1

工程地質

土的分類與工程地質性質4.1概述土的形成土巖石風化、搬運、沉積地質成巖作用土的組成、結構和物理力學性質土的形成與風化作用物理風化化學風化生物活動巖石和土的粗顆粒受各種氣候等物理因素的影響產生脹縮而發生裂縫,或在運動過程中因碰撞和摩擦而破碎是顆粒大小發生量的變化礦物成分與母巖相同，稱

原生礦物產生無黏性土4.2土的成因類型與特征母巖表面和碎散的顆粒受環境因素的作用而改變其礦物的化學成分，形成新的礦物顆粒成分發生質的變化礦物成分與母巖不同，稱

次生礦物形成十分細微的土顆粒，最主要為黏性顆粒及可溶鹽類土的形成與風化作用物理風化化學風化生物活動4.2土的成因類型與特征包括植物、動物和土壤微生物的作用可加劇物理和化學風化構成土中有機質和營養物質的生物循環導致腐殖質的形成，改變土壤的結構土的形成與風化作用物理風化化學風化生物活動4.2土的成因類型與特征土中氣體氣相次要作用固體顆粒固相構成土體骨架

起決定作用土中水液相重要影響土體的三相構成飽和土：土體孔隙完全被水充滿干土：土體孔隙完全被氣充滿非飽和土：孔隙中水和氣均存在4.3土的組成與結構、構造固體顆粒-顆粒大小粒組：按粗細進行分組，將粒徑接近的歸成一類界限粒徑d(mm)礫石砂粒粉粒黏粒膠粒6020.0750.0050.0020.250.5520粗

中

細粗

中

細0.075粗粒細粒粗粒土：以礫石和砂粒為主要組成的土，也稱無黏性土細粒土：以粉粒、黏粒和膠粒為主要組成的土，也稱黏性土巨粒604.3.1土的固相固體顆粒-粒徑級配粒徑級配：各粒組的相對含量，用質量百分

數來表示

分析方法：篩分法：適用于粗粒土

孔徑大小不同的篩子

水分法：適用于細粒土常采用比重計法表述方法:

粒徑級配累積曲線4.3.1.1土的粒組劃分固體顆粒-粒徑級配篩分法適合

于粗粒徑（d>0.075mm）密度計法適合于細粒徑（d<0.075mm）4.3.1.1土的粒組劃分

土粒粒組的劃分固體顆粒-粒徑級配孔徑105.02.01.00.50.250.075200g土篩余0101618242246641009080706050403020100小于某粒徑之土質量百分數P（％）105.01.00.50.100.050.01粒徑

(mm)P100958778665532土的粒徑級配累積曲線水分法粒徑(mm)0.050.010.005P(%)2613.510篩分法4.3.1.2土的粒度分析土的粒徑級配累積曲線固體顆粒–

級配曲線斜率:

某粒徑范圍內顆

粒的含量

陡-相應粒組含量多

緩-相應粒組含量少

平臺-相應粒組缺乏特征粒徑

d50:平均粒徑d60:控制粒徑d10

:有效粒徑d30:中值粒徑1009080706050403020100小于某粒徑之土質量百分數（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)d60d50d30d104.3.1.2土的粒度分析固體顆粒–

級配曲線土的粗細度：用d50

表示土的不均勻程度：

不均勻系數Cu=d60/d10Cu

5為不均勻土，反之稱為均勻土連續程度:

曲率系數

Cc=1~3為連續級配，反之為不連續級配土的粒徑級配累積曲線1009080706050403020100小于某粒徑之土質量百分數（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)d60d50d30d104.3.1.2土的粒度分析1009080706050403020100小于某粒徑之土質量百分數（％）105.01.00.50.100.050.010.0050.001粒徑(mm)土的粒徑級配累積曲線d60d10d30曲線d60d10d30CuCcL0.330.0050.081663.98M0.0632.41R0.0300.545Cc=1

