土力学与地基基础最后版

1、河北联合大学建筑工程学院河北联合大学建筑工程学院授授 课：徐建新课：徐建新 尤志国尤志国时时 间间: 2012年年10月月11日至日至12月月9日日授课时间安排授课时间安排 7 71515周，星期一：周，星期一：10:1510:1512:00 12:00 ，5B3035B303教室。教室。7 71515周，星期二：周，星期二： 10:1510:1512:00 12:00 ，5B3035B303教教室。室。7 71515周，星期三：周，星期三： 10:1510:1512:00 12:00 ，5B3035B303教教室。室。7 71515周，星期五：周，星期五： 08:0008:0009:45 0

2、9:45 ，5B3035B303教教室。室。本课程的参考教材本课程的参考教材( (资料）资料）1 1、土力学地基基础（第、土力学地基基础（第4 4版）版） 陈希哲陈希哲 主编主编 清华大学出版社，清华大学出版社，20032003年。年。2 2、地基及基础（第三版）、地基及基础（第三版） 华南理工大学、东南大学、浙江大学、湖南大学华南理工大学、东南大学、浙江大学、湖南大学 编，中国建筑工业出版社，编，中国建筑工业出版社，19981998年。年。3 3、相关的设计规范（规程）、相关的设计规范（规程）（1 1）建筑结构可靠度设计统一标准建筑结构可靠度设计统一标准GB 50068-2001GB 500

3、68-2001（2 2）建筑工程抗震设防分类标准建筑工程抗震设防分类标准GB 50223-2008(GB 50223-2008(新新) )（3 3）岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范GB50021-2001GB50021-2001（4 4）建筑结构荷载规范建筑结构荷载规范GB 50009-2001GB 50009-2001（20062006年版）年版）（5 5）建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范GB 50007-2011(GB 50007-2011(新新) )（6 6）建筑地基处理技术规范建筑地基处理技术规范JGJ79-2002 J220-2002JGJ79-2002 J220-2002（

4、7 7）建筑桩基技术规范建筑桩基技术规范JGJ94-2008 (JGJ94-2008 (新）新） （8 8）高层建筑箱形与筏形基础技术规范高层建筑箱形与筏形基础技术规范JGJ699JGJ699（9 9）建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范GB 50011-2010(GB 50011-2010(新）新） （1010）混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范GB 50010-2010 (GB 50010-2010 (新）新） 绪绪 论论一、土、一、土、 土力学、地基及基础的有关概念土力学、地基及基础的有关概念 1 1 土：土：是岩石经风化、剥蚀、搬运、沉积等物理、化学、是岩石经风化、剥蚀、搬运、沉积等物理

5、、化学、生物作用，在地壳表面形成的各种散粒堆积物。生物作用，在地壳表面形成的各种散粒堆积物。2 2 土力学土力学: :研究土的应力、变形、强度和稳定以及土与结研究土的应力、变形、强度和稳定以及土与结构物相互作用等规律的一门力学分支称为土力学。构物相互作用等规律的一门力学分支称为土力学。3 3 地基地基: :支撑建筑物荷载、且受建筑物影响的那一部分地支撑建筑物荷载、且受建筑物影响的那一部分地层称为地基。层称为地基。4 4 基础基础: :建筑物向地基传递荷载的下部结构就是基础建筑物向地基传递荷载的下部结构就是基础( (参看参看图图0-1)0-1)。0-1 0-1 地基、基础示意图地基、基础示意图4

6、 4 地基基础设计的先决条件：地基基础设计的先决条件： 在设计建筑物之前，必须进行建筑场地的地基勘在设计建筑物之前，必须进行建筑场地的地基勘察，充分了解、研究地基土察，充分了解、研究地基土( (岩岩) )层的成因及构造、它层的成因及构造、它的物理力学性质、地下水情况以及是否存在的物理力学性质、地下水情况以及是否存在( (或可能发或可能发生生) )影响场地稳定性的不良地质现象影响场地稳定性的不良地质现象( (如滑坡、岩溶、如滑坡、岩溶、地震等地震等) )，从而对场地件作出正确的评价。，从而对场地件作出正确的评价。 5 5 地基基础设计的两个基本条件：地基基础设计的两个基本条件：对于地基应满足：对

7、于地基应满足： (1)(1)要求作用于地基的荷载不超过地基的承载能力，保证地要求作用于地基的荷载不超过地基的承载能力，保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备；基在防止整体破坏方面有足够的安全储备；(2)(2)控制基础沉降使之不超过地基的变形允许值，保证建筑控制基础沉降使之不超过地基的变形允许值，保证建筑物不因地基变形而损坏或者影响其正常使用。物不因地基变形而损坏或者影响其正常使用。(3)(3)满足地基的稳定。满足地基的稳定。对于基础应满足：对于基础应满足：还应满足对基础结构的强度，刚度和耐久性的要求。还应满足对基础结构的强度，刚度和耐久性的要求。6 6 基础结构的型式：基础结构的型式：7

8、7 地基类型：地基类型：按地质情况分：按地质情况分：土基、岩基土基、岩基。按施工情况分：按施工情况分：天然地基（浅基、深基）、人工地基。天然地基（浅基、深基）、人工地基。8 8 地基基础设计方案的选取原则地基基础设计方案的选取原则9 9 地基及基础的重要性地基及基础的重要性( (工程实例工程实例) ) 二、本课程的特点和学习要求二、本课程的特点和学习要求 1 1、课程的特点：、课程的特点： （1 1）地基及基础课程涉及工程地质学、土力学、结构）地基及基础课程涉及工程地质学、土力学、结构设计和施工几个学科领域，内容广泛、综合性强；设计和施工几个学科领域，内容广泛、综合性强； （2 2）课程理论性

