工程地质学-第四章土

地貌上称洪积扇。
新疆天山脚下洪积扇
洪积土的工程性质：
分选性较好，离山前 较近的洪积土颗粒粗，地 下水位埋藏深，具有较高 的承载力，压缩性低，是 工民建的良好地基。
离山较远的地带，洪 积土的颗粒细，透水性不 好，土质弱，承载力低， 作为建筑物地基时应慎重 对待。
山前洪积扇剖面图
4
4 河流沉积--冲积土(alluvium)： 河流搬运作用方式：
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。 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，然后 计算其占总土粒质量的百分数
土粒粒组的划分
粒组名称
粒径范围
一般特征
漂石、块石颗粒 卵石、碎石颗粒
＞200 200～20
透水性很大，无粘性，无毛细水
粗 圆砾、角砾颗粒 中
细
20～10 10～5 5～2
• 排列致密，密度>1g/cm3 • 冰点处于零下几十度 • 完全不能移动，具有固体的特性 • 温度略高于100°C时可蒸发 - 弱结合水： • 受电场引力作用，为粘滞水膜 • 外力作用下可以移动 • 不因重力而流动，有粘滞性
2）自由水
自由水：不受颗粒电场引力作用的孔隙水，细分为：
毛细水：由于土体孔隙的毛细作用升至自由水面以 上的水。 重力水：自由水面以下的孔隙自由水，在重力作用 下可在土 中自由流动
浅海沉积物主要由细粒砂土、黏性土、 淤泥和生物化学沉积物组成，有层理构 造，较疏松，含水量高，压缩性大而强 度低。
深海沉积物主要是有机质软泥。
7、风积土(eolian deposit)：
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。最常见的是风成砂和风成 黄土，部分风成黄土具有强烈的湿陷性。
2 土中水
土中水处于不同位置和温度条件下，可具有不 同的物理状态——固态、液态、气态。液态水是土 中孔隙水的主要存在状态，因其受土粒表面双电层 影响程度的不同可分为结合水、毛细水、重力水。 后两者也称为非结合水（自由水）。
水的类型
结合水
非结合水
毛细水 重力水
主要作用力
物理化学力
表面张力和重力
重
力
1）结合水
土中的固体颗粒 构成土的骨架, 骨架之间贯穿着 大量的孔隙,孔 隙中充满着液体 和气体。土由固 体颗粒、液体和 气体三部分组成， 即土的三相组成
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
3 土中气 土中的气体
100
90
土的粒径级配
80
累积曲线
70
60
50
40
30
20
10
0
粒径(mm)
粒径(mm) 0.05 0.01 0.005 百分数P(%) 26 13.5 10
特征粒径:
d60 : 控制粒径 d10 : 有效粒径 d30
小于某粒径之土质量百分数（％） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
河漫滩相冲积土：
是在洪水期河水漫溢河 床两侧，携带碎屑物质堆 积而成。土粒较细，可以 是粉土、粉质黏土或黏土， 并夹有淤泥或泥炭等软弱 土层，覆盖于河床相冲积 土之上，形成上细下粗的 “二元结构”。
图 3-21 河漫滩沉积 1-河床沉积物；2-河漫滩冲积层；3-山坡坡积裙
牛轭湖相冲积土：
是在废河道形成的 牛轭湖中沉积的松软 土，颗粒很细，常含 大量有机质，有时形 成泥炭。压缩性很高， 承载力很低，不宜作 为建筑物的天然地基。
土
化学风化 境中形成的堆积物
化学风化仅使岩 石 产生质的变化
土中的固体颗粒 构成土的骨架, 骨架之间贯穿着 大量的孔隙,孔 隙中充满着液体 和气体。土由固 体颗粒、液体和 气体三部分组成， 即土的三相组成
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；
孔径
10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.1 (0.075)
200g土
筛余
P
0
100
10
95
16
87 筛 18 78 分 24 66 法
