土质学(第1章)

华南理工大学岩土工程课程名称：土质学参考文献：1普通土力学的土质学内容2岩土工程土性分析原理（美·Mitchell著）华南理工大学岩土工程2006.91第一章土的成因分析与特殊土§1.1土的形成§1.1.1土体形成的外力作用1．土体形成的地质循环◆土体材料的特点土体为一种特殊的工程材料，是三相（固-液-气）多孔介质。土的形成是在自然界外力作用下逐步形成的，是地球的地质循环过程的产物。◆地质循环地壳运动剥蚀作用沉积作用成岩作用|_________________________________其中：剥蚀作用和沉积作用形成天然土体2．外力作用分类土体形成的主要外力包括：风化作用、剥蚀作用、搬运作用和沉积作用。◆风化作用在温度变化、气体、水及生物等综合作用下，使地壳层的岩石发生破碎和分解的一种作用（包括化学风化和物理风化）。◆剥蚀作用将岩石风化破碎的产物从原处（母体）中剥离下来的作用。除了风化作用以外的所有的破坏作用，如河流、大气降水、地下水、海洋、湖泊、风力等的破坏作用。◆搬运作用岩石经风化、剥蚀破坏的产物被水流、风、冰川（融化）等搬运到别处的作用。◆沉积作用物质在搬运过程中，由于搬运能力的消弱或物理化学条件的改变、生物作用等，被搬运的物质从搬运介质中分离出来，形成沉积物的过程。§1.1.2外力作用简介1．物理风化作用在地表或接近地表条件下，岩石矿物在原地产生机械破碎而不改变其化学成分的过程称为物理风化作用。物理包括：岩石的释重作用、温度作用、水的冻结与融化作用、可溶盐的结晶与潮解作用等。◆释重作用地表剥蚀地层压应力减小岩石产生节理促进水、空气进入加快风化原地表现地表图1-1岩石释重作用◆温度变化作用如日周期温度作用下，白天温度高，岩石外热内冷，表面岩石膨胀受内部岩石约束而受压应力形成水平裂纹；夜间情况相反，而受拉应力形成竖向裂纹。纵横裂纹分割岩石，使之破碎。又如温度变化时，由于不同矿物（如①②等）的膨胀系数不同，使晶面变形不协调而开裂；即使单晶体，由于各向异性，不同方向（如①②方向）的温度变形不同而使岩石破碎。温度变化幅度和速度对岩石破碎影响明显。2地表①②③④①②图1-2温度变化作用◆水的冻结与融化作用液态水体积小，结冰水体积大，温度变化时，岩石裂隙中的水产生：结冰融化，使岩石产生周期的胀裂应力，使裂纹扩展，水进一步进入，周而复始，加快岩石破碎。图1-3水的冻结与融化作用◆可溶盐的结晶与潮解作用产生与水的冻结与融化类似的使岩石破碎的作用。2．化学风化作用在地表或接近地表条件下，岩石、矿物在原地发生化学变化并可产生新矿物的过程叫化学风化作用。引起化学作用的主要因素是水和氧。水都溶解有多种气体和化合物的水溶液。水溶液可通过溶解、水化、水解、碳酸化、氧化等方式促使岩石化学风化。氧的作用方式是氧化作用。化学风化包括：溶解作用、水化作用、水解作用、碳酸化作用、氧化作用等。◆溶解作用水能直接溶解组成岩石的矿物，使岩石遭到破坏。最容易溶解的是卤化盐类(岩盐、钾盐)，其次是硫酸盐(石膏、硬石膏)，再其次是碳酸盐类(石灰岩、白云岩等)。其它矿物溶解度极低。岩石长期与水接触，其中的可溶性矿物就逐渐地被水溶解，形成溶洞、溶穴等溶蚀地貌。岩石的溶解过程一般十分缓慢，但当水温增高和压力增大，特别水中含有侵蚀性的CO2而发生碳酸化合作用时，水的溶解作用就会显著增强。◆水化作用矿物与水接触后和水发生化学反应，吸收一定的水到矿物中，形成含水矿物，这种作用称为水化作用。如硬石膏经过水化作用变为石膏CaSO4+2H2OCaSO4·2H2O硬石膏石膏含水矿物的硬度一般低于无水矿物，由于在水化过程部分水分子结合到物质的成分之中，改变了原有矿物的成分，引起体积膨胀，对岩石也具有一定的破坏作用。对于含有硬石膏地层的隧道施工，应考虑这种压力引起支撑、衬砌的破坏作用。◆水解作用有些矿物遇水后离解形成离子，与水的H+和OH–离子起化学作用形成新的化合物，这种作用称为水解作用。