岩土体工程地质特征

第三篇

土的工程地质特征

第一章土的工程分类及

物质组成

第一节土的生成

土是由地球外壳坚硬的岩石在风化作用下形成的在原地残留或经过各种不同类型的动

力搬运后，在各种自然环境中重新堆积而成的堆积物。

地球外壳（即岩石）的厚度达!"#$"%&，而第四纪沉积层通常厚度仅数米至数百米。

岩石形成之后，在漫长的地质历史中长期暴露于自然环境中，受各种各样的自然力的作

用，其物理、化学性质常常会发生改变，这就是岩石的风化。岩石的风化有以下三种类型：

’(物理风化

岩石中发生的只改变颗粒的大小与形状，不改变原来的矿物成分的变化称为物理风化。

物理风化一般包括岩石在经受风、霜、雨、雪等自然力的影响下而发生的机械破碎作用，周围

环境的温度、湿度发生变化引起的不均匀膨胀与收缩而产生破裂作用等。

)(化学风化

岩石与周围环境中的水、氧气和二氧化碳等物质的长时间接触，其内部的化学成分逐渐

发生变化，从而导致其组成矿物成分发生改变的过程称为化学风化。由化学风化而产生的

一些新的矿物称为次生矿物。

!(生物风化

动物、植物和人类活动对岩石的破坏作用称生物风化。例如树在岩石缝隙中生长时树

根伸展使岩石缝隙扩展开裂，人类开采矿石、建材，修建铁路、公路时开凿隧道等活动形成的

土，其矿物成分一般没有变化。

第二节土的工程分类

一、土的工程分类的意义

土是自然历史的产物，各不同成因和不同堆积年代形成的土的工程性质差别很大，为了*!!第一章土的工程分类及物质组成

能充分利用不同性质的土特性，使之为工程服务，需要对土进行工程分类。

土的工程分类的具体意义如下：

（!）便于工程应用。

将工程性质相近的土归结为一类，并赋予适当的名称后，就可以根据土的名称大致判断

土的基本工程特性，还可以结合其他相关因素进行土的工程适宜性评价。

（"）便于理论研究和技术开发。

不同种类的土，需要有不同的研究内容和评价方法，将工程性质迥异的土加以区别后，

可以根据土类合理地确定不同土的评价指标和试验方法。

（#）便于工程方案的制定。

对土进行合理分类后，就可以根据不同种类土的工程特点确定相应的工程勘察和试验

方案，当土的性质不能满足工程要求时，也可以确定出适合土的特点的改良或处理方法。

二、我国土的工程分类

土的工程分类的标准和方法很多，目前国内外工程中广泛应用的主要有两类：

一类把土作为建筑地基和环境，以原状土利用为目的，侧重于研究土的变形和强度特

征。如我国《建筑地基基础设计规范》（$%&’’’(—"’’"）和《岩土工程勘察规范》（$%&’’"—

"’’!）等。

另一类把土作为建筑材料，用于路堤、土坝和填土地基等工程，以扰动土为基本研究对

象，侧重于土的组成，而不考虑上的天然结构性。如我国的国家标准《土的分类标准》（$%

)!*&—!++’）等。考虑到可以将扰动后重新应用的土作为新的原状上对待，并且即使是把土

作为建筑材料的工程也需要将扰动后重新应用的土作为新的原状上进行新建工程的稳定性

评价，也为了不至于将不同分类的标准和方法内容混淆，在此我们仅介绍目前作为国内标准

