第4章各类土的工程地质特征

第四纪地质与地貌
概述 第四纪地貌的分级与分类 山岭地貌 风化地貌 水成地貌
4.1 概述
一、地形与地貌 地形 ：专指地表既有形态的某些外部特征，如 高低起伏、坡度大小和空间分布等，用地形等 高线表达。 地貌 ：不仅包括地表形态的全部外部特征，还 要分析和研究这些形态的成因和发展 ，用地 貌图表达。
4.1 概述
三、地貌的成因分类 1.内力地貌：构造地貌、火山地貌 2.外力地貌：风化地貌、重力地貌、水成地貌、 冰川地貌、冻土地貌、风成地貌、 岩溶地貌、黄土地貌
4.3
山岭地貌
一、山岭地貌的类型与特征 山岭地貌具有山顶（山脊、垭口）、山坡、山脚等 明显的形态要素 。 1.山岭地貌的类型： 按地貌成因分构造变动形成的山岭（平顶山、单面 山、褶皱山、断块山、褶皱断块山 ）、火山作用形成 的山岭、剥蚀作用形成的山岭。
第4章
第四纪地质与地貌
基本术语： • 1． 第四纪地质学——以第四纪沉积物为研究 对象，对第四纪沉积物的形成、第四纪地层的 划分对比、第四纪有机界的发展变化起着重要 作用。 • 2． 地貌学——研究地壳表面各种起伏形态的 形成、发展和空间分布规律的学科。
第4章
• • • • • 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
二、地貌形成和发展的动力 地貌的形成和发展是内、外力共同作用的结果。 1.内力地质作用形成了地壳表面的基本起伏，对地貌 的形成和发展起决定性作用。 2.外力地质作用把由内力地质作用所造成的隆起部分 进行剥蚀破坏，同时把破坏所形成的碎屑物质搬运 堆积到由内力地质作用所造成的低地和海洋中去。
4.1 概述
4积物特征及沉积环境 4.海相沉积环境——近岸沉积物的特征 ① 从海岸到海底受波浪作用显著的水下岸坡部分。 ② 岩石海岸沉积带数十米， ③ 泥岸可达数十公里。 ④ 沉积物成分复杂，有砾石、砂、淤泥、泥碳和生 物贝壳等。 ⑤ 碎屑物主要来自陆地。

雨水和溶雪水的地质作用以冲刷作用为主， 它们沿着斜坡面流动，将地表的碎屑物质顺斜 坡向下搬运或移动。通常冲刷作用是在整个斜 坡面上进行，好像是把地面剥去一层一样，其 结果是使地形逐渐变得平缓，并造成水土流失。 冲刷作用在地表无植物覆盖的情况下最强烈； 在有茂密植物覆盖的地面上，则不显著。 坡积土(slope wash)：高处的风化碎屑物 坡积土(slope wash)：高处的风化碎屑物 由于雨水或溶雪水的搬运，或者由于本身的重 力作用，运移到坡下或山麓堆积而成的土。
河谷地貌
上游地区，由于坡度陡，流速大， 上游地区，由于坡度陡，流速大， 垂直侵蚀作用强。 在中游地区，一般两岸受侧方侵 在中游地区，一般两岸受侧方侵 蚀作用的冲刷较强，因而河谷斜 坡的形状比较开展，谷底比较宽 阔。 在下游地区，冲刷作用弱而沉积 在下游地区，冲刷作用弱而沉积 作用强，河谷开展，成宽广的平 谷。泥砂类的沉积物多，成广大 平原，洪水容易泛滥。
洪积土： 洪积土：当山洪急流携带大量石块泥砂在山口以外
的平缓地带沉积下来便形成洪积土。
洪积土的特征： 洪积土的特征：
物质大小混杂，分选性差，颗粒多带有棱角。 洪积扇顶部以粗大块石为多；中部地带颗粒变细，多 为砂砾粘土交错；扇的边缘则以粉砂和粘性土为主。 洪积物质随近山到远山 呈现由粗到细的分选作用， 但碎屑物质的磨圆度由于 搬运距离短而仍不佳。山 洪大小交替的分选作用， 常呈不规则的交错层状构 造，交错层状构造往往形 成夹层、尖灭及透镜体等 产状。
第四章
第四纪沉积物及其工程地质特征
内容提要： 内容提要：
一、风化作用及残积土 二、地表流水的地质作用 三、海洋的地质作用 四、湖泊的地质作用 五、冰川的地质作用 六、风的地质作用
第四纪地质Quarternary 第四纪地质Quarternary Geology

