岩土体的工程地质特性

4 岩土体的工程地质特性岩土体的工程地质特性 土的基本概念土的基本概念 土是地壳表层坚硬岩石风化作用的产物残留在原地或经土是地壳表层坚硬岩石风化作用的产物残留在原地或经过搬运堆积在异地所形成的松散堆积物。土经后期进一步压过搬运堆积在异地所形成的松散堆积物。土经后期进一步压实、胶结等固结成岩作用就形成了沉积岩。实、胶结等固结成岩作用就形成了沉积岩。岩石与岩体岩石与岩体 岩石是矿物的集合体，岩体是结构面和结构体的综合。岩石是矿物的集合体，岩体是结构面和结构体的综合。野外岩石中所见到的各种不同类型、不同方向的地质界面称野外岩石中所见到的各种不同类型、不同方向的地质界面称为结构面，被结构面分割而成的大小不一、形状各异的岩石为结构面，被结构面分割而成的大小不一、形状各异的岩石块体称为结构体。岩石与岩体不同，由于岩体中存在结构面块体称为结构体。岩石与岩体不同，由于岩体中存在结构面和软弱夹层，并且又延伸到相当广阔的空间范围，因此，岩和软弱夹层，并且又延伸到相当广阔的空间范围，因此，岩体强度与岩石强度相比较，两者差别显著。一般情况下，岩体强度与岩石强度相比较，两者差别显著。一般情况下，岩体强度低于岩石强度，仅在少数情况下，岩体强度才接近于体强度低于岩石强度，仅在少数情况下，岩体强度才接近于岩石强度。此外，岩体中存在复杂的天然应力场。岩石强度。此外，岩体中存在复杂的天然应力场。土的物质组成土的物质组成 组成土的物质可分为固相、液相和气相三种状态。固组成土的物质可分为固相、液相和气相三种状态。固相部分主要是土粒，有时还有粒间的胶结物和有机质，它们相部分主要是土粒，有时还有粒间的胶结物和有机质，它们构成土的骨架；液相部分为水及其溶解物；气相部分为空气构成土的骨架；液相部分为水及其溶解物；气相部分为空气和其它微量气体。和其它微量气体。当土骨架之间的孔隙被水充满时，我们称其为饱和土当土骨架之间的孔隙被水充满时，我们称其为饱和土或完全饱和土；当土骨架间的孔隙不含水时，称其为干土；或完全饱和土；当土骨架间的孔隙不含水时，称其为干土；而当土的孔隙中既含有水，又有一定量的气体存在时，称其而当土的孔隙中既含有水，又有一定量的气体存在时，称其为非饱和土或湿土。为非饱和土或湿土。土的固体颗粒土的固体颗粒 主要研究土颗粒的矿物成分、土的粒组和土的颗粒级主要研究土颗粒的矿物成分、土的粒组和土的颗粒级配。配。土颗粒的矿物成分土颗粒的矿物成分 由于土是岩石风化的产物，所以土粒的矿物组成将取由于土是岩石风化的产物，所以土粒的矿物组成将取决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用。成土矿物类型决于成土母岩的矿物组成及其后的风化作用。成土矿物类型及其特征见表。及其特征见表。表表4.1 土中矿物成分的类型土中矿物成分的类型 类 型 成因及组成 工程性质原生矿物 土中母岩矿物碎屑。主要有石英、长石、角砾岩、云母等 具有较强的抗水性和抗风化能力，亲水性弱。次生矿物 母岩经化学风化作用后形成。主要有可溶的矿物和不可溶的矿物。不同含量的矿物对土的工程性质影响不同。有机质 动植物残骸在微生物的作用下分解形成。主要为腐殖质。高含水、高压缩、低强度。土粒粒组土粒粒组粒径：粒径：指土粒的大小，以其平均直径的大小表示。指土粒的大小，以其平均直径的大小表示。粒组：粒组：将土中各种不同粒径的颗粒按适当的尺寸划分为若干将土中各种不同粒径的颗粒按适当的尺寸划分为若干个组别，每一个组别的颗粒称为土的一个粒组。个组别，每一个组别的颗粒称为土的一个粒组。界限粒径界限粒径：用以对土粒进行粒组划分的分界尺寸称为土的界：用以对土粒进行粒组划分的分界尺寸称为土的界限粒径。限粒径。表是一种常用的粒组划分方法。土中各种不同粒径的粒表是一种常用的粒组划分方法。土中各种不同粒径的粒组在土中的相对含量称为粒度成分。组在土中的相对含量称为粒度成分。需要特别指出的是，粘粒并非一定是粘土矿物颗粒，即需要特别指出的是，粘粒并非一定是粘土矿物颗粒，即并非所有的粘土矿物粒径都小于并非所有的粘土矿物粒径都小于0.005mm(或或0.002mm)，也并非所有小于也并非所有小于0.005mm(或或0.002mm)的颗粒都是粘土矿的颗粒都是粘土矿物，粘土矿物的粒径可达，而非粘土矿物的粒径则可小至。物，粘土矿物的粒径可达，而非粘土矿物的粒径则可小至。但由于绝大多数粒径小于的颗粒已具有了某些近似胶体的性但由于绝大多数粒径小于的颗粒已具有了某些近似胶体的性质，所以我们称其为粘粒。质，所以我们称其为粘粒。土的颗粒级配土的颗粒级配概念：概念：以土中各粒组颗粒的相对含量以土中各粒组颗粒的相对含量(占颗粒总质量的百分占颗粒总质量的百分数数)表示的土中颗粒大小及组成情况称为土的颗粒级配。表示的土中颗粒大小及组成情况称为土的颗粒级配。累积曲线：累积曲线：是一种最常用的颗粒分析试验结果表示方法，其是一种最常用的颗粒分析试验结果表示方法，其横坐标表示粒径横坐标表示粒径(因为土粒粒径相差数百、数千倍以上，小因为土粒粒径相差数百、数千倍以上，小颗粒土的含量又对土的性质影响较大，所以横坐标用粒径的颗粒土的含量又对土的性质影响较大，所以横坐标用粒径的对数值表示对数值表示)；纵坐标则用小于；纵坐标则用小于(或大于或大于)某粒径颗粒的累积百某粒径颗粒的累积百分含量来表示。所得曲线称为颗粒级配曲线或颗粒级配累积分含量来表示。