土的組成和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造課件

工程地質(zhì)學(xué)昆明理工大學(xué)土木工程系張家明講課學(xué)時安排礦物與巖石：10地質(zhì)構(gòu)造：2巖石與巖體工程地質(zhì)性質(zhì)：4土的工程性質(zhì)及分類：4地下水：3工程地質(zhì)問題：3工程地質(zhì)原位測試：3工程地質(zhì)勘察：3總學(xué)時：32第四章土的工程性質(zhì)和分類4.4土的成因類型特征4.1土的組成與結(jié)構(gòu)、構(gòu)造4.2土的物理力學(xué)性質(zhì)及其描述指標(biāo)4.3土的工程分類4.5特殊土的主要工程性質(zhì)4.1土的組成與結(jié)構(gòu)、構(gòu)造土是巖石在風(fēng)化作用下形成的不同粒徑的顆粒在原地殘留或經(jīng)過不同搬運方式，在不同環(huán)境中形成的堆積物。

由于原因及年代的差異，不同土的工程性質(zhì)差異很大。4.1土的組成與結(jié)構(gòu)、構(gòu)造從物質(zhì)組成來看，土由作為主骨架的礦物或巖石顆粒（土粒）、空隙中的水溶液及空隙內(nèi)的氣體組成，其中，土顆粒是土的主體，但空隙水及其含量對（細(xì)粒）土的性質(zhì)影響重大。4.1土的組成與結(jié)構(gòu)、構(gòu)造4.1.1土的粒度成分

（一）粒組劃分土的主體是大小不同的顆粒，顆粒的大小以直徑（mm）表示，簡稱粒徑（或粒度）。介于一定粒徑范圍內(nèi)的土粒為一個粒組；土中不同粒組的相對含量，稱為土的粒度成分（顆粒級配）。目前，對于粒組劃分還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，教材推薦的劃分方案為：粒組名稱粒徑范圍（mm）一般特征漂石或塊石>200滲透性強，無粘性，無毛細(xì)作用卵石或碎石200~20圓礫或角礫粗20~10滲透性強，無粘性，無毛細(xì)作用中10~5細(xì)5~2砂粒粗2~0.5易透水，無粘性，無塑性，干燥時松散；毛細(xì)作用弱中0.5~0.25細(xì)0.25~0.1極細(xì)0.1~0.075粉粒粗0.075~0.01透水性較弱，濕時稍有粘性，無塑性和膨脹性；飽和時易流動；毛細(xì)上升高度大；濕土震動時有水析現(xiàn)象細(xì)0.01~0.005黏粒<0.005透水性差；濕時有粘性、可塑；遇水膨脹、干時收縮；毛細(xì)上升高度大

