基础施工模块一课题1.docx
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基础施工模块一课题1
模块1基本知识
课题1认识土的物理性质及工程分类
1.1.1学习目标
1．通过本课题的学习，知道土的成因与组成，会划分土的粒组，及应用相关参数确定土的工程特性。
2．认识土中不同状态的水，及其对土的物理性质的影响。
3．会应用土的三相图计算土的各项物理性质指标，知道土的各项指标在工程中的用途。
4．知道黏性土和无黏性土的物理特征，并能对土进行工程分类。
1.1.2学习内容
土的物理性质主要取决于固体颗粒的矿物成分、三相（固、液、气）组成比例、土粒结构以及所处的物理状态。
土的物理性质在一定程度上影响着土的力学性质，是最基本的工程特性。
掌握土的工程特性对建筑基础工程的设计和施工都有重要的影响。
一、土的成因与组成
（一）土的成因
土是由地壳表层的岩石长期暴露在大气中，经受气候的变化，环境的作用，在物理风化、化学风化、生物风化作用下，使岩石逐渐崩解，破碎成大小和形状不同的一些碎块。
根据形成时所经受的外力及环境的不同，具有各种各样的成因。
不同成因类型的土，具有各自的分布规律和工程地质特征，其主要成因类型有以下几种。
1．残积物残积物是指残留在原地未被搬运的原岩风化剥蚀后的产物。
残积物与基岩之间没有明显的界限，一般是由基岩风化带直接过渡到新鲜基岩。
残积物的主要工程地质特征为：
均质性很差，土的物理力学性质一致性较差，颗粒一般较粗且带棱角，孔隙较大，作为地基易引起不均匀沉降。
2．坡积物坡积物是雨雪水流的地质作用，将高处岩石风化产物缓慢地洗刷剥蚀，沿着斜坡向下逐渐移动、沉积在平缓的山坡上而形成的沉积物。
坡积物的主要工程地质特征为：
可能会再次发生沿下卧基岩倾斜面滑动；土颗粒粗细混杂，土质不均匀，厚度变化大，作为地基易形成不均匀沉降；新近堆积的坡积物土质疏松，压缩性较高。
3．洪积物洪积物是由暂时性山洪急流挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲沟出口或山前倾斜平原而形成的沉积物。
洪积物的主要工程地质特征为：
常呈现不规则交错的层理构造，靠近山地的洪积物的颗粒较粗，地下水位埋藏较深，土的承载力一般较高，常为良好的天然地基。
离山较远地段的洪积物较细，成分均匀，厚度较大，土质较为密实，一般也是良好的天然地基。
4．冲积物冲积物是江河流水的地质作用剥蚀两岸的基岩和沉积物，经过水流搬运，沉积在平缓地带而形成的沉积物。
冲积物可分为平原河谷沉积物、山区河谷冲积物和三角洲冲积物（见图1-1-1）。
冲积物的主要工程地质特征为：
平原河谷冲积物包括河床沉积物、河漫滩沉积物、河流阶地沉积物及古河道沉积物等。
河床沉积物大多为中密砂砾，承载力较高。
河漫滩地段地下水埋藏较浅，下部为砂砾、卵石等粗粒土，上部一般为颗粒较细的土，局部夹有淤泥和泥炭，压缩性较高，承载力较低。
河流阶地沉积物强度较高，一般可作为良好的地基。
山区河谷冲积物，颗粒较粗，一般为砂粒所充填的卵石或圆砾，在高阶地往往是岩石或坚硬土层，最适宜于作为天然地基。
三角洲冲积物的颗粒较细，含水量大，呈饱和状态，有较厚的淤泥或淤泥质层分布，承载力较低。
图1-1-1河谷横断面图
（二）土的组成
在天然状态下，自然界中的土是由固体颗粒、水和气体组成的三相体系。
固体颗粒构成土的骨架，其间贯穿着孔隙，孔隙中充填有水和气体。
因此，土也被称为三相孔隙介质。
在自然界的每一个土单元中，三相比例随着周围环境的变化而变化。
土的三相比例不同，土的状态和工程性质也不相同。
若位于地下水位线以下，土中孔隙全部充满水时，称为饱和土；当土中孔隙没有水时，则称为干土；土中孔隙同时有水和气体存在时，称为非饱和土（湿土）。
1．土的固体颗粒土的固体颗粒即土的固相。
土粒的大小、形状、矿物成分以及大小搭配情况对土的物理力学性质有明显影响。
自然界中的土，都是由大小不同的土颗粒组成。
