工程岩土课件 模块一 岩土体物理力学性质及分类

工程岩土模块一

岩土体物理力学性质及分类学习导图模块一岩土体物理力学性质及分类

单元一岩石及其工程性质任务一鉴别岩石在工程岩土勘察中，必须对各种岩石的岩性进行确定，如在某高速公路K50+195～K71+803段的太阳庙村料场勘察中，勘察技术员在岩石上滴稀盐酸岩石表面产生了剧烈气泡，岩石风化面为平滑状及雨痕状，其料场岩石照片如图1-1-1-1和图1-1-1-2所示。请根据岩石图片确定岩石的岩性。学习情境一

图1-1-1-1岩石风化面

图1-1-1-2岩石新鲜面一

岩石相关知识岩石是指经天然产出的由矿物或岩屑组合而成的自然集合体。定义分类岩石岩浆岩沉积岩变质岩一

岩浆岩相关知识岩浆在地质作用下沿着地壳薄弱带侵入地壳或喷出地表，经缓慢冷凝而形成岩浆岩。定义矿物成分组成岩浆岩的矿物种类很多,按矿物颜色可分为浅色矿物和暗色矿物。浅色矿物富含硅、铝，如石英、正长石、斜长石等；暗色矿物富含铁、镁，如橄榄石、角闪石和黑云母等。一

岩浆岩相关知识一

岩浆岩相关知识岩浆岩的结构是指组成岩石矿物的结晶程度、晶粒大小(相对大小和绝对大小)以及它们之间相互组合的关系。结构按矿物的结晶程度分全晶质结构半晶质结构非晶质结构按照晶粒大小分等粒结构不等粒结构斑状结构隐晶质结构一

岩浆岩相关知识岩浆岩的构造是指岩石中各种矿物集合体的排列填充方式所表现出来的外貌特征。构造杏仁构造：岩浆冷凝形成岩石过程中形成的气孔，被后期矿物填充所形成的一种宛如杏仁构造块状构造：组成岩石的矿物排列无向、无序，在岩石中均匀分布，呈致密块状构造气孔构造：岩浆凝固时，气体未能及时排除，导致在岩石中形成许多孔洞流纹构造：岩石中不同颜色的条纹和拉长的气孔等沿一定方向排列表现出来的一种流动特征一

岩浆岩相关知识常见岩浆岩花岗岩：主要矿物为长石、石英和斜长石，次要矿物为黑云母、角闪石。花岗岩为深成侵入岩，大多为肉红色、浅红色、灰白色等，全晶质等粒结构或斑状结构、块状构造辉长岩：主要矿物为斜长石、辉石，次要矿物为橄榄石、角闪石、黑云母等。辉长岩为基性深成侵入岩，大多为黑色、灰色或深灰色，全晶质粒状结构、块状构造橄榄岩：主要矿物为橄榄石，含有不定量辉石、角闪石等。橄榄岩为超基性深成侵入岩，多呈绿色、暗绿色、黑色等，全晶质粒状结构、块状构造流纹岩：主要矿物为钾长石、石英、斜长石，次要矿物为闪长石、黑云母。流纹岩属于喷出岩，主要为灰白色、粉红色，半晶质结构，流纹构造一

岩浆岩相关知识玄武岩:主要矿物为斜长石、辉石，次要矿物为橄榄石、角闪石等。玄武岩属于喷出岩，一般为深灰、黑色，非晶质结构，杏仁构造发育，具有抗压性强、压碎值低、抗腐蚀性强等优点，是修理道路、铁路、机场跑道所用石料中最好的材料闪长岩：主要矿物为斜长石、角闪石，次要矿物为辉石、黑云母、石英、钾长石。闪长岩为中性深成侵入岩，多为灰白色灰绿色、肉红色，常为中粒等粒结构、块状构造。安山岩：主要矿物为斜长石、辉石角闪石、黑云母。安山岩

为中性喷出岩，红褐色、浅褐色或灰绿色，斑状结构，块状构造或气孔构造、杏仁构造。二

沉积岩相关知识沉积岩是在常温常压下，由岩石风化产物、火山灰、有机物质等碎屑物质经水、风、冰川等的搬运，沉积在大陆或海洋低洼地带，再经压、密胶等结固硬化而成的岩石。定义形成搬运阶段成岩阶段沉积阶段风化阶段01020304一

沉积岩相关知识✮碎屑物质✮自生矿物✮次生矿物✮有机质及生物残骸✮胶结物沉积岩的物质组成胶结物类型主要物质成分工程性质硅质胶结石英、蛋白石等胶结成的岩石最坚硬铁质胶结赤铁矿、褐铁矿等胶结成的岩石强度仅次于硅质胶结的岩石钙质胶结方解石、白云石等胶结成的岩石遇酸性水时，极易溶解。泥质胶结黄褐色、灰黄色黏土矿物胶结成的岩石极易软化。石膏质胶结CaSO4胶结成的岩石硬度小，胶结不紧密常见胶结物特征一

沉积岩相关知识生物结构是指岩石中多数或全部由生物遗体所组成的结构，如生物碎屑结构、贝壳结构等。（4）生物结构化学结晶结构是指由化学沉淀或重结晶所形成的结构，是白云岩、灰岩等化学结晶的主要结构。（3）化学结晶结构泥质结构是指由粒径小于0.005mm的细颗粒黏土矿物经胶结而成的结构，是页岩、泥岩等粘土岩的主要结构。（2）泥质结构碎屑结构是指母岩经机械破碎或在搬运过程中形成的碎屑物质经胶结物黏结而形成的结构。（1）碎屑结构020401结构03一

沉积岩相关知识（1）层理构造是沉积岩在形成过程中，由于沉积环境的变化导致沉积物的成分、颜色、颗粒大小及形状等在垂直方向发生变化而显示出来的成层现象。层面构造是指未固结的沉积物，由于搬运介质的机械原因、自然条件的变化或生物活动等，在层面上留下痕迹并被保存下来，在岩层层面上形成的构造特征。构造一

沉积岩相关知识

水平层理斜层理交错层理沉积岩层理构造类型

一

沉积岩相关知识沉积岩层面构造类型

一

沉积岩相关知识沉积岩层面构造类型

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沉积岩相关知识常见沉积岩的特征

一

沉积岩相关知识常见沉积岩的特征

一

沉积岩相关知识常见沉积岩的特征

一

沉积岩相关知识常见沉积岩的特征

三

变质岩相关知识地壳中的原岩（岩浆岩、沉积岩、变质岩），由于地壳运动和岩浆活动等导致周围物理化学环境的改变，使原岩在高温、高压条件及其他化学因素的影响下，在固体状态下发生变质作用而形成的新岩石，称为变质岩。定义类型动力变质作用区域变质作用接触变质作用010203三

变质岩相关知识变质矿物残留矿物成分变余结构是指某些岩石经过变质作用以后，由于重结晶作用不完全，原岩中的某些矿物成分和结构特征被保留下来形成的结构。变晶结构是指原岩在变质作用过程中，原岩中的各种矿物重结晶所形成的结构。变晶结构是变质岩中最主要的结构。碎裂结构是指原岩受挤压应力作用，导致原岩中的矿物颗粒发生弯曲、破裂，甚至破碎成碎块或粉末状后，又被胶结在一起形成的结构。如糜棱结构、碎斑结构等。结构三

变质岩相关知识（1）千枚状构造（2）板状构造（3）片状构造（5）块状构造（4）条带状构造构造三

变质岩相关知识常见变质岩的特征三

变质岩相关知识常见变质岩的特征三

变质岩相关知识常见变质岩的特征任务二

岩石的工程分类与物理力学性质在某高速公路K50+195～K71+803段的太阳庙村料场勘察中，勘察技术员在料场现场调查情况如下：岩石为石灰岩，岩质新鲜，偶见风化痕迹，用地质锤锤击声音清脆，有回弹，震手，难击碎，基本无吸水反应。通过取样进行室内试验，得出试验指标平均值数据见表1-1-2-1。请根据调查情况，对料场岩石进行分类，根据岩样室内试验指标平均值数据，对料场石料原岩质量进行评价。学习情境一一、岩石的工程分类相关知识1.岩石的风化程度，根据岩石的颜色、破碎程度、强度等的变化来判断岩石的风化程度强弱，见下表。一、岩石的工程分类相关知识2.岩石按坚硬程度定性划分，见下表。二、岩石的物理性质相关知识1.岩石的相对密度及密度（1）岩石相对密度：岩石的相对密度是指岩石固体部分（不含孔隙）的质量与同体积水在4℃时质量的比值，无单位。（2）岩石的密度岩石的密度是指岩石单位体积的质量，它等于岩石试件的总质量（含孔隙中水的质量）与其总体积（含孔隙体积）之比，单位g/cm3或kg/m3。2.岩石的空隙性将岩石中包含着不同数量的孔隙和裂隙统称为空隙，用空隙率来表示空隙发育程度。岩石的空隙率是指岩石中空隙的体积与岩石总体积的比值。常以百分数表示，即：

式中：n——岩石的空隙率，%。

——岩石中空隙的体积，cm3。

——岩石的总体积，cm3。二、岩石的物理性质相关知识3.岩石的吸水性

岩石的吸水性是指岩石吸收水分的性能，常以吸水率、饱水率两个指标来表示。

（1）岩石的吸水率（

）

岩石的吸水率是指岩石在常压条件下吸水能力，在数值上等于岩石所吸水分的质量与干燥岩石质量之比的百分数表示，即：

（2）岩石的饱水率（

）

岩石的饱水率是指在高压（15Mpa）或真空条件下岩石的吸水能力，仍以岩石所吸水分的质量与干燥岩石质量之比的百分数表示。4.岩石的抗冻性

岩石的空隙中有水存在时，水一结冰，体积膨胀，则产生较大的膨胀力，使岩石的构造等遭破坏。岩石抵抗这种冰冻作用的能力，称为岩石的抗冻性。三、岩石的力学性质相关知识

岩石的力学性质是指岩石在外力作用下所表现出来的性质。岩石抵抗外力破坏的能力，称为岩石的强度，也是岩石的主要力学性质之一。岩石的力学性质有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度和岩石的软化性。

（1）岩石抗压强度

岩石抗压强度是指岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力，在数值上等于岩石受压达到破坏时的极限应力,即:

（2）岩石的软化性

岩石的软化性是指岩石在浸水和风化后，其强度和稳定性降低的性能。岩石的软化性主要取决于岩石的矿物成分和结构构造特征。三、岩石的力学性质相关知识

（3）岩石抗拉强度

岩石抗拉强度是指岩石在单向受拉条件下拉断时的极限应力值。岩石的抗拉强度远小于抗压强度，一般为抗压强度的3%～5%。

（4）岩石抗弯强度

岩石抗弯强度是指岩石在受弯条件下折断时的极限应力值。岩石的抗弯强度也远小于抗压强度，一般为抗压强度的7%～12%。（5）岩石抗剪强度岩石抗剪强度是指岩石抵抗剪切破坏的能力，在数值上等于岩石受剪破坏时剪切面上的极限剪应力。请根据《天然建筑材料勘察规程》（YS/T52072019）对砌石料原岩质量技术指标要求，见表1-1-2-7，判断太阳庙村料场石料是否能作为该高速公路沿线砌石料。例题解：根据学习情境中试验指标平均值数据表1-1-2-1，可计算出干密度、吸水率、饱和抗压强度、软化系数。计算如下：①干密度：请根据《天然建筑材料勘察规程》（YS/T52072019）对砌石料原岩质量技术指标要求，见表1-1-2-7，判断太阳庙村料场石料是否能作为该高速公路沿线砌石料。例题

②吸水率：

③饱和抗压强度：

④干燥抗压强度：

⑤软化系数：

由上可知该料场原岩干密度为2.6g/cm2>2.4g/cm2，饱和抗压强度为95.9MPa>30MPa，吸水率为7.7<10%，软化系数为0.92>0.75。故该料场岩石满足砌石料原岩质量技术指标要求，太阳庙村料场石料能作为该高速公路沿线砌石料。单元二

土的工程性质及分类任务一

土的三相组成某一级公路,在K5+200处有一小桥,该桥下部结构采用重力式桥台、扩大基础,上部结构采用钢筋混凝土现浇板。在桥台施工完成后,要进行台背回填,该路段料场土料为砂砾土,请根据相关技术标准,判断该土料是否满足填筑要求。学习情境一认识土的三相组成相关知识土固相液相气相

土是由固体颗粒、水和气体三部分组成的，称为土的三相系。1土中固体颗粒（1）土颗粒的大小相关知识粒组划分1土中固体颗粒（2）土的粒度成分相关知识土的粒度成分:土中各个粒组的相对含量(以占干土质量的百分比表示)，或者说是不同粒组以不同数量的配合，故又称为颗粒级配。粒度成分的测定方法：粒度成分表示方法筛分法沉降分析法联合测定法1土中固体颗粒（3）粒度成分表示方法相关知识

表格法1土中固体颗粒（3）粒度成分表示方法相关知识累计曲线法1土中固体颗粒（3）粒度成分表示方法相关知识d10

--累计曲线上累计百分含量分别为10％时所对应的粒径；d30

--累计曲线上累计百分含量分别为30％时所对应的粒径；d60

--累计曲线上累计百分含量分别为60％时所对应的粒径。

d10称为有效粒径，

d60称为限制粒径，d30称为中间粒径。规范规定：Cu≥5，且Cc=1～3时，级配良好，否则，不良级配。2土中的水相关知识

土中的水结合水自由水强结合水(吸着水)毛细水

重力水弱结合水(薄膜水)固态水气态水1.该小桥台背回填前,试验员在所定料场中取有代表性的土样,进行筛分试验,请完成以下工作。(1)请根据筛分结果,填写颗粒大小分析试验数据记录表(表1-2-4),并绘制粒度成分累计曲线。(2)根据颗粒分析试验结果,计算土粒的级配指标,判断该土料是否满足填筑要求。课后习题课后习题颗粒分析试验数据记录表课后习题粒度成分累计曲线任务二测定土的基本物理性质指标某一级公路,桩号K4+100~K5+800为土方路基填筑段,施工前对填方区域天然地面下10cm进行清理,并按规定整平碾压密实。根据设计图纸,填方边坡坡度采用1∶1.5,路基填筑采用水平分层填筑,每层松铺厚度不大于30cm,路基填筑宽度每侧宽超出填筑设计宽度50cm,压实度不小于设计值。在第一层碾压完成后,在施工现场进行了压实程度检测,根据相关技术标准取样规定,判断检测点的压实质量是否满足设计要求。学习情境一土的三相图相关知识土是土粒（固相），水（液相）和空气（气相）三者所组成的，土的物理性质就是研究三相的质量与体积间的相互比例关系以及固、液两相相互作用表现出来的性质。SWA土的三相图相关知识1土的物理性质指标（1）土的比重相关知识土粒的质量（或重量）与同体积4℃纯水的质量（或重量）之比，其表达式为：

常用比重瓶法测定。测定方法1土的物理性质指标（2）土的密度相关知识天然密度：天然状态下土的密度称为天然密度,以下式表示。

常用环刀法、灌砂法等测定。测定方法1土的物理性质指标（2）土的密度相关知识干密度：土的干密度是指土的孔隙中完全没有水时单位体积土的质量,即固体颗粒的质量与土的总体积之比值,以下式表示。

1土的物理性质指标（2）土的密度相关知识饱和密度：土的孔隙完全被水充满时,单位体积土的质量称为饱和密度,以下式表示。

1土的物理性质指标（2）土的密度相关知识浮密度：土的浮密度又称为有效密度,是指土受水的浮力时单位体积土的质量,以下式表示。

1土的物理性质指标（3）土的含水性相关知识含水率：土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比,一般用百分率表示,即:

常用烘干法、酒精燃烧法等测定。测定方法1土的物理性质指标（3）土的含水性相关知识饱和度：土中水的体积与孔隙体积之比,以百分数表示,即:

1土的物理性质指标（4）土的孔隙性相关知识孔隙比：孔隙比是指土中孔隙体积与固体颗粒的体积之比值,以小数表示,即:

1土的物理性质指标（4）土的孔隙性相关知识孔隙率：孔隙率是指土的孔隙体积与土体积之比,或单位体积土中孔隙的体积,以百分数表示,即:

2基本物理性质指标间的互相关系（1）孔隙比与孔隙率的关系相关知识或

2基本物理性质指标间的互相关系（2）干密度与天然密度和含水率的关系相关知识2基本物理性质指标间的互相关系（3）孔隙比与比重和干密度的关系相关知识2基本物理性质指标间的互相关系（4）饱和度与含水率、比重和孔隙比的关系相关知识1.该路段路基压实一层后,根据规定的检测频率取样,分别进行密度和含水率测定,请填写测定点的密度和含水率试验数据记录表(表1-2-6)。课后习题课后习题某一级公路,桩号K6+130~K8+800为土方路基填筑段,填土高度为0~60cm,边坡坡度采用1∶1.5,该段路基填筑土源为挖方路段挖出的细粒土。根据相关技术标准取样规定,判断该土料是否可以作为路基填料。学习情境二1黏性土的物理状态指标相关知识黏性土的物理状态常以稠度来表示。稠度的含义是指土体在各种不同的湿度条件下,受外力作用后所具有的流动程度。

1黏性土的物理状态指标相关知识1黏性土的物理状态指标（1）液限相关知识液限：是指黏性土呈液态与塑态之间的界限含水率。我国目前一般采用液塑限联合测定仪来测定黏性土的液限。

（2）塑限：是指黏性土呈塑态与半固态之间的界限含水率。

：

（3）缩限：是指黏性土呈半固态与固态之间的界限含水率。

1黏性土的物理状态指标（4）塑性指数相关知识塑性指数是指黏性土与粉土的液限与塑限的差值,去掉百分数,记为IP。

1黏性土的物理状态指标（5）液性指数相关知识液性指数是指黏性土的天然含水率和塑限的差值与液限和塑限差值之比,用小数表示,即:

1.该段路基在填筑前,于挖方路段取样做界限含水率试验,请根据试验结果,填写试验数据记录表(表1-2-9),并绘制锥入深度与含水率关系图(图1-2-8)。课后习题课后习题课后习题任务三测定土的力学性质指标某一级公路,在K2+600处有一小桥,对该桥1号墩进行地基基础设计时,由于基础承受荷载较小,从经济性和施工技术方面考虑采用钢筋混凝土浅基础。根据相关技术标准,分析该地基在荷载作用下的压缩变形情况。学习情境一1标准固结试验相关知识分级加载，待到压缩量稳定，测量在每级荷载作用下的土样压缩高度。水槽内环环刀透水石试样加压板百分表P0→0P1→△h1P2→△h2Pi→△hi……试验原理压力（KPa)050100200300400变形量（mm）00.4800.8081.2321.5351.726孔隙比e0.780？？？？？e0e1h1△h1P1h0外荷载P1

