工程地质特征.ppt

工程地质问题 武汉工程大学邮电与信息工程学院土木工程06班曹童童 释文 工程地质问题是指与人类工程活动有关的地质问题 它影响建筑物修建的技术可能性 经济合理性和安全可靠性 如建筑物所处地质环境的区域构造稳定问题 地基岩体稳定问题 地下硐室围岩稳定问题和边坡岩体稳定问题 水库渗漏问题 淤积问题 浸没问题 边岸再造及坝下游冲刷问题 以及与上述问题相联系的建筑场地的规划 设计和施工条件等方面的问题 工程地质工作的基本任务在于对人类工程活动可能遇到或引起的各种工程地质问题作出预测和确切评价 从地质方面保证工程建设的技术可行性 经济合理性和安全可靠性 各类土的工程地质特征 工程地质分类 分类的目的 土的分类体系就是根据土的工程性质差异将土划分成一定的类别 目的在于通过通用的鉴别标准 便于在不同土类间作有价值的比较 评价 积累以及学术与经验的交流 分类原则 1 分类要简明 既要能综合反映土的主要工程性质 又要测定方法简单 使用方便2 土的分类体系所采用的指标要在一定程度上反映不同类工程用土的不同特性 土的分类 按地质成因分类 按颗粒级配和塑性指数分类 残积 坡积 洪积 冲积 冰积 风积等类型 土按颗粒级配和塑性指数可分为碎石土 砂土 粉土和粘性土 土按颗粒大小分类 一般土的工程地质特征一般土按粒度成分特点 常分为巨粒土 粗粒土以及细粒土三大类 其中粗粒土又分为砾类土和砂类土两类 巨粒土 粗粒土 粒间一般无连结或只具有微弱的水连结 因不具有粘性 故又称无粘性土 其工程地质性质主要取决于粒度成分和土粒排列的松密情况 这些成分和结构特征直接决定着土的孔隙性 透水性和力学性质 细粒土 一般含有较多的粘粒 具有结合水连结所产生的粘性 故又称粘性土 其工程地质性质主要取决于粒间连结特性和密实度 而这些都与土中粘粒含量 矿物亲水性及水和土粒相互作用有关 砾类土 我国国家标准 土的分类标准 规定 砾粒组 60mm d 2mm 质量多于总质量50 的粗粒土称为砾类土 砾类土主要由岩屑 石英 长石等原生矿物组成 颗粒粗大 呈单粒结构 常具有有孔隙大 透水性强 压缩性低 内摩擦角大 抗剪强度高等特点 这些性质又与粗粒含量及孔隙中充填物的性质和数量有关 典型流水沉积的砾类土 分选性好 孔隙中充填物主要为砂粒 且数量较少 故透水性很强 压缩性很低 强度很高 基岩风化和山坡堆积的砾类土 分选性较差 孔隙中充填大量砂粒 粉粒和粘粒等细小颗粒 其透水性相对较弱 抗剪强度较低 压缩性稍高 砾类土是一般建筑物的良好地基 但由于其透水性强 粒间无连结力 常存在坝基 渠道 水库等的渗漏 基坑及地下坑道的涌水 边坡坍塌 失稳等一系列工程地质问题 砾类土是较好的混凝土粗骨料和铺路材料 砂类土 砾粒组质量少于或等于总质量的50 的粗粒土称砂类土 砂类土主要由石英 长石及云母等原生矿物构成 单粒结构 仍具有透水性强 压缩性低 强度较高等特点 这些性质都与砂粒大小和密度有关 粗 中砂土一般性质较好 可作为一般建筑物的良好地基 也是良好的混凝土骨料 但也存在可能产生涌水或渗漏等工程地质问题 细砂土 粉砂土则工程地质性质相对较差 尤其是受振动时易产生液化 开挖基坑时也易产生流沙 