土颗粒的大小与土的性质密切相关。
如土颗粒由粗变细，土的性质可由无黏性变为黏性。
粒径大小在一定范围内的土，其矿物成分及性质都比较相近。
因此，可将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干粒组，随分界尺寸的不同，性质呈现出一定的变化。
用于划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。
我国习惯采用的粒组划分标准见表1-1-1。
表中根据界限粒径200mm、20mm、2mm、0.075mm、0.005mm把土粒分为六大粒组:
漂石（块石）、卵石（碎石）、圆粒（角砾）、砂粒、粉粒和黏粒。
天然土体中包含有大小不同的颗粒，为了表示土粒的大小及组成情况，通常以土中各粒组的相对含量（各个粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。
确定各粒组相对含量的颗粒分析试验方法分为筛分法和密度计法两种。
筛分法适用粗颗粒土，一般用于粒径小于等于60mm，大于0.075mm的土。
它是用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置。
将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上土的质量，然后计算其占总土粒质量的百分数。
表1-1-1粒组划分标准
粒组名称
粒组范围/mm
一般特征
漂石（块石）粒组
>200
透水性很大，无黏性，无毛细水
卵石（碎石）粒组
20~200
砾石粒组
2~20
透水性大，无黏性，毛细水上升高度不超过粒径
砂粒粒组
0.075~2
易透水，当混入云母等杂质时透水性减小，而压缩性增加；无黏性，遇水不膨胀，干燥时松散；毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大
粉粒粒组
0.005~0.075
透水性小，湿时稍有黏性，遇水膨胀小，干燥时有收缩；毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象
黏粒粒组
<0.005
透水性很小，湿时有黏性、可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著；毛细水上升高度大，但速度慢
密度计法适用细颗粒土，一般用于粒径小于0.075mm的土粒质量占试样总质量的10%以上的土。
此法根据球状的细颗粒在水中下沉速度与颗粒直径的平方成正比的原理，把颗粒按其在水中的下沉速度进行分组。
在实验室内具体操作时，利用密度计测定不同时间土粒和水混合悬液的密度，据此计算出某一粒径土粒占总土粒质量的百分数。
根据颗粒大小分析试验结果，可以绘制颗粒级配曲线（见图1-1-2）。
其横坐标表示土粒粒径，由于土粒粒径相差悬殊，常在百倍、千倍以上，所以采用对数坐标表示；纵坐标则表示小于某粒径土的质量含量（或累计质量分数）。
根据曲线的坡度和曲率可以大致判断土的级配状况。
图1-1-2颗粒级配曲线
图中曲线a平缓，则表示粒径大小相差较大，土粒不均匀，小的颗粒可以填充大颗粒间的孔隙，可以使土更加密实，故为级配良好；反之，曲线b较陡，则表示粒径的大小相差不大，土粒较均匀，即为级配不良。
工程上为了定量反映土的不均匀性，常用不均匀系数Cu来反映颗粒级配的不均匀程度。
Cu=d60/d10 （1-1-1）
式中Cu——土的不均匀系数；
d60——限制粒径，在粒径分布曲线上小于等于该粒径的土含量占总土质量的60%的粒径；
d10——有效粒径，在粒径分布曲线上小于等于该粒径的土含量占总土质量的10%的粒径。
Cu越大表示土粒大小的分布范围越大，级配越好，作为填方工程的土料时，比较容易获得较大的密实度。
工程上一般把Cu≤5的土称为级配不良的土；Cu10的土则称为级配良好的土。
