工程地质学课件 水文地质 土木工程.ppt

水文地质与工程地质 工程地质学部分 1工程地质学的定义 工程地质学 广义的讲是研究地质环境及其保护和利用的科学 狭义的讲是将地质学的原理运用于解决与工程建设有关的地质问题的一门学科 研究人类工程活动与地质环境相互作用 特别是工程建设的工程地质条件和工程地质问题的学科 岩土工程 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 在国际上被认为是土木工程的一个分支 已有40多年的发展历史 在我国则也有30年的历史 它主要包括岩土工程勘察等 工程地质与岩土工程的关系可归纳为工程地质是岩土工程的基础 岩土工程是工程地质的延伸 广义工程地质学包含岩土工程 地质工程等范畴 狭义工程地质学一般包括工程勘察 工程地质问题评价 绪论 2工程地质条件 工程地质条件主要包括以下六大方面 是一个综合概念 1 地形地貌2 岩土类型及性质3 地质结构与构造4 水文地质条件5 不良地质作用6 天然建筑材料 3工程地质问题 工程地质问题 工程建筑与工程地质条件 地质环境 相互作用 相互制约引起的 对建筑本身的顺利施工和正常运行或对周围环境可能产生影响的地质问题 工程地质问题分析是工程地质工作的中心环节 4 课程内容 1 土的工程性状2 不良地质问题的研究3 工程地质及水文地质勘察 第1章土的工程性状 1 1概述1 2土的工程分类1 3土的地质成因类型1 4土的三相关系1 5土的三相比例指标1 6无黏性土的性质1 7黏性土的性质1 8特殊土的工程地质特征 1 1概述 土的形成与外动力地质作用密切相关 不同类型的土 工程性质相差很大 在工程建设中也应该采取不同的处理方法 尤其是一些特殊土 在进行工程建设时会产生特殊的工程地质问题 需进行适当的处理 因此 很有必要对土的工程性状进行深入的了解 此章主要介绍土的工程分类 土的地质成因 三相比例指标 无黏性土的性质 黏性土的物理特征以及特殊土的特征等内容 地表岩石破坏 搬运 沉积 土的形成 土是地壳表层的岩石 在长期风化 搬运 磨蚀 沉积作用的过程中 形成的大小不等 在原地或在异地各种环境下形成的未经胶结的一切松散堆积物 1 2土的工程分类 1 2 1土按堆积年代分类可以分 1 老黏性土老黏性土是指第四纪晚更新世 Q3 及其以前堆积的土 它是一种堆积年代久 工程性质较好的土 一般具有较高强度和较低压缩性 2 一般黏性土一般黏性土是指第四纪全新世 Q4文化期前 堆积的黏性土 其分布面积广 工程性质变化很大 是经常遇见的土类 3 新近堆积的黏性土新近堆积的黏性土是指文化期以后堆积的黏性土 一般为欠固结 强度低 1 2 2土按地质成因分类土按地质成因分类可分为残积土 坡积土 洪积土 冲积土 淤积土 冰积土和风积土 1 2 3土按有机质含量分类可按表分为无机质土 有机质土 泥炭质土和泥炭 1 2 4土按颗粒级配或塑性指数分类 岩土工程勘察规范 GB50021 2001 建筑地基基础设计规范 GB5007 2002 中的土按颗粒级配或塑性指数分类分为碎石土 砂土 粉土和黏性土 1 碎石土粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量50 的土 根据颗粒级配和颗粒形状碎石土又可分为漂石 块石 卵石 碎石 圆砾和角砾 2 砂土粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量的50 粒径大于0 075mm的颗粒质量超过总质量的50 的土 根据颗粒级配分为砾砂 粗砂 中砂 细砂和粉砂 3 粉土粒径大于0 075mm的颗粒质量不超过总质量50 且塑性指数小于或等于10的土 必要时 可根据颗粒级配分为砂质粉土 粒径小于0 005mm的颗粒质量不超过总质量10 和黏土粉土 粒径小于0 005mm颗粒质量等于或超过总质量10 4 黏性土塑性指数Ip大于10的土 根据塑性指数分为粉质黏土 1017 砾石 砾砂 粗砂 中砂 细砂 粉砂 细粒粘性土 1 3土的地质成因类型 