土木工程地质_白志勇_第四章岩石及特殊土的工程性质

第四章 岩石及特殊土的工程性质

第一节 岩石的物理性质

一、密度和重度：

密度：单位体积的质量（ρ）。（g/cm 3）

?

??

??饱和密度

干密度／天然密度Ms/V V M

重度：单位体积的重量（γ）。（N/cm 3） 2

m /s 1kg 1N ?=?=g ργ

二、颗粒密度和比重（相对密度）

颗粒密度：单位体积固位颗粒的质量（s ρ）。（g/cm 3）

V

M s

s =

ρ

比重（相对密度）：单位体积固体颗粒的重力与4℃时同体积水的重力之比

（d s ）。

w s s d ρρ=

三、孔隙度和孔隙比：

孔隙度：孔隙体积与岩石总体积之比（n ）。%

1

00?=

V V n n

孔隙比：孔隙体积与岩石中固体颗粒体积之比（e ）。s

n V V e =

第二节 岩石的水理性质

一、吸水性：指岩石吸收水的性能。其吸水程度用吸水率表示。

吸水率：（常压条件下）吸入水量与干燥岩石质量之比。%

10011?=

s

w G G w

饱水率：（150个大气压下或真空）吸入水量与干燥岩石质量之比。

%

10022?=

s

w G G W

饱水系数：岩石吸水率与饱水率之比。

2

1W W K w =

（9.0~5.0=w K ）

二、透水性：指岩石能透过水的能力。用渗透系数K 表示。（m/s ）

达西层流定律：F I K F

dl dh K Q ??=??

= 渗透系数：

I

V F

I Q K =?=

三、软化性：指岩石浸水后强度降低的性质。用软化系数K R 表示。

软化系数：干燥单轴抗压强度。

饱和单轴抗压强度。→→=

R R K c R

一般软化系数75.0＜R K 的岩石具软化性。

四、抗冻性：指岩石抵抗冻融破坏的能力。

强度损失率：

冻融前的强度冻融前后强度差=

l R 不抗冻的岩石 R L ＞25％

重量损失率：

冻融前的重量

冻融前后重量差=

L G G L ＞2％ K W ＞0.7

五、可溶性：指岩石被水溶解的性能。 六、膨胀性：指岩石吸水后体积增大的性能。

七、崩解性：岩石（干燥）泡水后，因内部结构破坏而崩解的性能。

第三节 岩石的力学性质

一、变形：岩石受力后发生形状改变的现象。主要变形模量和泊松比表示。

???

???

?

???

??

?

===50

505001εσεσεσε

σ＝

割线模量塑性模量弹性模量变形模量、变形：E E E E s s t T

2、泊松比：指横向应变⊥ε与纵向应变11ε之比。

h

h d d U ?=

?==

⊥⊥1111

εεεε

二、强度：指岩石受力破坏时承受的最大应力。

1、抗压强度：（烘干、垂直结构面受压、单轴）

A

P R =

????

????3

3

105555cm cm

φ试样尺寸：

2、抗拉强度：（一般用劈裂法）

2

2a P

R t π=

3、抗剪强度

???

??

?

?====+=岩石粘聚力岩石内摩擦角C A

P A

P c tg ?θτθσ?στ/cos /sin

4、点荷载强度：

2

D

P I s =

第四节 风化作用

一、定义：地表及地下一定深度的岩石，在自然因素作用下，发生机械破碎和成

分改变的过程。

二、风化作用类型：

1、物理风化：指岩石在自然因素作用下以机械破碎为主，无明显成分改变

的过程。

（1）热胀冷缩作用：主要发生在昼夜温差变化大的地区。

（2）冰劈作用：主要发生在雪线附近。

（水结冰时，体积增加1／11，对两壁岩石产生96Mpa 的压力） （3）盐类结晶作用：主要发生在强烈蒸发的干旱地区。 （明矾结晶，体积膨胀50％，压力达40kg/cm 2）

