土石方工程与地基处理1土的工程性质及分类

第一章土石方工程与地基处理 一、土石方工程重要性：土石方工程是工程施工中的主要项目之一，土方开挖、填筑、运输等工作所需的劳动量和机械动力消耗均很大，往往是影响施工进度、成本及工程质量的因素。 二、土石方工程施工特点：（1）影响因素多且施工条件复杂土壤是天然物质，种类多且成分较为复杂，性质各异又常遭遇地下水的干扰。组织施工直接受到所在地区的地形、地物、水文、地质以及气候诸多条件的影响极大。施工必须具有针对性。 （2）量大面广且劳动繁重如给排水管道施工属线型工程，长度常达数公里，甚至数十公里，而某些大型污水处理工程，在场地平整和大型基坑开挖中，土石方施工工程量可达数十万到百万立方米。对于量大面广的土石方工程，为了减轻劳动强度，提高劳动生产率，加快工程进度，降低工程成本，应尽可能采用机械化施工来完成。 （3）质量要求高，与相关施工过程紧密配合土石方施工，不仅要求标高和断面准确，也要土体有足够强度和稳定性。常需与相关的施工排水、沟槽支撑和基坑护壁、坚硬岩土的爆破开挖等施工过程密切配合 施工前要作好调查研究，搜集足够的资料，充分了解施工区域地形地物、水文地质和气象资料；掌握土壤的各类和工程性质；明确土石方施工质量要求、工程性质、施工工期等施工条件，并据此作为拟定施工方案、计算土石方工程量、选择土壁边坡和支撑、进行排水或降水设计、选择土方机械、运输工具及施工方法等的依据。 在给水排水管道和构筑物工程中，常会遇到一此软弱土层，当天然地基的承功力不能满足要求时，就需要针对当地地基条件，采用合理、有效和经济的施工方案，对地基进行加固或处理。 三、本章内容：土的工程性质及分类；施工场地平整；沟槽与基坑开挖、支撑设置；土方回填与夯实；地基加固处理；土石方爆破施工。 第一节土的工程性质及分类一、土的组成土是由岩石风化生成的松散沉积物，其组成复杂、作用机理复杂。是由颗粒（固相）、水（液相）和气（气相）所组成的三相体系。 （一）土的固体颗粒1、土的颗粒级配粒组：通常是把大小相近的土粒合并为一组，称为粒组。粒组分类：不同的粒组具有不同的性质，工程上以尺度为参照，采用的粒组为六大粒组，即漂石、卵石、圆砾、砂粒、粉粒及粘粒。 土粒粒组的划分表1-1①砂粒和粉粒的界限粒径，规范GBJ7-89采用0.075mm。粒组名称粒径范围（mm）一般特征漂石或块石颗粒>200透水性大，无粘性，无毛细水卵石或碎石颗粒200~20透水性大，无粘性，无毛细水圆砾或角砾颗粒20~2透水性大，无粘性，毛细水上升高度不超过粒径大小砂粒2~0.05易透水，当混入云母等杂物时透水性减小，而压缩性增加；无粘性遇水不膨胀，干燥时松散；毛细水上升高度不大，随粒径变小而增大粉粒0.05①~0.005透水性小；湿时有粘性，遇水膨胀小，干时稍有收缩；毛细水上升高度较大较快，极易出现冻胀现象粘粒<0.005透水性很小；湿时有粘性，可塑性，遇水膨胀大，干时收缩显著；毛细水上升高度大，且速度较慢 颗粒级配：土中某粒组的土粒含量为该粒组中土粒质量与干土总质量之比，常以百分数表示。而土中各粒组相对含量百分比称为颗粒级配。确定级配方法：用筛分法和比重计法测定。前者适用于粒径大于0.075mm的土，后者适于粒径小于0.075mm的土。 颗粒级配的表示:根据土粒分析试验结果，在半对数座标纸上，以纵座标表示小于某粒径的土粒含量百分比，横座标表示粒径（用对数座标），绘出颗粒级配曲线。 土粒级配曲线的使用：根据土粒级配曲线陡度可判定土的均匀程度。若颗粒级配曲线陡降，说明该土粒的粒径大小相差不悬殊，土粒较均匀，级配不好；若颗粒级配曲线平缓，说明该土粒的粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，级配良好。 不均匀系数Ku：评价土的均匀程度的指标用其表达式为：式中d10——小于某粒径土粒质量累计百分数为10%时对应的粒径，称为有效粒径；d60——小于某粒径土粒质量累计百分数为60%时对应的粒径，称为限定粒径。在工程上Ku<5的土是均匀的，级配不好；当Ku>5时土是不均匀的，但级配良好。 2、土粒的矿物成分土的固体颗粒构成土的骨架，是由矿物所组成的。组成固体颗粒的矿物有原生矿物、次生矿物和有机化合物。 碎石土和砂土颗粒组成：由原生矿物所组成，即由石英、长石和云母等组成，即大颗粒变为小颗粒的简单机械破碎。 粉粒的矿物成分:石英和难溶的盐类CaCO3、MgCO3等颗粒。粘粒的矿物成分:粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各种难溶盐类。粘土矿物由于晶片结合情况不同，有蒙脱石、伊里石和高岭石三类。 高岭石的晶格结构较为稳定，亲水性小，故其膨胀性和可塑性较小，对于其它物质的吸附能力也不大。蒙脱石与高岭石比较起来，具有截然不同的性质。蒙脱石的晶格结构不稳定，水容易渗入，亲水性就大，它与水结合的能力远高于高岭石当它与水作用时，具有极大的膨胀性、可塑性。我国湖北、安徽和西南地区有一种膨胀土，它不仅具有浸水后能严重膨胀，而且具有水分蒸发后又会严惩收缩的性质，这是因为这种土含有大量蒙脱石所致。 