土石方工程与地基处理2土的工程性质及分类

第一章土石方工程与地基处理 五、土的工程分类在建筑工程中，常把土作为建筑物地基，因此需要对土进行分类。我国《建筑地基基础规范》（JGJ79-91）规定：粗粒土按颗粒级配分类，细粒土按塑性指数分类。 1、碎石土是粒径大于2mm的颗粒超过总重50%的土。碎石土根据颗粒级配及形状分为漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾，其分类标准如表所示。 碎石土的分类表土的名称颗粒形状粒组含量漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒超过全重的50%卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于20mm的颗粒超过全重的50%圆砾角砾圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于2mm的颗粒超过全重的50% 2、砂土砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。砂土按颗粒级配分为砾砂、粗砂、中砂和粉砂。其分类标准见表1-7。 砂土分类表1-7土的名称颗粒级配砾砂粒径大于2mm的颗粒占全重25%～50%粗砂粒径大于0.5mm的颗粒占全重50%中砂粒径大于0.25mm的颗粒占全重50%细砂粒径大于0.075mm的颗粒占全重85%粉砂粒径大于0.075mm的颗粒占全重50% 3、粉土粉土是指塑性指数Ip小于或等于10，而粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%的土。粉土含有较多粒径为0.05～0.0005mm的粉粒，其工程性质介乎粘性土和砂土之间。 4、粘性土粘性土是指塑性指数Ip大于10的土。这种土含有大量的粘粒（<0.005mm颗粒）。其工程性质不仅与粒度成分和粘土矿物的亲水性等有关，而且与成因类型及沉积环境等因素有关。粘性土按塑性指数Ip分为粉质粘土和粘土，其分类标准见表1-8。粘性土按塑性指数分类表1-8土的名称粉质粘土粘土塑性指数10-17>17 5、人工填土由于人类活动而形成的堆积物，分为素填土、杂填土、冲填土。土的名称组成物质素填土由碎石土、砂土、粉土、粘性土等组成的填土杂填土含有建筑垃圾，工业废料、生活垃圾等杂物的填土冲填土由水力冲填泥砂形成的填土 六、土的压实性压实是指用机械的方法，如静力的、振动的、冲击的设备使土密实的，压实可以认为是由于排除空气使土的孔隙减少。（每增加1个大气压，水的密度增加二万分之一）。 最优含水量：在一定的压实能量下使土最容易密实，并能达到最大密实度时的含水量，称为最优含水量，用wop表示。相对应的干密度称最大干密度，以ρmax表示。绘制干密度ρd和含水量w的关系曲线，称为击实曲线。 对同一种土，若改变击实能量，则曲线的基本形态不变，如图1-6所示，但位置却发生移动，随着击实能量的增大，曲线向斜上方移动，也即加大击实能量，最大干密度增大，最优含水量却减小。 当无击实试验资料时，最大干密度可按下式计算： 式中ρdmax——压实填土最大干密度；η——经验系数，粘土取0.95，粉质粘土取0.96，粉土取0.97；ρw——水的密度；ds——土粒相对密度；wop——最优含水量（%），可按当地经验或取wp+2，粉土取14～18。当压实填土为碎石或卵石时，基最大干密度可取2.0～2.2t/m3。 压实系数λc：施工时所控制的土的干密度ρd与最大干密度ρdmax之比称为压实系数λc。压实系数：0.94～0.96以上。 七、土的力学性质（一）土的压缩性地基土在压力作用下体积减少的性质，称为土的压缩性。土的压缩性，从土的组成来说，不外乎是孔隙中水和气体体积的减小和固体颗粒的变形。研究表明：在压力变化不大的情况（一般在1００～６００kPa之间），颗粒和水的压缩量与土的总压缩量之比是很微小的，可以忽略不计。所以可以说，土体的压缩是由于其中孔隙体积的减小。 １、压缩试验和压缩曲线室内压缩试验，用侧限压缩仪来进行。 通过压缩试验，可以得到表示土的孔隙比e与压力p关系的压缩曲线。 e-p曲线在压力p1、p2变化不大的情况下，其对应的曲线段，可近似看作直线，这段直线的斜率tanx，称为土的压缩系数a。单位是ＭＰａ-1，式中的负号表示孔隙比随压力的增大而减小。 压缩系数：是评价地基土压缩性高低的重要指标之一。从曲线上看它不是一个常量，而与所取的p1、p2大小有关。在工程实践中，通常以p1=100kPa和p2=200kPa求出的压缩系数a1-2来评价土的压缩性高低。当a1-2<0.1Mpa-1时，属低压缩性土；0.1MPa-1≤a1-2<0.5Mpa-1时，属中压缩性土；a1-2≥0.5Mpa-1时，属高压缩性土。 2、压缩模量Es通过压缩曲线，还可求得土的另一压缩性指标——压缩模量Es。它的定义是：土在完全侧限条件下，竖向附加应力σz与相应竖向应变εz的比值。