《工程地质》2015课件笔记.doc

绪论 (introduction)工程地质学Engineering Geology：研究人类工程活动与地质环境相互关系的一门科学。研究对象：工程地质环境；服务对象：工程建设研究内容：（1） 工程地质条件: 与工程有关的地质因素的综合。具体包括：地形地貌、地层岩性（岩土类型及性质）、地质结构与构造、水文地质条件、不良地质作用（自然地质现象）、天然建筑材料（2） 工程地质问题：地基稳定性问题、斜坡稳定性问题、洞室围岩稳定性问题、区域稳定稳定性问题工程地质学的基本任务:查明条件、论证问题、选择场地、拟定措施、预测影响、提出建议 具体来说就是，依据工程地质条件帮助工程选址和进行场地评价第1章 岩石 (rock) 1.1 地球地球外圈：大气圈、水圈、生物圈地球内圈：地壳、地幔、地核。地壳与地幔之间分界面是莫霍面，地幔与地核分界面是古登堡面岩石圈包括地壳和上地幔 1.2 主要造岩矿物：石英、正长石、方解石 矿物形态morphology of minerals 矿物单晶体、规则连生晶体和集合体的外形特征。矿物单晶体的形态包括晶体的形状、结晶习性、晶体的大小及晶面花纹等； 颜色(color)：矿物新鲜表面的颜色。分自色（鉴定矿物）、他色、假色。 条痕(streak)：矿物粉末的颜色。 光泽(luster)：矿物表面反射光线的强弱强度。 硬度(hardness)：矿物新鲜面抵抗外力刻划、研磨的能力。摩氏十级“滑石方，萤磷长，石英黄玉刚金刚”。 解理(cleavage)：矿物受敲击后裂开成光滑平面的性质 断口(fracture)：与解理相反没有光滑平面,不具方向性的不规则破裂面 1.3岩石(rock)：一种或多种矿物组成的自然集合体。一、岩浆岩（花岗岩、玄武岩、流纹岩、安山岩）体积最多（一） 岩浆岩的分类(1) 按成岩的地质环境分：侵入岩(深成岩、浅成岩)、喷出岩(2) 根据颜色可分：浅色矿物和深色矿物两类： (3) 根据SiO2的含量，岩浆岩可分：65%酸性、5265中性、4552基性、45%超基性岩类（二）岩浆岩的结构（微观)和构造（宏观）1、结构（texture）：组成岩石的矿物结晶程度、晶粒大小、形状及组合关系。显晶、斑状、隐晶结构2、构造(structure):矿物在岩石中的组合方式和空间分布情况。块状构造（深成岩、浅成岩）、流纹状构造（喷出岩）、气孔状构造（喷出岩）、杏仁状构造（熔岩的表层）二、沉积岩（碎屑岩、泥岩、页岩、石灰岩）分布最广（一）沉积岩的物质组成和分类1. 沉积岩的物质组成：碎屑物质、粘土矿物、化学沉积矿物、有机质及生物残骸2. 沉积岩的分类：碎屑岩类、粘土岩类、化学及生物化学岩类（二）沉积岩的结构和构造：沉积岩最主要的构造是层理构造(stratification)。 层理分为：水平层理、斜层理、交错层理等。 岩层：层与层之间的界面，称为层面(bedding plane)。上下两个层面间成分基本均匀一致的岩石，称为岩层。它是层理最大的组成单位。一个岩层上下层面之间的垂直距离称为岩层的厚度。三、变质岩（大理岩、板岩、石英岩、千枚岩）（一）变质岩的一般特征1矿物成分：原来岩石的矿物、变质矿物（特有的变质矿物：石榴子石、滑石、绿泥石、蛇纹石）2. 结构和构造：片理构造和块状构造3.变质作用包括：接触变质作用、区域变质作用、混合岩化作用、动力变质作用1.4岩石的工程地质性质1.4.1影响岩石工程性质的因素：矿物成分、结构、构造、风化作用、水1.4.2岩体的工程地质性质：岩体是指某一地点一种或多种岩石中的各种结构面、结构体（岩石）的总体岩体与土体的区别：岩体具有牢固连接、结构复杂、地应力 饱和单轴抗压强度fr分类：60坚硬岩、60,30）较硬岩、30,15）较软岩、15,5）软岩、5极软岩 岩体完整性系数（龟裂系数）Kv=（V岩体纵波波速/ V岩块纵波波速）2，分五级，越大越完整0.75完整、0.750.35较完整、0.550.35较破碎、0.350.15破碎、0.15极破碎 岩芯质量指标RQD=li岩芯中10第2章 第四纪沉积物（土）2.1 地质年代(geologic age):地质学中主要用相对地质年代）绝对地质年代：同位素法、季节气候法、沉积法、古生物法、海水含盐度法相对地质年代：地层层序律（基本方法）、生物层序律（特征化石）、切割律（岩石侵入）、岩性对比法：组成、结构、构造为基础，局限和不可靠性地层单位： 宇、界、系、统、阶、亚阶 (从大到小)地质年代单位：宙、代、纪、世、期、亚期(从大到小)两宙五代12纪QNE KJT PCD SOLE2.2 第四纪概述： 第四纪三大特征：人类出现、冰川作用、新构造运动地壳运动： 升降运动(造陆)水平运动(造山)2.3、第四纪沉积物（土）：土是第四纪时期以来由岩石经过风化、剥蚀、搬运和沉积作用形成形成的多相、分散、多孔的松散堆积物。 物理风化：温差、冰避、盐结晶、卸载2.3.1三类风化作用： 化学风化：溶解、氧化、水解、水化 生物风化：生物物理风化作用、生物化学风化作用风化影响因素：岩性因素 、地质构造因素、气候因素、地形因素 风化系数（kf）：风化岩石与新鲜岩石的饱和单轴抗压强度之比。风化带：全风化、强风化、弱风化、微风化2.3.2 第四纪沉积物2.3.2 .1根据地质成因可分为：残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖泊沉积物、海洋沉积物、冰水沉积和冰积土、风积土。(残坡洪冲，湖海冰风)河流阶地：由于地壳上升，河流下切形成的阶梯状地貌基座阶地：侵蚀阶地：堆积阶地：埋藏阶地：埋藏阶地又称掩埋阶地。2.3.2 .2 侵蚀作用：方式：机械侵蚀、化学溶蚀；作用方向：下蚀、源蚀、侧蚀作用河流的地质作用 搬运作用 ：作用方式：拖运（大颗粒）、悬运（小颗粒）、溶运（易溶物） 沉积作用：原因有三：一是流速减小，二是流量减小，三是进入河流的碎屑过多。 沉积作用三个主要场所：一是河流汇入其它相对静止的水体处，如河流入海、入湖以及支流入主流处；二是河床纵剖面坡度由陡变缓处；三是河流的凸岸，由单向环流侵蚀凹岸，其产生的碎屑在凸岸沉积。2.3.2 .3特殊土：特殊土包括：软土(触变性、流变性)、黄土（湿陷性）、红黏土（不均匀性）、膨胀土（胀缩性）、人工填土（高压缩性）、冻土（冻胀融沉）盐渍土（盐胀性）等 软土分为：淤泥：天然含水量w大于液限，天然孔隙比e1.5的黏性土。 淤泥质土：天然孔隙比1.0 e 1.5的黏性土。第3章 地质构造 (geologic structure)1 地质构造：构造变动在岩层和岩体中遗留下来的各种构造形迹3.1岩层的基本产状：水平构造单斜构造3-1-1岩层的产状： 岩层在空间的位置。产状三要素：走向、倾向和倾角（走向与倾向相差90度）3-1-2 岩层产状的测定及表示方法：测定仪器：地质罗盘；表示法：方位角法、象限角法、符号法3.2褶皱构造：岩层受构造应力的强烈作用，使岩层形成一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造。（一）褶曲要素：核部、翼、轴面、轴、枢纽（二）褶曲的类型：背斜；轴部岩层老，轴部向两翼，依次出现的是较新的岩层；老背向斜：轴部岩层新，轴部向两翼，依次出露的是较老的岩层。向新（三）褶皱的工程地质评价：核部岩层应力集中，易破碎，易透水，翼部岩性较为均一，有利于稳定（四）褶皱野外识别：方法：穿越为主、追索为辅。初期：背斜成山，向斜成谷；侵蚀后，背斜成谷，向斜成山3-3 断裂构造：断裂构造可分为断层和裂隙（节理）3.3.1裂隙（节理）：是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造。 