9、和实践性均较强。）课程理论性和实践性均较强。 2 2、学习要求：、学习要求： (1)(1)学习和掌握土的应力、变形，强度和地基计算等学习和掌握土的应力、变形，强度和地基计算等土力学基本原理；土力学基本原理； (2)(2)学习和掌握浅基础和桩基础的设计方法；学习和掌握浅基础和桩基础的设计方法； (3)(3)熟悉土的物理力学性质的原位测试技术以及室内熟悉土的物理力学性质的原位测试技术以及室内土工试验方法；土工试验方法； （4 4）重视工程地质基本知识的学习，了解工程地质勘）重视工程地质基本知识的学习，了解工程地质勘察的程序和方法，注意阅读和使用工程地质勘察资察的程序和方法，注意阅读和使用工程地质勘

10、察资料能力的培养。料能力的培养。三、本学科发展概况三、本学科发展概况 地基及基础既是一项地基及基础既是一项古老古老的工程技术，又是一门的工程技术，又是一门年青年青的应用科的应用科学。追本溯源，世界文化古国的远古先民，在史前的建筑活动中，学。追本溯源，世界文化古国的远古先民，在史前的建筑活动中，就已创造了自己的地基基础工艺。我国西安半坡村新石器时代遗址就已创造了自己的地基基础工艺。我国西安半坡村新石器时代遗址和殷墟遗址的考古发掘，都发现有土台和石础。这就是古代和殷墟遗址的考古发掘，都发现有土台和石础。这就是古代“堂高堂高三尺、茅茨土阶三尺、茅茨土阶”( (语见语见韩非子韩非子) )建筑的地基基础

11、型式。建筑的地基基础型式。 作为本学科理论基础的土力学的发端，始于十八世纪兴起了工作为本学科理论基础的土力学的发端，始于十八世纪兴起了工业革命的欧洲。那时，资本主义工业化的发展，工场手工业转变为业革命的欧洲。那时，资本主义工业化的发展，工场手工业转变为近代大工业，建筑的规模扩大了。为了满足向国内外扩张市场的需近代大工业，建筑的规模扩大了。为了满足向国内外扩张市场的需要，陆上交通进入了所谓要，陆上交通进入了所谓“铁路时代铁路时代”。因此，最初有关土力学的。因此，最初有关土力学的个别理论多与解决铁路路基问题有关。个别理论多与解决铁路路基问题有关。 17731773年，法国的库伦根据试验创立了著名的

12、砂土抗剪年，法国的库伦根据试验创立了著名的砂土抗剪强度公式，提出了计算挡土墙土压力的滑楔理论。九强度公式，提出了计算挡土墙土压力的滑楔理论。九十余年后，十余年后， 18691869年英国的朗肯又从不同途径提出了挡年英国的朗肯又从不同途径提出了挡土墙土压力理论。这对后来土体强度理论的发展起了土墙土压力理论。这对后来土体强度理论的发展起了很大的作用。此外，很大的作用。此外， 18851885年法国布辛奈斯克求得了弹年法国布辛奈斯克求得了弹性半空间在竖向集中力作用下的应力和变形的理论解性半空间在竖向集中力作用下的应力和变形的理论解答。答。 19221922年瑞典费兰纽斯为解决铁路坍方问题作出了年瑞典

13、费兰纽斯为解决铁路坍方问题作出了土坡稳定分析法。这些古典的理论和方法，直到今天，土坡稳定分析法。这些古典的理论和方法，直到今天，仍不失其理论和实用的价值。在长达一个多世纪的发仍不失其理论和实用的价值。在长达一个多世纪的发展过程中，许多研究者承继前人的研究，总结了实践展过程中，许多研究者承继前人的研究，总结了实践经验，为孕育本学科的雏形而作出贡献。经验，为孕育本学科的雏形而作出贡献。 1925 1925年，太沙基归纳发展了以往的成就，发表了年，太沙基归纳发展了以往的成就，发表了土土力学力学一书，接着，于一书，接着，于19291929年又与其他作者一起发表了年又与其他作者一起发表了工程地质学工程地

14、质学这些比较系统完整的科学著作的出现，这些比较系统完整的科学著作的出现，带动了各国学者对本学科各个方面的探索。从此，土力带动了各国学者对本学科各个方面的探索。从此，土力学及地基基础就作为独立的科学而取得不断的进展。时学及地基基础就作为独立的科学而取得不断的进展。时至今日，土建，水利、桥梁、隧道、道路、港口、海洋至今日，土建，水利、桥梁、隧道、道路、港口、海洋等有关工程中，以岩土体的利用、改造与整治问题为研等有关工程中，以岩土体的利用、改造与整治问题为研究对象的科技领域，因其区别于结构工程的特殊性和各究对象的科技领域，因其区别于结构工程的特殊性和各专业岩土问题的共同性，已融合为一个自成体系的新专

15、专业岩土问题的共同性，已融合为一个自成体系的新专业业“岩土工程岩土工程”。 它的工作方法就是：调查勘察、试验测定、分析计算、它的工作方法就是：调查勘察、试验测定、分析计算、方案论证，监测控制、反演分析，修改定案；方案论证，监测控制、反演分析，修改定案； 它的研究方法是以三种相辅相成的基本手段，它的研究方法是以三种相辅相成的基本手段，即数学模拟即数学模拟( (建立岩土本构模型进行数值分析建立岩土本构模型进行数值分析) )、物理模拟物理模拟( (定性的模型试验，以离心机中的模定性的模型试验，以离心机中的模型进行定量测试和其它物理模拟试验型进行定量测试和其它物理模拟试验) )和原体和原体观测观测(

