工程地质与土力学基础第一章

工程地质与土力学,湖南省水利水电职院,绪论一、工程地质学与土力学的概念工程地质学是地质学的一个分支，是专门研究与工程设计、施工及正常使用有关地质问题的一门学科。土力学是力学的一个分支，主要研究与工程建设有关的土的应力、应变、强度和稳定及渗透等课题的一门学科。它们的研究方向不同,研究目的是相同的，都是为保证建筑物地基的岩、土体稳定和建筑物的正常使用提供可靠的地质论证和力学计算依据。因此这两门学科在工程实践中了也是互相依存、互相渗透、互相结合。,水利工程,用于控制和调配自然界的地表水和地下水，达到除害兴利目的而修建的工程。水是人类生产和生活必不可少的宝贵资源，但其自然存在的状态并不完全符合人类的需要。只有修建水利工程，才能控制水流，防止洪涝灾害，并进行水量的调节和分配，以满足人民生活和生产对水资源的需要。,水利工程分类,按目的或服务对象可分为：防止洪水灾害的防洪工程；防止旱、涝、渍灾为农业生产服务的农田水利工程,或称灌溉和排水工程;将水能转化为电能的水力发电工程；改善和创建航运条件的航道和港口工程；为工业和生活用水服务，并处理和排除污水和雨水的城镇供水和排水工程；,防止水土流失和水质污染，维护生态平衡的水土保持工程和环境水利工程；保护和增进渔业生产的渔业水利工程；围海造田，满足工农业生产或交通运输需要的海涂围垦工程等。一项水利工程同时为防洪、灌溉、发电、航运等多种目标服务的，称为综合利用水利工程。,水利工程分类,蓄水工程指水库和塘坝（不包括专为引水、提水工程修建的调节水库），按大、中、小型水库和塘坝分别统计。引水工程指从河道、湖泊等地表水体自流引水的工程（不包括从蓄水、提水工程中引水的工程），按大、中、小型规模分别统计。,按功能分类：,水利工程分类,水利工程分类,提水工程指利用扬水泵站从河道、湖泊等地表水体提水的工程（不包括从蓄水、引水工程中提水的工程），按大、中、小型规模分别统计。调水工程指水资源一级区或独立流域之间的跨流域调水工程，蓄、引、提工程中均不包括调水工程的配套工程。地下水源工程包括集雨工程、污水处理再利用和海水利用等供水工程。,水工建筑物种类,水利工程的基本组成是各种水工建筑物，包括挡水建筑物、泄水建筑物、进水建筑物和输水建筑物等。此外，还有专门为某一目的服务的水工建筑物，如专为河道整治、通航、过鱼、过木、水力发电、污水处理等服务的具有特殊功能的水工建筑物。水工建筑物有坝、堤、溢洪道、水闸、进水口、渠道、渡漕、筏道、鱼道等不同类型。以多种形式组合成不同类型的水利工程。,水利工程建设程序,，按水利工程建设项目管理规定（水利部水建1995128号）明确的建设程序执行，水利工程建设程序一般分为：项目建议书、可行性研究报告、初步设计、施工准备（包括招标设计）、建设实施、生产准备、竣工验收、后评价等阶段。,二、工程地质学在工程建设中的重要性工程地质工作的任务就是通过地质勘探，查明建筑区的工程地质条件，预测可能出现的工程地质问题，提出解决这些问题的建议和方案，为工程建设规划、选址、设计和正常使用提供可靠的地质依据，以保证所修建的建筑物经济合理、安全可靠。所谓工程地质条件，即是指地形、地貌、地层岩性、地质构造、水文地质、物理地质作用和天然建筑材料等与工程建设有关的地质条件。,著名大坝事故案例,案例一法国马尔帕塞（Malpasset）拱坝垮坝。马尔帕塞薄拱坝，坝高60m，坝基为片麻岩，1959年左坝肩沿一个倾斜的软弱面滑动，造成溃坝惨剧，400余人丧生。