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第二章第二章 工程地质基本知识工程地质基本知识 1.1 1.1 概述概述 1.2 1.2 第四纪沉积层第四纪沉积层 1.3 1.3 地下水地下水 1.1 1.1 概述概述 1.1.1、地质作用 建筑场地的地形、地貌和组成物质（土与岩石）的成分、 分布厚度及特性，取决于地质作用。 1、内力地质作用： 一般认为是，由于地球自转产生的旋转能和放射性元素 蜕变产生的热能等引起地壳物质成分、内部构造以及地表形 态发生变化的地质作用。eg. 岩浆活动，地壳运动（构造运 动）和变质作用。 构成天然地基的物质是地壳中的岩石和土。地壳厚度为 3080km，它的物质、形态和内部构造是在不断地改造和演 变的。导致地壳成分变化和构造变化的作用，称为地质作用地质作用 。可分为内力地质作用和外力地质作用。 2、外力地质作用： 由太阳辐射能和地球重力位能引起。 eg. 昼夜和季节气温 变化，雨雪、山洪、河流、冰川、风及生物等对母岩产生的风 化、剥蚀、搬运与沉积作用。 昼夜和季节以及气温的变化,可使地表各种原岩不断发生 热胀脱离,冷缩开裂等机械破碎。水和水溶液的存在，可使原 岩不断发生水化、氧化、碳酸盐化、溶解以及缝隙水冻胀引起 崩裂化学变化和机械破碎。动植物和微生物的活动，也可使原 岩不断发生机械破碎和化学变化。这种外力（包括大气、水、 生物）对原岩机械破碎和化学变化的作用，统称为风化作用。 外力地质作用过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积，是彼此外力地质作用过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积，是彼此 密切联系的。风化作用为剥蚀作用创造了条件，而风化、剥蚀密切联系的。风化作用为剥蚀作用创造了条件，而风化、剥蚀 、搬运又为沉积作用提供了物质的来源。、搬运又为沉积作用提供了物质的来源。 1.1.2、地质年代 1.1 1.1 概述概述 土与岩石的性质与其生成的地质年代有关。一般说来， 生成年代越久，土与岩石的工程性质越好。 地质年代是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。地球形成至今大约有60亿年的历史 ，在这漫长的地质年代里，地壳经历了一系列复杂的演变过 程，形成了各种类型的地质构造和地貌以及复杂多样的岩石 和土。 地质年代有绝对和相对之分，相对地质年代在地史的分析 中广为应用。它是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。分为五大代（太古代、元古 代、古生代、中生代和新生代），每代又分为若干纪，每纪 又细分为若干世及期。在每一个地质年代中，都划分有相应 的地层。地质年代和地层单位、顺序和名称的对应关系如下 表。 通常所说的土为新生代第四纪更新世（距今约100万年） ，更新世又分为早更新世（Q1）、中更新世（Q2）、晚更新 世（Q3），其后为全新世（Q4）。 1.1 1.1 概述概述 地质年代和地层单位、顺序、名称的对应关系 地质质年 代 代纪纪世期 地层单层单 位 界系统统阶阶(层层) 纪(系) 1.2 1.2 第四纪沉积层第四纪沉积层 地表的岩石经风化，剥蚀成岩屑，又经搬运、沉积而成的 沉积物，年代不长，未经压紧硬结成岩石之前，呈松散状态， 称为第四纪沉积层，即土。 根据搬运和沉积的情况不同，可分为以下几种类型： 残积层，坡积层，洪积层，冲积层，海相沉积层，湖沼沉积层 。 不同成因类型的第四纪沉积物，各具有一定的分布规律和 工程地质特性。 1.残积层 残留在原地未被搬运的那一部分 风化产物。颗粒不能被磨圆或分选， 没有层理构造。残积物与基岩之间没 有明显界限，其矿物成分很大程度上 与下卧基岩一致。由于残积物没有层 理构造，均质性很差，颗粒多为棱角 状的粗颗粒土，孔隙度较大，作为建 筑物地基容易引起不均匀沉降。 残积层残积层：应注意不均匀沉降和土坡稳定性问题。 坡积层坡积层：应注意不均匀沉降和地基稳定性问题。 洪积层洪积层：应注意土层的尖灭和透镜体引起的不均匀沉降。 坡积层 雨雪水流的地质作用将高处 岩石风化产物缓慢地冲刷剥蚀、 顺着斜坡向下移动、沉积在较平 缓的山坡上而形成的沉积物。自 上而下呈现由粗而细的分选现象 。其矿物成分与下卧基岩没有直 接关系。由于坡积物形成于山坡 ，常常发生沿下卧基岩倾斜面滑 动；还由于组成物质粗细颗粒混 杂，土质不均，厚度变化大。新 近堆积物，土质疏松，压缩性较 大。 1.2 1.2 第四纪沉积层第四纪沉积层 由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流,具有 很大的剥蚀、搬运能力。它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质 堆积于山谷冲口或山前倾斜平原而形成洪积层。 离山渐远，颗粒变细， 分布范围逐渐扩大。其地貌 特征是靠山近处窄而陡，离 山远处宽而缓，形如锥体， 故称为洪积锥（扇）。由相 邻沟谷口的洪积扇组成洪积 扇群。 3.洪积层 1.2 1.2 第四纪沉积层第四纪沉积层 2.淤泥夹粘 土透镜体 1.表土层 3.粘土尖灭层 4.砂土夹粘土层 5.砾石层 6.石灰岩层 土 的 层 理 构造 洪积物的颗粒虽 因搬运过程中的分选 作用呈现渐变现象,但 由于搬运距离短,颗粒 的磨圆度仍不佳。此 外，山洪是周期性产 生的，每次的大小不 尽相同，堆积物质也 不一样。因此，洪积 物常呈现不规则的层 理构造，如具有夹层 、尖灭或透镜体等产 状。 靠近山地或离山较远地段的洪积物的承载力高，而过度地带由 于地下水溢出地表造成沼泽地带，土质软、承载力低。 1.2 1.2 第四纪沉积层第四纪沉积层 平原河谷横断面 砾卵石 中粗砂 粉细砂 粉质粘土 粉土 黄土 淤泥 4、冲积层 冲积物是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积 、洪积物剥蚀后搬运沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。其特 点是呈现明显的层理构造。由于搬运作用显著，碎屑物质由带棱角 颗粒经滚磨、碰撞逐渐形成亚圆或圆形颗粒，其搬运距离越长，则 沉积物质越细。典型的冲积物是形成于河谷内的沉积物，可分为平 原河谷冲积层和山区河谷冲积层等。 1.2 1.2 第四纪沉积层第四纪沉积层 1.3 1.3 地下水地下水 1.3.1、地下水对工程的影响 1、基础埋深：通常设计基础埋深D应小于地下水位深度 hw。 2、施工排水：当地下水位高，基础埋深D大于地下水位深度时 ， 基槽开挖与基础施工必须进行排水。中小工程可以采用挖排 水沟与集水井排水；重大工程应采用井点降低地下水位法。 3、地下水位升降：湿陷性黄土、膨胀土遇水时；地下水位大 幅下降时。 地下水地下水：存在于地面下土和岩石的孔隙、裂隙或溶洞中的水。：存在于地面下土和岩石的孔隙、裂隙或溶洞中的水。 建筑场地的水文地质条件主要包括地下水的埋藏条件，地下建筑场地的水文地质条件主要包括地下水的埋藏条件，地下 水位及其动态变化，地下水化学成分及其对混凝土的腐蚀性等水位及其动态变化，地下水化学成分及其对混凝土的腐蚀性等。 地下水对工程的影响 1.3 1.3 地下水地下水 4、地下室防水。 5、地下水水质侵蚀性。 6、空心结构物浮起。 7、承压水冲破基槽。 地下水含有各种化学成分，当某些成分含量过多时 ，会腐蚀混凝土、石料及金属管道。 1.3.2、地下水分类 1.3 1.3 地下水地下水 按埋藏条件不同，分为三类 ： 1、上层滞水：地表水下渗积聚在局部透水性小的粘性土隔水层 上的水。为雨水补给，有季节性。 2、潜水：埋藏在地表以下第一个连续分布的稳定隔水层以上， 具有自由水面的重力水。为雨水、河水补给，水位有季节性变 化。一般埋藏在第四纪沉积层及基岩的风化层中。水面标高称 为地下水位。 3、承压水：埋藏在两个连续 分布的隔水层之间，完全充 满的有压地下水。通常存在 于卵石层中，承受一定的静 水压力。其埋藏区与地表补 给区不一致。因此，承压水 的动态变化受局部气候因素 影响不明显。 1.3.3 土的渗透性 1.3 1.3 地下水地下水 （1）概念：地下水通过土颗粒之间的孔隙流动，土体可被水透 过的性质称为土的透水性。它表明水通过孔隙的难易程度。 应用：工程设计中，计算地基沉降速率，或地下水位以下 施工需计算地下水的涌水量，选择排水措施等均应用渗透 性指标。 （2）土的渗透性规律 1、渗透实验与达西定律 法国学者达西（Darcy,H. ）1856年做砂土的渗透实验，发现 达西定律。 Q/t=q=kFh/L=kFi v=k Q/t=q=kFh/L=kFi v=k i i q 单位时间内通过砂层渗流出的水量。 i=h/L 水力坡降。v 渗透速度cm/s。k 土的渗透系数cm/s 1.3.3 土的渗透性 1.3 1.3 地下水地下水 注意：达西定律中，v 不是某个土孔隙中水的渗流速度， 而是水流通过的整个断面上的平均渗流速度。 k的物理意义：单位水力坡降(i=1)时的渗透速度。 影响土渗透性因素： a、土孔隙大小； b、土粒的大小、形状、级配以及颗粒的排列和土的结构等 。 c、地下水温度、密度及其粘滞性（即内摩阻力）。 d、地下水的饱和度。 层流运动：地下水在土中孔隙或微小裂缝中以不大的速度 连续渗透时。 紊流运动：在岩石的裂隙或空洞中流动时，速度较大。其 流线有相互交错的现象。 2、动水力GD（KN/m3 ） 1.3.3 土的渗透性 1.3 1.3 地下水地下水 动水力：水流动时，水对单位体积土的骨架作用的力。是水 流对土体施加的体积力。与水流受到土骨架的阻力大小相等 而方向相反。 静水力：静水作用在水下物体上的力。 则土柱所受的力为： 1、两端点的静水压力： 2、与土柱同体积水柱的重量 ： 土骨架对水的总阻力： 沿地下水流方向取出一个土柱体，长度为L，横断面积为F。 FhF及h 2W1W LF W TLF （T为土对水的阻力，T=-GD） GG D D = = ww i i 由静力平衡条件：由静力平衡条件： 0cos 21 =-+-TLFLFFhFh WWW aggg 得：得： 或： 式中 ： 1.3 1.3 地下水地下水 为水力梯度水力梯度。 1.3.3 1.3.3 土的渗透性土的渗透性 3、流砂：当水流自下而上流动时，动水力方向与重力方向相 反，使土颗粒悬浮。当动水力等于或大于土的浮重度时，土粒 之间毫无压力，土随水流动。 即： wwi= i= ，所以，所以，i icr cr= = / / w w 称为临界水力坡降。称为临界水力坡降。 1.3 1.3 地下水地下水 1.3.3 土的渗透性