自然界中的各類土一般都是兩個以上粒組的混合，其性質(zhì)則與優(yōu)勢粒組有關(guān)。與優(yōu)勢粒組對應(yīng)，就有漂石或塊石土、卵石或碎石土、圓礫土或角礫土、砂土、粉土及黏土等名稱。漂石土：粒徑大于200mm的顆粒含量超過總重量的50%以上－康定Photo?XuZemin漂石土漂石土：粒徑大于200mm的顆粒含量超過總重量的50%以上－康定Photo?XuZeminPhoto?XuZemin塊石土：粒徑大于200mm的顆粒含量超過總重量的50%以上－康定塊石土卵石土：粒徑大于20mm的顆粒含量超過總重量的50%以上－通化Photo?XuZemin卵石土卵石土作路基-成都-2004/03/10Photo?XuZemin狹義碎石土-四川康定碎石土：粒徑大于20mm的顆粒含量超過總重量的50%以上Photo?XuZemin碎石土狹義碎石土-四川康定碎石土：粒徑大于20mm的顆粒含量超過總重量的50%以上Photo?XuZemin砂土-金沙江攀枝花段-2004/11/28Photo?XuZemin砂土砂土-金沙江攀枝花段-2004/11/28Photo?XuZemin粉土-四川松潘Photo?XuZemin粉土EXAMPLE1滇池盆地淤泥質(zhì)(有機質(zhì))粘土粘土理工大學(xué)白龍區(qū)2005/11/04-白龍家屬區(qū)基坑邊坡風(fēng)干后呈灰白色Photo?XuZemin風(fēng)干后呈灰白色顏色漸變2005/11/04-白龍家屬區(qū)基坑邊坡Photo?XuZemin云南電視大學(xué)滇池盆地湖相淤質(zhì)粘土Photo?XuZemin滇池湖相淤質(zhì)粉土Photo?XuZemin2007/07/12－昆明大板橋新機場附近剖面（磚廠）人工填土Photo?XuZemin2007/07/12－昆明大板橋新機場附近剖面（磚廠）Photo?XuZemin2007/07/12－昆明大板橋新機場附近剖面（磚廠）Photo?XuZeminEXAMPLE2云南紅（粘）土我家房后云南紅粘土-我家房后Photo?XuZemin云南紅粘土Photo?XuZemin云南紅粘土Photo?XuZemin云南紅粘土Photo?XuZeminBSEM2：55cm附近土體團(tuán)粒；2400倍：4607顆粒表面放大-可見結(jié)構(gòu)致密的粘土礦物Photo?XuZemin2005/4/15-昆明富民大營鎮(zhèn)Photo?XuZemin2006/3/18-昆明富民Photo?XuZemin云南紅粘土的遇水崩解行為-2005/11/04Photo?XuZemin紅土高原－云南紅土－昆明新機場EXAMPLE3成都粘土成都粘土-2004/03/10Photo?XuZemin成都粘土-2004/03/10Photo?XuZemin1.6cm成都粘土中的鈣質(zhì)結(jié)核-2004/03/10Photo?XuZemin成都粘土-2004/03/10Photo?XuZemin過渡類型-hybrid卵石土卵石土砂土卵石質(zhì)砂土四川松潘川主寺Photo?XuZemin2006-8-12-德國慕尼黑-列支敦士登高速公路-砂卵石作路基Photo?XuZemin粒度成分對土工程性質(zhì)影響的實質(zhì)：1、土顆粒大小不同，土的比表面積不同，則土粒與水汽作用的表面能大小不同；2、不同大小顆粒的組成礦物成分不同；

土的粒度成分是通過土的粒度分析試驗測定的。對于直徑在0.075mm以上的粒組（粗粒土），可以用篩分法測定；對于0.075mm以下的粉粒和粘粒（無法做篩子），可以用比重計法或移液管法測定。篩子孔洞：2020.50.250.10.075mmPhoto?XuZeminPhoto?XuZeminPhoto?XuZeminPhoto?XuZeminLS13320全自動激光粒度分析儀土的粒度分析成果-“顆粒級配累積曲線”

橫坐標(biāo)為粒徑（mm），由于同一土樣的顆粒粒徑可能相差極大，因此，采用對數(shù)坐標(biāo)；縱坐標(biāo)表示小于某粒徑的土的累積百分含量。曲線越陡，土的組成越均勻；曲線平緩，說明土粒大小懸殊，各個粒度的都有，分選差，級配良好。顆粒級配累積曲線曲線平緩，表示粒徑大小相差懸殊，各種粒組的相對含量幾乎一致，土粒不均勻，即級配良好。曲線陡峭，表示粒徑大小相差不大，優(yōu)勢粒組明顯，土粒均勻，即級配不好。有效粒徑、限定粒徑及不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)

小于某粒徑的土粒累積重量百分含量小于10%時，相應(yīng)的粒徑被稱為有效粒徑，以d10表示；小于某粒徑的土粒累積重量百分含量小于60%時，相應(yīng)的粒徑被稱為限定粒徑，以d60表示。d10d60d30有效粒徑、限定粒徑及不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)

d60與d10之比可以反映顆粒級配的不均勻程度，稱為不均勻系數(shù)-Cu:Cu越大，土粒越不均勻，這樣的土往往可以作為填方工程的理想填料（但要看d60）。工程上一般將Cu<5的土作為均勻的；Cu>10的稱為不均勻的，級配良好。

曲率系數(shù)Cc=d30.d30/（d10.d60

）Cc值在1~3之間的土級配較好。d10d60d304.1.2

土的礦物成分

一般來說，只有細(xì)粒土（如粉土、粘土）等才進(jìn)行礦物成分分析；對于粗粒土，只要說明砂、礫石成分就可以了。土體中的礦物可以分為以下幾個大類：（一）原生礦物（二）不溶于水的次生礦物（三）可溶巖類及易分解的礦物（四）有機質(zhì)

