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1、 工程岩土学工程岩土学 讲课内容第1章 概述第2章 土的形成及基本特征第3章 粘土矿物的基本结构第4章 粘土矿物的性质第5章 粘土矿物的成因与分布第6章 粘土矿物热分析与红外光谱分析第7章 粘土矿物扫描电镜、电子探针、能谱分析第8章 粘土矿物化学分析与同位素分析第9章 岩体力学性质第10章 岩石地下工程第11章 岩石边坡工程第12章 岩石地基工程第13章 岩石力学研究新进展第1章 概述概述1.1 定义定义工程岩土学工程岩土学主要是研究岩土体的工程主要是研究岩土体的工程地质性质及其形成，区域分布特征及岩土地质性质及其形成，区域分布特征及岩土性质改良措施，以适应各类工程建筑的要性质改良措施，以适应
2、各类工程建筑的要求。求。在工程地质学的各学科中。最重要的理论在工程地质学的各学科中。最重要的理论基础乃是工程岩土学。基础乃是工程岩土学。 1.2 研究对象和研究内容研究对象和研究内容 对象对象建筑地基（如房基，坝基，路基）、建筑地基（如房基，坝基，路基）、建筑环境（如地下硐室围岩，斜坡工程）、建筑建筑环境（如地下硐室围岩，斜坡工程）、建筑材料（如土料，石料）的岩土体。材料（如土料，石料）的岩土体。 内容内容研究岩土工程地质性质（物理，力学研究岩土工程地质性质（物理，力学性质）、研究岩土工程地质性质的形成和性质）、研究岩土工程地质性质的形成和分布规分布规律律、研究岩土工程地质性质指标的测试方法和
3、测、研究岩土工程地质性质指标的测试方法和测试技术、研究岩土和岩土体的工程地质分类、研试技术、研究岩土和岩土体的工程地质分类、研究岩土工程地质性质在自然因素或人类工程活动究岩土工程地质性质在自然因素或人类工程活动影响下的影响下的变化规律变化规律，并预测这种变化对各种建筑，并预测这种变化对各种建筑物的危害、研究改善不良岩土性质的物的危害、研究改善不良岩土性质的原则和方法。原则和方法。 1.2 工程岩土学发展及动向工程岩土学发展及动向 发展发展在我国工程岩土学发展大体可分在我国工程岩土学发展大体可分三个阶段：三个阶段：第一阶段第一阶段（50年代及以前）松软年代及以前）松软土，粒度成分与其性质的关系。
4、土，粒度成分与其性质的关系。第二阶段第二阶段（6070年代）研究土，研究土的化学成分年代）研究土，研究土的化学成分和矿物成分与土的工程性质之间的关系。和矿物成分与土的工程性质之间的关系。第第三阶段三阶段（80年代以后）有极大发展，土的结年代以后）有极大发展，土的结构，构造，土体和岩体的工程性质的深入研构，构造，土体和岩体的工程性质的深入研究究动向动向1 加强对岩土力学性质的基础研究，即运用数学、力学、加强对岩土力学性质的基础研究，即运用数学、力学、物理、化学等最新理论研究力学性质的本质，注意地质学与力学物理、化学等最新理论研究力学性质的本质，注意地质学与力学的结合。的结合。 2 重视岩土宏观和
5、微观的研究，岩土体类型的合理划分。重视岩土宏观和微观的研究，岩土体类型的合理划分。 3 大力发展和引进现代测试技术，室内和现场原位测试大力发展和引进现代测试技术，室内和现场原位测试结合。结合。 4 加强岩土动力性质的研究，注意动，静性质的对比。加强岩土动力性质的研究，注意动，静性质的对比。 5 加强对特殊建筑地基或建筑环境的岩土体和某些特种加强对特殊建筑地基或建筑环境的岩土体和某些特种岩土的研究。岩土的研究。 6 加强岩土工程地质研究中的数学分析，计算机的广泛加强岩土工程地质研究中的数学分析，计算机的广泛应用。应用。 7 加强深部的综合研究，对性质，结构与构造，地下水，加强深部的综合研究，对性
6、质，结构与构造，地下水，压力，稳定性等综合研究。压力，稳定性等综合研究。 8 对环境岩土工程学的研究大大加强。对环境岩土工程学的研究大大加强。 第2章 土的形成及基本特征2.1 概述概述 土体土体指与工程建筑物的变形和稳定相指与工程建筑物的变形和稳定相关的第四纪或新第三纪以来的地质体。关的第四纪或新第三纪以来的地质体。 土和土体的形成土和土体的形成外动力地质作用和内外动力地质作用和内动力地质作用。周而复始，石变土，土变石。动力地质作用。周而复始，石变土，土变石。 土和土体的演变土和土体的演变从形成到现在，都是从形成到现在，都是经过非常复杂的变化过程，土的成分和结构构经过非常复杂的变化过程，土的
7、成分和结构构造也随之变化，性质也随之变化。在演变的不造也随之变化，性质也随之变化。在演变的不同阶段，土体就表现出不同的特点。同阶段，土体就表现出不同的特点。掌握了不掌握了不同类型土体的形成和演变规律后，同类型土体的形成和演变规律后，便可了解它便可了解它们可能具有哪些特征，便可预测土体在自然或们可能具有哪些特征，便可预测土体在自然或人为因素影响下，可能产生哪些变化。人为因素影响下，可能产生哪些变化。 2.2 主要成因类型土体的基本特征 2.2.1 残积土体的工程地质特征未经搬运留于原地的土体。在接近宽广的分水岭地带或平缓的斜坡地带广泛发育。气候，母岩是主要影响因素。干旱地区（砾石类土）、半干旱地
8、区（有点粘土，但含可溶盐类如碳酸钙，硫酸钙等影响工程地质性质，地下水常呈碱性易形成水云母组粘土矿物）、潮湿而温暖地区易形成蒙脱石、潮湿而炎热地区易形成倍半氧化物。故干旱潮湿地区，土的颗粒组成由粗变细，土的类别从砾石类土过渡到砂类土、亚砂土、亚粘土、粘土。母岩影响有酸性火成岩的残积土含较多的粘性矿物，多为亚粘土或粘土，如果石英多时，易形成亚砂土。中性或基性火成岩易形成亚粘土。沉积岩易形成粘土，细砂土砂砾土等，成分与母岩相同。残积土体的厚度在垂直和水平方向变化较大，在宽广的分水岭地带或平缓的斜坡地带，厚度较大，反之较小。残积土体的表部孔隙率大，强度低，压缩性高。下部为夹碎石或砂粒的粘性土，或是孔隙
9、为粘性土充填的碎石土，砂砾土，其强度较高。 2.2.2 坡积土体的工程地质特征经雨水或雪水的片流搬运，顺坡移动堆积而成。物质成分与斜坡上的残积物一致，坡积土体与残积土体往往呈过渡状态，工程性质也很相似。影响因素是气候和母岩干旱和半干旱地区，植被不发育，平时干燥，能形成较厚的坡积土体。粒度成分在垂直和水平方向上有明显的分选性和成层性，下粗上细。潮湿气候条件下，由于植被发育，坡积土体不发育，但土层结构特征是相似的。2.2.3 洪积土体的工程地质特征洪积土体的工程地质特征山洪带来的碎屑物质，在山口的出口地方堆积而成。发育在干旱和半干旱地区，如华北和西北地区。形成洪积扇和洪积裙。为建筑提供了有力的地形
10、条件。上部粗碎屑土强度高，压缩性小，为良好地基，但其孔隙大，故易坝下渗漏。该处水量丰富。中部为砂土分布地段，开挖基坑时，细砂土可能形成流砂。下部为粘性土地带，地形坡度变缓，地下水埋藏较浅，地表易形成泉，形成湖泊，该地带土层潮湿，植物茂盛，可形成泥炭层，工程地质性质极差。无泥炭层时，由于强度低，建筑物可能长期下沉。粘土层中含有大量可溶盐类，干燥时强度高，遇水盐类溶解，强度降低，地基条件恶劣。 洪积土体示意图2.2.4 湖积土体的工程地质特征 2.2.5 冲积土体的工程地质特征n河流水作用，将碎屑物质搬运堆积在河谷内。n冲积土体一般分为三个相。n河床相：冲积土一般为砂土及砾石类土，下粗上细，成分较
11、复杂，磨圆度较好（与洪积区别），在山区河床冲积土厚度不超过10米，平原地区河床冲积土厚度一般超过几十米。古河床相为良好地基，现代则工程性质差。n河漫滩相：洪水期河水将细粒悬浮物质带到河漫滩上沉积而成，一般为亚砂土、亚粘土或粘土。覆盖于河床相冲积土之上，形成漫滩，阶地，冲积平原等地表，常为各种建筑物的地基。n牛轭湖相：废河道形成的牛轭湖中沉积下来的松软土。一般为含有大量有机质的亚粘土，亚砂土和细砂土。没有清楚的层理，承载力低。n河口冲积土一般是一套淤泥质粘土，亚粘土或淤泥，形成河口三角洲，河口冲积土往往作为港口建筑物的地基。河床相冲积土示意图土的工程地质性质在土的形成过程中已经基本形成wp塑限第
