土的工程地质性质

土木工程地质学 Geology in Civil Engineering,3.1 土的成因类型 3.2 土的物质组成及工程分类 3.2.1土的物质组成及结构构造 3.2.2土的工程分类 3.3 特殊土的主要工程地质性质 2.3.1地质年代的表示方法 2.3.2时间地层单位与地质年代表,土的工程地质性质,3.1 土的成因类型,1. 残积土(Qel) 形成原因：岩石经风化后未被搬运的原岩风化剥蚀后的产物，其分布主要受地形的控制，如在宽广的分水岭地带及平缓的山坡，残积土较厚。,1）一般呈棱角状，无层理构造，孔隙度大； 2）存在基岩风化层（带），土的成分和结构呈过渡变化。,工程特征,石灰岩残积物,（1）建筑物地基不均匀沉降，原因土层厚度、组成成分、结构及物理力学性质变化大，均匀性差，孔隙度较大； （2）建筑物沿基岩面或某软弱面的滑动等不稳定问题，原因原始地形变化大，岩层风化程度不一。,工程地质问题,2.坡积土（Qdl）,形成原因：经雨雪水洗刷、剥蚀、搬运，及土粒在重力作用下顺着山坡逐渐移动形成的堆积物，一般分布在坡腰上或坡脚下，其上部与残积土相接。,1）具分选现象； 2）下部多为碎石、角砾土；上部多为粘性土； 3）土质（成分、结构）上下不均一，结构疏松，压缩性高，土层厚度变化大。,工程特征,1）建筑物不均匀沉降； 2）沿下卧残积层或基岩面滑动等不稳定问题。,工程地质问题,3. 洪积土（Qpl）,形成原因：碎屑物质经暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流挟带在山沟的出口处或山前倾斜平原堆积形成的洪积土体。山洪携带的大量碎屑物质流出沟谷口后，因水流流速骤减而呈扇形沉积体，称洪积扇。,形态特征,1）具分选性； 2）常具不规划的交替层理构造，并具有夹层、尖灭或透镜体等构造； 3）近山前洪积土具有较高的承载力，压缩性低； 4）远山地带，洪积物颗粒较细、成分较均匀、厚度较大。,工程特征,洪积土一般可作为良好的建筑地基，但应注意中间过渡地带可能地质较差，因为粗碎屑土与细粒粘性土的透水性不同而使地下水溢出地表形成沼泽地带，且存在尖灭或透镜体。,工程地质问题,洪积扇,4. 冲积土（Qal） 形成原因：碎屑物质经河流的流水作用搬运到河谷中坡降平缓的地段堆积而形成，发育于河谷内及山区外的冲积平原中。根据河流冲积物的形成条件，可分为河床相、河漫滩相、牛轭湖相及河口三角洲相。,1）分布在河床、冲积扇、冲积平原或三角洲中，冲积层的成分非常复杂，河流汇水面积内的所有岩石和土都能成为该河流冲积层的物质来源。 2）分选性好、层理明显、磨圆度高。 3）分布广，表面坡度比较平缓，多数大、中城市都座落在冲积层上。 4）冲积层中的砂、卵石、砾石层常被选用为建筑材料。,工程特征,工程地质问题 （1）古河床相土压缩性低，强度较高，而现代河床堆积物的密实度较差，透水性强； （2）河漫滩相冲积物具有双层结构，强度较好，但应注意其中的软弱土层夹层； （3）牛轭湖相冲积土压缩性很高、承载力很低，不宜作为建筑物的天然地基； （4）三角洲沉积物常常是饱和的软粘土，承载力低，压缩性高，但三角洲冲积物的最上层常形成硬壳层，可作低层或多层建筑物的地基。 （5）道路多选择在冲积层上通过。,5.湖泊沉积物（Ql）,形成原因：分湖边沉积物和湖心沉积物两类，湖边沉积物由湖浪冲蚀湖岸形成的碎屑物质在湖边沉积而形成的，近岸带多为粗颗粒的卵石、圆砾和砂土，远岸带为细颗粒的砂土和粘性土；湖心沉积物由河流和湖流挟带的细小悬浮颗粒到达湖心后沉积形成的，主要是粘土和淤泥，常夹有细砂、粉砂薄层。,湖边沉积物具有明显的斜层理构造，近岸带土的承载力高，远岸带则差些；湖心沉积物压缩性高，强度很低；若湖泊逐渐淤塞，则可演变为沼泽，形成沼泽土，主要由半腐烂的植物残体和泥炭组成的，含水量极高，承载力极低，一般不宜作天然地基。,工程特征,6.海洋沉积物（Qm）,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的层理构造，其承载力较高，但透水性较大。 