且已被我国各类工程所广泛应用的《建筑地基基础设计规范》（$%&&’(—"""）和《岩土工程

勘察规范》（$%&&"!—""!）中土的分类。

《建筑地基基础设计规范》和《岩土工程勘察规范》中土的分类体系是以原苏联天然地基

设计规范为基础，结合我国土质条件和几十年的实践经验，不断改进补充而成。它在考虑划

分标准时，注重土的天然结构连结的性质和强度，并始终与土的主要工程特性———变形和强

度特征紧密联系，具有方法科学、简单、明确和实用性强的特点。

（!）土按堆积年代可划分为两类。

,-老沉积土：第四纪晚更新世（.#）及其以前沉积的土层，一般呈超固结状态，具有较高

的结构强度。

/-新近沉积土：第四纪全新世中近期沉积的土层（.*），一般结构强度较低。

（"）土按颗粒级配和塑性指数分为碎石类土、砂类土、粉土和粘性土等，详见表#0!0

!。

（#）土根据地质成因可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、风积土和

冰川沉积土。1##第三篇土的工程地质特征

表!"#"#土按颗粒级配和塑性指数分类土的名称主要组成颗粒分类标准

无粘性土碎石类土漂石（圆形及亚圆形为主）

块石（棱角形为主）粒径大于$%%&&的颗粒质量超过总质量’%(

卵石（圆形及亚圆形为主）

碎石（棱角形为主）粒径大于$%&&的颗粒质量超过总质量’%(

圆砾（圆形及亚圆形为主）

角砾（棱角形为主）粒径大于$&&的颗粒质量超过总质量’%(

砂类土砾砂粒径大于$&&的颗粒质量占总质量$’()’%(

粗砂粒径大于%*’&&的颗粒质量超过总质量’%(

中砂粒径大于%*$’&&的颗粒质量超过总质量’%(

细砂粒径大于%*%+’&&的颗粒质量超过总质量,’(

粉砂粒径大于%*%+’&&的颗粒质量超过总质量’%(

粉土粉土粉粒粒径大于%*%+’&&的颗粒质量不超过总质量’%(，且!-

!#%

粘性土粉质粘土粉粒、粘粒#%.!-!#+

粘土粘粒!"/#+

注：!定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定。"塑性指数!-应由+01圆锥仪入土深度#%&&时测定的液限计算而得。（2）土根据有机质含量可按表!"#"$分为无机土、有机质土、泥炭质土和泥炭。

表!"#"$土按有机质含量分类

分类名称有机质含量#34(现场鉴别特征说明

无机土#3.’(

有机质土’(.#3.#%(深灰色，有光泽，味臭，除腐殖质外尚含少量未完全分解的动植物体，浸水后水面出现气泡，干燥后体积收缩!如现场能鉴别或有地区经验时，可不做有机质含量测定；

"当$/$5，#*%.%.#*’时称淤泥质土；

#当$/$5，%"#*’时称淤泥6!!第一章土的工程分类及物质组成

续表分类名称有机质含量!!"#现场鉴别特征说明

泥炭质土$%#&!!&’%#深灰或黑色，有腥臭昧，能看到未完全分解的植物结构，浸水体胀，易崩解，有植物残渣浮于水中，干缩现象明显根据地区特点和需要可按!!细分为：弱泥炭质土$%#&!!!()#中泥炭质土()#&!!!*%#强泥炭质土*%#&!!!’%#

