工程地质及土力学第1章2岩石和地质构造

第四节地质年代及其特征,一、地质年代及划分原则二、地质年代表二、地层接触关系,一、地质年代地质年代指形成地层的时间段落，是地壳发展演化的历史与地壳运动、沉积环境及生物演化的时代段落。地壳发展演变的历史称为地质历史。,地质年代分类,绝对地质年代通过放射性元素蜕变速度计算。相对地质年代地层形成的先后顺序和地层的相对新老关系，是由该岩石地层单位与相邻已知岩石地层单位的相对层位的关系决定,绝对地质年代绝对地质年代的确定一般根据放射性同位素的蜕变规律，来测定岩石和矿物年龄。t某一放射性同位素的年龄衰变常数,每年每克母体同位素能产生的子体同位素的克数;N矿物中放射性同位素蜕变后剩下的母体同位素含量;D蜕变而成的子体同位素含量。,例如铀U-铅pb法，U238是母体，蜕变后为pb206,衰变常数恒定1.5510-19,（1）古生物法（化石）（2）地层层位（序）法（3）地层接触关系法,相对地质年代：,地层层位（序）法,古生物法（化石）,岩层不整合接触反映相对地质年代,侵入接触,沉积接触,岩浆岩与沉积岩接触反映相对地质年代,二、地质年代及地层单位划分,地质年代的划分地质年代单位：宙代纪世期相应的地层单位：宇界系统阶,第五节地质构造,一、水平岩层构造和单斜构造及产状产状二、褶皱够则三、断裂构造四、不整合构造五、地质图的阅读与分析,一、水平岩层构造和单斜构造及产状,（一）概述1、地壳运动又称地质构造运动水平运动垂直运动,地质构造地壳运动的产物！,2、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，称为地质构造。主要分为：,水平构造倾斜构造褶皱构造断裂构造,水平构造,倾斜构造,倾斜构造是由于构造运动使原来的水平岩层发生倾斜的结果，如果在一定地区内一套岩层的倾斜方向和倾角基本一致，则称为单斜岩层。,I-正常层序，波峰朝上；-倒转层序，波峰朝下,判别：岩层层面特征(泥裂、波痕、虫痕、雨痕)；沉积岩岩性和构造特征(粒序层理),岩层产状及测定（岩层在空间的展布状态）,（一）产状要素走向岩层在空间的水平延伸方向。即岩层层面与水平面的交线-走向线，所指的方向。倾向岩层的倾斜方向。即在岩层面上垂直岩层走向线的射线-倾斜线，在水平面上的投影，倾向线，所指的方向。倾角岩层面与水平面的夹角(最大锐角)。,可以看出：岩层产状三要素走向、倾向、倾角表示倾斜岩层在空间的位置，通常用地质方位角来表示。,（二）岩层产状的测定及表示方法,测定野外用地质罗盘直接测定。（1）选择岩层层面（2）测岩层走向（3）测岩层倾向（4）测岩层倾角,（三）岩层产状表示方法,（三）岩层产状表示方法,1、方位角表示方法在地质图上，岩层的产状常用符号“”来表示。文字记录中，一般只记倾向、倾角，如SW2000300。2、象限角表示法以北或南方向为准（00），一般记走向、倾角和倾斜象限。例如，N320oW，S230oW,35o，走向北偏西320o，倾斜南西230o，倾角35o，；也可简化：N230oW/35oS，读为倾斜北偏西230o，倾角35o，大致向南倾斜；N30oE27oSE，读为倾斜北偏东30o，倾角27o，向东南倾斜。,300,二、褶皱构造,1、褶皱构造组成地壳的岩层，受构造应力的强烈作用，使其发生波状弯曲而未丧失其连续性的构造。它是岩层发生塑性变形的结果。力学成因：,2、褶皱构造的基本类型（1）背斜岩层向上弯曲，核心部位的岩层时代较老，外侧的岩层时代依次渐新。,（2）向斜岩层向下弯曲，核心部位的岩层时代较新，而两侧岩层依次变老。