土层按成因的分类1 残积土2 坡积土3 洪积土4 冲积土5 淤积土6 冰积土7 风积土 冲积土 定义 由水流搬运堆积形成的土 通常河流冲积物上发育的土壤 广泛分布于世界各大河流泛滥地 冲积平原 三角洲 以及滨湖 滨海的低平地区 洪积土 定义 由暂时性洪流 将山区高地的碎屑物质携带至沟口或平缓地带堆积形成的土 山洪携带的大量碎屑物质流出沟谷口后 因水流流速骤减而呈扇形沉积体 称洪积扇 定义 在静水或缓慢流水中堆积而形成的土 淤积土 CompanyLogo 冲积物是常年有水河流形成的松散堆积 主要分布于河流的两侧 及其摆动地带 CompanyLogo 暴雨形成流速极大的洪流 山区洪流沿河槽流出 进入平原或盆地 地势转为平坦 集中的洪流转变成辫状散流 水的流速顿减 搬运能力急剧降低 洪流所携带的物质以山口为中心堆积成扇形 称为洪积扇 CompanyLogo 湖积物属于静水沉积 颗粒分选性良好 层理细密 岸边浅水处沉积砂砾等粗粒物质 湖心则多为粘土 波浪力是颗粒分选的动力 波浪力影响的范围内 波浪反复淘洗沉积物 粗粒留在岸边 细粒落于远岸 波浪力影响不到的湖心 则沉积细小的粘粒 随着气候和构造运动发生变化 风积土 定义 岩石风化碎屑物质经风力搬运作用至异地降落 堆积所形成的土 土质均匀 质纯 孔隙大 结构松散 冰积土 定义 碎屑物质或块石在冰川作用的搬运下 在谷地或沟口堆积所形成的土 一般分选性极差 颗粒呈棱角状 巨大块石上常有冰川擦痕 坡积土 定义 位于山坡上方的碎屑物质 在流水或重力作用下运移到斜坡下方或坡麓处堆积形成的土 近期堆积的坡积物结构比较疏松 具有较高的压缩性 残积土 定义 岩体经风化作用后残留在原地形成的土 1 4土的三相关系土的三相关系包括固相土颗粒 土中水 土中气 土的三相关系 气态 土颗粒 液态水 1 4 1土的固体矿物成分1 原生矿物原生矿物是岩石经物理风化破碎但成分没有发生变化的矿物碎屑 常见的原生矿物有石英 长石 云母 角闪石 辉石 橄榄石 石榴石等 2 不溶于水的次生矿物组成土的这类矿物主要有 黏土矿物 次生SiO2 3 可溶性次生矿物可溶性次生矿物又叫水溶盐 按其在水中的溶解度又分为易溶盐 中溶盐和难溶盐三类 4 有机质在自然界一般土 特别是淤泥质土中 通常都含有一定数量的有机质 当其在黏性土中的含量达到或超过5 在砂土中的含量达到或超过3 时 就开始对土的工程性质具有显著的影响 1 4 2土的粒度成分土的粒度成分是决定土的工程性质的主要内在因素之一 因而也是土的类别划分的主要依据 1 粒组划分 组成与土的工程性质关系 2 粒度分析 particlesizeanalysis 及其成果表示 由级配曲线可以直观地判断土中各粒组的含量情况 如果曲线陡峻 曲线C 表示土粒大小均匀 级配不好 反之 曲线平缓 曲线B 则表示土粒大小不均匀 但级配良好 1 4 3土中水 1 结合水结合水是指受分子引力 静电引力吸附于土粒表面的土中水 强结合水土粒的静电引力强度是随离开土粒表面的距离增大而减弱的 靠近土粒表面的水分子 受到土粒的强烈吸引 可达1000 2000MPa 而失去自由活动能力 整齐地排列起来 这部分水称为强结合水 弱结合水距离土粒表面稍远的水分子 受到土粒的吸引力减弱 有部分活动能力 排列疏松不整齐 这部分水叫弱结合水 2 非结合水非结合水为土粒孔隙中超出土粒表面静电引力作用范围的一般液态水 主要受重力作用控制 能传递静水压力和溶解盐分 在温度0 左右冻结成冰 典型的代表是重力水 界于重力水和结合水之间的过渡类型水为毛细水 毛细水毛细水是由于毛细作用保持在土的毛细孔隙中的地下水 重力水重力水是存在于较粗大孔隙中 具有自由活动能力 在重力作用下流动的水 气态水和固态水气态水以水汽状态存在 严格地讲应属土的气相部分 固态水就是冰 以冰夹层 冰透镜体和细小冰晶等形式存在于土中 1 4 4土中气体气体也是土的组成部分之一 土中气体成分以O2 CO2及N2为主 此外还有H2S等 基本上与大气的成分相一致 但土中各种气体的相对含量与大气有很大差别 