第一章土的物理性质及工程分类

第一章土的物理性质与工程分类1.1土的概念与基本特征1.2土的生成1.3土的组成1.4土的三相量比例指标1.5无粘性土的密实度1.6粘性土的稠度1.7土的压实原理1.8地基土(岩)的工程分类1.1土的概念与基本特征土的概念:土是岩石经过风化、剥蚀、搬运、沉积等地质作用形成松散的堆积物或沉淀物。土是各种矿物颗粒的集合体。不同的土其矿物成分和颗粒大小存在着很大差异,颗粒、水和气体的相对比例也不相同。基本特征:土的物理性质,如轻重、软硬、干湿、松密等。影响土的物理性质的因素:土的三相组成物质的性质、相对含量及土的结构构造等---内因。外部环境---外因。必须掌握这些物理性质、测定方法及指标与指标的换算。外圈层：大气圈、水圈、生物圈；内圈层：地壳、地幔、地核。构成天然地基的物质是地壳内的岩石和土。地壳的一般厚度为30一80km。2地质作用--导致地壳成分变化和构造变化的作用。根据地质作用的能量来源的不同，可分为内力地质作用和外力地质作用(1)内力地质作用:由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热能等，引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用。如岩浆作用、地壳运动(构造运动)和变质作用。1)岩浆作用--存在于地壳以下深处高温、高压的复杂硅酸盐熔融体(岩浆)，沿着地壳薄弱地带上升侵入地壳或喷出地表且冷凝后生成为岩浆岩的地质作用。地质作用的概念:1地球的圈层构造：一.地质作用1.2土的生成2)地壳运动--地壳的升降运动和水平运动。升降运动表现为地壳的上拱和下拗，形成大型的构造隆起和拗陷：水平运动表现为地壳岩层的水平移动，使岩层产生各种形态的褶皱和断裂．地壳运动的结果，形成了各种类型的地质构造和地球表面的基本形态。3)变质作用--在岩浆活动和地壳运动过程中，原岩(原来生成的各种岩石)在高温、高压下及挥发性物质的渗入下，发生成分、结构、构造变化的地质作用,生成变质岩。(2)外力地质作用：由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。它包括气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等的作用。1)风化作用--外力(包括大气、水、生物)对原岩发生机械破碎和化学变化的作用。2）风化、剥蚀、搬运及沉积--外力地质作用过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积，是彼此密切联系的。风化作用为剥蚀作用创造了条件，而风化、剥蚀、搬运又为沉积作用提供了物质的来源。剥蚀作用与沉积作用在一定时间和空间范围内，以某一方面的作用为主导，例如，河流上游地区以剥蚀为主，下游地区以沉积为主，山地以剥蚀占优势，平原以沉积占优势．沉积岩和土的生成--原岩风化产物（碎屑物质），在雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或风等外力作用下，被剥蚀，搬运到大陆低洼处或海洋底部沉积下来，在漫长的地质年代里，沉积的物质逐渐加厚，在覆盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅、氧化铁等胶结物的作用下，使起初沉积的松软碎屑物质逐渐压密、脱水、胶结、硬化生成新的岩石，称为沉积岩。未经成岩作用所生成的所谓沉积物，也就是通常所说的“土”。二.矿物与岩石的概念:岩石--一种或多种矿物的集合体。矿物--地壳中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性质、化学成份和形态．目前已发现的矿物有三千多种，但常见的造岩矿物仅三十多种。造岩矿物---组成岩石的矿物称为造岩矿物。矿物按生成条件可分为原生矿物和次生矿物两大类。岩石的性质（1）强度大；（2）压缩性低；（3）透水性差。是良好的天然地基。岩石按生成原因分为岩浆岩、沉积岩及变质岩三大类。岩浆岩是由地壳下面的岩浆沿地壳薄弱地带上升侵入地壳或喷出地面冷凝而成的。变质岩则是地壳的先成岩石在高温高压下和化学性活泼的物质作用下，改变了原来岩石的成分、结构和构造而形成的一种新的次生岩石。沉积岩则是由岩石碎屑、溶液析出物或有机物于常温、常压下在陆地或海洋中堆积形成的次生岩石（如砂岩、页岩、砾岩等）。