这些都会危及建筑物的安全 细砂土 粉砂土一般不宜用作混凝土骨料 细粒土 细粒组 d 0 075mm 质量多于或等于总质量50 的土称细粒土 细粒土中一般都含有一定数量的亲水性较强的粘土矿物 粘粒含量较多 呈团聚结构 具结合水连结 有时为胶结连结 孔隙细小而多 孔隙率可以高达40 50 其压缩量较大且变形较缓慢 抗剪强度主要取决于内聚力 而内摩擦角较小 细粒土的性质主要与土中粘粒含量 稠度状态及孔隙比有关 一般随粘粒含量增多 则土的塑性 胀缩性和内聚力增大 而渗透系数和内摩擦角减小 稠度状态的变化 对土的性质影响最大 呈流态或软塑态的土 压缩性很高 强度较低 变形量大 而固态或硬塑态的土 具有较低的压缩性及较高的抗剪强度 几种特殊土的工程地质特征 特殊土 指某些具有特殊物质成分与结构 而且工程地质性质也比较特殊的土 特殊土具有常见的一般土不具备的特性 如黄土具湿陷性 淤泥具触变性 膨胀土具膨胀性等 这些特殊性质和它们的生成条件和经受变化的历史有密切关系 有些特殊土显示了地域分布的特征 可称地区性土 如红粘土主要分布在黄河中 上游一带 冻土则分布在高纬度和高山地区 由于特殊土的性质不同于常见的一般土 故研究内容和研究方法也常有特殊要求 特殊土的工程地质特性 淤泥类土 淤泥类土 指在静水或水流缓慢的环境中沉积 有微生物参与作用的条件下形成的 含较多有机质 疏松软弱 天然孔隙比大于1 含水率大于液限 的细粒土 淤泥 孔隙比大于1 5的称为淤泥淤泥质土 孔隙比小于1 5而大于1的称为淤泥质土 特殊土的工程地质特性 淤泥类土 一 淤泥类土的成因及分布在静水或水流缓慢的环境中沉积 有微生物作用的条件下形成 分布很广 按成因和分布情况 我国淤泥类土可分为两大类 一类是沿海沉积的淤泥类土 一类是内陆和山区湖盆地以及山前各地沉积的淤泥类土 特殊土的工程地质特性 淤泥类土 沿海沉积的淤泥类土 分布广 厚度大 土质疏松软弱 其成因类型有泻湖相 滨海相 溺谷相 三角洲相及其混合类型 内路和山区湖盆地沉积的淤泥类土 分布零星 厚度较小 性质变化大 其成因类型有湖相 河漫滩相和牛轭湖相 广大山区沉积有 山地型淤泥类土 其主要是由当地的泥灰岩 泥岩的风化产物和地面的有机质 经水流搬运沉积在地形低洼处 经长期水泡软化及微生物作用而形成 以坡洪积 湖积和冲积三种成因类型为主 其特点是 分布面积大 厚度与性质变化较大 且多分布于冲沟 谷地 河流阶地及各种洼地之中 特殊土的工程地质特性 淤泥类土 二 淤泥类土的成分及结构特征淤泥类土是在水流不通畅 缺氧和饱水条件下的近代沉积物 物质组成和结构具有一定的特点 1 粒度成分 主要是粉粒和粘粒 一般属粘土或粉质粘土 粉土 2 矿物成分 主要为石英 长石 白云母及大量蒙脱石 伊利石等粘土矿物 并含有少量水溶盐 有机质含量较高 3 结构 构造 具有蜂窝状和絮状结构 疏松多孔 具有薄层状构造 厚度不大的淤泥类土常是淤泥质粘土 粉砂土 淤泥或泥炭交互成层 或呈透镜体状夹层 特殊土的工程地质特性 淤泥类土 三 淤泥类土工程地质性质的基本特点淤泥类土是在特定的环境中形成的 具有某些特殊的成分和结构 工程地质性质也表现出下列一些特点 1 高孔隙比 高含水率 含水率大于液限 