岩土工程教研室课件系列之

1. 岩土工程教研室课件系列之 工 程 地 质 学 天津城市建设学院土木工程系

2. 4.土的工程性质与分类 1.绪论 2.岩石的成因类型及其工程地质特征 3.地质构造及其对工程的影响 5.地下水 6.不良地质现象的工程地质问题 7.工程地质原位测试 8.工程地质勘察 工程地质学 目 录

3. 土的形成过程 由于温度变化、水的冻胀、波浪冲击、地震等引起的物理力使岩体崩解、碎裂的过程 物理风化 岩石 化学风化 岩体与空气、水和各种水溶液相互作用使岩石成分发生变化，形成粘粒和可溶盐的过程 4.土的工程性质与分类 大小、形状和成分都不相同的松散颗粒集合体 量 搬运沉积 土 水解、水化、氧化、溶解、碳酸化等 量质

4. 土的三个特点及三相体系 特点 三相体系 4.土的工程性质与分类 颗粒之间无粘粒或一定的粘结，存在大量孔 隙，可以透水透气 散体性 土是由固体颗粒、水和气体组成的三相体系， 相系之间质和量的变化直接影响工程性质 多相性 土 土是在漫长的地质历史时期演化形成的多矿物 组合体，性质复杂，不均匀，随时变化的材料 自然变异性 土中颗粒的大小、成分及三相之间的相互作用和比例关系，反映出土的不同性质 固相 液相 土 气相

5. 4.1土的组成与结构、构造 土的粒度成分 0.005 0.075 2 60 200 粘粒 粉粒 砂粒 砾粒 碎石 块石 巨粒 细粒 粗粒 4.土的工程性质与分类 土粒的大小称为粒度，通常以粒径表示，以mm为单位。 介于一定粒度范围内的土粒，称为粒组。以mm表示。 划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。 粒组界限值力求服从简单的数学规律。 200、60、2、0.075、0.005(mm) 粒组划分、组成与土的工程性质关系

6. 4.1土的组成与结构、构造 土的粒度成分 4.土的工程性质与分类 粒组划分、组成与土的工程性质关系

7. 4.1土的组成与结构、构造 土的粒度成分 4.土的工程性质与分类 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，土的比表面积不同，则土粒与水（气）作用的表面能大小不同。因此，不同颗粒大小 的土与水（气）相互作用的程度，以致含水的种类、性质和数量都不同。 2、根本原因还在于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。

8. 4.1土的组成与结构、构造 土的粒度成分 4.土的工程性质与分类 粒度分析及其成果表示 • 土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（是指土样各粒组的质量占土粒总质量的百分数）表示，称为土的粒度成分或颗粒级配 筛分法　适用于0.075mm≤d≤60mm 试验方法 沉降分析法　适用于d＜0.075mm （虹吸比重瓶法、移液管法、比重计法）

9. 4.1土的组成与结构、构造 土的粒度成分 4.土的工程性质与分类 粒度分析及其成果表示 筛分法 • 用一套孔径不同的筛子，按从上至下筛孔逐渐减小放置（如20、2、0.5、0.25、0.1、0.075mm）。将事先称过质量的烘干土样过筛，称出留在各筛上的土质量，即可求得各个粒组的相对含量。通过计算可得到小于某一筛孔直径土粒的累积重量及累计百分含量。

10. 4.1土的组成与结构、构造 土的粒度成分 4.土的工程性质与分类 粒度分析及其成果表示 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 比重计法

11. 4.1土的组成与结构、构造 土的粒度成分 纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比,横坐标表示土粒的粒径(对数坐标） 粒径累计曲线 4.土的工程性质与分类 粒度分析及其成果表示

12. 4.1土的组成与结构、构造 土的粒度成分 4.土的工程性质与分类 粒度分析及其成果表示 粒径级配曲线上，纵坐标为10%所对应的粒径d10称为有效粒径 纵坐标为60%所对应的粒径d60称为限定粒径 d60与d10的比值称为不均匀系数CU，即 　不均匀系数Cu为表示土颗粒组成的重要特征。当Cu很小时，曲线很陡，表示土均匀；当Cu很大时，曲线平缓，表示土的级配良好。

13. 4.1土的组成与结构、构造 土的粒度成分 4.土的工程性质与分类 粒度分析及其成果表示 曲率系数Cc描述颗粒级配曲线整体形态，表明某粒组是否缺失情况 对于砾类土或砂类土，同时满足Cu≥5和Cc=1～3时，定名为良好级配砂或良好级配砾