12、3章 粘土矿物的基本结构u3.1 基本结构单元l硅氧四面体最稳定的基本结构单元（sio44-） 三个底氧，一个顶氧，每个氧各带一个负电荷。l四面体片硅氧四面体分布在一个平面内，平面上呈六方网格状，分子式为si4o10 4-。l八面体与八面体片是由两层氧离子或氢氧离子紧密堆积而成，大阳离子位于其中，可独立存在。l三八面体就是八面体阳离子配位位置全部被阳离子（Mg 2+ ,Fe 2+ 等）充填。如水镁石（3/3占位）。l二八面体就是八面体阳离子配位位置只有三分之二被阳离子（Al 3+ ,Fe 3+ 等）充填。如三水铝石（2/3占位） 。3.2 基本结构层基本结构层四面体片与八面体片的相互结合构成了
13、层状构造硅酸盐矿物的基本结构层。可分为1：1层型和2：1层型两个基本类型。1：1层型由一个四面体片与一个八面体片（可二八或三八面体）结合而成。有五层原子面，三阴两阳。2：1层型由两个四面体片与一个八面体片（可二八或三八面体）结合而成。白云母的结晶构造2：1层型二八面体层状构造硅盐3.3 层间域、层间物、单位构造和层电荷层间域相邻的基本结构层之间的空间。代号用。层间物存在于层间域中的物质称此。层间物可以是水，阳离子或氢氧化物八面体片（绿泥石矿物独有）。单位构造基本结构层与层间域组成的层状体称此。其高度用d0表示。层电荷层间物阳离子所带有的电荷。3.3 有序无序和多型有序全部点阵都作有秩序有规律的
14、分布。分短程有序和长程有序。无序结晶过程中热扰动或晶体的快速生长会使原子或离子随机地占据任何可能地结构位置，形成无序结构。多型成分相同地物质在不同的物理化学条件下形成不同结构，由此形成的晶体称为该成分的同质多象变体，或称多型。第4章 粘土矿物的性质4.1 概述粘土矿物的性质一般是指粘土矿物的吸附性、离子交换性、膨胀性、分散性、凝聚性、绸性、粘性、触变性和可塑性。4.1.1 粘土矿物的电荷构造电荷（永久电荷）矿物晶格中的离子替代产生电荷。如硅氧四面体中的硅（si4+）被三价铝（Al3+）替代。构造电荷大部分是分布在粘土矿物晶层的层面上。表面电荷（可变电荷）粘土矿物表面的化学变化或表面离子吸附作用
15、产生的电荷（可正可负H OH）。 破键，同晶置换作用，水化解离作用（次生二氧化硅表面与水作用，形成偏硅酸H2S1O3），选择性吸附作用（CaCO3在NaCO3水溶液中，只吸附CO2-3,带负电，在CaCl水溶液中，只吸附CO2 ）。电荷零点（ZPC）使矿物表面的电荷为零时介质的pH值。123211 高岭石 Kaolinite 因首先发现于我国江西省景德镇的高岭而得名。与地开石，珍珠陶土同为Al4Si4O10(OH)8的多型变体。单斜或三斜晶系。镜下呈细小的假六方片状，通常呈土块块体产出。纯净者白色，常因含有各种杂质而染有不同颜色。含有机质呈黑色。光泽暗淡。硬度近于1，断口平坦状。比重2.6左右
16、。干燥时粘舌，以手易捏成粉末，潮湿时具有可塑性。主要时外生成因的，是正长石、云母等铝硅酸盐矿物的风化产物。此外，还有热液交代成因，为某些低温热液矿床的围岩蚀变的产物。是陶瓷和电瓷工业的重要材料，在造纸、橡胶、油漆等工业中做充填物2 蒙脱石 montmorillonite 成分（NaCa)0.33(Al,Mg)2Si2O10(OH) 2nH2O,水的含量变化很大。单斜晶系。通常呈土状块体。白色，有时带浅红、浅绿色。光泽暗淡。硬度1。比重约为2。吸水性很强。吸水后其体积能膨胀增大几倍到十几倍，具有很强的吸附力和阳离子交换性能。是彭润土和漂白土的主要组成成分。主要是火山凝灰岩经风化作用的产物。用于石油、纺织、橡胶。陶瓷工业。3 伊利石 illite 成分K1Al2(Al,Si)Si3O10(OH) 2nH2O。水的含量变化很大。单斜晶系。常呈鳞片状块体。白色。具膨胀性和可塑性。是火成岩、云母片岩、片麻岩等岩石中的云母的风化产物。可作为粗质陶瓷的材料。4 蛭石 vermiculite 成分(Mg,Fe,Al)3(Si,Al)4O10(OH)24H2O,常变化不定。单斜晶系。通常呈片状。褐色。黄