16、(对工程实体或建筑物的性状进行短期或对工程实体或建筑物的性状进行短期或长期观测长期观测) )综合而成的。我国的地基及基础科综合而成的。我国的地基及基础科学技术，作为岩土工程的一个重要组成部分，学技术，作为岩土工程的一个重要组成部分，已经、也必将继续遵循现代岩土工程的工作方已经、也必将继续遵循现代岩土工程的工作方法和研究方法进行发展。法和研究方法进行发展。 第一章第一章 土的物理性质及工程分类土的物理性质及工程分类 1-1 1-1 概概 述述1 1土的定义：土的定义： 土是连续，坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的土是连续，坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种

17、自然环境中生成的沉颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。积物。2 2 土的三相组成：土的三相组成： 土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗粒中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗粒( (固相固相) )、水水( (液相液相) )和气和气( (气相气相) )所组成的三相体系。所组成的三相体系。 1-2 1-2 土的生成与特性土的生成与特性一、地质作用的概念一、地质作用的概念1 1、地球的圈层构造：、地球的圈层构造： 外圈层：大气圈、水圈、生物圈；外圈层：大气圈、水圈、生物圈；

18、内圈层：地壳、地幔、地核。内圈层：地壳、地幔、地核。 构成天然地基的物质是地壳内的岩石和土。地壳的一厚度为构成天然地基的物质是地壳内的岩石和土。地壳的一厚度为303080km80km。2 2、地质作用：导致地壳成分变化和构造变化的作用。、地质作用：导致地壳成分变化和构造变化的作用。 根据地质作用的能量来源的不同，可分为内力地质作用和外力地根据地质作用的能量来源的不同，可分为内力地质作用和外力地质作用。质作用。(1)(1)内力地质作用：由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产内力地质作用：由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热能等，引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变生的热能

19、等，引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用。如岩浆作用、地壳运动化的地质作用。如岩浆作用、地壳运动( (构造运动构造运动) )和变质作用。和变质作用。 1)1)岩浆作用：存在于地壳以下深处高温、高压的复杂硅酸盐熔岩浆作用：存在于地壳以下深处高温、高压的复杂硅酸盐熔融体融体( (岩浆岩浆) )，沿着地壳薄弱地带上升侵入地壳或喷出地表且冷凝，沿着地壳薄弱地带上升侵入地壳或喷出地表且冷凝后生成为岩浆岩的地质作用。后生成为岩浆岩的地质作用。 2)2)地壳运动：地壳的升降运动和水平运动。升降运动表现地壳运动：地壳的升降运动和水平运动。升降运动表现为地壳的上拱和下拗，形成大为地壳的上拱和

20、下拗，形成大 型的构造隆起和拗陷：水平运型的构造隆起和拗陷：水平运动表现为地壳岩层的水平移动，使岩层产生各种形态的褶皱动表现为地壳岩层的水平移动，使岩层产生各种形态的褶皱和断裂地壳运动的结果，形成了各种类型的地质构造和地和断裂地壳运动的结果，形成了各种类型的地质构造和地球表面的基本形态。球表面的基本形态。 3)3)变质作用：在岩浆活动和地壳运动过程中，原岩变质作用：在岩浆活动和地壳运动过程中，原岩( (原来生原来生成的各种岩石成的各种岩石) )在高温、高压下及挥发性物质的渗入下，发生在高温、高压下及挥发性物质的渗入下，发生成分、结构、构造变化的地质作用。成分、结构、构造变化的地质作用。(2)(

21、2)外力地质作用：外力地质作用： 由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。它由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。它包括气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、包括气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等的作用。生物等的作用。1)1)风化作用：外力风化作用：外力( (包括大气、水、生物包括大气、水、生物) )对原岩发生机械破对原岩发生机械破碎和化学变化的作用。碎和化学变化的作用。2)2)沉积岩和土的生成：原岩风化产物（碎屑物质），在雨雪沉积岩和土的生成：原岩风化产物（碎屑物质），在雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或风等水流、山洪急流、河流、湖浪

22、、海浪、冰川或风等外力作用下，被剥蚀，搬运到大陆低洼处或海洋底部沉积外力作用下，被剥蚀，搬运到大陆低洼处或海洋底部沉积下来，在漫长的地质年代里，沉积的物质逐渐加厚，在覆下来，在漫长的地质年代里，沉积的物质逐渐加厚，在覆盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅、氧化铁等胶结物的作用盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅、氧化铁等胶结物的作用下，使起初沉积的松软碎屑物质逐渐压密、脱水、胶结、下，使起初沉积的松软碎屑物质逐渐压密、脱水、胶结、硬化生成新的岩石，称为沉积岩。未经成岩作用所生成的硬化生成新的岩石，称为沉积岩。未经成岩作用所生成的所谓沉积物，也就是通常所说的所谓沉积物，也就是通常所说的“土土”。3 3）风化、剥

23、蚀、搬运及沉积外力地质作用过程中的风化、）风化、剥蚀、搬运及沉积外力地质作用过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积，是彼此密切联系的。风化作用为剥蚀剥蚀、搬运及沉积，是彼此密切联系的。风化作用为剥蚀作用创造了条件，而风化、剥蚀、搬运又为沉积作用提供作用创造了条件，而风化、剥蚀、搬运又为沉积作用提供了物质的来源。剥蚀作用与沉积作了物质的来源。剥蚀作用与沉积作 用在一定时间和空间范用在一定时间和空间范围内，以某一方面的作用为主导，围内，以某一方面的作用为主导，例如例如: :河流上游地区以剥河流上游地区以剥蚀为主，下游地区以沉积为主，山地以剥蚀占优势，平原蚀为主，下游地区以沉积为主，山地以剥蚀占优势，平原以