14. 4.1土的组成与结构、构造 土的粒度成分 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 1 0. 1 0.01 0.001 4.土的工程性质与分类 粒度分析成果表

15. 4.1土的组成与结构、构造 土的矿物成分 4.土的工程性质与分类 矿物成分取决于母岩的矿物成分和风化作用 原生矿物 粘土矿物 矿物质 次生矿物 固体颗粒 可溶盐 无定形氧化物胶体 有机质

16. 4.1土的组成与结构、构造 土的矿物成分 4.土的工程性质与分类 原生矿物 物理风化 岩石破碎 化学成分不改变 岩石 原生矿物 原生矿物是岩石经物理风化破碎但成分没有发生变化的矿物碎屑，它们主要存在于卵、砾、砂、粉各粒组中。. 例：石英、云母、长石等 特征：矿物成分的性质较稳定，由其组成的土具有无粘性、透水性较大、压缩性较低的特点

17. 4.1土的组成与结构、构造 土的矿物成分 溶滤带走、沉积 残留部分 4.土的工程性质与分类 次生矿物 可溶性 次生矿物 化学 风化 原生矿物 成分改变 不可溶性 次生矿物 • 次生矿物是原生矿物在一定气候条件下经化学风化作用，使其进一步分解而形成一些颗粒更细小的新矿物。 • 可溶性次生矿物又叫水溶盐，常见的有石盐、石膏等。 • 不可溶性次生矿物又有次生二氧化硅、倍伴氧化物和粘土矿物（高岭石、蒙脱石、伊利石（水云母））。

18. 4.1土的组成与结构、构造 土的矿物成分 4.土的工程性质与分类 有机质（了解） • 由微生物分解动植物残骸形成，分为未分解的动植物残体、有机残余物（泥炭）和腐殖质。 • 腐殖质含量在1.5%～2%以上称为淤泥类土，压缩性极高，强度很低。 • 有机质含量〉5%的土称为有机质土。

19. 4.1土的组成与结构、构造 土中水和气体及其与土粒的相互作用 4.土的工程性质与分类 土中水 土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水 结合水 强结合水：紧靠于颗粒表面、所受电场的作用力很大、几乎完全固定排列、丧失液体的特性而接近于固体 弱结合水：紧靠强结合水的外围形成的结合水膜，所受的电场作用力随着与颗粒距离增大而减弱

20. 4.1土的组成与结构、构造 土中水和气体及其与土粒的相互作用 4.土的工程性质与分类 土中水 土中水的含量明显地影响土的性质(尤其是粘性土)。土中水除了一部分以结晶水的形式吸附于固体颗粒的晶格内部外，还存在结合水和自由水 自由水 存在于土粒电场影响范围以外，性质和普通水无异，能传递水压力，冰点为0℃，有溶解能力 以两种形式存在：毛细水、重力水

21. 4.1土的组成与结构、构造 土中水和气体及其与土粒的相互作用 4.土的工程性质与分类 土中水 矿物成分水 矿物颗粒的一部分 强结合水 土中的水 结合水 弱结合水 孔隙水 毛细水 自由水 重力水

22. 4.1土的组成与结构、构造 土中水和气体及其与土粒的相互作用 4.土的工程性质与分类 土中水 • 颗粒表面的负电荷构成电场的内层（决定电位层）。水中被吸引在颗粒表面的阳离子和定向排列的水分子构成电场的外层（反离子层）。合称双电层。 决定电位层 （内层） 强结合水 （固定层） 双电层 反离子层 （外层） 结合水 弱结合水 （扩散层）

23. 4.1土的组成与结构、构造 土中水和气体及其与土粒的相互作用 4.土的工程性质与分类 土中气 土中气体存在于土孔隙中未被水占据的部分，分为与大气连通的非封闭气体和与大气不连通的封闭气体 1.非封闭气体：受外荷作用时被挤出土体外，对土的性质影响不大 2.封闭气体：受外荷作用，不能逸出，被压缩或溶解于水中，压力减小时能有所复原，对土的性质有较大的影响，使土的渗透性减小，弹性增大和延长土体受力后变形达到稳定的历时

