工程地质学第4章.

工程地质学主讲：李肖锋第4章土的工程性质与分类§4.1土的组成与结构、构造§4.2土的物理性质及其指标§4.3土的工程分类§4.4土的成因类型§4.5特殊土的主要工程性质§4.1土的组成与结构、构造土的概念岩石圈表层在漫长的地质年代里，经受各种复杂的地质作用所形成的松软物质。土是由固体颗粒以及颗粒间孔隙中的水、气组成的。土是一个多相、分散、多孔的系统。固体相、液体相、气体相，三相体系固体矿物颗粒（固相）—土骨架土中气体（气相）影响土的性质土中水（液相）—影响土的湿度和塑性三相物质体系地质作用的概念：在地质历史发展过程中，促使地壳的组成物质、构造和地表形态不断变化的作用，统称为地质作用。土层：土具有成层特征，同一层内土的物质组成和结构、构造基本一致，其工程地质性质亦大体相同。土体的概念：在建筑物所影响到的土中，不都是由单一土层组成的，而往往由多土层、性质各异、厚薄不等，以特定的上下次序组合在一起，与工程建筑的安全、经济和正常使用有关的土层组合体。土体概念的提出，对工程地质问题的评价、工程地质条件的论证都是至关重要的。（4.１.1）土的粒度成分一、粒径和粒组划分土颗粒的大小是以“粒径”来表示的mm规则不规则等效粒径：非球型颗粒，其与球状颗粒在水中下沉速度相等时，非球状与球状颗粒的粒径是等效的。粒组：界于一定粒径范围的土粒，称为粒组.2.土的粒组划分标准：划分方法不完全一致，一般采用的粒组划分及各粒组土粒的性质特征见表2-1。表中根据界限粒径200、20、2、0.075和0.005mm把土粒分为六大粒组：漂石（块石）颗粒:d＞200mm;卵石（碎石）颗粒:200mm＞d＞200mm;圆砾（角砾）颗粒:20mm＞d＞2mm;砂粒:2mm＞d＞0.075mm;粉粒:0.075mm＞d＞0.005mm;粘粒:d＜0.005mm。土颗粒的大小与形状基本概念粒度、粒组粘粒粉粒砂粒砾石碎石块石0.0050.075220200巨粒粗粒细粒粒径d/mm3.各粒组特征的规律：★颗粒愈细小，与水的作用愈强烈。所以，毛细作用由无到毛细上升高度逐渐增大；★透水性由大到小，甚至不透水；★逐渐由无粘性、无塑性到具有愈大的粘性和塑性以及吸水膨胀性等一系列特殊性质（结合水发育的结果）；★在力学性质上，强度逐渐变小，受外力时，愈易变形。4.粒度成分对土工程性质影响的实质（1）组成土的颗粒大小不同，土的比表面不同，则土粒与水（或气）作用的表面能大小不同。因此，不同大小颗粒与水（或气）相互作用的程度，以至含水的种类、性质和数量不同。土的比表面一般用单位体积所有土粒的总表面积表示。由于土粒大小不同而造成比表面数值上的巨大变化，必然导致土的性质的突变。（2）天然土中不同大小颗粒的组成矿物类型不同，直接影响土的工程特性。1土的粒径级配（1）定义工程中常用土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数来表示，称为土的粒径级配。（2）粒径分析方法•筛分法（d0.075mm的土）•密度计法（d0.075mm的土）筛分法（d0.075mm的土）沉降分析法或密度计法（d0.075mm的土）通过密度计测定土水悬浊液的密度来确定。沉降分析法利用不同大小的土粒在水中的沉降速度不同来确定小于某粒径的土粒含量（3）颗粒级配的表示方法——颗粒累计级配曲线法Cu=6.表征土粒特征的概念有效粒径d10：小于某粒径的土粒重量累计百分数为10％时，相应的粒径称为有效粒径d10。限定粒径d６0：当小于某粒径的土粒重量累计百分数为60％时，该粒径称为限定粒径d６0。©由曲线的坡度大致判别：如曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，级配不良；反之，曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，即级配良好。©利用不均匀系数Cu和曲率系数Cc定量判别：Cu5级配不良；Cu10级配良好。