案例二意大利瓦依昂（Vajont）工程的大滑坡。瓦依昂双曲拱坝，坝高261.6米，坝基为断裂十分发育的灰岩。1963年大坝上游左岸山体发生大滑坡，约有2.7-3.0亿立米的岩体突然下塌，水库中有5000万立米的水被挤出，击起250米高的巨大水浪，高150米的洪波溢过坝顶，死亡3000余人。,案例三西班牙蒙特哈水库。建成后，库水从石灰岩洞中漏失，致使高立脚点达72米的大坝耸立在干枯的河谷中。案例四印度的纳纳克萨加坝，为一高15.9米的土坝，由于坝基发生管涌破坏，使坝体决口冲毁，造成32个村庄的人民流离失所，损失惨重。,著名大坝事故案例,工程建设中，土被广泛用作各种建筑物的地基、建筑材料和周围介质。1土力学-研究土的应力、变形、强度和稳定以及土与结构物相互作用等规律的一门力学分支称为土力学。2地基支撑建筑物荷载、且受建筑物影响的那一部分地层称为地基。3基础-建筑物向地基传递荷载的下部结构就是基础(参看图o1)。,三、土力学在工程建设的重要性,土力学在建筑工程中的重要性,地基基础是建筑物的根本，又属于地下隐蔽工程，一旦发生事故难以补救。有时会造成重大经济损失甚至人员伤亡。此外基础工程的费用可占建筑物总造价的10%30%。建筑工程的实践中出现了很多事故，遇到了很多问题。对这些问题的研究解决以及经验教训的积累就形成了土力学。让我们从以下工程事故的介绍中对本课程的内容和作用进行初步的了解。,工程实例,美国纽约某水泥仓库意大利比萨斜塔苏州市虎丘塔上海展览中心馆匈牙利一码头建筑物墙体开裂墨西哥市艺术宫天津市人民会堂办公楼墙体开裂南京江南水泥厂土坡滑动加拿大特朗斯康谷仓的地基事故香港宝城大厦土坡滑动盘锦市房屋冻胀开裂,加拿大特朗斯康谷仓的地基事故,该谷仓平面呈矩形，南北向长59.44m，东西向宽23.47m，高31.00m，容积36368立方米，容仓为圆筒仓，每排13个圆仓，5排共计65个圆筒仓。谷仓基础为钢筋混凝土筏板基础，厚度61cm，埋深3.66m。谷仓于1911年动工，1913年完工，空仓自重20000T，相当于装满谷物后满载总重量的42.5%。,地基滑动,事故原因,1913年9月装谷物，10月17日当谷仓已装了31822谷物时，发现1小时内竖向沉降达30.5cm，结构物向西倾斜，并在24小时内谷仓倾斜，倾斜度离垂线达2653，谷仓西端下沉7.32m，东端上抬1.52m，上部钢筋混凝土筒仓坚如磐石。谷仓地基土事先未进行调查研究，据邻近结构物基槽开挖试验结果，计算地基承载力为352kPa，应用到此谷仓。,地基滑动,事故原因和处理结果,1952年经勘察试验与计算，谷仓地基实际承载力为（193.8-276.6）kPa，远小于谷仓破坏时发生的压力329.4kPa，因此，谷仓地基因超载发生强度破坏而滑动。事后在下面做了七十多个支撑于基岩上的混凝土墩，使用388个50t千斤顶以及支撑系统，才把仓体逐渐纠正过来，但其位置比原来降低了米。,地基滑动,图片：加拿大特朗斯康谷仓,地基滑动,图片：加拿大特朗斯康谷仓,地基滑动,美国纽约某水泥仓库,该水泥仓库是近代世界上最严重的建筑物破坏事例之一，这座水泥仓库位于纽约市汉森河旁，水泥仓库呈圆筒形，高约21m，仓库直径13m，一排圆筒仓库下部的基础为整块筏板基础，埋深2.8m。1940年水泥仓库装载水泥，使粘土地基超载，引起地基土剪切破坏而滑动，水泥筒仓倾斜呈45，地基土被挤出地面高达5.18m，与此同时，离筒仓净距23m以外的办公楼受地基滑动影响，也发生了倾斜。