实际上，只用一个指标Cu确定土的级配情况是不够的，要同时考虑级配曲线的整体形状。
曲率系数Cc为表示土粒组成的又一特征值，按下式计算：
Cc=d302/d60d10（1-1-2）
式中Cc——曲率系数；
d30——在粒径分布曲线上小于等于该粒径的土含量占总土质量的30%的粒径。
一般认为，砾石或砂土同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，为级配良好。
2．土中水自然状态下，土中都含有水，土中液态水主要有结合水和自由水两大类。
土中水与土颗粒之间的相互作用对土的性质影响很大，而且土颗粒越细影响越大。
1）结合水是指由土粒表面分子引力吸附的水。
根据其离土粒表面的距离又可以分为强结合水和弱结合水。
强结合水是指紧靠颗粒表面的结合水，厚度很薄，大约只有几个水分子的厚度。
由于强结合水受到电场的吸引力很大，在重力作用下不会流动，性质接近固体，不传递静水压力，故强结合水对土的性质影响不大。
弱结合水是在强结合水以外，电场作用范围以内的水，弱结合水仍受颗粒表面电分子力影响，但其吸引力较小，且随着距离的增大逐渐消失而过渡到自由水。
这种水也不能传递静水压力，具有比自由水更大的粘滞性。
粘滞水膜可以因电场引力从一个土粒的周围转移到另一个土粒的周围，但不因重力作用而流动。
弱结合水对黏性土的性质影响最大，当含水量达到某一范围时，可使土具有可塑性。
2）自由水是指存在于土粒电场范围以外的水，自由水又可分为毛细水和重力水。
毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。
毛细水位于地下水位以上的透水层中，容易湿润地基造成地陷，特别在寒冷地区要注意因毛细水上升产生冻胀现象，地下室要采取防潮措施。
重力水是存在于地下水位以下透水土层中的水，它是在重力或压力差作用下而运动的自由水。
在地下水位以下的土，受重力水的浮力作用，土中的应力状态会发生改变。
施工时，重力水对于基坑开挖、排水等方面会产生较大影响。
3．土中气体土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部位。
土中气体以两种形式存在，一种与大气相通；另一种则封闭在土孔隙中与大气隔绝。
在接近地表的粗颗粒土中，土孔隙中的气体常与大气相通，它对土的力学性质影响不大。
在细粒土中常存在与大气隔绝的封闭气泡，不易逸出，因此增大了土的弹性和压缩性，同时降低了土的透水性。
对于淤泥和泥炭等有机质土，由于微生物的分解作用，在土中蓄积了甲烷等可燃气体，使土在自重作用下长期得不到压密，从而形成高压缩性土层。
（三）土的构造与特性
土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。
如层状土体、裂隙土体、软弱夹层、透水层与不透水层等，其主要特征是土的成层性和裂隙性，即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性。
1．层理构造土粒在沉积过程中，由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同，而沿竖向呈现出成层特征。
常见的有水平层理构造和带夹层、尖灭和透镜体等交错层理构造。
2．裂隙构造土体被许多不连续的小裂隙所分割，在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物。
不少坚硬和硬塑状态的黏性土，具有此种构造。
裂隙会破坏土的整体性，增大透水性，对工程不利。
此外，土中的包裹物（如腐烂物、贝壳、结核体等）以及天然或人为的孔洞存在，也会造成土的不均匀性。
土与钢材、混凝土等连续介质相比，具有以下特性：
1．高压缩性由于土是一种松散的集合体，受压后孔隙显著减小，而钢筋属于晶体，混凝土属于胶结体，都不存在孔隙被压缩的条件，故土的压缩性远远大于钢筋和混凝土等。
2．强渗透性由于土中颗粒间存在孔隙，因此土的渗透性远比其他建筑材料大。