22 55 38 36 72
水分法
小于某粒径之土质量百分数P（％） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
1、残积土 (eluvium)：
岩石经风化 后未被搬运而残 留于原地的碎屑 物质所组成的土 体，它处于岩石 风化壳的上部。
残积土的工程性质：
粒度成分和矿物成分受气候和母岩岩性的控制。 其发育情况还和地形有关。孔隙度↑、强度↓、压缩 性↑，均质性差，但具有一定的结构强度。原位测试 强度>>室内测试值。
土的粒径级配累积曲线
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10 0
d60 d50 d30
d10
粒径(mm)
土的不均匀程度：用不 均匀系数：
Cu = d60 / d10 表示，Cu 5，称为不 均匀土，反之称为均匀 土
连续程度: 用曲率系数
Cc = d302 / (d60 ×d10 )
度量, Cc=1~3为连续级 配, >3或<1为不连续级 配
拖运、悬运、溶运
河流沉积作用类型：
河床沉积、漫滩沉积、牛轭湖沉积、河口三角 洲沉积
冲积物特点：分选性好，磨圆度高
河床相冲积土：
在河流上游多是粗大的 石块、砾石和粗砂，中下 游或平原地区沉积物变细， 磨圆度好，厚度很大。
古河床相土的压缩性低， 强度高。
现代河床堆积物的密实 度差，透水性强，若作为 水工建筑物的地基将引起 坝下渗漏。饱水砂土还可 能由于振动而引起液化。
透水性小，湿时稍有粘性，遇水膨胀 小，干时稍有收缩，毛细水上升高度较大 较快，极易出现冻胀现象
＜0.005
透水性很小，湿时有粘性、可塑性， 遇水膨胀大，干时收缩显著，毛细水上升 高度大，但速度较慢
❖ 土中不同粒组的相对含量，叫土的粒度成分， 它以各粒组的重量占该土的总重量的百分数 表示。
❖ 土的粒度成分是通过粒度分析试验测定，大 于0.075mm的颗粒，通过筛分法；小于 0.075mm的颗粒通过沉降法。粒度分析结果 一般采用颗粒级配累积曲线表示。曲线用半 对数坐标绘制。纵坐标表示小于某粒径的土 重占总土重的百分数，横坐标用对数坐标表 示土的粒径。
气等。 三相中土颗粒居于主导地位。 土体三相比例不同，土的状态和工程性质
也随之各异，例如： 固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土 呈坚硬状态， 砂土呈松散状态；
1、固体颗粒 1） 土的矿物成份
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。成 土矿物可分为四大类：
透水性很大，无粘性，毛细水上升高 度不超 过粒径大小
砂粒
粗 中 细 极细
2～0.5 0.5～0.25 0.25～0.1 0.1～0.05
易透水，当混入云母等杂质时透水性 减小，而压缩性增加；无粘性，遇水不膨 胀，干燥时松散，毛细水上升高度不大， 随粒径变小而增大
粉粒 粘粒
粗 细
0.05～0.01 0.01～0.005
水溶盐 可溶性次生矿物。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，称为腐殖质。其颗粒极细， 粒径小于0.1m，呈凝胶状，带有电荷，具极强 的吸附性。
后三种矿物又叫不稳定矿物。
2） 粒度成分
土颗粒的大小直接决定土的性质。 土的粒度：土粒的大小叫粒度。 粒度的量测：
湖心沉积物是由河流携带的细小悬浮颗粒 到达湖心后沉积形成，主要是黏土和淤泥， 常夹有细砂、粉砂薄层，土的压缩性高， 强度低。
沼泽土主要由半腐烂的植物残体——泥炭 组成，含水量极高，承载力极低，不宜作 天然地基。
6、海积土(marine deposit)：
滨海沉积物主要由卵石、圆砾和砂组成， 承载力较高。
第四章 土的工程性质与分类
4.1 土的形成及成因类型
4.1.1 土的形成
“土”一词在不同的学科领域有其不同的涵义。就 土木工程领域而言，土是指覆盖在地表的没有胶 结和弱胶结的颗粒堆积物。土与岩石的区分仅在 于颗粒间胶结的强弱。
物理风化仅使岩 石产生量的变化
物理风化 原地残留或经过不
岩石
同搬运，在各种环
