土的工程地质分类及各类土的工程地质性质

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§1.1 土的粒度成分

一、粒组的概念及其划分

1、粒组的概念

粒径：土粒的大小通常以其平均粒径的大小来表示，称粒径，又称粒

度。(单位：mm) 范围：10-4mm~103mm

粒组：为了便于分析、归纳各种土粒的特性，根据土粒特性与其粒

径

的

变化关系

，将组成土的土粒按粒径大小还分为若干个组别，这种大小相近、性质相似的组别称为粒组，也称粒级。每个粒组都以土粒的两个粒径的数值作为上下限。2、粒组的划分

划分原则：(1)符合粒径大小量变到质变的规律。2mm毛细力，0.05mm粘

着力，0.005mm胶体特性

(2)分组与测试条件技术适应。>0.1mm,筛分，>2mm肉眼鉴别(3)便于记忆，符合一定的数学规律。200，20，2，1/2，1/20，1/200

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a、高岭石组：

二层群式，1：1型，晶胞间氢键连接

特点：颗粒细小，晶胞连接力强，不能无限量吸水，亲水性差，结晶格架活动性差

b、蒙脱石组：

三层群式，2：1型，晶胞间氧连接

特点：颗粒细小，晶胞连接力强，不能无限量吸水，亲水性强，结晶格架活动性大具有强烈的胀缩性，可同晶替代(Al3+为、Fe3+、Ca2+、Mg2+替代,)

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（六）有机矿物

工程上总体是不利的，属软弱土层，需要处理(1)完全分解的腐殖质，颗粒细小，亲水性特强

(2)半全分解的腐殖质（泥炭），疏松、多孔，吸水性强，性质不稳定。

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五个界限含水率中，意义最大的是从半固态过渡到稠塑态的塑限含水率Wp(也称塑性下限)和从粘塑态过渡到粘流态的液限含水率W上限)；WL(也称塑性L相当于土中结含水达到最大值时的含水率。

显然，界限含水率可以用来判断土的稠度状态。当W≤Ws时，土呈固态；当Ws＜W≤Wp时，土呈半固态；

当Wp＜W≤WL时，土呈塑态；

当W＞WL时，土呈流态。

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一、定义

土的力学性质：土在外力作用下表现出的性质。包括：

可压缩性简称压缩性（在压应力作用下产生）——变形

抗剪性（在剪应力作用下产生）——强度形

二、土的力学性质的实质

土是分散、多孔的松软体系。抵抗外力作用的能力较差（连结力弱所致）。在外力作用下：①变形大；②强度较低

高压缩性——孔隙被压缩，土的体积减小低抗剪强度——抵抗剪切破坏的能力弱

当外力达到某值时克服土本身阻力，才开始产生压缩或破坏。即土的力学性质的实质是：

反映土抵抗外力作用下发生变形和破坏能力的大小及土的连续性

和空隙性在外力作用下可能发生的变化。

地基的沉降及不均匀沉降

（墨西哥城）

2、压缩实质

孔隙中水与气体被排出土体外，土的孔隙体积减小，颗粒

相互靠拢。

三土粒不可压缩对饱和土体：压缩实质是排水过程。相孔隙水不可压缩土对非饱和土体：压缩实质是先排气，后

孔隙气体挤出

排水过程。

压压缩量大小：取决于n(e)结构，指整个孔隙体积的大小，研究外

缩力与e的关系。

性

压缩这程快慢：决定于单个孔隙大小（尺寸）或k，研究变形与时

间t的关系。

整体破坏、局

部剪

切破坏

与冲剪破坏模

型

试验

盾构法施工地下隧道

工程上常用体积压缩系数mV作为地基沉降计算的参数。

m−2V=

1=a1MPa−1

Es1−2(1+e0)