24、沉积占优势。以沉积占优势。4 4）风化作用的类型：）风化作用的类型： 风化作用根据其性质和影响因素的不同分为物理风风化作用根据其性质和影响因素的不同分为物理风化、化学风化和生物风化三种类型。化、化学风化和生物风化三种类型。 (I)(I)物理风化作用：物理风化作用：地表岩石由于温度变化和裂隙中地表岩石由于温度变化和裂隙中水的冻结以及盐类的结晶而逐渐破碎崩解，但其化学成水的冻结以及盐类的结晶而逐渐破碎崩解，但其化学成分尚未发生变化，这种过程称为物理风化作用。分尚未发生变化，这种过程称为物理风化作用。例如例如: :由于温度变化引起岩体膨胀所产生的压应力和收缩所产由于温度变化引起岩体膨胀所产生的压应力

25、和收缩所产生的拉应力的频繁交替，遂使岩石表层产生裂缝而崩解生的拉应力的频繁交替，遂使岩石表层产生裂缝而崩解。另一方面，岩石中的不同矿物各有其不同的膨胀系数。另一方面，岩石中的不同矿物各有其不同的膨胀系数，所以当温度反复变化时，岩石内部就会产生不均匀的，所以当温度反复变化时，岩石内部就会产生不均匀的胀缩变形，导致裂缝的产生，久而久之，坚硬完整的岩胀缩变形，导致裂缝的产生，久而久之，坚硬完整的岩石就逐渐崩解成碎块了。石就逐渐崩解成碎块了。特点：只改变颗粒的大小与形特点：只改变颗粒的大小与形状，不改变原来的矿物成分。状，不改变原来的矿物成分。 (2)(2)化学风化作用：化学风化作用：地表岩石在水溶液

26、、大气以及有机体的化学地表岩石在水溶液、大气以及有机体的化学作用或生物化学作用下所引起的破坏过程称为化学风化作用。作用或生物化学作用下所引起的破坏过程称为化学风化作用。 它不仅破坏岩石的结构，而且使其化学成分改变，而形成它不仅破坏岩石的结构，而且使其化学成分改变，而形成新的矿物新的矿物( (次生矿物次生矿物) )。化学风化的主要方式有下列几种：氧化。化学风化的主要方式有下列几种：氧化作用、水化作用、水解作用、溶解作用。作用、水化作用、水解作用、溶解作用。特点：改变原来的矿物成分，形成新的矿物成分。特点：改变原来的矿物成分，形成新的矿物成分。 (3)(3)生物风化作用：生物风化作用：它是指在生物

27、活动过程中对岩石产生的破它是指在生物活动过程中对岩石产生的破坏作用。坏作用。 这种作用可以引起岩石的机械破坏，如树根生长时施加于这种作用可以引起岩石的机械破坏，如树根生长时施加于周围岩石的压力可达周围岩石的压力可达101015kg/cm15kg/cm2 2，穴居地下的蚯蚓；鼠类等的，穴居地下的蚯蚓；鼠类等的活动，破坏性也很大。此外，在岩石表面的细菌、苔藓之类分活动，破坏性也很大。此外，在岩石表面的细菌、苔藓之类分泌出的有机酸溶液能分解岩石的成分，促使岩石破坏。泌出的有机酸溶液能分解岩石的成分，促使岩石破坏。 上述三种风化作用，实际上不是孤立进行的。例如上述三种风化作用，实际上不是孤立进行的。例

28、如: :物理风化使岩石逐渐破碎，增大了岩石的孔隙率和表面物理风化使岩石逐渐破碎，增大了岩石的孔隙率和表面积，为化学风化创造了有利的条件；反过来，化学风化积，为化学风化创造了有利的条件；反过来，化学风化则使所形成的碎屑发生质的变化，颗粒变得更小并使岩则使所形成的碎屑发生质的变化，颗粒变得更小并使岩石松软、体积膨胀，从而促进物理风化的进行。但在某石松软、体积膨胀，从而促进物理风化的进行。但在某一地区的特定自然地理坏境下，通常以一种风化作用占一地区的特定自然地理坏境下，通常以一种风化作用占主导地位。主导地位。 二、二、土的工程特征土的工程特征1 1、固体颗粒、水、气体三相集合体；、固体颗粒、水、气体

29、三相集合体；2 2、透水性；、透水性；3 3、变形大（压缩性大）；、变形大（压缩性大）；4 4、固结性；、固结性；5 5、具有弹性变形和不可恢复的残余变形。、具有弹性变形和不可恢复的残余变形。 三、矿物与岩石的概念三、矿物与岩石的概念 岩石：一种或多种矿物的集合体。岩石：一种或多种矿物的集合体。 矿物：地壳中天然生成的自然元素或化合物，它具有一矿物：地壳中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性质、化学成份和形态定的物理性质、化学成份和形态 ( (一一) ) 造岩矿物造岩矿物 组成岩石的矿物称为造岩矿物。组成岩石的矿物称为造岩矿物。 矿物按生成条件可分为原生矿物和次生矿物两大类。矿物按生

30、成条件可分为原生矿物和次生矿物两大类。 区分矿物可以矿物的形状、颜色、光泽、硬度、解理、比区分矿物可以矿物的形状、颜色、光泽、硬度、解理、比重等特征为依据。重等特征为依据。 （二）岩石（二）岩石 岩石的主要特征包括矿物成分、结构和构造三方面。岩石的主要特征包括矿物成分、结构和构造三方面。 岩石的结构岩石的结构岩石中矿物颗粒的结晶程度、大小和形状、岩石中矿物颗粒的结晶程度、大小和形状、及其彼此之间的组合方式。及其彼此之间的组合方式。 岩石的构造岩石的构造-岩石中矿物的排列方式及填充方式。岩石中矿物的排列方式及填充方式。 岩浆岩、沉积岩、变质岩是按成因划分的三大岩类，其岩浆岩、沉积岩、变质岩是按成