3,級配連續缺少小顆粒，Cc

缺少大顆粒，Cc

固體顆粒–曲率系數舉例4.3.1.2土的粒度分析粒組含量用于土的分類定名；不均勻系數Cu用于判定土的不均勻程度：

Cu

5為不均勻土；Cu

5為均勻土

曲率系數Cc用于判定土的連續程度：

Cc=1~3為級配連續土；Cc>3或Cc<1為級配不連續土不均勻系數Cu和曲率系數Cc用于判定土的級配優劣：

Cu

5且Cc=1~3為級配良好的土；如果Cu<5或Cc>3

或Cc<1為

級配不良的土粒徑級配曲線和指標的應用4.3.1.2土的粒度分析土中水結晶水礦物內部的水結合水吸附在土顆粒表面的水自由水電場引力作用范圍之外的水

土中冰由自由水凍成，凍脹融沉

水蒸氣存在孔隙空氣中4.3.2土的液相強結合水排列致密，密度>1g/cm3

冰點處于零下幾十度完全不能移動，具有固體的特性溫度略高于100

C時可蒸發弱結合水受電場引力作用，為黏滯水膜外力作用下可以移動不因重力而流動，有黏滯性

是黏性土表現出可塑性的原因黏土顆粒-----------------++++引力d水分子陽離子強結合水弱結合水自由水土中水–

結合水結合水：受顆粒表面電場作用力吸引而包圍在顆粒四周，不傳遞靜水壓力，不能任意流動的水4.3.2.1結合水毛細水：由于土體孔隙的毛細作用升至自由水面以上的水。毛細水承受表面張力和重力的作用重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用下可在土中自由流動土中水–

自由水自由水：不受顆粒電場引力作用的孔隙水hc毛細水重力水4.3.2.1自由水土中毛細現象

上升高度:πr2hcγw=2πrTcosα毛細水分布在土粒內部相互貫通的孔隙可以看成許多形狀不一、直徑互異、彼此連通的毛細管毛細升高與孔徑成反比粘土粉土砂土礫石分析對象:

水柱毛細水上升的高度和速度取決于土的孔隙、有效粒徑、土孔隙中吸附的空氣和水的性質等4.3.2.1自由水土顆粒縫隙處的彎液面r彎液面在非飽和土中，孔隙中含有水和氣，此時水多集中于顆粒間的縫隙處，稱毛細角邊水。由于毛細張力的作用，會形成如圖所示的彎液面，使毛細角邊水產生負壓力，顆粒則受正壓力。這是稍濕的砂土顆粒間存在假凝聚力的原因4.3.2.1自由水氣相-土中氣自由氣體：與大氣連通的氣體對土的性質影響不大封閉氣體：被土顆粒和水封閉的氣體

其體積與壓力有關。會增加土的彈性；阻塞滲流通道，降低滲透性溶解在水中的氣體吸附于土顆粒表面的氣體土中氣（氣相）4.3.3土的氣相4.3.4土的結構和構造土的結構指組成土的土粒大小、形狀、表面特征、土粒間的連結關系和土粒排列等因素形成的綜合特征。土的結構類型單粒結構：

土粒由于重力作用堆積而形成，根據顆粒排列的緊密程度不同，還可以分為松散結構和緊密結構兩種類型。集合體（團聚）結構：

細粒土具膠體特性，在水中一般凝聚成較復雜的集合體進行沉積，形成團聚結構。4.3.4土的結構和構造土的構造

指在一定土體中結構相對均一的土層單元的形態和組合特征。層狀構造：土層由不同顏色，不同粒徑的土組成層理。分散構造：土層中土粒分布均勻，性質相近，如砂、卵石層。結合狀構造：在細粒土中摻有粗顆粒或各種結核。如含有疆石的粉質粘土，含礫石的冰磧土等。定義：土單位體積的質量表達式：單位:kg/m3

或g/cm3一般范圍:1.60~2.20g/cm3測定方法：環刀法或蠟封法土的密度

空氣水固體ma=0mwmsm質量VaVwVsVvV體積相關指標:土的重度

=

g單位:kN/m3

工程上更常用,用于計算土的

自重應力基本試驗指標-土的密度4.4土的物理力學性質定義：土粒的密度與4?C時

純蒸餾水密度的比值表達式：單位:無量綱一般范圍：黏性土2.70~2.75，砂土2.65測定方法：比重瓶法土粒比重Gs基本試驗指標-土粒比重=1.0g/cm3土粒比重在數值上等于土粒的密度空氣水固體ma=0mwmsm質量VaVwVsVvV體積4.4.1土的三相比例指標基本試驗指標-含水量定義：土中水的質量與土粒質