所得曲线称为颗粒级配曲线或颗粒级配累积曲线。由级配曲线可以直观地判断土中各粒组的含量情况，曲线。由级配曲线可以直观地判断土中各粒组的含量情况，如果曲线陡峻，表示土粒大小均匀，级配不好；反之则表示如果曲线陡峻，表示土粒大小均匀，级配不好；反之则表示土粒不均匀但级配良好。土粒不均匀但级配良好。工程上常用土粒的不均匀系数来定量判断土的级配好工程上常用土粒的不均匀系数来定量判断土的级配好坏。不均匀系数坏。不均匀系数Cu可表示如下：可表示如下：1060ddCu 式中：式中：d60称为限定粒径，当土的颗粒级配曲线上小于某粒称为限定粒径，当土的颗粒级配曲线上小于某粒径的土粒相对累积含量为径的土粒相对累积含量为60时，该粒径即为时，该粒径即为d60；d10称为有效粒径，当土的颗粒级配曲线上小于某粒径称为有效粒径，当土的颗粒级配曲线上小于某粒径的土粒相对累积含量为的土粒相对累积含量为10时，该粒径即为时，该粒径即为d10。一般一般Cu10的为的为级配良好的土；级配良好的土；Cu510的为级配一般的土。的为级配一般的土。一般工程中也有以两个指标来判断土级配的情况，即：一般工程中也有以两个指标来判断土级配的情况，即：对于纯净的砂、砾，当对于纯净的砂、砾，当Cu5，且，且Cc13时，它是级配良时，它是级配良好的，不能同时满足上述条件时，其级配是不好的。其中好的，不能同时满足上述条件时，其级配是不好的。其中Cc称为土的曲率系数，可表示为：称为土的曲率系数，可表示为：式中：式中：d30为土的颗粒级配曲线上小于某粒径的土粒相对累为土的颗粒级配曲线上小于某粒径的土粒相对累积含量为积含量为30时的粒径。时的粒径。1060230dddCu 颗粒级配曲线示意图土中的水土中的水 土中水实际上是指土中的水溶液，它包含了各种溶于土中水实际上是指土中的水溶液，它包含了各种溶于水中的离子和化合物。水中的离子和化合物。土中水的含量多少对土的性质有明显的影响，尤其对土中水的含量多少对土的性质有明显的影响，尤其对粘性土等细粒土的性质影响更大。粘性土等细粒土的性质影响更大。在自然状态下，绝大多数环境中的土总是含水的，土在自然状态下，绝大多数环境中的土总是含水的，土中水可以是液态，也可以是固态或气态。中水可以是液态，也可以是固态或气态。研究土中水时必须考虑其存在状态及其与土粒之间的研究土中水时必须考虑其存在状态及其与土粒之间的相互作用。存在于土粒矿物晶格以内的水称为结晶水。土中相互作用。存在于土粒矿物晶格以内的水称为结晶水。土中的结晶水只能在较高的温度的结晶水只能在较高的温度(80680，随土粒矿物成分的，随土粒矿物成分的不同而异不同而异)下才能化为水汽而与土粒分离，因此在一般工程下才能化为水汽而与土粒分离，因此在一般工程中，结晶水被视为矿物固体颗粒的一部分。通常所说的水是中，结晶水被视为矿物固体颗粒的一部分。通常所说的水是指常温状态下的液态水。指常温状态下的液态水。按土中水是否受土粒电场力作用可以将土中水分为两按土中水是否受土粒电场力作用可以将土中水分为两类，一类称为结合水，另一类称为自由水。类，一类称为结合水，另一类称为自由水。结合水结合水 一般情况下，土粒的表面带有负电荷，在土一般情况下，土粒的表面带有负电荷，在土粒周围形成电场，吸引水中的氢原子一端使其定粒周围形成电场，吸引水中的氢原子一端使其定向排列，形成围绕土颗粒的结合水膜。向排列，形成围绕土颗粒的结合水膜。结合水是指受土颗粒电场力作用而吸附于土结合水是指受土颗粒电场力作用而吸附于土粒周围的土中水。土中的细小颗粒愈多，结合水粒周围的土中水。土中的细小颗粒愈多，结合水含量愈大；愈靠近土粒表面，水分子排列得愈整含量愈大；愈靠近土粒表面，水分子排列得愈整齐，水的活动性也愈小。因而常将结合水分为强齐，水的活动性也愈小。因而常将结合水分为强结合水和弱结合水两种。结合水和弱结合水两种。结合水分子定向排列示意图结合水分子定向排列示意图 强结合水：受颗粒电场力吸引，紧紧吸附于颗强结合水：受颗粒电场力吸引，紧紧吸附于颗粒周围的结合水称为强结合水，也称吸着水。厚度粒周围的结合水称为强结合水，也称吸着水。厚度小，没有溶解力，不能传递静水压力（固相），受小，没有溶解力，不能传递静水压力（固相），受外力作用时与土颗粒一起移动，具有很大的粘滞性、外力作用时与土颗粒一起移动，具有很大的粘滞性、弹性和抗剪强度。粘性土中仅含有强结合水时呈坚弹性和抗剪强度。粘性土中仅含有强结合水时呈坚硬状态；砂土仅含有强结合水时呈散粒状态。硬状态；砂土仅含有强结合水时呈散粒状态。弱结合水：是强结合水外围的结合水膜，也称弱结合水：是强结合水外围的结合水膜，也称薄膜水。厚度小，也不能传递静水压力，但能向邻薄膜水。厚度小，也不能传递静水压力，但能向邻近水膜更薄的土颗粒周围缓慢转移，这种运动和重近水膜更薄的土颗粒周围缓慢转移，这种运动和重力无关，具有可塑性。不能传递静水压力。力无关，具有可塑性。不能传递静水压力。自由水自由水 自由水是指土粒电场力影响范围以外的土中孔隙水，几自由水是指土粒电场力影响范围以外的土中孔隙水，几乎不受或完全不受土粒表面静电引力的影响，主要受重力控乎不受或完全不受土粒表面静电引力的影响，主要受重力控制，保持其自由活动的能力，也称为自由液态水。土中的自制，保持其自由活动的能力，也称为自由液态水。土中的自由水包括重力水和毛细水两种。由水包括重力水和毛细水两种。重力水重力水：是指存在于地下水位以下含水层中的土中自：是指存在于地下水位以下含水层中的土中自由水，也称地下水。