（一）原生礦物如石英、長石、角閃石、云母等。他們是組成卵石、礫石、砂粒及粉粒的主要成分。

（二）不溶于水的次生礦物

粘土礦物：高嶺石、蒙脫石、伊利石及水云母等。次生SiO2及鐵、鋁的氧化物（倍半氧化物）等。（三）可溶鹽類

易溶鹽類：NaCl，CaCl2，Na2SO4及Na2CO3等（干旱地區(qū)土）中溶鹽類：CaSO4等。難溶鹽類：常以結(jié)核形式出現(xiàn)的CaCO3等

易溶鹽類極易被大氣降水或地下水溶濾出來，所以分布范圍較窄，但在干旱氣候區(qū)和地下水排泄不良地區(qū)，它是地表上層土中的典型性產(chǎn)物，即形成鹽堿土和鹽漬土?？扇茺}類對土的工程性質(zhì)影響機制：含鹽土浸水后鹽類被溶解后，使土的粒間連結(jié)消弱，甚至消失，并同時增大土的孔隙性，從而降低土體的強度和穩(wěn)定性，增大其壓縮性。（四）有機質(zhì)

有機質(zhì)是指存在于土壤中的所有含碳的有機物，包括各種動植物殘體，微生物體及其分解和合成的各類有機物質(zhì)。

有機質(zhì)對土的工程性質(zhì)的影響實質(zhì)在于：有機質(zhì)有更強的膠體性質(zhì)和更高的親水性、疏水性或斥水性。

有機質(zhì)對土的工程性質(zhì)的影響程度取決于：有機質(zhì)種類、有機質(zhì)含量、含水率和分布格局。4.1.3土中的水&氣土中水H2O是強極性分子（土粒表面結(jié)合水）結(jié)合水強結(jié)合水弱結(jié)合水（吸著水）（薄膜水）非結(jié)合水液態(tài)水氣態(tài)水固態(tài)水毛細(xì)水重力水（自由水）土中水存在于土粒礦物結(jié)構(gòu)格架內(nèi)部或參與礦物晶格構(gòu)成的水-礦物內(nèi)部結(jié)合水和結(jié)晶水，它只有在高溫（140-700℃）下才能化為氣態(tài)水而與土粒分離。一、結(jié)合水受固體表面引力大于自身重力的那部分水為結(jié)合水。分為強結(jié)合水和弱結(jié)合水：

強結(jié)合水：緊靠土粒表面的結(jié)合水。厚度小，只有數(shù)千個水分子層。不能傳遞靜水壓力，沒有溶解能力，具有抗剪強度，密度為1.2~2.4g/cm3，不能自由移動。

弱結(jié)合水：強結(jié)合水外圍的結(jié)合水膜。厚度比強結(jié)合水大得多，是結(jié)合水的主體。不能傳遞靜水壓力，沒有溶解能力，可以緩慢向外圍移動。雙電層電位電動電位擴(kuò)散層厚度越大，土的膨脹性、壓縮性越高，強度越低。毛細(xì)水：在地下水飽水帶與包氣帶的界面附近，因毛細(xì)作用而形成的一部分地下水。重力水：在重力作用下能夠自由流動的水，即，通常所說的地下水。重力水流動時，具有機械潛蝕和對可溶鹽的溶蝕作用。重力水是地下水資源的主要來源。4.1.4

土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造在黏性土中，土粒間除有結(jié)合水膜形成的聯(lián)結(jié)（水膠聯(lián)結(jié)）外，往往還有其他鹽類結(jié)晶、凝膠薄膜等聯(lián)結(jié)存在。（一）土的結(jié)構(gòu)（二）土的構(gòu)造