量之比，用百分數表示表達式：單位:無量綱一般范圍：變化范圍大測定方法：烘干法注意:其實是含水比,可達到或超過100％土的含水量W空氣水固體ma=0mwmsm質量VaVwVsVvV體積4.4.1土的三相比例指標表示土中含水程度的指標對干土：Sr=0對飽和土：Sr=1含水量：飽和度：土中水的體積與孔隙體積的比值飽和度表示孔隙中充滿水的程度：空氣水固體ma=0mwmsm質量VaVwVsVvV體積4.4.1土的三相比例指標可表示同一種土的松密，二者之間存在關系：表示土中孔隙含量的指標砂類土：28-35%黏性土：30-50%，有的可達60-70%孔隙比e：土中孔隙體積與固體顆粒體積之比,為無量綱孔隙率(孔隙度)n：土中孔隙體積與總體積之比,用百分數表示可用三相草圖推出空氣水固體ma=0mwmsm質量VaVwVsVvV體積4.4.1土的三相比例指標無黏性土一般指碎石土和砂土，黏性土的密實度是判定其工程性質的重要指標。4.4.2無黏性土的物理狀態指標相對密實度Dr：式中：emax為最大孔隙比，e為天然孔隙比，

emin最小孔隙比密實程度疏松中密密實相對密度0<Dr≤0.330.33<Dr≤0.670.67<Dr≤1密實程度分類：黏性土最主要的物理狀態特征是它的稠度。稠度是指土的軟硬程度或土對外力引起變形或破壞的抵抗能力稠度狀態與含水量有關黏性土含水量較硬變軟流動黏性土的稠度狀態4.4.3黏性土的物理狀態指標塑限wp液限wL黏性土的稠度反映土中水的形態固態或半固態可塑狀態流動狀態強結合水弱結合水自由水w土顆粒強結合水弱結合水土顆粒強結合水土顆粒自由水弱結合水強結合水強結合水膜最大測定方法：搓條法出現相當數量自由水測定方法：液限儀黏性土的稠度狀態稠度界限稠度狀態含水量土中水的形態示意圖4.4.3黏性土的物理狀態指標液性指數：wpwwL

IL

0堅硬(半固態)0<IL

0.25 硬塑0.25<IL

0.75 可塑0.75<IL

1 軟塑

IL>1 流塑土的稠度狀態–液性指數不同的黏土，wp、wL

大小不同。對于不同的黏土，含水量相同，稠度可能不同液性指數是表征土的含水量與分界含水量之間相對關系的指標。對重塑土較為合適。4.4.3黏性土的物理狀態指標塑性指數問題：反映的是全部土顆粒吸附結和水的能力，不能充分反映黏土礦物表面活性的高低活性指數：粒徑小于0.002mm顆粒的質量占總土總質量的百分比A<0.75 非活性黏土A=075–1.25 正常黏土A>1.25 活性黏土定義：大體上表示土的弱結合水含量反映吸附結合水的能力，即黏性大小大致反映黏土顆粒含量常作為細粒土工程分類的依據4.4.3黏性土的物理狀態指標土的力學性質包括土的強度性質及變形性質，分別由土的抗剪性及壓縮性來表示.直剪試驗的強度包線

1

2

3

Oc庫侖公式：（1776）

f1

f2

f3

SPT土樣下盒上盒S面積A4.4.4土的力學性質土的壓縮性：是指土在壓力作用下體積變小的特性

土的固結：土的壓縮隨時間變化的過程

特點:1)土體的壓縮變形主要是其孔隙體積的減小土粒壓縮水和氣壓縮水和氣被擠出孔隙體積減少2)土體的壓縮變形需要經過一定時間才能趨于穩定土的壓縮性4.4.4土的力學性質百分表試樣環刀初始加載Es卸載和重加載Ee體積壓縮系數：單位壓應力變化引起的單位體積的體積變化側限壓縮（變形）模量

kPa，MPa壓縮系數

kPa-1，MPa-14.4.4土的力學性質巖石碎石土砂土粉土黏性土人工填土土漂石塊石圓形及亞圓形為主棱角形為主粒徑大于200mm的顆粒超過全質量50%卵石碎石圓形及亞圓形為主棱角形為主圓形及亞圓形為主棱角形為主圓礫角礫粒徑大于20mm的顆

粒超過全質量50%粒徑大于2mm的顆粒超過全質量50%名稱顆粒形狀粒組含量建筑地基基礎規范GB50007-20114.5土的工程分類

工程地質特征:單粒結構,顆粒間無連結，孔隙率大，透水性強，壓縮性小，內摩擦角大，地基強度高土的名稱粒組含量粒徑大于2mm的顆粒占全質量25-50%礫砂粗砂中砂細砂粉砂粒徑大于0.5mm的顆粒超過全質量50%粒徑大于0.25mm的顆粒超過全質量50%粒徑大于0.075mm的顆粒超過全質量85%粒徑大于0.075mm的顆粒超過全質量50%巖石碎石土砂土粉土黏性土人工填土土工程地質特征:顆粒間無連結，散粒結構，孔隙率中等，透水性強，壓縮性小，內摩擦角，地基強度(中、粗砂較好,細、粉砂較差)4.5土的工程分類