重力水在自身重力作用下能在土体中产由水，也称地下水。重力水在自身重力作用下能在土体中产生渗流，对土粒及置于其中的结构物都有浮力作用。能传递生渗流，对土粒及置于其中的结构物都有浮力作用。能传递静水压力。主要存在于土中较大的孔隙中。静水压力。主要存在于土中较大的孔隙中。毛细水毛细水：是指存在于土中细小的孔隙中，因与土颗粒：是指存在于土中细小的孔隙中，因与土颗粒的分子引力和水与空气界面的表面张力共同作用构成的毛细的分子引力和水与空气界面的表面张力共同作用构成的毛细作用而与土颗粒结合，位于结合水与重力水之间的过渡类型作用而与土颗粒结合，位于结合水与重力水之间的过渡类型的水。主要存在于砂土中。毛细水还对建筑物地下结构的防的水。主要存在于砂土中。毛细水还对建筑物地下结构的防潮、地基土的浸湿、冻胀等有重要影响潮、地基土的浸湿、冻胀等有重要影响。土中的气体土中的气体 土中的气体主要为空气和水气，对土体的工程地质性质影响较小，它能影响土体的强度和变形。封闭气泡自由气体与大气完全相通，容易逸出，对工程的影响不大特点减小土体渗透性、增加弹性，延缓土体变形随时间的发展过程土的结构和构造土的结构和构造 土的结构是指由土粒的大小、形状、相互排列及其联结关系等形成的综合特征。它是在成土过程中逐渐形成的，与土的矿物成分、颗粒形状和沉积条件等有关，对土的工程性质有重要影响。土的结构一般分为单粒结构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型。蜂窝结构单粒结构特点较大颗粒因自重下落沉积而成。粒径较粗，粒间为点接触。密实状态的是良好地基；疏松状态的压缩性大，不适合直接作为地基。特点靠粉粒间引力联结而成。单个孔隙体积大于土粒本身尺寸，孔隙的体积也较大。絮状结构特点针、片状粘粒在较浓电解质溶液中凝聚沉积而成。孔隙体积比蜂窝结构更大，土体一般十分松软。土的构造定义指各部分土的集合体之间的相互关系特征。主要是层理构造，此外还有结核构造、砂类土的分散构造、以及粘性土的裂隙构造。单粒结构蜂窝结构絮状结构 在这三种结构中，以密实的单粒结构工程性质最好，蜂在这三种结构中，以密实的单粒结构工程性质最好，蜂窝结构与絮状结构若被扰动破坏，则强度低、压缩性高，窝结构与絮状结构若被扰动破坏，则强度低、压缩性高，一般不可用作天然地基。一般不可用作天然地基。不论哪种结构形式，构成土骨架的固态颗粒之间存在孔不论哪种结构形式，构成土骨架的固态颗粒之间存在孔隙，孔隙中存在水和气体，土是由颗粒（固相）、水（液隙，孔隙中存在水和气体，土是由颗粒（固相）、水（液相）和气（气相）所组成的三相体系。各种土的颗粒大小相）和气（气相）所组成的三相体系。各种土的颗粒大小和矿物成分差别很大，土的三相间的数量比例也不尽相同，和矿物成分差别很大，土的三相间的数量比例也不尽相同，而且土粒与其周围的水又发生了复杂的物理化学作用。而且土粒与其周围的水又发生了复杂的物理化学作用。4.2 土的物理力学性质土的物理力学性质 由固体、液体和气体三相物质组成的土体，其各组分在由固体、液体和气体三相物质组成的土体，其各组分在体积、质量或重量上的比值，反映了土的许多基本物理性质，体积、质量或重量上的比值，反映了土的许多基本物理性质，而且在一定程度上间接反映了土的力学性质，我们称其为土而且在一定程度上间接反映了土的力学性质，我们称其为土的物理性质指标，也有称为土的三相比例指标。土物理性质的物理性质指标，也有称为土的三相比例指标。土物理性质指标的确定是工程地质勘察工作必不可少的任务。指标的确定是工程地质勘察工作必不可少的任务。土中的三相物质本来是交错分布的，为了便于标记和土中的三相物质本来是交错分布的，为了便于标记和阐述，我们将其三相物质抽象地分别集合在一起，构成一种阐述，我们将其三相物质抽象地分别集合在一起，构成一种理想的三相图，如图所示。理想的三相图，如图所示。图中符号的意义如下：ms-土粒质量；mw-土中水的质量；ma-空气的质量，ma0；m-土的总质量，m=ms+mw；Vs-土粒体积；Vw-土中水的体积；Va-土中气体体积；Vv-土中孔隙的体积，VvVa+Vw；V一土的总体积，V=Vv+Vs 土的三相土的三相 比例关系示意图比例关系示意图 土的实测物理性质指标土的实测物理性质指标土的实测物理性质指标：土的实测物理性质指标：土粒相对密度、土的含水量和土的密度。土粒相对密度、土的含水量和土的密度。土粒相对密度，用比重瓶法进行测定。土粒相对密度，用比重瓶法进行测定。土的含水量一般用烘干法测定，现场可用炒土法测定，土的含水量一般用烘干法测定，现场可用炒土法测定，当工程急需时，还可用烧土法进行测定。当工程急需时，还可用烧土法进行测定。土的密度一般用环刀法测定。土的密度一般用环刀法测定。1.土粒相对密度土粒相对密度土粒相对密度是指土粒的质量与一个标准大气压下即同体积土粒相对密度是指土粒的质量与一个标准大气压下即同体积4的纯水质量之比的纯水质量之比(为一无量纲量为一无量纲量)，即，即 (4.3)式中，式中，ds为土粒相对密度；为土粒相对密度；s为土粒密度为土粒密度(g/cm3或或t/m3)；w1为纯水在一个大气压下为纯水在一个大气压下4时的密度时的密度(1g/cm3或或1 t/m3)。11wswsssVmd1.