31、因划分的三大岩类，其亚类划分列于表亚类划分列于表1-31-3、表、表1-41-4、表、表1-51-5。四、地质年代的概念四、地质年代的概念 地质年代：地质年代：地壳发展历史与地壳运动，沉积环境及生物地壳发展历史与地壳运动，沉积环境及生物演化相对应的时代段落。演化相对应的时代段落。 相对地质年代：相对地质年代：根据古生物的演化和岩层形成的顺序，根据古生物的演化和岩层形成的顺序，所划分的地质年代。所划分的地质年代。 在地质学中，根据地层对比和古生物学方法把地质相对在地质学中，根据地层对比和古生物学方法把地质相对年代划分为五大代年代划分为五大代( (太古代、元古代、古生代、中生代和新太古代、元古代、

32、古生代、中生代和新生代生代) )，每代又分为若干纪，每纪又细分为若干世及期。在，每代又分为若干纪，每纪又细分为若干世及期。在每一个地质年代中，都划分有相应的地层（参见表每一个地质年代中，都划分有相应的地层（参见表1-61-6） 在新生代中最新近的一个纪称为第四纪，由原岩风化产在新生代中最新近的一个纪称为第四纪，由原岩风化产物（碎屑物质），经各种外力地质作用物（碎屑物质），经各种外力地质作用( (剥蚀、搬运、沉积剥蚀、搬运、沉积) )形成尚未胶结硬化的沉积物形成尚未胶结硬化的沉积物( (层层) )，通称，通称“第四纪沉积物第四纪沉积物( (层层)”)”或或“土土”。五、第四纪沉积物五、第四纪沉积

33、物( (层层) ) 不同成因类型的第四纪沉积物，各具有一定的分布规律不同成因类型的第四纪沉积物，各具有一定的分布规律和工程地质特征，以下分别介绍其中主要的几种成因类型。和工程地质特征，以下分别介绍其中主要的几种成因类型。 ( (一一) )残积物、坡积物和洪积物残积物、坡积物和洪积物 1 1、残积物、残积物残积物是残留在原地未被搬运的那残积物是残留在原地未被搬运的那一部分原岩风化剥蚀后的产物，而一部分原岩风化剥蚀后的产物，而另一部分则被风和降水所带走。另一部分则被风和降水所带走。 2 2、坡积物、坡积物 坡积物是雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢坡积物是雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物

34、缓慢地洗刷剥蚀、顺着斜坡向下逐渐移动、沉积在较平缓的山坡地洗刷剥蚀、顺着斜坡向下逐渐移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。上而形成的沉积物。 3 3、洪积物、洪积物(Q”) (Q”) 由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流，具有由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流，具有很大的剥蚀和搬运能力。很大的剥蚀和搬运能力。它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲沟出口或山前它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲沟出口或山前倾斜平原而形成洪积物倾斜平原而形成洪积物( (图图14)14)。由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群 图图l5)l5)。如果逐渐扩大

35、。如果逐渐扩大以至连接起来，以至连接起来， 则形成洪积冲积平原的地貌单元。则形成洪积冲积平原的地貌单元。洪积物常呈现不规则交错的层理构造，如具有夹层、尖灭或透洪积物常呈现不规则交错的层理构造，如具有夹层、尖灭或透镜体等产状镜体等产状( (图图16)16)。 ( (二二) )冲积物冲积物(Q) (Q) 冲积物是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡冲积物是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物质剥蚀后搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的积、洪积物质剥蚀后搬运、沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。沉积物。 1 1、平原河谷冲积物、平原河谷冲积物平原河谷除河床外，大多数都有河漫滩

36、及阶地等地貌单元平原河谷除河床外，大多数都有河漫滩及阶地等地貌单元( (图图17)17)。 2 2、山区河谷冲积层、山区河谷冲积层在山区，河谷两岸陡削，大多仅有河谷阶地在山区，河谷两岸陡削，大多仅有河谷阶地( (图图1-8)1-8)。 ( (三三) )其它沉积物其它沉积物 除了上述四种成囚类型的沉积物外，还有海洋沉除了上述四种成囚类型的沉积物外，还有海洋沉积物、湖泊沉积物、冰川沉积物及风积物等，它们是积物、湖泊沉积物、冰川沉积物及风积物等，它们是分别由海洋，湖泊、冰川及风等的地质作用形成的。分别由海洋，湖泊、冰川及风等的地质作用形成的。 1-3 1-3 土的三相组成土的三相组成 一一 土的固体

37、颗粒土的固体颗粒 土中的固体颗粒土中的固体颗粒( (简称土粒简称土粒) )的大小和形状、矿物成的大小和形状、矿物成分及其组成情况是决定土的物理力学性质的重要因素。分及其组成情况是决定土的物理力学性质的重要因素。 ( (一一) ) 土的颗粒级配土的颗粒级配 在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成在自然界中存在的土，都是由大小不同的土粒组成的。的。 土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地土粒的粒径由粗到细逐渐变化时，土的性质相应地发生变化，例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性发生变化，例如土的性质随着粒径的变细可由无粘性变化到有粘性。变化到有粘性。 将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒

38、径范围，将土中各种不同粒径的土粒，按适当的粒径范围，分为若干粒组，各个粒组随着分界尺寸的不同而呈现分为若干粒组，各个粒组随着分界尺寸的不同而呈现出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。出一定质的变化。划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。 图图2-22-2提供的是一种常用的土粒粒组的划分方法。表中根据界限提供的是一种常用的土粒粒组的划分方法。表中根据界限粒径粒径200200、2020、2 2、0.0750.075和和0.005mm0.005mm把土粒分为六大粒组：漂石把土粒分为六大粒组：漂石( (块石块石) )颗粒、卵石颗粒、卵石( (碎石碎石) )颗粒、圆砾颗粒、圆砾( (角砾角砾) )颗

