《工程岩土学》教学指导书
（勘查技术与工程、土木工程岩土工程方向用）
王 清 陈慧娥 编
吉林大学建设工程学院岩土工程系
2008年12月
一．前 言
工程岩土学是研究与人类工程活动有关的各类岩土的学科，是工程地质学的基础学科。
岩土指的是任何处于人类工程活动影响下，具一定成因标志，并作为多相动态体系来研究的各类岩石、土和人为形成物。因而工程岩土学分为“土和土体的工程地质研究”和“岩石和岩体工程地质研究”两篇，本学期学习第一篇。通过学习使学生能从工程地质观点出发，来研究土和土体的基本特性，及对不良土体的工程地质性质改造。
本学科的发展是以四大基础学科即地质学、物理—化学、力学—数学和社会经济学为基础的，它采用各种基础地质学科如矿物学、岩土学、物理化学和胶体化学、工程力学、水文地质学、地貌及第四纪地质学和地质历史学等的成就，同时它自身的研究成果也从不同角度丰富着上述学科。因此，为提高教学效果，学生必须及时复习上述学科有关内容。
工程岩土学是一门实践性很强的学科，因此，本课程的教学环节包括课堂讲授和实验课两部分，并且每章结合教学和试验课安排了一定量的课外作业。大课以教师讲授为主要形式，为适应科学发展和当前经济发展的需要，教学内容必须是概念明确，重点突出，内容扼要，观点新颖。因此，要求学生作好课前预习、课上注意听讲、并作好扼要笔记，课后及时复习，按时提交课内外作业；试验课是本学科重要的教学环节之一，它不仅是消化和巩固大课讲授内容的有效途径，同时也培养了学生良好的动手能力；试验课要求同时掌握测定土性质常见指标的基本原理和操作方法，培养一个良好的治学态度，试验课采取教师讲解、示范表演及学生独立操作完成相结合的方式，每次试验后要求学生独立提交试验报告。
为更好地适应教学的需要，帮助学生了解各章节教学重点和基本要求，结合统编“工程岩土学”教材，我们编写了“工程岩土学教学指导书”供学生使用。
二．教学内容安排
工程岩土学第一篇“土和土体工程地质研究”总计安排48学时，其中大课讲授38学时；4次试验课，共计10学时，6次课外作业。
三．参考书籍
自1988年起本课程使用的基本教材改用地质出版社1987年出版的由唐大雄主编的“工程岩土学”。有关参考书如下，学生可根据实际情况选用下列书籍：
1. 工程地质学（上册） 兰州大学 张咸恭 编
（1979年出版）
2. 工程地质学 南京大学 编（1982年出版）
3. 工程岩土学 [苏] E.M. 谢尔盖耶夫 主编，孔德坊 等译（1990年出版）
4. Fundamentals of soil
behavior. James K Mitchell (1976年出版)
5. 岩土工程土性分析原理 [美] J.K.米切尔 著，高国瑞 译（1988年出版）
6. 近代土质学 南京建筑工程学院 高国瑞
著（1990年出版）
7. 水电部土工试验规程 水电部（1979年出版）
8. 地矿部土工试验规程 地矿部（1984年出版）
四．各章节学习要求、复习思考题及课外作业
第一章 土的物质组成
掌握土和土体的基本概念，一般了解土和土体的形成和演变过程，了解各种不同成因类型土体的工程地质特征。
固相土粒是土的最主要的物质组成，液相部分的作用则通过固相而表现出土体性质的各异。因而本章重点为粒度成分、矿物成分及土中的水。要求了解土粒组划分方案，并能具体应用，初步了解组成土的主要矿物特点，重点掌握各主要类型粘土矿物的基本特性及其对土性质的作用；一般了解土中水的基本类型，重点掌握土粒表面结合水的形成和性质；一般了解土中化学成分和土中的气体。
复习思考题
1.
何谓土和土体？它们的区别是什么？
2.
从成因类型上说明各类土体的工程地质特征。
3.
土是由什么组成的？为什么？
4.
何谓粒组？粒组的划分应遵循什么原则？
5.
粒径、粒组、粒度成分和粒度分析有何区别？
6.