5、压缩系数a与压缩模量Es的关系

相同点：(1)都是有侧限条件下测得的，用于评价土的压缩性的指标；

(2)都是评价地基沉降的重要指标。

单层：

S=

e1−e2h=a1−2(P2−P1)P−P

(1+eh=21hn

0)(1+e0)Es累计：S=∑ai12(P2−P1

)i=1(1+ehi

i

)不同点：从不同的侧面反映土的压缩性：

a1-2反映土的压缩变形量的大小；Es1-2表明土抵抗外力变形能力的大小。

原理及方法：

在现场试验坑中安置载荷板，分级加压Pi并测得每级压力下土体的稳定变形值Si，一直测到土样破坏——表现为承压板周围拱起，地基破坏，实验结束。

锚

桩桁架法,2400吨

载荷试验

(地锚)

3、载荷试验确定地基土承载力特征值

一般以临塑荷载(比例界限压力) Pa作为地基承载力的特征值。4、载荷试验确定地基土变形模量E0

变形模量：土在无侧限条件下受压，压应力增量与压应变增量之比。

据载荷试验直线段，用弹性理论公式可推出E0。

式中：

E0——变形模量（kg/cm2,kPa，MPa）

d——载荷试验中相当于荷载板直径（方板还需换算）u——土的泊松比，

p——载荷试验中总荷重（直线段端点P=Pa）

饱和黏性土的压缩过程实质：排水过程，及有效应力和孔隙水压力互相转化的过程，即：有效应力逐渐增大和孔隙水压力逐渐减小的过程，当u=0，σ=σ时，压缩完结。

太沙基饱水土固结压缩模型：当外力刚加上瞬间，t=0时，u=σ=0孔隙水来不及排出，承担σ

t=ti时，水在孔隙水压力u下排出，

σ=↑+u↓

t=t稳定时，u=0=σ压缩过程完结。

土的压缩大稳定的时间有长有短，相差悬殊，取决于：粒度、孔隙性、排水条件、渗透性、排水路径等。黏性土与无粘性土的压缩特点：

黏性土(粒度小、透水性差、孔隙度大)：无黏性土(粒度大、透水性好)：(1)压缩变形一般很大，取决于稠度状态、(1)通常压力下压缩变形量不大；及固结状态；

(2)压缩变形速度快，短期达稳定；(2)压缩变形速度很慢，几年~几十年；(3)以弹性形为主，可恢复

(3)以残余变形为主

2、非饱水土的压缩过

程

(3)固结不排水剪(固结快剪)，符号：直剪：R；三轴：CU

土样在垂直压力作用下，充分排水固结稳定后，接着迅速施加水平剪切力，直至土样破坏，试验过程中不排水。

抗剪强度公式：τf=σtgϕcu+ccu，求抗剪强度指标ϕcu

ccu

一般情况下：ϕd>ϕcu>ϕu而c值有差异。具体试验方法的选择：

根据土的排水条件，施工周期长短确定、选择

(1) 饱水粘土层厚，排水条件不好，施工周期短，选用UU(2) 饱水粘土层薄，排水条件好，施工周期长，选用CD(3) 当施工期固结能完成(砂

性土)，试验

过程

突

然加荷，选用CU

P.100表5-5