24. 4.1土的组成与结构、构造 土的结构和构造 4.土的工程性质与分类 微观结构 （土的结构） 指土粒的原位集合体特征，是由土粒单元的大 小、矿物成分、形状、相互排列及联结关系， 土中水性质及孔隙特征等形成的综合特征。 土的结构 是同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近 的各部分之间的相互关系的特征，表征了土层 的层理、裂隙及大孔隙等宏观特征。 宏观结构 （土的构造）

25. 4.1土的组成与结构、构造 土的结构和构造 4.土的工程性质与分类 土的结构 1.单粒结构：粗矿物颗粒在水或空气中在自重作用下沉落形成的单粒结构，其特点是土粒间存在点与点的接触。根据形成条件不同，可分为疏松状态和密实状态 疏松状态 密实状态

26. 4.1土的组成与结构、构造 土的结构和构造 絮状结构 蜂窝结构 4.土的工程性质与分类 土的结构 2.蜂窝结构：颗粒间点与点接触，由于彼此之间引力大于重力，接触后，不再继续下沉，形成链环单位,很多链环联结起来，形成孔隙较大的蜂窝状结构 3.絮状结构：细微粘粒大都呈针状或片状，质量极轻，在水中处于悬浮状态。当悬液介质发生变化时，土粒表面的弱结合水厚度减薄，粘粒互相接近，凝聚成絮状物下沉，形成孔隙较大的絮状结构

27. 4.1土的组成与结构、构造 土的结构和构造 4.土的工程性质与分类 土的构造 土的构造是指土体中各结构单元之间的关系。主要特征是土的成层性和裂隙性,即层理构造和裂隙构造，二者都造成了土的不均匀性 1.层理构造：土粒在沉积过程中,由于不同阶段沉积的物质成分、颗粒大小或颜色不同,而沿竖向呈现出成层特征 2.裂隙构造：土体被许多不连续的小裂隙所分割,在裂隙中常充填有各种盐类的沉淀物

28. 4.2土的物理力学性质及其指标 4.土的工程性质与分类 碎石土 粗粒土 无粘性土 砂土 土 粉土 细粒土 粘性土 • 粗粒土：土中粒径>0.075mm的质量超过全部质量的50%。 • 细粒土：土中粒径>0.075mm的质量小于全部质量的50%。 • 将粒径>2mm的质量超过50%的称为碎石土； • 将粒径＞2mm的质量小于50％，而大于0.075mm的质量超过50%的称为砂土； • 将大于0.075mm的质量小于50%的定为粉土或粘性土。

29. 4.2土的物理力学性质及其指标 4.土的工程性质与分类 • 土的物理性质是指三相的质量与体积之间的相互比例关系及固、液二相相互作用表现出来的性质。 • 前者称为土的基本物理性质，主要研究土的密实程度和干湿状况； • 后者主要研究粘性土的可塑性、胀缩性及透水性等。 • 土的物理性质在一定程度上决定了它的力学性质，其指标在工程计算中常被直接应用，所以物理性质是土的最基本的工程特性。 • 对种类繁多、性质各异的土，按一定的原则，进行分门别类，给出合适的名称，可以概略评价土的工程性质。

30. 4.2土的物理力学性质及其指标 —土粒质量 —土中气体积 气 Va Vv —土中水质量 —土中水体积 水 mw Vw m V —土粒体积 土粒 ms Vs （土中孔隙体积） （土的总质量） （土的总体积） 4.土的工程性质与分类 质量m 体积V

31. 质量m 4.2土的物理力学性质及其指标 体积V 土的三相比例指标 气 Va mw Vw 水 V m ms Vs 土粒 4.土的工程性质与分类 1.三个基本的三相比例指标（实验室直接测定其数值） （1）土粒相对密度ds（土粒比重）：土粒质量与同体积的4℃时纯水的质量之比 (无量纲） ρs—土粒密度，单位体积土粒质量 ρw1 —纯水在40C时的密度，1g/cm3 测定方法：比重瓶法 土粒相对密度变化范围不大：一般，砂类土2.65～2.69；粉性土2.70～2.71；粉质粘土2.72～2.73；粘土2.74～2.76。

32. 4.2土的物理力学性质及其指标 土的三相比例指标 4.土的工程性质与分类 1.三个基本的三相比例指标（实验室直接测定其数值） 比重瓶法 dwT-T oC时纯水或中性液体的比重