特别是粗粒土具有很强的渗透性。
3．低承载力土颗粒之间孔隙具有较大的相对移动性，导致土的抗剪强度较低，而土体的承载力实质上取决于土的抗剪强度。
土的压缩性高低和渗透性强弱是影响地基变形的两个重要因素，前者决定地基最终变形量的大小，后者决定基础沉降速度的快慢程度（即沉降与时间的关系），土的渗透特性还会影响基坑施工降水排水方案的制定。
除了以上特性外，土还具有可松性，即开挖以后的土体回填后，虽经压缩体积仍旧有所增大的性质。
二、土的物理性质指标
描述土的三相物质在体积和质量上比例关系的有关指标称为土的三相比例指标。
三相比例指标反映土的干和湿、疏松和密实、软和硬等物理状态，是评价土的工程性质的最基本的物理指标，是工程地质报告中不可缺少的基本内容。
三相比例指标可分为两种，一种是基本指标，另一种是换算指标。
（一）土的三相图
为了便于说明和计算，用三相组成示意图（见图1-1-3）来表示各部分之间的数量关系。
图1-1-3土的三相图
V—土的总体积Vv—土的孔隙体积
Vs—土粒的体积Vw—水的体积
Va—气体的体积m—土的总质
ms—土粒的质量mw—水的质量
三相图的右侧表示三相组成的体积关系，左侧表示三相组成的质量关系。
（二）基本指标
土的三相比例指标中有三个指标可用土样进行试验测定，称为基本指标。
1.土的密度和重度单位体积内土的质量称为土的密度；单位体积内土的重力称为土的重度。
=m/V（1-1-3）
=g（1-1-4）
式中——土的重度（kN/m3）；
g——为重力加速度，约等于9.807m/s2，在工程计算中常近似取g=10m/s2。
m——土的质量（g）；
V——土的体积（cm3）。
密度的单位为g/cm3或t/m3，重度的单位为kN/m3。
天然状态下土的密度变化范围比较大，一般黏性土=1.8～2.0g/cm3，砂土=1.6～2.0g/cm3。
黏性土的密度一般用“环刀法”测定。
2.土粒相对密度ds土中固体矿物的质量与土粒同体积4oC纯水质量的比值，称为土粒相对密度（无量纲）。
ds=ms/Vsw=s/w（1-1-5）
式中ms——土粒的质量（g）；
Vs——土粒的体积（cm3）；
w——4oC纯水的密度（g/cm3）；
s——土粒的密度（g/cm3）；
ds的变化范围不大，取决于土的矿物成分，常用密度瓶法测定。
黏性土的ds一般为2.72～2.75；粉土一般为2.70～2.71;砂土一般为2.65～2.69。
3.土的含水量w土中水的质量与土粒质量之比（用百分数表示），称为土的含水量。
w=mw/ms×100%（1-1-6）
式中w——土的含水量（%）；
mw——土中水的质量（g）；
ms——土粒的质量（g）。
含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标。
天然土层的含水量变化范围很大，它与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。
当黏性土含水量较小时，其粒间引力较大，在一定的外部压实功能作用下，如不能有效的克服引力使土粒相对移动，这时压实效果就比较差。
当增大土样含水量时，结合水膜逐渐增厚，引力作用减弱，土粒在相同压实功能条件下易于移动而挤密，压实效果较好。
但当土样含水量大到一定程度后，孔隙中出现自由水，自由水填充在孔隙中阻止土粒移动，所以压实效果又趋下降，因而施工时要选择一个“最优含水量”，这就是土的压实机理。
在工程实践中，对垫层的碾压质量的检验，是要求能获得填土的最大干密度dmax，与之相对应的制备含水量为最优含水量。
最大干密度可用室内击实试验确定。
击实试验是用锤击法使土的密度增加，以模拟现场土压实的室内试验。
实际上，击实试验是土样在有侧向限制的击实筒内进行试验，因此不可能发生侧向位移。
施工现场的土料，土块大小不一，含水量和铺填厚度又很难控制均匀。
因此，对现场土的压实，应以压实系数λc（土的控制干密度d与最大干密度dmax之比）与施工含水量（最优含水量w±2%）来进行检验。