考虑到孔隙水压力消散程度对土的抗剪强度的影响(主要影响土的固结程度)，将土的抗剪强度表示方法分为：总应力法、有效应力法。1、总应力法

用剪切面上总应力表示土的抗剪强度，该方法称总应力法。总应力法根据试验排水程度不同分为三种试验方法：

(1)固结排水剪(慢剪)，符号：直剪：S；三轴：CD

土样在垂直压力作用下，充分排水固结稳定后，在缓慢施加水平剪切力，直至土样破坏，剪切时，u=0。

抗剪强度公式：

τf=σtgϕd+cd，求抗剪强度指标ϕdcd(2)不固结不排水剪(快剪)，符号：直剪：Q；三轴：UU

无论施加垂直压力或水平剪力

都是迅速的，试验过程中不排水，孔压不消散。

抗剪强度公式：τ

f

=σtgϕu+cu

，求抗剪强度指标ϕucu

工程上的应用：评价地基稳定性、边坡稳定性。

选用原则：一般对硬塑以上的硬黏土，取峰值强度确定抗剪强度cϕ,

对正在活动的(刚停止的)滑坡体，黏土夹层，取残余强度确定抗剪强度cϕ研究意义: 评价土稳定时如何选用强度指标，选残余强度是安全的，

但偏于保守。

1、土的蠕变

蠕变：在长期不变τ的作用下，软粘土剪变形随时间逐渐缓慢增长的现象。也称为流变。

工程实践中发现，建筑物建成后，使用开始，土体稳定。随着时间延伸，有些地基土在τ＜τf时发生变形甚至破坏。

蠕变的结果：随剪切变形增大，土的抗剪强度衰减到一定程度时土体产生强度破坏。

2、土的蠕变与剪应力的关

系

蠕变的速率随剪应力的关系：蠕变的速率随剪应力（初始剪力）的增大而增大。土的蠕变曲线ε—t，只有剪力达某一值才会出现蠕变。

工程上允许出现一定的蠕变，但要有限制（安全性）。以土样剪坏时的抗剪强度和土体破坏的时间（从某种土的不同τ下ε—t曲线上）可作出τ—t曲线，得土的长期强度。

2、含水量的影响

含水量、液性指数反映连结，随含水量增大，连结力降低，压缩性增高，抗剪性降低；反之，随含水量降低，连结力增强，压缩性降低，抗剪性增高。

决定

压缩

性：压缩性高(压缩量大、压缩稳定过程慢)

抗剪性：包括内聚力和内摩擦角，以内聚力为主，内摩擦角较小。主要

取决于土的稠度状态（结合水膜的厚度）

(一)、土本身性质1、粒

度

、矿物成分影响

粒度成分：压缩性，粘粒含量越高，饱水情况下，结合水数量多，压缩

性高，过程慢；

剪切性，相同稠度状态下，粘粒含量越多，c越大，

ϕ越小。矿物成分：(1) 亲水性强的矿物，结合水膜厚，压缩性高，过程慢，c

ϕ小(2) 腐殖质含量多，压缩性高，抗剪性低；

(3) 可溶盐含量：固体(结晶)时，起胶结作用，压缩性低，抗剪强度高；溶解时，增大孔隙，减弱连结，压缩性高，抗剪性低。

3、含水量影响

砂土中含有一定水时，可稍增高压缩性，降低抗剪强度，干砂的ϕ>饱和砂的ϕ，砂土的水上、水下坡角当砂土中含水量在13%左右时，具有毛细连结，此时，ϕ≠0但较小，提高抗剪强度。