*褶皱构造中的一个弯曲褶曲*褶曲翼部岩层产状是倾斜*产状要素：走向、倾向、倾角,*地形形态和褶皱构造不一定是一致的,地形形态,（1）背斜谷、向斜山、顺向坡、逆向坡（2）地层中间隆起称穹窿，中心凹下称构造盆地,3、褶曲要素,核部翼部轴面轴枢纽转折端,4、褶皱的形态分类,（1）按轴面的产状分直立褶曲倾斜褶曲倒转褶曲平卧褶曲翻卷褶曲,（2）按枢纽产状水平褶曲倾伏褶曲,（3）按岩层的弯曲形态分为圆弧褶曲尖棱褶曲箱形褶曲扇形褶曲挠曲,（4）按褶曲平面形态分为线形褶曲：长宽比大于10:1短轴褶曲：长宽比介于30:13:1穹隆和构造盆地：长宽比小于3:1,（5）按褶曲横剖面组合类型分类复背斜复向斜,4、褶皱的识别,（1）野外观察法穿越法-垂直于岩层走向追索法-沿（平行于）岩层走向（2）地质图识别,5、褶皱构造的工程地质评价,1、岩层倾向发生显著变化的地方（核部、转折端），岩层受应力最集中，容易出现工程地质问题。2、褶皱翼部产状影响边坡稳定性。,三、断裂构造,断裂构造岩体、岩层受力作用发生变形，当所受的力超过岩石本身的强度时，岩石的连续性和完整性遭到破坏，形成断裂结构。产生节理和断层两种类型。,（一）节理（裂隙）,节理是指未发生明显位移的断裂。又称裂隙。,节理的分类1.节理的成因分类1)构造节理;2)非构造节理2.根据几何形态分类1)走向节理;2)倾向节理;3)斜向节理;4)顺层节理3.根据节理走向与所在褶曲的轴向的关系分类1)纵节理;2)横节理;3)斜节理4.按力学性质分类1)张节理;2)剪节理;3)劈理,*剪节理特点：产状稳定，沿走向和倾向延伸较远，节理面平滑、闭合，常成对出现，又称“X“节理。*张节理特点：产状不稳定，延伸不远，多数张开，常追踪剪节理发育而成锯齿状。*劈理由裂面将岩石按一定方向劈开成平行密集薄片的构造。,剪节理由剪应力产生的破裂面特征：长、大、平直光滑，延伸稳定，常常呈“X”型,节理与褶皱的关系,*褶皱形成前，剪节理及横张节理发育*褶皱形成中和形成后，纵张节理、顺层节理、层间节理伴随发生。,（二）断层,1、断层是指有明显位移的断裂。2、断层要素：断层面断层线断盘（上盘、下盘）断距,断层：岩层或岩体受力破裂后，两侧岩块沿破裂面发生了明显的位移。,断层的基本类型（1）按两盘的相对位移关系正断层特点：上盘相对下降逆断层（冲断层、逆掩断层、辗掩断层）特点：上盘相对上升平移断层（平推断层）特点：两盘相对水平顺层断层:顺原生层面滑动,*断层的组合形式断裂带（断层带）：一系列走向大致平行的断层组合如地堑、地垒、阶状断层、叠瓦式构造等,断层的组合类型1.阶梯状断层2.叠瓦状断层3.地堑4.地垒断层的野外识别,阶梯状断层,叠瓦状断层,地垒,地堑,断层的基本类型,（2）按断层走向与岩层产状的关系走向断层倾向断层斜交断层,（3）按断层与褶皱轴的关系分为纵向、横向及斜向断层,4、断层的识别（1）地层界线不连续或岩层中断-地质特征,断层的识别(2)地层重复或缺失,（2）岩层的重复和缺失,（3）断层破碎带和构造岩-地貌特征,（4）擦痕,（5）牵引构造及伴生节理牵引塑性变形,断层的野外识别,断层的识别,（6）地貌标志：三角山、断层崖,第四纪活动断层,第四纪活动断层,第四纪活动断层,第四纪活动断层,研究断层的工程意义,一些大型工程常因构造断裂复杂而放弃所选场址；断层及断裂带的存在常使工程要花费大量工程费用、时间去处理；有时工程常因不利的断裂而失事；岩体常因断裂的存在发生崩塌、滑坡；大型工业厂房的地基、重要建筑要避开断层；核电站场地更要回避大的断裂带和活动的断层。,四、不整合构造,1、层状地层的接触关系（3种）整合接触特点：相邻的新、老两套地层在沉积层序上是连续的，产状一致。形成背景：沉积地区长期处于构造稳定的条件下。,平行不整合接触（假整合）特点：指相邻的新老地层产状基本相同，但两套地层之间发生明显的沉积间断，缺少部分时代的地层。背景：地壳的升降运动引起的。,角度不整合接触特点：相邻的新老地层之间缺失部分地层，且彼此之间的产状也不相同，成角度相交。