第四章 岩石及特殊土的工程性质

第一节 岩石的物理性质

一、密度和重度：

密度：单位体积的质量（）。（g/cm）

天然密度 M／V干密度 Ms/V饱和密度3

2重度：单位体积的重量（）。（N/cm3） g 1N1kgm/s

二、颗粒密度和比重（相对密度）

颗粒密度：单位体积固位颗粒的质量（s）。（g/cm3）

sMVs

比重（相对密度）：单位体积固体颗粒的重力与4℃时同体积水的重力之比（ds）。

dssw

三、孔隙度和孔隙比：

nVnV001%孔隙度：孔隙体积与岩石总体积之比（n）。

eVnVs孔隙比：孔隙体积与岩石中固体颗粒体积之比（e）。

第二节 岩石的水理性质

一、吸水性：指岩石吸收水的性能。其吸水程度用吸水率表示。

w1Gw1Gs100%吸水率：（常压条件下）吸入水量与干燥岩石质量之比。

饱水率：（150个大气压下或真空）吸入水量与干燥岩石质量之比。

W2Gw2Gs100%

KwW1W2饱水系数：岩石吸水率与饱水率之比。

（Kw0.5~0.9）

二、透水性：指岩石能透过水的能力。用渗透系数K表示。（m/s）

QKdhdlF 达西层流定律：KIFKQIFVI

渗透系数：

三、软化性：指岩石浸水后强度降低的性质。用软化系数KR表示。

KRRc饱和单轴抗压强度。R干燥单轴抗压强度。 软化系数：

一般软化系数KR＜0.75的岩石具软化性。

四、抗冻性：指岩石抵抗冻融破坏的能力。

Rl冻融前后强度差冻融前的强度冻融前后重量差冻融前的重量强度损失率： 不抗冻的岩石 RL＞25％

重量损失率：

GL GL＞2％ KW＞0.7

五、可溶性：指岩石被水溶解的性能。 六、膨胀性：指岩石吸水后体积增大的性能。

七、崩解性：岩石（干燥）泡水后，因内部结构破坏而崩解的性能。

第三节 岩石的力学性质

一、变形：岩石受力后发生形状改变的现象。主要变形模量和泊松比表示。

变形模量弹性模量1、变形：塑性模量割线模量E0ETEsE50＝ts5050

2、泊松比：指横向应变与纵向应变11之比。

1111ddhhU

二、强度：指岩石受力破坏时承受的最大应力。

1、抗压强度：（烘干、垂直结构面受压、单轴）

3555cmP试样尺寸：R3510cmA

2、抗拉强度：（一般用劈裂法）

Rt2Pa

23、抗剪强度

Psin/APcos/Atgc岩石内摩擦角C岩石粘聚力

4、点荷载强度：

IsPD2

第四节 风化作用

一、定义：地表及地下一定深度的岩石，在自然因素作用下，发生机械破碎和成分改变

的过程。

二、风化作用类型：

1、物理风化：指岩石在自然因素作用下以机械破碎为主，无明显成分改变的过程。 （1）热胀冷缩作用：主要发生在昼夜温差变化大的地区。

（2）冰劈作用：主要发生在雪线附近。

（水结冰时，体积增加1／11，对两壁岩石产生96Mpa的压力） （3）盐类结晶作用：主要发生在强烈蒸发的干旱地区。 （明矾结晶，体积膨胀50％，压力达40kg/cm2）

2、化学风化：指岩石在自然因素作用下以化学成分改变为主，无明显机械破碎的

过程。 （1）溶解作用：

CaCO3H2OCO2Ca(HCO3)2Ca2HCO23

（2）水化作用：CaSO4H2OCaSO42H2O(体积增大1.5倍)

（3）氧化作用：4FS215O211H2O2Fe2O33H2O8H2SO4

（4）碳酸化作用：2KAISi3O23H2OK2CO34SiO2H2OAl2Si2O5(OH)4 3、生物风化：指由生物活动过程引起的岩石风化。 （1）生物物理风化：根劈作用 （2）生物化学风化：有机酸侵蚀 （三）影响风化的内部因素：

目前环境差异越大，越易风化。成因：岩石形成环境与色矿物）易风化；复矿物易风化。成分：热敏感矿物（暗易风化；斑状结构易风化。颗粒大小：颗粒越粗越1、岩石性质：结构：状矿物易风化。颗粒形态：针、柱、片易风化。结晶程度：结晶越好越：气孔、层理、片理等），越易风化。构造：构造越复杂（如

节理越复杂（指节理组2、地质构造：岩石越破碎，越易风化寒冷干燥3、气候：温暖潮湿物理风化为主化学风化为主数和密度），越易风化。。

陡峻：物理风化为主4、地形：平缓：化学风化为主

（四）岩石风化程度分级： 1、分级依据：

矿物颜色：与新鲜岩石矿物成分：次生矿物越岩石破碎程度：风化裂岩石力学性质：与新鲜岩体结构：岩体结构越相比，颜色越暗淡，风多（如次生粘土、褐铁隙越多，风化越严重。岩石相比，力学强度越差，风化程度越高。低，风化越严重。化越严重。矿等），风化越严重。

2、分级：（共五级）

未风化 微风化 弱风化 强风化 全风化

灌浆堵塞裂隙。喷浆护坡和封闭基坑。清除强风化和全风化层排除地下水。工程加固。（五）风化防治措施：。

第五节 岩石、土的工程分类

一、按岩石坚硬程度划分：

坚硬岩 较坚硬岩 较软岩 软岩 极软岩 Rc：＞60MPa 60-30MPa 30-15MPa 15-5MPa <5MPa 二、岩土按施工工程分级：（铁路部门）

VI 松土 三、土的分类

（一）土的颗粒分组及按颗粒级配分类

漂石、块石：＞200mm卵石、碎石：＝20－200mm圆砾、角砾：220mm）：砂：0.0752mm粉砂：0.0050.075mm粘粒：＜0.005mmV 普通土 IV 硬土 III 软石 II 次坚石 I 坚石 1、颗粒分组又叫（粒组

2、按颗粒级配（不同粒级的含量）分类

＞200mm的颗粒＞50％漂石土、块石土：碎石类土＞20mm的颗粒＞50％卵石土、碎石土：圆砾土、角砾土：＞2mm的颗粒＞50％砾砂：＞2mm的颗粒占25－50％粗砂：＞0.5mm的颗粒＞50％砂类土：中砂：＞0.25mm的颗粒＞50％细砂：＞0.075mm的颗粒＞85％粉砂：＞0.075mm的颗粒＞50％粉土：＞0.075mm的颗粒＜50％，塑性指数IP10粘土：粉质粘土：10＜IP17粘土：IP＞17

备注：液限：土从流动状态变为可塑状态的界限含水量。WL

塑限：土从可塑状态变为半固体状态的界限含水量。（目前用搓条法确定塑限）。WP

塑性指数：是液限和塑限的差值。表示土处在可塑状态的含水量变化范围。

残积土坡积和崩积土洪积土冲积土瘀积土风积土（二）土的成因分类：

（三）特殊土分类

1、定义：指按区域性分布的，具有某种特殊性质的土。

黄土膨胀土软土2、分类：冻土红粘土盐渍土填土

第六节 特殊土的工程性质

特殊土：主要按区域分布，具有某种特殊性质的土。 一、黄土：

1、定义：在干旱气候条件下形成的一种淡黄色或褐黄色的特殊土。

2、成因和分布：沙漠下风处，即秦岭以北11个省市，面积64万km2。主要在甘肃中部和东部、宁夏南部、陕西北部、山西北部，共41.2万km2，厚100－200m。

3、特征：

（1）颗粒粒度：以粉砂为主，占60~70％，其次为粘土。

（2）易溶盐含量高，碳酸盐类占10~30％，其次为氯化物和硫化物。 （3）质地均一，结构松散，孔隙大，孔隙度为33~64％。 （4）垂直节理发育。 （5）具湿陷性。 4、分类：

（1）按成因分类原生黄生（风成）次生黄土（流水改造）（黄土状土）残积黄土坡积黄土洪积黄土冲积黄土

（2）按形成年代分类（1万年）全新世黄土 Q4 （10万年）马兰黄土 Q3 （100万年）离石黄土 Q2 午城黄土 Q （300万年）1

（3）按失陷性分类自重湿陷性黄土湿陷性黄土 Q4、Q3 非自重湿陷性黄土非湿陷性黄土 Q2、Q1

5、主要工程地质问题

（1）黄土的湿陷性：地表局部汇水溶解潜蚀碟形洼地

（2）黄土陷穴：地下水潜蚀地下洞穴塌陷（形成于地下水水力梯度大的地方）。 6. 湿陷性黄土的土质改良

(1) 重锤表层夯实：一般采用2.5～3.0t的重锤，落距

4.0～4.5m，可消除地下1.2～1.75m 黄土层的湿陷性。 (2) 强夯： 一般采用8～40t的重锤（最重达200t）， 落距10～20（最大达40m)的高度自由 下落，击实土层。

(3) 土垫层：先将处理范围内的黄土挖出，然后用素土或

灰土在最佳含水量下回填夯实。可消除地表 下1～3m的黄土层的湿陷性。 (4) 挤密桩：先在土内成孔，然后在孔中分层填入 素土或灰土并夯实。在成孔和填土夯 实过程中，桩周的土被挤压密实，从 而消除湿陷性。