A、岩层倾向与地层坡向相反时，岩层露头线与地形等高线呈相同方向 弯曲，但是岩层露头线的弯曲度总比等高线小，在河谷处“V”字型露头线 的尖端指向沟谷上游。
B、岩层倾向与坡向相同。岩层的倾角大于坡角时，岩层露 头线与地形等高线呈相反方向弯曲，在沟谷处，“V”字型 露头尖端指向下游。
C、岩层倾向与坡向相同，但岩层倾角小于地层坡度角：这时 岩层露头线与地形等高线也呈相同方向弯曲，在沟谷处， “V”字型露头的尖端指向上游，与第一种情况类似，但露 头线的弯曲程度大于地形等高线程度。
a.走向节理：节理走向与岩层走向大致平行（1） b.倾向节理：节理走向与岩层走向大致垂直（2） c.斜向节理：节理走向与岩层走向斜交（3）
c.顺层节理：节理面大致平行于岩层面（4）
按节理与褶皱枢纽方向分： a.纵节理：二者大致平行（1）
b.横节理：二者大致垂直（3）
c.斜节理：二者斜交（2）
节理与褶皱的成生关系
五断层的工程性质评价岩体被断裂构造切割成为不连续体其上不连续面是断层节理层面结构面断层影响岩体稳定性断层带岩石破碎强度低断层对工程建设不利支护加固隧道工程降低地基岩体强度造成地基及场地稳定性问题地基变形影响施工中的问题坍塌和涌水断层地震对道路选线若与断层走向平行易产生边坡滑塌对区域稳定性的影响不利安全防范包括两个层面
正断层向深处变缓呈犁状
2.逆断层：沿断层面倾斜方向上 盘相对上升、下盘相对下降。
一般是在两侧受到近于水平的挤压 力作用下形成的
因形成的力学条件与褶皱伴生，故 多与褶皱伴生
高角度逆断层倾角>45°
低角度逆断层倾角<45°称为逆冲断 层、逆掩断层
规模巨大同时上盘沿波状起伏的低 角度断层面作远距离推移（几公里、 十几公里）的逆掩断层称为推覆构 造

粒径大于0.粒中，0.005~0.075mm的颗粒一般占绝大多 数，这类颗粒的吸附水能力弱于粘性土，但却明显强于砂土。如 果用含水量近于饱和的粉土团成小球，放在手心来回摇晃，并用 另一只手进行振击，则土中水会迅速渗出土面，这是其野外鉴别 的重要手段之一。
❖ 塑性图
细粒土是指土样中细粒组质量大于或等于总质量50%的土。 其中，粗粒组质量占总质量的25%~50%者称为含粗粒的细粒 土；含部分有机质者称有机质土。
❖ 细粒土分类
2. 特殊土分类
根据《土的分类标准》(GBJ145-90)， 特殊土包括指黄土、膨胀土和红粘 土，可按其塑性指数在塑性图上的 位置初步判别。当取液限仪锥尖入 土深度为17mm的含水量为液限时， 按表4.12和图4.12判别。
黄土的湿陷性试验是在室内的固结
仪内进行的，其方法是：分级加荷至
规定压力，当下沉稳定后，使土样浸
水直至湿陷稳定为止，其湿陷系数的
计算式是：
s
hp hp ' h0
式中： h0 ：原状土样的原始高度，cm hp ：原状土样在规定压力下，下沉稳定后的高度，cm hp, ：上述加压稳定后的土样，在浸水作用下，下沉 稳定后的高度，cm
❖ 黄土的野外性状
1、分布与特征
作为湿陷性土的典型代表——黄土，在全世界的分布比 较广泛的，据某些学者估计，黄土的覆盖面积在整个欧洲约 占10％，亚洲约占30％；
我国黄土分布面积达60万平方公里，其中有湿陷性的约 为43万平方公里。
主要分布在黄河中游的甘肃、陕西、晋、宁、河南、青 海等省区。地理位置属于干旱与半干旱气候地带。其物质主 要来源于沙漠与戈壁。
我国幅员广大，地质条件复杂，分布土类繁多，工程性质 各异。有些土类，由于地理环境、气候条件、地质成因、物质 成分及次生变化等原因而各具有与一般土类显著不同的特殊工 程性质，当其作为建筑场地、地基及建筑环境时，如果不注意 这些特点，并采取相应的治理措施，就会造成工程事故。

