工程地质与水文地质学绪论.ppt

工程地质与水文地质学 河南城建学院交通工程系杨国洲e mail ygz74316 祝所有同学新学期学习进步 心想事成 经典短信 我们和您如同矿物和岩石一样紧密 在一起的时间是地质年代表查不到的 火山喷出的是对您的祝福 您对我们真诚的心是科里奥利效应不能偏转的 风化作用不能让我们对您的敬佩消失 反倒地壳运动让我们懂得现在的状况不是一朝一夕形成的 海啸发生前 海啸发生后 中国地震 6级以上 分布图 1976年唐山大地震 死亡人数24万人 上天 下海 入地 是人类远古以来的梦想 最难的是入地 地球科学参与 上天 航天 遥感 气候环境 积极下海 海洋地质 深海钻探 主攻入地 地质各科 为了了解地球的起源 包括生命起源 了解地球的过去 现在和未来 为了从地球上获取人类生存必需的各类资源 为了减轻危害人类生存的各种地质灾害 地震 火山 滑坡 洪灾 荒漠化 环境污染 为了人类的持续生存与繁衍 为了改善人类生存环境 提高生活质量 经济可持续发展 人类只有一个地球 应使之清洁 安全 富有 为了建筑土木的需要 一 课程性质与目的本课程的教学内容概括为三个组成部分 地质学基础部分 水文地质学部分 工程地质学部分 是城市地下空间工程专业的一门专业基础课 本课程的教学目的是让学生掌握工程地质及水文地质的基本知识 学会分析不同建筑物的工程地质水文地质条件和问题的基本方法 能阅读和分析工程地质水文地质图件和资料 通过本课程的教学培养 为学生后续专业课的学习 今后从事专业工作和进行科学研究打下基础 二 课程安排本课程安排课堂讲授58学时 实验课10学时 实验课内容主要是岩石和矿物的鉴别 地质图的阅读 以及观看电视教学录像 火山 风化作用 河流地质作用 崩塌 滑坡 岩溶 地震 原位测试 工程地质勘察 等 野外地质实习两周 三 主要参考文献1 左建主编 工程地质及水文地质学第二版 北京 中国水利水电出版社 20092 陈南祥主编 工程地质及水文地质第三版 北京 中国水利水电出版社 20073 胡厚田主编 土木工程地质 北京 高等教育出版社 20094 张人权主编 水文地质学基础 第六版 北京 地质出版社 20115 李智毅主编 工程地质学概论 武汉 中国地质大学出版社 19946 石振明主编 工程地质学 第二版 北京 中国建筑工业出版社 2011 绪论 一 工程地质及水文地质学的定义及研究内容 三 工程地质及水文地质学与岩土工程的关系 四 工程地质学的研究方法 二 工程地质及水文地质学在土木工程建设中的作用 五 本课程学习方法和要求 工程地质学 engineeringgeology 是一门研究与工程建设有关的地质问题 为工程建设服务的地质科学 它是地质学的分支学科 属于应用地质学的范畴 水文地质学 hydrogeology 是研究地下水的数量和质量随空间和时间变化的规律 以及合理利用地下水或防治其危害的学科 工程地质及水文地质学的定义 工程地质学的定义及研究内容 地质学 geology 研究地球性质的科学 工程地质学 engineeringgeology 研究人类在工程建设活动中产生的地质问题 特别是不良地质问题的应用学科 它研究人类工程活动与地质环境相互关系 是地质学与工程紧密结合的学科 人类活动与地质环境 相互影响制约 地球 瓦斯爆炸 突 涌水 其他 塌顶岩爆等 1 地质环境对人类工程活动的制约 1 人类在从事工程活动中影响工程活动的安全 其他 塌顶岩爆等 2 影响工程建筑物的稳定和正常使用 3 地质条件不具备而使工程造价提高 如 溃坝事件 瓦伊昂 沿海三角洲地区 