VV0VS0VV1VS1e2h2△h2P2VV2VS2外荷载P2

v0v1v2压力（KPa)050100200300400变形量（mm）00.4800.8081.2321.5351.726孔隙比e0.7800.7640.7080.6910.6640.5941标准固结试验相关知识1标准固结试验相关知识01002003004000.60.70.80.91.0eP（kPa）01002003004000.60.70.80.91.0e压缩曲线压缩指标——压缩系数土的类别a1-2(MPa-1)高压缩性土＞0.5中压缩性土0.1-0.5低压缩性土<0.101002003004000.60.70.80.91.0e△P单位KPa-1压缩指标——压缩模量压缩模量是指土体在无侧膨胀条件下受压时，竖向压应力增量与相应应变之比值。△p=p2-p1外荷载P1

VV1=e1VS1=1VV2=e2外荷载P2

VS2=12荷载试验和变形模量（1）现场荷载试验方法相关知识2

荷载试验和变形模量（1）现场荷载试验方法相关知识2荷载试验和变形模量（2）土的变形模量相关知识某一级公路,桩号K1+000~K2+500为粉质黏土路段,土基多呈软塑~可塑状,厚度一般1.5~3.0m,局部可达3.0~6.0m,软塑状土层主要分布于山间洼地及沟谷内,可塑状土层主要分布于沟谷坡脚。需要通过试验手段测定抗剪强度,再结合地区经验等方法确定软土的承载力特征值,对土基的工程适宜性做出评价。学习情境二1土的抗剪强度相关知识2库伦强度定律相关知识3莫尔--库伦强度定律相关知识3莫尔--库伦强度定律（1）土的应力状态相关知识3莫尔--库伦强度定律（2）土的极限平衡状态相关知识3莫尔--库伦强度定律（2）土的极限平衡状态相关知识莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件3莫尔--库伦强度定律（2）土的极限平衡状态相关知识莫尔-库仑强度理论表达式－极限平衡条件某一级公路,桩号K2+600~K3+823为土方路基填筑段,填土高度为0~80cm,边坡坡度采用1∶1.5,该段路基填筑土源为取土场取土,填筑前进行了土工试验,符合使用要求。土方由自卸车自料场运至填方路基,路基填筑采用分层填筑,每层松铺厚度不大于30cm,压实度不小于设计值。请根据相关技术标准,判断路基压实质量。学习情境三1土的压实性概念相关知识

压（击）实：指采用人工或机械对土施以夯击、振动作用,使土在短时间内压实变密,获得最佳结构,以改善和提高土的力学强度的性能,或者称为土的击实性2击实试验相关知识击实试验是研究土的压实性能的室内试验方法。击实是指对土瞬时地重复施加一定的机械功能使土体变密的过程。研究压实目的：揭示压实作用下土的干密度、含水率和压实功三者之间的关系和基本规律，以最小的能量消耗获得最大的压实密度。用以指导路基的施工、控制路基施工的质量。3土的压实特性分析相关知识击实试验所得到的击实曲线如图所示,是研究土的压实特性的基本关系图。从图中可见,击实曲线(曲线)上有一峰值,此处的干密度最大,称为最大干密度。与之对应的土样含水率则称为最佳含水率4压实特性在现场填土中的应用相关知识

a.粘性土存在最佳含水率

，在填土施工中应该将土料的含水率控制在

左右，以期得到，通常取

b.工程上常采用压实度Dc控制压实质量（作为填方密度控制标准）1.该公路K2+600~K3+823路段,在土方填筑前,试验员在取土场中取代表性土样做击实试验。请根据试验结果,填写击实试验数据记录表(表1-2-14),绘制击实曲线(图1-2-37)并确定该土料的最大干密度和最佳含水率。课后习题课后习题课后习题任务四

认识土的工程分类某一级公路,桩号K6+130~K8+800为土方路基填筑段,依据《土工试验方法标准》(GB/T50123—2019)、《公路