工程岩土学(唐大雄 、孙愫文 主编 )

工 程 岩 土 学唐大雄 孙愫文 主编

绪 论一、工程岩土学的研究意义由工程建筑活动而产生的地质问题， 由工程建筑活动而产生的地质问题，一般称为工程 地质问题。 地质问题。 工程地质学是和工程建筑密切联系着的一门实用地 质学， 质学，是研究预测和评价与工程建筑有关的工程地质问题 的学科。 的学科 工程岩土学是以工程地质观点， 工程岩土学是以工程地质观点，研究岩土体的工程 地质性质及其在自然和人为因素影响下形成和发展变化的 学科， 学科，以适应各类工程建筑的要求，它也是工程地质学中 的重要基础理论部分。工程岩土学不仅研究岩土体当前的 工程岩土学不仅研究岩土体当前的 性状，也要分析其性质的形成条件，并结合自然条件和建 性状，也要分析其性质的形成条件 筑物修建后对岩土体的影响，分析并预测岩土体性质的可 能变化，提出有关的防治措施。

二、工程岩土学的研究对象和研究内容作为建筑场地、建筑介质或建筑材料的地壳表层岩土体，是工程岩土学 的研究对象。岩土是坚硬岩石和松散土的简称，它们都是地质作用的产物 岩土是坚硬岩石和松散土的简称， 岩土是坚硬岩石和松散土的简称 它们都是地质作用的产物。 岩土体的性质不仅与岩土本身的性质有关， 岩土体的性质不仅与岩土本身的性质有关，更重要的还与岩土体的结构有 关。 根据工程岩土学的研究对象，工程岩土学的研究内容包括以下几个方面: ⑴ 研究岩土体工程地质性质，包括：物理性质——岩土体所处的物理状态， 如密度和干湿状态、孔隙或空隙的特征，以及岩土体与水相互作用表现出来 的可塑性、膨胀性、吸水性、软化性···等性质；力学性质——岩土体在外力作 用下表现出的变形和强度特性； ⑵ 研究岩土体工程地质性质的形成和分布规律，岩土体物质组成和结构特征 对岩土体工程地质性质的影响； ⑶ 研究岩土体工程地质性质指标的测试方法和测试技术； ⑷ 研究岩土和岩土体的工程地质分类； ⑸ 研究岩土体工程地质性质在自然因素或人类工程活动影响下的变化趋势和 变化规律，并预测这种变化对各种建筑物的危害； ⑹ 研究改良岩土体性质的原则和方法。 为开展上述内容的研究，工程岩土学采用的主要方法是一般地质学方法 和专门的试验方法。当然，一般地质学所得的结果往往是定性的，不能满足 工程设计和施工的需要。为了定量说明岩土体工程地质性质，定量评价有关 的工程地质问题，则必须采用专门的试验方法，即取样进行室内试验或现场 原位测试，以获得表征岩土体工程地质性质的各种定量指标

。

三、工程岩土学发展概况及动向《工程岩土学》是上世纪20年代末期才形成一门较完 整的学科。它与《土力学》、《岩石力学》、《岩土工程》 一起，研究的对象是岩土体，解决与工程建筑有关的岩土 体问题，都是为工程建筑服务的。但《土力学》、《岩石 力学》是利用力学的原理对岩土体进行研究和分析，属力 学的分支；《岩土工程》则运用《工程岩土学》、《土力 学》、《岩石力学》的基础理论和评价方法，解决工程建 筑过程中所遇到的与岩土体有关的技术问题，属于工程技 术的范畴；而《工程岩土学》则是《土力学》、《岩石力 学》和《岩土工程》的理论基础，是从地质学的观点研究 岩土体性质及其形成和变化规律。所以，它属于工程地质 学的分支。

第一篇 土和土体的工程地质研究第一章 土的物质组成第一节 土的粒度成分一、粒组及其划分土的粒度成分是指土中各种大小土粒的相对含量。土粒的大 土的粒度成分是指土中各种大小土粒的相对含量 小通常以其平均直径的大小来表示，简称粒径，又称粒度，以 “毫米(mm)”为单位。为了便于研究土中各种大小土粒的相 对含量，及其与土的工程地质性质的关系，有必要将工程地质性 质相似的土粒归并成组，按其粒径的大小分为若干组别。这种大 这种大 小相近、性质相似的组别称为粒组，或称粒级。 小相近、性质相似的组别称为粒组，或称粒级。 目前，我国广泛应用的粒组划分方案一般是按粒径由粗至细 一般是按粒径由粗至细 依次划分为：漂砾组、卵粒组、砾粒组、砂粒组、 依次划分为：漂砾组、卵粒组、砾粒组、砂粒组、粉粒组和粘粒 组六个粒组。 组六个粒组。

