1. 1软弱土地基处理1（课件）- 《地基与基础工程施工》同步教学（北京理工大学出版社）

1. 1 软弱土地基处理 一、岩土的物理性质及工程分类 1.土的成因及组成 (1)土的成因 地基工程中的“土”:是指地表的岩石经风化作用后形成大小不同的颗粒，再经过剥蚀、搬运、沉积等过程，在复杂的沉积环境中所形成的各类沉积物。现在地表广泛分布的沉积土，大都属于第四纪沉积物。 风化作用:由于气温变化、雨、雪、山洪、河流、风、空气、生物活动等对岩石形成的破坏作用，一般分为物理风化、化学风化和生物风化。 物理风化:由于气温变化，岩石胀缩开裂，崩解为碎块，属物理风化。这种风化作用只改变颗粒的大小与形状，不改变矿物成分。 下一页 返回 化学风化:由于水溶液、大气等因素影响，使岩石的矿物成分不断溶解水化、氧化、碳酸盐化引起岩石的破碎，属化学风化。这种风化作用使岩石的矿物成分发生改变，土的颗粒变细，产生次生矿物。 生物风化:由于动物、植物的活动使岩石破碎，属生物风化。 (2)土的组成 在岩石经风化作用所形成的堆积物中，包含有许多孔隙，孔隙中通常存在着水和空气。因此，在天然状态下，土体一般由固体颗粒(固相)、土中水(液相)和气体(气相)三部分组成，简称三相体系。土的三相组成中，每一相的特性及相对含量对土的性质影响很大。 上一页 下一页 返回 1)土中固体颗粒—固相 固体颗粒构成土的骨架，其大小、形状、矿物成分及粒组相对含量决定着土的物理力学性质。 ①粒组划分 通常土体都是由大小不同的颗粒所组成，颗粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质也相应发生变化。一般土的粒径从大到小，则土的可塑性从无到有，钻性从无到有，透水性从大到小，毛细水从无到有。土粒粒径的大小称为粒度，将粒度大小接近的土粒合并为组，称为粒组。我国《土的工程分类标准》(GB/T 50145-2007)将土粒划分为六个粒组:漂石(块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、砾石颗粒、砂粒、粉粒和钻粒。 上一页 下一页 返回 ②颗粒级配 土的颗粒级配(亦称粒度成分)，是指不同大小土粒的搭配情况，通常以土中各个粒组的相对含量(即各粒组质量占土粒总质量的百分数)来表示。 颗粒分析:确定土中各粒组相对含量，需进行颗粒分析试验。工程上常用的颗粒分析方法有筛分法和密度计法两种。 筛分法:它是用一套孔径不同的标准筛，按从上到下筛孔逐渐减小放置，将称过质量的烘干土样放入，经振筛机振动将土粒分开，称出留在各筛上的土的质量，即可求出占土粒总质量的百分数，筛分法适用于粒径在0.075~60mm的土。 密度计法:根据粒径不同，在水中下沉速度也不同的特性，用密度计进行测定分析，密度计法适用于粒径小于0.075 mm的土。 上一页 下一页 返回 颗粒级配曲线:将颗粒分析试验结果绘制成曲线，即为颗粒级配曲线，纵坐标表示小于某粒径的土的质量的累计百分比;横坐标表示土粒粒径，由于土粒粒径往往相差悬殊，为方便绘图采用对数坐标表示。 用土的颗粒级配曲线可以直观地判别土的颗粒级配好坏，并可得到定量判别指标，为了比较几种土级配的相对好坏，工程上常用不均匀系数和曲率系数来描述。 不均匀系数: 曲率系数: d10—有效粒径，小于某粒径的土粒质量占总质量的10%时相应的粒径; 上一页 下一页 返回 d60—限定粒径，小于某粒径的土粒质量占总质量的60%时相应的粒径; d30—小于某粒径的土粒质量占总质量的30%时相应的粒径。 不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况，即土粒大小(粒度)的均匀程度。Cu越大，表示粒度的分布范围越大，土粒愈不均匀，土的级配良好。曲率系数则描述级配曲线的整体形状，可以反映出某粒组是否缺失的情况，也即限定粒径d60与有效粒径d10之间各粒组含量的分布情况。一般认为Cu<5的土为级配不好，Cu>5的土属级配良好。对于级配连续的土，可采用单一指标Cu来判断;但对于缺失中间粒径的某粒组的土，即级配不连续的土，尚应同时满足Cc=1~3时，才为级配良好的土。 