1、工程地质学基础工程地质学基础绪 论一、含义工程地质学是地质科学的一个分支，是研究与工程规划、设计、施工和运用有关的地质问题的科学。1. 地质学的一个分支科学。2.属于应用地质学范畴。二、工程地质学的任务 查明各类工程建筑场区的地质条件。 对场区及其有关的各种地质问题进行综合评价。 分析、预料在工程建筑作用下，地质条件可能出现的变化和作用。 为建筑物选择适宜的建筑场址。 对不良地质条件提出防治和改造措施。 为保证工程合理设计，顺利施工为正常使用提供可靠的技术参数。 三、几个概念1.工程地质条件工程地质条件可以理解为各种对工程建筑有影响的地质要素的总称，包括地形地貌条件、岩土类型及工程地质性质、地
2、质构造、水文地质条件、物理地质现象五个要素。 2.工程地质问题工程地质问题是指工程建筑与地质环境相互作用、相互矛盾而引起的，对建筑本身的顺利施工和正常运行或对周围环境可能产生影响的地质问题。 四、工程地质学的研究内容岩土工程地质性质研究。 工程动力地质作用的研究。 工程地质勘察理论和技术方法的研究。 区域工程地质的研究。 五、工程地质学的研究方法 地质分析法 试验法 计算法 第一章 土的物质组成与结构、构造第一节 土的粒度成分土颗粒的大小以其直径来表示，称为“粒径”，其单位一般采用毫米。 土颗粒按大小相近、性质相似合成的组叫粒组。 一、粒度成分土的粒度成分是指土中各个粒组的相对百分含量，通常用
3、各粒组占土粒总质量的的百分数表示。1. 粒径（d）土颗粒的直径（mm） 2. 粒组土颗粒按大小相近、性质相似合成的组叫粒组（粒级）。 表1-1 粒组划分方案 粒 组 统 称 粒 组 名 称 粒径（d）范围（mm） 巨 粒 漂 石（块石）粒 d200卵 石（碎石）粒 200d60粗 粒 砾 粒 粗 砾 60d20细 砾 20d2砂 粒 2d0.075细 粒 粉 粒 0.075d0.005粘 粒 0.005d二、粒度分析 测定土中各颗粒直径大小及百分含量的过程 主要测试方法： 筛析法主要用于粗粒土的粒度分析 静水沉淀主要用于细粒土的粒度分析表1-2土的粒度成分表 土样编号粒组的百分含量2 mm20
4、.5 mm0.50.25 mm0.250.075mm0.0750.005 mm5时，称为级配良好的非均粒土； 定义土的粒径级配累积曲线的曲率系数为：曲线系数描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的整体形状；或称反映累积曲线的斜率是否连续。Cc13的土，称为级配良好的土； Cc 3的土称为级配不良的土。 三、土按粒度成分的分类粒度分类土按粒度成分的分类巨粒土和含巨粒的土：巨粒组质量多于总质量15% 砾类土：砾粒组质量多于总质量50%砂类土: 砾粒组质量少于或等于总质量50% 细粒土: 细粒组质量多于或等于总质量的50%的土 第四节 土的结构和构造土的结构是指组成土的土粒大小、形状、表面特征、土粒间
5、的连结关系和土粒的排列情况。一、土粒间的连结关系组成土的土粒间的连接、结合关系。主要连接形式：结合水连结：通过结合水膜而将相邻土粒连结起来的连结形式。毛细水连结：相邻土粒由毛细压力作用形成的连结。胶结连结：由于土中某些盐类的结晶将土粒胶结起来的连结。二、土的结构类型巨粒土和粗粒土通常具有单一颗粒相互堆砌在一起的单粒结构。细粒土颗粒细小，具胶体特性，在水中一般都不能以单个颗粒沉积，而凝聚成较复杂的集合体进行沉积，形成细粒土特有的团聚结构。3. 重力水分布在毛细水层以外，存在于较粗大的孔隙中。水分子不受土粒表面静电引力的影响，具有自由活动的能力，只受重力的控制，能传递静水压力。机械潜蚀作用：水在流
6、动时产生动水压力，冲刷带走土中的细小颗粒的作用。化学潜蚀作用：溶解矿物颗粒的能力。潜蚀作用的结果使土体中的孔隙增大，压缩性提高，抗剪强度降低。第二章 土的物理性质第一节 土的基本物理性质自然界的土通常是由固态相的土粒、液态相的水和气态相的空气所组成的，从物理概念上说土通常是三相体系的，所以土粒、水和空气称为土的三相组成部分。一、土粒密度和土的密度1. 土粒密度（比重）土粒密度是指固体颗粒的质量与其体积之比，即单位体积土粒的质量，其单位是gcm3，表达式为 土粒的密度大小决定于土粒的矿物成分，与土的孔隙情况和含水多少无关。它的数值一般在2.602.80gcm3之间(表2-1)。一般情况下，随有机