,地基滑动,意大利比萨斜塔,这是举世闻名的建筑物倾斜的典型实例。该塔自1173年动工，至1370年竣工。全塔共8层，高度为55m。塔身呈圆筒形，1-6层由优质大理石砌成，顶部78层采用砖和轻石料。1590年伽利略在塔上做落体实验，创建了物理学上著名的自由落体定律。全塔总重约145MN，基础底面平均压力约50kPa。地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层。目前塔向南倾斜，南北两端沉降差1.80m，塔顶离中心线已达5.27m，倾斜5.5，成为危险建筑。,建筑物倾斜,意大利比萨斜塔,1990年1月4日被封闭。除加固塔身外，用压重法和取土法进行地基处理。目前已向游人开放。,建筑物倾斜,苏州市虎丘塔,此塔位于苏州市虎丘公园山顶，落成于宋太祖建隆二年距今已有1036年悠久历史。全塔7层，高47.5m。塔的平面呈八角形，由外壁、回廊与塔心三部分组成。主体结构为砖木结构,采用黄泥砌砖，浅埋式独立砖墩基础，坐落在人工夯实的土夹石覆盖层上，覆盖层南薄北厚，变化范围为0.9-3.6M，基岩弱风化。1980年时，塔身已向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线已达2.31米。底层塔身出现不少裂缝。,建筑物倾斜,宝塔倾斜为地基覆盖层相差悬殊等原因造成。后来采取在塔四周建造一圈桩排式地下连续墙并对塔周围与塔基进行钻孔注浆和树根桩加固塔身，获得成功。,苏州市虎丘塔,建筑地基严重下沉,造成建筑地基严重下沉的因素很多，就地基而言，多为高压缩性软弱土。会造成室内外连接困难及交通不便，内外网管道也会造成破坏。,上海展览中心,上海展览中心馆中央大厅为框架结构，箱形基础，展览馆两翼采用条形基础。箱形基础为两层，埋深7.27m。箱基顶面至中央大厅顶部塔尖，总高96.63m。地基为高压缩性淤泥质软土。展览馆于1954年5月开工，当年底实测地基平均沉降量为60cm。,建筑地基严重下沉,上海展览馆中心,1957，大厅的沉降量最大达146.55cm，但由于地基严重下沉，不仅使散水倒坡，而且建筑物内外连接的水、暖、电管道断裂，付出了相当的代价。,建筑地基严重下沉,墨西哥市艺术宫,墨西哥国家首都墨西哥市艺术宫，是一座巨型的具有纪念性的早期建筑。此艺术宫于1904年落成，至今已有90余年的历史。该市处于四面环山的盆地中，古代原是一个大湖泊。因周围火山喷发的火山灰沉积和湖水蒸发，经漫长年代，湖水干涸形成目前的盆地。,建筑地基严重下沉,当地表层为人工填土与砂夹卵石硬壳层，厚度5m，其下为超高压缩性淤泥，天然孔隙比高达7-12，天然含水量高达150%-600%，为世界罕见的软弱土，层厚达25m。因此，这座艺术宫严重下沉，沉降量高达4m，临近的公路下沉2m，公路路面至艺术宫门前高差达2m。参观者需步下9级台阶，才能从公路进入艺术宫。,建筑地基严重下沉,墨西哥市艺术宫,图片墨西哥市艺术宫,建筑地基严重下沉,建筑物墙体开裂,持力层土质压缩性相差悬殊或不同类型基础基底压力相差较大，引起不均匀沉降，导致墙体开裂。相邻荷载影响亦可引起附加应力增加，导致地基下沉，墙体开裂。,天津市人民会堂办公楼,此办公楼东西向7个开间，长约27m，南北向宽约5m，高约5.6m，为两层楼房。工程建成，使用正常。1984年7月，在办公楼西侧，新建天津市科学会堂学术楼。