上一页 下一页 返回 级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙易被较细的颗粒所填充，土的密实度高。因此，作为地基土，其强度高，稳定性好，透水性和压缩性小，一般为良好地基;若作为填方工程的建筑材料，则较易获得较大的密实度，是良好的填方用土。 由曲线的坡度可以大致判断土粒的均匀程度或级配是否良好。如曲线较陡，表示粒径相差较小，不均匀系数较小，级配较差。 2)土中水—液相 土中水按其形态可分为:固态水、液态水、气态水。 ①固态水:是指土中水在温度降至0℃以下时结成的冰。水结冰后体积会增大，使土体产生冻胀，破坏土的结构，冻土融化后会使土体强度大大降低。寒冷地区基础的埋置深度，要考虑地基土的冻胀问题。 上一页 下一页 返回 ②气态水:即水蒸气，对土的性质影响不大。 ③液态水:分为结合水和自由水两大类。 a.结合水:是指受电分子吸引力作用吸附于土粒表面的土中水，又可细分为强结合水和弱结合水。 强结合水:是指紧靠于土粒表面的结合水，所受电场吸引力大，其性质接近于固体。钻土只含强结合水时呈固体状态，磨碎后呈粉末状态;砂土的结合水很少，仅含强结合水时呈散粒状。 弱结合水:强结合水外围的结合水膜称为弱结合水，其所受到的电场吸引力随着与土粒距离增大而减弱，并逐渐过渡到自由水，含有较多弱结合水的钻性土具有可塑性。 上一页 下一页 返回 b.自由水:是存在于土粒表面电场影响范围以外的水，其性质与普通水相同，分为重力水和毛细水。 重力水:存在于地下水位以下的土孔隙中，它能在重力或压力差作用下流动，能传递水压力，对土粒有浮力作用。重力水对土中的应力状态和开挖基坑(槽)以及地下工程所应采取的排水、防水措施有重要影响。 毛细水:存在于地下水位以上的土孔隙中，由于水和空气交界面处的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过毛细管(土粒间孔隙贯通，形成无数不规则的毛细管)逐渐上升到一定高度，形成毛细水。工程中，应注意毛细水上升对建筑物地下部分的防潮和冻胀问题。 上一页 下一页 返回 3)土中气体—气相 土中气体分为与大气连通的自由气体和与大气不连通的封闭气体两类。 与大气连通的气体对土的工程性质影响不大，在受到外力作用时，这种气体能很快地从孔隙中被挤出;而与大气不连通的封闭气体对土的工程性质影响较大，在受到外力作用时，随着压力的增大，这种气泡可能被压缩或溶解于水中。压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来，增大了土的弹性，减小了土的渗透性，延缓了土的压缩和膨胀以及变形随时间的发展过程。在淤泥和泥炭土中，由于微生物的活动分解作用，土中产生一些可燃气体(如硫化氢、甲烷等)，使土层不易于被自重压密而形成高压缩的软钻土。 上一页 下一页 返回 (3)土的结构与构造 1)土的结构 是指土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。一般分为单粒结构、蜂窝结构和絮凝结构三种类型。 2)土的构造 是指土体中各结构单元之间的关系，是从宏观的角度研究土的组成，其主要构造特点是:成层构造和裂隙构造。 2.土的物理性质指标 (1)土的三相简图 土的三相物质在体积和质量上的比例关系称为三相比例指标。 上一页 下一页 返回 三相比例指标可反映土的干湿、疏密、轻重等物理状态，是评价土的工程性质的最基本的物理性质指标。为便于分析，将实际处于分散状态的三相物质理想化地分别集中在一起，右边注明各相的体积，左边注明各相的质量。符号意义如下: Ws—土粒质量; W w—土中水质量; W —土的总质量，W=W s+ W w; Vs—土粒体积; V w—土中水体积; 上一页 下一页 返回 V a—土中气体体积; Vv—土中孔隙体积，V v= V w+ V a; V—土的总体积，V=Vs +Vv。 (2)土的物理性质指标 1)基本指标 土的基本指标:是指重度γ、含水量w和土粒相对密度d s，一般可由试验室直接测得。 ①土的重度 土单位体积的质量，称为土的重度，即: γ=w/V (kN/m3) 土的重度一般用环刀法测定。 