2、化学风化：指岩石在自然因素作用下以化学成分改变为主，无明显机械

破碎的过程。

（1）溶解作用：-

++→→++32232232)(HCO C HCO Ca CO O H CaCO a

（2）水化作用：)5.1(22424倍体积增大O H CaSO O H CaSO ?→+ （3）氧化作用：4223222283211154SO H O H O Fe O H O FS +?→++

（4）碳酸化作用：45222232223)(432OH O Si Al O H SiO CO K O H O KAISi +?+→+ 3、生物风化：指由生物活动过程引起的岩石风化。 （1）生物物理风化：根劈作用 （2）生物化学风化：有机酸侵蚀 （三）影响风化的内部因素：

??

??

??

???

?????

??），越易风化。：气孔、层理、片理等构造：构造越复杂（如

易风化。结晶程度：结晶越好越状矿物易风化。颗粒形态：针、柱、片化。易风化；斑状结构易风颗粒大小：颗粒越粗越结构：物易风化。色矿物）易风化；复矿成分：热敏感矿物（暗

易风化。目前环境差异越大，越成因：岩石形成环境与

、岩石性质：1

??

?。

岩石越破碎，越易风化。

数和密度），越易风化节理越复杂（指节理组

、地质构造：2

??

?→→化学风化为主

温暖潮湿

物理风化为主寒冷干燥

、气候：3

??

?→→化学风化为主

平缓：物理风化为主

陡峻：、地形：4

（四）岩石风化程度分级： 1、分级依据：

???

??

??

??差，风化程度越高。

岩体结构：岩体结构越

低，风化越严重。岩石相比，力学强度越岩石力学性质：与新鲜隙越多，风化越严重。岩石破碎程度：风化裂矿等），风化越严重。

多（如次生粘土、褐铁矿物成分：次生矿物越化越严重。

相比，颜色越暗淡，风矿物颜色：与新鲜岩石

2、分级：（共五级）

未风化 微风化 弱风化 强风化 全风化

?????

??

??→工程加固。

排除地下水。。

清除强风化和全风化层喷浆护坡和封闭基坑。堵塞裂隙。灌浆（五）风化防治措施：

第五节 岩石、土的工程分类

一、按岩石坚硬程度划分：

坚硬岩 较坚硬岩 较软岩 软岩 极软岩 Rc ：＞60MPa 60-30MPa 30-15MPa 15-5MPa <5MPa 二、岩土按施工工程分级：（铁路部门）

三、土的分类

（一）土的颗粒分组及按颗粒级配分类

?????????

?

?-=-=-=mm

mm mm

mm mm mm

005.0075.0005.02075.0202200202001＜粘粒：粉砂：砂：圆砾、角砾：－＝卵石、碎石：＞漂石、块石：）：、颗粒分组又叫（粒组

φφφφφφ

2、按颗粒级配（不同粒级的含量）分类

?

??

??

????

?????

??

?????

?≤≤?????

?????????1717

101050075.050075.085075.05025.0505.050252502502050200＞粘土：＜粉质粘土：粘土：％，塑性指数的颗粒＜＞粉土：％的颗粒＞＞粉砂：％的颗粒＞＞细砂：％的颗粒＞＞中砂：％的颗粒＞＞粗砂：％－的颗粒占＞砾砂：砂类土：％的颗粒＞＞圆砾土、角砾土：％的颗粒＞＞卵石土、碎石土：％的颗粒＞＞漂石土、块石土：碎石类土P P P I I I mm mm mm mm mm mm mm mm mm φφφφφφφφφ

备注：液限：土从流动状态变为可塑状态的界限含水量。W L

塑限：土从可塑状态变为半固体状态的界限含水量。（目前用搓条法确定塑限）。W P

塑性指数：是液限和塑限的差值。表示土处在可塑状态的含水量变化范围。

?????????

?

?风积土

瘀积土冲积土洪积土坡积和崩积土残积土

（二）土的成因分类：

（三）特殊土分类

1、定义：指按区域性分布的，具有某种特殊性质的土。

?