土粒相对密度土粒相对密度 土粒相对密度是指土粒的质量与一个标准大气压下即土粒相对密度是指土粒的质量与一个标准大气压下即同体积同体积4的纯水质量之比的纯水质量之比(为一无量纲量为一无量纲量)，即，即 11wswsssVmd 土粒相对密度主要取决于土的矿物成分，也与土粒相对密度主要取决于土的矿物成分，也与土的颗粒大小有一定关系。它的数值一般为；土中土的颗粒大小有一定关系。它的数值一般为；土中有机质含量增大时，土粒相对密度明显减小有机质含量增大时，土粒相对密度明显减小(例如泥例如泥炭土的土粒相对密度为炭土的土粒相对密度为1.51.8)。由于同类土的土粒相对密度变化幅度很小，加由于同类土的土粒相对密度变化幅度很小，加之土粒相对密度的测试方法要求严，容易出现测试之土粒相对密度的测试方法要求严，容易出现测试误差，所以工程中常按地区经验来选取土粒相对密误差，所以工程中常按地区经验来选取土粒相对密度。度。土粒相对密度参考值土粒相对密度参考值2.土的含水量土的含水量概念概念：土体中水相物质：土体中水相物质(液态水和冰液态水和冰)的质量与土粒质量的百的质量与土粒质量的百分比被称为土的含水量分比被称为土的含水量w，即：，即：土的含水量是反映土的干湿程度的指标之一，它表明土的含水量是反映土的干湿程度的指标之一，它表明土体中水相物质的含量多少。土体中水相物质的含量多少。含水量的变化对粘性土等一类细粒土的力学性质有很含水量的变化对粘性土等一类细粒土的力学性质有很大影响，一般说来，同一类土大影响，一般说来，同一类土(细粒土细粒土)的含水量愈大，土愈的含水量愈大，土愈湿愈软，作为地基时的承载能力愈低。天然土体的含水量变湿愈软，作为地基时的承载能力愈低。天然土体的含水量变化范围很大，我国西北地区由于降水量少，蒸发量大，沙漠化范围很大，我国西北地区由于降水量少，蒸发量大，沙漠表面的干砂含水量为零，一般的干砂，含水量也接近于零；表面的干砂含水量为零，一般的干砂，含水量也接近于零；而饱和的砂土含水量可高达而饱和的砂土含水量可高达40；在我国沿海软粘土地层中，；在我国沿海软粘土地层中，土体含水量可高达土体含水量可高达6070，云南某地的淤泥和泥炭土含，云南某地的淤泥和泥炭土含水量更是高达水量更是高达270299。%100swmmw3.土的密度土的密度 天然状态下，单位体积土体的质量(包含土体颗粒的质量和孔隙水的质量，气体的质量一般忽略不计)称为土的密度，用符号表示。其单位为g/cm3或t/m3。天然状态下，土的密度变化范围较大，这除与土的紧密程度有关外，还与土体中含水量的多少有关。一般情况下，土密度的变化范围为3；腐殖土的密度较小，常为3甚至更小(前述云南某地的淤泥最小密度为3)。Vm土的物理性质换算指标土的物理性质换算指标1.土的孔隙比土的孔隙比e和孔隙率和孔隙率n 土的孔隙比是土体中的孔隙体积与土颗粒体积之比，即土的孔隙比是土体中的孔隙体积与土颗粒体积之比，即 土的孔隙率又称土的孔隙度，是指土中孔隙体积与土的总体积的百分土的孔隙率又称土的孔隙度，是指土中孔隙体积与土的总体积的百分比，即比，即 土体的孔隙比是土体的一个重要物理性质指标，可以用来评价土体土体的孔隙比是土体的一个重要物理性质指标，可以用来评价土体的压缩特性，一般的压缩特性，一般e的土是密实的低压缩性土；的土是密实的低压缩性土；e的土是疏松的高压缩的土是疏松的高压缩性土。性土。孔隙率和孔隙比都是用以反映土中孔隙含量多少的物理量，但孔隙孔隙率和孔隙比都是用以反映土中孔隙含量多少的物理量，但孔隙率直观也更易被人们接受，而孔隙率常用于进行土的变形分析。率直观也更易被人们接受，而孔隙率常用于进行土的变形分析。svVVe%100VVnv2.土的饱和度土的饱和度Sr在土中，被水所充填的孔隙体积与孔隙总体积的百分比称为土的饱和度，用符号Sr表示。其表达式为 土的饱和度是反映土体含水情况的物理性质指标，是反映土体中孔隙被水所充填的程度，而含水量反映的是土体中液态水的含量多少。根据饱和度大小，砂性土可分为稍湿(Sr50)、很湿(5080)三种湿度状态。%100vwrVVS3.土的其它密度指标土的其它密度指标土的干密度：土的干密度：是指单位体积土体中固体颗粒的质量，也可将是指单位体积土体中固体颗粒的质量，也可将其理解为单位体积的干土质量，用符号其理解为单位体积的干土质量，用符号d表示，其单位为表示，其单位为g/cm3，表达式为，表达式为土的干密度一般为。土的干密度一般为。土的饱和密度：土的饱和密度：是指单位体积的饱和土体是指单位体积的饱和土体(Sr=100)质量，质量，用符号用符号sat表示，其表达式为：表示，其表达式为：式中，式中，w为水的密度，实用上取为水的密度，实用上取w=w11g/cm3。VmsdVVmwvssat4.土的其它密度指标土的其它密度指标土的浮密度：土的浮密度：也称土的有效密度，是指单位体积土体中土颗也称土的有效密度，是指单位体积土体中土颗粒质量与同体积的水质量的差值，用符号粒质量与同体积的水质量的差值，用符号表示，单位同密表示，单位同密度。其表达式如下度。其表达式如下 同一种土在体积不变的条件下，各密度指标有如下关系：同一种土在体积不变的条件下，各密度指标有如下关系：dsat 当天然土体处于绝对干燥状态时当天然土体处于绝对干燥状态时d，而当天然土体，而当天然土体处于完全饱和状态时处于完全饱和状态时sat，但土的饱和密度大于土的干密，但土的饱和密度大于土的干密度。度。VVmwss5.