浅海沉积物：主要由细粒砂土、粘性土、淤泥和生物化学沉积物（硅质和石灰质）组成，有层理构造，较滨海沉积物疏松、含水量高、压缩性大而强度低。 陆坡和深海沉积物：主要是有机质软泥，成分均一。 海洋沉积物：在海底表层沉积的砂砾层很不稳定，随着海浪不断移动变化，选择海洋平台等构筑物地基时，应慎重对待。,7.冰积土和冰水沉积土（Qgl）,冰积土和冰水沉积土是分别由冰川和冰川融化的冰下水进行搬运堆积而成，其颗粒以巨大块石、碎石、砂、粉土及粘性土混合组成。一般分选性极差，无层理，但冰水沉积常具斜层理。颗粒呈棱角状，巨大块石上常有冰川擦痕。,8. 风积土（Qeol） 风积土是指在干旱的气候条件下，岩石的风化碎屑物被风吹扬，搬运一段距离后，在有利的条件下堆积起来的一类土。颗粒主要由粉粒或砂粒组成，土质均匀，质纯，孔隙大，结构松散。最常见的是风成砂及风成黄土，风成黄土具有强湿陷性。,土的定义：岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，在原地或经过不同的搬运方式，在各种地质环境中形成的堆积物。,3.2 土的物质组成和工程分类,影响土的组成的主要因素: 母岩成分(原生矿物，次生矿物) 风化性质（物理、化学、生物风化） 搬运过程（水、风、重力） 堆积的环境（河、湖、海、沙漠）,土的（三相）组成,固体颗粒 水 气体,（a）实际土体；（b）土的三相图；（c）各相的质量与体积 图 1-1 土的三相图,一、土的固相,土的固相物质包括无机矿物颗粒和有机质，是构成土的骨架最基本的物质，称为土粒。对土粒应从其矿物成分、颗粒的大小和形状来描述。,1、矿物成分,原生矿物: 主要为石英、长石、角闪石、云母等，是组成卵石、砾石、砂粒等的主要成分。 特点：颗粒粗大、物化性质稳定，对土的工程性质的影响取决于颗粒形状、坚硬程度等因素 不溶水次生矿物：主要为粘土矿物、次生石英、氧化物等。特点： 高度分散状态，很高的表面能、亲水性、膨胀性和压缩性。 可溶岩类和易分解矿物：主要为氯化物、钠盐等。 特点：遇水溶解。 有机质 ：主要为生物残骸。 特点：遇水溶解强度显著降低。,2、土的粒度成分,土颗粒构成土的骨架主体，性质稳定、变化小； 土颗粒大小与矿物成分决定土的工程性质。,粒组：界于一定粒径（颗粒直径）范围内的土粒； 粒度成分（颗粒级配）：不同粒组颗粒的相对含量； 比表面：单位体积所具有的土粒的总表面积。,土粒粒组的划分,粒度成分对土工程性质影响的实质：,组成土的颗粒大小影响，土体颗粒大小影响土颗粒的比表面积：,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：,粒度分析方法及应用,1) 颗分试验筛分法与密度计法,颗粒级配曲线,粒径d(mm),1,2,2)几个指标：,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。 限定粒径d60：小于某粒径的土粒重量累计百分 数为60%时,相应的粒径。,不均匀系数cu： d60与d10之比。 cu愈大，则土粒愈不均匀，曲线平缓，易得到较 小的空隙比。 cu小于5的土为均匀土，大于10的土为不均匀土， 级配良好 曲率系数cc ： (d30) 2/ (d10 * d60 ) cc=13的土为不均匀土，级配良好; cc1或3，粒度不连续,二、土的液相（土中水）,结晶水 （强、弱）结合水 自由水 土的液相是指存在于土孔隙中的水。 通常认为水是中性的，在零度时冻结。 但实际上土中的水是一种成分非常复杂的电解质水溶液，它和亲水性的矿物颗粒表面有着复杂的物理化学作用。 水-极性分子。,结合水（）,按照水与土相互作用程度的强弱，可将土中水分为结合水和自由水两大类。 结合水是指处于土颗粒表面水膜中的水，受到表面引力的控制而不服从静水力学规律，其冰点低于零度。 结合水又可分为： 强结合水 弱结合水。