7、质含量增多而减小，随铁镁质矿物增多而加大。它是土中各种矿物密度的加仅平均值。土粒密度是实测指标，可在实验室内直接测定。该指标一方面可以间接地说明土中矿物成分特征，另一方面主要用来计算其他指标。土 的 种 类砾类土砂类土粉 土粉质粘土粘 土土粒密度常见值2.652.752.652.702.652.702.682.732.722.76(gcm3)平均值2.662.682.712.74表2-1 各种主要类型土的土粒密度2. 土的密度土的密度是指土的总质量与总体积之比，即单位体积土的质量，其单位也是gcm3。根据土所处的状态不同，土的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度三种。（以前曾称：容重、重度）（
8、1）天然密度天然状态下单位体积土的质量称天然密度 天然密度的大小取决于土的矿物成分、孔隙和含水情况，其数值一般为1.62.2gcm3(表2-2)。天然密度在数值上小于土粒密度，是一个实测指标，可在室内及野外直接测定，是工程地质计算中不可缺少的参数。(2)干密度土的孔隙中完全没有水时的密度，称土的干密度，是指单位体积干土的质量，即干密度与土中含水多少无关，只取决于土的矿物成分和孔隙性。对于某一种土来说。矿物成分是固定的，土的干密度大小只取决于土的孔隙性，所以干密度能说明土中孔隙多少和表征土的密实程度。干密度愈大，土愈密实；反之则疏松。(3)饱和密度土的孔隙完全被水充满时的密度称饱和密度，是指土孔
9、隙中全部充满液态水时的单位体积土的质量，即式中：为水的密度(gcm3)。土的饱和密度是土的密度中的最大值，是个计算指标，常见值为1.80一2.30gcm3。 二、土的含水性1. 土的含水率土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比称含水率，常用百分率表示。对结构相同的土而言，含水率越大，说明土中水分越多。由于土层所处的自然条件和土层孔隙发育程度的不同，土的含水率差别极大。近代沉积的三角洲相软粘土或湖相粘土的含水率可达50一200，坚硬粘土的含水率可小于20。一般砂类土的含水率不超过40，常见值为10一30，细粒土的常见值为20一50。2.饱和度含水率是个绝对指标，只能表明土中水的含量，而不能反映土中
10、孔隙被水充满的程度。土的饱和度是土中水的体积与孔隙体积的百分比值，它能说明孔隙中水的充填程度，表达式为饱和度的数值变化在0-100之间：当土处于干燥状态时，饱和度等于零；当土的孔隙全部被水充填时，饱和度等于100。在工程实际中，按饱和度的大小将含水砂土划分为稍湿的(50)、很湿的(5080）饱和的(80)饱和度是一个计算指标。 三、土的孔隙性土中孔隙的大小、形状、分布特征、连通情况和总体积称为土的孔隙性。目前，主要用孔隙的总体积来表示土的孔隙性。1. 土的孔隙率和孔隙比土中孔隙的数量，通常用孔隙率和孔隙比来表示。它们只能反映土内孔隙总体积大小，而不能反映单个孔隙的大小，主要用来说明土的松密程度
11、。孔隙率是土中孔隙总体积与土的总体积之比也叫孔隙度，常用百分率表示 孔隙比是土中孔隙总体积与土中固体颗粒总体积的比值，常用小数表示孔隙率与孔隙比都是反映土孔隙性的指标，两个指标之间的关系为土的孔隙率和孔隙比的大小，主要取决于土的粒度成分和结构。孔隙率的常见值为33一50，但新近沉积淤泥的孔隙率可达80。一般情况下，土的孔隙比值为0.51.0，细粒土的孔隙比有时大于1，淤泥的孔隙比可达1.5以上。四、土的基本物理性质指标间关系土粒密度、天然密度、干密度、含水率、饱和度、孔隙率和孔隙比是研究土的基本物理性质的7个基本指标。其中，土粒密度、天然密度、含水率为实测指标，其余指标可由这3个指标换算取得，