造岩矿物大部分是硅酸盐类，都是弱酸强碱盐，所以经水解作用而分解的现象是很普遍的。如：4K(AlSi3O8)+6H2O4KOH+8SiO2+Al4(Si4O10)(H2O)8正长石（硅铝酸钾）（SiO2胶状）高岭石其中易溶的KOH形成溶液被水带走。分解出来的SiO2在有强碱钾盐的碱性溶液中不能凝聚而成胶体溶液也被水带走。结果只有高岭石被残留下来，高岭石进一步分解形成铝土矿。高岭石铝土矿（Al2O3·nH2O）3◆碳酸化作用当水中溶有CO2时，水溶液中除H+和OH–离子外，还有CO3––和HCO–离子，碱金属及碱土金属与之相遇会形成碳酸盐，这种作用称为碳酸化作用。硅酸盐矿物经碳酸化作用，其中碱金属变成碳酸盐随水流失。碱金属（K、Ca、Na等）碳酸化作用碳酸盐（可溶）正长石碳酸化作用高岭石、硅酸、碳酸钾（可溶）石灰岩、白云岩碳酸化作用重碳酸钙Ca(HCO3)2（易溶）◆氧化作用岩石矿物中的有机化合物、低价氧化物和硫化物等与氧作用产生氧化反应形成新的矿物的过程称为氧化作用。如FeS2(黄铁矿)氧化FeO3·nH2O(褐铁矿)+硫酸比重、强度强腐蚀氧化形成的硫酸对岩石产生强腐蚀，使岩石产生斑点、洞穴，因此，含黄铁矿的岩石不能作为建材。上述的化学风化作用基本上有水的参与，在温暖、潮湿的地区最为活跃，进行得也比较彻底。3．生物风化作用岩石在动植物和微生物影响下的破坏作用称为生物风化作用，其主要发生在岩石的表面和土中，既有机械的，也有化学的。◆生物机械风化作用生物的机械风化作用主要通过生物的生命活动来进行的。如植物根系在岩石裂隙中生长，不断契裂岩石，使裂隙扩大，从而引起岩石崩解。又如穴居动物田鼠、蚂蚁和蚯蚓等不停地挖掘洞穴，使岩石破碎、土粒变细。◆生物的化学风化作用生物的化学风化作用是通过生物的新陈代谢和生物死亡后的遗体腐烂分解来进行的。植物和细菌在新陈代谢过程中能析出有机酸、硝酸、亚硝酸、碳酸和氢氧化铵等溶液而腐蚀岩石。生物死亡后遗体聚集，逐渐形成腐植质，它一方面可为植物生长提供养分，另一方面因含有有机酸，对岩石、矿物也有腐蚀作用。生物，特别是微生物的化学风化作用是很强烈的。岩石、矿物经过物理、化学风化作用以后，再经过生物的化学风化作用，就不再是单纯的无机组成的松散物质，它具有植物生长必不可少的腐植质。这种具有腐植质、矿物质、水和空气的松散物质叫土壤。4．水流的搬运作用水流的搬运作用主要是指利用水流的动能,把从岩体中通过风化、剥蚀作用形成碎屑从一处搬运到另一处的作用过程。主要包括：暂时流水的冲刷作用和河流搬运作用。◆坡面细流的冲刷作用雨水降落到地面或覆盖地面的积雪融化时，其中—部分被蒸发，一部分渗入地下，剩下部分形成无数的网状坡面细流，从高处沿斜坡向低处缓慢流动，时而冲刷，时而沉积，不断把坡面的风化岩屑和粘土物质沿斜坡线下移动，最后，在坡脚或山坡低凹处沉积下来形成坡积层。坡面冲刷特点：①雨水、融雪水对整个坡面进行的这种冲刷作用比较均匀、缓慢，在短期内并不显著，其对山坡地貌起着逐渐变缓和均夷坡面起伏的作用，对坡面地貌形态的发展发生影响；②冲刷作用的强度和规模，在一定的气候条件下与山坡的岩性、风化程度和坡面植物覆盖程度有关。41—基岩2—坡基层图1-4坡面细流的冲刷形成坡积层（斜裙状）◆山洪急流搬运作用山洪急流一般由暂时性的暴雨或积雪急剧消融形成。山洪急流大部沿着凹形汇水斜坡向下倾泻，具有较大的流量和很大的流速，经常形成泥石流灾害。在流动过程中发生显著的线状冲刷，形成冲沟，并把冲刷下来的碎屑物质夹带到山麓平原或沟谷口堆积下来，形成洪积层。洪积层形成：洪积层由山洪急流搬运的碎屑物质组成，当山洪夹带大量的泥砂石块流出沟口后，由于沟床纵坡变缓，地形开阔，水流分散，流速降低，搬运能力骤然减小，所夹带的石块、岩屑、砂砾等粗大碎屑先在沟口堆积下来，较细的泥砂继续随水搬运，多堆积在沟口外围一带。由于山洪急流的长期作用，在沟口一带就形成了扇形展布的堆积体，在地貌上称为洪积扇。