3.3.2 断层（fault）岩体受力作用断裂后，两侧岩块沿断裂面发生了显著位移的断裂构造 1断层要素：断层面、断层线、断层盘、断距2断层的基本类型：正断层（张力重力、45上下下上）、逆断层（水平挤压，45冲断层、2545逆掩断层、25辗掩断层，上上下下）、平推断层（水平剪力、断面较陡，水平错动）3断层的组合形式：阶状断层、地堑、地垒和迭瓦式构造等4断层的工程地质评价：在确定路线布局、选择桥位和隧道位置时，要尽量避开大的断层破碎带。5断层的野外识别：根据有关的伴生构造、地貌特征、地层特征等标志来识别。3.4不整合：年代不相连续的两套岩层重叠在一起的现象，这种构造形迹，称为不整合 不整合的类型：平行不整合（假整合）、角度不整合（不整合）3.5地质图以及地质构造在地质图中的表现形式：:水平平行、垂直直线露头线（岩层层面与地面的交线）与等高线关系表岩层与地面：倾向相反，则弯曲相同且曲率较小倾向相同、岩层倾角地面坡角，则弯曲相反倾向相同、岩层倾角地面坡角，则弯曲相同、曲率较大地质界线“V”字形尖端在沟谷处指向上游，在山脊处指向下坡地质界线“V”字形尖端在沟谷处指向下游，在山脊处指向上坡（与1相反）地质界线“V”字形尖端在沟谷处指向上游，在山脊处指向下坡（与1相同）水平平行（或重合、新上老下）、直立直线（不受地形影响）第4章 地下水（Ground water)4.1 地下水的类型：按埋藏条件：包气带水、潜水、承压水；空隙性质可分为三个亚类：孔隙水、裂隙水、岩溶水。水理性质：岩石与水接触后表现出的有关性质，即与水分贮容和运移有关的性质称作岩石的水理性质 n 1.容水性：容水度Wn=VnV （饱和含水量）n 2.持水性：Wr=Vr/V （最大结合水&毛细悬挂水含水量）n 3.给水性：=VgV最大重力水含水量，容水度减去持水度n 4透水性：渗透系数k，q=kIA1包气带水 ：处于地表面以下潜水位以上的包气带岩上层中2潜水：埋藏在地表以下第一层较稳定的隔水层以上具有自由面的重力水叫潜水3承压水：地表以下、充满两个稳定隔水层之间的重力水。受气候影响较小，不易受地面污染。适宜形成承压水的地质构造：自流盆地（向斜构造或盆地）与自流斜地（单斜构造 ）4泉（按补给源分）：（1）包气带泉（2）潜水泉(潜水形成下降泉)（3）自流水泉(承压水形成上升泉)4.4 地下水对建筑工程的影响 1.地基沉降：静水压力、地下水下降 2.流砂和潜蚀（又称管涌：机械潜蚀和化学潜蚀）：达西定律Q=kIA，v=kI，I=h/L，动水压力Gd=w.i3.浮托作用：土在地下水位以下取浮重度（有效重度）。4.基坑突涌:承压水对基坑坑底的顶托力作用，承压水顶托力上覆土重时发生。 5.腐蚀作用: 地下水对钢筋混凝土腐蚀：结晶、分解、复合流砂现象及防止原则和方法：在细砂或粉砂土层的基坑开挖时，地下水位以下的土在动水压力的推动下极易失去稳定，随着地下水涌入基坑的现象； 防治原则：“治流砂必先治水”。流砂防治的主要途径一是减小或平衡动水压力；二是截住地下水流；三是改变动水压力的方向。具体措施：枯水期施工法；打板桩水中挖土；人工降低地下水位法；抢挖并抛大石块法，此外采用地下连续墙法、止水帷幕法、压密注浆法、土壤冻结法等，第5章 不良地质现象的工程地质问题 自然灾害：1) 水旱灾害,台风、冰雹、雪、沙尘暴等气象灾害 2) 风暴潮、海啸等海洋灾害 3) 森林草原火灾和重大生物灾害4) 地质灾害：火山、地震、崩塌、滑坡、泥石流、岩溶、地陷、地裂、河流侵蚀、泥沙沉积内动力地质作用引起的火山爆发、地震外动力地质作用引起的滑坡、崩塌、泥石流、岩溶、冻土、河流的侵蚀与淤积 人为地质灾害：人工边坡滑动、水库诱发地震、地面沉降、水土流失和土地沙漠化 5.1 滑坡与崩塌一、滑坡是斜坡土体和岩体在重力或外力作用下失去原有的稳定状态，沿着斜坡内某些滑动面（或滑动带）作整体向下滑动的现象。