土的各重度指标土的各重度指标在土的自重应力分析中涉及土的重力密度(即土的重度)。土的各重度指标为土的各相应密度指标与重力加速度的乘积。即：=g d=dg =g sat=satg，它们分别称为土的浮重度(也称土的有效重度)、干重度、重度(或土的天然重度)、饱和重度，单位都为kN/m3。工程实用上取重力加速度g=l0m/s2，水的重度取10kN/m3。土的物理性质指标换算土的物理性质指标换算 土粒比重、土的含水量和土的密度是土的实测物理性土粒比重、土的含水量和土的密度是土的实测物理性质指标，其余各指标均为换算指标，即土的换算指标可以由质指标，其余各指标均为换算指标，即土的换算指标可以由其实测指标通过数学推演而获得。其实测指标通过数学推演而获得。1.孔隙比孔隙比e和孔隙率和孔隙率n的换算的换算由前面所述土的密度、孔隙比和孔隙率的定义式可得由前面所述土的密度、孔隙比和孔隙率的定义式可得取取w=w1，并进行整理可得，并进行整理可得 1)1(wswdeeeVVnv12.干密度干密度d的换算的换算根据土的干密度定义式可得根据土的干密度定义式可得(以下换算中认为以下换算中认为e已知已知)对上式进行变换可得对上式进行变换可得 edVVdVVmwsvswsssd111wwewdedwswsd1)1(11)1(1113.饱和密度饱和密度sat的换算的换算根据土的饱和密度定义式可得：eedVVVdVVVmwsvswvwsswvssat1)(1浮密度浮密度和饱和度和饱和度Sr的换算的换算4.浮密度浮密度的换算的换算 5.饱和度饱和度Sr的换算的换算由定义式可得 edVVVdVVVmwsvswswsswss1)1(111wwwswssateeedeed1)1(1)1(1)(ewdewdVmVVSswwsvwwvwr111土的三相比例指标换算公式表土的三相比例指标换算公式表土的三相比例指标换算公式表土的三相比例指标换算公式表例题例题1 某一原状土样，经试验测得的基本指标值如下，密度，含水量12.9%，土粒相对密度。试求孔隙比、孔隙率、饱和度、干密度、饱和密度以及浮密度。例题2 某场地土的土粒比重，孔隙比，饱和度，若保持土体积不变，将其饱和度提高到，每1 m3的土应加多少水？4.2.4 粘性土的水理性质粘性土的水理性质 粘性土是指具有内聚力的所有细粒土，包括粉土、粉粘性土是指具有内聚力的所有细粒土，包括粉土、粉质粘土和粘土。质粘土和粘土。工程实践表明，粘性土的含水量对其工程性质影响极工程实践表明，粘性土的含水量对其工程性质影响极大。当粘性土的含水量小于某一限度时，结合水膜变得很薄，大。当粘性土的含水量小于某一限度时，结合水膜变得很薄，土颗粒靠得很近，土颗粒间粘结力很强，土就处于坚硬的固土颗粒靠得很近，土颗粒间粘结力很强，土就处于坚硬的固态；含水量增大到某一限度值时，随着结合水膜的增厚，土态；含水量增大到某一限度值时，随着结合水膜的增厚，土颗粒间联结力减弱，颗粒距离变大，土从固态变为半固态；颗粒间联结力减弱，颗粒距离变大，土从固态变为半固态；含水量再增大，结合水膜进一步增厚，土就进入了可塑状态；含水量再增大，结合水膜进一步增厚，土就进入了可塑状态；再进一步增加含水量，土中开始出现自由水，自由水的存在再进一步增加含水量，土中开始出现自由水，自由水的存在进一步减弱了颗粒间的联结能力，当土中自由水含量增达到进一步减弱了颗粒间的联结能力，当土中自由水含量增达到一定程度后，土颗粒间的联结力丧失，土就进入了流动状态。一定程度后，土颗粒间的联结力丧失，土就进入了流动状态。1.土的界限含水量与含水状态特征土的界限含水量与含水状态特征稠度：稠度：指细粒土因含水率的变化而表现出的各种不同物理状指细粒土因含水率的变化而表现出的各种不同物理状态。土的不同稠度状态表明了由于含水量不同，土粒相对活态。土的不同稠度状态表明了由于含水量不同，土粒相对活动的难易程度或土粒间的连接强度。动的难易程度或土粒间的连接强度。土的界限含水量：土的界限含水量：指土由一种状态过渡到另一种状态时的含指土由一种状态过渡到另一种状态时的含水量分界值。包括液限、塑限和缩限。水量分界值。包括液限、塑限和缩限。液限液限wL：是指土的流动状态与可塑状态的界限含水量，：是指土的流动状态与可塑状态的界限含水量，用符号用符号wL表示。多用锥式液限仪测定，也可用碟式液限仪来表示。多用锥式液限仪测定，也可用碟式液限仪来测定。测定。粘性土的界限含水力量及含水状态特征粘性土的界限含水力量及含水状态特征锥式液限仪示意图锥式液限仪示意图碟式液限仪示意图碟式液限仪示意图塑限和缩限塑限和缩限 塑限塑限wp：指土的可塑状态与半固态的界限含水指土的可塑状态与半固态的界限含水量，用符号量，用符号wp表示。常用搓条法测定。表示。常用搓条法测定。缩限缩限ws：是土体的固态和半固态的界限含水量。是土体的固态和半固态的界限含水量。塑限塑限wp和液限和液限wL是决定土工程性质的两个重要的界限是决定土工程性质的两个重要的界限含水率。当土的含水率在塑限和液限范围内时，土处于塑态含水率。当土的含水率在塑限和液限范围内时，土处于塑态稠度，具有可塑性。可塑性的高低可以由塑限稠度，具有可塑性。可塑性的高低可以由塑限wp和液限和液限wL这两个界限含水率的差值大小来反映，二者差值愈大，意味这两个界限含水率的差值大小来反映，二者差值愈大，意味着细粒土处于塑态的含水率变化范围大，可塑性愈高，反之着细粒土处于塑态的含水率变化范围大，可塑性愈高，反之两者差值愈小，土的可塑性愈低。