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第三章 土的工程分类和特殊土的工程地质特征

本章学习要点:
学习最具代表性的几种工程分类方法, 特别是土的工程地质分类, 《建筑地基基础设计规范》分类法。掌损碎石土、 砂土、 粉土、 粘性土的分类标志。本节是本章重点内容之一, 应掌握各类土的分类方法, 会根据土的物性指标, 确定土的名称。
学习掌握特殊土的工程地质特性, 特别是淤泥类土、 膨胀土、 红粘土、 湿陷性黄土和人工填土等工程地质性质。

第一节 土的工程地质分类
一、 概述
土的工程地质分类, 按其具体内容和适用范围, 能够概括的分为三种基本类型
一般性分类: 比较全面的综合性分类;
局部性分类: 仅根据一个或较少的几个专门指标, 或仅对部分土进行分类;
专门型分类: 根据某些工程部门的具体需要而进行的分类。
土的工程地质分类的一般原则和形式:
在充分认识土的不同特殊性的基础上归纳其共性, 将客观存在的各种土划分为若干不同的类或组。
常将成因和形成年代作为最粗略的第一级分类标准, 即所谓地质成因分类。
将反映土的成分( 粒度成分和矿物成分) 和与水相互作用的关系特征作为第二级分类标准, 即所谓的土质分类。
为了进一步研究土的结构及其所处状态和土的指标变化特征, 更好的提供工程设计施工所需要的资料, 必须进一步进行第三级分类, 即工程建筑分类。
上述三种土的工程地质分类中, 土质分类是土分类的最基本形式, 有两种分类原则: 一是按土的粒度成分; 二是按土的塑性特性。
国内外的土质分类方案很多, 归纳起来有三种不同体系, 一是按粒度成分, 一种是按塑性指标, 一种是综合考虑粒度和塑性的影响。
二、 土的分类
( 一) 按地质成因分类:
土按地质成因可分为: 残积、 坡积、 洪积、 冲积、 冰积、 风积等类型。
( 二) 按颗粒级配和塑性指数分类
土按颗粒级配和塑性指数可分为碎石土、 砂土、 粉土和粘性土。
1．土按颗粒大小分类

粒组名称
分界颗粒( mm)
组
亚组
漂石或块石

大
800
中
400
小
200
卵石或碎石
极大
100
大
60
中
40
小
20
圆砾或角砾
粗
10
中
5
细
2
砂粒
粗
0.5
中
0.25
细
0.10
极细
0.05
粉粒
粗
0.1
细
0.05
粘粒
粗
0.002
细

2、 碎石土的分类
碎石土的分类
土的名称
颗粒形状
颗粒级配
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50％

3．砂土的分类
土的名称
颗粒级配
砾砂
粒径大于2mm的颗粒含量占全重25～50％
粗砂
粒径大于0.5mm的颗粒含量超过全重50％
中砂
粒径大于0.25mm的颗粒含量超过全重50％
细砂
粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重85％
粉砂
粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50％

4、 粉土的分类
土的名称
颗粒级配
砂质粉土
粒径小于0.005mm的颗粒含量不超过全重10%
粘质粉土
粒径小于0.005mm的颗粒含量超过全重10%
5、 粘性土的分类
( 1) 根据堆积时代分
1) 老堆积土: 第四纪晚更新世及其以前堆积的粘性土, 一般具有较高的强度和较低的压缩性。
2) 一般堆积土: 第四纪全新世堆积的粘性土
3) 新近堆积土: 全新世以后

( 2) 根据塑性指数Ip分
土的名称
塑性指数
粉质粘土
10＜Ip≤17
粘土
Ip＞17
( 3) 按工程特性分
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称特殊性土, 根据工程特性分为: 湿陷性土
红粘土
软土( 包括淤泥和淤泥质土)
多年冰土
膨胀土
盐滞土
混合土
填土
污染土
( 4) 根据有机质含量分类