二、滑坡要素：5.3.2、滑坡的分类：5.3.3、滑坡的发育过程 （一）蠕动变形阶段：滑坡前兆（二）滑动破坏阶段： “醉林” （三）渐趋稳定阶段：马刀树5.3.4滑坡稳定分析方法：地质分析法、极限平衡分析法、赤平投影图解分析法、有限单元法、工程地质类比法滑坡因素有： (1)斜坡外形 (2)岩性 (3)构造 (4)水 (5)地震 (6)人为因素5.3.5 滑坡的治理1、治理原则：以防为主、整治为辅2、治理措施：（1）排水：地表排水：明沟，天沟、地下排水:盲沟（2）支挡：在滑坡体下部修筑挡土墙、抗滑桩或用锚杆加固等工程以增加滑坡下部的抗滑力。（3）刷方减重：通过削减坡角或降低坡高，以减轻斜坡不稳定部位的质量的下滑力。如拆除坡顶处的房屋和搬走重物等。（4）改善滑动面（带）的岩土性质：主要是为了改良岩土性质、结构，以增加坡体强度。本类措施有：对岩质滑坡采用固结灌浆；对土质滑坡采用电化学加固、冻结、焙烧等5.3.6 崩塌（与滑坡的区别，局部滚动、垂直大于水平运动，突然，坡陡）崩塌: 陡峻或极陡斜坡上，某些大块或巨块岩块，突然地崩落或滑落，顺山坡猛烈地翻滚跳跃，岩块相互撞击破碎，最后堆积于坡脚，这一过程称为崩塌，堆积于坡脚的物质为崩塌堆积物（岩堆）；规模极大的崩塌可称为山崩，而仅个别巨石崩落称坠石（落石）。崩塌的破坏作用： 建筑物受损、 公路和铁路受损，交通中断 堵塞河道2、崩塌发生条件和发育因素(1) 山坡的坡度及其表面的构造：高而且陡竣，其坡度往往50度 如果山坡表面凹凸不平，沿突出部分(2) 岩石性质和节理程度：软硬岩层互层组成当节理顺山坡发育时，山坡表面突出部分(3) 地质构造：岩层产状 构造作用3、崩塌的防治： 只有小型崩塌，才能防止其不发生。对于大的崩塌只好绕避。路线通过小型崩塌区时防止的方法有：防止产生的措施、拦挡防御措施(1) 防止产生的措施：爆破或打楔、灌浆、调整地表水流、铺砌覆盖、坡面喷浆(2) 拦挡防御措施：明硐或御塌棚、护墙及围护棚、挡土墙5.4 泥石流1泥石流：是指在山区一些流域内，主要是在暴雨降落时所形成的、并由固体物质（石块、砂砾、粘粒）所饱和的暂时性山地洪流。是山区特有的一种不良地质现象，具有爆发突然、运动快速、历时短暂和破坏力极大的特点2、分类：(1)水石流：(2)泥水流：(3)泥石流3、泥石流的形成三条件：便于集水集物、运动和停淤的地形地貌，有丰富的松散物质来源；短时间内有大量的水源（水文气象条件）。4、泥石流的流域可划分：（1）泥石流形成区（上游）：多为三面环山，一面出口;周围山坡陡峻。坡体往往光秃破碎，无植被覆盖，斜坡常被冲沟切割，且有崩塌、滑坡发育。有利于汇集周围山坡上的水流和固体物质。（2）泥石流流通区（中游）：泥石流流通区是泥石流搬运通过地段。多为狭窄而深切的峡谷或冲沟，谷壁陡峻而坡降较大，且多陡坎和跌水。泥石流进入本区后具有极强的冲刷能力，将沟床和沟壁上的土石冲刷下来携走。当流通区纵坡陡长而顺直时，泥石流流动畅通，可直泻而下，造成很大危害。（3）泥石流堆积区（下游）：泥石流堆积区是为泥石流物质的停积场所，一般位于山口外或山间盆地边缘、地形较平缓之地。由于地形豁然开阔平坦，泥石流的动能急剧变小，最终停积下来，形成扇形、锥形或带形的堆积体，冲积洪积扇。5、防治泥石流的原则是以防为主，兼设工程措施。可采用如下的防范对策。（1）预防：在上游汇水区，做好水土保持工作，如植树造林，种植草皮等；调整地表径流，横穿斜坡修建导流堤，筑排水沟系，使水不沿坡度较大处流动，以降低流速；加固岸坡，以防岩土冲刷和崩塌，减少固体物质来源。（2）拦截：在中游流通区，设置一系列拦截构筑物，如拦截坝、拦栅、溢流坝等，以阻挡泥石流中携带的物质。用改变沟床坡降降低流速的方法，防止沟床下切，如修建不太高的挡墙，筑半截堰堤等。（3）排导：在泥石流下游设置排到措施使泥石流顺利排除。例如修排洪道、导流坝、急流槽等，用以固定沟槽，约束水流，改善沟床平面，或者引导泥石流避开建筑物而安全地泄走。6.6地震地震是由于地球的内力作用而产生的一种地壳震动现象。