土粒对气体的吸附强度依次为 CO2 N2 O2 H2 因而导致CO2在土中相对含量可高达10 而CO2在大气中仅占0 03 土中的气体按存在状态分为吸附气体 游离气体和密闭气体 1 4 5土的结构与构造土的结构与构造是指物质成分的连结特点 空间分布和变化形式 1 土的结构单粒结构特征单粒结构 也称散粒结构 是碎石 卵石 砾石类土和砂土等无黏性土的基本结构形式 集合体结构特征集合体结构 也称团聚结构或絮凝结构 对集合体结构 根据其颗粒组成 连结特点及性状的差异性 可分为蜂窝状结构和絮状结构两种类型 2 土的构造在一定土体中 结构相对均一的土层单元体的形态和组合特征 称为土的构造 对于碎石土 粗石状构造是最普遍的 对于砂土和砂质粉土 各种不同形式的夹层 透镜体或交错层构造 较为普遍 1 5土的三相比例指标 表示土的三相比例关系的指标 称为土的三相比例指标 亦即土的基本物理性质指标 包括土的颗粒比重 重度 含水量 饱和度 孔隙比和孔隙率等 1 土的颗粒比重土粒重量与同体积的4 时水的重量之比 称为颗粒比重 它在数值上为单位体积土粒的重量 2 土的重度单位体积土的重量称为土的重度 3 土的干重度 饱和重度和浮重度土单位体积中固体颗粒部分的重量 称为土的干重度 土孔隙中充满水时的单位体积重量 称为土的饱和重度 在地下水位以下 单位土体积中土粒的重量扣除浮力后 即为单位土体积中土粒的有效重量 称为土的浮重度或水下重度 4 土的含水量土中水的重量与土粒重量之比 称为土的含水量 以百分数计 5 土的饱和度土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比 称为土的饱和度 以百分率计 6 土的孔隙比和孔隙率土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比 土的孔隙率是土中孔隙所占体积与总体积之比 以百分数表示 指标的换算关系 1 6无黏性土的性质 无黏性土一般指碎石土和砂土 粉土属于砂土和黏性土的过渡类型 但是其物质组成 结构及物理力学性质主要接近砂土 特别是砂质粉土 故列入无黏性土的工程特征问题一并讨论 1 6 1影响无黏性土紧密状态的因素1 受荷历史和形成环境2 颗粒组成3 矿物成分1 6 2无黏性土紧密状态指标1 天然孔隙比 2 相对密度 3 标贯击数N 1 7黏性土的性质 黏性土的物理状态因其颗粒很细 与水作用很强烈 内部结构与无黏性土差别很大 工程性质也与无黏性土差别很大 1 7 1影响黏性土性质的主要因素及指标影响黏性土性质的主要因素包括受荷历史和形成环境 黏性土的含水量 黏性土中所含矿物的胶体活动性 黏性土遇水膨胀和失水收缩的程度 黏性土的耐崩解特性以及黏性土压实的最优含水量等 黏性土的主要特性指标包括黏性土的界限含水量 包括液限 塑限和缩限 塑性指数 液性指数 活动性指数以及最优含水量等 1 7 2黏性土的界限含水量 1 7 3黏性土的塑性指数和液性指数1 塑性指数 2 液性指数 1 7 4黏性土的活动性指数 1 7 5黏性土的膨胀 收缩和崩解特性 土的收缩是由于土粒间的结合水膜变薄 粒间距离减小所致 收缩时除了土体积缩小外 还会由于收缩的不均匀而产生裂缝 土的膨胀与收缩相反 是由于土在浸湿过程中使结合水膜变厚 土粒间的距离增大所致 土的崩解是黏性土遇水后的另一现象 若将黏性土放入水中 由于胶结物的溶解或软化 降低了土粒间的连结力 弱结合水又力图楔入土粒间 进一步破坏粒间连结 这样 土体浸入水后不久就会由表及里地崩成小块或小片 这种现象称为崩解 黏性土的膨胀 收缩和崩解特性除可能使建筑物地基产生不均匀胀缩变形外 对建筑基坑 路堤 路堑及新开挖河道岸边等工程边坡的稳定性 都有极重要的影响作用 1 8特殊土的工程地质特征 不同的地质条件 地理环境和气候条件造成了不同区域的工程性质各异的土质 有些土类 由于形成条件及次生变化等原因而具有与一般土类显著不同的特殊工程性质 称其为特殊土 特殊土的性质都表现出一定的区域性 有其特殊的规律 在工程上应充分考虑其特殊性 