土的结构和构造

（一）岩体的构成

1.岩石

（1）岩石的主要矿物。

矿物的成分、性质及其在各种因素影响下的变化，都会对岩石发生影响。

例如，岩石中的石英（2015）含量越多，钻孔的难度就越大，钻头、钻机等消耗量就越多。

物理性质是鉴别矿物的主要依据，例如，依据颜色鉴定矿物的成分和结构，依据光泽鉴定风化程度，依据硬度鉴定矿物类别，如下表。

矿物硬度表（2018/2019/2020）

硬度	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
矿物	滑石	石膏	方解石	萤石	磷灰石	长石	石英	黄玉	刚玉	金刚石
						钢刀

　矿物的颜色分为自色、他色和假色，自色可以作为鉴别矿物的特征，而他色和假色则不能。

（2）岩石的成因类型及其特征

岩石按成因可分为岩浆岩（火成岩）、沉积岩（水成岩）和变质岩三大类。

1）岩浆岩

岩浆岩分为喷出岩和侵入岩。

侵入岩又分为深成岩和浅成岩。

深成岩常形成岩基等大型侵入体，岩性一般较单一，以中、粗粒结构为主，致密坚硬，孔隙率小，透水性弱，抗水性强，故其常被选为理想的建筑基础，如花岗岩、正长岩、闪长岩、辉长岩；

浅成岩多以岩床、岩墙、岩脉等状态产出，有时相互穿插。颗粒细小，岩石强度高不易风化，这些小型侵入体与周围岩体接触部位，岩性不均匀，节理裂隙发育，岩石破碎，风化蚀变严重，透水性增大，如花岗斑岩、闪长玢岩、辉绿岩、脉岩。

喷出岩是指喷出地表形成的岩浆岩，一般呈原生孔隙和节理发育，产状不规则，厚度变化大，岩性很不均一，比侵入岩强度低（2018），透水性强，抗风能力差，如流纹岩、粗面岩、安山岩、玄武岩、火山碎屑岩。

2）沉积岩（层状岩石）

根据沉积岩的组成成分、结构、构造和形成条件，可分为碎屑岩（如砾岩、砂岩、粉砂岩）、黏土岩（如泥岩（2011）、页岩）、化学岩及生物化学岩类（如石灰岩、白云岩、泥灰岩（2013））等。

3）变质岩

变质岩的结构有变余、变晶、碎裂结构。

变质岩的构造主要有板状构造、千枚状构造、片状构造、片麻状构造、块状构造（如大理岩（2010）、石英岩等）。

岩浆岩、沉积岩和变质岩的地质特征表

岩类	岩浆岩	沉积岩	变质岩（2019）
主要矿物成分	全部为从岩浆岩中析出的原生矿物，成分复杂，但较稳定。浅色的矿物有石英、长石、白云母等；深色的矿物有黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等	次生矿物占主要地位，成分单一，一般多不固定。常见的有石英、长石、白云母、方解石（2019）、白云石、高岭石等	除具有变质前原来岩石的矿物，如石英、长石、云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石等外，尚有经变质作用产生的矿物，如石榴子石、滑石、绿泥石、蛇纹石等（2020）
结构	以结晶粒状、斑状结构为特征	以碎屑、泥质及生物碎屑结构为特征	以变晶结构等为特征
构造	具块状、流纹状、气孔状、杏仁状构造	具层理构造	多具片理构造

2.土

（1）土的组成。土是由颗粒（固相）、水溶液（液相）和气（气相）所组成的三相体系。根据组成土的固体颗粒矿物成分的性质及其对土的工程性质影响不同，组成土的固体颗粒矿物可分为原生矿物、不溶于水的次生矿物、可溶盐类及易分解的矿物、有机质等四种。

（2）土的结构和构造。土的结构是指土颗粒本身的特点和颗粒间相互关联的综合特征，一般可分为两大基本类型：

①单粒结构。也称散粒结构，是碎石（卵石）、砾石类土和砂土等无黏性土的基本结构形式，其对土的工程性质影响主要在于其松密程度。

②集合体结构。也称团聚结构或絮凝结构，这类结构为黏性土所特有。

土的构造，是指整个土层构成上的不均匀性特征的总和，反映土体力学性质和其他工程性质的各向异性或土体各部位的不均匀性，是决定勘探、取样或原位测试布置方案和数量的重要因素之一。

整个土体构成上的不均匀性包括：层理、夹层、透镜体、结核、组成颗粒大小悬殊及裂隙特征与发育程度等。（2017）

（3）土的分类

1）根据有机含量分类。根据土中有机质含量，分为无机土、有机质土、泥炭质土和泥炭。

2）根据颗粒级配和塑性指数分类。根据颗粒级配和塑性指数分为碎石土、砂土、粉土和黏性土。

碎石土是粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土，根据颗粒级配和颗粒形状分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾。

砂土是粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土；

粉土是粒径大于0.075的颗粒不超过全重50%，且塑性指数小于或等于10的土。黏性土是塑性指数大于10的土（2017）。

3）根据地质成因分：土可分为残积土、坡积土、洪积土、冲击土、淤积土、冰积土和风积土等。

4）根据颗粒大小及含量分类。土可分为巨粒土、粗粒土、细粒土等。

3.结构面

结构面是延展较广较薄的二维地质界面，如层面、沉积间断面、节理、裂隙、裂缝、断层等，也包括厚度较薄的软弱夹层。

结构面的特征是影响结构面强度及其他性能的重要因素。

结构面产状：层面、节理、裂隙、裂缝、断层等结构面的空间位置定义为结构面的产状。结构面的产状由走向、倾向和倾角三个要素表示。

节理组数的多少决定了岩石的块体大小及岩体的结构类型，可以根据节理组数划分结构面发育程度。

4.地质构造（重要考点）

（1）水平构造和单斜构造

（2）褶皱构造

褶皱构造是组成地壳的岩层受构造力的强烈作用，使岩层形成一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造，它是岩层产生的塑性变形。绝大多数褶皱是在水平挤压力作用下形成的（2013），但也有少数是在垂直力或力偶作用下形成的。

褶曲是褶皱构造中的一个弯曲，两个或两个以上褶曲的组合构成褶皱构造，每一个褶曲都有核部、翼、轴面、轴及枢纽等几个褶曲要素。褶曲的基本形态是背斜和向斜。

背斜褶曲，当地面受到剥蚀而出露，从轴部向两翼，依次出现的是渐新的岩层。

向斜褶曲，当地面遭受剥蚀而出露，从轴部向两翼，依次出露的是较老的岩层。

褶皱构造对选址的影响：

不论是背斜褶曲还是向斜褶曲，在褶曲的翼部遇到的，基本上是单斜构造，一般对建筑物地基没有不良的影响，但对路基或隧道走向的选择有影响。

1）深路堑和高边坡

路线垂直岩层走向，或路线与岩层走向平行，但岩层倾向与边坡倾向相反，对路基边坡的稳定性是有利的。

不利的情况是路线走向与岩层的走向平行，边坡与岩层的倾向一致。

最不利是边坡的倾角大于（陡于）岩层的倾角。

2）隧道工程

褶曲构造的轴部是岩层倾向发生显著变化的地方，是岩层受应力作用最集中的地方，所以在褶曲构造的轴部容易遇到的工程地质问题主要是岩层破碎而产生的稳定性问题和向斜轴部地下水问题。一般从褶曲的翼部通过是比较有利的。（2011、2014）

（3）断裂构造

断裂构造是构成地壳的岩体受力作用发生变形，当变形达到一定程度后，使岩体的连续性和完整性遭到破坏，产生各种大小不一的断裂。根据岩体断裂后两侧岩块相对位移的情况，分为裂隙和断层两类。

1）裂隙

裂隙，也称为节理，一般用裂隙率（岩石中裂隙的面积与岩石总面积的百分比）表示，裂隙率越大，表示岩石中的裂隙越发育。

裂隙发育程度分级表（2014）

发育程度等级	基本特征						对基础 工程	对工程建 筑物
	裂隙	规则性	间距	裂隙	填充物	被切割成
不发育	1-2组	规则	>1m	密闭		巨块状	无影响	对岩体稳定性影响不大
较发育（2014）	2-3组	较规则	>0.4m	多为密闭	少有	大块状	影响 不大	相当影响
发育	>3组	不规则	<0.4m	大部分为张开裂隙	部分	小块状		很大影响
很发育	>3组	杂乱	<0.2m	张开裂隙为主	一般有	碎石状		严重影响

　根据裂隙成因分为构造裂隙和非构造裂隙两类。

①构造裂隙。构造裂隙是岩体受地应力作用随岩体变形而产生的裂隙。按力学性质，可将构造裂隙分为张性裂隙和扭（剪）性裂隙。

张性裂隙主要发育在背斜和向斜的轴部（2015、2017），裂隙张开较宽，断裂面粗糙，一般很少有擦痕，裂隙间距较大且分布不匀，沿走向和倾向都延伸不远；

扭（剪）性裂隙，常有擦痕，一般出现在褶曲的翼部和断层附近。

②非构造裂隙

由成岩作用、外动用、重力等非构造因素形成。裂隙分布零乱，没有规律性。如岩石在形成过程中产生的原生裂隙、风化裂隙以及沿沟壁岸坡发育的卸荷裂隙等。其中具有普遍意义的是风化裂隙，其主要发育在岩体靠近地面的部分，一般很少达到地面下10～15m的深度。

2）断层

断层是岩体受力作用断裂后，两侧岩块沿断裂面发生显著相对位移的断裂构造。

①断层要素。断层一般由四个部分组成。

a.断层面和破碎带

b.断层线

c.断盘

d.断距

②断层基本类型。根据断层两盘相对位移的情况，可分为正断层、逆断层、平推断层。

（二）岩体结构特征

1.结构体特征

2.岩体结构类型

基本类型可分为整体块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构。

（1）整体块状结构。这类岩体具有良好的工程地质性质，往往是较理想的各类工程建筑地基、边坡岩体及地下工程围岩。

（2）层状结构

作为工程建筑地基时，其变形模量和承载能力一般均能满足要求。其强度和变形特性均具各向异性特点，一般沿层面方向的抗剪强度（V_B）明显比垂直层面方向的（V_A）更低（2011），当有软弱结构面存在时更为明显。

这类岩体作为边坡岩体时，一般来说，当结构面倾向坡外时要比倾向坡里时的工程地质性质差得多。

（3）碎裂结构

其中镶嵌结构岩体结构体为硬质岩石，具有较高的变形模量和承载能力，工程地质性能尚好。而层状碎裂结构和碎裂结构岩体变形模量、承载能力均不高，工程地质性质较差。

（4）散体结构

岩体节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，岩石手捏即碎。

（一）岩体的变形特征

通常包括结构面变形和结构体变形两个部分。设计人员所关心的主要是岩体的变形特性。岩体变形参数由变形模量或弹性模量来反映（2010）。

岩体的流变特性，是岩体在外部条件不变的情况下，应力或变形随时间而变化的性质，一般有蠕变和松弛两种。蠕变是指在应力一定的条件下，变形随时间的持续而逐渐增加的现象。松弛是指在变形保持一定时，应力随时间的增长而逐渐减小的现象。

（二）岩体的强度性质

一般情况下，岩体的强度既不等于岩块岩石的强度，也不等于结构面的强度，而是二者共同影响表现出来的强度。

但在某些情况下，可以用岩石或结构面的强度来代替。如当岩体中结构面不发育，呈完整结构时，岩石的强度可视为岩体强度（2011）。如果岩体沿某一结构面产生整体滑动时，则岩体强度完全受结构面强度控制。

（一）岩石的工程地质性质

1. 岩石的物理力学性质

（1）岩石的主要物理性质

1）重量：一般用比重和重度两个指标表示。

一般来讲，组成岩石的矿物比重大，或岩石的孔隙性小，则岩石的重度就大。在相同条件下的同一种岩石，重度大就说明岩石的结构致密、孔隙性小，岩石的强度和稳定性也较高。

2）孔隙性

岩石的孔隙性用孔隙度表示，反映岩石中各种孔隙的发育程度。

3）吸水性

用吸水率表示，岩石的吸水率与岩石孔隙度的大小、孔隙张开程度等因素有关。

4）软化性

其值越小，表示岩石的强度和稳定性受水作用的影响越大。

5）抗冻性

在高寒冰冻地区，抗冻性是评价岩石工程性质的一个重要指标。

（2）岩石主要力学性质

1）岩石的变形

岩石受力作用会产生变形，在弹性变形范围内用弹性模量和泊桑比两个指标表示。

相同受力条件下，岩石弹性模量越大，变形越小。

泊桑比是横向应变与纵向应变的比。泊桑比越大，表示岩石受力作用后的横向变形越大。

2）岩石的强度

岩石受力作用破坏，表现为压碎、拉断和剪切等，故有抗压强度、抗拉强度和抗剪强度等。

三项强度中，岩石的抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。抗剪强度约为抗压强度的10%～40%（2009），抗拉强度仅是抗压强度的2%～16%。岩石越坚硬，其值相差越大，软弱岩石的差别较小。

岩石的抗压强度和抗剪强度，是评价岩石（岩体）稳定性的主要指标，是对岩石（岩体）的稳定性进行定量分析的依据之一。

2.岩石的分级

鉴于土和岩石的物理力学性质和开挖施工的难度，由松软至坚实共分为16级，分别以Ⅰ～ⅩⅥ表示，其中Ⅰ～Ⅳ的4级为土，Ⅴ～ⅩⅥ的12级为岩石。土分为一、二、三、四类，岩石分为松石、次坚石、普坚石、特坚石四类。

（二）土体的工程地质性质

1.土的物理力学性质

（1）土的主要性能参数

1）土的含水量

2）土的饱和度

3）土的孔隙比

4）土的孔隙率：孔隙体积与土的体积（三相）之比

5）土的塑性指数和液性指数

碎石土和砂土为无黏性土，紧密状态是判定其工程性质的重要指标。颗粒小于粉砂的是黏性土，黏性土的工程性质受含水量的影响特别大。（2010）

黏性土的界限含水量，有缩限、塑限和液限。液限和塑限的差值称为塑性指数，它表示黏性土处在可塑状态的含水量变化范围。塑性指数愈大，可塑性就愈强。黏性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，称为液性指数。液性指数愈大，土质愈软。

（2）土的力学性质

1）土的压缩性

2）土的抗剪强度

2.特殊土的工程性质

（三）结构面的工程地质性质

对岩体影响较大的结构面物理力学性质主要是结构面的产状、延续性和抗剪强度（2019）。 结构面的规模是结构面影响工程建设的重要性质。结构面分为Ⅰ～Ⅴ级。

Ⅰ级控制工程建设地区的稳定性，直接影响工程岩体稳定性。

Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质。

Ⅴ级结构面又称微结构面，常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。

Ⅱ、Ⅲ级结构面是对工程岩体力学和对岩体破坏方式有控制意义的边界条件，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性。

工程建设要注意软弱结构面。软弱结构面在产状上多属缓倾角结构面。主要包括原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其他夹泥层等。软弱结构面多为原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构或泥质定向结构，黏粒含量很高，含水量接近或超过塑限，密度比原岩小，常具有一定的胀缩性，力学性质比原岩差，强度低，压缩性高，易产生渗透变形。

（四）地震的震级和烈度

岩体是岩石受节理、断层、层面及片理面等结构面切制而具有一定结构、 受地下水影响的多裂隙综合体。岩体和岩石的概念不同，岩石是矿物的集合体，其特征可以用岩块来表征。岩体可能由一种或多种岩石组合，且在形成现实岩体的过程中经受了构造变动、风化作用、卸荷作用等各种内力和外力地质作用的破坏及改造。

建设工程通常将工程影响范围内的岩石综合体称为工程岩体。工程岩体有地基岩体、边坡岩体和地下工程围岩三类。地下工程围岩是指地下的隧道、竖井、地铁、厂房、储库、车库、车站、商场等地下工程边壁周围的岩体，简称围岩。在工程施工和使用过程中，承受工程建筑传来的荷载作用的工程岩体的稳定性，直接关系着施工期间和使用期间工程的安全，关系着工程建设的成功与失败。

岩石的主要矿物

矿物是存在于地壳中的具有-定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。其中，构成岩石的矿物称为造岩矿物。组成地壳的岩石都是在一定的地质条件下，由一种或几种矿物自然组合而成的矿物集合体。矿物的成分，性质及其在各种因素影响下的变化，都会对岩石造成影响。例如，岩石中的石英含量越多，钻孔的难度就越大，钻头、钻机等消耗量也就越多。
由于成分和结构的不同，每种矿物都有自已特有的物理性质，如颜色、光泽、硬度等。物理性质是鉴别矿物的主要依据。矿物的颜色分为自色、他色和假色，自色可以作为鉴别矿物的特征，而他色和假色则不能。例如，依据颜色鉴定矿物的成分和结构，依据光泽鉴定风化程度，依据硬度鉴定矿物类别，如表1.1.1所示。
表1.1.1矿物硬度

在实际工作中，常用可刻划物品来大致测定矿物的相对硬度，如指甲为2~2.5度，小刀为5~5.5度，玻璃为5.5~6度，钢刀为6~7度。

岩石的成因类型及其特征。

组成地壳的岩石按成因可分为岩浆岩(火成岩)、 沉积岩(水成岩)和变质岩三大类。

根据三大类岩石的特征描述，现将它们之间的主要区别归纳如表1. 1.2所示。

表1.1.2岩浆岩、沉积岩和变质岩的地质特征

土的组成

土是由颗粒(固相)、水溶液(液相)和气(气相)所组成的三相体系，各种土的颗粒大小和矿物成分差别很大，土的三相间的数量比例也不尽相同，而且土粒与其孔隙水溶液及环境水之间又有复杂的物理化学作用。根据组成土的固体颗粒矿物成分的性质及其对土的工程性质影响不同，组成土的固体颗粒矿物可分为原生矿物、不溶于水的次生矿物、可溶盐类及易分解的矿物、有机质四种。