二、土的粒度成分的测定方法土的粒度成分，通常以各粒组的质量百分率来表示，说明各粒级的分配情况，也 称颗粒级配。在工程实践中，将土按粒度成分分类，用来大致判别土的工程地质类型。 目前，土的粒度成分测定方法中，对粗粒土一般采用筛分法；而对细粒土，则多采用 静水沉降法。

三、土的粒度成分的表示方法根据实验测得的粒度成分资料，可用多种方法表示，以便找出粒度成分变化的规 律性。常用的表示方法有列表法、累计曲线法及三角图法。 列表法 将粒度分析的成果，用表格的形式表达。本法可以清楚地用数量说明土样 各粒组的含量。但当土样量较大时，不易获得直观概念。 累计曲线法 以粒径d为横坐标，以该粒径的累计百分含量Xd为纵坐标，在此直角 坐标系中两者的关系曲线称累计曲线。累计曲线的坐标系统有两种类型，一种是自然 对数坐标系，另一种是半对数坐

标系。 由累计曲线可求得任一粒径取段的百分含量、任一百分含量的最大粒径、土的有 效粒径d10、土的不均匀系数和曲率系数。在工程地质工作中，往往用累计曲线求得土 的不均匀系数Cu和曲率系数Cc,用以判定土的不均匀性。 Cu=d60/d10 Cc=d30/d10·d60 式中：d60、d30、d10——相应于累计百分含量分别为60%、30%、10%的粒 径，㎜。 当Cu≤5,Cc=1~3时，为级配不良的土，即均粒土。表明土中粒组含量单一， , = ~ 时 为级配不良的土，即均粒土。表明土中粒组含量单一， 颗粒均匀，累计曲线显得陡直；若不能同时满足上述两条件，则为级配良好的土， 颗粒均匀，累计曲线显得陡直；若不能同时满足上述两条件，则为级配良好的土，即 不均粒土，表明土中各粒组含量相差无几，颗粒大小混杂，累计曲线显得平缓。 不均粒土，表明土中各粒组含量相差无几，颗粒大小混杂，累计曲线显得平缓。 d10也称有效粒径，其物理意义是：由一种粒径土组成的理想均粒土，如与另一 也称有效粒径， 也称有效粒径 其物理意义是：由一种粒径土组成的理想均粒土， 非均粒土具有相等的透水性，那么这个均粒土的粒径应与这个非均粒土的d10大致相 非均粒土具有相等的透水性，那么这个均粒土的粒径应与这个非均粒土的 大致相 等。因此认为，d10是土中最具有代表性的粒径。它常用于渗透变性的计算公式中。

三角图法 在一等边三角形中，以一个点表示一个土样的粒 度成分，这就有可能将大量土样的粒度成分表示在一张图上，克 服了累计曲线法的不足。三角图法的原理是，在等边三角形中， 任一点对三边的垂高之和恒等于等边三角形本身的垂高(图1-2。 P10)。三角形的高为H,三角形中任意一点到各边的垂高为ha、 hb、hc,将H分为100等份，即令H=100,则ha、hb、hc就可以 代表三大粒组的百分含量。任何一个土所含的三大粒组百分含量 的总和必等于100%。这样，三角图中的每一个点就可以代表某 一个土样的粒度成分。在同一个三角图中，可以投上许多点，代 表各土样的粒度成分。 用三角图表示土的粒度成分的中心问题是将土划分成三大粒 组，三角形的三个顶点分别表示三大粒组。最常用的是以0.075 ㎜及0.006㎜为两个界限值，将全部土粒划分为砾砂组、粉砂组 及粘粒组三大粒组；该方案适用于细粒土的分类。粗粒土的分类 则以2㎜及0.075㎜为界限值，将全部土粒分成卵砾组、砂粒组及 粉粘粒组。这样，三角图就有可能把所有自然界和人工的土类表 示出来。

四、土按粒度成分的分类土的粒度成分及颗粒形状往往都与土的成因类型有密切关 系，各种不

同成因的土都具有一定的粒度特点。因此，土的粒 度分类是研究土的工程地质性质及其形成的基础。 因为土是由不同的土粒组成的，其工程地质性质在某种程 度上可以认为是各粒组性质的综合表现。实践证明，粗粒土的 粗粒土的 工程地质性质主要决定于含量占优势的那些粒组； 工程地质性质主要决定于含量占优势的那些粒组；细粒土中粘 粒含量起主导作用。因此，按粒度成分对土进行分类时，首先 粒含量起主导作用 必须考虑对土的性质起主导作用的粒组；而后，再考虑其他粒 组的含量变化对土的性质的影响情况，进行更详细的分类。总 之，按粒度成分具体划分土的类型和种类时，其划分原则和确 定各粒组含量的分界值，必须符合土的性质随粒度成分变化的 客观规律。这样，同一类型的土才具有相似的工程地质性质。 我国各建设部门按其工程建筑的特点，各自拟定了本部门 的粒度分类。表1-2(p12~13)是地矿部DT-92规程土粒度分 类的总表。

