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沃野千里 第一编 现代农业生态扛旗掌印 第三章

发布时间:2021-05-18 09:20:00   浏览次数:   来源:

3章 抗疏力土的物理性质


   3.1原状土的物理性质

3.1.1土的类型及物理性质

从应用土力学的观点来看,土指的是地球外壳中所有的松散物质,也就是岩床之上所有的物质。土包括矿物颗粒(例如:沙子和粘土)、表层土中的有机物、沼泽地中的堆积物,以及这些物质中的空气和水。

风化作用

矿质土(Mineral soil)是由岩石经风化作用而形成的,风化作用包括物理风化、化学风化和生物风化。

物理风化

岩石通过物理风化形成的土称为颗粒土(Granular soil),因其性质与原岩床相似,被称为原生矿物。

物理风化,又称机械风化,常见的物理风化方式主要有:温差风化、冰劈风化、盐类结晶与潮解作用和层裂作用。简单地说,物理风化作用,是指岩石发生的机械破碎,基本只有体积大小、形态的变化,而没有显著的化学变化,即没有新的物质产生。

化学风化

岩石通过化学风化形成的土,称为粘土矿物(Clays),又称次生矿物,是水穿过岩石使其某些矿物成分发生改变而形成的。简单地说,岩石的化学风化使岩石的化学成分发生了分解,产生了新的物质,即粘土矿物。粘土矿物是无机晶体,与原岩床相比其特性变化非常复杂。

生物风化

在生物活动的影响下,地表岩石遭到的破坏,称为生物风化作用。生物对岩石的破坏主要有三种方式:一是在岩石裂隙中,生物根茎的逐渐膨胀,导致岩石裂隙不断扩大,最终引起岩石崩解;二是生物的新陈代谢及遗体腐烂,对岩石的分解;三是岩石表层在水的作用下生长的植物,在不断的扩大过程中对岩石的分解。

除了自然界的自然风化作用外,人类的工程活动会大大加速岩石的风化过程。

土的类型

矿质土的主要类型,是砂砾(Gravel)、沙子(Sand)、淤泥(Silt)、和粘土(Clay)。

3.1.1-1 土的基本类型

BASIC TYPES OF SOIL

粒     径

颗粒形状

土团

Soil

Grain Size

Grain Shape

Soil Group

砂砾

5 mm

球形或方体状

颗粒状

Gravel

Over 5 mm over 3/16 in

Spherical or cubical

Granular

沙子

From 5 mm3/16into smallest visible particles

球形或方体状

颗粒状

Sand

≤5 mm ≥肉眼可见

Spherical or cubical

Granular

淤泥

颗粒肉眼不可见

球形或方体状

颗粒状

Silt

Particles not visible to eye

Spherical or cubical

Granular

粘土

颗粒<淤泥

扁平、盘状细粒

有粘性

Clay

Particle smaller than silt

Flatplate-shaped grains

Cohesive

注:根据美国分类


土的物理性质

土的轻重程度指标

a.土的天然密度p   

天然土单位体积的质量,称为土的天然密度(单位为g/cm3)。

b.土的干密度Pd

土单位体积中固体颗粒的质量,称为土的干密度,并以pd表示。

c.土的饱和密度Psat

土孔隙中被水充满时,单位体积土体质量,叫饱和密度psat

d.土的浮密度P′

处于水下的单位体积土体的有效质量,叫土的浮密度P′。

e.土粒相对密度(土粒比重)ds

单位体积土颗粒质量与40C纯水单位体积的质量之比叫土粒相对密度ds

这五项密度中,工程上常用土的干密度来评价土的密实度,以控制填土的施工质量

土的松密程度指标

a.孔隙比e

土中孔隙体积与土粒体积之比,叫孔隙比。

孔隙比是个重要的物理性指标,用小数表示,它可以用来评价天然土层的密实程度。孔隙比e<0.6的土是密实的,具有低压缩性,e>1.0的土是疏松的高压缩性土。

b.孔隙率n

土的孔隙率n是土孔隙体积与总体积之比,以百分数表示。

C.土的含水程度指标

a.土的含水率w

土中水的质量与土颗粒质量之比,称为土的含水率w,以百分数计算。

b.土的饱和度Sr

土中被水充满的空隙体积与空隙总体积之比,称为土的饱和度Sr

 3.1.2土的三相组成

土体是土颗粒组成的固体骨架。在这个固体骨架中,存在着大量的空隙,这些空隙由液体或气体填充。土颗粒、空隙水及空隙气体,称为土的三相。当土的空隙中仅含液体时,称为饱和土;当土的空隙中仅含有气体时,称为干土。饱和土及干土称为二相土;当土中同时存在液体及气体时,称为三相土或非饱和土。如图所示

 

3.1.2-1土相模型

土的三相组成物质的占比,不是固定不变的,不同的土质有不同的占比;相同的土质占比,随压力、温度、湿度等因素的变化而变化。在单位体积中,土的三相组成物质的比值,即体积与质量的相对比值,是衡量土的物理性质的指标。

在日常生活中,土体遇水而软,晒后变硬,就是土的三相组成物质的占比发生变化而引起的。

泥石流、山体滑坡、地陷等自然灾害,大多数情况都是土的三相组成物质的占比发生变化而引起的。

土中的水

根据土中水的位置、支配水运动的力、流量的测试,土中的水可分为:

游离水或称为重力水(free water or gravitational water):这类水在地下水位线以下,因地心引力可自由移动。

毛细水(Capillary water):这类水在地下水位线以上,由表面张力形成,即通过土颗粒之间的毛孔向上吸附。

束缚水或称支持水(Attached water or held water):这是一种覆盖在土颗粒周围的水膜。束缚水作为土颗粒的一部分除非有强大的外力作用,在一般情况下是不运动的。在粘性土中,束缚水的量是很大的,相对土颗粒而言水膜的厚度是很厚的。

 

3.1.2-2土中水的种类 

毛细吸水:地下水位线以上,土中水的运动主要是通过毛细吸水(capillary rise)来实现的,而引起毛细吸水的原因,是土中水的表面张力。表面张力使水在孔隙内产生弯液面(the meniscus弯月面),沿孔壁向上运动。


3.1.2-3 毛细吸水              图3.1.2-4 土壤间表面凝聚

土中的气

土中的气体存在于土空隙中未被水占据的部分。在粗粒的沉积物中与大气相通的空气,对土的力学性质影响不大。在细粒土中常存在着与大气隔绝的封闭气泡,使土在外力作用下的弹性变形增加,透水性减小。

土的结构和构造

土的结构,是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。土的结构和构造,对土的物理力学性质有重要影响。土的结构一般分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构。土的构造,是土层的层理、裂隙及大孔隙等宏观特征。土的构造最主要特征就是成层性,即层理构造。常见的土的构造,有水平层理结构和交错层理结构。

土颗粒、水和气的关系

土体力学性质的多变性,是固体颗粒、空隙水与空隙气体间比例变化及相互作用的结果。土是由土颗粒、水及气体三相物质组成的集合体,土中空隙体积大土就松,土中水多土就软。也就是说,土的松密程度和软硬程度主要取决于土的三相组成物质在数量上所占的比例。

3.1.3粘性土的物理性质

粘性土界限含水率

粘性土从一种状态变化到另一种状态的含水率称为界限含水率。由瑞典科学家阿太堡(Atterberg)提出,故又称为阿太堡界限含水率。界限含水率,分为液限、塑限、缩限。

 

3.1.3-1 粘性土的界限含水率 

粘土的塑性指数

粘土的液限和塑限之差值,称为塑性指数Ip。Ip值愈大,表示土的可塑性范围愈大,土中所含有的结合水愈多,土与水之间作用愈强烈。

粘性土(细粒土)的塑性指数划分

3.1.3-1 中国分类标准

粘性土(细粒土)的塑性指数划分(JTJ 024—1985)

土名

亚砂土

亚粘土

粘土

塑性指数

1< Ip≤7

7<Ip≤17

Ip>17


   3.2抗疏力土的物理性质

抗疏力土=原状土+稳定剂。抗疏力土与稳定剂之间所发生的变化属物理变化,而不是化学变化,抗疏力土中也没有任何新的物质产生。这就是说,抗疏力土没有改变土的自然属性,仍然可以作为农业生产用土。

既然抗疏力土没有改变土的自然属性,那么,在土中添加稳定剂的意义何在?

虽然稳定剂没有改变土的自然属性,但却改变了土体和土颗粒的某些物理属性。正是因为这些物理性质的改变,才使土体疏松、土体渗流及土体冻胀”得化解,使“土体失稳、土体变形、强度降低”等病害得以克服,使抗疏力土成为优质的耕植土和工程建筑土

3.2.1抗疏力土与原状土物理性质对比

土的轻重程度指标对比

天然密度p

抗疏力土的密度>天然密度。

干密度Pd

抗疏力土的干密度>原状土。

土的松密程度指标对比

孔隙比 e

抗疏力土的孔隙比e<原状土e<0.6。

孔隙率n

抗疏力土的孔隙率n<原状土n。

土的含水程度指标对比

抗疏力土的最佳含水量<原状土的最佳含水量。

3.2.2抗疏力土与原状土的强度对比

CBR

在相同条件下,抗疏力土的CBR值大于原状土CBR值几倍至十几倍。

回弹模量

在相同条件下,抗疏力土的回弹模量值>原状土回弹模量值。

弯沉值

在相同条件下,抗疏力土的弯沉值<原状土弯沉值。

3.2.3抗疏力土与原状土的渗透量对比

在相同条件下,抗疏力土渗透量<原状土渗透量八至十几倍。抗疏力土与原状土的对比数据,将在“科学论证”章节中展示。

  3.3抗疏力土保持土的自然属性

前文已述,抗疏力土没有改变土的自然属性,仍然可以作为农业生产用土。

一般认为,土的自然属性,即地球陆地表层的疏松物质,由各种颗粒状矿物质、有机物质、水分、空气、微生物等组成,能生长植物。简而言之,土的自然属性就是植物能从土中生长出来。

抗疏力土保持了土的自然属性,能生长植物,这一论断不是推论,而是被所有抗疏力工程所验证的事实。

3.3.1 抗疏力土能生长植物

道路工程

如图3.3.1-1所示,路中间没有草,而路两边有草。没草的原因是路中间车辆碾压多,而有草的原因是路边车辆碾压少。

 

3.3.1-1抗疏力生态路5年后质量追踪 

水利工程

 

3.3.1-2启培抗疏力水塘竣工与质量追踪对比图 

边坡工程

  

3.3.1-3启培抗疏力边坡工程生态恢复对比

地埂工程

 

3.3.1-4启培抗疏力地埂工程生态恢复对比

沟渠工程

 

3.3.1-4启培抗疏力沟渠工程生态恢复对比

3.3.2 抗疏力土可反复使用

原状土的自然属性之一就是可反复使用,抗疏力土仍然保持了这一属性。如图3.3.2-1所示:

 

                      A.暴雨破坏图                       B.雨后修复图

3.3.2-1

该路段铺筑抗疏力混合料后尚未压实便遭暴雨袭击,图A.为经车辆碾压后的路况。

雨停后,将损坏路段翻耕、晾晒、整形,压实,图B.为修复后的路况。几小时后该路段再次遭到暴雨袭击,路面完好无损,无一车辙。

案例启示

抗疏力土工程可能失误,但不可能失败!

(待续)

 


 主编:纪学欣

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