33. 质量m 4.2土的物理力学性质及其指标 体积V 土的三相比例指标 气 Va mw Vw 水 V m ms Vs 土粒 4.土的工程性质与分类 1.三个基本的三相比例指标（实验室直接测定其数值） （2）土的含水量ω：土中水的质量与土粒质量之比，以百分数表示 测定方法：烘干法 土的含水量是标志土含水程度的一个重要物理指标。天然土层含水量变化范围较大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。

34. 4.2土的物理力学性质及其指标 土的三相比例指标 4.土的工程性质与分类 1.三个基本的三相比例指标（实验室直接测定其数值） 土的含水量 称量盒质量m0； 称量盒加湿土质量m1； 称量盒加干土质量m2；

35. 质量m 4.2土的物理力学性质及其指标 体积V 土的三相比例指标 气 Va mw Vw 水 V m ms Vs 土粒 4.土的工程性质与分类 1.三个基本的三相比例指标（实验室直接测定其数值） （3）土的密度ρ：单位体积土的质量（g/cm3) 测定方法：环刀法 一般情况下：粘性土ρ＝1.8～2.0g/cm3 　　　　　　砂　土ρ＝1.6～2.0g/cm3 腐殖土ρ＝1.5～1.7g/cm3

36. 4.2土的物理力学性质及其指标 土的三相比例指标 4.土的工程性质与分类 1.三个基本的三相比例指标（实验室直接测定其数值） 环刀法 环刀的容积V=60cm3 环刀的质量m1 环刀和土的质量m2

37. 4.2土的物理力学性质及其指标 土的三相比例指标 质量m 体积V Va Vv 气 mw Vw 水 m V ms Vs 土粒 4.土的工程性质与分类 （1）干密度ρd：单位体积中固体颗粒部分的质量 （紧密程度） 2.特殊条件下土的密度 （2）饱和密度ρsat：土体中孔隙完全被水充满时的土的密度 （3）浮密度ρ：在地下水位以下，土单位体积内土粒质量与同体积水的质量之差

38. 4.2土的物理力学性质及其指标 土的三相比例指标 4.土的工程性质与分类 2.特殊条件下土的密度 土单位体积的重力（即土的密度与重力加速度的乘积）称 为土的重力密度，简称重度。 土的三相比例指标中的质量密度指标共有4个，土的密度ρ，饱和密度ρsat，干密度ρd，浮密度ρ(kg/m3),相应的重度也有4个，土的重度 =ρg，饱和重度sat= ρsatg，干重度d= ρdg，浮重度=ρg(kN/m3) 各密度与重度指标，在数值上有如下关系： ρsat≥ ρ≥ρd > ρ  sat ≥  ≥d > 

39. 4.2土的物理力学性质及其指标 土的三相比例指标 质量m 体积V Va Vv 气 mw Vw 水 m V ms Vs 土粒 4.土的工程性质与分类 3.描述土的孔隙体积相对含量的指标 （1）孔隙比e：土中孔隙体积与土粒体积之比 孔隙比有小数表示。可以用来评价天然土层的密实程度。一般e<0.6的土是密实的低压缩性土，e>1.0的土是疏松的高压缩性土

40. 4.2土的物理力学性质及其指标 土的三相比例指标 4.土的工程性质与分类 3.描述土的孔隙体积相对含量的指标 （2）孔隙率n：土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示 孔隙比与孔隙率之间的关系

41. 4.2土的物理力学性质及其指标 土的三相比例指标 质量m 体积V Va Vv 气 mw Vw 水 m V ms Vs 土粒 4.土的工程性质与分类 3.描述土的孔隙体积相对含量的指标 （3）土的饱和度Sr ：土中孔隙水的体积与孔隙总体积之比，以百分数表示 饱和度描述土中孔隙被水充满的程度。干土Sr=0,饱和土Sr=100%。砂土根据饱和度分为三种状态: Sr≤50%稍湿； 50％＜Sr≤80%很湿； Sr＞80%饱和

42. 4.2土的物理力学性质及其指标 土的三相比例指标 Vv=e 气 ωdsρw 1+e ds（1＋ω）ρw 水 Vs＝1 dsρw 土粒 4.土的工程性质与分类 质量m 体积V 4.指标的换算 假设：ρw1=ρw ,Vs=1,则 推导：