增加造价 破坏 村庄 农田 交通设施道路桥梁 通信电力危及 生命财产安全 水库渗漏 水量损失堤坝安全滑坡泥石流 1975驻马店地区数十座水库漫顶垮坝成为世界最大的水库垮坝惨剧 意大利的瓦依昂 waiont 拱坝 坝高265m 是当时世界上最高的双曲拱坝 此坝在修建过程中 由于不重视工程地质人员的多次建议 结果在1963年10月9日 水库右岸陡峭山坡的石灰岩层因蓄水后失稳 产生巨大的滑动崩塌 岩体崩入库中 1 5亿m3的库容全被填满 同时 库水漫坝 顺流冲下 造成2400多人死亡的严重事故 2 人类工程活动影响地质环境 人类工程活动对地质环境的制约 地质环境 3 工程活动与地质环境之间的相互制约 岩土体稳定差 修建水库 近坝 库岸的岸坡的稳定性降低 水位骤然升降经常引起岸坡失稳 蓄水引起水库诱发地震等等 地质环境制约工程建设例 地震烈度限制城市发展 滑坡迫使工程改线 软土地基需处理 工程建设破坏地质环境例 抽取地下水引起地面沉降 地面塌陷 开挖路堑引起山体滑坡 桥梁的修建使局部河段发生冲淤变形 两者处于相互联系 又相互制约的矛盾之中 工程地质学就是研究两者之间的关系 促使两者矛盾转化 解决 保证建筑物的安全 经济和正常使用 勘察 分析评价阐明条件 解决问题满足建筑物的设计 施工 使用 阐明建筑地区的工程地质条件 论证建筑物所存在的工程地质问题 选择地质条件优良的建筑场址 研究工程建筑物兴建后对地质环境的影响 提出有关建筑物类型 规模 结构和施工方法的合理建议 为拟定改善和防治不良地质作用的措施方案提供地质依据 工程地质条件 与工程建筑物有关的地质条件的综合 岩土类型及其工程性质地质构造地形地貌水文地质不良地质现象天然建筑材料 由于不同地区的地质环境不同 工程地质条件不同 对工程建筑物有影响的地质因素的主次关系不同 坚硬完整的岩石 花岗岩 厚层石英砂岩 花岗片麻岩等 强度高 性质良好 一般可作为摩天大楼桩基础的持力层 软弱岩石 页岩 粘土岩 碳质岩及泥质胶结的砂砾岩 以及遇水膨胀 易溶解的岩类 软弱易变 性质不良 断层岩和构造破碎岩更软弱 这类岩石都是不利于地基稳定的 成为岩体研究的重点 区域性土 如黄土 膨胀土 淤泥 快粘土 quickclay 等需要特别注意 岩土性质的优劣对建筑物的安全经济具有重要意义 大型建筑物一般要建在性质优良的岩土上 软弱不良的岩土体工程事故不断 地质灾害多发 常需避开 工程地质条件之一 岩土类型及其工程地质性质 工程地质条件之二 地形地貌条件 地形地貌条件对建筑场地的选择 特别是对线性建筑如铁路公路 运河渠道等的线路方案选择意义最为重大 如能合理利用地形地貌条件 不但能大量节省挖填方量 节约大量投资 而且对建筑物群体的合理布局 结构形式 规模以及施工条件等也有直接影响 平原区 丘陵区 黄土高原 山岭区 工程地质条件之三 地质构造与地应力 与岩体的形成和地壳的运动和变迁有关 是工程技术人员必须面对 又最无奈的现实 即使小心谨慎 结果却难以预知 地质构造 例如 大陆板块的运动 地震活动等 土体结构主要是指不同土层的组合关系 厚度及其空间变化 岩体结构除岩层结构外 更主要的是各种结构面的类型 特征和分布规律 结构面愈发育 特别是含有软弱结构面的岩体 其性质愈差 岩体的地应力状态对建筑物的施工和稳定性影响不容忽视 水文地质条件是决定工程地质条件优劣的重要因素 地下水位较高一般对工程不利 地基土含水量大 粘性土处于塑态甚至流态 容许承载力降低 道路易发生冻害 水库常造成浸没 隧洞及基坑开挖需进行排水 公路破坏的主要原因是不能及时排水 如果地下水位很低 如在干旱地区修公路 也是相当困难的 工程地质条件之四 水文地质条件 物理地质现象是指对建筑物有影响的自然地质作用与现象 例如地震的破坏性很大 滑坡 崩塌 泥石流 冲沟的发生也给工程和环境造成无穷的灾害 在这些物理地质现象面前 只考虑工程本身的坚固性是不行的 必须充分注意其周围有哪些物理地质现象存在 对工程的安全有何影响 如何防治 除了上述以外 还有 工程地质条件之五 物理 自然 地质现象 一荒漠化 二 冰川 三 河流侵蚀 美国科罗拉多大峡谷 山区的v形河谷独龙河谷 四 黄土 五 喀斯特 溶岩 天然建筑材料是指供建筑用的土料和石料 例如在山区用砂石料可能比较便宜 但在平原地区就要立足于加固原位的土体 工程地质条件之六 天然建筑材料 工程地质问题 工程建筑物与工程地质条件之间所存在的矛盾或问题 场地工程地质条件不同 建筑物内容不同 所出现的工程地质问题也各不相同 房屋工程 地基承载力 沉降矿山开采 边坡稳定性 基坑突水 矿坑稳定 水利水电工程 渗透变形 水库渗漏 斜坡稳定性 坝体抗滑稳定性 水文地质学研究的主要内容有地下水的起源 分布 赋存状态 补给 径流 排泄条件 运动特征 水质 水量的形成及其在时空上的变化规律 还要研究地下水和周围环境的关系 研究在各种自然因素和人为因素影响下 地下水作为一种地质营力对环境的改造作用以及在作用过程中它自身发生的各种变化情况 此外 还要研究如何掌握和应用地下水的理论 以便经济合理地开采利用地下水 或者有效地防治和消除地下水造成的危害 达到兴利除害的目的 水文地质学的研究内容 智利2010年2月27日发生8 8级地震 2010年8月7日舟曲泥石流 长江新滩滑坡 1986年 地面塌陷 河道冲淤 工程地质及水文地质学任务 研究工程建设与地质环境两者之间的相互制约关系 促使矛盾转化和解决 既保证工程安全 经济 正常使用 又合理开发和利用地质环境 深基坑开挖支护 施工降水 对环境影响问题 高层建筑 工程地质工作是通过工程勘察来实现的 查明条件 拟定措施 论证问题 选择场地 预测影响 提出建议 土木工程包括 工民建 道桥 水利 港口 铁路等 各类工程问题 场地稳定性 地基承载力及变形问题 工民建 道路工程 山区滑坡 崩塌 泥石流问题 平原区软基处理问题 硐室围岩稳定 承压水的危害问题 地下工程 渗透问题 水平抗滑问题 水利工程 不良地质现象 指对工程建设不利或有不良影响的动力地质作用 如滑坡 崩塌 泥石流等 工程地质学主要分支学科及其作用 建筑场地工程地质及水文地质条件的优劣直接影响到工程的设计方案类型 施工工期的长短和工程投资的大小 重视工程地质及水文地质工作就能使设计 施工顺利进行 忽视工程地质及水文地质工作 则会给工程带来不同程度的影响 二 工程地质及水文地质学在土木工程建设中的作用 工程地质在土木工程中的应用任何工程建筑物都是营造在一定的场地与地基之上 所有工程建设方式 规模和类型都受建筑场地的工程地质条件所制约 会遇到各种各样的自然条件和地质问题 如青藏公路 三峡工程 南水北调工程等都是以地质条件复杂著称于世 因此 在设计之前 必须进行场地与地基的岩土工程勘察 充分了解建筑场地与地基的工程地质条件 论证和评价场地 地基的稳定性和适宜性 不良地质现象 软弱地基处理与加固等岩土工程的技术决策和实施方案 example1 1简单地质条件的地基example1 2斜坡上的建筑地基example1 3美国内华达州lasvegas城地面沉降灾害example1 4中国2002年的地质灾害可见 工程地质工作很重要 是设计之先驱 没有足够考虑工程地质条件而进行设计 这是盲目的设计 不仅会导致建筑费用增高 工程量增大 施工期限拖长 而且产生安全隐患 在个别的情况下 建筑物将发生变形或破坏 甚至废弃使用 工程实例 原因 补做勘察后发现板基断裂一侧地基中存在软弱淤泥层 经考古查明曾有一条铁路从此通过 路基坚实 但路基两侧排水沟因常年积水 沟底形成淤泥 板基横跨路基与排水沟 因土质软硬悬殊而断裂 南京东南大学6层教工住宅 施工前未做地质勘察 结果在建成钢筋混凝土筏板基础后 发生整块板基断裂 原因 也是未经勘察 不了解下面有一条人防通道斜向贯穿 人防通道土体挖除形成临空 地基局部超量沉降 墙体开裂不可避免 清华大学第三教室楼配电站是单层平房 因墙体裂缝严重 长期不敢使用 工程实例 工程实例 清华大学供应科办公库房楼因钻孔深度太浅 未发现地基中部厚层高压缩性泥炭层 导致墙体开裂 大裂缝达33条 成为危房 工程实例 云南民族学院10号教工住宅 地基中存在局部淤泥与泥炭土未被发现 导致墙体严重开裂 多次加固无效 最后被迫拆除 宝 鸡 天 水 铁路 由于忽视了前期的工程地质工作 施工中即发生大量崩塌 滑坡 河岸冲刷和泥石流等地质灾害问题 被称为铁路的 盲肠 国家历年都拨出大量资金进行维修 整治 成 都 昆 明 铁路 地形 地质条件异常复杂 曾被称为 世界地质博物馆 由于高度重视工程地质工作 顺利建成通车 工程实例 太原市康居苑5 楼地下车库基坑坍塌07年11月 康居苑5 楼主体封顶后 地下车库开始施工 该工程场地为软土地区 地下水位约4米 原为居民平房 杂填土较厚 4 6米 基坑开挖时 未做任何支护措施 仅以止水帷幕 2排深层搅拌桩 支撑坑壁 8米深的基坑 开挖到5米时 坑西南 东南出现喷砂冒水现象 东南角坑壁坍塌 并使相邻之坡子街及地下管道受到严重影响 究其原因 开发商曾向支护设计单位要求 希望少花钱 支护单位便提出仅以止水帷幕做支护的大胆方案 事情发生后 影响不可谓不小 教育不可谓不深 工程实例 该工程为一位于山前平原的多栋住宅小区 地上18层 地下1层 设计地坪标高一致 仅一栋楼的地下室底板开裂 其他均完好 裂缝毫无规律 地下水从裂缝往上冒 积水深度20cm 经现场查看周边地形 核对原始地形图及勘察资料 发现该栋楼正好处于一狭长冲沟中 勘察时为枯水季节 该处钻孔地下水位略高于其他地方的水位 勘察结论中对该场地提了一个统一的抗浮设计水位 经布置3个长期水文观测孔 其冲沟中的地下水位高出其他2孔1 2m 可见一个勘察场地 抗浮设计水位不见得就只提一个 必要时要根据场地条件分区提供 工程实例 成都万年场基坑坍塌96户连夜撤离万年路30号万年茗居工地发生基坑坍塌 事故造成临近的东篱路68号院车棚倒塌 距离垮塌现场3米开外的地方 便是两栋居民楼 相关部门随即启动突发事件应急预案 跳蹬河街办 派出所等上百名工作人员立即对两栋楼的96户居民进行疏散 据安全生产监督管理局副主任介绍 万年茗居工程是一栋地上18层地下2层的商品房 开发商为四川xx房屋开发公司 总承包单位为四川省第x建筑公司 护壁单位为成都市xx研究院 工程实例 2005年广州海珠城基坑倒塌 隔壁海员宿舍楼桩基础都露出来了 事故原因为原来基坑支护方案为21m 结果建设方要求基坑超挖到23m 基坑围护桩全部为吊脚桩 倒塌一侧原来为出土口 倒塌前土基本出完 原来的反压土压力完全卸掉了 基坑终于倒塌 2003年7月1日 上海轨道交通4号线因大量水及流沙涌入 引起隧道部分结构损坏及三栋建筑物严重倾斜等 直接经济损失约1 5亿元 2006年5月15日 北京地铁四号线施工 导致海淀区颐和园路路面塌陷 形成20平方米左右的空洞 2007年3月28日晨 北京苏州街附近的地铁10号线工程发生塌方 6名施工者被埋身亡 工程实例 南方商城大酒店地下车库坍塌导致小区居民楼沉降 三 工程地质与岩土工程的关系 岩土工程 geotechnicalengineering 是在工程地质学基础上与土木建筑工程学结合发展起来的一门新兴边缘学科 在国际上已有40多年的发展历史 在我国则只有20年的历史 岩土地基工程岩土边坡工程岩土支护工程岩土硐室工程岩土环境工程 岩土工程类型 岩土工程的工作内容 岩土工程勘察岩土工程设计岩土工程治理岩土工程监测岩土工程监理 岩土工程工作方法 调查勘察试验测定分析计算方案论证监测控制反演分析修改定案 基础设计 建筑工程岩土工程工作的一般程序 地质模型 平 剖面图 地基岩土体的地质特征 地层 岩性 地下水等 条件 岩土物理力学性质 自重应力渗流应力 地基岩土体的强度 承载力 地基岩土体变形量 地基的稳定性评价与计算 处理措施 基底压力 岩土体中的附加应力 岩土体中的应力 强度变形 稳定性评价处理 设计的荷载 p 基础形式 岩土工程的重要性 1 岩土工程部分的费用在建设总投资的比例很高 约占25 40 2 岩土工程部分的工期在建设总工期中占1 3 与岩土相关的工程问题 抗剪强度问题 稳定 地基破坏 液化边坡 天然与人工 失稳挡土墙破坏基坑倒塌变形问题地基的沉降与不均匀沉降渗透破坏问题流砂 管涌冻胀溶蚀 事故 建成后初次存放谷物时 1小时竖向沉降达30 5cm24小时倾斜27 西端下沉7 32m东端上抬1 52m上部钢混筒仓完好无损 概况 长59 4m 宽23 5m 高31 0m 共65个圆筒仓 钢混筏板基础 厚61cm 埋深3 66m 1911年动工 1913年完工 自重20000t 加拿大特朗斯康谷仓 1940年在软黏土地基上的某水泥仓库的倾覆 1995年日本阪神地震中的房屋倾斜 储油罐倾斜 阪神地震液化引起的河道破裂 阪神地震液化引起道路塌陷 湖北省巴东县滑坡 香港1972poshan滑坡 2万m3 死67人 伤20人 poshanroad conduitroad notewellroad early1972滑坡前 码头挡土墙后侧的地面由于液化而下沉 广州京光广场基坑支护结构的破坏 工程基本情况 长300m 宽34m 深15m 悬臂式护坡桩 事故情况 先发生0 5 1 0m水平位移 凌晨1时 临时工棚倾入坑内 3人死亡 17人受伤 广东环市东路土钉墙塌方 天河北土钉事故 比萨斜塔 目前 塔向南倾斜 南北两端沉降差达1 80m 塔顶离中心线已达5 27m 倾斜5 5 1360 再复工 至1370年竣工 全塔共8层 高度为55m1272 复工 经6年 至7层 高48m 再停工1178 至4层中 高约29m 因倾斜停工1173 动工 原因 地基持力层为粉砂 下面为粉土和黏土层 强度较低 变形较大 1590 伽利略在此塔做落体实验 1838 1839 挖环形基坑卸载1933 1935 基坑防水处理基础环灌浆加固1990年1月 封闭1992年7月 加固塔身 用压重法和取土法进行地基处理目前 已向游人开放 处理措施 比萨斜塔 苏州虎丘塔 不均匀沉降造成的严重倾斜 地基严重下沉 上海工业展览馆 墨西哥某宫殿左部分建于1709年右部分建于1622年沉降达2 2米存在明显的沉降差 由相邻建筑物引起的沉降破坏 kiss 关西机场 世界最大人工岛 1986年 开工1990年 人工岛完成1994年 机场运营面积 4370m 1250m填筑量 180 106m3平均厚度 