图1-1-4现场试验与室内击实试验的比较
1—碾压6遍2—碾压12遍
3—碾压24遍4—室内击实试验
图1-1-4为现场试验与室内击实试验结果的比较，由此决定现场的碾压遍数。
说明用室内击实试验来模拟现场压实是可靠的，但施工参数（如施工机械、虚铺土厚度、碾压遍数与填筑含水量等）必须由现场试验确定。
（三）换算指标
在测出上述三个基本指标之后，可根据图1-1-3所示的三相图，经过换算可求得下列6个指标，称为换算指标。
1.干密度d和干重度d单位体积内土颗粒的质量称为土的干密度；单位体积内土颗粒的重力称为土的干重度。
d=ms/V（1-1-7）
γd=ρdg（1-1-8）
式中d——土的干密度（g/cm3）；
ms——土粒的质量（g）；
γd——土的干重度（N/cm3）；
V——土的体积（cm3）。
在工程上常把干密度作为检测人工填土密实程度的指标，以控制施工质量。
2．土的饱和密度sat和饱和重度sat饱和密度是指土中孔隙完全充满水时，单位体积土的质量；饱和重度是指土中孔隙完全充满水时，单位体积内土的重力。
sat=（ms+Vvρw）/V（1-1-9）
γsat=satg（1-1-10）
式中sat——土的饱和密度（g/cm3）；
γsat——土的饱和重度（N/cm3）；
Vv——土中孔隙的体积（cm3）；
w——4oC纯水的密度（g/cm3）。
3．土的有效密度＇和有效重度＇土的有效密度是指在地下水位以下，单位土体积中土粒的质量扣除土体排开同体积水的质量；土的有效重度是指在地下水位以下，单位土体积中土粒所受的重力扣除水的浮力。
＇=（ms-Vsw）/V（1-1-11）
γ＇=＇g（1-1-12）
式中＇——土的有效密度（g/cm3）；
γ＇——土的有效重度（N/cm3）。
4.土的孔隙比e和孔隙率n孔隙比为土中孔隙体积与土粒体积之比，用小数表示；孔隙率为土中孔隙体积与土的总体积之比，以百分数表示。
e=Vv/Vs（1-1-13）
n=（Vv/V）×100%（1-1-14）
式中e——土的孔隙比；
n——土的孔隙率。
孔隙比是评价土的密实程度的重要物理性质指标。
一般孔隙比小于0.6的土是低压缩性的土，孔隙比大于1.0的是高压缩性的土。
土的孔隙率也可用来表示土的密实程度。
5．土的饱和度Sr土中水的体积与孔隙体积之比，称为土的饱和度，以百分数表示。
Sr=（Vw/Vv）×100%（1-1-15）
式中Sr——土的饱和度。
饱和度用作描述土体中孔隙被水充满的程度。
干土的饱和度Sr=0%，当土处于完全饱和状态时Sr=100%。
根据饱和度，土可划分为稍湿、很湿和饱和三种湿润状态：
Sr≤50% 稍湿
50%＜Sr≤80% 很湿
Sr＞80% 饱和
土的三相比例指标常见数值范围及常用换算公式见表1-1-2。
表1-1-2土的三相比例指标常用换算公式
名称
符号
三相比例表达式
常用换算公式
单位
常见的数值范围
土粒相对密度
ds
ds=ms/Vsw=s/w
ds=Sre/w
—
黏性土：
2.72～2.76
粉土：
2.70～2.71
砂土：
2.65～2.69
含水量
w
w=mw/ms×100%
w=Sre/ds
w=/d–1
—
密度
=m/V
=d（1+w）
=ds（1+w）w/（1+e）
g/cm3
1.6～2.0g/cm3
干密度
d
d=ms/V
d=/（1+w）
d=dsw/（1+e）
g/cm3
1.3～1.8g/cm3
饱和密度
sat
sat=（ms+Vvw）/V
sat=（ds+e）w/（1+e）
g/cm3
1.8～2.3g/cm3
重度
=g
=ds（1+w）w/（1+e）
kN/m3
16～20kN/m3
干重度
d
d=dg
d=dsw/（1+e）
kN/m3
13～18kN/m3
饱和重度
sat
sat=satg
sat=（ds+e）w/（1+e）
kN/m3
18～23kN/m3
有效重度
＇
＇=＇g
＇=（ds-1）w/（1+e）