2.岩石的结构
岩石的结构是影响岩石工程地质性质的重要因素。岩石的结构分为两类： 结晶联结的岩石，如大部分的岩浆岩、变质岩和一部分沉积岩；胶结联结的 岩石，如沉积岩中的碎屑岩等。 结晶联结的岩石由于矿物的结晶颗粒靠直接接触产生的力牢固地固结在 一起，结合力强，孔隙度小，结构致密、容重大、吸水率变化范围小，比胶 结联结的岩石具有较高的强度和稳定性。但就结晶联结来讲，结晶颗粒的大 小则对岩石的强度有明显的影响。就矿物成份和结构类型相同的岩石来说， 小颗粒结晶岩石的强度大于大颗粒结晶岩石。
4.1.2.2 岩石水理性质 岩石水理性质指岩石与水相互作用时所表现的性质。通常包括岩石吸水性、 透水性、软化性和抗冻性。
1.岩石吸水性
岩石的吸水性，反映岩石在一定条件下的吸水能力。一般用吸水 率表示。 岩石的吸水率，是指岩石在通常大气压下的吸水能力。在数值上 等于岩石的吸水重量与同体积干燥岩石重量的比。用百分数表示。 岩石的吸水率，与岩石孔隙度的大小、孔隙张开程度等因素有关。 岩石的吸水率大，则水对岩石颗粒间结合物的浸湿、软化作用就 强。岩石强度和稳定性受水作用的影响也就越显著。 2.岩石透水性 岩石能被水透过的性能称岩石透水性，水只沿连通空隙渗透。岩石透水性 大小可用渗透系数衡量，它主要决定于岩石空隙的大小、数量、方向及其 相互连通情况。
岩石的重度是指岩石单位体积的重量，也成容重。
岩石重度的大小决定于岩石中矿物的比重，岩石的孔隙性及其含水的情况。 岩石孔隙中完全没有水存在的重度称为干重度，岩石中的孔隙全部被水充满时 的重度，称为岩石的饱和重度。对于同一种岩石，若重度有差异，则重度大的 结构致密、孔隙性小，强度和稳定性相对较高。
2.岩石空隙性 岩石空隙性是岩石孔隙性和裂隙性的统称。岩石空隙性常用空隙率表 示，也可以用孔隙率和裂隙率表示。 空隙率：岩石空隙体积与岩石总体积之比，以百分数表示。可以根据 空隙类型区分为总空隙率、大开空隙率、总开空隙率、比空隙率等。 岩石的孔隙率的大小，主要决定于岩石的结构构造，同时也受风化作 用、岩浆作用、构造运动和变质作用的影响。。 3.岩石热学性 在岩石的热学性质指标中，最主要的是岩石的比热容。岩石的比热容 是指1g岩石物质的温度上升1℃所需要的热量，用以表示岩石储藏热量的 能力。

粒径大于200mm的颗 粒含量超过全重50％
卵石 碎石
圆形及亚圆形为主 棱角形为主
粒径大于20mm的颗粒 含量超过全重50％
圆砾 角砾
圆形及亚圆形为主 棱角形为主
粒径大于2mm的颗粒 含量超过全重50％
注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定
2.砂土
粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%的土，且粒 径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土称为砂土
颗粒粒径级配曲线
（横坐标为粒径，用对数坐标表示；纵坐标为小于某粒径的土重含 量，用常数坐标表示）。
Cu
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
土的粒径级配累积曲线
200g P 100
10 5.0 10 2.0 16 1.0 18 0.5 24 0.25 22 0.1 38
筛分法：适用于0.075mm≤d≤60mm 试验方法
密度计法:适用于d＜0.075mm 《土工试验方法标准》GB/T 50123-1999
《土的工程分类标准》（GB/T50145—2007）依粒径的大小将土粒划分六大粒组。
表4.1 粒组划分
粒组统称 粒组名称 粒径（d）的范围（mm）
主要特征
巨粒
漂石（块石） 卵石（碎石）
72
%
90 80
95 70 60
87 50
78 40 30
66 20
55
10 0
36
粒径(mm)
水分法
粒径(mm)
0.05 0.01 0.005
百分数P(%)
26
13.5
10