2 透水性极弱 一般垂直方向地渗透系数较水平方向小些 3 高压缩性 a1 2一般为0 7 1 5Mpa 1 且随天然含水率的增大而增大 4 抗剪强度很低 且与加荷速度和排水固结条件有关 5 有显著的触变性和蠕变性 特殊土的工程地质特性 黄土 1 黄土 一种特殊的第四纪陆相松散堆积物 2 特征 1 典型黄土 颜色主要呈黄色或褐黄色 颗粒成分以粉粒为主 富含碳酸钙 有肉眼可见的大孔隙 天然剖面上垂直节理发育 被水浸湿后土体显著沉陷 湿陷性 2 黄土状土 与之相似 但缺少个别特征的土 3 分布 黄土在世界上分布很广 我国主要分布在西北 华北和东北等地 这些地区干旱少雨 具有大陆性气候特点 4 分类 按地层时代及其基本特征 黄土分为三类 1 老黄土 形成于早更新世的午城黄土和中更新世的离石黄土 老黄土一般无湿陷性 承载力较高 2 新黄土 晚更新世的马兰黄土及全新世早期的现代黄土 一般都具湿陷性 3 近代堆积黄土 近几百年至近几十年堆积的黄土 土质松散 压缩性高 湿陷性不一 承载力较低 特殊土的工程地质特性 黄土 一 黄土的成分和结构特征成分 黄土基本由小于0 25mm的颗粒组成 尤其以0 1 0 01mm的颗粒占主要地位 含有60多种矿物 碎屑矿物约占3 4以上 粘土矿物约占10 25 易溶盐 中溶盐及有机物含量较少 一般不超过2 结构 非均质的骨架式架空结构 特殊土的工程地质特性 黄土 二 黄土的一般工程地质性质 1 密度小 孔隙率大 2 含水较少 3 塑性较弱 4 透水性较强 5 抗水性弱 遇水强烈崩解 膨胀量较小 但失水收缩量较明显 6 压缩性中等 抗剪强度较高 特殊土的工程地质特性 黄土 三 黄土的湿陷性1 湿陷性 黄土在一定压力作用下受水浸湿后 结构迅速破坏而产生显著附加沉陷的性能 2 产生原因 具有明显的遇水连结减弱 结构趋于紧密的有利于湿陷的特殊成分和结构 3 分类 可分为自重湿陷和非自重湿陷自重湿陷 指黄土遇水后 在其本身的自重作用下产生湿陷的现象 非自重湿陷 指黄土浸水后 在附加荷载作用下所产生的附加沉陷 划分自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土 对工程建筑具有较大的实际意义 在这两种不同湿陷性黄土地区进行建筑时 采用的各项措施及施工要求均有较大差别 野外无荷载试坑浸水试验资料表明 我国兰州地区的黄土具有明显或强烈的自重湿陷性 而西安和太原地区的黄土 往往是非自重湿陷性黄土或仅局部地区的黄土有自重湿陷性 特殊土的工程地质特性 黄土 四 黄土湿陷性的评价评价方法 直接和间接两种方法1 间接方法 根据黄土的物质成分及物理力学指标 大致说明黄土湿陷的可能性 塑性指数小于1 2 含水率与塑限之比小于1 2 孔隙比大于0 8 干密度小于1 5g cm3的黄土 具有湿陷性 尤其是含水率与塑限之比小于1 0 孔隙比大于1 0的黄土 湿陷性更明显 含水率与塑限之比大于1 2 孔隙比小于0 8 干密度大于1 5g cm3的黄土湿陷性微弱或无湿陷性 总之 低塑性 低含水量 低密度的黄土 常具有湿陷性 2 直接方法 利用湿陷性指标 直接判断黄土的湿陷性湿陷性指标 湿陷系数 