洪积扇的规模逐年增大，有时与相邻沟谷的洪积扇互相连接起来，形成规模更大的洪积裙或洪积冲积平原。图1-5山前洪冲扇剖面◆河流的搬运作用河水搬运作用通常伴随侵蚀和堆积作用，使河床形态不断发生变化，并形成冲积层（随后介绍）。河流的侵蚀：包括下蚀和侧蚀（改变河流地貌），河流的侵蚀一定程度上是通过搬运进行和维持的。河流搬运：河流夹带的泥沙、石块等物质离开原地，在下游堆积形成冲积层——山区河谷冲积层（河床冲积层、河漫滩冲积层）和平原河谷冲积层（三角洲沉积层、平原河谷冲积层）。河流的搬运能力与流量和流速有关，流量一定时，与流速的平方成正比。搬运的物质主要来自谷坡冲刷、崩塌、滑坡的产物和冲沟内洪冲刷产物及对河床侵蚀的产物。河流搬运形式：浮运——一些颗粒小、比重小的物质悬浮于水中的搬运（如黄河的搬运）。推移——比较粗大的物质颗粒，如砂粒、砾石等，受河流冲击沿河床推移前进。溶运——某些可溶物质（如可溶盐类）溶解于水中随水流走。河流侧蚀对河流地貌影响：（a）河谷加宽（b）河流侧蚀（c）河弯处横向环流图1-6河流的侧蚀作用图1-7河流侧蚀改变地貌55．沉积作用水流搬运物质过程中，随着能量不断损失，当所夹带的物质超过搬运能力时，物质就会在重力作用下沉积下来，形成冲积层。冲积层具有如下的主要特征：◆沉积的物质组成冲积层的物质主要是泥砂、砾石等机械破碎物质和化学溶解物的沉淀物质。沉淀物质在海洋、湖泊等静流中形成。◆沉积分选性冲积层通常具有明显的分选性，上游沉积的物质颗粒粗大，下游沉积的物质颗粒细小，河床底部沉积物质颗粒粗大，上部沉积物质颗粒细小。◆沉积物的层理性由于气候条件的周期性，引起沉积条件的周期变化，而使冲积层的物质分布具有明显的层理结构特征。§1.2地层类型及其主要特征由土体组成的地层主要分为两种类型：（风化）残积层和冲积层。残积层由是的风化作用形成，在地球表面具有广泛的分布范围。冲积层由河流搬运和沉积作用形成，包括：洪积层和（河流）冲积层。§1.2.1残积土层及其主要特征1．风化地层分布岩石的风化由表及里，地表岩石受风化作用的影响最显著，由地表往下风化作用的影响逐渐减弱以至消失，因此在风化剖面的不同深度上，岩石的物理力学性质也会有明显的差异。从地质学和土质学的角度，一般把风化岩层自下而上分为四个带。整石带块石带碎石带粉碎带(土)基岩图1-8风化地层分布◆整石带肉眼看不出岩石凤化碎裂迹象，外观上与新鲜岩石无明显的区别，但岩石颗粒间的联结因受风化的影响而受到一定的削弱，抗压和抗剪强度有所降低。◆块石带岩石的原有裂隙已扩展，并产生大量的风化裂隙，将岩石分割成不同大小的碎块，在裂隙面上出现次生矿物，力学性质与整石带已有明显区别，抗压和抗剪强度显著降低，渗透性增强。◆碎石带由一触即碎的母岩碎石和大量风化矿物组成，有时有可溶盐析出，渗透性所有减小，抗压和抗剪强度大为降低。◆粉碎带岩石已彻底风化破坏，残余的原生矿物已经粉碎，基本上由风化产生的细粒次生矿物组成，渗透性很低，抗剪强度小，压缩性大，并产生了粘性、可塑性、膨胀性和收缩性等一系列新的性质。2．残积土层及其主要特性地表岩石经过长期风化作用后，改变了矿物成分、结构和构造，形成和原来岩石件质不同的风化产物，其中除一部分易溶物质被水溶解流失外，大部分物质残留在原地，这种物质称为残积物，这种风化层称为残积层。◆残积层成分残积层成分与原岩有密切关系：酸性岩浆岩残积层——含有由长石分解而形成的粘土矿物并富含石英颗粒的砂土为其特征。6石灰岩残积层——多为含石灰岩碎石的钙质亚粘土或粘土。石英砂岩残积层——一般为砂层。◆残积层特征残积层中的碎屑物质大小不均匀、棱角显著，无分选、无层理。有时保存原兴的残余构造，或者由于不同深度上的风化程度不同，而呈现假层理。残积层与下伏母岩没有明显界限，是逐渐过渡的。残积层在平缓的山顶和山坡上较厚，而在易道冲刷的较陡山坡上厚度小。◆残积层工程地质性质主要取决于矿物成分、结构和构造等因素。残积层具有较多的孔隙和裂缝，易遭冲刷，强度和稳定性较差。由于残积层孔隙多，且成分和厚度