风蚀作用形成的 戈壁荒漠
8、冰积土(glacial deposit)：
由冰川或冰水挟带搬运所形成的沉积物。冰积土 其颗粒以巨大块石、碎石、砂、粉土及粘性土混合组 成，一般分选极差，无层理，颗粒呈棱角状。
冰水沉积物常具斜层理。 巨大块石上常有冰川擦痕。
4.2 土的组成与结构、构造 4.2.1 土的组成
原生矿物 ● 由岩石经物理风化生成的， ● 颗粒成分与母岩的相同， ● 常见的有石英、长石和云母 ● 颗粒较粗，多呈浑圆形状， ● 吸附水的能力弱，无塑性。
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， ●有高岭石、伊利石和蒙脱石粘土矿物 ● 颗粒极细，且多呈片状， ● 性质活泼，吸附水能力强，具塑性。
强结合水 土颗粒
强结合水 弱结合水
土颗粒
强结合水 弱结合水
土颗粒
自由水ຫໍສະໝຸດ Baidu
(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。毛细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。 ❖ 砂土、粉土、粉质粘土毛细现象显著。碎石类 土和粘土毛细现象不显著。
(2)重力水
重力水是存在于地下水位以下的含水土 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。
粘土粒
+ 玻璃筒
水位 升高
粘土的电泳和电渗现象
(列依斯, 1809)
粘土膏 粘土颗粒
玻璃皿
水分子 阳离子
+
+
+ + __
_ _
_
_
__
+ _
_
+ _
___
_ __
_
+_ __
_
_
强结合水
粘土颗粒
O2
105o
H+
H+
水分子 极性
粘粒
弱结合水
自由水
结合水受颗粒表面电场作用力吸引而包围在颗粒四周， 不传递静水压力，不能任意流动的水 - 强结合水：
不能直接量测，原因是土粒大小悬殊和形状不规 则。
因此采用间接方法：筛析法 （> 0.075mm)和比 重计法(< 0.075mm)，并提出粒组的概念。 粒组——将粒径大小接近、矿物成分和性质相似的 土粒归并为若干组别即称为粒组。
土的颗粒分析方法--颗分试验
颗分 筛分法:适用于0.075mm≤d 试验 方法 沉降法:适用于d＜0.075mm
2 坡积土(diluvium)：
片流将山坡高处 的风化碎屑物顺坡冲 洗，堆积在较平缓的 山坡脚处而形成。
地貌上称坡积裙。
坡积土的工程性质：
结构疏松，一般具较高的压缩性。坡积 形成的黄土湿陷性较大。
3 洪积土(proluvium):
由暴雨形成的暂 时性山洪急流带来的 碎屑物质在山沟出口 处堆积而成。
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。 三相中土颗粒居于主导地位。 土体三相比例不同，土的状态和工程性质
也随之各异，例如： 固体+气体（液体=0）为干土，此时粘土 呈坚硬状态， 砂土呈松散状态；
4.1.2 土的成因类型 土的成因类型
残积土 （Qel） 坡积土 （Qdl） 洪积土 （Qpl） 冲积土 （Qal） 湖积土 （Ql） 冰积土 （Qgl） 风积土 （Qeol） 海积土 （Qm）
a-弯曲河道 b-蛇曲 c-牛轭湖
河口（海口）三角洲相冲积土：
通常是淤泥质 土或典型淤泥。面 积宽广而厚度极大。 不宜作为建筑物的 天然地基。但表层 硬壳层，有时可用 作低层建筑物的地 基。
5、湖积土(lake deposit)：
湖边沉积物是湖浪冲蚀湖岸形成的碎屑物 质在湖边沉积而形成的。近岸带沉积的多 是粗颗粒的卵石、圆砾和砂土，远岸带则 是细颗粒的砂土和黏性土。
小于某粒径之土质量百分数（％） 10 5.0 1.0 0.5 0.10 0.05 0.01 0.005 0.001
土的粒径级配累积曲线
100
90
80 70
60
50
40
30
20
10 0
d60 d50 d30
d10
粒径(mm)
❖ 对于级配良好（ Cｕ>10，且Cc=1~3)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。