背景：地壳发生过强烈运动。先形成的地层隆起、褶皱，然后再下降。,角度不整合接触,2、岩浆岩与周围地层（围岩）的接触关系,侵入接触特点：岩浆侵入到地层之中，常使围岩发生热力变质现象。背景：岩浆侵入体形成的地质年代晚于被侵入地层的地质年代。,沉积接触特点：地层覆盖于侵入体之上，其间有剥蚀面相分割。背景：岩浆岩侵入体形成的地质年代早于上覆地层的地质年代。,五、地质图的阅读,（一）地质图的基本内容地质平面图（图名、比例尺、图例、内容）地质剖面图综合地层柱状图,（二）倾斜构造的识别,岩层界线岩层层面与地形面交线的正投影。“V“字形法则一般来讲，倾斜岩层的界线与地形等高线成斜交，呈v字形弯曲。特例：岩层直立，岩层界线为直线，沿走向延伸；岩层水平，岩层界线与地形等高线平行或重合。,（三）地质图的阅图方法,1.首先读图框外的附件阅读地形图阅读图名和比例尺阅读图例2.正式阅读图的步骤了解地质图的地形地貌阅读地质与构造内容综合与概括,岩层产状的测量是地质调查中的一项重要工作，在野外是用地质罗盘直接在岩层的层面上测量的。,DQY1型地质罗盘技术参数长水准器角值:155/2mm圆水准器角值:305/2mm测角器读数误差:0.5度盘格值：1重量：0.26kg尺寸:857335(mm),罗盘,2020/6/6,5,x,或走向N450E,倾向E1350S，或走向S2250W,倾向E1350S,2020/6/6,4,走向NE450,倾向ES1350，450,地质图图例,2020/6/6,2020/6/6,1,2020/6/6,3,第六节岩石与岩体的工程性质,一、岩石的主要物理力学性质二、岩体的类型及其工程性质,一、岩石的主要物理力学性质,1.岩石的物理性质（1）岩石的密度（）：单位体积岩石的质量。岩石的密度一般为2.32.5g/m3。同一种岩石，密度大的结构致密，孔隙小，强度和稳定性相对较高。（2）岩石的相对密度（ds）：岩石固体部分的质量与同体积水在摄氏4度时质量的比值。岩石的相对密度的大小，取决于岩石中的矿物成分，如基性岩和超基性岩，一般具有较大的相对密度。,（3）岩石的孔隙率（n）：岩石中孔隙的体积与岩石总体积之比。岩石孔隙率的大小，主要取决于岩石的结构构造，同时也受风化作用、构造作用等的影响。（4）吸水性：指在常压下岩石的吸水能力，常以常压下岩石所吸水分的重量与干燥岩石重量之比的百分数，即吸水率表示。（5）渗透性：岩石允许水透过的能力，以渗透系数表示。,2、岩石的水理性质(1)溶解性岩石溶于水的性质。常见可溶岩有石膏、岩盐、石灰岩、白云岩、大理岩等。(2)软化性岩石在水的作用下，使强度及稳定性降低的特性，常用岩石饱水状态下的极限抗压强度与风干状态下极限抗压强度的比值，即软化系数表示。软化系数越小，表示岩石在水的作用下的强度和稳定性愈差，其抗风化、抗冻性质也愈差。,(3)崩解性岩石与水作用后，由于吸水使体积膨胀或溶解，降低了颗粒之间的联结力，使岩石发生崩解的现象(4)抗冻性岩石抵抗冰劈作用的能力。岩石的抗冻性常用岩石在抗冻试验前后抗压强度的降低率表示。,3、岩石的力学及岩石的类型,岩石在外力作用下所表现出来的性质称为岩石的力学性质。包括岩石的变形特性和强度特性：岩石的变形可分为弹性变形和塑性变形岩石抵抗外力破坏的能力，称为岩石的强度,（1）岩石的应力应变关系,在单向压力作用下，典型的应力应变全过程大致可分为四个阶段：压密阶段近似弹性阶段破坏阶段加速破坏阶段,岩石的应力应变曲线,压密阶段（oa段）近似弹性阶段（ab段）破坏阶段（bc段）加速破坏阶段（c点以后）,（2）岩石的变形特性指标,弹性模量E是应力与弹性变形之比，即E=/e式中E弹性模量（Pa）；应力（Pa）；e弹性应变。