自重湿陷系数 计算自重湿陷量 总湿陷量和湿陷起始压力等 特殊土的工程地质特性 黄土 1 湿陷系数 黄土试样在某压力 P 作用下稳定的湿陷变形值与试样原始高度的比值 注意 测定湿陷系数的压力 应自基础底面 初步勘察时 自地面1 5m 算起 10m之内土层应用200KPa 10m以下至非湿陷性土层顶面 应用其上覆土的饱和自重压力 当大于300KP时 仍应用300KPa 判定黄土湿陷性标准非湿陷性黄土 0 015湿陷性黄土 0 015 特殊土的工程地质特性 黄土 2 自重湿陷系数 黄土试样在与其饱和自重压力相等的压力作用下 压缩稳定后的湿陷值与原土样原始高度的比值 即测定自重湿陷性系数时的饱和自重压力 通常是自地面算起至该土样的顶面为止的上覆土层的饱和自重压力 当 0 015时 定为非自重湿陷性黄土 0 015时 为自重湿陷性黄土 特殊土的工程地质特性 黄土 3 计算自重湿陷量 计算自重湿陷量的累计 应自天然地面 当挖 填方的厚度和面积较大时 应自设计地面 算起 至其下部全部湿陷性黄土层的底面为止 其中自重湿陷系数小于0 015的土层不应累计 判定标准 非自重湿陷性黄土场地 7cm自重湿陷性黄土场地 7cm 特殊土的工程地质特性 黄土 4 总湿陷量 湿陷性黄土地基 受水浸湿饱和至下沉稳定为止的总湿陷量 按下式计算根据基底下各土层累计的总湿陷量和计算自重湿陷量的大小 判定湿陷性黄土地基的湿陷等级 特殊土的工程地质特性 黄土 5 湿陷起始压力 使黄土出现明显湿陷所需的最小外部压力 黄土湿陷起始压力 可采用室内浸水试验或现场饱和载荷试验来测定 经常从浸水压缩试验所绘制的湿陷系数与压力的关系曲线上求得 曲线上与湿陷系数为0 015相对应的压力 即为土的湿陷起始压力 饱和自重压力pz时 为自重湿陷性黄土 黄土湿陷起始压力大小与很多因素有关 常常是随土的密度 粘土含量 含水率及埋藏深度的增加而增大 我过不同地区的黄土湿陷起始压力有所不同 如下表 膨胀土 特殊土的工程地质特性 膨胀土 又称胀缩土 是指随含水量的增加而膨胀 随含水量的减少而收缩 具有明显膨胀和收缩特性的细粒土 分布 在世界和我国分布都很广 一般分布在二级及二级以上阶地上或盆地的边缘 大多数是晚更新世及其以前的残坡积 冲积 洪积物 也有第三纪至第四纪的湖相沉积物及其风化层 个别分布在一级阶地上 膨胀土 特殊土的工程地质特性 一 膨胀土的成分 结构特征1 成分 粘粒含量较高 常达35 以上 矿物成分以蒙脱石和伊利石为主 高岭石含量较少 2 颜色 一般呈红 黄 褐 灰白等色 3 结构 斑状结构 常含铁 锰或钙质结核 土体常具有网状裂隙 裂隙面比较光滑 土体表层常出现各种纵横交错的裂隙和龟裂现象 使土体的完整性破坏 强度降低 膨胀土 特殊土的工程地质特性 二 膨胀土的一般工程地质特征1 天然状态下 膨胀土具有较大的天然密度和干密度 含水率和孔隙比较小 饱和度较大 常在80 以上 天然含水率较小 17 30 2 液限和塑限指数较大 液限为40 68 塑限为17 35 塑性指数为18 33 3 压缩性小 属中 低压缩性土 抗剪强度一般都比较高 但遇水后强度显著降低 膨胀土 特殊土的工程地质特性 三 膨胀土胀缩性的评价表征膨胀土胀缩性指标有 