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1、工程地质与 水文地质学,河南城建学院交通工程系 杨国洲 e-mail ：,岩石及特殊土的工程性质,二. 岩石、土的工程分类,一.岩石的工程性质,三. 特殊土的工程性质,物理性质 水理性质 力学性质,重力性质 孔隙性质,吸水性 透水性 软化性 抗冻性,强度性质 变形性质,一.岩石的工程性质,1、 岩石的物理性质,孔隙度多用于松散土、石，而裂隙率多用于结晶连接的坚硬岩石。,、s，n、e，岩石的工程性质,2、岩石的水理性质,岩石的吸水性,岩石的吸水性取决于本身所含裂隙、孔隙的数量、大小、开闭程度及分布情况。,指岩石容许水透过的能力，用渗透系数k来表示。 水在孔隙、裂隙中渗透流动，大多服从达西定律：,
2、岩石的透水性,岩石的软化性,软化性用软化系数来表示，它是指岩石饱状态下与天然风干状态下单轴抗压强度之比，即：,软化性取决于岩石中的矿物成分和孔隙性。,岩石的抗冻性,岩石的抗冻性与岩石的结构有关。,表示岩石抗冻性的指标有：,强度损失率 重量损失率,3、 岩石的力学性质,强度性质,干燥试样抗压强度 饱和试样抗压强度 冻融试样抗压强度,t =sn tgj+c,抗 压 强 度 (R) 抗 拉 强 度 (Rt) 抗 剪 强 度() 点荷载强度（Is） 回 弹 强 度（N）,变形性质,OA段：裂隙压密阶段 AB段：弹性变形阶段 BC段：塑性变形、裂隙扩展阶段,变形模量 E0=s/e 弹性模量 E50=s5
3、0/eD 泊松比 n= e 横/e纵,岩石变形性质的指标,影响岩石工程性质的主要因素,岩石性质：成因、矿物成分、结构、构造 地质构造； 风化作用（风化的程度）； 水的作用 天然的溶剂； 天然的润滑剂。,岩石按坚硬程度分类,二. 岩石、土的工程分类,岩土施工工程分级,土的分类,土：是第四纪以来地壳表层的最新沉积物，未经胶结成岩，常称为松散土。,特殊土:是具有特殊的成分、状态、结构特征，而且具有特殊工程性质的土。,特殊土的分类,4.4.1 黄土 4.4.2 膨胀土 4.4.3 软土 4.4.4 冻土,三. 特殊土的工程性质,黄土: 是在干旱、半干旱气候条件下形成的第四纪的一种松散的特殊土。,1、
4、黄土,黄土的特征,颜色为淡黄、褐色或灰黄色； 粒度成分以粉土为主，约占有60%70%，一般不含0.25mm的颗粒； 含各种可溶盐，富含碳酸盐（CaCO3），可形成钙质结核（姜结石）； 孔隙多且大，结构疏松； 无层理，但有垂直节理和柱状节理。天然条件下能保持近于垂直的边坡； 具有湿陷性。,具有()项特征的为标准黄土，只有其中部分特征的黄土叫黄土状土或黄土质土。 具有湿陷性的黄土为湿陷性黄土。,黄土的分布,黄土在世界上的分布面积达1300万km2，我国的黄土面积是世界上最大的，达64万km2，比法国和瑞士的面积总和还要大。黄土最厚处约410m左右，在兰州市七里河区西津村。在我国，西北、中原、华北、
5、华东、东北等地均有分布，但主要集中在黄河的中游陕、甘、宁、青及山西、河南一带，其厚度各不相同。陕甘地区多厚100200m，薄处仅几公分。,黄土高原的自然景象,黄土的工程性质,粉粒约占6070%，其次是砂粒和粘粒。,黄土结构疏松，密度较低，一般：,Gs 2.542.84； 1.51.8g/cm3； rd 1.31.6g/cm3，与e有关,一般认为： rd 1.5g/cm3时，一般为非湿陷性黄土,黄土的天然含水量一般为138.6%，有的干燥地区则为112%。,一般认为：天然含水量25%时，无湿陷性。,黄土的抗剪强度中等。 一般c=3040kPa， j =1525，我国北部黄土的j可达 2728。,