此学术楼东西向8个开间，长约34m，南北宽约18m，高约22m，为6层大楼。两楼外墙净距仅30cm。当年年底，人民会堂办公楼西侧北墙发现裂缝，此后，裂缝不断加长加宽，开裂宽度超过10cm，长度超过6m。分析原因是由于新建天津市科学会堂学术楼的附加应力扩散至原有人民会堂办公楼西侧软弱地基，引起严重下沉所致。,建筑墙体开裂,盘锦市房屋冻胀开裂,该市位于辽宁省中部，当地表层为粘土与粉质粘土，厚度3.0m5.0m，第二层为灰色淤泥质粉砂，很厚。地下水位仅0.5m2.0m，属强冻胀土。盘锦市冬季寒冷，标准冻深为1.1m。因下卧层软弱，一般房屋基础浅埋为0.7m0.9m。小于冻深又无技术措施，造成冻胀而使墙体开裂。,建筑墙体开裂,土坡滑动,断层所造成的边坡滑动使民宅横向移动10m,垂直落差约6m,土坡滑动使铁轨垮塌,土坡滑动,南京江南水泥厂土坡滑动,该厂位于南京市东北部、长江南岸栖霞山麓。山坡多次滑动。1975年夏，滑动土体达数万立方米，危及水泥厂3号窑头厂房，工厂停工处理滑坡事故。栖霞山的山坡原是稳定的，建厂平整场地开挖坡脚，使山坡土体失去平衡。夏季雨量集中，雨水渗入山坡残积土中，使土体含水量增加，抗剪强度降低，导致山坡滑动事故。为防止新的滑坡，在山麓修筑一道钢筋混凝土挡土墙。,土坡滑动,香港宝城大厦土坡滑动,1972年7月，香港发生一次大滑坡，数万立方米残积土从山坡上下滑，巨大的冲击力正好通过一幢高层住宅-宝城大厦，顷刻之间，宝城大厦被冲毁倒塌。因楼间净距太小，宝城大厦倒塌时，砸毁相邻一幢大楼一角约五层住宅。宝城大厦居住着金城银行等银行界人士，因大厦冲毁时为清晨7点钟，人们都还在睡梦中，当场死亡120人，这起重大伤亡事故引起了西方世界极大的震惊。,土坡滑动,二、本课程的内容与特点本课程是水利水电工程建筑、水利工程、给排水、城市水利等专业的一门专业基础课。主要内容有：1)了解岩石、地质构造、物理地质作用和地下水的基本概念及其与水利工程的关系。；2)水利工程常见的工程地质问题的分析与评价。3)工程地质环境的基本概念及工程地质勘察的基本方法。4）土的基本物理性质和力学性质的基本知识。5）土体的渗透、变形及强度问题的分析。6）地基处理的方法简介,2.学习要求：由于本课程实践性较强，在学好理论的同时，对工程地质部分，应重视野外地质现象的观察分析及其对工程的影响。对于土力学部分则应注意各种计算方法的局限性及简化，假设可能引起误差的范围，掌握室内土工试验基本方法，了解野外原位测试的新技术，提高分析解决实际问题的能力。,第一章矿物与岩石,第一章矿物与岩石,地球的圈层构造：外圈层：大气圈、水圈、生物圈；内圈层：地壳、地幔、地核。地球物理学家研究大量天然地震波传播方向和速度的数据，发现地震波在地内的传播速度在横向和纵向上都有突变，根据地震波传播速度的突变，有两个分界面，分别是莫霍面和古登堡面。把内圈层分为三个部分。,地震波速度与地球内部构造,地壳地球硬表面以下至莫霍面的部分，分布厚薄不均。整个地壳平均约16km，是地球半径的1/400，占地球质量的0.4%，体积的8%地壳主要由富含硅和铝的硅酸盐类岩石所组成，和上地幔一起构成“岩石圈”。,大陆地壳厚度大（平均厚35km），双层结构（厚花岗岩玄武岩）；海洋地壳厚度小（平均厚6），多为单层结构（玄武岩）。硅铝层：沉积岩层花岗岩层；硅镁层：玄武岩层。,地幔：主要由铁、镁硅酸盐物质组成。顶部为固态，它与固体地壳一道组成岩石圈，岩石下面为呈部分熔融状态的软流圈。