05第五章土的工程地质性质

硅氧四面体和铝氢氧八面体这两种基本单元以不同 的比例组合，形成不同类型的黏土矿物。 土中常见的黏土矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石三 大类。
高岭石：一层硅氧四面体晶片和一层铝氧八面 体晶片结合，形成一个单位晶胞。高岭石晶胞 间具有较强的氢键联结，水较难渗入其间，其 颗粒一般较粗，亲水性弱。因而主要由这类矿 物组成的土，膨胀性和压缩性都较低。
三、土的气相
土中的气体主要是空气和水气。土中气体按其 所处的状态和结构特点可分以下几种类型：吸附于土 颗粒表面的气体、溶解于水中的气体、四周为颗粒和 水所封闭的气体以及自由气体。 通常认为自由气体与大气连通，对土的性质 无大影响；密闭气体的体积与压力有关，压力增加， 则体积缩小，压力减小，则体积胀大。 因此，密闭气体的存在增加了土的弹性，同 时还可阻塞土中的渗流通道，减小上的渗透性。
５.２.２土的结构与构造:
土的结构：指土颗粒或集合体的大小和形状、表面 特征、排列形式以及它们之间的连接特征(微观结 构)。 土的构造:指土层的层理、裂隙和大孔隙等宏观特 征亦称宏观结构。 土的结构对土的工程性质影响很大，特别是粘性土， 如某些灵敏性钻土在原状结构时具有一定的强度， 当结构扰动或重塑时，强度就降低很多，甚至不能 再成型。
洞穴层
充填于可溶性岩类所形成的洞穴内的沉 积物。 其特征为：石块、碎石、砾石、砂类土 等相互混杂的堆积物如钟乳石、石笋等 堆积；
冰积层：
由冰川或冰水挟带搬运所形成的沉积物。分 选性极差,石料占多数,冰水沉积物可有一定成层 性、分选性。
风积层：
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，最常见的是风成砂和风成黄土。
二、土中水
1. 结合水
土颗粒表面带有一定的电荷，当土粒与 水相接触时，由于静电作用力，将吸引 水化离子和水分子，形成双电层，在双 电层影响下的水膜称为表面结合水。 结合水具有与一般自由水不同的性质， 其密度较大、粘滞度高、流动性差、冰 点低、比热较大、介电常数较低，这种 差异随距离增加而减弱。结合水又可分 为强结合水和弱结合水。
黏土矿物
黏土矿物：原生矿物长石、云母等硅酸 盐矿物经化学风化形成。 硅酸盐矿物：硅氧四面体和铝氢氧八面 体两部分构成。
硅氧四面体：一个硅原子和四个氧原子以 相等距离堆成四面体形状，硅居其中央， 氧占据四个顶点，四面体中的三个氧被共 用，横向联结成六角形的网格。
铝氢氧八面体：六个氢氧离子围绕一个铝离 子构成的八面体晶片。八面体中每个氢氧离 子均为三个八面体共有，形成八面体单位的 片状结构。
黄土的结构是在形成黄土的整个历史过程中造成的干旱和半干旱的气候是黄土形成的必要条件季节性的短期降雨把松散的粉粒粘聚起来而长期的干旱气候又使土中水份不断蒸发这些可溶盐类就逐渐沉淀而成为胶结物使黄土形成以粗粉粒为主体的骨架的多孔隙结构
第五章 土的工程地质性质
主要内容
第一节 土的形成 第二节 土的组成、结构和构造 第三节 土的物理性质指标 第四节 土的工程分类
土按有机质含量分：
无机质土：有机质含量Ｗu<5%; 有机质土：5%≤Ｗu≤10%; 泥炭质土：10%<Ｗu≤60%; 泥炭：Ｗu>10%;
土的成因类型
残积层 （Qel） 坡积层 （Qdl） 洪积层 （Qpl） 冲积层 （Qal） 湖积层 （Ql） 冰积层 （Qgl） 风积层 （Qeol） 洞穴土 （Qm）
(2)重力水 重力水是存在于地下水位以下的适水土层中的 地下水。它是在重力或压力差作用下运动的自由水， 对土粒有浮力作用。重力水只受重力控制，不受土粒 表面吸引力的影响。 (3)固态水 固态水即冰，温度降到0℃以下时，孔隙中的水 会凝结成冰。水结冰后体积膨胀，同时由于水分迁移 和补给，在土层中会形成冰层或透镜体。 固态水在土中起着暂时的胶结作用，提高土的力学强 度，降低透水性。 但温度升高后，冰层解冻为液态水，使土的强度急剧 降低，压缩性增大，土的性质显著恶化，如处于地下 水以上的某些公路路面在开春后的翻浆现象就是一例。