（一）土的結(jié)構(gòu)1、定義：土顆粒本身的特點（顆粒大小、形狀和磨圓度及表面粗糙度）和顆粒間相互關(guān)系（粒間排列及其聯(lián)結(jié)性質(zhì)）的綜合特征。2、分類：單粒（散粒）結(jié)構(gòu)+集合體（團(tuán)聚）結(jié)構(gòu)——取決于土的顆粒組成、礦物成分及所處環(huán)境條件。單粒結(jié)構(gòu)特征1、單粒結(jié)構(gòu)（為散粒結(jié)構(gòu)），是碎石（卵石）、礫石類土和砂土等無黏性土的基本結(jié)構(gòu)形式。2、單粒結(jié)構(gòu)對土的工程性質(zhì)影響主要在于其松密程度。集合體結(jié)構(gòu)特征1、集合體結(jié)構(gòu)（團(tuán)聚結(jié)構(gòu)、紊凝結(jié)構(gòu)）是黏性土所特有的。2、分類：蜂窩狀結(jié)構(gòu)+紊狀結(jié)構(gòu)。3、蜂窩狀結(jié)構(gòu)（聚粒結(jié)構(gòu)）：它是由較粗黏粒和粉粒的單個顆粒之間以面-點、邊-點或邊-邊受異性電引力和分子引力連結(jié)組合而成的疏松多孔結(jié)構(gòu)。集合體結(jié)構(gòu)特征4、紊狀結(jié)構(gòu)（聚粒紊凝結(jié)構(gòu)、二級蜂窩狀結(jié)構(gòu)）：主要由更小黏粒連結(jié)形成，是上述蜂窩狀的若干聚粒之間，以面-邊或邊-邊連結(jié)組合而成的更疏松、孔隙體積更大的結(jié)構(gòu)。5、集合體結(jié)構(gòu)形成機制：a、由帶不同電荷的顆粒間相互吸引而連結(jié)組合；b、由于同一種顆粒的面-邊、面-點之間分布不同的電荷，而形成連結(jié)；c、由帶相同電荷顆粒借助粒間反粒子層形成連結(jié)。集合體結(jié)構(gòu)特征6、集合體結(jié)構(gòu)土體的特征：a、孔隙度很大，而各單獨孔隙的直徑很小，土體壓縮性很大；b、水容度、含水量很大，水分以結(jié)合水為主，排水困難，故壓縮過程緩慢；c、具有很大的易變性——不穩(wěn)定性。外界條件對集合體結(jié)構(gòu)的影響很大，故集合體結(jié)構(gòu)又被稱為易變結(jié)構(gòu)。7、軟黏性土的觸變性和靈敏度軟黏性土的觸變性：土體經(jīng)過擾動（如振動、攪拌、搓揉等）致使結(jié)構(gòu)破壞時，土體強度劇烈減小，但如將受過擾動的土體靜置一定的時間，則該土體強度將又隨靜置時間的增大，而逐漸有所增長、恢復(fù)的特性。一般用靈敏度來評價軟黏土的觸變性：

——保持天然結(jié)構(gòu)和含水量的軟黏土的無側(cè)限抗壓強度和十字剪切強度；

——同上土體，結(jié)構(gòu)破壞時的無側(cè)限抗壓強度和十字剪切強度；低靈敏度：1<St≤2；中靈敏度：2<St≤4；高靈敏度：St>4

（二）土的構(gòu)造1、定義：整個土層構(gòu)成的不均勻性特征的總和。2、研究土體構(gòu)造特征的重要意義：a、土體構(gòu)造特征反映土體在力學(xué)性質(zhì)和其他工程性質(zhì)的各向異性或土體各部位的不均勻性；b、土體的構(gòu)造特征是決定勘探、取樣或原位測試布置方案和數(shù)量的重要因素之一。3、碎石土主要構(gòu)造：a、粗石狀構(gòu)造：是由相互擠靠著的粗大碎屑形成骨架，外表很像“干砌石”；b、假斑狀構(gòu)造：在較細(xì)顆粒組成的土體中，混雜著一些較粗或粗大碎屑，而粗大碎屑互不接觸，不能形成骨架。