第二节 土的矿物成分一、土的矿物成分的类型⒈原生矿物 指母岩风化后残留的化学成分没有发生变化的矿物。 指母岩风化后残留的化学成分没有发生变化的矿物 ⒉次生矿物 母岩风化后及在风化搬运过程中，继续遭受化学风化作用，使原来的矿物因氧化、 母岩风化后及在风化搬运过程中，继续遭受化学风化作用，使原来的矿物因氧化、 水化及水解、溶解等化学风化作用而进一步分解，形成的一种新矿物。 水化及水解、溶解等化学风化作用而进一步分解，形成的一种新矿物。 ⒊有机质 有机质是土层中的动植物残骸在微生物的作用下分解而形成的。 有机质是土层中的动植物残骸在微生物的作用下分解而形成的

二、土的矿物成分与粒组的关系卵砾组和砂粒组中主要为原生矿物；粉粒组中以抗风化能力较强的石英、长石为主， 卵砾组和砂粒组中主要为原生矿物；粉粒组中以抗风化能力较强的石英、长石为主， 含有一定量的次生矿物；粘粒组中则主要为次生矿物，特别是粘土矿物。 含有一定量的次生矿物；粘粒组中则主要为次生矿物，特别是粘土矿物

三、粘土矿物的基本类型及基本特征粘土矿物是指由原生矿物长石、云母等硅酸盐矿物经化学风化而形成的具有片状 或链状结晶格架的颗粒细小、亲水性强、具有胶体特性的铝硅酸盐矿物。

四、土的矿物成分研究方法简介

第三节 土的化学成分土的化学成分是指组成土的固相、液相和气相中的化学元素、化合物的种类及其 相对含量。

第四节 土中的水一、矿物中的结合水 ⑴ 结构水；⑵ 结晶水；⑶ 沸石水。 二、土粒表面结合水 当土

空隙中的水与土粒表面接触时， 当土空隙中的水与土粒表面接触时，由于细小土粒表面的静电引力作用和水分子 是一种极性分子，水分子被极化并被吸附于土粒周围，形成一层水膜。 是一种极性分子，水分子被极化并被吸附于土粒周围，形成一层水膜。这部分水通常 称为土粒表面结合水，简称结合水。结合水可能由以下几种作用形成： 称为 ⒈表面电荷对极性水分子的吸引作用 ⒉氢键的联结作用 ⒊交换阳离子的水化作用 ⒋渗透吸附作用及范德华作用 一般又将结合水分为强结合水和弱结合水两种不同类型。 一般又将结合水分为强结合水和弱结合水两种不同类型。 三、非结合水 指距土粒表面较远的水分子，几乎不受或者完全不受土粒表面静电引力的影响，其 活动主要受重力的控制。其典型的代表是重力水。 四、固态水 五、气态水

第四节土中的气体土中的气体，主要为空气和水气。但有时也可能会含有较多的二氧化碳、沼气及硫 化氢等气体。 气体在本学科中研究意义不大，特别是与大气相连的气体。但是，土中的一些被封 闭的气体，会使土的压实性降低，从而影响其工程地质性质。

简介) 第二章 粘粒与水的相互作用 (简介)第一节 粘粒的胶体特性一、土粒的表面积 作为分散体系的土，通常用比表面积来表示其分散程度。 作为分散体系的土，通常用比表面积来表示其分散程度。比表面积S就是每克或每 立方厘米的分散相具有的总表面积，量纲为面积(单位多用平方厘米)。 二、粘粒的胶体特性 粘粒表面就借助于自由力场把它周围的物质吸引住，这就是吸附作用。 粘粒表面就借助于自由力场把它周围的物质吸引住，这就是吸附作用。粘粒表面由 于具有这种游离价的原子或离子，且处于不对称的静电引力场中而具有吸引外界极性分 子和离子的能力，即所谓的表面能。显然，比表面积大，表面能也大，吸附作用也强。 比表面积大， 比表面积大 表面能也大，吸附作用也强。