伊里石的性质介于高岭石与蒙脱石之间，但比较接近于蒙脱石。粘粒组除上述矿物外，还有腐殖质等胶态物质它的颗粒很微小，能吸附大量水分子。 （二）土中水和气体1、土中水土中水可以处于液态、固态和气态。当土中温度在0℃以下时，土中水冻结成冰，形成冻土，其强度增大。但冻土融化后，强度急剧降低,土中气态水，对土的性质影响不大. 土中液态水可分为结合水和自由水：（1）结合水结合水是指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。由于粘粒表面一般带有负电荷，使土粒周围形成电场，在电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子一起被吸附在土粒表面。 结合水分为强结合水和弱结合水。强结合水：紧靠土粒表面的结合水。它没有溶解能力，不能传递静水压力，只有在105℃温度时才蒸发。这种水性质接近固体,具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。 弱结合水:存在于强结合水外围的一层结合水。它仍不能传递静水压力，但水膜较厚的弱结合水能向邻近较薄水膜缓慢转移。粘性土中含有较多的弱结合水时，土具有一定的可塑性。 （2）自由水自由水是存在于土粒表面电场范围以外的水。它的性质与普通水一样，服从重力定律，能传递静水压力，冰点为0℃，有溶解能力。自由水分为:重力水和毛细水。 重力水：指受重力作用而移动的自由水。它存在于地下水位以下的透水层中。毛细水：毛细水受到它与空气交界面处表面张力的作用，它存在于潜水位以上的透水土层中。 2、土中气体土中气体有与大气相连通的和封闭的。在粗粒土中常见到与大气相联通的空气，它对土的力学性质影响不大。在细粒土中则常存在与大气隔绝的封闭气泡，它在外力作用下具有弹性，并使土的透水性减小。 二、土的三相比例指标土中的土粒、水和气三部分的质量（或重力）与体积之间的比例关系，随着各种条件的改变而变化，土的疏密、轻重、软硬、干湿等性质，可通过某些表示其三相组成比例关系的指标反映出来。 用指标、图表示土的三相组成，见下图。 指标含义：ms—土粒的质量；mw—土中水的质量；ma—土中气的质量（ma≈0）；m—土的质量：m=ms+mwVs—土粒的体积；Vw—土中水的体积；Va—土中气的体积；V—土的体积：V=Vs+Vw+Va土粒的重力：Gs=msg土中水的重力：Gw=mwg土的重力：G=mg 1、土的密度ρ通常砂土，ρ=1.6～2.0t/m3；粘性土和粉土，ρ＝1.8～2.0t/m3。 2、土的重力密度γ单位体积土所受的重力称为土的重力密度，简称土的重度，并以γ表示砂土γ=16～20KN/m3，粘性土和粉土，γ=18～20KN/m3。 3、土粒相对密度（比重）ds 土粒比重参考值土的类别砂土粉土粘性土粉质粘土粘土土粒比重2.65～2.692.70～2.712.72～2.732.73～2.74 4、土的含水量ω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，并以ω表示：含水量的数值和土中水的重力与土粒重力之比（用百分数表示）相同，即： 5、土的干密度ρd单位体积土中土粒的质量称为土的干密度，并以ρd表示：土的干密度值一般为1.3～1.8t/m3。 6、土的干重度γd土的单位体积内土粒所受的重力称为土的干重度，并以γd表示： 7、土的饱和重度γsat土中孔隙完全被水充满时土的重度称为饱和重度，并以γsat表示： 8、土的有效重度γ′地下水位以下的土受到水的浮力作用，扣除水的浮力的单位体积上所受的重力称为土的有效重度，并以γ′表示： 9、土的孔隙比土中孔隙体积与土粒体积之比称为土的孔隙比，并以e表示：e<0.6的土是密实的，土的压缩性小；e>1.0的土是疏松的，压缩性高。 10、土的孔隙率n土中孔隙体积与总体积之比（用百分数表示）称为土的孔隙率，并以n表示： 11、土的饱和度Sr土中水的何种与体积之比（用百分数表示）称为土的饱和度，并以Sr表示：根据饱和度Sr的数值可把细砂、粉砂等土分为稍湿、很湿和饱和三种湿度状态，见表。 三、无粘性土的密实度无粘性土定义：砂土、碎石土统称为无粘性土，它的密实度对其工程性质有重要的影响。 判别砂土的密实度的方法：1、采用天然孔隙比的大小来判别砂土的密实度，是一种较简捷的方法。但不足之处是不能反映砂土的级配和形状的影响。 2、用砂土相对密度Dr作为砂土密实度分类指标。相对密度Dr为：式中：emax——砂土最松散状态时的孔隙比；emin——砂土最密实状态时的孔隙比；e——砂土的天然孔隙比。若砂土天然孔隙比接近最小孔隙比emin时相对密度Dr较大，砂土处于较密实状态；若e接近emax，Dr较小，砂土处于疏松状态。 3、判定界限：根据Dr值可将砂土密实度划分为下列几种：1≥Dr>0.67密实的0.67≥Dr>0.33中密的0.33≥Dr>0松散的 用相对密度表示砂土密实度，要在现场采取原状砂样以求得土的天然孔隙比，而取原状砂样常较困难。故规范推荐用现场标准贯入试验锤击数N确定砂土密实度，标准如表。砂土的密实度密实度松散稍密中密密实标准贯入试验锤击数NN≤10101.0