6、黄土的透水性比一般粘性土大。,黄土的压缩性中等。,天然黄土在一定压力的作用下，受水浸湿后土体结构受到破坏而发生的下沉现象，称为黄土湿陷。,黄土湿陷性的判定方法,黄土的相对湿陷系数 dsh=（h2h2）/h2 dsh 0.02， 非湿陷性黄土 0.02 dsh 0.03，轻微湿陷性黄土 0.03 dsh 0.07，中等湿陷性黄土 dsh 0.07， 强烈湿陷性黄土,自重湿陷性黄土的判定方法,黄土的湿陷起始压力,湿陷起始压力对非自重湿陷性黄土，其湿陷性需在一定的荷载压力作用下才会表现出来，这一使得黄土开始表现出湿陷性所需的压力即为黄土的湿陷起始压力。,湿陷起始压力的确定,现场常用野外简化方法。,防
7、治黄土湿陷的措施,采用物理、化学等方法，提高黄土强度，降低孔隙度，加强其内部联结； 强夯法； 挤密法 防排水。包括排除地表水和地下水。 换填法。在湿陷性黄土层不厚(13m)，下面又是硬土层或基岩。换填的土是砂夹卵石，回填厚度每层15cm，填后浇水再夯实。 预浸水法 深层浸水法,黄土陷穴,黄土陷穴的防治措施有： 开挖回填、夯实、灌浆； 做好地表排水工程。 防止水流渗漏是保证建筑物稳定的措施之一。,这些洞穴使上覆土层陷落,2 膨胀土,膨胀土：是一种粘性土，含有较多的亲水性粘土矿物，吸水膨胀，遇水崩解或软化，失水收缩，抗冲刷性能差，这种具有较明显的胀缩性的土称为膨胀土。,膨胀土的特征,颜色有灰白、棕
8、、红、黄、褐、及黑色； 粒度成分中以粘土颗粒为主，一般在50%以上，最低也要大于30%，粉粒次之，砂粒最少； 矿物成分中粘土矿物占优势，多为伊利石、蒙脱石，高岭石含量很少； 胀缩强烈，膨胀时产生膨胀压力，收缩时形成收缩裂隙。长期反复胀缩使土体强度产生衰减； 各种成因的大小裂隙发育； 早期生成的膨胀土具有超固结性。,膨胀土的分布,膨胀土分布很广，全世界都有分布，在我国的分布也很广。,膨胀土的季节性湿度变化常引起道路隆起、路轨移动，泵站、电站地基基础破坏等。,膨胀土的成因类型及生成年代,主要为残积、坡积、洪积、湖积及混合沉积类型。 生成年代：多在上新世N2更新世晚期的Q3之间。,膨胀土的工程性质,
9、膨胀土的工程地质问题及防治措施,膨胀土地区的路基 主要的病害：边坡变形和基床变形,抗剪强度的衰减及承载力的降低,边坡溜坍、滑坡等失稳现象,路基长期均匀下沉、翻浆冒泥等病害,严重影响行车安全,防治措施 为防止边坡变形，首先要根据路基工程地质条件，合理确定路堑边坡形式。一般情况下，膨胀土边坡要求一坡到顶，坡脚设置侧沟平台； 采取一定的排水措施，防止地表水渗入坡体； 支挡措施：设抗滑挡墙、抗滑桩、片石垛、填土反压等； 坡面防护措施：常用的有植物防护和骨架防护。,膨胀土地区的地基 地基的问题：承载力的问题和建筑物变形的问题 特殊性：本身地基承载力较低还要考虑强度衰减，不仅有土的压缩变形还有湿胀干缩变形