4、结

构

、构造影响

土沉积过程中，颗粒的定

向排列，导致

土的各向异性，如

具水平层状构造的土，其水平向的强度低于垂直向的。土体的抗剪强度异于土的抗剪强度(二)、外力性质5、剪切速率

饱水砂与干砂相比：

饱水松砂，快剪，体积缩小，孔隙水外流，与有效应力相反。

饱水松砂：τf=(σ−u)tgϕ，快剪强度减小，饱水松砂快剪强度

饱水密砂：

τf=(σ+u)tgϕ，快剪强度增大，饱水密砂快剪强度>干密砂快剪。二、影响无黏性土力学性质的主要因素

无黏性土性质特点：粒度大，单个孔隙大，总孔隙体积小，原生矿物为主，无连结，单粒结构透水性强。力学性质特点：

压缩性：压缩性低，压缩过程快，

抗剪性：以内ϕ为主，内聚力接近于0，内摩擦角与土的粒度、密度有关。(一)、土本身性质1、粒度、矿物成分

粒度成分：颗粒粗大，表面粗糙，棱角多的土，压缩性低，过程快，抗剪强

度越高，

ϕ大。当含有细颗粒时，压缩性可以增高，抗剪强度降低。矿物成分：相同粒级，片状矿物压缩性高于棱角状(磨圆)状的；

片状矿物的抗剪性低于棱角或磨圆状的。

2、密实度影响

密实度越大的砂土：压缩性低，抗剪强度大。

密砂的峰值强度>密砂的残余强度；松砂的峰值强度=松砂的残余强度。

§4.5 土的击实性

二、土的击实性及其本

质

最优含水量与击实功之间的关系：

同一种土：在较大的击实功N作用下，可在较小的ωy下得γdmax；

反之，在较小的击实功N作用下，可在较大的ωy下得γdmax。

击实功与最大干密度之间的关系：

在一定的含水量情况下，一般击实功N较大，γd较大，但当到一定值时，γd不变(增长缓慢)。

二、我国主要的土质分类

简介

将土分为一般土和特殊土两大类。

一般土，按其不同粒组的相对含量可划分为巨粒土和含巨粒土、粗粒土、细粒土；

巨粒土和含巨粒土、粗粒土，按粒组、级配、所含细粒情况细分为16种类；

细粒土按塑性图、所含粗粒类别及有机质情况细分为16种土类。各类土都给以一定命名和代号。

特殊土，包括膨胀土、黄土、淤泥类土、红土等。

土

粗粒土按

粒度成分的分类

)R分原则与标准分述如下:

(1) 土按堆积年代可划分为以下三类：

老堆积

土：Q3(晚更新世及以前) 超固结状态；一般堆积土：Q4(全新世)堆积的土文化期以前；

新近堆积土：自文化期以来的Q4(中、近期) 欠固结状态。(2) 据地质成因分：

残积土、坡积土、洪积土、冲积土、淤积土、冰积土、风积土和海积土等。

湿陷性土(黄土)

红土膨胀土填土冻土盐渍土淤泥类土

典型的流水沉积的砾类土，分选较好，孔隙中充填物主要为砂粒，且数量较少，故透水性最强，压缩性最低，抗剪强度最大。

基岩风化碎石和山坡堆积碎石类土或冰川堆积泥砾，产状复杂，分布不均，分选较差，充填大量砂粒、粉粒、粘粒等细小颗粒，其性质常处于砾类

土和粘性土之间，透水性相对较弱，内摩擦角较小，抗剪强度较低，压缩性稍大，要注意其不均匀性。

砾类土是一般建筑物的良好地基，只是在含水时，由于透水性强，开挖基坑过程中往往涌水量很大，作为坝基、渠道帮壁和底板时，也往往产生严重渗漏或潜蚀，常伴随发生帮壁坍塌，边坡失稳等现象。承载力确定方法：载荷试验、圆锥动力触探。

洞底不断喷涌的水和大小不等的砾石

停车场突现庞大“天坑”

二、一般土的工程地质性质

一般土，按粒度成分相连结特征常分为巨粒土、粗粒土和细粒土三类。不同的物质成分和结构，具有不同的工程地质性质：(一) 砾粒土

特点：粒径＜60~2mm的颗粒含量占50％，颗粒粗大，主要由岩石碎屑或石英长石等原生矿物组成；呈单粒结构，孔隙大，透水性极强。

工程地质性质：压缩性很低，内摩擦角大，抗剪强度也大。承载力高、良好

的地基土，但水工构筑物基础地基易渗漏。

(三) 细粒

土

静力

触探

试验

§5.3 特殊土的工程地质性质

特殊土是指某些具有特殊物质成分和结构，而工程地质性质也较特殊的土这些特殊土般都是在一定的生成条件下形成的，或是由于所处自然环境逐渐变化形成的。一、淤泥类土1、定义：