12、称导出指标或计算指标。在土的基本物理性质中，孔隙性占有支配地位，它对土的密度和含水性都有决定性的作用。对于某一种土来说，其矿物成分和粒度成分是定的，固体部分的质量不变，而其结构，尤其是土粒排列的松密程度则因条件而有所变化，孔隙性可以不同，所以很多基本物理性质指标随孔隙性指标的变化而改变。由此可见，土的孔隙性对土的基本物理性质有着决定性的意义。第二节 细粒土的稠度和可塑性 一、细粒土的稠度细粒土这种因含水率变化而表现出的各种不同的物理状态，即称为细粒土的稠度。稠度的实质是含水多少。随着含水率的变化，细粒土可由一种稠度状态转变为另一种稠度状态，相应于转变点的含水率，称为界限含水率，也称为稠度界限。
13、表2-2-1 粘性土的稠度状态和稠度界限二、细粒土的可塑性细粒土的含水率在液限和塑限两个稠度界限之间时，在外力作用下可以揉塑成任意形状而不破坏土粒间的连结，并且在外力解除后仍保持已有的形状。细粒土的这种性质称为可塑性。细粒土可塑性的大小用塑性指数来表示。塑性指数是细粒土的液限和塑限之差，即土处在可塑状态的含水率变化范围，用符号Ip表示，应用时通常将含水率的百分符号省去。细粒土的分类，粘土:Ip 17， 粉质粘土:10Ip 17， 粉土:Ip10(粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全量50%)三、液性指数（IL）土处于什么稠度状态取决于它的含水多少。但是由于不同土的稠度界限是不同的，因此天然
14、含水率不能说明土的稠度状态。为了判别自然界中细粒土的稠度状态，通常采用液性指数鉴别。液性指数是细粒土的天然含水率和塑限的差值与液限和塑限差值之比，即液性指数表征了细粒土在天然状态下的稠度状态。当土的天然含水率小于等于塑限时，IL0，土处于坚硬状态；当天然含水率大于液限时，IL 1，土处于流动状态；当天然含水率介于液限和塑限之间时，0 IL 1，土处于可塑状态 建筑地基基础设汁规范中用液性指数划分细粒上稠度状态的标准。液性指数000.250.250.750.751.001.00稠度状态坚 硬硬 塑可 塑软 塑流 塑稠度状态反映了土层的强度和压缩性。对于同一种土来说，由于稠度状态不同，土层的强度和
15、压缩性也不同。若土处于流动状态时，强度极低、无承载能力；处于塑性状态时，具有较低的强度和较高的压缩性；处于坚硬状态时，具有较高的强度和较低的压缩性。四、塑性图及其对细粒土的分类C粘土，M粉土，H高液限L低液限；若为有机质土，则在各相应土类代号之后缀以代号O。 C粘土，M粉土，H高液限L低液限；若为有机质土，则在各相应土类代号之后缀以代号O。 第三节 土的透水性和毛细性一、土的透水性水在土孔隙中渗透流动的性能称为土的透水性。不同类型的土，孔隙大小不同，透水性也不同。 如砂土的孔隙大，连通性好，透水能力强，水在其中的流动一般呈层流状态，服从达西 (Darcy)定律，即V=KI式中:V为水在土中的渗
16、透速度(cm/s)；K为渗透系数(cm/s)；I为水力坡度。上式中的渗透速度不是地下水的实际流速，而是通过过水断面的地下水流量与垂直水流的过水断面面积的比值即单位时间通过单位截面的水量。渗透系数是水力坡度为1时的渗透速度，是反映土透水性的一个重要指标。一般通过室内渗透试验和野外抽水试验方法测定土的渗透系数。巨粒土中孔隙粗大，地下水可在其中以较大流速运动，呈紊流形式，服从哲才(A.Chezg)定律，即细粒土1、流速小时服从达西定律，流速大时服从哲才定律。2、孔隙中被充填，取决于充填物成分。二、土的毛细性 土的毛细性是指存在于土的毛细孔隙中的水在弯液面力的作用下向各个方向运动的性能。水在毛细孔隙中
17、运动的现象，称毛细现象。 评价土毛细性的指标有毛细上升高度、毛细上升速度和毛细压力，实际应用的主要是毛细上升高度。土中毛细水上升达到的最大高度，称为毛细上升高度。根据毛细定律，毛细水上升的高度与水的表面张力成正比，与毛细管直径成反比，即式中：Hc为毛细上升高度(m)；为水的表面张力系数(Nm)；为水的密度(gcm3)；g为重力加速度(981m/s2)；D为土中孔隙的平均直径(mm)。常温下纯水的表面张力系数N/m，水的密度1g/cm3，则毛细上升高度只与毛细管直径有关，此时的毛细上升高度为上式说明，毛细上升高度与毛细管直径成反比，即毛细孔隙越小，毛细上升高度越大。 第三章 土的力学性质第一节