土黏性土：塑性指數Ip>10的土粉質黏土：10<Ip

17的土黏土：

Ip>17的土非活性黏土：A<0.75正常黏土：A=075–1.25活性黏土：A>1.25粉土：粒徑大于0.075mm的顆粒含量小于全質量50%而塑性指數Ip

10的土巖石碎石土砂土粉土黏性土人工填土工程地質特征:介于于砂土與粘性土之間工程地質特征:有粘性，透水性小，壓縮性大，軟硬狀態隨含水量變化而變化，有脹縮性4.5土的工程分類

混合土粗細粒混雜的土，其中細粒含量較多。這種土如按顆粒組成分類，可定為砂土甚至碎石土，而其可通過0.05mm篩后的數量較多又可進行可塑性試驗，按其塑性指數又可視為粉土或黏性土。4.5土的工程分類

4.6一般土的工程地質性質碎石土主要由巖石碎屑或石英、長石等原生礦物組成，顆粒粗大，單粒結構，常具有孔隙大、透水性強、壓縮性低、抗剪強度高等特點。砂類土主要由石英，長石及云母等原生礦物構成，一般沒有聯結，呈單粒結構，具有強透水性、低壓縮性、較高強度等特點。黏性土黏粒含量較高，常含有親水性黏土礦物，具有水膠聯結和團聚結構，孔隙微小而多。壓縮量大，抗剪強度主要取決于內聚力，內摩擦角較小。工程性質主要取決于黏粒含量、稠度、孔隙比。特殊土某些具有特殊物質成分和結構、工程性質也較特殊的土。是在一定的條件下形成的，其分布有明顯的區域性特征。4.7特殊性土的工程地質性質西北、華北干旱氣候區的黃土沿海及內陸靜水沉積的軟土高緯度、高海拔寒冷氣候區的凍土西南亞熱帶濕熱氣候條件下的紅黏土南方和中南地區的膨脹土西北、華北干旱氣候區的鹽漬土各地人類工程活動的人工填土黃土（原生黃土）風力搬運沉積而成，又未經次生擾動，粉砂堆積為主、質地均一、富含鈣質結核、疏松多孔、無層理、有顯著垂直節理、具很強的濕陷性、黃色粉質的土狀未固結或半固結沉積物稱為黃土。次生黃土其他成因的、黃色的、略具層理和夾有砂、礫石層類似黃土堆積的土狀沉積物(也稱黃土狀土)。4.7.1黃土中國黃土分布面積約63×104km2，占中國陸地總面積的4.4%。次生黃土覆蓋面積20×104km2，占全國陸地總面積的1.9%。我國黃土主要展布于秦嶺、祁連山、昆侖山以北，尤其是黃河中游區。由老到新分為午城黃土、離石黃土、馬蘭黃土及全新世黃土。研究意義：黃土的濕陷性，常導致地基沉陷、邊坡失穩及滲漏等地質災害；黃土區水土流失則為另一重要的地質災害。4.7.1.1黃土的分布1、粒度成分主要由0.05-0.0005mm粒徑顆粒組成，其中以0.05-0.01mm的粗-中粒粉砂為主，其平均含量可達46%-60%，此外還含少量細砂和粘土，是一種第四紀特有的砂巖。劉東生院士據中國各地黃土顆粒分析和相變化，將黃土分為沙黃土、黃土和粘黃土：（1）沙黃土細沙含量>30%，粘粒<15%。（2）黃土細沙含10—30%，粘粒占15—25%。（3）粘黃土細粒含量<15%,粘土含量>25%。4.7.1.2黃土的基本特征從粒度成分可知黃土是由碎屑和基質組成，碎屑以粉土為主，基質為粘土。碎屑多呈棱角（如石英）、半棱角（長石)；磨圓度受礦物硬度影響；同種礦物成分的碎屑，粒粗的磨圓好，粒細的磨圓差，與黃土的搬運方式和環境有關。基質粘土及比例不定的粒級<0.005mm的鹽類物質，主要是碳酸鹽。接觸式、接觸—基底式和基底式。以最后一種固結較好，前兩類較松散。工程上，膠結類型分析較重要。碎屑與基質的三種膠結類型：2、礦物成分多達60余種。碎屑礦物以輕礦物（比重<2.9）為主，石英（50%以上）、長石（29%-34%）、白云母（10%）、方解石、白云石、石膏等。重礦物僅占4%-7%，為磁鐵礦、赤鐵礦、輝石和角閃石等。3、化學成分以SiO2(>50%),CaO(10-20%)和Al2O3(8-15%)為主,其次Fe2O3(4-5%),MgO(2-3%)和K2O(2%)等。4、黃土具有濕陷性。在上覆土層自重應力作用下，或者在自重應力和附加應力共同作用下，因浸水后土的結構破壞而發生顯著附加變形的土稱為濕陷性土，屬于特殊土。4.7.1.2黃土的基本特征4、黃土具有濕陷性。黃土濕陷性評價濕陷系數：單位厚度的土樣所產生的濕陷變形，以小數表示。名