全球主要地震活动带有3个： 环太平洋地震带；欧亚地震带；大洋海岭地震带。一.震源和震中 震源：指地球深处因岩石破裂产生地壳振动的发源地。 震源深度：震源与地面的垂直距离。h70km浅源地震；70300km中源地震； 300700km深源地震 震中：震源上方正对着的地面称为震中；震中及其附近的地方称为震中区，也称极震区。震中到地面上任一点的距离叫震中距离（简称震中距）。震中距100km地方震；1001000km近震；1000km远震 其中最初发生的小震动称为前震，前震之后为主震，主震之后为余震。 地震按其成因可分为：构造地震（最多最强）、火山地震、陷落地震和人工地震（水库、核爆）。二 地震波（earthquake/seismic wave)由震源所发出的一种弹性波，它是地震发生时引起建筑物破坏的原动力。1、地震波包括体波和面波两种。地震破坏主要是：横波和面波（1）体波：是通过地球本体传播的波；纵波（P波初波，速度最快，可在液体内传播）和横波（S波次波）（2）面波：体波经过反射、折射后沿地面传播的次生波。瑞利波（R波）和勒夫波（Q波）.6.4震级：一次地震释放出的能量大小。 里氏震级分M10个等级，每级能量相差约32倍，7级地震能力是5级地震的322=约1000倍3微震 3,4.5）有感地震4.5，6）中强震6，7）强震7，8）大地震，8巨大地震 烈度：指地震时地面及建筑物的破坏程度。震源深度、震中距离、岩土性质、地质构造、地下水及建筑物的动力性质有关。我国分12个等级。一次地震中只有一个震级，但不同地方有不同的烈度（破坏程度）地震烈度的本身又可分为：1.基本烈度：是指某地区今后一定时期内（50、100、150年内）,在一般场地条件下可能遭受的最大烈度。这就是指从震源发出来的能量在较大区域的影响程度。基本烈度一般靠近震中烈度大，远离震中烈度少。2.建筑场地烈度：建筑场地烈度也称小区域烈度，它是指建筑场地内因地质条件、地貌地形条件和水文地质条件的不同而引起基本烈度的降低或提高的烈度，通常建筑场地烈度比基本烈度提高或降低半度至一度。3.设计烈度：设计烈度是指抗震设计所采用的烈度，它是根据建筑物的重要性、永久性、抗震性以及工程的经济性等条件对基本烈度的调整。设计烈度一般可采用国家批准的基本烈度。但遇不良的地质条件或有特殊重要意义的建筑物，经主管部门批准，可对基本烈度，加以调整作为设计烈度。场地的地震效应有：地震力效应、地震破裂效应、地震液化效应和地震激发地质灾害的效应等。建筑抗震三水准设防目标:小震不坏 中震可修 大震不倒；两阶段设计方法：第一阶段，对绝大多数结构进行多遇地震作用下的结构和构件承载力验算和结构弹性变形验算，对各类结构按规范规定采取抗震措施；第二阶段，一些规范规定的结构进行罕遇地震下的弹性变形验算+最适合+适合VST软土SPT砂土PMT粘性土，不适合碎石土可进行砂土液化判别的是CPT,SPT,WVT静力触探试验CPT将探头（单桥、双桥、多用）均匀打入土中，记录侧阻和端阻动力触探试验将圆锥锤击入土记锤击数N63.5标准贯入试验将贯入器锤击入土记锤击数N第6章 工程地质现场测试field test第7章 工程地质勘察(Geologic Investigation)工程勘察步骤：查明条件、论证问题、选择场地、拟定措施、预测影响、提出建议7.1 建筑工程地质勘察的内容和方法根据工程重要性、场地复杂程度等级和地基复杂程度等级（从大到小分一二三级），勘察分3级：甲级（至少一个为一级）、乙级（除甲乙外的）、丙级（均为三级） 勘察阶段任务勘察方法比例尺可行性研究勘察（选址勘擦）选址（线）、对场址稳定性和适宜性作出评价，经过技术经济论证选择最优方案。搜集资料、踏勘、测绘和物探小：1:5000-1:50000初步勘察（初勘）对场地内建筑地段的稳定性作出评价；为确定建筑总平面布置、主要建筑物地基基础设计方案以及不良地质现象的防治工程方案作出工程地质认证钻探、试验、补充测绘和物探中: