1、第一篇 工程地质基础知识,1 工程地质概述,工程地质学 介于地质学与工程学之间的一门交叉学科，研究土木工程中的地质问题，也就是研究在工程建筑设计、施工和运营的实施过程中合理地处理和正确的使用自然地质条件和改造不良地质条件等地质问题，是为了解决地质条件与人类工程活动之间矛盾的一门实用性很强的学科。,地质作用（Geological Process） 在地质历史发展的过程中，由自然动力引起的地球和地壳物质组成、内部结构及地表形态不断变化发展的作用。 内力地质作用 由地球自转产生的旋转能等引起，表现为岩浆活动，地壳运动和变质作用。 外力地质作用 由太阳辐射能和地球重力势能引起，风化，剥蚀和搬运、沉积。
2、 两种地质作用相互联系 上升剥蚀； 下降沉积。,1.1 地质作用,1.2.1 矿物 矿物 地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然元素或化合物。 构成岩石的矿物称为造岩矿物。 石英（SiO2）、正长石（KAlSi3O3）、方解石（CaCO3）。表1.1最主要造岩矿物的特征。 种类 原生矿物：由岩浆冷凝而成，石英、长石等； 次生矿物：由原生矿物风化而成，长石风化成高岭石。,1.2 矿物和岩石,矿物,岩石,地壳,1.2.2 岩石 按成因分类：岩浆岩、沉积岩、变质岩。 岩石的主要特征 矿物成分 结构 岩石中矿物颗粒的结晶程度、大小和形状及其彼此间的组合方式等特征。 构造 岩石中矿物的排列方式及填充方式
3、。 岩石的工程性质由岩石的特征决定。 金刚石与石墨的区别。,岩浆岩（Magmatic Rock） 又称火成岩（Igneous Rock） 由地球内部的岩浆侵入地壳或喷出地面冷凝形成。 典型 花岗岩、玄武岩。 沉积岩（Sedimentary Rock） 又称水成岩（Hiydrogenic Rock）岩石经风化、剥蚀成碎屑，经流水、风或冰川搬运至低洼处沉积，经压密或化学作用胶结成沉积岩。 典型 石灰岩、砾岩、砂岩。,沉积岩组分 碎屑矿物、粘土矿物、化学沉积矿物和有机质及生物残骸以及胶结物。 胶结物 硅质：岩石致密坚硬、强度高； 铁质：常为红色或紫红色，强度较高； 钙质：遇冷稀盐酸起泡，强度中等；
4、泥质：岩石质地松软、强度低、易湿软、易风化。 沉积岩分类参看教材表1.3。 变质岩（Metamorphic Rock） 由原来的岩石在地壳中受到高温、高压及化学成分加入的影响，在固体状态下发生矿物成分及结构构造变化后形成 的新的岩石。 典型 大理石,岩石的工程性质 岩石的工程性质 包括物理性质、水理性质和力学性质，常用一些指标表示，参见教材表1.5、表1.6。 岩石的工程分类 依据：岩土工程勘察规范（GB50021-2001）。 按岩石的坚硬程度分类 划分标准：饱和单轴抗压强度标准值Rc。 硬质岩石：饱和单轴极限抗压强度 fr30MPa，常见：花岗岩、石灰岩、玄武岩。 软质岩石：fr30MPa
5、，页岩、泥岩。,按岩体完整性分类 完整性：岩体压缩波速与岩块压缩波速之比的平方。按岩体基本质量等级分类 根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度综合可分为五级。 具体分类参见教材表1.9。 岩石质量指标RQD分类 美国伊利诺斯大学提出并发展。 用直径75mm钻头和双层套管在岩石中钻进，连续取芯，以此钻进所取岩芯中大于10cm的岩芯段长度之和与该段进尺的比值作为RQD值，以百分数表示。,风化作用 地壳表层的岩石在太阳辐射、大气、水和生物等风化营力的作用下，发生物理和化学变化，使岩石崩解破碎以致逐渐分解的作用，称为风化作用（Weathering）。 根据主要的营力以及岩石变化的性质分为： 物理风化 化学风
6、化 生物风化,1.3 风化作用,物理风化 指岩石、矿物在原地发生机械破碎而不改变其化学成分的过程。 方式：温差风化、冰劈作用、盐类结晶胀裂作用等，主要发生在温差风化强烈的地区。 结果：岩石的整体性遭到破坏，随风化加剧，逐渐成为岩石碎屑和松散的矿物颗粒。 化学风化 指岩石、矿物在地表发生化学变化并可产生新矿物的过程。 原因：水和氧。,生物风化 指岩石在动、植物及微生物的影响下发生的破坏作用，有物理和化学两种方式。 土壤 具有腐殖质、矿物质、水和空气的松散物质。 岩石按风化程度分类 未风化； 微风化； 中等风化； 强风化； 全风化； 残积土。,土 岩石风化、剥蚀成岩屑、粘土矿物及化学溶解物质，经搬