第二节 粘粒双电层的形成一、粘粒表面电荷的形成 1、选择性吸附 、 2、表面分子解离 、 3、同晶替代 、 二、双电层 由于粘土矿物具有同晶替代，或其与水相互作用后具选择性吸附，或其本身的解离， 使粘粒表面吸附离子而带电。这部分紧密地吸附在固相表面的离子称决定电位离子。带 电粘粒若与溶液作用时，由于静电引力的作用，吸附溶液中与其电荷符号相反的离子聚 集在其周围(这种离子称反离子),形成反离子层。由决定电位离子层和反号离子层构 成电性相反的电层称双电层。

第三节 离子交换粘粒与水溶液相互作用后，吸附在其表面

的阳离子(或者阴离子)可与溶 粘粒与水溶液相互作用后，吸附在其表面的阳离子(或者阴离子) 液中的阳离子(或者阴离子)进行交换，这种现象称离子交换。 液中的阳离子(或者阴离子)进行交换，这种现象称 细粒土的离子交换特性可用阳离子交换容量及各种交换性阳离子容量 阳离子交换容量及各种交换性阳离子容量两个 阳离子交换容量及各种交换性阳离子容量 指标来表示。交换容量是指在一定条件下，一定量的土中所有土粒的反离子层 的土中所有土粒的反离子层 内具有交换能力的离子总数。 内具有交换能力的离子总数。

第四节 粘粒的聚沉和稳定粘粒一般带负电，也有带正电的，与水作用后扩散层的电性与厚度的变化， 是决定着粘粒的聚沉和稳定的根本原因。 一、聚沉作用 相邻粘粒在一定条件下形成集合体的作用称聚沉作用或絮凝作用。 二、稳定作用 原来成为集合体的土，由于扩散层变厚，或者带有相反电荷符号的土粒转 原来成为集合体的土， 为带有同号电荷，当粒间排斥力大于吸引力时，颗粒重新分离，这种作用称为 颗粒重新分离， 颗粒重新分离 稳定作用。 稳定作用。 三、触变与陈化 当粘粒发生聚结，如果受到振动、搅拌、超声波、电流等外力作用的影响， 则往往会“液化”,变成溶胶或悬液，而当这些外力作用停止后，它们又重新 聚结，这种一触即变的现象，称触变。有的触变性土，经一定时间后就失去液 这种一触即变的现象， 这种一触即变的现象 称触变。 经一定时间后就失去液 化的能力，失去了原有的触变性。这种变化是不可逆的，叫做陈化。 化的能力，失去了原有的触变性。 叫做陈化。 叫做陈化

第三章 土的结构和土体结构 第一节 土的结构连结组成土的颗粒之间的连结、组合关系通常称为结构连结，简称连结。 一、按连结物质的性质的分类 1、结合水连结 、 2、胶结连结 、 3、毛细水连结 、 4、冰连结 、 5、无连结 、 二、按连结力的性质分类 1、化学连结 、 2、静电连结 、 3、离子-静电连结 、离子- 4、毛细力连结 、 5、分子连结 、 6、磁性连结 、

第二节 土的排列方式与孔隙类型排列是指土的结构单元体(单粒和集粒)的排列方 式，即指 即指土粒间排列组合关系。 即指 一、粗粒土的排列方式与孔隙类型 砾粒、砂粒、粉粒，由于其颗粒较粗大，比表面积 小，土粒自重远远大于颗粒间的分子引力，所以，粒间 几乎没有连结，或者具有微弱的连结，形成单粒结构。 因而，常称粗粒土为“无凝聚性土”或“无粘性土”。 粗粒土的排列有松散的和紧密的两种排列方式。松 散排列是颗

粒与颗粒相互接触，使土处于最松散状态， 孔隙比大。当颗粒处于其它颗粒的凹陷处时，则处于紧 密排列。 天然状态下，粗粒土多具单粒结构，而单粒排列的 易变性，与土的粒度成分、颗粒形状、矿物成分、粒间 连结、土中含水等情况有关。

二、细粒土的排列方式细粒土的排列，可以根据孔隙比的大小来判断 其排列的紧密程度。通常我们按照孔隙比的大小 将土的结构单元体的排列分为：孔隙比大于 的 孔隙比大于1.0的 孔隙比大于 土称为“松散排列的土” 孔隙比小于0.7的土称 土称为“松散排列的土”;孔隙比小于 的土称 紧密排列的土” 孔隙比为1.0~ 的土称为 为“紧密排列的土”;孔隙比为 ~0.7的土称为 中密排列的土” “中密排列的土”。