43. 4.2土的物理力学性质及其指标 无粘性土的紧密状态 4.土的工程性质与分类 土的密实度指单位体积土中固体颗粒的含量。 无粘性土的密实度与其工程性质有着密切关系。呈密实状态时，强度较大，是良好的天然地基；呈稍密、松散状态时则是软弱地基，尤其是饱和的粉、细砂，稳定性很差，易液化。

44. 4.2土的物理力学性质及其指标 无粘性土的紧密状态 4.土的工程性质与分类 1.砂土的相对密实度 相对密实度Dr emax—砂土在最松散时的孔隙比 emin—砂土在最密实时的孔隙比 e—砂土在天然状态下的孔隙比 当Dr=0时， e= emax，表示土处于最疏松状态; 当Dr=1.0时， e= emin，表示土体处于最密实状态 疏松状态 Dr≤1/3 优点：计入土的级配因素，理论上比较完善。 缺点：天然孔隙比难以获取，且emax,emin的测定受人为的影响较大。 中密状态 1/3＜Dr≤2/3 密实状态 2/3＜Dr≤1

45. 4.2土的物理力学性质及其指标 无粘性土的紧密状态 密实度 密实 中密 稍密 密实 e＜0.60 0.60≤e≤0.75 砾石、粗砂、中砂 0.75＜e≤0.85 e＞0.85 e＜0.70 0.70≤e≤0.85 细砂、粉砂 0.85＜e≤0.95 e＞0.95 4.土的工程性质与分类 2.天然孔隙比e • 优点：简单方便 • 缺点：要求采取原状砂样测定天然孔隙比

46. 4.2土的物理力学性质及其指标 无粘性土的紧密状态 密实度 松散 稍密 中密 密实 按N评定砂土密实度 N≤10 10＜N≤15 15＜N≤30 N＞30 密实度 松散 稍密 中密 密实 按N63.5评定碎石土密实度 N63.5≤5 5＜N63.5≤10 10＜N63.5≤20 N63.5＞20 4.土的工程性质与分类 3.砂土密实度按标准贯入击数Ｎ划分 4.碎石土密实度按重型动力触探击数划分 5.碎石土密实度的野外鉴别

47. 4.2土的物理力学性质及其指标 粘性土的物理特征 土由可塑状态转为流动状态的界限含水量 用　　表示 土中半固态不断蒸发水分，则体积继续逐渐缩小，直到体积不再收缩时，对应土的界限含水量。用　　表示 土由可塑状态转为半固态的界限含水量 用　　表示 缩限 0 塑限 液限  4.土的工程性质与分类 可塑状态，当粘性土的含水量在某范围内时，可用外力塑成任何形状而 不发生裂纹，并在外力移去时能保持既得的形状，土的这种性能叫可塑性。 粘性土从一种状态转变为另一种状态时的界限含水量，总称为阿太堡界限 注：界限含水量都以百分数表示（省去％符号） 　固态　半固态 　可塑状态　 流动状态　

48. 4.2土的物理力学性质及其指标 粘性土的物理特征 4.土的工程性质与分类 液塑限联合测定仪 下沉深度为17mm所对应的含水量为液限;下沉深度为2mm处所对应的含水量为塑限

49. 4.2土的物理力学性质及其指标 粘性土的物理特征 4.土的工程性质与分类 粘性土的塑性指数和液性指数 1.塑性指数 塑性指数IP是液限和塑限的差值(省去%)，即土处在可塑状态的含水量变化范围 说明：塑性指数的大小取决于土颗粒吸附结合水的能力,即与土中粘粒含量有关。粘粒含量越多,塑性指数就越高 在一定程度上，塑性指数综合反映了粘性土及其三相组成的基本特性。在工程上常按塑性指数对粘性土进行分类

50. 4.2土的物理力学性质及其指标 粘性土的物理特征  0 ωp ω ωL ω-ωp ωL-ωp 4.土的工程性质与分类 粘性土的塑性指数和液性指数 2.液性指数 液性指数IL是粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比 说明：液性指数表征土的天然含水量与界限含水量间的相对关系。当IL≤0时,ω≤ωP,土处于坚硬状态;当IL＞1时,ω＞ωL,土处于流动状态；当IL 在0～1之间时， ωP<ω≤ωL,土处于可塑状态。根据IL值可以直接判定土的软硬状态 状态 坚硬 硬塑 可塑 软塑 流塑 液性指数 IL≤0 0＜IL≤0.25 0.25＜IL≤0.75 0.75＜IL≤1 IL＞1