7、运、沉积而成的沉积物，年代不长，未压密硬结成岩石前，呈松散状态，第四纪沉积层。,1.4 土的成因类型,搬运、沉积,风化,残积土 母岩表层经风化作用破碎成岩屑或细小颗粒后，未经搬运残留在原地的堆积物。 裂隙多，无层次，平面分布和厚度不均匀。 以此层作为建筑物地基，应注意不均匀沉降和土坡稳定问题。 具有一定结构强度，原位测试结果远远大于室内试验结果。 坡积土 流水将山顶岩屑顺着斜坡搬运到较平缓的山坡或山麓处，堆积成坡积层。 颗粒物由坡顶向坡脚逐渐变细，坡度越来越平缓。 厚度不均匀，土质极不均匀，空隙大，压缩性高。 作为建筑地基应注意不均匀沉降和地基稳定性。 香港宝成大厦。,洪积土 山洪急流冲刷搬运
8、岩屑，流至山谷口与山前倾斜平原，堆积成洪积层。 有分选，近粗远细。 谷口窄陡，谷口外宽缓，形状如扇，也称洪积扇。洪积扇相互连接构成更大规模的洪积群或洪积冲积平原。 洪积层一般划分为三个工程地质条件不同地段： 靠近山坡沟口，粗碎屑，空隙大，透水性好，地下水埋藏深，压缩性小，承载力高，是良好的天然地基； 外围，细屑，沉积过程受到周期性的干燥，粘土颗粒发生凝聚并析出可溶性盐分，则承载力比较高； 两地段的过渡带，常有地下水溢出，水文地质条件不良，不宜作为建筑地基。,冲积土 由河流的流水将岩屑搬运、沉积在河床较平缓地带，形成的沉积物称为冲积层。 浑圆度分选性明显，土层交迭。 河床相冲积物 主要沉积在河流
9、上游，多由砂、砾、卵石组成，优良建筑地基。 河漫滩相 河床以外，洪水期间被淹没的平坦地带，平原河谷多见。沉积土其下为砂砾卵石等粗粒物质，上部为河水泛滥时沉积的细粒物质、局部夹有淤泥和泥炭层。 牛轭湖相 河流截弯取直后淤塞的古河道，沉积物主要为静水沉积，一般由淤泥和泥炭组成，天然含水率大，抗压、抗剪强度小，容易发生压缩变形。,河口三角洲相 河流入海（湖）口范围内形成的沉积物。沉积物颗粒细，含水率大，呈饱和状态。上层由于长期的干燥和压实形成“硬壳层”，工程中适当加以应用。 湖积土 分为湖边沉积物和湖心沉积物。 湖边沉积物具有明显的斜层理构造，近岸承载力高，远岸较低。 湖心沉积物主要为淤泥和粘土，常
10、夹有细砂、粉砂薄层，压缩性高，强度低。 湖泊淤塞形成沼泽，沼泽土主要由半腐烂的植物残体泥炭组成的，泥炭的含水率极高，承载力极低，一般不宜作为天然地基。,海积土 海洋分类 滨海带、浅海区、陆坡区和深海区。 滨海相沉积物（Marine Deposits） 主要由卵石、圆砾和砂组成，具有基本水平或缓倾的层理构造，其承载力较高，但透水性较大。 浅海沉积物 主要由细粒砂土、粘性土、淤泥和生物化学沉积物组成，具层理构造，较滨海相沉积物疏松、含水率高、压缩性大且强度低。 陆坡和深海沉积物 主要由有机质软泥构成。 注意 海底表层砂砾层很不稳定，受海浪影响巨大，使用时应慎重对待。,风积土（Eolian Depo
11、sits） 在干旱气候条件下，岩石的风化碎屑物被风吹扬，搬运一段距离后，在有利的条件下堆积起来的一类土，常见风成砂和风成黄土。 冰积土（Glacial Deposits） 由冰川或冰水夹带搬运所形成的沉积物，不均匀。,地质构造（Geologic Structure） 在地质历史发展演变过程中，地壳在内、外力地质作用下，不断运动、发展和变化，所造成的各种不同的构造形迹，如褶皱、断裂等。 1.5.1 地质构造 褶皱构造（Fold） 组成地壳的岩层，受构造应力的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。 岩层的一个弯曲称为褶曲，是褶皱的基本单元。,1.5 地质构造,褶曲的基本形式 背斜 核