三、细粒土的孔隙特征1、粒间孔隙 、 2、粒内孔隙 、 3、熔蚀孔隙 、 4、大孔隙 、

第三节 土的结构类型及研究方法一、粗粒土的微观结构类型粗粒土的结构主要为单粒结构。 粗粒土的结构主要为单粒结构。根据单粒间的排列接触关系分 为松散结构和紧密结构。 为松散结构和紧密结构。 具有单粒排列的卵砾类土和砂类土，孔隙大，透水性强， 具有单粒排列的卵砾类土和砂类土，孔隙大，透水性强，土粒 间一般没有内聚力，但土粒相互依靠支承，内摩擦力较大， 间一般没有内聚力，但土粒相互依靠支承，内摩擦力较大，受压力 时土体体积变化较小。 时土体体积变化较小。

二、细粒土的微观结构类型目前，根据不同成因、不同物质组成和不同的形态特征认为， 目前，根据不同成因、不同物质组成和不同的形态特征认为， 细粒土的主要结构有： 细粒土的主要结构有： 主要以粉粒为骨架， 骨架状结构 主要以粉粒为骨架，构成松散而均匀的较大孔隙 的结构类型。 的结构类型。 是以粘粒为主的絮凝体——集粒为基本单元 絮凝状结构类型 是以粘粒为主的絮凝体 集粒为基本单元 有少量的粗颗粒分布于其中。 体，有少量的粗颗粒分布于其中。 是在连续沉积作用下堆积而形成的。 蜂窝状结构 是在连续沉积作用下堆积而形成的。具有这种结 构的土，灵敏度高，强度低，压缩性高。 构的土，灵敏度高，强度低，压缩性高。 海绵状结构与蜂窝状结构类似。 海绵状结构与蜂窝状结构类似。

其孔隙常沿粘土片的长轴方向呈延长状， 叠片状结构 其孔隙常沿粘土片的长轴方向呈延长状， 有的呈裂隙状或楔状。 有的呈裂隙状或楔状。 基质状结构 是以连续分布的无定向性的粘土矿物片 为主体。 为主体。其中含有一些分布不规则、互不接触的粉粒和砂 粒。 是胶结物(主要以游离氧化物为主

) 凝块状结构 是胶结物(主要以游离氧化物为主)将 结构单元体(单粒和集粒)覆盖在其中， 结构单元体(单粒和集粒)覆盖在其中，表面无法看清集 粒内的结构状态，外表似整体团块状，集粒内的孔隙多呈 封闭状态。 团聚状结构 是团聚状的集粒主要靠颗粒间连结力和 起胶结作用的粘土质及游离氧化物把单粒和集粒聚合在一 反映了颗粒主要以粉、粘粒为主,游离氧化物较少 游离氧化物较少。 起，反映了颗粒主要以粉、粘粒为主 游离氧化物较少。 三、研究土结构特征的方法简介

第四节 土体结构土体结构是指土层组合和被节理、 土体结构是指土层组合和被节理、裂隙等切割后形成的土块内 排列、 排列、组合方式 。 土体的结构分为：土体的原生结构、土体的次生结构两个大类。 土体的原生结构最重要的标志是层理，层理是由土体的成因所决定 土体的原生结构最重要的标志是层理 的。总体来说，土体原生结构有三大类型： 流水形的层理 风积形成的均匀结构 残积、洪积、 残积、洪积、冰积等形成的土体具无序状结构 总体来说，土体的原生结构可以用堆积相来描述，层理面是堆 层理面是堆 积的不连续面，也是土体内物理力学性质的薄弱面，是进行土力学 积的不连续面 分析研究的重要依据。 土体的次生态结构是在土体形成后经地质作用改造形成的。由 于不连续面(如节理、裂隙等)切割了土地，往往形成块状结构、 碎裂状结构、柱状结构、切割状结构、片状结构等结构类型。形成 土体次生结构的主要地质因素有两种：一种是构造应力的作用；另 一种是由于土体中含水率的变化引起的收缩作用。 土体的次生结构是影响土体稳定性的主要因素，特别是改变了 土体中的应力环境。

第四章 土的物理性质土体中固、液、气三相的比例关系、相互作用以及在外力作用下所表现出 来的一系列性质，即所谓土的物理性质和力学性质。

第一节 土的基本物理性质一、土粒密度 二、土的密度 ⒈天然密度 ⒉干密度 干密度 ⒊饱和密度 ⒋重度 三、土的含水性 ⒈含水率 ⒉饱和度 四、土的孔隙性 ⒈孔隙率与孔隙比 ⒉砂土的相对密实度 ⒊影响孔隙性的因数 五、土基本物理性质指标的求法和相互关系

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