岩（土）体的工程特性
第一节岩（土）体的工程特性一、土体的工程特性
（一）土的组成与结构
1、土的固相
三相中的主体，是决定土的工程性质主要成分。
（1）原生矿物：岩石经物理风化破碎而形成的，其成分与原岩矿物相同，颗粒较大。
（2）次生矿物：岩石经化学风化改变了其原来的成分，形成一种颗粒很细的新矿物，以黏土矿物为主。
（3）土的粒径分组
1）粒径小于0.005mm的为黏粒，常见的黏土矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石（高伊蒙）。黏土颗粒使土具有可塑性、黏性、膨胀性、收缩性和触变性。【2020】
2）通过室内颗粒级配试验确定各粒组含量，大于0.075mm颗粒采用筛分法，小于0.075mm颗粒采用密度计法。
2、土的液相
固体颗粒之间的水，分为结合水和自由水。
（1）结合水：附着于土粒表面，受土粒表面电分子引力作用而不服从水力学规律的土中水。包括：
1）强结合水：对工程性质影响较小。
2）弱结合水：对黏性土的物理力学性质影响较大。
（2）自由水：处于土粒表面引力作用范围以外的土中水，与普通水无异。包括：
1）重力水：存在于自由水面以下。
2）毛细管水：受重力和表面张力的共同作用。
3、土的气相
（1）土的饱和度较低时，土中气体与大气相连通，当土受到外力作用时，气体很快就会从孔隙中排出，土的压缩稳定和强度提高都较快，对土的性质影响不大。
（2）土的饱和度较高时，土中出现封闭气泡无法逸出，在外力作用下，气泡被压缩或溶解于水中，一旦外力除去后，气泡就又膨胀复原，所以封闭的气泡对土的性质有较大的影响。土中封闭气泡的存在将增加土的弹性，使土的渗透性减小，并能延长土体受力后变形达到稳定的历时。
4、土的结构
土的结构与土粒矿物成分、颗粒形状和沉积条件有关。
（1）单粒结构：沉积过程中，颗粒较粗的矿物颗粒在自重作用下沉落，特点是土粒间存在点与点的接触。
（2）蜂窝结构：较细的土粒在自重作用下沉落时，碰到已沉稳的土粒，由于土粒细而轻，粒间接触点处的引力大于下沉土粒重量，土粒就被吸引着不再下沉，形成链环状单元，形成孔隙较大的蜂窝结构，常存在于粉土和黏性土中。
（3）絮凝结构：一般存在于黏性土中，往往形成面与边或面与角的接触方式凝聚成絮状物下沉，因而具有很大的孔隙。
例题1：【2020】常见的黏土矿物（ ）。
A.高岭石
B.伊利石
C.石英
D.蒙脱石
E.金刚石
【答案】ABD
例题2：岩石经化学风化破碎而形成的矿物叫做（ ）。
A．黏土矿物
B．原生矿物
C．次生矿物
D．矿物颗粒
【答案】C
【解析】岩石经物理风化破碎而形成的矿物叫做原生矿物。经化学风化改变了其原来的成分，形成一种颗粒很细的新矿物，叫次生矿物，以黏土矿物为主。常见的黏土矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石。
（二）土的物理力学性质指标
1、试验测定指标
（1）土的天然密度（重度）：环刀法
1）单位体积天然土体的质量称为土的天然密度，以ρ表示，g/cm3。
ρ=m/V
2）单位体积天然土体的重量称为土的天然重度，以γ表示，kN/m3。
γ=W/V
3）γ=ρg，g为重力加速度。
（2）土的含水率：烘干法
土中水的质量与土粒质量之比。
ω=mw /ms×100%
（1）土粒比重：比重瓶法
土粒质量与同体积4℃时水的质量之比。
2、换算指标
（1）孔隙比和孔隙率
1）孔隙比：土中孔隙体积与土粒体积之比，以e表示：e=Vv/Vs。孔隙比反映土体的密实程度，对于同一类土，孔隙比越大土体越疏松。
2）孔隙率：土中孔隙体积与土体总体积之比，以n表示：n=（Vv/V）×100%。
（2）饱和度
土中水的体积与孔隙体积之比，指土孔隙被水充满的程度，以Sr表示，表示土体的干湿程度。Sr=（Vw / Vv）×100%。
（3）饱和重度与饱和密度
（4）有效重度（浮重度）与有效密度
（5）干重度与干密度【2020】
1）干重度：单位体积的土体中固体颗粒的重量，以γd表示：γd=Ws/V
2）干密度：ρd=ms/V
干密度和干重度反映土颗粒排列的紧密程度，即反映土体的松密程度，工程上常用它作为控制人工填土施工质量的指标。
3、土的物理状态
（1）砂土的密实状态
1）孔隙比：确定土体的密实状态的简便指标，孔隙比越大则土体中的孔隙体积越大，土体越松。
2）土的密实状态：常用相对密度Dr判定砂土的密实度。
emax为最大孔隙比，砂土处于最疏松状态；
emin为最小孔隙比，砂土处于最密实状态；
e为砂土在天然状态的孔隙比。
常采用现场标准贯入试验来判定砂土的密实度。测得的标准贯入击数是采用标准质量为63.5kg的击锤，落距为76cm，击入土层中的深度为30cm时所需的锤击数量，击数越大，土层越密实。
（2）黏性土的稠度状态
1）黏性土的稠度状态
黏性土处于可塑状态时，土具有可塑性，是区别黏性土和无黏性土的重要特征之一。
2）塑性指数和液性指数
塑性指数：黏粒含量越高，Ip越大，能综合反映土的矿物成分和颗位大小影响。
Ip=ωL-ωP=液限-塑限
液性指数：判别黏性土的软硬程度，也称稠度。
例题1：【2020】土的物理力学性质指标中，通过试验测定指标换算获得的是（ ）。
A.土的天然密度
B.含水率
C.土的容重
D.干密度
【答案】D
例题2：【2020】一黏性土样的液性指数为0.55，土样状态为（ ）。
A.坚硬
B.硬塑
C.可塑
D.软塑
【答案】C
例题3：【2020】工程现场用标准贯入试验测砂土密实度，标准锤击数为13，砂土的密实度为（ ）。
A.松散
B.稍密
C.中密
D.密实
【答案】B
例题4：某1cm3土体中水的质量mw为0.2g，土粒的质量ms为1.5g，则该土体的含水率为（ ）。
A．0.1
B．0.13
C．0.15
D．0.2
【答案】B
【解析】ω=mw /ms×100%=0.2/1.5×100%=0.13，故正确选项为B。
例题5：某1cm3土体中水的质量mw为0.2g，土粒的质量ms为1.5g，则该土体干密度为（）。
A．1.25g/cm3
B．1.5g/cm3
C．1.75g/cm3
D．1.85g/cm3
【答案】B
【解析】干密度ρd=ms/V=1.5/1×100%=1.5g/cm3，故正确选项为B。
例题6：标准贯入试验是指在规定锤重（63.5kg）和落距（76cm）的条件下击入土中，测定贯入量为（ ）所需要的锤击数N。
A．5cm
B．10cm
C．15cm
D．30cm
【答案】D
【解析】标准贯入试验是常用的一种原位试验方法，测得的标准贯入击数是采用标准质量为63.5kg的击锤，落距为76cm，击入土层中的深度为30cm时所需的锤击数量，击数越大，土层越密实。
4、土的抗剪强度
（1）概念：土的抗剪强度指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力。
（2）与土的抗剪强度有关的三类工程问题：
第一类是土质边坡的稳定性问题；
第二类是土对工程建筑物的侧向压力；
第三类是建筑物地基的承载力问题。
（3）库仑抗剪强度定律
1）对于无黏性土，抗剪强度的表达式为：τf=σtanφ
2）对于黏性土，抗剪强度的表达式为：τf=c+σtanφ
τf为土的抗剪强度（kPa）；
σ为滑动面上的法向应力（kPa）；
c为土的黏聚力（kPa）；
φ为土的内摩擦角，即抗剪强度线倾角。
土的抗剪强度是滑动面上的法向总应力σ的线性函数。
（三）土的分类
（1）碎石土：粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量的50%。
（2）砂土：粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量的50%，粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量的50%。
（3）粉土：粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50%，且土的塑性指数≤10。
（4）黏性土：塑性指数>10的土。Ip>17为黏土；10<Ip≦17为粉质黏土。
二、岩体的工程特性
岩体由岩石或土受结构面切割的岩块构成，岩体的性质取决于岩石或土和结构面的性质。
（一）造岩矿物
造岩矿物明显影响岩石性质，对鉴定岩石类型起重要作用。矿物的物理性质主要有以下几个方面。
（1）形态。
（2）颜色。是矿物最明显、最直观的物理性质。根据成因可分为自色、他色和假色。
（3）条痕。
（4）光泽。矿物表面对光线的反射能力称为光泽。
（5）解理。
（6）断口。
（7）硬度。常用摩氏硬度计来表示矿物的相对硬度。
（8）其他。如磁性（磁铁）、弹性（云母）、滑感（滑石）、咸味（岩盐）、比重（重晶石）、臭味（硫黄）。
（二）岩石的基本类型【2019/2020】
1、岩浆岩（火成岩）【口诀：武岗山辉长绿，纹脉粗】
2、沉积岩
（1）地质作用过程：风化破坏阶段、搬运作用阶段、沉积作用阶段和成岩作用阶段。
（2）结构类型：碎屑结构、泥质结构、结晶状结构和生物结构。
（3）分类：碎屑岩（如砾岩、砂岩、粉砂岩）、黏土岩（如泥岩、页岩）、化学岩及生物化学岩（如石灰岩、白云岩、泥灰岩等）。
3、变质岩
（1）概念：地壳中原已形成的岩石（火成岩、沉积岩、早成变质岩）由于地壳运动和岩浆活动等所造成的物理、化学条件变化，使原来岩石成分、结构、构造发生一系列改变而形成的新岩石。
（2）引起岩石变质作用的因素：温度、压力、化学活动性流体。
（3）结构：变余结构、变晶结构、碎裂结构。
（4）常见变质岩：大理岩、石英岩、片麻岩等。【口诀：大石片】
4、三大岩类的属性比较
5、岩石的工程地质评述
（1）岩浆岩
力学强度较高，可作为各类建筑物良好地基及天然建筑材料，但抗风化能力较弱。因此，风化问题通常是岩浆岩地区进行工程建设遇到的主要地质问题。
（2）沉积岩
具有成层分布规律，存在着各向异性特征，且层的厚度变化大。
（3）变质岩
1）工程地质与原岩密切相关，往往与原岩的性质相似或相近。一般情况下由于原岩矿物成分在高温高压下重结晶的缘故，岩石的力学强度较变质前相对增高。
2）变质岩的片理构造（包括板状、千枚状、片状及片麻状构造）会使岩石具有各向异性的特征，水工建筑中应注意研究其在垂直及平行于片理构造方向上工程性质的变化。
例题1：【2019】岩石的基本类型可分为岩浆岩（火成岩）、沉积岩、变质岩，下列属于变质岩的是（）。
A.流纹岩
B.大理岩
C.石灰岩
D.玄武岩
【答案】B
【解析】根据变质岩的口诀“大石片”可知，正确选项为B。
选项AD属于岩浆岩（火成岩）；选项C属于沉积岩。
例题2：【2019】下列岩石属于岩浆岩（火成岩）的有（）。
A.花岗岩
B.玄武岩
C.安山岩
D.片麻岩
E.闪长岩
【答案】ABCE
【解析】根据岩浆岩的口诀“武岗山辉长绿，纹脉粗”可知，正确选项为ABCE。
（三）岩石的物理力学性质指标
1、岩石的主要物理性质指标
2、岩石的主要力学性质指标
（四）工程岩体分级
1、《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487—2008）
（1）岩土体的渗透性分级
透水率q（Lu）称为吕荣值，通过钻孔压水试验获取。1吕荣为1MPa作用下1m试段内每分钟注入1L水量。1Lu相当于渗透系数10-5cm/s。【2019】
例题：【2019】透水率是以吕荣值（Lu）为单位表们*岩体渗透性的指标，表示使用灌浆材料作为试验流体时地层的渗透系数，1Lu相当于渗透系数（）。
A.1×10-3cm/s
B. 1×10-4cm/s
C.1×10-5cm/s
D.1×10-6cm/s
【答案】C
（2）围岩稳定性评价【2020】
例题：【2020】自稳时间很短，规模较大的各种变形和破坏都可能发生的水工隧洞围岩类型是（）。
A.Ⅰ
B.Ⅱ
C.IV
D.Ⅴ
【答案】C
（3）围岩工程地质分类
1）初步分类：适用于规划、可研以及深埋洞室施工之前的围岩工程地质分类；
2）详细分类：主要用于初步设计、招标和施工图设计阶段的围岩工程地质分类。
2、《工程岩体分级标准》（GB/T50218—2014）
（1）岩体基本质量的分级因素
岩体基本质量由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。岩石坚硬程度和岩体完整程度，应采用定性划分和定量指标两种方法确定。
1）定性划分
①坚硬程度：硬质岩（坚硬岩、较坚硬岩）、软质岩（较软岩、软岩、极软岩）。
②风化程度：未风化、微风化、中等风化、强风化、全风化。
③完整程度：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。
④结构面结合程度：结合好、结合一般、结合差、结合很差。
2）定量指标
①坚硬程度：采用岩石饱和单轴抗压强度Rc表示，一般应采用实测值。【2019】
②完整程度。采用岩体完整性指数Kv表示，为岩体与岩石的纵波速度之比的平方。
（2）岩体基本质量分级
1）岩体基本质量指标（BQ）指岩体所固有的，影响工程岩体稳定性的最基本属性，由岩石坚硬程度和岩体完整程度决定。
2）岩石基本质量分级，应根据基本质量的定性特征和基本质量指标结合确定。
2、地下水
（1）根据埋藏条件，分为：包气带水、潜水、承压水三大类（口诀：七千层）。【2019】
（2）根据含水层的空隙性质，分为：孔隙水、裂隙水和岩溶水三个亚类（口诀：烈空焰）。【2020】
例题1：【2019】根据地下水的埋藏条件，可将地下水分别上层带水（包气带水）、潜水及（）。
A.孔隙水
B.裂隙水
C.岩溶水
D.承压水
【答案】D
例题2：【2020】根据含水层的空隙性质，可将地下水分为孔隙水、裂隙水及（）。
A.包气带水
B.潜水
C.岩溶水
D.承压水
【答案】C
3、风化作用：物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用。
4、河流地质作用：
（1）分为：侵蚀作用、搬运作用和沉积作用。
（2）河流沿河床流动时，具有一定的动能。动能大小取决于河水的质量和流速。
（3）动能主要消耗于两个方面：一是克服阻碍流动的各种摩擦力；二是搬运水流中挟带的泥沙。
