4岩石及特殊土的工程性_.ppt

2010.03,主讲周建普,土木工程地质,4.岩石及特殊土的工程性质,4.1岩石的工程性质4.2风化作用4.3岩石、土的工程分类4.4特殊土的工程性质,,4.1岩石的工程性质,4.1.1岩石的物理性质,4.1岩石的工程性质,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。,ρ、ρs↑，n、e↓，岩石的工程性质↑,4.1岩石的工程性质,4.1.1岩石的水理性质,4.1岩石的工程性质,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。,4.1岩石的工程性质,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,岩石的透水性,4.1岩石的工程性质,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。,4.1岩石的工程性质,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,,4.1岩石的工程性质,4.1.1岩石的力学性质,4.1岩石的工程性质,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,tsntgjc,,抗压强度R抗拉强度Rt抗剪强度τ点荷载强度（Is）回弹强度（N）,,4.1岩石的工程性质,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①天然的溶剂；②天然的润滑剂。,,4.1岩石的工程性质,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,4.1岩石的工程性质,变形模量E0s/e弹性模量E50s50/eD泊松比ne横/e纵,岩石变形性质的指标,,4.1岩石的工程性质,4.2风化作用,地表及地面以下一定深度的岩石，在气温变化、水溶液、气体及生物等各种营力的作用下，逐渐产生裂隙、发生机械破碎和矿物成分的改变，丧失完整性的过程。,,4.2.1风化作用类型,4.2风化作用,物理风化的影响因素与主要方式,岩石的热胀冷缩冰劈作用盐类结晶的撑裂作用岩石的释荷,,,,,4.2风化作用,,岩石的热胀冷缩,4.2风化作用,,冰劈作用,4.2风化作用,盐类结晶的撑裂作用,反复进行，能使岩石撑裂。此作用主要见于气候干旱地区。,4.2风化作用,盐类结晶造成的干裂（科罗拉多，美国）,4.2风化作用,岩石从地下深处变到地表条件时由于上覆静压力减小而产生张应力形成一系列与地表平行的宏观和微观的内部破裂面。形成这种裂隙构造的作用称为剥离作用。,岩石的释荷,4.2风化作用,在物理风化作用强烈的地区，其结果是在陡坡、山麓和沟谷中产生大量的危石、碎石和岩屑，这是造成崩坍、落石、泥石洪流的基本条件。,物理风化形成的碎石滩（约旦）,4.2风化作用,化学风化作用,地表岩石受水、氧及二氧化碳的作用而发生化学成分的变化，并产生新矿物的作用。,4.2风化作用,溶解作用,4.2风化作用,水化作用,有些矿物能吸收一定量的水参加到矿物晶格中，形成含水分子的矿物，称为水化作用。如CaSO4（硬石膏）2H2O→CaSO42H2O（石膏）,4.2风化作用,水解作用,水解作用的实质是水的电离产物H及OH-进入矿物晶格，分别取代阳离子和阴离子，从而使矿物解体形成新的含水矿物的过程。,在高倍的电子显微镜下，可以看到残余的长石被腐蚀并被包裹的样子。,4.2风化作用,水解作用风化的花岗岩（马达加斯加）,4.2风化作用,氧化作用,当岩石和矿物暴露于地表或位于地表层时，与氧充分接触，发生一系列氧化反应。氧化作用尤其对金属矿物和含铁矿物质风化表现强烈。,地表的“铁帽”预示着地下铁矿的存在。,4.2风化作用,碳酸化作用水中的CO2从矿物中夺取盐基，将破坏原岩中的矿物，生成新的碳酸盐，使原有矿物分解，这种变化称为碳酸化作用。如4K[AlSi3O8]2CO24H2O→Al4[Si4O10]OH88SiO22K2CO3长石高岭石,4.2风化作用,生物风化作用,由于生物的活动对岩石与矿物所引起的破坏作用，为生物风化作用。,4.2风化作用,生物物理风化作用根劈作用,4.2风化作用,生物化学风化作用,→,4.2风化作用,各类风化作用的关系,物理风化、化学风化、生物风化相伴而生，相互影响、相互促进,在不同地区，由于自然条件的差异，各类风化作用的主次不同。,西北干旱区以物理风化为主；东南沿海地区以化学风化为主。,4.2风化作用,突岩（沙特阿拉伯）干旱地区物理化学风化作用共同形成,,4.2风化作用,影响岩石风化的因素,,,,,,4.2风化作用,影响岩石风化的因素气候,干冷地区以物理风化为主，产物以岩石碎屑为主。湿热地区以化学风化为主，生物风化亦强，矿物分解彻底。产物以大量残留粘土为主；,4.2风化作用,成因岩石的形成环境与目前所处的环境的差异小，则抵抗风化的能力就强，反之则容易风化。,沉积岩（碎屑岩＞化学岩和生物岩）岩浆岩（酸性岩＞基性岩）变质岩（浅变质＞深变质）,沉积岩＞岩浆岩和变质岩,影响岩石风化的因素岩石性质,4.2风化作用,矿物成分岩浆岩抗风化能力的强弱与矿物从岩浆中分异出来的顺序相反。单矿岩的抗风化能力强于复矿岩；浅色矿物（如正长石）抗风化能力强于暗色矿物（如橄榄石等）。同种元素在不同的矿物中抗风化能力不同。如石灰岩中的Ca易风化，而斜长石中的Ca相对难风化。,4.2风化作用,结构和构造从结构上看，岩石的抗风化能力均匀、细粒结构＞粗粒结构；等粒结构＞斑状结构；隐晶质岩石最不易风化；基底式胶结＞孔隙式胶结；Si质胶结＞Ca质胶结＞泥质。从构造上看，岩石的抗风化能力致密的块状岩石＞各向异性的层理、片理状岩石；厚层岩石＞薄层状岩石。,4.2风化作用,岩石类型不同造成岩石风化速度也不同,红色粘土岩,4.2风化作用,影响岩石风化的因素地质构造,4.2风化作用,风化程度分级,根据矿物颜色的变化、矿物成分的改变、岩石破碎程度和岩石强度降低等四方面的变化，岩石的风化程度划分为五级,未风化微风化弱风化强风化全风化,4.2风化作用,注意在垂直剖面上，风化程度相同的带会重复出现或缺失,,4.2风化作用,防治风化的措施,向岩石孔隙、裂隙中注浆，提高岩石的整体性和强度；在岩石表面喷抹水泥砂浆、沥青或用石灰－水泥砂浆封闭岩面；清除厚度不大的严重风化层；若严重风化层厚度较大不能全部清除时，对于地基工程可采用桩基穿透风化层落在新鲜岩石上；边坡、隧道工程可根据风化层厚度和风化程度采用加强支护、支挡、衬砌等措施。,,4.2风化作用,思考题1.风化作用的类型有哪些各自又包括哪些作用作业题1.影响岩石风化作用的因素有哪些2.论述影响岩石工程性质的因素有哪些,,4.2风化作用,4.3岩石、土的工程分类,,4.3.1岩石按坚硬程度分类,4.3.2岩土的施工工程分级,4.3岩石、土的工程分类,4.3.3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。,4.3岩石、土的工程分类,4.3岩石、土的工程分类,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,4.3岩石、土的工程分类,4.4特殊土的工程性质,4.4.1黄土4.4.2膨胀土4.4.3软土4.4.4冻土,,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。,4.4.1黄土,4.4特殊土的工程性质,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6070，一般不含＞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。,4.4特殊土的工程性质,具有Ⅰ～Ⅴ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。,,4.4特殊土的工程性质,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、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100～200m，薄处仅几公分。,4.4特殊土的工程性质,黄土高原的自然景象,,4.4特殊土的工程性质,4.4特殊土的工程性质,4.4特殊土的工程性质,4.4特殊土的工程性质,,4.4特殊土的工程性质,,4.4特殊土的工程性质,黄土的工程性质,4.4特殊土的工程性质,粉粒约占6070，其次是砂粒和粘粒。,4.4特殊土的工程性质,黄土结构疏松，密度较低，一般,Gs≈2.54～2.84；ρ≈1.5～1.8g/cm3；rd≈1.3～1.6g/cm3，与e有关,一般认为rd＞1.5g/cm3时，一般为非湿陷性黄土,4.4特殊土的工程性质,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。,4.4特殊土的工程性质,黄土的抗剪强度中等。一般c30～40kPa，j15˚～25˚，我国北部黄土的j可达27˚～28˚。,,黄土的透水性比一般粘性土大。,黄土的压缩性中等。,4.4特殊土的工程性质,4.4特殊土的工程性质,4.4特殊土的工程性质,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。,4.4特殊土的工程性质,4.4特殊土的工程性质,黄土湿陷性的判定方法,黄土的相对湿陷系数dsh（h2－h2’）/h2dsh＜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,4.4特殊土的工程性质,自重湿陷性黄土的判定方法,4.4特殊土的工程性质,4.4特殊土的工程性质,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。,4.4特殊土的工程性质,湿陷起始压力的确定,现场常用野外简化方法。,4.4特殊土的工程性质,防治黄土湿陷的措施,①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；Ⅰ强夯法；Ⅱ挤密法②防排水。包括排除地表水和地下水。③换填法。在湿陷性黄土层不厚1～3m，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。④预浸水法⑤深层浸水法,4.4特殊土的工程性质,黄土陷穴,黄土陷穴的防治措施有①开挖回填、夯实、灌浆；②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,,4.4特殊土的工程性质,4.4.2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。