石的生成及其分类沉积岩变质岩岩浆岩三、风化作用：风化作用是一种使岩石产生物理和化学变化的破坏作用。风化作用按其性质及影响因素不同，可分为物理风化、化学风化。1.物理风化作用：是指岩石由于温度、水、波浪冲击等产生物理因素引起的机械破坏作用。温度是物理风化的主要因素。物理风化产物为原生矿物,如石英、长石和云母等。砂、砾石和其他粗颗粒土即无粘性土就是物理风化的产物。2.化学风化：是指岩石在水及各种水溶液的作用下，经氧化、炭化和水化作用，以及在生物活动作用下所引起的破坏作用。化学风化产物为次生矿物,如蒙脱石，伊利石和高岭石等,通常称为粘性土。风化作用1．物理风化：由于地表岩石温度变化产生温度应力和裂隙水的冻胀以及盐类结晶膨胀而使岩石被碎崩解为碎块或岩屑，其化学成份尚未发生变化，这种过程称为物理风化作用。当气温升高时，岩石膨胀产生压应力，当气温降低时，岩石收缩产生拉应力，二者频繁交替，使岩石表层产生众多裂隙最终崩解。另一方面水冻胀时产生体积膨胀或盐类结晶膨胀加速了岩石崩解过程。土中的碎石，砾石、砂等粗颗粒便是岩石物理风化的产物。2．化学风化作用：在水、大气以及有机体的化学作用或生物化学作用下而使岩石的化学成份发生水化、氧化、还原、碳酸化溶解等过程，称为化学风化。化学风化作用不仅破坏了岩石的结构，而且使化学成份改变，形成新的矿物。粘土颗粒便是岩石经化学风化后的产物。3．生物风化作用：是指生物活动过程中对岩石产生的破坏作用。如树根生长时施加周围岩石的压力可超过岩石的强度，使岩石产生裂纹而破坏。活动在地表浅层的动物如老鼠、蚯蚓等也可使岩石被碎成土。开山、挖隧道等作用产生的土等。剥蚀风化后的岩石产物在冰川、风、水和重力作用下，从母岩分离的现象称为剥蚀。搬运岩石碎块或岩屑从母岩分离后到达新的平衡位置，称为搬运。1．搬运方式（1）风；（2）流水；（3）冰川；（4）雪崩；（5）自然起伏地形形成高差，在自重作用下由高处向低处；（6）人工填运。伴随现象（1）磨园；（2）进一步的破碎或开裂，这是由于相互碰撞、磨擦或冰冻作用的结果；（3）分选现象：在搬运过程中，存在着分选现象，同一粒组范围的颗粒集聚在同一地区，大颗粒的岩石碎块搬运距离一般较近，而细小的碎粒可被搬运到较远的地方沉积下来。沉积岩石碎块和岩屑经，经搬运后在某地带堆积下来，称为沉积。1、残积土：原岩经风化作用而残留在原地的碎屑物称为残积土。残积物中残留矿物成分在很大程度上与下卧基岩一致，这是区别于其它的主要特征。2、坡积土：高处岩石的风化物在雨、雪水流和本身自重作用下搬运而成的山坡堆积物。3.洪积土：由山洪急流冲刷地表夹带大量岩块、土粒堆积于山谷冲沟出口或山前倾斜平原而形成沉积物。4.冲积土：是河流流水将两岸的基岩上部覆盖物质剥蚀后，经搬运沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。其特点是呈现明显的层理构造。5.其他沉积土四、几种主要类型的土1．残积土残积物是残留在原地未被搬运的那一部分原岩风化剥蚀后的产物，而另一部分则被风和降水所带走。2．坡积土坡积土是雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地洗刷剥蚀、顺着斜坡向下逐渐移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。1．残积土残积物是残留在原地未被搬运的那一部分原岩风化剥蚀后的产物，而另一部分则被风和降水所带走。2．坡积土坡积土是雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地洗刷剥蚀、顺着斜坡向下逐渐移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。3．洪积土·由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流，具有很大的剥蚀和搬运能力。它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲沟出口或山前倾斜平原而形成洪积物(图1—4)。由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群图l—5)。如果逐渐扩大以至连接起来，则形成洪积冲积平原的地貌单元。洪积物常呈现不规则交错的层理构造，如具有夹层、尖灭或透镜体等产状(图1—6)。4.冲积土冲积土是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物质剥蚀后搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。1平原河谷冲积物平原河谷除河床外，大多数都有河漫滩及阶地等地貌单元(图1—7)。2．山区河谷冲积层在山区，河谷两岸陡削，大多仅有河谷阶地(图1-8)。5.其它沉积土除了上述四种成囚类型的沉积物外，还有海洋沉积土、湖泊沉积土、冰川沉积土及风积土等，它们是分别由海洋，湖泊、冰川及风等的地质作用形成的．次生矿物蒙脱石伊利石高岭石高岭石高岭石伊利石伊利石蒙脱石第四纪沉积物（土）：地表岩石经风化、剥蚀、搬运，沉积下来的年代不长，未经压紧，并呈松散状态的沉积物。建筑场地一般涉及的都是第四纪沉积物。第四纪沉积物分以下几种类型：一、残积物：岩石风化剥蚀后的产物仍残留在原地未被搬运，这种沉积物称为残积物，如下图所示。在残积物和基岩之间，通常存在一个风化带。残积物与强风化带之间并无明显区别，二者的界线实际上很难区分。残积物与风化层的主要区别在于：残积物是经风化剥蚀和水流将细小的颗粒带走后残留下来的较粗颗粒的堆积物。而风化带虽经风化，但未经剥蚀和搬运。残积物特征：（1）颗粒不可能磨圆或分选，多为棱角状粗颗粒土;（2）没有层里构造（因没有经过搬运和沉积）；（3）其矿物成份与下卧基岩一致，这是鉴定残积物的主要依据。（4）孔隙度大，均质性差，作为建筑物地基易发生不均匀沉降。坡积物：高处风化、剥蚀后的岩石产物，在自重、风或流水作用下，顺山坡向下移动，最后沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。坡积物特征：（1）一般分布在坡腰或坡角下；（2）有不同程度的磨圆或分选现象；（3）土质不均匀，厚度变化大，在斜坡上厚度较薄，而在山坡下部较厚；（4）由于一般堆积在倾斜的山坡上，常易发生滑动；在这类地基上修建建筑物易产生滑坡。洪积物：由于暴雨或融雪形成的临时性洪水，具有极强的搬运能力，将携带大量泥砂和石块，最后堆积在山谷的出口或山前平原而形成的沉积物。洪积物的堆积面积大小不一，从几平方米到数十平方公里，在许多大山与平原交界处，各条沟的洪积物不断发展，相连成片可形成洪积平原。洪积物特征：（1）具有磨圆分选现象，离山越远，颗粒越细；（2）分布范围多为扇形，如下图所示；（3）由于山洪是周期性发生的，每次大小不尽相同，堆积下来的物质也不一样。因此，洪积物常呈不规则的交替层理构造，并且有夹层，尖夹等产状。（4）作为建筑物的地基，一般认为是较理想的。尤其离山前较近的洪积物，具有较高的强度，是良好的天然地基。离山较远的地区，洪积物颗粒较细，成分均匀，地下水位较深，也属于良好的地基。但有时在上述两地段的中间地带，常因地下水溢出地表而形成沼泽地，作为地基时应慎重。冲击物：是河流流水将两岸岩石及上部覆盖物剥蚀后，搬运沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。冲击物在地表分布很广，主要类型有：1、平原河谷冲击物（见下图）（1）河床沉积物；（2）河慢滩沉积物；（3）河流阶地沉积物；（4）古河道沉积物。2、山区河谷冲击物：山区河流速度大，多为漂石、卵石与圆砾，厚度一般10～15m3、山前平原冲击物：山前平原冲击物具有分带性，近山一带为粗粒物质组成，向平原低地逐渐变为砂土和粘土。4、三角洲沉积物：在河流入海或入湖口处，所搬运的大量细小颗粒土沉积下来，形成面积宽广，厚度较大（百米以上）的三角洲沉积物，一般以砂、粉质粘土和粉土为主。这些物质经过河流的长途搬运后，一般具有良好的分选性和颗粒磨圆度，斜层理也较发育。在三角洲地带，地下水位很高，水系密布，该区域内沉积物形成饱和砂土及软粘土，承载能力很低，压缩性很高，作为建筑物地基应特别慎重。海相沉积物海洋按海水深度不同划分为四个区域，滨海地区是指涨潮时淹没、落潮时落出的地带；浅海地区称为大陆架，水深0～200m，宽度100～200km；陆坡地区水深200～1000m，宽度200～300km；当水深超过1000m时，为深海地区。不同地区的沉积物不同。（1）滨海沉积物：主要由卵石、圆砾和砂等组成，具有基本水平或缓倾斜的层理构造，其强度较高，在砂层中常有波浪作用留下的痕迹。（2）浅海沉积物：主要由细颗粒砂土，粘性土和淤泥组成，具有层理构造，含水量大，强度低，压缩性大。（3）陆坡和深海沉积物：主要是有机淤泥。湖泊沉积物