Cc反应曲线的整体形状，过大或过小都表示缺乏中间粒径。对砂砾类土，当同时满足3~15=cuCC和时，则级配良好。60102301060/dddCddCcu==.级配良、劣的判别：d10、d30、d60为小于某粒径的土粒含量为10%、30%和60%时所对应的粒径,d10-有效粒径，d30中值粒径、d60-限制粒径4.1.2土的矿物成分土的固体颗粒是土的三相组成中的主体，是决定土的工程性质的主要成分。原生矿物次生矿物与母岩相同，性质稳定、无粘性、透水性好、压缩性低。常见石英、长石、云母等，是无粘性土的主要成分由岩石风化而成：性质不稳、亲水性强、易膨胀。常见矿物：粘土矿物（高岭石、伊利石、蒙脱石）、褐铁矿等。粘性土及细粒土含量高。使土产生塑性高岭石高岭石伊利石伊利石蒙脱石三种粘土矿物的显微电镜扫描图像吸水性增强晶胞间变得较松散粘土矿物中的蒙脱石吸水性最强，是膨胀土的主要矿物一.土中矿物成分的类型土的固体相部分是由各种矿物颗粒或矿物集合体组成的。不同矿物的性质有差异，其土的性质也不同。土的矿物成分:原生矿物、次生矿物、有机质、可溶盐及易分解的矿物原生矿物：岩石经物理风化破碎，但成分没有发生变化的矿物碎屑。石英长石云母角闪石辉石次生矿物：原生矿物经过化学风化作用，使其进一步分解，形成一些颗粒更细小的新矿物。粘土矿物•有机质：土中动植物残骸在微生物作用下分解形成的产物。分解不完全的动植物残骸分解完全的腐殖质有机质亲水性强，土中有机质含量增多时，土的可塑性和压缩性增大，强度降低，对工程建筑不利。二.矿物成分与粒度成分的关系土颗粒的大小，其矿物成分是有规律的。漂石、卵石、砾石粒径往往大于矿物颗粒，多由母岩碎屑组成。砂粒与原生矿物颗粒的大小相近，往往由单矿物组成。石英长石云母粉粒和粘粒由稳定的原生矿物（石英）及次生矿物、有机质组成。三.粘土矿物的类型及其工程地质性质粘土矿物是由原生硅酸盐类经水解作用而形成的次生硅酸盐矿物，具有层状或链状晶体结构，外形多呈片状，且含有不同数量的水。具有很高的表面能、亲水性及一系列特殊性质，只要有少量存在，就显著改变土的工程性质。蒙脱石伊利石高岭石蒙脱石其晶体是由很多相互平行的晶胞构成的。其亲水性强，吸水膨胀。——“斑脱土”伊利石其晶体与蒙脱石相似，其表面能、亲水性次之。也具有弱膨胀性。高岭石其晶体也是由相互平行的晶胞组成，氢键连结，颗粒稍大，其表面能、亲水性较弱。(一)土中水在自然条件下，土中总是含水的。在一般粘性土，特别是饱和软粘性土，土中水的体积常占据整个土体相当大的比例（一般为50％～60％，甚至高达80%）。研究土中水，必须明确有关土中水的如下概念：（1）水分子H2O是强极性分子.（2）土中水是水溶液。（3）土中水溶液与土颗粒表面及气体有着复杂的相互作用。4.1.3土中的水和气体一.土中的水（一）矿物成分水矿物成分水存在于矿物晶体格架的内部，又称矿物内部结合水。结构水结晶水（二）孔隙中的水孔隙中的水即存在于土粒间孔隙中的水。固态水液态水气态水1、液态水（1）结合水细小的土粒表面具有静电引力，在其作用下，与土粒表面接触部分的水分子可被极化，并吸附在土粒周围形成一层水膜。这部分在土粒静电引力范围内，被吸附在土粒周围的水就叫结合水。（土粒表面结合水和物理结合水）土粒的静电引力强度是随离开土粒表面的距离增大而减弱的。紧靠土粒表面的水分子，受土粒的强烈吸引，而失去自由活动能力，整齐地排列起来，这部分水称为强结合水。距离土粒表面稍远的水分子，受到土粒的吸引力减弱，有部分活动能力，排列疏松不整齐，这部分水叫弱结合水。不受重力影响，密度大，冰点低不能传递静水压力，具有粘滞性和抗剪性。（2）毛细水毛细水是由于毛细作用保持土的毛细孔隙中的地下水。水分子不能直接被土粒吸引住，但也受到静电引力的影响。冰点低于0ºC，有极微弱的抗剪强度，能传递静水压力。（3）重力水重力水又叫自由水，不受颗粒吸附和毛细力作用控制。2、固态水固态水就是冰，将土粒胶结起来形成冻土。3、气态水以水汽状态存在，严格来说应属土的气相部分。