分类名称
有机物含量(Q)
无机土
Q＜5%
有机质土
5%≤Q≤10%
泥炭质土
10％＜Q≤60％
泥炭
Q＞60％

第二节 特殊土的工程地质特性
特殊土: 是指某些具有特殊物质成分和结构, 而工程地质性质也较特殊的土。
特殊土的种类甚多, 常见的有淤泥类土、 膨胀土、 红粘土、 黄土类土、 人工填土等。
一、 淤泥类土
( 一) 形成条件和成分结构特点
淤泥类土是指在水流缓慢、 不通畅、 缺氧和饱水条件下的环境中沉积, 有微生物参与作用的条件下, 含较多的有机质, 疏松软弱的粉质粘性土。
物质组成和结构特点:
1．粒度上主要是粉质粘土和粉质砂土
2．含大量粘土矿物和部分石英、 长石、 云母; 有机质含量较多( 5％～15％) 。
3．呈灰、 灰蓝、 灰绿和灰黑等暗淡的颜色, 污染手指并有臭味。
4．结构、 常为蜂窝状、 疏松多孔, 定向排列明显、 层理较发育, 常具薄层状构造。
中国淤泥类土基本上能够分为两大类: 一类是沿海沉积淤泥类土; 一类是内陆和山区湖盆地及山前谷地沉积地淤泥类土。
沿海沉积的淤泥类土, 分布较稳定, 厚度较大, 土质较疏松软弱; 大致可分为四个类型:
1．泻湖相沉积
2．溺湖相沉积
3．滨海相沉积
4．三角洲相沉积
分布在内陆平原区地淤泥类土主要有: ( 1) 湖泊( 2) 河漫滩( 3) 牛轭湖
( 二) 工程地质性质的基本特点
1、 高孔隙比、 饱水、 天然含水率大于液限
孔隙比常见值为1.0～2.0; 液限一般为40％～60％, 饱和度一般>90％, 天然含水率多为50～70％。
未扰动时, 处于软塑状态, 一经扰动, 结构破坏, 处于流动状态。
2、 透水性极弱: 一般垂直方向地渗透系数较水平方向小些。
3、 高压缩性: a1~2一般为0.7～1.5Mpa－1, 且随天然含水率的增大而增大。
4、 抗剪强度很低, 且与加荷速度和排水固结条件有关
不排水: 三轴快剪, ; 直剪, º～5º, c＝0.02Mpa;
在排水条件下, 抗剪强度随固结程度提高而增大, 固结快剪的10º～15º, c＝0.02Mpa。
5、 较显著的触变性和蠕变性

二、 膨胀土
在工程建设中, 经常会遇到一种具有特殊变形性质的粘性土, 它的体积随含水量地增加而膨胀, 随含水量减少而收缩, 而且这种作用循环可逆, 具有这种膨胀和收缩性的土, 即称为膨胀土。
( 一) 分布和成因
膨胀土一般分布在盆地内岗, 山前丘陵地带和二、 三级阶地上。大多数是上更新世及以前的残坡积、 冲积、 洪积物, 也有晚第三纪至第四纪的湖泊沉积及其风化层。
( 二) 成分和结构特征
( 1) 从岩性上看, 以粘土为主, 具有黄、 红、 灰、 白等色, 土中含有较多的粘土, 粘土占总数的98%, 粘土矿物多为蒙脱石、 伊利石和高岭石。蒙脱石含量越多, 膨胀性越强烈。
( 2) 结构致密, 呈坚硬～硬塑状态, 强度较高, 内聚力较大。
( 3) 裂隙发育, 竖向、 斜交和水平三种均有, 可见光滑镜面和擦痕。
( 4) 富含铁、 锰结核和钙质结核。
( 5) 化学成分为SiO2(45%~66%)、 Al2O3(13%~31%)、 Fe2O3(3~15%)、 硅铝率K＝3～5。
( 三) 一般工程地质特征
膨胀土的液限、 塑限和塑性指数都较大: 液限为40％～68％, 塑限为17%～35％, 塑性指数为18～33。
膨胀土的饱和度一般较大, 常在80％以上, 天然含水率较小, 17％～30％。
( 四) 膨胀土的判别和胀缩性分级
1、 膨胀土的判别
凡是具有前面所述的特征, 且自由膨胀率Fs大于40％者, 应判定为膨胀土。
”自由膨胀率Fs”: 系指人工制备的烘干土, 在水中增加的体积与原体积的比, 以百分率表示。
2、 土的胀缩性分级
膨胀土的胀缩性, 根据胀缩总率划分为强、 中等和弱三级: >4, 胀缩性强
2～4, 中等
0.7～2, 弱
胀缩总率以表示, 并按下式计算:

式中: : 在压力0.5MPa时的膨胀率, ％
: 土的收缩系数
: 土的天然含水量
: 土在收缩过程中含水率的下限值, ％
如式中为负值时, 按负值考虑, 如大于8％时按8％考虑, 小于0时按0考虑。
式中收缩系数可经过收缩试验测得, 它是土的收缩曲线的直线部分的斜率, 即:
式中: 与相应的收缩率之差
: 反映了地基土的收缩变形受大气降雨和蒸发的综合影响, 可按下式计算: 式中: 是条件系数; 为土的塑限。

三、 红粘土
红粘土是指碳酸盐类岩石( 石灰岩, 白云岩, 泥质泥岩等) , 在亚热带温湿气候条件下, 经风化而成的残积、 坡积或残～坡积的褐红色、 棕红色或黄褐色的高塑性粘土。
( 一) 成因和分布
成因类型: 残积、 坡积、 和残～坡积
上部为坡积, 下部为残积的情况居多。
主要分布在云南、 贵州、 广西、 安徽、 四川东部等。
( 二) 成分和结构特征
红粘土的粘粒组分( 粒径<0.005mm) 含量高, 一般可达55～70％, 粒度较均匀, 高分散性。
粘土颗粒主要是多以高岭石和伊利石类粘土矿物为主。
主要化学成分为: SiO2(33.5~68.9%)、 Al2O3(9.6~12.7%)、 Fe2O3(13.4~36.4%)、 硅铝率一般均小于2。
常呈蜂窝状结构, 常有很多裂隙( 网状裂隙) 、 结核和土洞。
( 三) 工程地质性质的基本特点
1、 高塑性和分散性
液限一般为50~80%, 塑限为30～60％, 塑性指数一般为20～50%。
2、 高含水率、 低密度
天然含水率一般为30％～60％, 饱和度>85％, 密实度低, 大孔隙明显, 孔隙比>1.0; 液性指数一般都小于0.4; 坚硬和硬塑状态。
3、 强度较高, 压缩性较低
固结快剪值8º～18º, c值可达0.04～0.09MPa, 多属中压缩性土或低压缩性土, 压缩模量5～15MPa。
4、 不具湿陷性, 但收缩性明显, 失水后强烈收缩, 原状土体缩率可达25％。
红粘土具有这些特殊性质, 是与其生成环境及其相应的组成物质有关。
( 1) 沿深度上, 随着深度的加大, 红粘土的天然含水率、 孔隙比、 压缩系数都有较大的增高, 状态由坚硬、 硬塑可变为可塑、 软塑, 而强度则大幅度降低。
( 2) 在水平方向上, 由于地形地貌和下伏基岩起伏变化, 性质变化也很大, 地势较高的, 由于排水条件好, 天然含水率和压缩性较低, 强度较高, 而地势较低的则相反。

四、 湿陷性黄土
黄土在一定压力作用下受水浸湿, 土结构迅速破坏而发生显著附加下沉, 导致建筑物破坏, 具有特性的黄土, 称湿陷性黄土。
1、 分布与特征
作为湿陷性土的典型代表——黄土, 在全世界的分布比较广泛的, 据某些学者估计, 黄土的覆盖面积在整个欧洲约占10％, 亚洲约占30％; 以前苏联的黄土分布最广, 约占其国土面积的15％; 中国黄土分布面积达60万平方公里, 其中有湿陷性的约为43万平方公里。主要分布在黄河中游的甘肃、 陕西、 晋、 宁、 河南、 青海等省区。地理位置属于干旱与半干旱气候地带。其物质主要来源于沙漠与戈壁。
中国湿陷性黄土的固有特征有:
1) 黄色、 褐黄色、 灰黄色;
2) 粒度成分以粉土颗粒( 0.05～0.005mm) 为主, 约占60％;
3) 孔隙比e一般在1.0左右, 或更大;
4) 含有较多的可溶性盐类, 例如: 重碳酸盐、 硫酸盐、 氯化物;
5) 具垂直节理;
6) 一般具肉眼可见的大孔。
其工程特征:
1) 塑性较弱;
2) 含水较少;
3) 压实程度很差, 孔隙较大;
4) 抗水性弱, 遇水强烈崩解, 膨胀量较小, 但失水收缩量较明显;
5) 透水性较强;
6) 强度较高, 因为压缩中等, 抗剪强度较高。
2、 成因
中国黄土的粒度成分具有自西北向东南逐渐变细的规律, 并可大致分三个弧形带。
从物质的主导来源而言, 应认为绝大部分黄土是风成的。
3、 地质年代
黄土在整个第四纪的各个世中均有堆积, 而各世中黄土由于堆积年代长短不一, 上覆土层厚度不一, 其工程性质不一。
一般湿陷性黄土( 全新世早期～晚更新期) 与新近堆积黄土( 全新世近期) 具有湿陷性。
而比上两者堆积时代更老的黄土, 一般不具湿陷性。
4、 湿陷性评价
在黄土地区勘察中, 湿陷性评价正确与否直接影响设计措施的采取。
黄土的湿陷性计算与评价, 按一般的工作次序, 其内容主要有: ( 1) 判别湿陷性与非湿陷性黄土; ( 2) 判别自重与非自重湿陷性黄土; ( 3) 判别湿陷性黄土场地的湿陷类型; ( 4) 判别湿陷等级; ( 5) 确定湿陷起始压力等。
( 1) 湿陷性与非湿陷性黄土的判别
黄土的湿陷性试验是在室内的固结仪内进行的, 其方法是: 分级加荷至规定压力, 当下沉稳定后, 使土样浸水直至湿陷稳定为止, 其湿陷系数的计算式是:

式中: : 原状土样的原始高度, cm
: 原状土样在规定压力下, 下沉稳定后的高度, cm
: 上述加压稳定后的土样, 在浸水作用下, 下沉稳定后的高度, cm
利用的值, 可判定黄土是否有湿陷性
当<0.015时, 为非湿陷性黄土
≥0.015时, 为湿陷性黄土, 且该值越大, 湿陷性越强烈。
工程实际中还规定(一般压力为200kPa作用下): 为0.015～0.03时, 湿陷性轻微, 为0.03～0.07时, 湿陷性中等; >0.07时, 湿陷性强烈
( 2) 自重与非自重湿陷性黄土的判别
自重湿陷性: 当某一深处的黄土层被水浸湿后, 仅在其上覆土层的饱和自重压力( 饱和度%＝85) 下产生湿陷变形的, 称自重湿陷性。
非自重湿陷性黄土: 当某一深度处的黄土层浸水后, 除上覆土的饱和自重外, 尚需要一定的附加荷载( 压力) 才发生湿陷的, 称非自重湿陷性。
测定方法: 也是在室内固结仪上进行, 即分级加荷至上覆土层的饱和自重压力, 当下沉稳定后, 使土样浸水湿陷达稳定为止。
自重湿陷系数的计算公式:

式中: : 土样的原始高度, cm
: 原始土样加压至土的饱和自重压力时, 下沉稳定后的高度, cm;
: 上述加压稳定后的土样, 在浸水作用下, 下沉稳定后的高度, cm
当<0.015时, 定为非自重湿陷性黄土。
≥0.015时, 为自重湿陷性黄土。
黄土的湿陷性一般是自地表以下逐渐减弱, 埋深七、 八米以上的黄土湿陷性较强。不同地区, 不同时代的黄土是不同的, 这与土的成因, 固结成岩作用、 所处的环境等条件有关。
( 3) 湿陷性黄土场地的湿陷类型的划分
在黄土地区地基勘察中, 应按照实测自重湿陷量或计算自重湿陷量制定建筑物场地的湿陷类型。实测自重湿陷量应根据现场试坑浸水试验确定。
计算自重湿陷量按下列公式计算:
式中: : 第i层土在上覆土的饱和( %＝85) 自重应力作用下的湿陷系数
: 第i层土的厚度, cm
n: 总计算厚度内湿陷土层的数目。总计算厚度应从天然地面算起( 当挖、 填方厚度及面积较大时, 自设计地面算起) 至其下全部湿陷性黄土层的底面为止, 但其中<0.015土层不计。
: 修正系数, 对陕西地区取1.5; 陇东地区取1.2, 关中地区取0.7, 其它地区取0.5。
实际工程中当≤7cm, 定为非自重湿陷性黄土场地; ＞7cm, 定为自重湿陷性黄土长度

( 4) 黄土地基的湿陷等级
湿陷等级应根据基底下各土层累积的总湿陷量和计算自重湿陷量的大小等因素按下表判定。
总湿陷量计算公式:

式中: ——第i层土的湿陷系数
——第i层土的厚度, cm。计算时, 土层厚度自基础底面( 初勘时从地面下1.5米) 算起; 对非自重湿陷性黄土地基, 累计算至其下5m深度或沉降计算深度为止; 对自重湿陷性黄土, 应根据建筑物类别和地区建筑经验决定, 其中非湿陷性土层不累计。
湿陷性黄土地基的湿陷等级
湿陷类型计算
自重湿 陷量, cm
总湿陷量cm
非自重湿陷性场地
自重湿陷性场地
≤7
7＜≤35
＞35
≤30
I( 轻微)
II( 中等)
——
30＜≤60
II( 中等)
II或III
III( 严重)
＞60
——
III( 严重)
IV( 很严重)

( 5) 湿陷起始压力
黄土的湿陷量是压力的函数。事实上存在着一个压力界限值, 压力低于这个数值, 黄土即使浸了水也只产生压缩变形, 而不会出现湿陷现象, 这个界限值称为湿陷起始压力( KPa) 。
湿陷起始压力是一个有一定实用价值的指标。例: 在设计非自重湿陷性黄土地基上荷载不大的基础和土垫层时, 能够有意识地选择适当地基础底面尺寸及埋深, 或土垫层厚度, 使基底压力或垫层底面的总压力( 自重应力与附加应力之和) 不超过基底下土的。以避免湿陷的可能性。
湿陷起始压力可用室内压缩试验或野外载荷试验确定。即: 单线法和双线法。
按压缩试验, 其方法如下:
①双线法
应在同一取土点的同一深度处, 以环刀切取2个试样, 一个在天然湿度下加第一级荷重, 下沉稳定后浸水, 待湿陷稳定后在分级加荷。分别测定这两个试样在各级压力下, 下沉稳定后的试样高度和浸水下沉稳定后的试样高度, 就能够绘出不浸水试样的
曲线和浸水试样的曲线, 图见教材。
然后按公式计算各级荷载下的湿陷系数, 从而绘制曲线。在曲线上取值为0.015所对应的压力作为湿陷起始压力。
②单线法
应在同一取土点的同一深度处, 至少以环刀切取5个试样。各试样均分别在天然湿度下分级加荷至不同的规定压力。待下沉稳定后测出土样高度后浸水, 并测定湿陷稳定后的土样高度。绘制曲线后, 确定值的方法同双线法。
另外, 还可利用荷载试验来确定值, 略。
试验结果证明: 黄土的湿陷起始压力随着土的密度、 湿度、 胶结物含量以及土的埋藏深度等的增加而增加。

五、 人工填土
人工填土是一种特殊性土。它是由于人类活动任意堆填而成的土。
在中国大多数古老城市的地表面, 普遍覆盖一层人工杂土堆积层。这种填土无论其物质组成, 分布特征和工程性质均相当复杂, 且具有地区性特点。
人工填土的工程性质与天然沉积土比较起来有很大不同。
1．性质很不均匀, 分布和厚度变化上缺乏规律性;
2．物质成分异常复杂。有天然土颗粒, 有砖瓦碎片和石块, 以及人类活动和生产所抛弃的各种垃圾;
3．是一种欠压密土, 一般具有较高的压缩性, 孔隙比很大。
4．往往具有浸水湿陷性。
根据其成分和成因, 将人工填土分为三类:
1、 素填土: 由碎石、 砂土、 粘性土等组成的填土。根据孔隙比指标判定其类型。
1) 粘性老素填土: 堆积年限在 以上, 或孔隙比≤1.10;
2) 非粘性老素填土: 堆积年限在5年以上, 或孔隙比≤1.10;
3) 新素填土: 堆积年限少于上述年限或指标不满足上列数据的素填土。
2、 杂填土: 含有建筑垃圾、 工业废料、 生活垃圾等杂物的填土。
3、 冲填土: 由水力充填泥沙形成的填土。
含大量水, 比自然沉积的饱和土强度低, 压缩性高, 常呈流塑状态, 扰动易发生触变现象。
另外, 还有冻土、 盐滞土等等。