（二）土的構(gòu)造4、砂土和砂質(zhì)粉土主要構(gòu)造：a、透鏡體構(gòu)造；b、粒度較均勻的交錯層構(gòu)造；

（二）土的構(gòu)造5、黏性土主要構(gòu)造：層狀構(gòu)造、顯微層狀構(gòu)造和各種裂隙、節(jié)理構(gòu)造4.2.1土的三相比例指標(biāo)（1）土的顆粒相對密度ds土粒重量與同體積的4℃時水的重量之比，稱為顆粒相對密度ds，它在數(shù)值上為單位體積土粒的重量。顆粒相對密度決定于土的礦物成分、它的數(shù)值一般為2.6~2.7之間。有機質(zhì)土為2.4~2.5；泥炭土為1.5~1.8之間；含鐵質(zhì)較高的黏性土可達(dá)2.8~3.0。顆粒相對密度可在實驗室采用比重瓶法測定。（2）土的重度單位體積土的重量稱為土的重度，土的重度取決于土粒的重量，孔隙體積的大小和孔隙中水的重量。天然狀態(tài)下土的重度變化范圍很大，一般黏性土重度在18~20KN/m3；砂土為16~20KN/m3；腐殖土為15~17KN/m3。一般用“環(huán)刀法”測定。（3）（天然）密度單位體積土的質(zhì)量，單位或。[重度為單位體積土的重量，單位。]土的密度一般用“環(huán)刀法”測定。相應(yīng)于天然密度，有干密度（）：單位體積土中固體顆粒的質(zhì)量，干密度越大，土越密實－干容重。飽和密度（）：土體完全飽水時，單位體積的質(zhì)量－飽和容重。式中，、、分別為土粒的質(zhì)量、土的體積和水的密度。有效密度或稱浮密度（）：地下水位以下，單位土體積中土粒的質(zhì)量扣除浮力后的質(zhì)量－浮容重（4）土的含水量（含水率）（）土中水的質(zhì)（重）量與土粒質(zhì)（重）量的比值：

含水量是土的重要指標(biāo)，對于細(xì)粒土，含水量越高，強度越低。對于粉土，可以根據(jù)含水量對土的狀態(tài)進(jìn)行劃分:

稍濕；濕；很濕（5）土的飽和度（）土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積的比，以百分?jǐn)?shù)表示。對于砂土和礫石土，可以根據(jù)飽和度對土的狀態(tài)進(jìn)行劃分：稍濕很濕飽和不易操作？

孔隙比是土的重要物理性質(zhì)指標(biāo)，用來評價土層的密實程度。一般來說，e<0.6時，屬于密實的低壓縮性土；e>1時，屬疏松的高壓縮性土。（6）土的孔隙比（）和孔隙率（）土中孔隙體積與土粒體積之比為孔隙比土中孔隙體積與土的總體積之比為孔隙率或孔隙度在巖土工程中，e

比n

應(yīng)用要廣，但在地下水領(lǐng)域主要應(yīng)用n

。4.2.2無粘性土的密實度指標(biāo)無粘性土一般指粒徑大于0.075mm的砂土和碎（卵石）石土，也稱為粗粒土。（1）相對密度（Dr）式中，emax、e、emin分別為土的最大、天然及最小孔隙比。根據(jù)相對密度對粗粒土的劃分方案為：0.330.671松散中密密實（2）用標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)劃分的土的密實度用Dr來劃分土的密實度，物理意義比較明確，但在實際操作過程中，emax是很難確定的，而且測定e要求原狀土，這在許多情況下也比較困難。對于砂土（不能是細(xì)粒土或碎石土），可以用N63.5（兩個半圓管合成的取土器，用63.5kg的錘，落距76cm，貫入30cm時的錘擊數(shù)）來對其密實度進(jìn)行劃分：101530松散稍密中密密實4.2.3黏性土物理性質(zhì)指標(biāo)黏性土因含水量變化而表現(xiàn)出各種不同的物理狀態(tài)，也稱為稠度；黏性土在一定含水量范圍內(nèi)表現(xiàn)出可塑性，因此黏性土也可稱為可塑土；可塑性：指土在外力作用下，可以揉塑成任意形狀而不發(fā)生裂縫，并當(dāng)外力解除后仍然保持既有的形狀的一種性能。粘性土?xí)S著含水量的加大，從固態(tài)，變?yōu)樗苄誀顟B(tài)以及流動狀態(tài)。粘性土從某種狀態(tài)進(jìn)入另一種狀態(tài)的分界含水量，被稱為界限含水量。（1）界限含水量-稠度界限-Atterberg界限液限塑限縮限固態(tài)半固態(tài)可塑狀態(tài)流動狀態(tài)縮限（）：由半固態(tài)不斷蒸發(fā)水分，則土體積不斷縮小，直到體積不再縮小時的含水量。塑限（）：由半固態(tài)轉(zhuǎn)到可塑狀態(tài)的含水量-塑性下限。液限（）：由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)到流動狀態(tài)的含水量-塑性上限、流限。液限測定方法76g圓錐，5s內(nèi)下降10mm的含水率。技術(shù)指標(biāo)：碟子抬高1cm；2次/s的速率，連續(xù)下落25次；土槽合攏長度為1.3cm塑限測定方法搓條法縮限測定方法收縮皿法液限、塑