怎样测定土的粒度成分？半对数累积曲线有什么用途？
7.
何谓粘土、粘性土、粘土矿物和粘粒？
8.
我国目前存在哪几种主要粒度成分的分类方法？地矿部土工试验规程怎样按粒度成分对土进行定名的？
9.
组成土的矿物主要有哪几类？各类矿物有哪些主要特点？
10. 粘土矿物通常主要分哪几种类型？各类粘土矿物的基本特性是什么？它们怎样影响土的性质？
11. 土的粒度成分与矿物成分有什么关系？
12. 土中水的划分原则是什么？通常分几种类型？各种类型水的主要特征是什么？
13. 土粒表面结合水是怎样形成的？影响粘性土结合水厚度的因素有哪些？
14. 论述土孔隙中的水基本类型及其对土的工程地质性质的影响。
课外作业
1.
经筛分析法测得下列各土样（1-4）粒组的百分含量，请将各粒组百分含量换算成累积百分含量，并绘制出半对数累积曲线，最后按地质部84年“土工试验规程”中粒度成分分类定出土的名称。
表1-1
|
土样 编号 |
各粒组辈分含量（%） |
各粒组累积含量（%） |
|||||||
|
>2mm |
2-0.5 |
0.5-0.25 |
0.25-0.1 |
<0.1 |
>2mm |
>0.5 |
>0.25 |
>0.1 |
|
|
1-1 |
52.0 |
20.5 |
14.0 |
8.0 |
5.5 |
|
|
|
|
|
1-2 |
0 |
19.5 |
25.5 |
29.0 |
26.0 |
|
|
|
|
|
1-3 |
0 |
20.5 |
25.4 |
40.1 |
14.0 |
|
|
|
|
|
1-4 |
40.0 |
35.9 |
13.0 |
9.6 |
1.5 |
|
|
|
|
注：以上各土样粘粒含量均小于6%
2.
经比重计法测得下列各土样（5-6）各粒组的累积百分含量，请将结果绘制成半对数累积曲线，查出分界粒径（<2mm, <0.075mm, <0.005mm）的累积含量，计算各粒组的百分含量，并按地矿部粒度分类定出土的名称。
表1-2
|
土样 编号 |
各粒组累积百分含量% |
|||||||||||
|
<2mm |
<0.5 |
<0.25 |
<0.1 |
<0.073 |
<0.051 |
<0.036 |
<0.024 |
<0.014 |
<0.010 |
<0.005 |
<0.003 |
|
|
1-5 |
100.0 |
96.0 |
93.5 |
86.4 |
82.5 |
75.4 |
67.3 |
35.5 |
24.9 |
19.6 |
11.5 |
9.0 |
|
1-6 |
100.0 |
100.0 |
96.0 |
83.5 |
72.6 |
68.3 |
67.4 |
61.0 |
56.1 |
47.2 |
42.0 |
32.9 |
表1-3
|
土样 编号 |
各粒组累积百分含量（％） |
各粒组的百分含量（％） |
土样 定名 |
|||||
|
<2mm |
<0.05 |
<0.005 |
>2mm |
2~0.05 |
0.05~0.005 |
<0.005 |
||
|
1-5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1-6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3.
下列土样（7-11）室内颗粒分析成果如表，请按地矿部粒度分类定出土的名称。
表1-4
|
土样编号 |
各粒组的含量% |
土样名称 |
|||
|
砾粒组 >2mm |
砂粒组 2~0.05 |
粉粒组 0.05~0.005 mm |
粘粒组 <0.005 mm |
||
|
1-7 |
0 |
20.0 |
78.0 |
2.0 |
粉土 |
|
1-8 |
2.0 |
8.5 |
81.0 |
8.5 |
粉质亚砂土 |
|
1-9 |
0 |
20.5 |
44.0 |
35.0 |
粉质轻粘土 |
|
1-10 |
0 |
42.0 |
40.0 |
78.0 |
中亚粘土 |
|
1-11 |
5.0 |
75.0 |
14.3 |
5.7 |
砂土 |
第二章 土粒与水的相互作用
本章研究内容为工程岩土学的重要基础理论，引用胶体化学和土化学的理论阐述土粒与水作用后所表现的特性。重点掌握粘粒的双电层和电性质的实质。明确双电层和结合水的关系，充分了解扩散层厚薄对粘性土工程地质性所起作用和实际意义。了解土粒表面结合水是怎样形成及影响扩散层结合水数量的因素，一般了解高子交换及影响因素。
复习思考题
1.粘粒为什么具有电性质？
2.什么是双电层和结合水？
3.何谓热力学电位？电动电位？电动电位与扩散层和结合水有什么关系？
4.影响粘粒扩散层厚度的因素是什么？
5.何谓离子交换？离子交换出现的实际结果是什么？
6. 试讨论利用粘土矿物结构和带电特性来利用和改良粘土的工程性质。
第三章 土宏观结构和微观结构
明确土的宏观结构和微观结构的涵义；了解不同土结构特征对土性质影响；着重掌握土的不同结构连结实质，一般了解土结构研究的发展史及前景；一般掌握不同土的基本结构类型。
复习思考题
1.土结构涵义是什么？什么是土的宏观结构和微观结构？
2.土的结构连结按连结物质的连结作用力各有那些形式？
3.土的基本结构类型划分依据？
4.卵砾类土、砂类土和粘性土在结构上各有什么不同的特点？
第四章 土的物理性质
土的物理性质、水理性质是土最基本的工程地质性质，其指标在工程计算中直接被应用。必须明确土的密度、土粒密度、土的含水性和土中孔隙的意义、指标的定义、表达式和实际应用；熟练进行各指标的换算；重点掌握粘性土的稠度和可塑性的实质及影响因素；并配合实验课了解哪些指标与地基土承载力有直接关系，一般了解粘性土的膨胀和收缩性、毛细性和透水性。
复习思考题
1.
土的基本物理性质指标包括哪些？它们的定义和表达式是什么？各指标是怎样求得的？
2.
什么是粘性土的稠度？稠度变化的本质是什么？
3.
粘性土为什么可塑？而砂土为什么不可塑？
4.
影响粘性土可塑性的因素主要有哪些？
5.
粘性土的稠度和可塑性的评价指标各是什么？各有哪些主要应用？
6.
怎样应用液性指标和塑性指数判断土的稠度状态和进行土分类？
7.
简单解释粘性土的塑限、塑态、塑性、塑性指数的不同点。
8.
为什么有些土会膨胀而另一些土则不会膨胀？影响粘性土胀缩性的因素有哪些？
9.
从双电层的理论说明土的塑性、膨胀性和收缩的现象。
10. 评价粘性土胀缩性有哪些指标？
11. 粘性土和无粘性土透水性和毛细性有什么不同特点？主要影响因素是什么？
12. 比较分析粒度成分分类法和塑性指数分类法的差别及其适用条件。
13. 比较孔隙比和相对密实度这两个指标作为砂土密实度评价指标的优点和缺点。
14. 既然可用含水量表示土中含水的多少，为什么还要引入液性指数来评价粘性土的软硬程度？
15. 比较砂粒和粘粒粒组对土的物理性质的影响。
16. 进行土的三相指标计算至少必须已知几个指标，为什么？
课外作业题
1.
对某场地勘察的粘性土地层，用72 cm3的环刀取样，称得湿土质量为129.1克，烘干后称得干土质量101.5克，土粒密度为2.7克/厘米3，求该粘性土的w，
,
，
，
，
，
；若室内测得
＝39.8%，
＝20.6%，试用
定出土的名称，并用
评价土的稠度状态。
2.
直径11cm，高15cm的取土筒内装满湿细砂，称得湿砂的实际质量为2281克，求湿砂的天然密度
；取该湿砂14.3克烘干，称得干砂质量为13克，求湿砂的天然含水率w；取该干砂15.7克在比重瓶中测得其体积为5.9cm3，求该细砂的土粒密度
；根据实测的三个指标计算此细砂的干密度
，孔隙率
，孔隙比
和饱和度
，并用
评价其密实程度，用
评价其饱和状态。
3.
两个粘性土试样，测得有关指标如下表：
表4-1
|
土样编号 |
|
|
w(%) |
|
|
|
4-1 |
40 |
20 |
25 |
2.70 |
100 |
|
4-2 |
28 |
19 |
17 |
2.70 |
100 |
问下列结论是否正确？为什么
① 1号土比2号土含有更多的粘粒；
② 1号土比2号土具有更大的土的密度；
③ 1号土的干密度大于2号土的干密度；
④ 1号土的天然孔隙比要大于2号土；
4. 经试验测得各土样的含水率w、液限
和塑限
如下表：
表4-2
|
土样 编号 |
w |
|
|
|
土的 |
|
稠度状 态 |
||
|
按水电62年 |
按74地基规范 |
按地矿部84年规范 |
|||||||
|
4-3 |
19.9 |
35.0 |
20.4 |
|
|
|
|
|
|
|
4-4 |
20.5 |
40.0 |
21.0 |
|
|
|
|
|
|
|
4-5 |
30.0 |
45.4 |
20.4 |
|
|
|
|
|
|
|
4-6 |
24.0 |
21.0 |
16.0 |
|
|
|
|
|
|
|
4-7 |
24.0 |
21.0 |
16.0 |
|
|
|
|
|
|
|
4-8 |
24.8 |
20.0 |
17.1 |
|
|
|
|
|
|
试求各土样的塑性指数
和液性指数
，并按
分类定出土的名称，用
评价土的稠度状态。
5. 当土的干密度
＝1.73g/cm3，孔隙比
＝0.55时，求
a：饱和度
＝50%时，土的密度
＝？
b: 饱和度
＝100%时，土的密度
＝？
c： 饱和度
＝100%时，土存在于油（
oil=0.9g/cm3）中，土的密度
＝？
6. 饱和粘性土的含水率w=160%，土粒密度
＝2.40g/cm3，求土的干密度
和饱和度
＝？
7. 试证明以下关系式
1）
2）
8. 土样试验数据见表，求表内空白项的数值
|
土样号 |
(g/cm3) |
(g/cm3) |
(g/cm3) |
w (%) |
e |
n |
Sr |
体积 (cm3) |
土重(g) |
|
|
湿 |
干 |
|||||||||
|
4-9 |
|
2.65 |
|
34 |
|
0.48 |
|
— |
— |
— |
|
4-10 |
1.73 |
2.71 |
|
|
0.73 |
|
|
— |
— |
— |
|
4-11 |
1.90 |
2.71 |
1.45 |
|
|
|
|
|
19.0 |
14.5 |
|
4-12 |
|
2.65 |
|
|
|
|
100 |
86.2 |
162 |
|
9. 已知土的试验指标为
，
，
，求
、
、
。
10. 已知粘性土的液限为41%，塑限为22%，饱和度为0.98，孔隙比为1.55，土粒密度为1.75g/cm3，计算塑性指数、液性指数并确定粘性土的状态。
第五章 土的力学性质
土的力学性质是土主要的工程地质性质，土的压缩性和抗剪性为两项重要的基本力学性质，掌握不同的试验原理和主要指标测定方法及影响各指标的因素，深入了解粘性土和无粘性土力学性质的不同特点。一般了解土的击实性及其本质。
复习思考题
1.
什么是土的压缩性？土为什么能被压缩？
2.
土的压缩曲线是怎样得来的？它有什么应用？
3.
表征土的压缩性指标有哪些？各用什么方法求得？
4.
土的压缩系数、压缩指数、压缩模量和变形模量有何异同？
5.
土的内摩擦角和内聚力是什么？何谓土的抗剪强度？粘性土和无粘性土的抗剪强度有何区别？
6.
何谓土的先期固结压力和超固结比？
7.
什么是土的残余强度，长期强度和蠕变？
8.
简述“快剪”、“慢剪”和“固结快剪”的异同点。
9.
粘性土和无粘性土在其力学性质方面各有什么不同特点，为什么？
10. 影响土力学性质的主要因素是什么？
11. 解释土的击实性、最大干密度、最优含水率、临界功、合理功。
12. 试述矿物成分对粘土抗剪强度影响的机理。
13. 比较直剪试验和三轴试验的土样的应力状态有什么不同。
课外作业题
1.
各土样压缩试验成果如表（5-1），试将成果绘制成压缩曲线，计算各土样的
、
、
、
、
，并根据
或
评价土的压缩性。
表5-1
|
土样编号 |
各级荷载（MPa）下的 |
||||
|
天然 |
0.05MPa
|
0.1MPa
|
0.2MPa
|
0.3MPa
|
|
|
5-1 |
0.930 |
0.810 |
0.740 |
0.685 |
0.655 |
|
5-2 |
0.715 |
0.680 |
0.660 |
0.655 |
0.650 |
|
5-3 |
0.750 |
0.725 |
0.710 |
0.690 |
0.685 |
|
5-4 |
0.700 |
0.650 |
0.620 |
0.580 |
0.575 |
表5-1
|
各级压缩系数(MPa-1) |
压缩模量
|
土的压缩性 |
|||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.
根据土的沉降量计算公式，计算下表（表6-2）中各土层在P1=0.1MPa和P2=0.2MPa的情况下，每1米厚的土层沉降量S值各为多少？
或
表5-2
|
土样编号 |
P1=0.10Mpa
|
P2=0.20MPa
|
MPa-1 |
MPa |
S cm |
|
5-5 |
0.930 |
0.840 |
|
|
|
|
5-6 |
0.690 |
0.620 |
|
|
|
|
5-7 |
0.700 |
0.670 |
|
|
|
|
5-8 |
0.660 |
0.650 |
|
|
|
3. 下列各土样直剪试验成果值如表5-3，将成果绘制成剪切曲线，并求出各土样的抗剪强度指标C、
值。
表5-3
|
土样编号 |
垂直压力σ(MPa) |
内摩擦角 φ（度） |
内聚力 C(MPa) |
|||
|
0.1 |
0.2 |
0.3 |
0.4 |
|||
|
5-9 |
0.15 |
0.175 |
0.200 |
0.225 |
|
|
|
5-10 |
0.10 |
0.120 |
0.135 |
0.160 |
|
|
|
5-11 |
0.05 |
0.065 |
0.085 |
0.100 |
|
|
|
5-12 |
0.05 |
0.199 |
0.155 |
0.200 |
|
|
4.
一饱和粘土试样在压缩仪中进行压缩试验，该土样原始高度为20mm，面积为30mm2，土样与环刀总重为175.6g，环刀重58.6g。当荷载由p1=100kPa增加至p2=200kPa时，在24小时内土样的高度由19.31mm减少至18.76mm。试验结束后烘干土样，称得干土重为91.0g。
（1）计算与p1及p2对应的孔隙比e1及e2
（2）求a1-2及Es1-2，并判断该土的压缩性。
第六章 土的工程地质分类及各类土的工程地质性质
本章是在充分掌握前六章所学内容的基础上，阐述各主要类型土的工程特性，并对土进行工程地质分类。要求一般了解土分类的原则、意义，掌握土分类的实质，了解我国主要的分类（水电部、地矿部、国家建委和统一分类）的方法，学会对土进行正确定名；学会从成分、结构特征出发评价三大类（砾类土、砂类土、粘性土）的工程地质特征；对特殊土着重掌握黄土、淤泥质土、膨胀土和红土的工程地质特征及具体评价，一般了解其它类型特殊土。
复习思考题
1.
我国建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)、岩土工程勘察规范(GB50021-01)中对土是怎样分类定名的？
2.
91年国家颁布的“土的分类标准”对土是怎样分类定名的？
3.
比较塑性指数分类法和塑性图分类法，说明它们的区别和适用条件。
4.
从物质组成和结构特征上分析黄土、淤泥质土和膨胀土的工程地质特征。
5.
何谓黄土的湿陷性？黄土为什么具有湿陷性？怎样判定黄土是否具有湿陷性？
6.
红土、红粘土有何区别？
7.
什么原因引起冻胀？
课外作业题
1.