,4.4特殊土的工程性质,膨胀土的特征,颜色有灰白、棕、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。,4.4特殊土的工程性质,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。,4.4特殊土的工程性质,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。,4.4特殊土的工程性质,膨胀土的工程性质,4.4特殊土的工程性质,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,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,4.4特殊土的工程性质,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。,4.4特殊土的工程性质,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。,4.4特殊土的工程性质,防治措施①防水保湿措施,含水量的变化膨胀土胀缩变形,,4.4特殊土的工程性质,③地基处理措施,4.4特殊土的工程性质,,4.4.3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。,4.4特殊土的工程性质,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60～70，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8～9；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。,4.4特殊土的工程性质,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土。,4.4特殊土的工程性质,软土的分类,4.4特殊土的工程性质,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1.0～1.8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。,4.4特殊土的工程性质,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。,4.4特殊土的工程性质,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。,4.4特殊土的工程性质,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。,,4.4特殊土的工程性质,4.4.4冻土,温度≤0℃，并含有冰的土层。,4.4特殊土的工程性质,冻土的分类,4.4特殊土的工程性质,4.4特殊土的工程性质,多年冻土,4.4特殊土的工程性质,冻土的分布,4.4特殊土的工程性质,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。,4.4特殊土的工程性质,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。,4.4特殊土的工程性质,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,4.4特殊土的工程性质,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,4.4特殊土的工程性质,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。,4.4特殊土的工程性质,多年冻土的工程性质①物理及水理性质,4.4特殊土的工程性质,其中a.未冻结水含量WCKWPb.总含水量WnWb＋Wcc.相对含冰量WiWb/Wn,4.4特殊土的工程性质,②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。,4.4特殊土的工程性质,③冻土的变形性质,a．冻胀性,被破坏的公路,一般来讲，土颗粒越粗，含水量越小，冻胀性就越小；反之越大。,4.4特殊土的工程性质,土的冻胀性的大小用冻胀率n来表示，即,4.4特殊土的工程性质,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。,4.4特殊土的工程性质,多年冻土的工程地质问题①道路边坡及基底稳定问题,热融滑塌,4.4特殊土的工程性质,②桥梁、房屋等建筑物地基问题,4.4特殊土的工程性质,③冰丘和冰锥,冰丘,冰丘遗迹,4.4特殊土的工程性质,融化中的冰锥,冰锥,4.4特殊土的工程性质,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。①粗颗粒土置换地基中的细颗粒冻胀土。②物理化学方法,,4.4特殊土的工程性质,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。,,4.4特殊土的工程性质,