,结合水（）,（）强结合水在最靠近土颗粒表面处，水分子和水化离子排列得非常紧密，以致其密度大于1，并有过冷现象，即温度降到零度以下不发生冻结的现象。,结合水（）,（）在距土粒表面较远地方的结合水称为弱结合水。 由于引力降低，弱结合水的水分子的排列不如强结合水紧密，弱结合水可能从较厚水膜或浓度较低处缓慢地迁移到较薄的水膜或浓度较高处，亦即可从一个土粒迁移到另一个土粒，这种运动与重力无关，这层不能传递静水压力的水定义为弱结合水。,图 1-4 吸着水示意图,结合水（）,图 1-5 土粒、结合水、自由水示意图,自由水（）,.自由水包括： 毛细水 重力水 ）毛细水不仅受到重力的作用，还受到表面张力的支配，能沿着土的细孔隙从潜水面上升到一定的高度。这种毛细上升对于公路路基土的干湿状态及建筑物的防潮有重要影响。 2）重力水在重力或压力差作用下能在土中渗流，对于土颗粒和结构物都有浮力作用，在土力学计算中应当考虑这种渗流及浮力的作用力。在以后的章节中将进一步讨论重力水的渗流及浮力的作用与计算问题。,自由水（2）,图 1-6 土层内的毛细管水带,图1-7 毛细管水压示意图,三、土的气相,土的气相是指充填在土的孔隙中的气体，包括与大气连通的和不连通的两类。 与大气连通的气体对土的工程性质没有多大的影响，它的成分与空气相似，当土受到外力作用时，这种气体很快从孔隙中挤出；,三、土的气相（）,密闭的气体对土的工程性质有很大的影响，密闭气体的成分可能是空气、水汽或天然气。在压力作用下这种气体可被压缩或溶解于水中，而当压力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来。 含气体的土称为非饱和土，非饱和土的工程性质研究已成为土力学的一个新分支。,四、土的结构与构造特征:,土的结构类型: 单粒结构:又称散粒结构，是卵石（碎石）、砾石类土及砂土等无粘性土的基本结构形式。 团聚结构：又称海绵状结构，是由于细粒土的颗粒细小、具胶体性质，其在水中不能以单个颗粒沉积，凝聚成较复杂的集合体进行沉积而形成的细粒土特有的结构.,土的结构：指组成土的土颗粒本身的大小、形状、表面特征和土粒的连结关系及排列情况的综合特征。,一、 土的结构（2）,土的结构按其颗粒的排列和联结可分为下图所示的三种基本类型。,土的单粒结构 土的蜂窝结构 土的絮状结构 土的结构的基本类型,蜂窝状结构,絮状结构,土的构造特征: 指组成土的各种大小不同颗粒按比例关系的排列或结构所确定的特征总和.,土的构造类型: 块石状构造： 似斑状构造: 层状构造: 交错状构造: 薄叶状构造：,一、概述（）,土的工程分类 我国土的工程分类：建设部、水利部、交通部 土的分类标准：土体总的分类体系,1巨粒土和含巨粒土的分类,1巨粒土和含巨粒土的分类： 巨粒土（再2分）d60mm的巨粒（质量）组含量75%的土。 混合巨粒土（2分）d60mm的巨粒（质量）组含量75%50%的土。 巨粒混合土：（2分）d60mm的巨粒（质量）组含量50%15%的土。,2粗粒土的分类,2粗粒土的分类： 粗粒土：d0.075mm的粗粒组含量50%的土 砾类土：（再三分）d2mm的粗粒组含量50%的土 砂类土：（再三分）d2mm的粗粒组含量50%的土,3细粒土的分类,3细粒土的分类： 细粒土：d0.075的细粒组质量50%的土再三分，塑性图分类。 建筑地基基础设计规范中的地基土分类,二、碎石土分类（）,碎石土是指粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50的土，按粒径和颗粒形状可进一步划分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾，划分的标准见下表。,二、碎石土分类（）,注:分类时应根据粒组含量由大到小以最先符合者确定,碎石土的分类(GBJ7-89),三、砂土分类（）,砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过总质量的50且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过总质量的50的土。砂土可再划分为5个亚类，即砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂，划分的标准见下表。,砂土的分类(GBJ7-89),注:分类时应根据粒组含量由大天小以最先符合者确定,四、细粒土分类（）,粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50的土属于细粒土，细粒土可划分为粉土和粘性土两大类，粘性土可再划分为粉质粘土和粘土两个亚类，划分标准见下表。,四、细粒土分类（）,表1-12 细粒土分类（GBJ7-89）,四、细粒土分类（）,粉土是介于砂土和粘性土之间的过渡性土类，它具有砂土和粘性土的某些特征，根据粘粒含量可以将粉土再划分为砂质粉土和粘质粉土，具体划分标准见下。,表1-13 粉土两类的划分,五、塑性图分类（）,塑性图分类最早由美国卡萨格兰特(A. Casagrande)于1942年提出，是美国试验与材料协会（ASTM）统一分类法体系中细粒土的分类方法，后来为欧美许多国家所采用。塑性图以塑性指数为纵坐标，液限为横坐标，如图所示。,五、塑性图分类（2）,塑性图,五、塑性图分类（3）,图中有两条经验界限，斜线称为A线，它的方程为 它的作用是区分有机土和无机土、粘土和粉土，根据卡萨格兰特的建议，A线上侧是无机粘土，下侧是无机粉土或有机土；竖线称为B线，其方程为 ，其作用是区分高塑性土和低塑性土。,五、塑性图分类（）,在ASTM的分类体系中，在A线以上的土分类为粘土，如果液限大于50，称为高塑性。 粘土CH,液限小于50的土称为低塑性粘土CL，在A线以下的土分类为粉土，液限大于50的土称为高塑性粉土MH,液限小于50的土称为低塑性粉土ML。在低塑性区，如果土样处于A线以上，而塑性指数范围在47之间，则土的分类应给以相应的搭界分类CL-ML。,五、塑性图分类（）,在应用ASTM塑性图分类时应注意其试验标准与我国的标准不同，其液限是用卡萨格兰特碟式仪测定的，碟式仪是在欧美国家通用的液限仪。我国土的工程分类标准则采用锥式仪沉人深度17mm的标准，由于试验标准不同，测定的结果不一样，因此用塑性图分类的结果也可能不同。,六、建筑地基基础设计规范的地基土分类,1碎石土分类： 碎石土：d2mm颗粒含量50%的土。（再分6种） 2砂土：（5分）d2mm颗粒含量50%，且 d0.075mm50%的土。 3粉土：Ip10，且d0.075mm的土，50%的土。,六、建筑地基基础设计规范的地基土分类（）,4粘性土： （1）按地质年代分： 老粘性土 一般粘性土 新近沉积的粘性土 （2）按塑性指数分： Ip 10，d0.075mm50%的土 Ip 17粘土 10Ip17粉质粘土,六、建筑地基基础设计规范的地基土分类（）,5特殊土：湿陷性黄土，红粘土，膨胀土，移移冻土，盐渍土，污染土，素填土，杂填土，软土（浮泥、流泥、淤泥、淤泥质土），松砂。,特殊土是指某些具有特殊物质成分和结构、而工程性质也较特殊的土。是在一定的生成条件下形成的，或是由于所处自然环境逐渐变化形成的。其分布有明显的区域性特征。,3.1 特殊土的主要工程地质性质,特殊土的种类有： 沿海及内陆静水沉积的淤泥类软土 南方和中南地区的膨胀土 西南亚热带湿热气候条件下的红黏土 西北、华北干旱气候区的黄土 西北、华北干旱气候区的盐渍土 高纬度、高海拔寒冷气候区的冻土 各地人类工程活动的人工填土,3.1 特殊土的主要工程地质特性,是在静水或水流缓慢的环境中沉积，并有微生物的参与，含有较多有机质的疏松软弱黏性土。 分布: 沿海地区滨海相、泻湖相、 三角洲相； 内陆平原或山区的湖相和冲 积、洪积、沼泽相。,淤泥类黏土( mucky soil)：,一、淤泥类黏土,分类： 孔隙比e 1.5时,称淤泥; 1.5 e 1.0 时,称淤泥质土; 5% 60%时,称泥炭。