土石方工程与地基处理.ppt
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1、给水排水工程施工技术与管理,目 的:调整、充实、完善学生知识结构,提高实践能力。建立设计-施工-管理的整体概念 内 容:土石方与地基处理知识 给排水工程施工技术;施工组织计划;工程项目施工管理;工程招标投标。方 法:了解(工艺、材料和方法,工程施工管理,工程招投标);掌握(施工技术、原理、概念 施工.组织、计划);熟悉(工艺方法的基本理论)。成 绩:2.5学分,考试+平时,第一章 土石方工程与地基处理,第一节 土的工程性质及分类一、土的组成1、组成:宏观颗粒+水+空气 三相体系(图)微观矿物质(石英 长石 云母 盐类 蒙脱石 伊里石高岭石)+有机质+水(结合水,自 由水)+空气 结合水由分子引
2、力吸附于土粒表面的水,无溶解能力.自由水存在于土粒表面电场以外的水,有 溶解能力,传递压力.2、粒组与级配 土的颗粒不同,性质就不同。1)粒组:把大小相近的土粒人为合为一组 称粒组。工程上的六大粒组:块石.碎石.角砾.砂粒、粉粒.粘粒。(见表1-1),土的组成,2)级配:大小颗粒的百分比分布情况称级配。级配由粒径分布曲线表示。(图),3)级配分析方法及级配曲线的绘制 分析方法:粒径 0.075mm以上用筛分法:粒径0.075mm以下用比重法。筛分法:土样风干分散代表性土样入筛振摇分别称出留在各筛及底盘的土重量求出各相对含量点绘连线。某粒组的土粒含量=某粒组的土颗粒质量g i/土样的总质量G(%
3、)4)不均匀系数Ku=d60/d10 d60 限定粒径(纵座标60%对应的横座标 之值)即计算ku时考虑的粒径上限;d10 有效粒径(纵坐标10%对应的横坐标之值)即计算ku时考虑的粒径下限。d60,d10的选定出自土工试验规范,20 10 5 2,0.25,0.5,g 1g 2g i,由图可以看出:Ku越大.级配曲线越平缓,d60 d10的间距越大.粒径分布带越宽,粒径分布越不均匀,级配越好。反之亦然。从理论上讲,Ku可作为工程填土垫层用土的判别依据。Ku5的土作填土。二、土的三相比例指标 三相固体颗粒,水,空气(图)Ms 土粒的质量 Vs土粒的体积 Mw 土中水的质量 Vw土中水的体积 M
4、a 土中气 的质量 Va 土中气 的体积 M 土的质量 V 土的体积 土的 软、硬、松、密、干、湿、轻、重,均可用三相比例关系表示。,图 土的三相比例示意图,1、实测指标(1)土的密度和干密度 密度-天然状态下单位体积土的质量=m/v(t/m3)砂土=1.6-2.0 T/m3 粘土=1.8-2.0 T/m3 干密度-干燥(1050c恒温2小时)土粒的单位体积质量。d=mS/v,一般情况 d=1.3-1.8T/m3 工程中,常以土的干密度来评价土的密度,控制回填土的密实程度。(2)土颗粒的相对密度(比重)dS=mS/vS1/w1 土颗粒比重反映土的矿物成分和有机质含量情况。砂土 dS=2.65-
5、2.69 粉土 dS=2.70-2.71 粘性土 dS=2.72-2.74,(3)土的含水量 在天然状态下,土中水的质量与土颗粒质量之比:w=mw/mS 100%或 w=mw.g/mS.g 100%土的含水量对土的影响:粉土,粘性土 大 细砂,粉砂 小 碎石土 无2、导出指标 重力密度:单位体积土受到的重力:r=.g(KN/m3)湿砂土 r=16-20KN/m3 湿粘土 r=18-20KN/m3 干土 r=13-18KN/m3,土的孔隙比和孔隙率孔隙比 e=V v/VSe 是表示土的密实度的重要指标:e 0.6 密实良好的天然地基;e1.0 松散 不宜作天然地基孔隙率 n=V v/V(100%
6、)e(n)均可表示土的松密程度,e(n)越大,土越松散;n多用于未动土的孔隙分析,e多用于填土压实情况。土的饱和度:Sr=Vw/V v 稍湿 很湿饱和三、无粘性土(砂土,碎石土)的密实度1 特征:由砾石,砂砾沉积而成,单粒结构(右图),颗粒粗,少结合水,无粘接力。,2、性质与密实度紧密相关。尤其是砂土。e0.6 密实砂土 良好天然地基,e 1.0 松散砂土不宜作天然地基3、砂土的密实度判别方法 测孔隙比 e 不能反映土的级配和形状。测相对密度 Dr=(emax-e)/(emax-emin)Dr=1 e=emin 最密实 Dr=0 e=emax 最松疏 1Dr0.67 密实 0.67Dr0.33