12、部老岩层和翼部新岩层责成，横剖面呈凸起弯曲的形态。 向斜 核部新岩层和翼部老岩层组成，横剖面呈向下凹曲的形态。 背斜成谷，向斜成山！ 破面稳定性 逆向坡 顺向坡 顺向坡的稳定性与岩石性质、倾角大小和有无软弱结构面等因素有关。,断裂构造 岩体受力断裂，使原有的连续完整性遭受破坏形成断裂构造。 节理（Joint） 沿断裂面两侧的岩层未发生位移或仅有微笑错动的断裂构造。 断层（Fault） 发生相对位移的断裂构造。 组成部分 上盘、下盘和断层面。 断层分类 正断层； 逆断层； 平移（推）断层。,断层带 断层面是具有一定宽度的断层带。断层规模越大，断层带越宽，破坏程度越严重。 断层形成的年代越新，则断
13、层的活动可能性越大。活动性的断层带常潜伏着发生地震的可能。 营口郯州庐江大断裂带，超过2000km，多次发生大地震，1668年山东郯城8.5级地震；1969年渤海7.4级；1975年海城7.3级。 全新活动断层； 发震断层； 工程活断层。 工程设计原则上应避免将建筑物放在断层带上，尤其姚注意避开近期活动的断层带。,1.5.2 地质年代 地质年代 指地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相应的时代段落。 地质年代划分 相对地质年代 根据古生物的演化和岩层形成的顺序，将地壳历史划分成一些自然阶段。 地质学中，根据地层对比和古生物学方法把地质相对年代划分为五大代。 太古代、元古代、古生代、中生代
14、和新生代。 地层单位 界、系、统、阶。 第四纪沉积物 由原岩风化物经各种外力地质作用（剥蚀、搬运、沉积）形成尚未胶结硬化的沉积物。,1.6.1 滑坡（Landslide） 我国滑坡发生次数多，灾害严重！ 山坡失稳原因 外因 人类活动 在山麓建房，为利用土地削去坡脚； 在坡上建房，增加坡面荷载； 生产与生活用水大量入渗坡积物，降低土抗剪强度。 自然环境因素 坡脚被河流冲刷，使原天然边坡变陡； 当地连降暴雨，大量雨水入渗，降低土的内摩擦角。 内因 组成斜坡的岩土性质、结构构造和斜坡的外形。,1.6 不良地质条件,平移滑动,崩塌,旋转滑动,流滑,滑坡灾害应对 以预防为主，场址选择在相对稳定的地段，避
15、免大挖大填。 处理方法 加强滑坡体排水； 建造支挡结构物； 减重与反压护坡等措施； 化学加固。 1.6.2 河道冲淤 平原河道凹岸受水流的冲刷产生塌岸； 凸岸水流流速慢，产生淤积。 多沙河尤为严重。 三十年河东，三十年河东！,地下水（Groundwater） 埋藏和运移在地表以下岩土层空隙中的水。 1.7.1 地下水的埋藏类型 透水层、隔水层和含水层。 上层滞水（Perch Ground Water） 积聚在局部隔水层上的水。 范围小，雨水补给，季节性明显，水位变化幅度较大； 减弱地基强度，寒冷地区易引起道路的冻胀和翻浆。,1.7 地下水,潜水（Phreatic Water） 自地表向下第一个
16、连续稳定隔水层之上的含水层中，具有自由水面的重力水。 潜水的自由睡眠称为潜水面； 潜水面的标高称为潜水位； 潜水面至地面的垂直距离称为潜水埋藏深度； 由潜水面往下到隔水层顶板之间充满重力水的部分称为含水层厚度。 雨水、河水补给，有季节性变化。埋藏深度各地区不同。 承压水（Pressure Water） 充满于两个隔水层间的含水层中承受水压力的地下水。 通常存在于砂卵石层。 自流井。,1.7.2 地下水的运动规律 渗流（Seepage） 地下水在岩土体空隙中的运动。 渗透性（Permeability） 岩土体可被水透过的性质。 达西定律 水在单位时间内通过容器中砂土的流量Q与渗透长度L成反比，而与容器的横截面积Aw、上下两测压管的水头差h以及砂土的渗透系数k成正比。,1.7.3 渗透破坏 渗流破坏类别 由于渗流力作用，使土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳。 流砂和管涌。 由于渗流作用，水压力或浮力发生变化，导致土体或结构物失稳。 岸坡滑动或挡土墙等构筑物整体失稳。 渗流力（Seepage Force） 单位体积土颗粒所受到的渗流作用力。 流砂和管涌 土体在向上的渗流力作用下，颗粒间有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象。,1.7.4 地下水对工程的影响 基础埋深 寒冷地区冻胀。 地下室防水 空心结构物浮起 地下水位升降变化 上升与下降 地下水对混凝土的侵蚀,