厚度2800公里，占地球质量的67.6%，体积的83%地核：由铁镍组成。地核分为内外两层，内核为固态，外核为液态，内外核间为过渡态。厚度3471公里，占地球质量的32%，体积的16.2%,地壳的组成物质,化学成分8大元素的丰度共占98，即克拉克值。,氧：46.30,硅：28.15,Si,O,氧和硅共占约74,Al,Fe,Ca,Na,K,Mg,其它,铝8.23铁5.63钙4.15钠2.36钾2.33镁2.09其它2这6种元素共占约24,地壳中主要元素含量百分比图,1.1矿物矿物地壳中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性质、化学成份和形态地球中的矿物多以固态形式存在，只有少数是液态(石油、液态汞)和气态（天然气）结晶质矿物：显晶质、隐晶质非晶质矿物：玻璃质、胶质,矿物的（鉴定）特征,1.1.2矿物的物理性质区分矿物可以以矿物的形状、颜色、条痕、光泽、硬度、解理、断口、比重等特征为依据。矿物的形态矿物单体的形态取决于其“晶系”；矿物集合体形态：粒状、致密状、块状、土状、晶簇、结核状、鲕状、肾状、葡萄状、钟乳状,鲕状赤铁矿,放射状,花瓣状,针状,粒状的矿物,粒状的矿物,石棉,墨晶晶簇,结核状,肾状,钟乳状,树枝状,葡萄状的赤铁矿,葡萄状的玛瑙,蛋白石,蛋白石脱水成石髓，彩色、具同心圆条带结构者称为玛瑙,雨花石,玛瑙,玛瑙工艺品,（二）矿物的光学性质,颜色：取决于矿物的化学成分及其结构,矿物对光线的吸收、反射和折射表现出的各种性质，如颜色、条痕、光泽、透明度等,条痕：矿物新鲜粉末的颜色,光泽：矿物表面对光线的反射性质而成,透明度：指光线透过矿物多少的程度,黄铜矿的铜黄色,自然金的金黄色,孔雀石【翠绿色】,孔雀石的翠绿色,辰砂【朱红色】,辰砂的朱红色,硫化汞,磁铁矿的铁黑色,矿物的条痕可以与其本身的颜色一致，也可以不一致。如方铅矿的颜色是铅灰色，条痕却是黑色；斜长石的颜色是白色，条痕也是白色。矿物的条痕可以消除假色，减弱它色，因而要比矿物颜色稳定得多，所以，它是鉴定矿物的重要标志之一。由于形成条件的不同，也有一些矿物，由于类质同像混入物的不同，矿物的条痕会产生变化。如闪锌矿，含类质同像混入物铁多的时候，则条痕呈现褐色；含铁少时，条痕则呈淡黄色或黄白色。如果欲鉴定的矿物，不能直接画出条痕，则可用小刀刮下粉末放在瓷板上或者白纸上进行观察。,条痕,黄铁矿与赤铁矿的条痕,光泽,金属光泽：反光极强，如光亮的金属器皿.,半金属光泽：反光强度介于金属光泽和非金属光泽之间，比较暗淡,非金属光泽：无金属感的光泽。主要为透明或半透明矿物。如：金刚光泽、玻璃光泽、油脂光泽、丝绢光泽、土状光泽、珍珠光泽。光泽是鉴定矿物的依据之一，也是评价宝石的重要标志。,自然金【金属光泽】,自然金的金属光泽,黄铁矿“愚人金”【金属光泽】,黄铁矿（愚人金）的金属光泽,赤铁矿【半金属光泽】,赤铁矿的半金属光泽,金刚石的金刚光泽,钻石,水晶的玻璃光泽,晶簇,叶腊石的油脂光泽,青田石的油脂光泽,叶腊石,花好月圆,田黄石的油脂光泽,田黄石的油脂光泽,叶腊石,价值1800万的清朝康熙印章套装,叶腊石的光泽,鸡血石的油脂光泽,叶腊石,朱红色的为辰砂（硫化汞）,高岭石的土状光泽,云母解理面上的珍珠光泽,石棉的丝绢光泽,矿物的力学性质,硬度、解理与断口、韧性,硬度:是指矿物抵抗外力刻划、压入、研磨的能力,指甲为22.5，小刀约55.5,软,硬,摩氏硬度计F.Mohs（德）