,一、淤泥类黏土,工程特性： 1、含水量高，高孔隙比。天然含水量液限，原状土常处于 软塑流塑状态。 2、透水性极弱，水平向渗透系数较大。 3、压缩性大，欠压密状态，抗剪强度很低。 4、显著的蠕变和触变性(高灵敏度)，强震下易震陷。 蠕变(creep)：在长期不变的剪应力作用下，土的剪切变形随时间缓慢增长的特性。 触变(thixotropy)：土受扰动后强度降低，但随时间增长强度能部分恢复的性能。,一、淤泥类黏土,淤泥类土的建筑地基的沉降量很大而且持续时间很长。 淤泥类土不能作为永久性大中型建筑物的天然地基，必须进行地基处理。处理方法主要有预压固结、深层石灰拌和法。,一、淤泥类黏土,一、淤泥类黏土,膨胀土(expansive soil)： 是一种富含亲水性黏土矿物,且随含水量的增减体积发生显著胀缩变形的硬塑性黏土。 分布： 全国。云南、广西、贵州、湖北最具代表性。一般位于山前丘陵地区或河谷高阶地上。,因外墙基土收缩、基础向外扭转， 墙体呈水平裂缝,二、膨胀土,膨胀土地基上的房屋开裂,特征： 1) 呈黄褐、灰白、花斑等颜色； 2) 黏粒含量高，且为亲水性很强的蒙脱石等黏 土矿物，土中可溶盐及有机质含量较低，常 含铁锰或钙质结核，结构致密； 3) 表面有大量网状裂隙，裂面有腊状光泽的挤 压面。,二、膨胀土,工程特性： 高塑性，含黏粒及粉粒为主； 低含水量，呈坚硬硬塑状态； 孔隙比小，密度大； 具膨胀力,自由膨胀量40%； 天然状态下压缩性低，承载力高，但由于干缩裂隙发育,稳定性差。浸水后或被扰动时,强度骤然降低。,二、膨胀土,膨胀土地基上房屋开裂的特点为： 山墙呈“倒八字形”，裂缝上宽下窄； 外纵墙下端呈水平裂缝，基础向外扭转，墙体上部内倾； 房屋角端裂缝严重，而且常伴随着一定的水平位移和转动； 地坪多出现平行于外纵墙的通长裂缝 ； 地基反复多次胀缩，使墙体裂缝斜向交叉。,二、膨胀土,湖南某高架灌渠支墩因膨胀土地基而倾斜,二、膨胀土,红黏土(laterite)： 由碳酸盐类岩石在湿热气候条件下，经强烈风化作用而形成的高塑性黏土。 分布: 云贵高原、四川东部、广西、粤北及鄂西、湘西。低山丘陵地带顶部和山间盆地、缓坡及坡脚地段。,三、红黏土,红黏土边坡,特征： 1) 呈褐红色,富含铁铝氧化物，黏粒含量很高，具有高度分散性，颗粒细而均匀，黏土矿物以高岭石为主； 2) 土层中常有石芽、溶洞或土洞分布其间； 3) 地表裂隙发育； 4) 沿深度含水量增大，土质由硬变软； 5) 在水平方向上厚度变化较大，造成地基不均匀性。,三、红黏土,工程特性： 高含水量、高塑性，硬塑或可塑状态。 孔隙比大、低密度、孔隙饱水。 压缩性低、强度高、地基承载力高。 浸水后膨胀量小，但失水后收缩剧烈。,三、红黏土,红黏土的表层，为良好地基。可充分利用其作为天然地基持力层，基础宜尽量浅埋。,红黏土的底层，接近下卧基岩面附近，尤其在基岩面低洼处，因地下水积聚，常呈软塑流塑状态，强度低，压缩性高，容易引起地基不均匀沉降。应注意查清基岩面起伏状况，并进行必要的处理。,对红黏土中的土洞，应查明其部位与大小，进行填充处理。,红黏土地基评价：,红黏土中的网状裂隙，对土坡和基础有不良影响，基槽应防止日晒雨淋。,三、红黏土,黄土(loessal soil)： 是干旱和半干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物。 分布: 我国西北及华北地区,面积约63万km2。,四、黄土,黄土高原,黄土分类： 按成因分：原生黄土和次生黄土 按形成年代分：老黄土和新黄土 按湿陷性分：湿陷性黄土和非湿陷性黄土,特征： 以粉粒为主，富含碳酸钙，肉眼可见大孔隙，垂直节理发育，常呈现直立的天然边坡。,四、黄土,工程特性： 塑性较弱； 含水较少，坚硬硬塑状态； 压实程度很差，孔隙比高，孔隙大； 抗水性弱，遇水强烈崩解，湿陷明显； 透水性较强，且呈各向异性； 强度较高，粒间连接较强，压缩性中等。,四、