采取相应的治理措施 否则很容易造成工程事故 1 8 1软土软土是天然含水量大 压缩性高 承载力和抗剪强度很低的呈软塑 流塑状态的黏性土 软土可以细分为软黏性土 淤泥质土 淤泥 泥炭质土和泥炭等 淤泥质土 3 软土中工程地质问题的防治软土具有压缩性高 强度低等特性 因此变形问题是软土地基的一个主要问题 表现为建筑物的沉降量大而不均匀 沉降速率大以及沉降稳定历时较长等特点 在软土地基上修建建筑物时 一般应做基础处理或采用桩基础 同时考虑上部结构与地基的共同工作 确定应采取的建筑措施 结构措施和基础处理方法 以减少软土地基上建筑物的不均匀沉降 1 软土的分布沿海地区滨海相 泻湖相 三角洲相 内陆平原或山区的湖相和冲积洪积沼泽相 2 软土的工程性质软土的工程特性主要有含水量高 孔隙性高 渗透性低 压缩性高 抗剪强度低并有较显著的触变性和蠕变性 淤泥土中桩基破坏 淤泥土中建筑物不均匀沉降 1 8 2黄土黄土是一种特殊的第四纪陆相松散堆积物 黄土的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 具有上述全部特征的土 称为典型黄土 而与之相似 但缺少个别特征的土 称为黄土状土 典型黄土和黄土状土统称黄土类土 简称黄土 1 黄土的特征及分布 黄土地 2 黄土的工程性质1 塑性较弱2 含水较少 坚硬 硬塑状态3 压实程度差 孔隙比高 孔隙大4 抗水性弱 遇水强烈崩解 湿陷明显5 透水性较强 且呈各向异性6 强度较高 粒间连接较强 压缩性中等 1 8 3膨胀土含有大量亲水黏土矿物 湿度变化时有较大体积变化 膨胀变形受约束时产生较大内应力的岩土称为膨胀性岩土 1 膨胀土的成因和分类 2 膨胀土的工程地质特性1 低含水量 呈坚硬 硬塑状态 2 孔隙比小 密度大 3 高塑性 含黏粒及粉粒为主 4 具膨胀力 自由膨胀量 40 5 天然状态下压缩性低 承载力高 但由于干缩裂隙发育 稳定性差 浸水后或被扰动时 强度骤然降低 3 影响胀缩变形的主要因素 1 8 4冻土当温度低于0 时 土中的液态水冻结成冰 形成一种具有特殊联结的土 称为冻土 温度升高 土中的冰融化 则称融土 此时其含水率较冻前提高很多 1 冻土工程性质冻结时 土体体积膨胀 地基隆起 但冻土的强度高 压缩性很低 融化时 土体体积缩小 强度急剧降低而压缩性提高 这种土的冻结和融化都常给建筑物带来极不利的影响 2 冻土地工程地质问题及防治措施1 道路边坡及基底稳定问题2 建筑物地基问题3 冰丘和冰锥 房屋冻胀裂缝 冻土 1 8 5填土填土是由于人为堆填和倾倒以及自然力的搬运而形成的处于地表面的土层 由于人类活动方式的差异以及自然界的变迁和发展历史的差异 导致了填土层的组成成分及其工程性质等均表现出一定的复杂性和多样性 1 填土的工程分类1 素填土素填土的物质组成主要为碎石 砂土 粉土和黏性土 不含杂质或杂质很少 按其组成成分的不同 分为碎石素填土 砂性素填土 粉性素填土和黏性素填土 素填土经分层压实者 称为压实填土 2 杂填土杂填土为含有大量杂物的填土 3 冲填土冲填土是指利用专门设备 常用挖泥船和泥浆泵 将泥砂夹带大量水分 吹送至江河两岸或海岸边而形成的一种填土 2 填土的工程地质问题1 素填土的工程地质问题素填土的工程性质取决于它的密实度和均匀性 2 杂填土的工程地质问题a 不均匀性b 工程性质随堆填时间而变化c 由于杂填土形成时间短 结构松散 干或稍湿的杂填土一般具有浸水湿陷 这是杂填土地区雨后地基下沉和局部积水引起房屋裂缝的主要原因 d 含腐殖质及水化物问题 3 冲填土的工程地质问题a 冲填土的颗粒组成和分布规律与所冲填泥砂的来源及冲填时的水力条件有着密切的关系 b 冲填土的含水量大 透水性弱 排水固结差 一般呈软塑或流塑状态 c 冲填土一般比成分相同的自然沉积饱和土的强度低 压缩性高 1 8 6红黏土碳酸盐岩系出露区的岩石 经红土化作用形成的棕红 褐黄等色 液限等于或大于50 的高塑性黏土称为红黏土 红黏土及次生红黏土广泛分布于我国的云贵高原 四川东部 广西 粤北及鄂西 湘西等