39、粒、砂粒、粉粒及粘粒。颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。 土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量土粒的大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量( (各各粒组占土粒总量的百分数粒组占土粒总量的百分数) )来表示，称为土的颗粒级配。来表示，称为土的颗粒级配。 颗粒分析试验：筛析法；密度计法；移液管法颗粒分析试验：筛析法；密度计法；移液管法 根据颗粒大小分析试验成果，可以绘制如图根据颗粒大小分析试验成果，可以绘制如图110110所示的颗粒级所示的颗粒级配累积曲线配累积曲线 由曲线的坡度可判断土的均匀程度由曲线的坡度可判断土的均匀程度 有效粒径有效粒径: :小于某粒径的土粒质量累计百分数为小

40、于某粒径的土粒质量累计百分数为10%10%时，相应的粒时，相应的粒径径d d1010 。 限定粒径：当小于某粒径的土粒质量累计百分数为限定粒径：当小于某粒径的土粒质量累计百分数为6060时，该粒时，该粒径称为限定粒径径称为限定粒径d d6060 。 利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标利用颗粒级配累积曲线可以确定土粒的级配指标: :d d6060与与d d1010的比值称为的比值称为不均匀系数不均匀系数： 曲率系数用下式表示：曲率系数用下式表示： 不均匀系数不均匀系数 反映大小不同粒组的分布情况，越大表示土粒大小的反映大小不同粒组的分布情况，越大表示土粒大小的分布范围越大，其级配越良好，

41、作为填方工程的土料时，则比较容易获分布范围越大，其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度曲率系数描写的是累积曲线得较大的密实度曲率系数描写的是累积曲线的分布范围，反映曲线的分布范围，反映曲线的整体形状。的整体形状。工程上把工程上把C Cu u小于小于5 5的土看作是均粒土，属级配不良；的土看作是均粒土，属级配不良； C Cu u 1010的土，属级配良好。的土，属级配良好。 颗粒级配可在一定程度上反映土的某些性质。颗粒级配可在一定程度上反映土的某些性质。1060ddCu6010230dddCc ( (二二) )土粒的矿物成分土粒的矿物成分 土粒的矿物成分主要决定于母岩的成

42、分及其所经受的风化作用。土粒的矿物成分主要决定于母岩的成分及其所经受的风化作用。不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响，其中以细粒组的矿物成不同的矿物成分对土的性质有着不同的影响，其中以细粒组的矿物成分尤为重要分尤为重要 。 1 1、六大粒组的矿物成分、六大粒组的矿物成分漂石、卵石、圆砾漂石、卵石、圆砾等粗大土粒都是岩石的碎屑，它们的矿物成分与母等粗大土粒都是岩石的碎屑，它们的矿物成分与母岩相同。岩相同。砂粒砂粒大部分是母岩中的单矿物颗粒，如石英、长石和云母等。其中石大部分是母岩中的单矿物颗粒，如石英、长石和云母等。其中石英的抗化学风化能力强，在砂粒中尤为多见。英的抗化学风化能力强，在砂粒中尤

43、为多见。 粉粒粉粒的矿物成分是多样性的，主要是石英和的矿物成分是多样性的，主要是石英和 MgCOMgCO3 3、CaCOCaCO3 3。等难。等难溶盐的颗粒。溶盐的颗粒。 粘粒粘粒的矿物成分主要有粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各种难溶盐的矿物成分主要有粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各种难溶盐类（如碳酸钙等），它们都是次生矿物。类（如碳酸钙等），它们都是次生矿物。 粘土矿物主要有：蒙脱石、伊里石和高岭石三类。粘土矿物主要有：蒙脱石、伊里石和高岭石三类。特征：具有亲水性特征：具有亲水性。 蒙脱石（具有较大的吸水膨胀和脱水收缩的特性）。蒙脱石（具有较大的吸水膨胀和脱水收缩的特性）。 伊里石（亲水性不如蒙

44、脱石伊里石（亲水性不如蒙脱石 ）。）。 高岭石（亲水性比伊里石还小）。高岭石（亲水性比伊里石还小）。2 2、粘土矿物的比表面、粘土矿物的比表面 由于粘土矿物是很细小的扁平颗粒，颗粒表面具有很强的由于粘土矿物是很细小的扁平颗粒，颗粒表面具有很强的与水相互作用的能力，表面积愈大，这种能力就愈强。粘土矿与水相互作用的能力，表面积愈大，这种能力就愈强。粘土矿物表面积的相对大小可以用单位体积物表面积的相对大小可以用单位体积( (或质量或质量) )的颗粒总表面积的颗粒总表面积( (称为比表面称为比表面) )来表示。来表示。例如一个棱边为例如一个棱边为1cm1cm的立方体颗粒，其体积为的立方体颗粒，其体积为

45、1cm1cm3 3 ，总表面积，总表面积只有只有6cm6cm2 2，比表面为，比表面为 6cm6cm2 2/cm/cm3 3=6cm=6cm-1-1；若将；若将1cm1cm立方体颗粒分割立方体颗粒分割为棱边为棱边0.01mm0.01mm的许多立方体颗粒，则其总表面积可达的许多立方体颗粒，则其总表面积可达 6 610104 4cmcm2 2, ,比表面可达比表面可达6X106X104 4 cmcm-1-1 。由此可见，由于土粒大小。由此可见，由于土粒大小不同而造成比表面数值上的巨大变化，必然导致土的性质的突不同而造成比表面数值上的巨大变化，必然导致土的性质的突变，所以，土粒大小对土的性质起着重要