kN/m3
8～13kN/m3
孔隙比
e
e=Vv/Vs
e=dsw/d-1
e=ds（1+w）w/-1
—
黏性土和粉土：
0.40～1.20
砂土：
0.30～0.90
孔隙率
n
N=（Vv/V）×100%
n=e/（1+e）
n=1-d/dsw
—
黏性土和粉土：
30%～60%
砂土：
25%～45%
饱和度
Sr
Sr=（Vw/Vv）×100%
Sr=wd/nw
Sr=wds/e
—
0～100%
三、土的物理状态指标及地基土（岩）的工程分类
（一）无黏性土的密实度
砂土、碎石土统称为无黏性土。
无黏性土的密实度与其工程性质有着密切的关系，呈密实状态时，强度较高，压缩性较小，可作为良好的天然地基；呈松散状态时，则强度较低，压缩性较大，为不良地基。
判别砂土密实状态的指标通常有下面三种：
1．孔隙比e采用天然孔隙比的大小来判断砂土的密实度，是一种较简便的方法。
一般当e0.6时,属密实的砂土,是良好的天然地基。
当e0.95时，为松散状态，不宜做天然地基。
2.相对密实度Dr当砂土处于最密实状态时，其孔隙比称为最小孔隙比emin；而当砂土处于最疏松状态时的孔隙比则称为最大孔隙比emax；砂土在天然状态下的孔隙比用e表示，相对密实度Dr用下式表示
Dr=（emax-e）/（emax-emin）（1-1-16）
当砂土的天然孔隙比接近于最大孔隙比时，其相对密实度接近于0，则表明砂土处于最疏松的状态；而当砂土的天然孔隙比接近于最小孔隙比时，其相对密实度接近于1，表明砂土处于最密实的状态。
用相对密实度Dr判定砂土密实度的标准如下:
0＜Dr≤0.33松散
0.33＜Dr≤0.67中密
0.67＜Dr≤1密实
3.按动触探确定无黏性土的密实度在实际工程中，天然砂土的密实度，可按原位标准贯入试验的锤击数N进行评定。
天然碎石土的密实度，可按原位重型圆锥动力触探的锤击数N63.5进行评定。
《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）给出了判别标准，见表1-1-3。
表1-1-3砂土和碎石土密实度的评定
密实度
松散
稍密
中密
密实
按标准贯入锤击数N评定砂土密实度
N≤10
10＜N≤15
15＜N≤30
N＞30
按N63.5评定碎石土的密实度
N63.5≤5
5＜N63.5≤10
10＜N63.5≤20
N63.5＞20
（二）黏性土的物理特征
黏性土在干燥时很坚硬，呈固态或半固态；随着土中含水量的增加，黏性土逐渐变软，可以揉搓成任何形状，呈可塑态；当土中的含水量过多时，可形成能流动的泥浆，呈液态，比如大量降雨可能导致泥石流灾害。
说明黏性土的工程特性与土的含水量有很大关系。
1.黏性土的界限含水量由于含水量不同，黏性土分别处于固态、半固态、可塑状态及流动状态。
所谓可塑状态是指当黏性土在某含水量范围内，可用外力塑成任何形状而不发生裂纹，并当外力移去后仍能保持既得的形状，土的这种性能称为土的可塑性。
使土由一种状态转到另一种状态的分界含水量，称为界限含水量。
由半固态转到可塑状态的界限含水量称为塑限wP；由可塑状态转到流动状态的界限含水量称为液限wL（见图1-1-5）。
我国一般用锥式液限仪测定液限，塑限一般用搓条法测定。
液、塑限的测定方法也可用光电式液、塑限仪联合测定。
图1-1-5黏性土的状态与含水量关系示意图
2.黏性土的塑性指数IP和液性指数IL塑性指数是指液限wL和塑限wP的差值，即
IP=wL-wP（1-1-17）
wL和wP用百分数表示，计算所得的IP值也应用百分数表示,但习惯上不带%符号。
塑性指数表示土处在可塑状态的含水量的变化范围，其值的大小取决于土中黏粒的含量，黏粒含量越多，土的塑性指数就越高。
由于IP是描述土的物理状态的重要指标之一，工程上普遍根据其值的大小对黏性土进行分类，具体见表1-1-9
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