10、。,防治措施： 防水保湿措施,含水量的变化膨胀土胀缩变形, 地基处理措施,3 软土,软土：是在静水或缓慢流水环境中沉积的，天然含水量大，压缩性高，承载力低，抗剪强度低的软塑流塑状态的粘性土，如淤泥等。,软土的特征,颜色多为灰绿、灰黑色、有油腻感，能染指，有时有腐臭味； 粒度成分以粘粒为主，约占6070%，其次为粉粒； 矿物成分多为伊利石，高岭石次之，含有机质，有时可高达89%； 具海绵状结构，孔隙比大、含水量高、透水性小、压缩性高、强度很低； 具层理构造，垂直方向沉积有明显的分选性。,软土的分布,软土在我国分布很广，主要是在沿海地带及平原低地、沼泽地区，在高原山区的古代或内湖沼泽地区也常遇到软
11、土。,软土的分类,软土的工程性质,软土的天然含水量较高，持水性强，透水性差（竖向渗透系数小于水平向渗透系数）； 地基承载力很低，抗剪强度也很低，长期强度更低，这与排水固结程度有密切的关系； 软土孔隙比高，一般在1.01.8之间，有的可高达5.8（滇池淤泥）； 压缩性高，沉降量大； 具有触变性和流变性。,软土的工程地质问题和防治措施,软土地基的变形破坏主要是承载力低，地基变形大或发生挤出，造成建筑物的破坏。且易产生不均匀沉降。,在软土地基设计中，经常采取以下措施： 轻基浅埋； 减小建筑物作用于地基的压力； 侧向约束地基土，在四周打板桩基础； 设置反压护道； 若软土层2m，可采用换土法； 另外，还
12、有其它的一些方法，如：砂井、排水砂垫层、爆破排淤、石灰砂桩、柴排、电渗排水等。,在软土地区修建铁路、公路，主要存在地基的沉降和地基的稳定性问题。,4 冻土,温度0，并含有冰的土层。,冻土的分类,多年冻土,冻土的分布,季节性冻土的主要工程地质问题,一般来说，土中粉粒或粘粒含量越高，含水量越大，冻胀性越强。,冻融泥流,冻结时膨胀，融化时下沉。 会造成土体开裂、路面下凹、翻浆冒泥等。,季节性冰丘,冰丘：在地下水埋藏较浅时，季节冻结区不断得到水的补充，地面明显冻胀隆起，形成的冰胀山丘，称冰丘。,在冻土较厚的地区，修建各类建筑物时，采用桩基础，打穿冻土基础，但要求桩自身抗冻性能高，故应做桩自身的冻融力学
13、试验。,季节性冻土的分类,根据土的颗粒组成分为：,根据含水量的大小分为：,多年冻土的工程性质,多年冻土的特征 冻土由土颗粒、冰、水和气体四相组成。 根据土中冰的分布位置、形状特征，冻土结构可分为：,多年冻土与其上的季节性冻土层间的接触关系称为多年冻土的构造。,多年冻土的工程性质 物理及水理性质,其中： a. 未冻结水含量 WC=KWP b. 总含水量 Wn= WbWc c. 相对含冰量 Wi= Wb/Wn, 力学性质 一般温度越低，含水量越大，强度越大。 长期荷载作用下的冻土极限抗压强度比瞬时荷载下的抗压强度要小许多倍；冻土融化后的抗压强度与抗剪强度均显著降低。,冻土的变形性质,a冻胀性,被破
14、坏的公路,一般来讲，土颗粒越粗，含水量越小，冻胀性就越小；反之越大。,土的冻胀性的大小用冻胀率n来表示，即：,b融沉性 冻土在融化后强度大为降低，压缩性急剧增大，使地基产生融化沉陷的现象简称融沉或融陷。,多年冻土的工程地质问题 道路边坡及基底稳定问题,热融滑塌, 桥梁、房屋等建筑物地基问题,冰丘和冰锥,冰丘,冰丘遗迹,融化中的冰锥,冰锥,冻土病害的防治措施,排水。拦截和排除地表或地下水；降低地下水位，防止地下水向地基土中聚集。 保温，使多年冻土上界保持相对稳定。 改善土的性质。 粗颗粒土置换地基中的细颗粒冻胀土。 物理化学方法,思考题： 1. 了解黄土、膨胀土、软土和冻土的特征。 2. 所讲过的特殊土各自的工程特性是什么？ 作业题： 1. 为什么在特殊土的治理中排水的问题至关重要。,