46、的作用。变，所以，土粒大小对土的性质起着重要的作用。 二、土中的水和气二、土中的水和气 (一一)土中水土中水 在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处于液态、在自然条件下，土中总是含水的。土中水可以处于液态、固态或气态。固态或气态。 存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类：存在于土中的液态水可分为结合水和自由水两大类： 1结合水结合水 结合水是指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。结合水是指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。这这种电分子吸引力高达几千到种电分子吸引力高达几千到 几万个大气压，使水分子和土粒几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固地粘结在一起。表面牢固地粘结在一起。 由

47、于土粒由于土粒(矿物颗粒矿物颗粒)表面一般带有负电荷，围绕土粒形成表面一般带有负电荷，围绕土粒形成电场，在土粒电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子电场，在土粒电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子(如如Na、Ca”、A1”等等)一起吸附在土粒表面。因为水分子是极性分子一起吸附在土粒表面。因为水分子是极性分子(氢氢原子端显正电荷，氧原子端显负电荷原子端显正电荷，氧原子端显负电荷)，它被土粒表面电荷或水溶液中离子电荷的吸引而定向排列。它被土粒表面电荷或水溶液中离子电荷的吸引而定向排列。 双电子层双电子层 (1)强结合水强结合水 强结合水是指紧靠土粒表面的结合水。强结合水是指紧靠土粒表面的结合水。 特

48、征：没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，只有吸热变成蒸特征：没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，只有吸热变成蒸汽时才能移动。这种水极其牢固地结合在土粒表面上，其性质接近于固汽时才能移动。这种水极其牢固地结合在土粒表面上，其性质接近于固体，密度约为体，密度约为1.22.4g/cm3，在温度，在温度105以上时才能蒸发。冰点为以上时才能蒸发。冰点为-78，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。如果将干燥的土移在天，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。如果将干燥的土移在天然湿度的空气中，则土的质量将增加，直到土中吸着的强结合水达到最然湿度的空气中，则土的质量将增加，直到土中吸着的强结合水达到最大吸着度

49、为止。土粒愈细，土的比表面愈大，则最大吸着度就愈大。砂大吸着度为止。土粒愈细，土的比表面愈大，则最大吸着度就愈大。砂土的最大吸着度约占土粒质量的土的最大吸着度约占土粒质量的1，而粘土则可达，而粘土则可达17。粘土中只含。粘土中只含有强结合水时，呈固体状态，磨碎后则呈粉末状态。有强结合水时，呈固体状态，磨碎后则呈粉末状态。 (2)弱结合水弱结合水 弱结合水紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。弱结合水紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。 特征：特征：具有较高的粘滞度、弹性和抗剪强度。具有较高的粘滞度、弹性和抗剪强度。它仍然不能传递它仍然不能传递静水压力，但水膜较厚的弱结合水能向邻近的较薄的水膜

50、缓慢静水压力，但水膜较厚的弱结合水能向邻近的较薄的水膜缓慢转移，直到平衡为止。当土中含有较多的弱结合水时，土则具转移，直到平衡为止。当土中含有较多的弱结合水时，土则具有一定的可塑性。砂土比表面较小，几乎不具可塑性，而粘性有一定的可塑性。砂土比表面较小，几乎不具可塑性，而粘性土的比表面较大，其可塑性范围就大。弱结合水离土粒表面愈土的比表面较大，其可塑性范围就大。弱结合水离土粒表面愈远，其受到的电分子吸引力愈弱小，并逐渐过渡到自由水。远，其受到的电分子吸引力愈弱小，并逐渐过渡到自由水。 2自由水自由水 自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。自由水是存在于土粒表面电场影响范围以外的水。它的性质

51、和普它的性质和普通水一样，能传递静水压力，冰点为通水一样，能传递静水压力，冰点为0，有溶解能力。，有溶解能力。 自由水按其移动所受作用力的不同，可以分为重力水和毛细水。自由水按其移动所受作用力的不同，可以分为重力水和毛细水。 (1)重力水重力水 重力水是存在于地下水位以下的透水层中的地下水它是在重力或重力水是存在于地下水位以下的透水层中的地下水它是在重力或压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。压力差作用下运动的自由水，对土粒有浮力作用。 重力水对土中的应力状态和开挖基槽、基坑以及修筑地下构筑重力水对土中的应力状态和开挖基槽、基坑以及修筑地下构筑物时所应采取的排水、防水措施有重要的影响。物

52、时所应采取的排水、防水措施有重要的影响。 (2)毛细水毛细水 毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水。毛毛细水存在于地下水位以上的透水土层中。毛细水按其与地下水面细水存在于地下水位以上的透水土层中。毛细水按其与地下水面是否联系可分为毛细悬挂水是否联系可分为毛细悬挂水(与地下水无直接联系与地下水无直接联系)和毛细上升水和毛细上升水(与地下水相连与地下水相连)两种。两种。 当土孔隙中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面和土粒接触当土孔隙中局部存在毛细水时，毛细水的弯液面和土粒接触处的表面引力反作用于土粒上，使土粒之间由于这种毛细压力而处的表面

53、引力反作用于土粒上，使土粒之间由于这种毛细压力而挤紧挤紧(图图114)，土因而具有微弱的粘聚力，称为毛细粘聚力。，土因而具有微弱的粘聚力，称为毛细粘聚力。由于表面张力的作用，地下水沿不规则的毛细孔上升，形成毛细由于表面张力的作用，地下水沿不规则的毛细孔上升，形成毛细水上升带。毛细水主要存在与直径水上升带。毛细水主要存在与直径0.0020.5mm的孔隙中。砂土、的孔隙中。砂土、粉土及粉质粘土中毛细水含量较大。粉土及粉质粘土中毛细水含量较大。毛细水上升到地表会引起沼泽化、盐渍化，而且还会使地基土湿毛细水上升到地表会引起沼泽化、盐渍化，而且还会使地基土湿润，强度降低，变形增大。在寒冷地区还会加剧土的