??

???

???

??填土

盐渍土红粘土冻土

软土膨胀土黄土

、分类：2

第六节 特殊土的工程性质

特殊土：主要按区域分布，具有某种特殊性质的土。 一、黄土：

1、定义：在干旱气候条件下形成的一种淡黄色或褐黄色的特殊土。

2、成因和分布：沙漠下风处，即秦岭以北11个省市，面积64万km 2。主要在甘肃中部和东部、宁夏南部、陕西北部、山西北部，共41.2万km 2，厚100－200m 。

3、特征：

（1）颗粒粒度：以粉砂为主，占60~70％，其次为粘土。

（2）易溶盐含量高，碳酸盐类占10~30％，其次为氯化物和硫化物。 （3）质地均一，结构松散，孔隙大，孔隙度为33~64％。 （4）垂直节理发育。 （5）具湿陷性。 4、分类：

???

?

?

???????

??

?

?冲积黄土洪积黄土坡积黄土残积黄土

（黄土状土）次生黄土（流水改造）原生黄生（风成））按成因分类

（1

?????

?

?万年）（午城黄土万年）（离石黄土万年）（马兰黄土万年）（全新世黄土）按形成年代分类

（300 100

10

1

21234Q Q Q Q

?

???????1

234 Q 3Q Q Q 、非湿陷性黄土非自重湿陷性黄土自重湿陷性黄土、湿陷性黄土）按失陷性分类

（

5、主要工程地质问题

（1）黄土的湿陷性：地表局部汇水→溶解潜蚀→碟形洼地

（2）黄土陷穴：地下水潜蚀→地下洞穴→塌陷（形成于地下水水力梯度大的地方）。

6. 湿陷性黄土的土质改良

(1) 重锤表层夯实：一般采用2.5～3.0t的重锤，落距

4.0～4.5m，可消除地下1.2～1.75m

黄土层的湿陷性。

(2) 强夯：一般采用8～40t的重锤（最重达200t），

落距10～20（最大达40m)的高度自由

下落，击实土层。

(3) 土垫层：先将处理范围内的黄土挖出，然后用素土或

灰土在最佳含水量下回填夯实。可消除地表

下1～3m的黄土层的湿陷性。

(4) 挤密桩：先在土内成孔，然后在孔中分层填入

素土或灰土并夯实。在成孔和填土夯

实过程中，桩周的土被挤压密实，从

而消除湿陷性。

(5) 化学灌浆加固：通过注浆管，将化学浆液注入

土层中，使溶液本身起化学反

应，或溶液与土体起化学反

应，生成凝胶物质或结晶物

质，将土胶结成整体，从而消

除湿陷性。

二、膨胀土

1、定义：由强亲水粘土矿物组成的，具有膨胀结构，以及强胀缩性，多裂隙性，强度衰减性的高塑性粘土。

2、成因和分布：风化的粘土矿物被流水带到东南部河流中下游沉积。当为蒙脱石、伊犁石时为膨胀土。主要分布在太行山——秦岭——四川盆地西缘——云南下关这一线的东南边。

3、特征：

（1）颗粒粒度：以粘土矿物为主，占35~50％以上，其次为粉砂。

（2）矿物成分：以蒙脱石、伊犁石为主。

???

??水分子联接，联接力弱，可进矿物晶格间为形成结合水膜

子粘土矿物表面吸附水分分子结构单元，孔隙中进水片状矿物叠置成各类型

）具膨胀结构：（－2,3O

?

??????

?％以上收缩：失水收缩率达

％以上量为干燥状况下，吸水膨胀

％以上量为天然状况下，吸水膨胀膨胀）强烈胀缩性：（5040234

4、主要工程地质问题

（1）边坡膨胀和滑塌→吸水后粘聚力为O ，内摩擦角只有几度。 （2）基床翻浆冒泥。 （3）地基不均匀沉降。

膨胀土防治

?