淤泥类土是指在水流缓慢的沉积环境中和有微生物参与作用的条件沉积形成的含较多有机质，疏松软弱(天然孔隙比大于1，天然含水率大于液限)的含较多粉粒的粘性土。

淤泥类土是近代未经固结的在滨海、湖泊、沼泽、河湾、废河道等区沉积的一种特殊土类。2、成分结构特点：

粒度成分：以粉粒和粘粒为主，属粉质黏性土；

矿物成分：石英、长石、云母矿物外，还含有大量粘土矿物(其中常

以伊利石和蒙脱石占多数)，有机质含量较多；

结构特点：典型的絮状结构、蜂窝状或海绵状，疏松多孔、欠固结；外观特点：呈灰色、灰蓝、灰绿和灰黑色，污染手指，并有臭味。

。下地

根据自由

膨胀率对膨胀土的膨胀势分级

：

40%≤δef

65%≤δef

强膨胀势

4、工程地质问题：

(1) 常见浅层塑性滑坡、地裂，新开挖坑(槽)壁易发生坍塌等；(2) 建筑物裂缝随气候变化而张开和闭合。

三、红土

4、工程地质特性：

(1)液限较大，含水较多，饱和度大，土常处于硬塑至可塑状态

。

(2)孔隙比一般较大，变化范围也大。

(3)前期固结压力和超固结比很大，除少数软塑状态红土外，均为超固结土。

(4)一般常具有中等偏低的压缩性。

(5)强度变化范围大，一般较高。浸水后强度一般降低，部分湿化崩解。(6)膨胀性弱。

3、黄土的分类

据其其基本特征及地层年代，分三类：

(1) 老黄土，一般无湿陷性，承载力高，又分为：Q1午城黄土；Q2离石黄土(2) 新黄土，一般具湿陷性，承载力高，又分为：QQ3马兰黄土(湿陷性黄土主

体)；41次生黄土

(3) 新近堆积黄土，具湿陷性(不均一)，承载力低。

三、黄

土类土

1、定义：黄土类土是一种特殊的陆相松散堆积物。

典型的黄土标志：

黄色或褐黄色，以粉粒为主，富含碳酸钙，有肉眼可见到的大孔，垂直节理发育，浸湿后土体显著沉陷(称湿陷性)。具有上述全部特征的土即为“典型黄土”，但有的特征不明显的土就称为“黄土状土”。

典

型黄土和黄土

状土统

称为“黄土类土”，

习惯常简称为“黄土”。湿陷性的黄土类土一般又称为“湿陷性黄土”。2、黄土的一般特征

粒度成分：以粉粒为主，浸水性弱，粒度细而均一；

矿物成分：以石英(>50%)、长石(>25%)为主，富含碳酸钙(10-15%)。结构特征：松散结构，大孔隙，垂直裂隙发育，具湿陷性。外观特征：黄色、黄褐色。

(5)分级湿陷量：

n

∆δsi第i层土的湿陷系数

s=∑δsi⋅hi

hi第i层自重湿陷土层厚度，(从基础底面算

i=1

起，δs

自重湿陷至10、15m为止)

1、

盐渍土的形成与分布

概念

：地

表土层易溶盐含量大于0.5%的土称为盐渍土按地理分布可分为：

滨海盐渍土：是海水浸入到沿岸地区，经过蒸发，盐分残留地面而形成。冲积平原盐渍土：主要是由于河床淤积抬高或水库渠道渗漏等使沿岸地

下水位升高，地下水通过毛细上升作用不断将盐分输送到地表土层，经过蒸发，盐分集聚而形成。

内陆盐渍土：由内陆洼地矿化潜水蒸发残留盐分形成的，或是封闭盆

地中水分蒸发盐分沉积而成。2、盐渍土的类型与特征

根据含盐类型分三类：

(1) 氯盐NaClCaCl2KCl较大的塑性、压缩性、常处于潮湿状态“湿盐土”(2) 硫酸盐Na2SO4MgSO4含结晶水、具胀缩性，结晶膨胀、“松胀盐土”(3) 碳酸盐NaHCO3Na2CO3吸附性强、具塑性、胀缩性明显，碱性、“碱土”总体特征：结晶时强度高，盐分溶解时，变形量大，据腐蚀性。