33m 设计时预测沉降 5 7 7 5m完成时实际沉降 8 1m 5cm 月 1990年 预测主固结完成 20年后比设计超填 3m 问题 沉降大且有不均匀沉降 关西机场 1998年长江大堤 武汉丹水池堤防抢险 1998长江洪水 1998年洪水中各种险情6000余处 隐患与险情 管涌与流土 治理管涌 1998年九江溃堤 九江大堤决口 溃口原因 堤基管涌 1998年8月7日13 10发生管涌险情 20分钟后 在堤外迎水面找到2处进水口 又过20分钟 防水墙后的土堤突然塌陷出1个洞 5m宽的堤顶随即全部塌陷 并很快形成一宽约62m的溃口 1998年石首崩岸 崩岸 溃堤湖北 牌洲湾 1998年8月2日 关于工程地质与岩土工程的关系 有四种见解 岩土工程是工程地质的分支 是岩土力学在工程上的应用 是基础工程和地下结构工程 按岩土工程勘察规范定义 岩土工程 geotechnicalengineering 是以土力学 岩石力学 工程地质学和地基基础工程学为理论基础 以解决和处理在工程建设中出现的所有与岩土体有关的工程技术问题的一门地质和工程紧密结合的新专业学科 引自 岩土工程勘察规范 gb50021 94 概括为三个层次的含义 岩土工程是以岩土力学 工程地质学 地基基础工程学为基础 并与工程密切结合的综合性学科岩土工程以岩土的利用 整治或改造作为研究内容岩土工程贯穿于各类土木工程的勘察 设计与施工的全过程 是土木工程的组成部分 强调了工程地质 岩土力学 结构工程之间的关系是既有区别又相互紧密结合的关系 而不是从属的关系明确指出岩土工程的学科范畴是包括多种学科 技术和方法的土木建筑工程 它不从属于某单一学科 工程地质是岩土工程分析的条件岩土力学是定量评价的理论基础地基基础工程设计与施工是土木工程专业的工作内容 岩土工程在理论和方法上 需要工程地质学 岩土力学 工程力学 工程结构 建筑施工等多学科的相互渗透在工程实践中 需要勘察 设计 施工 监测 监理 科研等各方面的密切配合 地下建筑的主要工程地质问题 位址和方向的选择的工程地质论证 围岩压力 简称围压 的工程地质评价 支护结构设计的工程地质论证 施工方法和施工条件的工程地质论证 自然历史分析法数学力学分析法模型模拟试验法工程地质类比法 四 工程地质学的研究方法 自然历史分析法 地质学分析研究地质体 地质现象 自然地质历史形成演化 地质基础工作 基本的研究方法 例如 斜体变形破坏研究 数学力学分析法 定量分析计算 评价针对某一具体问题 地质分析为基础 地质模型 数学模型 理论经验公式等 代入有关参数进行计算 例如 刚体极限平衡法 弹塑性理论方法 数论统计方法 数值分析方法 还如 灰色理论 逻辑信息 模糊数学 分形 神经网络等 模型与模拟实验法 仿实体演绎模型实验 如渗流 斜坡 地基渗透变形 洞室稳定等方面都可以进行 模拟实验 如光弹实验 电网络模拟 欧姆定律 渗流达西定律 结构的网络模拟等 工程地质类比法 经验借鉴 对比基础是相似性 地质条件与建筑工作方法 如 专家判断 经验参数使用 上述方法各有特点 相互补充 综合应用 课程内容 地质学基础水文地质学工程地质学 课程特点 内容广 概念多 实践性强 五 工程地质学的学习方法及要求 1 系统地掌握工程地质及水文地质学的基本理论和知识 能正确运用勘察数据和资料进行设计与施工 2 能根据工程地质及水文地质的勘察成果 能运用已学过的工程地质及水文地质学理论和知识 进行一般的工程地质问题分析及对不良地质现象采取处理措施 3 了解工程地质勘察的基本内容 方法和过程 工程地质数据的来源 作用