自由膨胀率 膨胀率 收缩系数 膨胀力根据自由膨胀率 可将膨胀土的膨胀潜势分为三类 膨胀土 特殊土的工程地质特性 四 膨胀土地基变形计算及分级根据我国国家标准 膨胀土地区建筑技术规范 GBJ112 87 规定 膨胀土地基变形量可按下列三种情况分别计算1 当离地表1m处地基土的含水率等于或接近最小值时 或地面有覆盖且无蒸发可能时 以及建筑物在使用期间经常有水浸湿的地基 可按下式计算膨胀变形量 即 膨胀土 特殊土的工程地质特性 2 当离地表1m处地基土的含水率大于1 2倍塑限含水率时 或直接受有高温作用的地基 可按下式计算收缩变形量 即 膨胀土 特殊土的工程地质特性 3 在其他情况下 可按下式计算地基土的胀缩变形量 即地基土的膨胀变形量 收缩变形量和胀缩变形粮统称为地基分级变形量 据此 地基土的胀缩等级可分为三级 特殊土的工程地质特性 红粘土 红粘土 是指碳酸盐类岩石经强烈化学风化后形成的高塑性粘土 分布 在我国云贵高原 四川东部 两湖和两广北部一些地区 是一种区域性的特殊土 特征 主要为残积 坡积类型 一般分布在山坡 山麓 盆地或洼地中 其厚度变化很大 且与原始地形和下伏基岩面的起伏变化密切相关 分布在盆地或洼地时 其厚度变化大体是边缘较薄 向中间逐渐增厚 当下伏基岩中溶沟 溶槽 石芽较发育时 上覆红粘土的厚度变化较大 就地区而论 贵州的红粘土厚度约3 6m 超过10m者较少 云南地区一般为7 8m 个别地段可达10 20m 湘西 鄂西 广西等地一般在10m左右 特殊土的工程地质特性 红粘土 一 成分和结构特征1 成分 红粘土颗粒细而均匀 粘粒含量很高 尤其以小于0 002mm的细粘粒为主 矿物成分以粘土矿物为主 倍半氧化物含量也较高 碎屑矿物较少 水溶盐和有机质含量都很少 粘土颗粒主要是多以高岭石和伊利石类粘土矿物为主 主要化学成分为 SiO2 33 5 68 9 Al2O3 9 6 12 7 Fe2O3 13 4 36 4 2 结构特征 呈蜂窝状和絮状结构 颗粒间具有较牢固的铁质或铝质胶结 常有很多裂隙 结核和土洞存在 从而影响土体的均一性 特殊土的工程地质特性 红粘土 二 工程地质性质的基本特点1 高塑性和分散性 2 高含水率 低密度 3 强度较高 压缩性较低 4 具有明显的收缩性 膨胀性轻微 特殊土的工程地质特性 红粘土 三 红粘土作为地基土时应注意的问题红粘土具有强度高 压缩性小的特点 是较好的地基土 但是 在红粘土地区进行建筑时也常出现一些问题 应加以注意 1 红粘土具有胀缩性 有的红粘土膨胀收缩较明显 膨胀力可达180Kpa 特殊土的工程地质特性 红粘土 2 红粘土受所处的位置和形成条件等因素影响 其性质与厚度变化较大 沿深度方向上 红粘土的含水率 孔隙比 压缩系数随深度的增加都有较大的增高 稠度状态由坚硬 硬塑变为可塑 软塑 强度大幅度降低 在水平方向上 地势较高处 红粘土的含水率和压缩性较低 强度较高 而地势低洼处则相反 在岩溶发育的石灰岩地区 红粘土厚度变化往往很大 易造成地基不均匀沉陷 因此 不能将红粘土视为均质体 应按其稠度状态和成分不同 将其划分为不同的土质单元 然后分别予以评价 3 强烈的失水收缩使红粘土表层裂隙很发育 