.3
66.1
-1.7
20
42.4
58.1
-5.8
5
46
42.5
45.6
*温度未精准测量
据实验,未冻水含量与负温延续时间无关,与土起始含水量无关。
对于每一种土均有自己未冻水含量和温度关系曲线。
综上所述,冻土中未冻水与冰随外界条件变化而处在一种动平衡状态。
这种冰水动平衡决定着冻土强度和变形特性。
当冻土中未冻水含量减少时,冻土强度增长,压缩和变形量减小。
反之,当冻土中未冻水含量增长时,则冻土强度减小,压缩和变形量增大。
当温度低于-70℃时,绝大多数土事实上已所有冻透了。
4.气体
冻土中未被冰和水布满孔隙则被水蒸汽和其他气体物质所充填。
这些气体物质处在自由、挤压或被吸附状态。
土中气体可以与周边空气相通,并能在土中移动。
例如,自由水蒸汽可以向冻结锋面迁移,成为含水量小砂性土冻结时聚冰因素之一。
被挤压气体形成封闭气泡,提高了土弹性。
有一某些气体则被吸附在矿物颗粒表面,土中吸附气体数量随土中有机质含量增长而增长。
三、冻土构造和构造
冻土构造是指冻土中矿物颗粒及团粒尺寸、形状及冰晶、冰包裹体大小和形状以及矿物颗粒和冰互相排列和连结特性。
冻土构造是指冻土中矿物层和冰晶、冰包裹体分布特性,即各种固体组分间相对空间排列特性。
冻土构造和构造也叫冷生组构。
冻土构造取决于形成构造冰包裹体形状、大小及土骨架之间互相位置。
形成构造冰包裹体有透镜状、斑点状、壳状、细脉状、层状和带状等。
依照冻土中冰体形状、大小和分布,冻土可划分为如下三种基本构造(见图3)。
a.整体构造
图3冻土冷生构造基本类型
a—整体构造;
σ—层状构造;
B—网状构造
b.层状构造
c.网状构造
整体构造(图3a)特点是:
冻土中没有肉眼可见冰体(透镜体、冰夹层等)。
冰仅以粒状冰晶形式均匀分布于土孔隙中。
这种构造是含水量小土冻结时,或任何含水量土迅速冻结时生成。
由于冻结速度快,水分来不及迁移而原位冻结。
仅仅形成胶结冰和细小冰晶,整体构造冻土强度最大,融化时下沉最下。
层状构造(图3b)特点是:
冻土中冰体以层状形式分布,与土矿物层呈冰层土层互层形式。
这种构造是高含水量土体慢速冻结时,或土体冻结过程中有外来水源补给时生成。
粉质粘砂土、砂粘土和粘土单向慢速冻结状况下,常生成层状构造冻土。
依照冰夹层厚度,可将层状构造划提成如下几种:
a.微层状构造:
冰层厚度不大于0.1cm;
b.薄层状构造:
冰层厚度0.1~0.5cm;
c.中档层状构造:
冰层厚度0.6~2.0cm;
d.厚层状构造:
冰层厚度不不大于2.0cm;
层状构造冻土普通具备较高强度,但融化时,强度急剧下降,土常变成流动状态。
网状构造(图3C)特点是:
不同尺寸、不同形状、不同方位冰体形成大小不一、不持续网格或框格分布于冻土中。
这种构造生成与贯穿于土中裂隙关于。
即沿不同方向贯穿裂隙是导致冻结过程中形成网状冰脉浮现因素。
网状构造冻土中冰体厚度较大,普通10~25mm。
网状构造冻土强度较小。
融化时下沉很大。
在基本冻土构造之间存在中间和过渡形式构造。
如层状网状构造。
在粗碎石土及带有砂粘土充填物小漂石中,广泛分布着所谓果壳状构造。
其特点是不同厚度冰壳某些或所有包裹着粗碎石。
果壳构造是粗颗粒土融化时产生大量下沉因素。
在土冻结过程中,冻土构造形成是一种十分复杂过程。
冻土构造形成与水分迁移和析冰有着密切关系。
因而,影响水分迁移和析冰因素同样对冻土构造形成有大影响。
冻土构造研究重要是研究冰与土颗粒之间关系,冰在冻土中起着胶粘连结作用,决定着冻土构造特性。
胶结冰不变化土体原生构造特性,也不变化土固体骨架构成某些大小和形状。
依照矿物颗粒与胶结冰互有关系,可以分为如下四种冻土构造:
a.接触胶结构造:
冰仅在矿物颗粒接触处存在。
b.薄膜胶结构造:
冰已完全包裹矿物颗粒表面,但尚未布满大某些孔隙。
c.孔隙胶结构造:
冰已完全布满土孔隙。
d.基底胶结构造:
土矿物颗粒以分散形式埋于冰中。
在施工冻土工程地质工作中,应详细描述冻土构造和构造。
为运营过程中工程建筑物稳定性预报提供根据。
四、冻土物理性质
冻土是复杂多相体系。
为理解在一定温度条件下,冻土物理状态以及融化时其性质变化,除依照肉眼鉴定、颗粒分析资料或塑性指数定出土名称外,还必要测定冻土盐渍度和四种基本物理指标。
即冻土矿物颗粒比重rd;
冻土天然容重r;
冻土总含水量Wc和冻土中未冻水含量WA。
其她物指标如相对含水量i、重量含水量ig、体积含水量iv、冻土干容重rd和冻土孔隙比e等可通过计算拟定。
冻土与融土相比,除了具备负温度外,还具有冰,冰对矿物颗粒起胶粘连接作用。
从而变化了土物理力学性质。
纯净水在O℃时即开始冻结。
而土中水由于具有一定易溶盐以及土颗粒电分子引力作用,在低于0℃时才开始冻结。
土中水开始冻结时温度称为起始冻结温度。
土起始冻结温度取决于土分散度和含水量,也与水溶液浓度关于,表4列出了几种土起始冻结温度测定值。
土起始冻结温度表4
取样地点
易溶盐含量
mg/100g±
含水量%
干容重
g/cm3
起始冻结温度℃
草皮腐植质土
木里
246.2
0.32
-0.024
黄色亚粘土夹碎石
20.7
1.64
-0.047
黑灰色粉质亚粘土
62.0
0.96
腐植质亚粘土
31.2
1.40
-0.187
黄绿色亚粘土
土门格拉
0.1157
26.5
1.53
-0.2~-0.32
当土含水量按近最大分子含水量时,由于水分子受到土颗粒表面引力作用,因而起始冻结温度减少。
土含水量愈小,起始冻结温度愈低,土颗粒愈细,表面能愈大,故起始冻结温度愈低,当水中含盐量增长时,土起始冻结温度也减少。
当土中温度达到起始冻结温度时,一方面是土中自由水开始冻结。
当温度进一步减少时,弱结合水开始逐渐冻结。
而强结合水,由于受强大电分子引力作用,虽然在很低温度下,也不也许冻结。
因而,冻土中除某些水结成冰外,总有一某些水在负温下仍处在液体状态。
这样,冻土较之普通融土基本物理指标就多了含冰量和未冻水含量。
下面论述各种冻土物理指标定义。
取一块冻土,其体积和重量都可分为四某些,即土矿物颗粒、未冻水、冰和气体。
如图4。
以体积计:
Va:
气体体积;
Vw:
未冻水体积;
Vi:
冰体积;
VK:
孔隙体积,VK=Va+Vw+Vi;
Vs:
土颗粒体积;
V:
总体积
以重量计:
gw:
未冻水重量;
gi:
冰重量;
gs:
土颗粒重量;
gK:
水总重量,gk=gw+gi;
g:
总重量,g=gk+gs=gw+gi+gs,空气重量忽视不计。
通过实验直接测定基本物理指标:
①总含水量Wc:
冻土中冰水总重与土颗粒重量之比。
Wc=gk/gs=(gw+gi)/gs
总含水量可采用刻槽法或平均匀试样法从冻土中取样,而后按普通测含水量办法测定。
②土矿物颗粒比重rG:
土矿物颗粒重量与同体积水重之比。
rd=gs/Vsrw
式中:
rw——水比重
冻土比重测定与融土同样,采用比重瓶进行。
③冻土天然容重r:
冻土总重量与冻土总体积之比。
r=g/v=(gk+gs)/v
冻土容重可采用排液法、环刀法、腊封法或静水浮重法等办法测定。
④未冻水含量WH:
冻土中未冻水重量与土颗粒重量之比。
WH=gw/gs
未
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 冻土 工程 性质 样本
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)