即：因∴ 除应用压缩系灵敏a判断土的压缩性外，实用上亦应用压缩模量Es判断土的压缩性，Es值越小，压缩性越高。为便于应用，工程上用压力100kPa至200kPa间的压缩模量区分土的压缩性：高压缩性土中压缩性土低压缩性土 （二）土的抗剪强度土的抗剪强度是指土抵抗剪切破坏的能力。1、直接剪切试验 利用直接剪切仪确定土的抗剪强度，如图1-9所示，土样放在面积为A的剪力盒内，受垂直压力N和水平力T的作用，此时在土样内产生法向应力σ：而在剪切面上产生剪应力τ： τ随T的增大而增大。但T在一定限值内并不会导致土样剪切破坏，这是因为在剪切面上产生的剪应力小于土的抗剪强度时，土样就不会被剪坏。当T增加到Tˊ时，土样破坏。土样开始破坏时，剪切面上的剪应力称为土的抗剪强度τf。Tˊ随N的增大而增大。 以不同的N和Tˊ进行3～4次试验，得出不同的σ、τf值，在直角坐标纸上将各个σ、τf点连接成一直线，该线称土的抗剪强度曲线。见图1-10、1-11。 2、库伦定律上述直线方程式如下：砂土类土粘土类土上述公式统称为抗剪强度的库伦定律。其中∮为直线与水平轴的夹角，c为直线在纵轴上的截距。在一定试验条件下得出的∮、c值，一般能反映土的抗剪强度的大小，故∮与c称为土的抗剪强度指标。 从库伦定律可以看出两点，（1）土的抗剪强度与金属等材料一般所指的抗剪强度不同，它不是定值，而是随着剪切面上的正应力大小而变化。（2）砂土的抗剪强度仅由内摩擦力组成，而粘性土的抗剪强度包括内摩擦力和粘聚办两个组成部分。 内摩擦力σtan∮来源于两方面：一是剪切面上颗粒与颗粒粗糙面产生的滑动摩擦阻力，二是由于颗粒之间的嵌入和联锁作用而产生的咬合力。粘聚力c是由于土粒之间的胶结作用、结合水膜以及水分子引力等作用而形成的，土颗粒越细，塑性愈大，其粘聚力也愈大。从理论上确定地基承载力，评价地基稳定性，分析边坡稳定性以及计算挡土墙的土压力，都需要研究土的抗剪强度。 p17表1-12所列为砂土和粘性土的内摩擦角∮和粘聚力c的参考值。 第二节　场地平整施工一、组织场地平整施工包括：1、计算场区挖填土方工程量；2、确定挖填土方的调配；3、选择施工机械及拟定施工方案等。 二、场地平整的考虑因素：1、建设工程的规模和性质；2、场区设计的标高；3、现场地形地貌；4、施工期限和技术力量等条件。给排水工程的场地标高是场区竖向规划设计的内容，通常由设计文件规定。确定标高，应在满足建筑规划和生产工艺的要求下，也要尽量考虑填挖平衡，使总的土方量最小。 三、场地平整的施工顺序：按照工程建设的分期分批布署，结合基坑、沟槽开挖的要求加以选择。一般可有三种情况：（1）先进行整个场地平整，而后开挖构筑物及地下管线基坑和管沟等。这种方案，可为土方机械施工提供较大的工作面，能充分发挥其工作效率，但工期较长。一般多适用于场区高低不平，填挖土方最较大的施工现场。 （2）先开挖建筑物、构筑物等的基坑（槽），后进行场地平整。这种方案多适用于地形平坦的施工现场，可以加快土建工程的施工进度及减少重复填挖土方数量。（3）划分施工区（段），平整与开挖结合。这种方案是根据工程特点和现场具体条件将场地划分若干施工区，分别进行平整和开挖基坑（槽）。对于管道（沟），则划分若干施工段，组织倒段施工挖填综合平衡。 四、场地平整施工前的准备工作：（1）清理场地在施工区域内，将原有地上地下房屋、构筑物、管线、河渠等进行拆除、疏通或改建，对耕植土及淤泥等进行清理。（2）排除地面积水在排除地面积水的同时，尽量利用自然地形设置排水沟，防止水积存，使场地保持干燥，以利土方施工。（3）修筑临时道路以供机械进场和土方运输等。（三通） 五、场地土方量计算场地平整土方量的计算，是为了制订施工方案，对填挖方进行合理调配，同时也是检查及验收实际土方数量的依据。土方量的计算方法，通常有方格网法和断面法。 （一）方格网法方格网法是根据地形图（一般用1/500）将整个场地划分成若干方格网，方格常采用20m×20m或40m×40m，将设计标高和自然地面标高分别标注在方格、角点上。设计标高与自然地面标高的差值，即为角点填挖施工高度，然后计算每个方格的土方量，并算出场地边坡土方量，即可得出整个场地挖、填土方总量。 这种方法适用于场地平缓或台阶宽度较大的场地采用。计算时可使用专门的土方工程量计算表。在大规模场地土方量计算时，则需应用电子计算机进行计算。 划分的方格网中，一般可有三种类型，应分别进行计算。1、方格四个角点全部为填或挖时（图1-12） 其土方量计算式为：式中V——挖或填方体积（m3）；a——方格边长（m）；h1、h2、h3、h4——方格角点填挖高度（m） 2、方格的相邻两角点为挖方，另两角点为填方 其挖方部分的土方量为：填方部分的土方量为： 3、方格的三个角点为挖（填）方，另一角点为填（挖）方。其填方部分的土方量为：挖方部分的土方量为： （二）断面法沿场地取若干个相互平行的断面（可利用地形图或实测定出），将所取的每个断面（包括边坡断面）划分为若干三角形和梯形，如图所示 面积为：……而某一断面面积为：若d1=d2=……=dn=d，则