破坏了土体的完整性 降低了土体的强度 增强了透水性 这对于浅埋基础或边坡的稳定性都有影响 4 红粘土中常存在 土洞 对建筑物地基稳定极为不利 特殊土的工程地质特性 盐渍土 1 盐渍土 在地表土层1m厚度内 易溶盐含量大于0 5 的土 2 分布 我国分布很广 主要是江苏北部和渤海西岸 华北平原的河北 河南 山西等省 东北松辽平原西部和北部 西北的内蒙等省区 3 类型 按地理分布可分为滨海盐渍土 冲积平原盐渍土和内陆盐渍土等类型 1 滨海盐渍土 是海水浸入到沿岸地区 经过蒸发 盐分残留地面而形成 2 冲积平原盐渍土 是由于河床淤积抬高或修建水库渠道渗漏等使沿岸地下水升高 地下水通过毛细上升作用不断将盐分输送到地表土层 经过蒸发 盐分积聚而形成 3 内陆盐渍土 是由于内陆洼地矿化潜水蒸发残留盐分形成 或是封闭盆地中水分蒸发盐分沉积而形成 特殊土的工程地质特性 盐渍土 4 厚度 并不很大 一般分布在地表以下1 5m 也有个别达4m 5 特点 干旱时具有较高的强度 潮湿时强度减弱 压缩性增大 而且与所含盐的成分和数量有关 6 土中的盐类 主要是氯盐 硫酸盐和碳酸盐三类 这几类盐有不同特性 对土的性质影响也不相同 1 氯盐 主要有Nacl Kcl Cacl2 Mgcl2等 具有很大的溶解度 易随水分流动而迁移 具有强烈吸湿性 能从空气中吸收水分 故具有保持一定水分的能力 氯盐结晶时体积不膨胀 含氯盐为主的盐渍土 在干燥时具有良好的工程地质性质 强度高 易于压实 但是当潮湿时 塑性和压缩性很大 强度大大减弱 稳定性被破坏 2 硫酸盐 Na2SO4 MgSO4等 具有很大溶解度 结晶时体积大大膨胀 失水时体积缩小 含硫酸盐的盐渍土 由于昼夜温差变化而产生胀缩现象 干燥时 土层松散 潮湿时即被泡软 失去承载力 3 碳酸盐 NaHCO3 Na2CO3等 具有较大溶解度 其水溶液具有较大的碱性反应 遇水体积膨胀 含碳酸盐的盐渍土 具有明显的碱性反应 干燥时紧密坚硬 强度较高 潮湿时 具有很大的亲水性 塑性 膨胀性 压缩性都很大 稳定性很低 不易排水 很干燥 土中还含有少量中溶盐和难溶盐CaSO4 CaCO3 其溶解度较低 在土中一般起胶结作用和凝聚作用 干时土紧密坚硬 潮湿时也不疏松 特殊土的工程地质特性 盐渍土 特殊土的工程地质特性 人工填土 1 人工填土 指由于人类活动而堆填的土 2 特点 不均匀性 高压缩性和低强度 3 分类 人工填土种类繁多 性质相差悬殊 对人工填土的分类主要考虑堆积年限 组成物质和密实度等因素可分为素填土 杂填土和冲填土三类 特殊土的工程地质特性 人工填土 1 素填土 主要由粘性土 砂或碎石组成 夹有少量的碎砖 瓦片等杂物 有机质含量不超过10 按堆积年限分为新素填土和老素填土两类 粘性老素填土 堆积年限在10年以上 或孔隙比 1 10 非粘性老素填土 堆积年限在5年以上 或孔隙比 1 00 新素填土 堆积年限少于上述年限或指标不满足上述数值的素填土 特殊土的工程地质特性 人工填土 2 杂填土 主要为建筑垃圾 生活垃圾或工业废料等 建筑垃圾杂填土 主要为房渣土组成 其中碎砖 瓦片等杂物约占40 以上 碎砖 石 砂等含量越多 土