(5) 化学灌浆加固：通过注浆管，将化学浆液注入

土层中，使溶液本身起化学反 应，或溶液与土体起化学反

应，生成凝胶物质或结晶物 质，将土胶结成整体，从而消 除湿陷性。 二、膨胀土

1、定义：由强亲水粘土矿物组成的，具有膨胀结构，以及强胀缩性，多裂隙性，强度衰减性的高塑性粘土。

2、成因和分布：风化的粘土矿物被流水带到东南部河流中下游沉积。当为蒙脱石、伊犁石时为膨胀土。主要分布在太行山——秦岭——四川盆地西缘——云南下关这一线的东南边。

3、特征：

（1）颗粒粒度：以粘土矿物为主，占35~50％以上，其次为粉砂。 （2）矿物成分：以蒙脱石、伊犁石为主。

结构单元，孔隙中进水分子片状矿物叠置成各类型（3）具膨胀结构：粘土矿物表面吸附水分子,形成结合水膜2－水分子矿物晶格间为O联接，联接力弱，可进量为23％以上天然状况下，吸水膨胀膨胀（4）强烈胀缩性：量为40％以上干燥状况下，吸水膨胀50％以上收缩：失水收缩率达

4、主要工程地质问题

（1）边坡膨胀和滑塌吸水后粘聚力为O，内摩擦角只有几度。 （2）基床翻浆冒泥。 （3）地基不均匀沉降。

膨胀土防治

沟天沟、侧沟、吊沟、盲防止水进入防水保湿地表隔水层1、地基防治直隔水层，合理绿化（防止水流失：水平和垂地基土质改良换填土灌石灰水形成Ca(OH)2吸收周围水分子距建筑物15m远）形成CaCO3胶结土壤

2、边坡防治地表防护：排水沟坡面加固：植被防护骨架护坡：片石护坡、支挡措施：抗滑桩、挡拱形护坡墙

3．加大基础埋深，增大基础侧面摩擦力，或增加附加压力克服土的膨胀。 膨胀土的破坏 一、 膨胀：边坡及洞室鼓胀。

二、强度降低边坡滑塌（吸水后粘聚地基下沉和侧鼓，并产翻浆泥力为0，内摩擦角只有几度）生不均匀沉降

三、收缩，边坡开裂、地基沉降量大。

三、软土

1、定义：天然含水量大、压缩性高、承载力低，抗剪强度差的软塑——流塑状粘性土。（如淤泥、淤泥质土）。

2、成因和分布：河流入海口、湖沼洼地等静水或缓慢流水下沉积，并经生物化学作用而成。主要分布在长江三角洲、珠江三角洲、洞庭湖、洪泽湖、太湖、湖、滇池、牛轭湖、沼泽等地。

3、特征：（1）颗粒粒度以粘土为主，可达60－70％，其次为粉砂。 （2）矿物成分以伊犁石为主，有机质可达8－9％。 （3）具典型的蜂窝状结构，孔隙度在50－65％之间。 （4）具层理性。

4、主要工程地质问题

（1）承载力低：一般容许承载力为0.1MPa，有时甚致低于0.04MPa。 （2）压缩性高、沉降量大、固结慢。 （3）触变性。 （4）流变性。

软土的防治

1．排水砂井：Φ=0.4~2.0m，灌入中、粗砂。 2．砂垫层；

3．抛石挤淤和爆破排淤。

吸水4.生石灰桩散热温度升高，使软土脱水

5．强夯：锤重10~20t，升高10~40m，自由下落，靠冲击力使软土迅速排水，加固深度

达11~12m。

6.旋喷桩：水泥砂浆化学浆液7．换填土；

8．软沉井； 9．堆截顶压。

四、冻土

定义：温度低于0℃，并含有冰的特殊土。 （一）季节性冻土

1、定义：冬季冻结，夏季全部融化的特殊土。 2、成因和分布：高纬度冻土。——长江以北。 3、主要工程地质问题

冻胀融沉性。 （二）多年冻土

1、定义：冻结状态持续三年以上，甚致百年不化的冻土。2、成因和分布：

高纬度冻土：满洲－牙克石－黑河以北（大小兴安岭）高原冻土：青藏高原，西部高山区。主要特征：

（1）组成：岩土颗粒、水。

整体结构（2）结构：网状结构层状结构

（3）构造：衔接型非衔接型

4、主要工程地质问题

由北向南逐渐灭、

3路堤滑塌、边坡滑塌。路基下沉（因多年冻土（因多年冻土上限改变上限改变或人工热熔））冰丘、冰椎、冰舌 因冻胀融沉造成冻拨

冻土防治

1、排水地表水地下水：盲沟

路堤底部铺设：草皮、泥炭、苔藓、炉渣、粘2.保温散热桩通风管抛石护坡3．土质改良：

4．换填土：改为砂、砾、卵石土。 5．降低冰点：土中加化学物质。 6．旱桥

五、各类特殊土的主要特性

黄土→湿陷性 膨胀土→强烈胀缩性

软土→承载力低，压缩性高、固结慢 冻土→冻胀融沉性

土层