两者差值愈小，土的可塑性愈低。细粒土稠度状态的变化，是由于土中含水率增减引起的，其实质是由于土颗粒周围结合水厚度或者扩散层厚度发生了变化，使土粒间连接强度发生变化所致。获知某种粘性土的界限含水量后，可根据其实际含水量的大小确定其所具有的含水状态特征。但对于颗粒组成不同的粘性土，在含水量相同时，其软硬程度却未必相同，因为不同土的可塑状态含水量范围各不相同，为了表述不同土的上述差异，人们引入了土的塑性指数和液性指数的概念。2.粘性土的塑性指数和液性指数粘性土的塑性指数和液性指数（1）塑性指数：）塑性指数：指液限和塑限的差值，应用时通常去掉百分号，用符指液限和塑限的差值，应用时通常去掉百分号，用符号号Ip表示，其数学表达式为：表示，其数学表达式为：IpwL-wp 塑性指数用以判定粘性土可塑性的强弱。粘性土可塑性的强弱主要取决于土中粘粒塑性指数用以判定粘性土可塑性的强弱。粘性土可塑性的强弱主要取决于土中粘粒含量和粘粒矿物的亲水程度。土中粘粒含量愈多，粘粒矿物的亲水性愈强时，含量和粘粒矿物的亲水程度。土中粘粒含量愈多，粘粒矿物的亲水性愈强时，Ip值越大，值越大，土的可塑性也越强。工程上以土的塑性指数作为粘性土分类的重要依据。土的可塑性也越强。工程上以土的塑性指数作为粘性土分类的重要依据。（2）液性指数：）液性指数：土的天然含水率和塑限含水率之差与塑性指数的比值，土的天然含水率和塑限含水率之差与塑性指数的比值，用符号用符号IL来表示，即：来表示，即：液性指数用来判断粘性土的稠度状态，是反映粘性土软硬程度的指标。液性指数用来判断粘性土的稠度状态，是反映粘性土软硬程度的指标。pLpLwwwwI 当土的天然含水量小于其塑限时，当土的天然含水量小于其塑限时，IL0，天然土处于坚硬状态，天然土处于坚硬状态(固态或半固固态或半固态态)；当土的天然含水量大于其液限时，；当土的天然含水量大于其液限时，IL，天然土处于流动状态；而当，天然土处于流动状态；而当IL=0时，则天然土处于可塑状态。时，则天然土处于可塑状态。建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB500072002)规定，粘性土根据其规定，粘性土根据其IL，可划，可划分为分为5种软硬状态，划分标准见下表种软硬状态，划分标准见下表。粘性土软硬程度的划分粘性土软硬程度的划分 必须指出，液限和塑限都是用重塑土测定的，它没有反映土的原状必须指出，液限和塑限都是用重塑土测定的，它没有反映土的原状结构的影响。保持原状结构的土，即使天然含水量大于液限，但仍有一结构的影响。保持原状结构的土，即使天然含水量大于液限，但仍有一定的强度，并不呈流动性质。但是，一旦天然结构被破坏时，强度立即定的强度，并不呈流动性质。但是，一旦天然结构被破坏时，强度立即丧失而出现流动性质。丧失而出现流动性质。3.粘性土的灵敏度和触变性粘性土的灵敏度和触变性 天然状态下的粘性土通常具有相对较高的强度，当土体受到扰动时，天然状态下的粘性土通常具有相对较高的强度，当土体受到扰动时，土的结构破坏，压缩量增大。土的结构性对土体强度的这种影响一般用土的结构破坏，压缩量增大。土的结构性对土体强度的这种影响一般用土的灵敏度来衡量。土的灵敏度是指原状土的无侧限抗压强度与重塑土土的灵敏度来衡量。土的灵敏度是指原状土的无侧限抗压强度与重塑土的无侧限抗压强度之比，用符号的无侧限抗压强度之比，用符号St表示，用公式可表示为表示，用公式可表示为 式中：式中：qu为原状土的无侧限抗压强度；为原状土的无侧限抗压强度；q0为重塑土的无侧限抗压强度。重塑是指在含水量不变的前提下为重塑土的无侧限抗压强度。重塑是指在含水量不变的前提下将土体完全扰动将土体完全扰动(搅成粉末状搅成粉末状)后，又将其压实成和原状土同等密实的状后，又将其压实成和原状土同等密实的状态态(密度与原状土相等密度与原状土相等)。0qqSut 土的灵敏度越大，则表示原状土受扰动以后强度降低土的灵敏度越大，则表示原状土受扰动以后强度降低的越严重。工程实践表明，随着土体含水量增大，土的灵敏的越严重。工程实践表明，随着土体含水量增大，土的灵敏度明显增大。因此，在雨季施工时，对于灵敏度高的地基土，度明显增大。因此，在雨季施工时，对于灵敏度高的地基土，一定要尽量减小对地基土的扰动，以免降低地基土的强度一定要尽量减小对地基土的扰动，以免降低地基土的强度(如在基础施工过程中搭设操作平台如在基础施工过程中搭设操作平台)。粘性土受扰动以后其强度降低，但静置一段时间以后，粘性土受扰动以后其强度降低，但静置一段时间以后，随着土粒、离子及水分子之间的新的平衡状态的建立，土体随着土粒、离子及水分子之间的新的平衡状态的建立，土体的强度又会逐渐增长。被扰动粘性土的这种强度随时间推移的强度又会逐渐增长。被扰动粘性土的这种强度随时间推移而逐渐恢复的胶体化学性质称为土的触变性。采用深层挤密而逐渐恢复的胶体化学性质称为土的触变性。采用深层挤密类的方法进行地基处理时，处理以后的地基应静置一段时间类的方法进行地基处理时，处理以后的地基应静置一段时间再进行上部结构的修建，以便让地基强度得以恢复。再进行上部结构的修建，以便让地基强度得以恢复。4.2.5 无粘性土的密实度无粘性土的密实度 无粘性土包括碎石、砾石和砂类土等单粒结构的土。无粘性土包括碎石、砾石和砂类土等单粒结构的土。