7、 松散 引入相对密度概念,可以消除上述影响,但测emax、emin较繁,且在实验室测定的土样很难保证土的原状样式(取样,运输过程已有扰动,e已非原状土的e值),故测Dr理论上可行,实际意义不大。,(3)标准贯入试验 适应现场测试。建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)要求采用标准贯入试验。(N63.5法)方法:63.5kg重锤,自由落距76cm,先把贯入器打入土中15cm,然后根据打入30cm所需锤数N(表1-4)来判断密实度。砂土(四级),N10 松散,10N15 稍密,15N30 中密,30N 密实(4)静力触探触探头压入土中,阻力应变仪测出探头受到的阻力,土越密实,探头所受阻力越大,仪器
8、可把阻力换算成密实度或承载力,(5)静载试验 现场堆载,绘制荷载沉降量曲线,根据已有资料查得密实度。4.碎石土的密实度判别 判别方法 碎石土颗粒较粗,不易取得原状土样,也难于将贯入器击入土中。这类土一般在现场坑探-观察,根据其骨架颗粒含量、排列、可挖性、及可钻性鉴别(看 捻 敲 钻)密实度等级-密实 中密 稍密四、粘性土的物理特性1、特征:颗粒细小(d0.005mm),含矿物成份较多,水对其工程性质影响较大。在天然状态下,粘土的软硬程度取决于含水量多少。,2、界限含水量-液限、塑限和缩限界限含水量-粘性土由一种状态转到另一种状态的的分界含水量(%)液限WL-土由可塑状态转到流动态的界限含水量
9、判别:液限仪测定(详土工试验方法标准(GB123-88),粘土状态与含水量关系,塑限WP土由半固态转到可塑态的界限含水量 判别:槎条法:土工试验方法标准(GBJ23-88)和土工试验操作规程。缩限WS土由固态转到半固态的界限含水量。3、塑性指数、液性指数塑性指数Ip=WL-WPIp值越大,土的可塑范围越宽,表明土的颗粒越细,吸附的水量越多,吸水能力越大。土质不同,塑限液限区间宽度不同,反过来,利用区间大小,可判别土的性质。因Ip大小主要由两个因素决定:a、粘粒(d0.005mm)的含量。土中含粘粒越多,比表面积越大,土的结合水含量越高。b、土的矿物成分 多含氧化物,氢氧化物,有机质的土粒表面带
10、电场,易吸收水分子,如蒙脱石,膨胀土,可以吸收大量的结合水.,研究Ip的意义:由于Ip反映土的粘粒含量和矿物成分。建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)用Ip作为粘性土的分类标准:Ip17 粘土10Ip17 粉质粘土地基基础设计和施工需要分清粘土和粉质粘土液性指数 IL=研究IL的意义:以IL作为判别粘性土软硬状态的指标。根据IL的大小,粘性土分成五种状态:坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑。承载力依次降低。基础设计和地基处理方法的确定都要考虑液性指数.,五、土的工程分类:岩土的种类很多 建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)把土分为五大类:(一)碎石土(碎石土含碎石的土):d2mm的颗粒含量超过总
11、重50%的土(表1-6)(二)砂土 d2mm不超过50%,d0.075mm超过50%按颗粒级配分 砾砂 粗砂 中砂 细砂 粉沙(表1-7)五种(三)粉土 IP10 d0.075mm的颗粒不超过50%,粒径介于砂土与粘土之间。(四)粘性土 IP10 按IP细分 粉质粘土:1017(五)人工填土素填土、杂填土、冲填土(表1-9)强调 1、粗粒径土按级配分类,细粒土按塑性指数分类;2、建筑地基基础设计规范对土的工程分类有明显界限;3、土石方施工中对土的分类不同于工程设计对土的分类:,土石方按土的开挖难易程度分为8类16级。工程定额单价不同。一类土(松软土)能用锹挖掘 放坡系数0.3 砂、冲积砂土,轻
12、亚粘土,种植土二类土(普通土)能用锹镐挖掘 放坡系数0.3 亚粘土、潮湿黄土、碎石砂土三类土(坚土)能用镐挖掘 放坡系数0.2 密实粘土、粗砾石、碎石黄土四类土(沙砾坚土)要用撬、锤方式,不放坡 含风化碎石、卵石、重粘土、密实黄土五类土(软石)撬、锤 不放坡 风化石、灰岩六类土 岩石 爆破 锤 风化花岗岩、片岩、砂岩七类土(坚岩)爆破 锤 大理石、石灰岩八类土(特坚石)爆破 锤 花岗岩、石英岩,六、土的力学性质1、压缩性:土在压力作用下体积减小的特性称为压缩性。土体缩小的三个原因:土中水、气排走 土颗粒被压缩 封闭在土中的水,气被压缩。实践证明:一般情况,土受到的压力常在100-600kpa之