下列各土样试验成果如表6-1，请分别按水电部79年分类、水电部62年粒度分类和国家建委《TJ21-77》规范确定土的名称。
表6-1
|
|
颗粒分析成果 |
||||||
|
|
>2mm |
2~0.5 |
0.5~0.25 |
0.25~0.1 |
0.1~0.05 |
0.05~0.005 |
<0.005 |
|
6-1 |
10.0 |
39.0 |
30.0 |
9.0 |
8.0 |
2.0 |
2.0 |
|
6-2 |
55.0 |
30.0 |
20.0 |
20.0 |
26.0 |
12.0 |
0 |
|
6-3 |
9.0 |
17.0 |
18.0 |
29.0 |
8.5 |
16.0 |
2.5 |
|
6-4 |
28.0 |
23.0 |
35.0 |
10.0 |
4.0 |
0 |
0 |
表6-1
|
塑性试验（<0.1mm） |
土样定名 |
||||
|
|
|
|
按79年水电部分类 |
62年水电部粒度分类 |
国家建委《TJ21-77》规范分类 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.
下列各土样的试验成果如表6-2，分别按地基基础设计规范、岩土勘察规范和国家统一分类的规定确定土的名称。
表6-2
|
土样编号 |
颗粒分析成果 |
塑性试验 |
||||
|
<2mm |
2-0.075 |
<0.075 |
|
|
|
|
|
6-5 |
0 |
22.0 |
78.0 |
45.0 |
28.0 |
|
|
6-6 |
8.0 |
35.0 |
57.0 |
21.0 |
16.0 |
|
|
6-7 |
0 |
13.0 |
87.0 |
29.0 |
20.0 |
|
|
6-8 |
3.0 |
37.0 |
60.0 |
22.0 |
19.0 |
|
|
6-9 |
0 |
14.0 |
86.0 |
45.0 |
29.0 |
|
3.
某地有上下两层湿陷性黄土，每层厚度都是4米，其下为非湿陷性土，室内试验结果的平均值如下表6-3，请回答：
（1）
请绘制上下两层土的P-S曲线，并从曲线上查出该两层土各自的起始湿陷压力
；
（2）
用湿陷系数
分别评价上下两层黄土的湿陷程度如何。
（3）
求算上下两层黄土的湿陷程度如何？（提示：用每层土饱和自重压力与起始湿陷压力对比，确定是否是自重湿陷性黄土，并试算每层土各从多大深度开始属于自重湿陷。）
（4）
上下两层湿陷性黄土的容许承载力[R]各是多少？（用
/
和w查湿陷性黄土地区建筑规范），见表6-4.
表6-3
|
|
g/cm3 |
g/cm3 |
w % |
|
g/cm3 |
n |
% |
时的 |
(%) |
(%) |
|
上层土 |
2.73 |
1.52 |
17 |
|
|
|
|
|
24.2 |
16.0 |
|
下层土 |
2.71 |
1.65 |
19 |
|
|
|
|
|
32.0 |
18.0 |
|
|
|
MPa-1 |
|
|
|||
|
0.05MPa |
0.10MPa |
0.15MPa |
0.20MPa |
|
|||
|
|
|
0.30 |
0.09 |
0.35 |
0.55 |
0.66 |
|
|
|
|
0.33 |
0.08 |
0.15 |
0.23 |
0.30 |
|
一般湿陷性黄土的容许承载力[R]( 
10KPa) 表6-4
|
w %
|
<10 |
13 |
`6 |
19 |
22 |
25 |
28 |
|
22 |
19 |
18 |
17 |
15 |
13 |
11 |
- |
|
25 |
21 |
19 |
18 |
16 |
14 |
12 |
10 |
|
28 |
23 |
21 |
19 |
17 |
15 |
13 |
11 |
|
31 |
25 |
23 |
21 |
19 |
17 |
15 |
13 |
|
34 |
- |
25 |
23 |
21 |
19 |
17 |
15 |
|
37 |
- |
- |
25 |
223 |
21 |
19 |
- |
注：[R]的中间值可以用插入法
第七章 人工土质改良
简要了解人工土质改良的基本原理和适用范围，明确人工土质改良的基本方法和选择人工土质改良方法的原则。
复习思考题
1.
选择土质改良方法的基本原则是什么？
2.
人工土质改良的基本方法有哪些？