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
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
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。
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。
河漫滩相冲积土：

2. 土的饱和含水量（wmax） 土的饱和含水量是假定土中的孔隙全部被水充满，达到饱和状态 时的含水量。即土的孔隙中充满水分的质量与干土颗粒质量的比 值，用百分数表示： V n w w 100 m ax （4-11） m s 式中：wmax─土的饱和含水量（%）； 饱和含水量实质上就是用水的数量来表示土中孔隙体积的大小， 即Vn=mw。

3. 砂类土的相对密实度（Dr） 相对密实度是反映砂类土在天然状态下松密程度的指标，数值上 它等于砂土在最疏松状态和天然状态下孔隙比之差与最疏松状态 和最密实状态下孔隙比之差的比值，即：
em a x e D r em a x emix
（4-17）

式中：Dr ─相对密实度； e ─土的天然孔隙比； emin ─最密实状态的孔隙比； emax ─最疏松状态的孔隙比。
第二节 土的物理性质




土的物理性质是指土的各组成部分（固相、液相和气相）的数量 比例、性质、排列方式等所表现的物理状态，是土最基本的工程 性质。 一、土的密度 二、土与水的关系 三、土的孔隙性结构指标 四、土的物理性质指标间的相互关系 五、土的压实 六、 粘性土的界限含水量


（4-12）

或者，用天然含水量w和饱和含水量wmax的比值来表示：
Sr

w 100 w m ax
（4-13）


式中：─土的饱和度（%）； 饱和度是用来描述土中水充满孔隙的程度，Sr=0为完全干燥土， 属二相系（固、气）；Sr=1为完全饱和土属二相系（固、液）； Sr介于0～1之间，按照天然砂性土所含水分的多少，可将砂性土 划分为三个状态： 稍湿的：0≤Sr≤50%很湿的：50%＜Sr≤80%饱和的：80%＜Sr＜ 100%

29%和8%-26%。 我国从西间东．由北向南黄土颗粒有明显变细的分布规
律。陇西和陕北地区黄土的砂粒含量大于粘粒，而豫西地区 粘粒含量大于砂粒。
粘土颗粒含量大于20％的黄土，湿陷性明显减小或无湿 陷性。因此，陇西和陕北黄土的湿陷性通常大于豫西黄土， 这是由于均匀分布在黄土骨架中的粘土颗粒起胶结作用，湿 陷性减小
膨胀土的防治措施
1．地基的防治措施
(1）防水保湿措施 防上地表水下渗和土中水分蒸发，保持地基土湿度稳定
，控制胀缩变形。在建筑物周围设置散水坡，设水平和垂直 隔水层；加强上下水管道防漏措施及热力管道隔热措施；建 筑物周围合理绿化，防止植物根系吸水造成地基土不均匀收 缩；选择合理的施工方法，基坑不宜暴晒或浸泡，应及时处 理夯实
三 、软土
软土是天然含水量大、压缩性高、承载力和抗剪强度很低的 呈软塑——流塑状态的粘性土。 软土是一类土的总称，还可以将它细分为软粘性土、淤泥质 土、淤泥、泥炭质土和泥炭等
我国软土成因类型主要有： ①沿海沉积型（滨海相、泻湖相、溺谷相、三角洲相）； ②内陆湖盆沉积型； ③河滩沉积型； ④沼泽沉积型
二 、膨胀土
膨胀土是一种富含亲水性粘土矿物，并且随含水量增减，体 积发生显著胀缩变形的高塑性粘土。其粘土矿物主要是蒙脱 石和伊利石，二者吸水后强烈膨胀，失水后收缩，长期反复 多次胀缩，强度衰减，可能导致工程建筑物开裂、下沉、失 稳破坏。膨胀土全世界分布广泛，我国是世界上膨张土分布 广、面积大的国家之一，20多个省市自治区都有分布。我国 亚热带气候区的广西、云南等地的膨胀土，与其他地区相比 ，胀缩性强烈。形成时代自第三纪的上新世（N2）开始到上 更新世（Q3），多为上更新统地层。成因有洪积、冲积、湖 积、坡积、残积等
软土的工程性质