2土中气土中的气体，主要为空气和水气。但有时也可能含有较多的二氧化碳、沼气及硫化氢，这些气体大多因生物化学作用生成。（1.）非封闭气体（/开敞/自由气体）：对土无影响；（2.）封闭气体：使土的渗透性减小，弹性增大和拖延了土的压缩和膨胀变形随时间的发展。4.1.4土的结构和构造土的工程性质及其变化，除取决于其物质成分外，在很大程度上还取决于土的颗粒间的连结性质和强度；层理特点；裂隙发育程度和方向以及土质的其它均匀特征等土体的天然结构和构造因素有关．只有了解土的结构和构造特征，才能够对土的工程地质特征做出正确的评价．一、土的结构土的结构是指组成土的土粒大小、形状、表面特征、土粒间的连结关系和土粒的排列情况。土的粒度成分反映了土粒大小及其组合特征，也是说明土结构特征的主要指标，对土的工程地质性质影响显著。土粒形状及表面特征对粗粒土的工程地质性质影响很大。（一）土粒间的连结关系土中颗粒与颗粒的连结，是孔隙中水对土粒的连结。1、结合水连结通过结合水水膜而将相邻土粒连结起来的连结形式。2、毛细水连结相邻土粒由毛细压力作用形成的连结。3、胶结连结土中某些盐类的结晶将土粒胶结起来的连结。4、冰连结含冰土的暂时性连结。（二）土的结构类型1、巨粒土及粗粒土的结构类型单粒结构土的颗粒粗大,土粒间的分子引力相对很小,粒间几乎没有连结,或者连结很弱。2、细粒土的结构类型细粒土颗粒细小，具胶体特征，在水中一般都不能以单个颗粒沉积，而凝聚成较复杂的集合体进行沉积，形成细粒土特有的团聚结构。土的结构.土的结构：1.单粒结构：无粘性土具有的结构，密实的单粒结构土为良好的地基土2、蜂窝结构：（粒径0.075~0.005mm）；粉土具有此结构。3.絮状结构：（粒径0.005）粘性土具有。后两者常是不良地基土单粒结构蜂窝结构絮状结构单粒结构特点：1）具有单粒结构的碎石土和砂土，虽然孔隙比较小，而孔隙大，透水性强，土粒间一般没有内聚力，但土粒相互依靠支承，内摩擦力大，并且受压力时土体积变化较小。2）再者，由于这类土的透水性强，孔隙水很容易排出，在荷载作用下压密过程很快。因此，即使原来比较疏松，当建筑物结构封顶，地基沉降也告完成。3）对于具有单粒结构的土体，一般情况（静荷载作用）下可以不必担心它的强度和变形问题。集合体结构特点：1）孔隙度很大（可达50％～98％），而各单独孔隙的直径很小，特别是聚粒絮凝结构的孔隙更小，但孔隙度更大，因此，土的压缩性更大.2）含水量很大，往往超过50％，而且因以结合水为主，排水困难，故压缩过程缓慢.3）具有大的易变性—不稳定性。二、土的构造在一定土体中，结构相对均一的土层单元体的形态和组合特征，称为土的构造。土的构造包括土层单元体的大小、形状、排列和相互关系。单元体的分界面称结构面或层面。单元体的大小通常用厚度来表示。土的构造是土在形成、变化过程中，与各种因素发生复杂的相互作用而形成的。层状构造/层理构造分散/块状构造裂隙构造结核构造（二）.土的构造：反映土粒集合体之间的关系研究意义：（1）.土体构造特征反映土体在力学性质和其他工程性质的各向异性或土体各部位的不均匀性，因此，要掌握其变化规律。如，由砂土和粘性土组成的层状或互层构造土体的物理力学性质皆显示其各向异性特点。又如，黄土由于其垂直节理（裂隙）发育，强烈地降低其抗水稳定性和力学稳定性，特别在边坡地段，沿裂隙极易产生坍方和滑坡现象。（2）土体的构造特征是决定勘探、取样或原位测试布置方案和数量的重要因素之一。2.土的构造特点：（1）对于碎石土，粗石状构造和假斑状构造是最普遍的；（2）对于砂土和砂质粉土，各种不同形式的夹层、透镜体或交错层构造，较为普遍。（3）在粘性土中，常见有层状、显微层状构造及各种裂隙、节理构造。§4.2土的物理性质及其指标土的物理性质是指土本身由于三相组成部分的相对比例关系不同所表现的物理状态；固、液两相相互作用时所表现出来的性质。三相比例关系——---物理状态轻重、干湿、松密固、液相互作用——物理性质稠度、塑性、胀缩、透水、毛细性物理性质在一定程度上决