13、间,这时土颗粒及水的压缩变形量不到全部土体压缩变形量的1/400,可忽略不计。所以土压缩变形主要原因是由于空隙减小和排出水的缘故。是土的一个力学属性。,了解土的压缩性的目的 地基变形量控制 地基在荷载作用下会发生变形,建(构)筑物基础随之沉降,建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)对建筑物的地基变形容许值有严格规定.地基变形对管道接头会有影响.。认识地基变形时、量关系 地基的变形过程就是土的压缩变形过程,土的压缩变形快慢与排气排水速度有关,他们取决于土的渗透性和排水气条件。在有好的排水气条件下,砂土随着施工加荷的终结,变形也基本完成:对含水量大的粘土,施工完毕时仅完成总变形量的5%20%。完成
14、最终变形量要5-10年,甚至几十年。在相同压力条件下不同土的压缩变形量差别很大,可通过压缩试验确定。,压缩性指标压缩系数 图(a)为压 缩系数的含义-土样在完全侧限条件下,压力的增量p与孔隙比的变化量e之比。a=e/p=tan=-(e1-e2)/(p1-p2)=(e1-e2)/(p2-p1)图(b)为两个不同土样的压缩曲线,压缩系数的求取方法-压缩试验用金属环刀 切取原状土样,将土样连同环刀一起放入压缩仪内:按P=50,100,200,300,400KPa分组加压至变形稳定:分别测出变形稳定后的“e”,得p-e曲线取p-e曲线中的一段,视为直线,其斜率a 即为压缩系数。它是评价地基压缩性的重要
15、指标,单位是MPa-1。,在工程中,通常以p1=100KPa和p2=200kPa求出的压缩系数a来评价土的压缩性高低。a-0.1MPa-1时,属低压缩性土:0.1Mpa-1a1-20.5Mpa-1时,属中压缩性土:a-0.5Mpa-1时,属高压缩性土。压缩摸量定义:土在完全侧限条件下,竖向附加应力z与相应的竖向应变z的比值:由 z=p2 p1 z=(e1-e2)/(1+e1)代入Es=z./z 得 Es=(1+e1)/a a=(e1-e2)/(p2 p1)压缩模量Es是表示土的压缩性高低的又一个指标。Es与a成反比关系,a越大,Es越小,土的压缩性越高,土越软弱,越易被压缩,越不宜作地基;a越
16、小,Es越大,土的压缩性越低,越不易被压缩,越宜作地基。工程中除了用a 判断土的压缩性外,还用 ES1-2 来判断土的压缩性。,一般情况 ES1-215Mpa 属低压缩性土。z=(e1-e2)/(1+e1)的推导.设土样原始高度为h0断面积为A孔隙比为e1颗粒体积为VS0孔隙体积为Vv。根据孔隙比定义 e=Vv/VS e1=Vv/VS0=(A h0-VS0)/VS0 即 VS0=Ah0/(1+e1)在侧限条件下,向土样施加竖向压力p(p=z=p2 p1)若土的竖向稳定变形量为S(竖向应变z=S/h0)土样高度h1=h0S 土样的孔隙比为e2.则 土的颗粒体积为VS=A(h0-S)/(1+e2)
17、因A不变,且忽略土颗粒体积的变化.有VS0=Vs Ah0/(1+e1)=A(h0-S)/(1+e2),整理(1+e2)/(1+e1)=(h0-S)/h0=1S/h0因此 S/h0=z=1(1+e2)/(1+e1)=(e1 e2)/(1+e1)据 z=p,z=S/h0=(e1 e2)/(1+e1)有 ES=z./z=p/S/h0=p/(e1 e2)/(1+e1)=(1+e1)/e/p=(1+e1)/a 2 抗剪强度 概念-土的抗剪强度=抵抗剪切破坏的极限能力,是土的另一个力学属性。测定方法-直接剪切试验 切取原状土样,放入面积为A的剪切盒内;顶部施加压力N,调节手轮施加水平推力T,计算出不同N,
18、T时的压应力=N/A和剪应力=T/A.当T增加到T 时,土样破坏。此时的剪应力记为抗剪强度 f=T/A,土的剪应力实验装置示意,以不同的N,T进行3-4次试验,得出不同的,f并点绘直角座标纸上,连线得抗剪强度曲线。(下图)库伦定律砂土类土 f=tan 粘土类土 f=tan+c库伦定律说明:土的抗剪强度不是常数,它随压应力大小而变化。砂土的抗剪强度仅由内摩擦力组成;粘土的抗剪强度由粘聚力和内摩擦力两部分组成。土的抗剪强度与土的含水率和孔隙比有关。(如表110“中砂”c、随孔隙比变化),研究土的抗剪强度的目的:确定地基承载力;评价地基稳定性;分析边坡稳定性;挡土墙的设计计算。施工技术人员应有此方面
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