上一页 下一页 返回 一般由实验室直接测得质量密度σ(单位为g/m^3)，质量密度与重力密度的关系为y = σ g ( k N/ m^3)。天然状态下土的重度变化范围在16~22 kN/m^3之间。 ②土的含水量 土中水的质量与土粒质量之比称为土的含水量，用百分数表示，即 w=m w / w s x 100% 土的含水量常用烘干法测定。土的含水量反映土的干湿程度。一般来说，对同一类土，当其含水量增大时，其强度降低。土的含水量对钻性土、粉土的性质影响较大，对粉砂、细砂稍有影响，而对颗粒较粗的碎石土等没有影响。天然状态下土的含水量变化范围较大，一般砂土为0~40%，钻性土为20%~60%，甚至更高。 上一页 下一页 返回 ③土粒相对密度 土粒的质量与同体积4℃时水的质量之比称为土粒相对密度(旧称比重)，即: 其中，γ w为纯水在4℃时的重度，γ w = 9. 8 kN/ m^3，工程计算中常近似取10 k N/ m^3。土粒相对密度常用比重瓶法测定。土粒相对密度的变化范围不大，一般砂土为2. 65~ 2. 68 ,劲睦土为2. 70~2. 75 。 2)导出指标 除了上述三项基本指标外，还有其他六项指标，包括与重度有关的干重度、饱和重度、有效重度以及与孔隙有关的孔隙比、孔隙率和饱和度。 上一页 下一页 返回 由于这六项指标可以由三项基本指标推导求得，所以这六项指标也称导出指标。 ①与重度相关的指标 a.干重度:土单位体积中土粒的质量称为土的干重度γ d即: 土的干重度反映土的密实程度，工程上常用它来控制填土工程的施工质量。 b.饱和重度:土孔隙中充满水时单位体积的质量称为土的饱和重度γ sat，即: 上一页 下一页 返回 c.有效重度:在地下水位以下，土单位体积中土粒的有效质量(等于土粒的质量减去土粒所受到的浮力)称为土的有效重度γ',即: ②与孔隙相关的指标 a.孔隙比e:土中孔隙体积与土粒体积之比称为土的孔隙比，即: 土的孔隙比可用来评价天然土层的密实程度。一般e< 0. 6的土是密实的低压缩性土，e>1的土是疏松的高压缩性土。 b.孔隙率:土中孔隙体积与土的总体积之比称为土的孔隙率，用百分数表示，即 上一页 下一页 返回 土的孔隙率亦用来反映土的密实程度，一般粗粒土的孔隙率比细粒土的大。 c.饱和度:土中水的体积与孔隙体积之比称为土的饱和度，用百分数表示，即: 土的饱和度反映土中孔隙被水充满的程度。当土处于完全干燥状态时，s r=0;当土处于完全饱和状态时，s r= 100%。 (3)指标换算 在土的九个三相比例指标中，只要通过试验直接测定出土的重度、含水量、相对密度，即可根据定义，利用土的三相比例图(如图1-7所示)推导出其他各指标。 上一页 下一页 返回 为方便推导，不妨设V s=1(也可设其他指标等于1)，根据定义推求导出指标参见 3.土的物理状态指标 (1)无钻性土的密实度 无钻性土一般是指具有单粒结构的碎石土和砂土，其物理状态主要取决于土的密实程度。无钻性土呈密实状态时，结构稳定，强度较高，压缩性小，是良好的天然地基;呈疏松状态时，则为不良地基。 1)碎石土密实度 可根据重型圆锥动力触探锤击数N63.5将其密实度划分为松散、稍密、中密和密实，也可根据野外鉴别方法确定其密实度。 上一页 下一页 返回 2)砂土的密实度 常用砂土的相对密实度Dτ来判别。 砂土的密实度也可根据标准贯入试验锤击数N来评定。 (2)豁性土的物理特征 豁性土:主要成分是豁粒，颗粒很细(粒径小于0. 005 mm)，土的比表面积大，与水的作用能力较强，故含水量对豁性土的物理状态影响很大。 1)界限含水量 ①豁性土的状态:豁性土随其含水量不同，可分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。 上一页 下一页 返回 豁土的可塑性:就是当豁性土在某含水量范围内时，可用外力塑造成任何形状而不散不裂，且当外力撤去后仍能保持原有形态的特性叫可塑性。 ②界限含水量:豁性土由一种状态转变为另一种状态的分界含水量，称为界限含水量。