54、冻胀。润，强度降低，变形增大。在寒冷地区还会加剧土的冻胀。(二二)土中气土中气 土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。土中的气体存在于土孔隙中未被水所占据的部位。 分为：自由气体和封闭气泡分为：自由气体和封闭气泡 。（对于淤泥和泥炭等有机质土，由于微生物（嫌气细菌）的分解作用，在土（对于淤泥和泥炭等有机质土，由于微生物（嫌气细菌）的分解作用，在土中蓄积了某种可燃气体（如硫化氢、甲烷等），使土层在自重作用下长期得中蓄积了某种可燃气体（如硫化氢、甲烷等），使土层在自重作用下长期得不到压密，而形成高压缩性土层。）不到压密，而形成高压缩性土层。） 三三 、土的结构和构造、土的结构和构造 土的结构

55、是指由土粒单元的大小、形状、相互排列土的结构是指由土粒单元的大小、形状、相互排列及其联结关系等因素形成的综合特征。一般分为及其联结关系等因素形成的综合特征。一般分为单粒结单粒结构、蜂窝结构和絮状结构构、蜂窝结构和絮状结构三种基本类型三种基本类型。 1、单粒结构、单粒结构是由粗大土粒在水或空气中下沉而形成的。是由粗大土粒在水或空气中下沉而形成的。全部由砂粒及更粗土粒组成的土都具有单粒结构。因其颗全部由砂粒及更粗土粒组成的土都具有单粒结构。因其颗粒较大，土粒间的分子吸引力相对很小，所以颗粒间几乎粒较大，土粒间的分子吸引力相对很小，所以颗粒间几乎没有联结，至于未充满孔隙的水分只可能使其具有微弱的没有

56、联结，至于未充满孔隙的水分只可能使其具有微弱的毛细水联结。单粒结构分为毛细水联结。单粒结构分为疏松的、紧密的。疏松的、紧密的。 呈呈紧密状紧密状单粒结构的土，由于其土粒排列紧密，在动、单粒结构的土，由于其土粒排列紧密，在动、静荷载作用下都不会产生较大的沉降，所以强度较大，压静荷载作用下都不会产生较大的沉降，所以强度较大，压缩性较小，是较为良好的天然地基。缩性较小，是较为良好的天然地基。 具有具有疏松疏松单粒结构的土，其骨架是不稳定的，当受到震单粒结构的土，其骨架是不稳定的，当受到震动及其他外力作用时，土粒易于发生移动，土中孔隙剧烈动及其他外力作用时，土粒易于发生移动，土中孔隙剧烈减少，引起土的

57、很大变形，因此，这种土层如未经处理一减少，引起土的很大变形，因此，这种土层如未经处理一般不宜作为建筑物的地基。般不宜作为建筑物的地基。 土的单粒结构土的单粒结构土的蜂窝结构土的蜂窝结构土的絮状结构土的絮状结构土的构造土的构造：在同一土层中的物质成分和颗粒大小：在同一土层中的物质成分和颗粒大小等都相近的各部分之间的相互关系的特征称。等都相近的各部分之间的相互关系的特征称。土的构造最主要特征就是成层性即层理构造。土土的构造最主要特征就是成层性即层理构造。土的构造的另一特征是土的裂隙性。的构造的另一特征是土的裂隙性。14 土的物理性质指标土的物理性质指标 上节介绍了土的组成，特别是土颗粒的粒组和上节

58、介绍了土的组成，特别是土颗粒的粒组和矿物成分，是从本质方面了解土的性质的根据。矿物成分，是从本质方面了解土的性质的根据。但是为了对土的基本物理性质有所了解，还需要但是为了对土的基本物理性质有所了解，还需要对土的三相对土的三相土粒土粒(固相固相)、土中水、土中水(液相液相)和土中气和土中气(气相气相)的组成情况进行数量上的研究。的组成情况进行数量上的研究。 土的三相比例指标：土粒比重、含水量、密度、土的三相比例指标：土粒比重、含水量、密度、干密度、饱和密度、有效密度、孔隙率、孔隙比、干密度、饱和密度、有效密度、孔隙率、孔隙比、饱和度。饱和度。 土的三相草图（见下图）。土的三相草图（见下图）。一、

59、土的物理性质指标的定义一、土的物理性质指标的定义 sWs WsWaV s 土粒比重在数值上就等于土粒密度，但前者无因次。土粒比重在数值上就等于土粒密度，但前者无因次。土粒比重决定于土的矿物成分，它的数值一般为土粒比重决定于土的矿物成分，它的数值一般为2.62.62.82.8；有机质土为；有机质土为2.42.42.52.5；泥炭土为；泥炭土为1.51.51.81.8。同一。同一种 类 的 土 ， 其 比 重 变 化 幅 度 很 小 。种 类 的 土 ， 其 比 重 变 化 幅 度 很 小 。 土粒比重测定方法：土粒比重测定方法：比重瓶法测定，经验法。比重瓶法测定，经验法。sd1 1、土粒比重、土

60、粒比重( (土粒相对密度土粒相对密度) )土粒质量与同体积的土粒质量与同体积的44时纯水的质量之比，称为土粒比时纯水的质量之比，称为土粒比重重( (无量纲无量纲) )，即：，即： 111wswsssVmd含水量含水量w w是标志土的湿度的一个重要物理指标。天是标志土的湿度的一个重要物理指标。天然土层的含水量变化范围很大，它与土的种类、然土层的含水量变化范围很大，它与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。土的含水量测定方法：土的含水量测定方法：用用“烘干法烘干法”测定。测定。先称小先称小块原状土样的湿土质量，然后置于烘箱内，维持块原状土样的湿土质量