??

?

????????→→?

??????

?胶结土壤

形成吸收周围水分子形成灌石灰水换填土

地基土质改良远）

距建筑物直隔水层，合理绿化（防止水流失：水平和垂

地表隔水层沟天沟、侧沟、吊沟、盲

防止水进入防水保湿、地基防治32)(151CaCO OH Ca m

???

??

?

?墙

支挡措施：抗滑桩、挡拱形护坡骨架护坡：片石护坡、坡面加固：植被防护地表防护：排水沟、边坡防治

2

3．加大基础埋深，增大基础侧面摩擦力，或增加附加压力克服土的膨胀。 膨胀土的破坏 一、膨胀：边坡及洞室鼓胀。

?

??

??翻浆泥

生不均匀沉降

地基下沉和侧鼓，并产，内摩擦角只有几度）力为边坡滑塌（吸水后粘聚二、强度降低

三、收缩，边坡开裂、地基沉降量大。

三、软土

1、定义：天然含水量大、压缩性高、承载力低，抗剪强度差的软塑——流塑状粘性土。（如淤泥、淤泥质土）。

2、成因和分布：河流入海口、湖沼洼地等静水或缓慢流水下沉积，并经生

物化学作用而成。主要分布在长江三角洲、珠江三角洲、洞庭湖、洪泽湖、太湖、湖、滇池、牛轭湖、沼泽等地。

3、特征：（1）颗粒粒度以粘土为主，可达60－70％，其次为粉砂。 （2）矿物成分以伊犁石为主，有机质可达8－9％。 （3）具典型的蜂窝状结构，孔隙度在50－65％之间。 （4）具层理性。

4、主要工程地质问题

（1）承载力低：一般容许承载力为0.1MPa ，有时甚致低于0.04MPa 。 （2）压缩性高、沉降量大、固结慢。 （3）触变性。 （4）流变性。

软土的防治

1．排水砂井：Φ=0.4~2.0m ，灌入中、粗砂。 2．砂垫层；

3．抛石挤淤和爆破排淤。

??

?→温度升高，使软土脱水

散热吸水

生石灰桩.4

5．强夯：锤重10~20t ，升高10~40m ，自由下落，靠冲击力使软土迅速排水，加固深度达11~12m 。

??

?化学浆液水泥砂浆

旋喷桩：.6

7．换填土； 8．软沉井； 9．堆截顶压。

四、冻土

定义：温度低于0℃，并含有冰的特殊土。 （一）季节性冻土

1、定义：冬季冻结，夏季全部融化的特殊土。

2、成因和分布：高纬度冻土。——长江以北。

3、主要工程地质问题

冻胀融沉性。 （二）多年冻土

1、定义：冻结状态持续三年以上，甚致百年不化的冻土。

2、成因和分布：

??

?→西部高山区。

高原冻土：青藏高原，

由北向南逐渐灭

兴安岭）克石－黑河以北（大小高纬度冻土：满洲－牙 3、主要特征：

（1）组成：岩土颗粒、水。

??

?

??层状结构网状结构

整体结构）结构：（2

??

?非衔接型衔接型

）构造：（3

4、主要工程地质问题

因冻胀融沉造成???

??

?

?冻拨冰丘、冰椎、冰舌上限改变或人工热熔）

路基下沉（因多年冻土）

（因多年冻土上限改变路堤滑塌、边坡滑塌。

冻土防治

??

?地下水：盲沟

地表水

、排水1

???

??

?

?抛石护坡通风管散热桩

土层

泥炭、苔藓、炉渣、粘

路堤底部铺设：草皮、保温.2

3．土质改良：

4．换填土：改为砂、砾、卵石土。 5．降低冰点：土中加化学物质。 6．旱桥

五、各类特殊土的主要特性

黄土→湿陷性

膨胀土→强烈胀缩性

软土→承载力低，压缩性高、固结慢冻土→冻胀融沉性