土粒质量累计百分数为10%时，相应的粒径称 为有效粒径d10。小于某粒径的土粒质量累计百 分数为30%时的粒径用d30表示。当小于某粒径 的土粒质量累计百分数为60%时，该粒径称为 限定粒径d60。 利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指 标，如不均匀系数Cu 和曲率系数Ce。
不均匀系数Cu反映大小不同粒组的分布情况。Cu越大 表示土粒大小的分布范围越大、曲线越缓，其级配越 良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大 的密实度。曲率系数Ce描写累积曲线的分布范围，反 映曲线的整体形状。
５.２.１土的组成
一、土的固相
土是岩石风化的产物。因此土粒的矿物组成将取决于成土 母岩的矿物组成及其后的风化作用。 分为四类：原生矿物、不溶于水的次生矿物（以粘土矿物 和硅、铝氧化物为主）、溶于水的次生矿物、有机质。
原生矿物
由岩石经物理风化生成的颗粒通常是由一种或几种原生矿 物所组成，它的成分成分与母岩的相同，常见的有石英、 长石相云母。 颗粒一般较粗，多呈浑圆形、块状或板状。 吸附水的能力弱，性质比较稳，无塑性。
蒙脱石：蒙脱石单位晶胞的上下面均为硅氧四面体 晶片，中间夹一个铝氧八面体晶片。相邻晶胞间由 相同的氧原子相接，这种联结既弱也不稳固，水分 子很容易楔入其间，以致将其分散为极细小的鳞片 状颗粒，并使晶格沿垂直方向膨胀。
含蒙脱石矿物较多的土对环境的干湿变化较敏感；土体湿度增高，体积膨胀并形成膨胀 压力；土体失水，体积收缩并产生收缩裂隙，而且这种胀缩变形可随环境变化往复发生， 导致土的强度衰减。
第五节 特殊土的主要工程特性
土在工程上的作用：
1. 作为建筑物的地基； 2. 作为建筑材料； 3. 作为建筑物周围的介质环境；
地基、基础和上部结构示意图 B-基础宽度；D-基础砌置深度
第一节 土的老粘土、新近堆积粘土；
老粘土：第四纪更新纪（Ｑ３）及其以前堆积的 土；堆积年代久，具有较高的强度和较低的压 缩性； 新近堆积的粘土：Ｑ４第四纪全新世中近期沉 积的土层，欠固结，强度低；
残积土 残积土----是指岩石经物理分化和化学风化 作用后残留在原地的碎屑物称残积物或残积 土；因其成层覆盖在地表，故又称沉积层。 土壤层--残积层--风化岩层和新鲜岩石形成 完整的风化地壳。 陡坡和山顶部位常被侵蚀而厚度变小，平缓 的斜坡和山谷低洼处厚度大； 残积层表层因与土壤层接触，孔隙率大，压 缩性高，强度低，下部则常是碎石或砂粒的 粘性土或是被上述充填的碎石土，砂砾土， 其强度较高；
提示： 一般规定：Ｃｕ<５为均粒土，属级配不 良土，Ｃｕ>10为级配良好土，Ｃｕ＝５ －１０为级配一般土； Ｃe=1-3为良好级配土；Ｃe>３或<1则为 不良级配土； 一般用上述两个指标来判断土的级配情 况；
曲线平缓，粒径大小相差悬殊，土粒不均匀。颗粒级配可以在一定程度上反映土的某些性质。对于级配良好 的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较 好．透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其它土建工程的填方土料。
测定：烘干法 土粒相对密度（土粒比重）
公式：ds=ms/mw
测定：比重瓶法
其它指标
土的干密度 饱和密度 土的浮密度（有效密度） 土的孔隙比 土的孔隙率 土的饱和度
单粒结构
蜂窝结构
絮状结构
土的构造
层状构造 分散构造 结核状构造 裂隙状构造
第3节 土的物理性质指标
Va Vv
Vw
气体 气体
ma 0 mv mw
mw
水
V
VＳ
m
Vs
土颗粒
ms
一、三相指标－三个基本试验指标
土的天然密度
公式：ρ =m/v
测定：环刀法
土的含水量
公式：w= mw/ms×100％
2.非结合水
在双电层影响以外的水为 自由液态水，它主要受重 力作用的控制，土粒表面 吸引力居次要地位，这部 分水称为非结合水，它包 括毛细水和重力水。
(1)毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作 用的自由水。 毛管现象是毛细管壁对水的吸力和水的表面张 力共同作用的结果。 毛细水是受毛细管作用控制的水，可以把土的 孔隙看作是连续变截面的毛细管，毛细管放在 水中，管中的水位会上升到自由水位以上的一 定高度，毛管直径愈细上升高度愈高。 在常温下毛细上升高度hc与毛管半径r有以下关 系： hc=15/r