无粘性土的密实程度与其工程性质有着密切的关系，无粘性土的密实程度与其工程性质有着密切的关系，呈密实状态的无粘性土其强度较大，可以作为良好的天然地呈密实状态的无粘性土其强度较大，可以作为良好的天然地基；而处于疏松状态的无粘性土其承载能力小、受荷载作用基；而处于疏松状态的无粘性土其承载能力小、受荷载作用压缩变形大，是不良的地基地层，在其上修筑建（构）筑物压缩变形大，是不良的地基地层，在其上修筑建（构）筑物时，应对其采用合适的方法进行适当处理。时，应对其采用合适的方法进行适当处理。通常用来衡量无粘性土密实程度的物理量有两个，一通常用来衡量无粘性土密实程度的物理量有两个，一个是孔隙比个是孔隙比e，另一个是无粘性土的相对密度，另一个是无粘性土的相对密度Dr。用孔隙比。用孔隙比对无粘性土的密实程度划分结果见下表。对无粘性土的密实程度划分结果见下表。用孔隙比判断无粘性土的密实度表用孔隙比判断无粘性土的密实度表 用孔隙比来判断无粘性土的密实度虽然简便，而且对同用孔隙比来判断无粘性土的密实度虽然简便，而且对同一种土，孔隙比小的相对一定较密实，似乎用其作判据，意一种土，孔隙比小的相对一定较密实，似乎用其作判据，意义也十分明了。但对不同的无粘性土，特别是定名相同而级义也十分明了。但对不同的无粘性土，特别是定名相同而级配不同的无粘性土，用孔隙比作其密实度判据时，常会产生配不同的无粘性土，用孔隙比作其密实度判据时，常会产生下述问题：下述问题：颗粒均匀、级配不良的某无粘性土在一定外力作用下颗粒均匀、级配不良的某无粘性土在一定外力作用下可能已经不能进一步被压缩了可能已经不能进一步被压缩了(已经达到了其最密实状态已经达到了其最密实状态)，但与其定名相同、级配良好、孔隙比与之相比较小的无粘性但与其定名相同、级配良好、孔隙比与之相比较小的无粘性土却又有可能在该外力作用下被进一步压实土却又有可能在该外力作用下被进一步压实(该土并未达到该土并未达到最密实状态最密实状态)。显然用孔隙比作密实度判据时无法正确反映此类情况显然用孔隙比作密实度判据时无法正确反映此类情况下无粘性土的密实状态，为此人们又引入了无粘性土的相对下无粘性土的密实状态，为此人们又引入了无粘性土的相对密度来判断无粘性土的密实程度。无粘性土的相对密度涉及密度来判断无粘性土的密实程度。无粘性土的相对密度涉及无粘性土的最大孔隙比和最小孔隙比等概念。无粘性土的最大孔隙比和最小孔隙比等概念。孔隙比判断无粘性土的密实度孔隙比判断无粘性土的密实度无粘性土的相对密度无粘性土的相对密度 无粘性土的相对密度是指无粘性土的最大孔隙比与其天然孔隙比的无粘性土的相对密度是指无粘性土的最大孔隙比与其天然孔隙比的差值和最大孔隙比与最小孔隙比的差值之比，用符号差值和最大孔隙比与最小孔隙比的差值之比，用符号Dr表示，其数学表表示，其数学表达式如下达式如下 emax用松砂器法测定，用松砂器法测定，emin用振密法测定。用振密法测定。Dr愈大，无粘性土愈密实，因此可用其作为无粘性土密实度的判定愈大，无粘性土愈密实，因此可用其作为无粘性土密实度的判定准则。我国铁道部准则。我国铁道部铁路工程技术规范铁路工程技术规范以及公路桥涵、地基基础设计以及公路桥涵、地基基础设计规范等均规定，规范等均规定，Dr时，无粘性土为密实的，时，无粘性土为密实的，0.33Dr时为中密的；时为中密的；0.20方形结构体菱形结构体楔形结构体锥形结构体 同一型式的结构体，它们的稳定程度由大到小，一般可按下列顺序排列：块状板状柱状 结构体的形式不同，稳定性不同；结构体的产状不同，在一定的工程范围内，其稳定程度也不同。4.6.2 岩体结构类型和特征岩体结构类型和特征 岩体结构包括结构面和结构体。岩体在漫长的地质历史中形成，并且在内外地质动力作用下变形、破裂裸露于地表而被进一步改造，形成了极其复杂的岩体结构。在工程力的作用下，岩体变性、破坏的过程实际上主要是沿结构面剪切滑移或开裂，以及岩体中各结构体沿着一系列结构面活动的累计变形或破坏。工程建设范围内，由结构面围限起来的结构体的型式、大小、产状都是不同的，而且它们组合起来的外观表现也不相同，因此其工程地质特征就各有差异 岩体的结构类型主要取决于不同岩性及不同型式结构体的组合方式，根据结构面的性质、与结构体型式以及充分考虑到岩石建造的组合，通常可把岩体结构划分为整体状结构、块状结构、层状结构、碎裂状结构、散状结构等5种型式，它能更充分地反映岩体的各项异性、不连续性及不均一性。岩体结构的类型和特征，如下表所示。岩体结构类型4.7 工程岩体分类及分级工程岩体分类及分级4.7.1 影响岩体工程性质的因素影响岩体工程性质的因素 从工程观点来看，对岩体工程性质起主导和控制作用的因素主要有：岩石强度、岩体完整性、风化程度、水的影响等。1.岩石强度和质量岩石强度和质量 从工程的观点来看，岩石质量的好坏主要表现在它的强度(软、硬)和变形性(结构上的致密、疏松)方面。而作为工程建筑物基础和围岩的岩体，欲衡量其工程性质属性的好坏，主要也表现在岩体的强度和变形这两个方面。评价和衡量岩石质量好坏，目前多沿用室内单轴抗压强度指标来反映。2.岩体的完整性岩体的完整性 一般来说，岩体工程性质的好坏基本上不取决于或很少取决于组成岩体的岩块的力学性质，而是取决于包括受到各种地质因素和地质条件影响而形成的软弱面、软弱带和其间充填的原生或次生物质的性质。因此，即使组成岩体的岩质相同，其岩体的完整性却不一定相同，其工程性质也会迥然不同。