18、土的压缩性土的力学性质是指土在外力作用下所表现的性质。主要包括：在压应力作用下体积缩小的压缩性变形，在剪应力作用下抵抗剪切破坏的抗剪性强度，在动荷载作用下所表现的一些性质。土的压缩性是指土在压力作用下体积压缩变小的性能。一、土压缩变形的实质土孔隙中的水分和气体被挤出，土粒相互移动靠拢，致使土的孔隙体积减小，而引起土体积减小。二、压缩试验与压缩定律图3-1-1 以e-p曲线确定压缩系数a压缩系数是表征土压缩性大小的主要指标压缩定律：在压力范围不大时，孔隙比的减小值与压力的增加值成正比三、压缩模量压缩模量（Es）指土在侧限压缩条件下竖向附加压应力与应变增量之比，单位为MPa。图3-1-2 侧限条件
19、下土样高度变化与孔隙比变化的关系（图样横截面面积不变）四、土的变形模量变形模量（E0）指土在无侧限条件下附加压应力与压缩应变之比。 实际工程中常用现场载荷试验来确定。P0-比例界限；P1-极限界限 图3-1-3 压力与沉降量关系曲线五、饱和土压缩过程（有效应力原理）三相体系。土固体颗粒骨架+孔隙水+孔隙气体，受外荷载作用-总应力，总应力由土骨架和孔隙流体共同承受1. Terzaghi一维（单向）固结理论，固结模型固结过程1.饱和土中的应力形态2.饱和土的有效应力原理（1）饱和土体内任一平面上受到的总应力可分为两部分和u，=+u通常,(1)总应力已知或易知(2)孔隙水压测定或算定，则通过上式求得
20、有效应力。（2）土的变形与强度都只取决于有效应力。饱和土在一定荷载作用下的渗水压密过程称为渗透固结六、不同土的压缩变形特征饱和砂土：单个孔隙大 透水性好 排水快 压缩速度快 孔隙总体积小 可压缩空间少 压缩量小饱和细粒土：单个孔隙小 透水性弱 排水慢 压缩速度慢 孔隙总体积大 可压缩空间多 压缩量大七、土的前期固结压力土的前期固结压力是指土层在过去历史上曾经受过的最大固结压力 。Pc（1）从e-logp曲线上找出曲率半径最小的一点A，过A点作水平线A1和切线A2；（2）作1A2的平分线A3，与e-logp曲线中直线段的延长线相交B点；（3）B点所对应的有效应力就是先期固结压力p 。图3-1-4
21、 确定掀起固结压力Pc的卡萨格兰德法第二节 土的抗剪性土的抗剪性是土的抗剪强度特性的简称，它是研究土体稳定性的一个极为重要的工程地质性质。土的抗剪强度是指土抵抗剪切破坏的极限强度。许多建筑物地基的破坏，人工和自然斜坡的滑动以及挡土墙移动和倾倒等，都是由于土内的剪应力超过其本身的抗剪强度而引起的。因此，研究土的强度特性，主要是研究土的抗剪性。一、直剪试验和库仑公式图3-2-1库仑公式，库仑定律说明：巨粒土和粗粒土的抗剪强度决定于与法向压力成正比的内摩擦力；而细粒土的抗剪强度由两部分组成，一部分是与法向压力成正比的内摩擦力，另一部分是与法向压力无关的内聚力。 二、三轴剪切试验图3-2-2 三轴剪切
22、示意图图3-2-3 三轴剪切实验结果三、不同排水条件下土的抗剪强度1.不排水剪试验时，迅速施加垂直压力和水平剪力，试验过程中不让孔隙水消散，试样的含水率不变。这种试验又称“快剪”。2.固结不排水剪试样在垂直压力下排水固结稳定后，迅速施加水平剪力使试样在剪切过程中含水率保持不变。这种试验又称“固结快剪”。3.排水剪试样在垂直压力作用下，待土样充分排水固结达稳定后，再缓慢施加水平剪力，使土样在剪力作用下充分排水固结，直至土样破坏。排水剪实质是使土样在应力变化过程中孔隙水压力完全消失。这种试验常需很长时间，又称“慢剪”。第三节 影响土力学性质的因素及不同土力学性质的特点 一、影响土力学性质的因素（一）受力条件1. 荷载历史；2. 加荷速度；3. 作用时间；4. 载荷的性质（二）土本身的因素1. 粒度成分亲水性内聚力c内摩擦角孔隙总体积压缩量压缩速度粗粒土弱小大少小快细粒土强大小多大慢2. 水的多少液性指数IL内聚力c内摩擦角压缩系数a压缩速度压缩达到稳定时间水多大（软）小小大快长水少小（硬）大大小慢短3. 松密情况密实程度内聚力c内摩擦角压缩系数a压缩速度压缩达到稳定时间孔隙多松小