土由固态转变到半固态对应的界限含水量，叫缩限，用ws表示;土由半固态转变到可塑状态的界限水量，称为塑限，用wp表示;土由可塑状态转变到流动状态的界限含水量，称为液限，用wL表示。 豁性土液限、塑限的测定方法:液、塑限联合测定仪测液限和塑限，碟式液限仪测液限，滚搓法测塑限。 上一页 下一页 返回 2)钻性土的塑性指数和液性指数 ①塑性指数 钻性土的液限与塑限的差值(计算时略去百分号)为塑性指数，用Ip表示，即 塑性指数反映了土处在可塑状态的含水量变化范围。Ip越大，土处于可塑状态范围也愈大，说明土中钻粒含量愈多，土粒愈细。塑性指数是钻性土的重要指标，工程中可用Ip对钻性土进行分类。 ②液性指数 钻性土天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比为液性指数，用IL表示，即: 上一页 下一页 返回 由上式可见:IL < 0 ,即w < wp，土处于坚硬状态;IL >1,即w > wL，土处于流动状态。液性指数是判别钻性土软硬程度的指标。《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)根据液性指数，将钻性土划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑及流塑五种状态，见表1-6。 4.土的工程分类 自然界的土类众多，工程性质各异。为了评价岩土的工程性质，方便设计与施工，必须根据岩土的主要特征，按工程性能近似的原则对岩土进行工程分类。《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)把作为建筑地基的岩土分为:岩石、碎石土、砂土、粉土、钻性土和人工填土六类。 上一页 下一页 返回 粗粒土工程性质:主要取决于土颗粒特征，常采用土粒的粒度成分(即颗粒的粗细及分布形态)指标进行工程分类; 细粒土工程性质:主要取决于土粒与土中水的相互作用，一般采用塑性指数来分类。 (1)岩石 岩石:是指颗粒间牢固连接，呈整体或具有节理裂隙的岩体。可按其坚硬程度和完整性程度进行划分。 按坚硬性划分:根据饱和单轴抗压强度标准值关f rk( MPa)可将其划分为五类: 坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。 上一页 下一页 返回 按完整性分:根据完整性指数划分，完整性指数为岩体纵波波速与岩块纵波波速之比的平方，选定岩体、岩块测定波速时应有代表性。参见 (2)碎石土 碎石土:是指粒径大于2 mm的颗粒含量超过全重的50%的土。 碎石土分类:按其颗粒形状及粒组含量可分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾、角砾。 (3)砂土 砂土:是指粒径大于2 mm的颗粒含量不超过全重50%、粒径大于0. 075 mm的颗粒含量超过全重50%的土。 上一页 下一页 返回 砂土分类:按粒组含量可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂(见 。 (4)粉土 粉土:是指粒径大于0. 075 mm的颗粒含量不超过全重50%，塑性指数ID≤10的土。其性质介于砂土及钻性土之间。 (5)钻性土 钻性土:是指塑性指数Ip> 10的土。按其塑性指数可分为钻土和粉质钻土。 (6)人工填土 人工填土:是由人类活动而堆填的土。其物质成分杂乱、均匀性差。按其组成和成因可分为素填土、压实填土、杂填土和冲填土。 上一页 下一页 返回 素填土:是指由碎石土、砂土、粉土、钻性土等组成的土。经过压实或夯实的素填土为压实填土。 杂填土:是指含有建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物的填土。 冲填土:是指由水力冲填泥砂形成的填土。 除了上述六类土外，还有一些特殊土。 特殊土:是指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。一般有湿陷性黄土、红钻土、软土、混合土、多年冻土、膨胀土、盐渍土、污染土等。 上一页 下一页 返回 感谢聆听 $$