岩体被断层、节理、裂隙、层面、岩脉、破碎带等所切割是导致岩体完整性遭到破坏和削弱的根本原因。因此，岩体的完整性可以用被节理切割之岩块的平均尺寸来反映；也可以用节理裂隙出现的频度、性质、闭合程度等来表达；还可以根据灌浆时的耗浆量，施工中选用的掘进工具、开挖方法、日进尺量，钻孔钻进时的岩心获得率，抽水试验中的渗流量，弹性波在地层中的传播速度，甚至变形试验中的变形量、室内外弹模比和现场动静弹模的比值等多种途径去定量地反映岩体的完整性。总之，岩体的完整性可用地质、试验和施工等各种定性、定量指标参数来表达。3.水的影响水的影响 水对岩体质量的影响表现在两个方面：一是使岩石的物理力学性质恶化；二是沿岩体的裂隙形成渗流，影响岩体的稳定性。水对岩石的影响主要还是表现在对其强度的削弱方面，这种削弱的程度深受岩石成因的影响。一般来说，水对岩浆岩类和大部分的变质岩类以及少部分的沉积岩类的影响要小些；而对部分变质岩、少数岩浆岩和大多数的沉积岩类的影响较大，尤其对那些泥质岩类的影响则甚为显著。考虑到水对岩石的影响主要表现在其强度的削弱方面，而理论上和实践中均知道，岩石的各种强度可用它的抗压强度来表示。因此，水对岩石的影响就有可能用岩石浸水饱和前后的单轴干、湿抗压强度之比来表示。4.7.2 工程岩体分级标准工程岩体分级标准4.7.2.1 工程岩体质量的初步分级工程岩体质量的初步分级 工程岩体质量初步分级是通过对岩体坚硬程度和岩体完整程度两项指标进行定性和定量分析基础上确定的。岩石坚硬程度的确定岩石坚硬程度的确定定性划分：岩石坚硬程度的定性划分方法见表。定量确定：定量指标采用岩石单轴饱和抗压强度的实测值。当无条件取得实测值时，也可采用实测的岩石点荷载强度指数（Rc）的换算值，并按下式换算：0.75s22.82CRI（50）岩石单轴饱和抗压强度（Rc）与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系见表。岩体完整程度的确定岩体完整程度的确定定性划分 岩体完整程度的定性划分见下表。定量确定 岩体完整程度的定量指标采用岩体完整性指数（Kv）的实测值。当无条件取得实测值时，也可采用岩体体积节理数（Jv）按表确定。岩体完整性指数（Kv）与定性划分的岩体完整程度的对应关系按表确定。岩体基本质量分级岩体基本质量分级 在上述岩体质量定量评价的基础上，可根据下式确定岩体基本质量指标（BQ）：BQ=90+3Rc+250Kv式中，Rc的单位为MPa。根据岩体基本质量的定性特征和岩体基本质量指标两方面的特征，按下表对岩体质量进行初步定级为、类，对应的岩体基本质量指标（BQ）分别为550、550451、450351、350251、250。4.7.2.2 岩体质量指标（岩体质量指标（RQD）分类）分类 岩体质量指标(RQD)指钻孔中用N型(75mm)二重管金刚石钻头获取的大于10cm的岩芯段长度与该回次钻进深度的比值。岩体按岩石质量指标分为五个级别，如下表所示。4.7.3 工程岩体分级的代表性方案工程岩体分级的代表性方案详见下表：本章小结本章小结 （1）土是由不同成因岩石在风化作用下，经重力、流水、冰川和风力等搬运、沉积而成的松散堆积物。土的工程性质与母岩的成分、风化作用的类型以及搬运沉积的环境条件密切相关，土是由土粒、水和气体三部分组成，即土是三相体，组成土的三相比例关系不同，其性质亦就不同。土的工程性质包括物理性质和力学性质两类。（2）土的物理性质是定量描述土的组成、干湿、疏密与软硬程度，即土的三相组成、土的结构构造、粘性土的界限含水量、砂土的密实度以及土的工程分类。（3）土力学性质指标主要是用于定量描述土的变形规律、强度规律和渗透规律。土在压力作用下，体积将缩小，这种现象称为压缩。土的压缩是由于孔隙体积减小引起的，土的压缩随时间而增长的过程，称为土的固结。土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，土体破坏通常可归于剪切破坏，剪切破坏是由土体中的剪应力达到抗剪强度所引起的。土的抗剪强度，主要取决于土的组成、结构、含水量、孔隙比以及所受的应力状态等。（4）特殊土是指在特定地理环境或人为条件下形成的具有特殊性质的土，它的分布一般具有明显的区域性。特殊土包括软土、人工填土、湿陷性土、红粘土、膨胀土、多年冻土、混合土、盐渍土、污染土等。（5）岩体是岩石的地质综合体。岩体中不同形态规模、性质的结构面和结构体相互结合构成了岩体结构。岩体结构的特征，在很大程度上决定了岩体在力的作用下的变形和破坏的机制，决定了岩体的工程地质性质。（6）岩石的工程性质包括物理性质、水理性质和力学性质。岩石的物理性质是岩石的基本工程地质性质，主要是相对密度、密度和空隙率；岩石水理性质是指岩石与水相互作用时所表现的性质，通常包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性等。岩石的力学性质是指岩石在各种静力、动力作用下所表现的性质，主要包括变形和强度。抗压强度是岩石力学性质中的一个重要指标。岩石的抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。岩石越坚硬，其值相差越大，而软弱的岩石差别较小。岩石的抗拉强度一般仅是抗压强度的2%16，岩石的抗弯强度一般也远小于极限抗压强度，但大于抗拉强度，平均为抗压强度的7%12%。