冲积层
由河流的流水作用将碎屑物质搬运到河谷中 坡降平缓的地段堆积而成,它发育于河谷内及 山区外的冲积平原中; 根据形成条件和环境分为:河床冲积物、河漫 滩冲积物、牛扼湖冲积物和河口三角洲冲积 物；
湖积层
湖中的沉积物；分淡水和咸水湖沉积物； 淡水湖沉积物分：湖岸沉积物和湖心沉积物； 湖岸为砾石、砂土或粘土，由浪冲刷而成； 湖心沉积物成分复杂，主要为粘土质淤泥， 淤泥为一种工程地质性质很差的土；内摩擦 角为０－５0;粘结力为２－１５ＭＰａ；干燥 时体积收缩达５０％－９０％；
风蚀作用形成的戈 壁荒漠
第2节土的组成、结构和构造
固体矿物颗粒 （固相） 土中气体 （气相） 土中水
（液相）
固相:包括多种矿物成分组成土的骨架，骨架 间的空隙为液相和气相填满，这些空隙是相 互连通的，形成多孔介质。 液相:主要是水(溶解有少量的可溶盐类)。 气相:主要是空气、水蒸气，有时还有沼气等
高 岭 石
蒙 脱 石
伊 利 石
土的颗粒级配
土是由大小不同的土粒组成的。土粒的粒径由 粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化。 例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变化 到有粘性。 界限粒径:划分粒组的分界尺寸。 土的颗粒级配:土中各个粒组的相对含量(各 粒组占土粒总重的百分数)。 颗粒级配累积曲线:颗粒大小分析试验成果， 由其横坐标（对数坐标）表示粒径。纵坐标则 表示用小于(或大于)某粒径的土重含量(或称 累计百分含量) 。
次生矿物
由原生矿物经化学风化生成的新矿物，它的成分成分与母岩的完 全不同。 次生矿物主要是粘土矿物，即高岭石、伊利石和蒙脱石。 颗粒极细，且多呈片状。 性质活泼，有较强的吸附水能力（尤其是由蒙脱石组成的颗 粒），具塑性。 －－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 水溶盐:可溶性次生矿物。最常见的有岩盐、钾盐、石膏、方 解石，硫酸盐类还对金属和混凝土有一定的腐蚀作用； 有机质:动植物分解后的残骸，分解彻底的称为腐殖质。腐殖 质的颗粒极细，粒径小于0.1m，呈凝胶状，带有电荷，具有 极强的吸附性。
坡积层
雨水或雪水将高处的风化碎屑物冲洗（或 冲刷），顺坡向下搬运，堆积在较平缓的 山坡或坡脚处形成坡积层， 坡积土的物质成分与高处残积土有直接关 系； 坡积土的粒度有明显的分选性，上部多为 粘性土，下部多为碎石土和砾石土； 厚度变化大；在陡坡处段薄；而在坡脚处 较厚；
洪积层
大雨或融雪水将山区或高地的大量碎屑 物沿冲沟搬运到山前或山坡的低平地带 堆积而成。
洪积层特征
洪积物在沟口往往呈扇状分布，扇顶在沟 口，向山前低平地带展开，称为洪积扇； 多山口处可能形成洪积裙，并可发展成为 洪积平原；有利于城镇、工厂建设和道路 建筑； 洪积土作为地基较为理想，尤其离山前较 近的洪积土；但其空隙率大，作为坝基不 合适； 常发育于干旱或半干旱地区，应易风化成 碎屑；
伊利石：含钾量高的原生矿物经化学风化的初期产物，其 晶格构造与蒙脱石相似，也是由两片硅氧四面体夹铝氧八 面体构成，不同的是四面体中 Si4+被 Al3+ 所替代，由 K＋离子补偿晶层正电荷的不足。
伊利石相邻晶胞间由钾离子联结，这种联结较之高岭石层间的氢键联结为 弱，但比蒙脱石层间的水分子联结要强，所以形成的片状颗粒大小处于蒙脱 石和高岭石之间，其工程性质也介于两者之间。
双电层理论
粘粒表面带有一定量负电荷，并紧密地 吸附在固相表面上，形成固定层(吸附 层)。 由于静电引力的作用，在水溶液中将吸 引水中的阳离子到土粒表面来。另一方 面，阳离子又受到热运动的扩散作用， 要离开土粒表面。 因而阳离子的分布是不均匀的，愈靠近 表面，静电作用力愈大、吸引力愈强， 阳离子浓度也愈大；随着离土粒表面距 离的增加，静电引力也降低，阳离子浓 度也逐渐下降，直至孔隙中水溶液的浓 度正常为止这个层称为反离子层。而阴 离子浓度与之相反。 土粒表面带负电荷的固定层(吸附层)与 受土粒表面影响的阳离子层(反离子层) 合称为双电层。