稱相對濕陷系數δs非濕陷性黃土δs﹤0.015濕陷性黃土δs≥0.015濕陷作用強烈程度濕陷系數弱濕陷性δs≤0.03中等濕陷性0.03＜δs≤0.07強濕陷性δs＞0.07濕陷性黃土濕陷作用強烈程度的劃分黃土濕陷性與非濕陷性的劃分依據《公路土工試驗規程》濕陷類型非自重濕陷性場地自重濕陷性場地計算自重濕陷量△zs(mm)△zs<7070<△zs≤350△zs>350總沉陷量△s(mm)△s<300Ⅰ(輕微)Ⅱ（中等）—300<△s≤600Ⅱ（中等）Ⅱ（中等）或Ⅲ（嚴重）Ⅲ（嚴重）△s>600—Ⅲ（嚴重）Ⅳ（很嚴重）注：當300mm<△s<500mm，70mm<△zs<300mm時，定為Ⅱ級；當500mm≤△s≤600mm，300mm≤△zs≤350mm時，定為Ⅲ級。《公路路基設計規范》4.7.1.2黃土的基本特征4、黃土具有濕陷性。濕陷性黃土地基處理的目的：主要是通過消除黃土的濕陷性，提高地基的承載常用的地基處理方法有：土或灰土墊層、土樁或灰土樁、強夯法、重錘夯實法、樁基礎、預浸水法等對于Ⅱ級以上濕陷性黃土地基處理如采用土或灰土墊層、土樁或灰土樁、樁基礎預浸水法，不同程度存在工作量大、花費勞力多、施工現場占地大、工期長、造價高等缺點。近幾年來，強夯法以其處理地基施工簡便、速度快、效果好、造價低等優點，在全國濕陷性黃土地區得到廣泛應用和推廣。濕陷性黃土地基處理4.7.1.2黃土的基本特征4、黃土的結構5、垂直節理發育。其產生一是重力作用，使黃土內部出現水平張應力；二是黃土中的鉛直裂隙，削弱了水平方向的結合力，因而沿鉛直方向易產生裂隙。6、孔隙率高達40-50%。除粒間小空隙外，還發育肉眼可見的管狀孔隙（如蟲孔、根孔等），隨著黃土地層時代的變老，孔隙率降低。4.7.1.2黃土的基本特征軟土泛指天然孔隙比大于或等于1.0，天然含水量大于液限，含有較多有機質，且疏松多孔的細粒土，軟土生成于緩慢流動的流水環境和靜水環境。4.7.2軟土分類土的名稱劃分標準備

注淤泥e≥l.5，w＞wL或IL>1e—天然孔隙比w—天然含水量wL—液限IL一液性指數Wu—有機質含量淤泥質土1.0≤e＜l.5，w＞wL或IL>1泥炭Wu>60%泥炭質土10%<Wu

≤60%工程特性：4.7.2軟土含水量高，天然含水量>液限，軟塑－流塑狀態。透水性低，水平向滲透系數較大。壓縮性大，強度低，欠壓密狀態。顯著的蠕變和觸變性(高靈敏度)。蠕變：在一定荷載下，土的剪切變形隨時間增長的特性。觸變：土受擾動后強度降低，但隨時間增長強度能部分恢復的性能紅黏土：酸鹽類巖石（石灰巖，白云巖，泥質泥巖等），在亞熱帶溫濕氣候條件下，經風化而成的殘積、坡積或殘-坡積的褐紅色、棕紅色或黃褐色的高塑性粘土分布：紅土是一大類，主要分布在熱帶和亞熱帶地區,地理位置約在北緯35到南緯35。形成：由碳酸鹽類巖石在濕熱氣候條件下，經強烈風化作用而形成的高塑性黏土。4.7.3紅土與紅黏土工程特性：高含水量、高塑性，硬塑或可塑狀態。孔隙比大、低密度、孔隙飽水。壓縮性低、強度高、地基承載力高。浸水后膨脹量小，但失水后收縮劇烈。4.7.3紅土與紅黏土低含水量，呈堅硬－硬塑狀態；孔隙比小，密度大；高塑性，含黏粒及粉粒為