泥炭!!+’%#除有泥炭质土特征外，结构松散，土质很轻，暗无光泽，干缩现象极为明显

注：有机质含量!!按均失量试验确定；"为含水量，",为液限，#为孔降比。（)）具有一定分布区域或工程意义上具有特殊成分、状态和结构特征的上称为特殊性

土，《岩土工程勘察规范》（-.)%%($—

(%%$）中将其分为湿陷性土、红粘土、软土（包括淤泥和

淤泥质土）、混合土、填土、多年冻土、膨胀土、盐渍土、污染土$%种类型。

第三节土的物质组成

土的物质成分包括作为主骨架的土颗粒，充填于土颗粒之间的孔隙中的水或水溶液，以

及气体/个部分。因此，土是由固相（颗料）、液相（水）和气相（气）所组成的三相体系。由于

土的形成年代和自然条件的不同，使各种土的颗粒大小、矿物成分同以及土的三相间的数量

比例有很大的差异，造成了土的轻重、疏密、干湿、软硬等一系列物理性质和状态上的不同反

映，从而导致各种土在工程应力作用下的物理力学性质的也各不相同。所以，要研究土的工

程性质就必须了解土的三相组成性质、比例、环境条件以及在添然状态下土的结构和构造等

总体特征。

一、土颗粒

在土的三相组成物质中，固体颗粒（以下简称土粒）是土的最主要的物质成分。它既构

成土的骨架主体，也是土中最稳定、变化最小的成分。在土的三相之间相互作用中，土粒一

般也居于主导地位。因而本质而言，土的工程性质主要取决于组成土的土粒的工程特性。

土粒的工程特性可以从土粒的矿物组成和大小（即土的粒度成分和矿物成分）两个基方面来

描述。一般地说，组成土粒的矿物的亲水性越强，土的工程特性受含水量的影响越大；组成%*/第三篇土的工程地质特征

土粒的颗粒越粗、越坚硬、物理力学性质及化学性质越稳定、表面越粗糙，土的透水性越好、

可压缩性越小、强度越高，土的总体工程特性越好；反之，组成土粒的颗粒越细。越软、物理

力学性质及化学性质越不稳定、表面越光滑，则单位体积土中所有土粒的总表面积即土的比

表面越大，土粒间的摩擦阻力和孔隙越小，土粒与孔隙中的水的接触面积越大，土的透水性

越差，工程特性受含水量的影响越大，在工程应力作用下承受荷载和抵抗变形的能力越弱。

!"土的粒度成分

土的粒度成分是指土粒的大小和不同大小的土颗粒的相对含量（或称颗粒级配），它以

各粒组颗粒的重量占该土颗粒的总重量的百分数来表示。它是决定土的工程性质的主要内

在因素之一，因而也是土的类别划分的主要依据。

土颗粒的直径大小称为粒径（或粒度）。由于土的粒径由大到小逐渐变化时，土的工程

性质也会相应地发生变化。因此，在工程上习惯于根据土粒的工程性质的差异而将土的粒

径划分为若干个区段，把界于一定粒径范围的土粒归为一组，形成一个粒组。

土颗粒粒组的划分在于使同一粒组中的土粒的工程性质相近，而与相邻粒组中的土粒

的工程性质有明显差别。目前土颗粒的粒组划分标准并不完全一致，工程中常用的粒组划

分界限粒径为#$$，#$，#，$"$%&和$"$$&’’，与之相对应的可以将土颗粒分成六大粒组：漂石

（块石）颗粒、卵石（碎石）颗粒、圆砾（角砾）颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。具体各粒组土粒的工程

性质特征见表()!)(。

根据颗粒分析试验成果，可以绘制如图()!)!所示的颗粒级配累积曲线，其横坐标表

示土粒粒径。由于土粒粒径相差常在百倍、千倍以上，如果直笃采用土粒的粒径数值坐标画

图，则为使图形清晰，就需要将图画得很大。在实际工程中，经研究发现，如果采用土粒的粒

径的对数值为坐标值画图，则颗粒级配累积曲线图可以画得既小又清晰。所以，目前工程中

颗粒级配累积曲线图中的横坐标均采用对数坐标。颗粒级配累积曲线图中纵坐标表示小于

（或大于）某粒径的土的百分含量（或称累计百分含量）。

表()!)(土粒粒组的划分粒组名称粒径范围*

’’一般特征

漂石、块石组+#$$

卵石、碎石组#$$,#$颗粒间的孔隙很大，透水性强，颗粒之间无连结；无毛细作用

圆砾、角砾组粗#$,!$

中!$,&

细&,#颗粒间的孔隙较大，透水性较强，颗粒之间无连结；毛细水上升高度不超过粒径大小

砂粒组粗#,$"&

中$"&,$"#&

粉、细$"#&,$"$%&易透水，无粘性，无塑性，干燥时松散；毛细水上升高度不大（一般小于!’）!-(第一章土的工程分类及物质组成