,（3）岩石的变形特性指标,变形模量E0是应力与总应变之比，即E0=/（e+p）式中E0变形模量（Pa）；p塑性应变。,泊松比岩石在轴向压力作用下，横向应变和纵向应变之比，称为泊松比，即=l/d泊松比；l横向应变；d纵向应变。,（4）岩石的强度特性指标,1）抗压强度岩石在单向受压时所能承受的最大压应力，称为岩石的单向抗压强度，简称抗压强度。2）抗拉强度岩石试件在单向受拉时所能承受的最大拉应力，即为岩石的抗拉强度。常取岩石的抗拉强度为抗压强度的1/101/50。,3）剪切强度岩石受剪切力作用时，所能抵抗的最大剪切力，称为剪切强度。根据试验方法不同，岩石的剪切强度可分为：抗剪断强度、抗切强度、弱面抗剪强度。,（4）岩石按工程特性分类,1）建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）将岩石按坚硬程度进行划分：根据岩块的饱和单轴抗压强度fr分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。2）岩石按风化程度可分为未风化、微风化、中等风化、强风化和全风化岩石。,二、岩体的类型及其工程性质,（一）岩石和岩体的概念岩石由一种或多种矿物以一定的规律组成的自然集合体称为岩石。岩体由一定岩石组成的、具有一定结构、赋存于一定的地质和物理环境中的地质体。或言之，岩体是包括层面、层理、断层、节理、软弱夹层等各种地质界面（即结构面）的单一或多种岩石构成的地质体。,（二）岩体结构分析,（1）结构面1）结构面及其成因分类结构面分割岩体的任何地质界面，包括各种破裂面（如劈理、节理、断层面、风化裂隙等）、物质分异面（如层面、片理面、沉积间断面）以及软弱夹层、构造破碎面、泥化夹层等。按其地质成因可划分为：原生的、次生的两类。,原生结构面成岩时形成的。（1）沉积结构面（2）火成结构面（3）变质结构面,岩层层面、层理面、沉积间断面、原生软弱夹层等,岩浆岩体与围岩的接触面、岩浆岩之间的接触面、岩浆冷凝时形成的原生节理、流纹面、凝灰岩夹层等,片理、板理、软化夹层等,次生结构面由于岩体形成后受到内外地质作用的影响产生的结构面。（1）内动力地质作用形成的结构面（2）外动力地质作用形成的结构面（3）综合成因的结构面,3）结构面的特征,（1）结构面的规模：方位、间距（2）结构面的形态：延续性、粗糙程度、侧壁抗压强度（3）结构面的密集程度（组数、块体大小）：线密度（条/m）或结构面的间距表示（4）结构面的连通性（渗透性）（5）结构面的张开度和充填情况：3种情况结构面分级：分5级,1）结构体的类型,按外形特征可分为,岩体由结构面切割成的单元体-结构体,（2）结构体,2）结构体的块度（大小）分级,体积裂隙数JV岩体单位体积内通过的总裂隙数（裂隙数/m3）。即：根据JV的大小可将结构体的块度进行分类：巨型块体、大型块体、中型块体、小型块体、碎块体。,（二）岩体结构类型岩体结构指岩体中结构面和结构体的组合方式。多种多样的岩体结构类型，具有不同的工程地质特性（承载能力、变形、抗风化能力、渗透性等）。,岩体结构的基本类型,岩体结构可划分为：整体块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构四大类。见教科书p55页,一）整体块状结构岩体岩体强度近于岩石强度，可视为均质连续介质体，变形模量、承载能力与抗滑能力均较高，对边坡、地基、洞室工程是稳固的，一般无需处理。但在深埋或高应力区的坚硬岩层开挖中，可能会导致岩爆的发生。,二）层状结构,层状结构岩体属于各向异性的不连续介质。岩体的总体变形模量和承载力均较高。作为建筑物的地基时，其变形模量和承载能力满足要求，当作为边坡岩体时，要探讨顺层滑动的可能性。,三）碎裂结构岩体,碎裂结构岩体的整体强度低，坍塌、滑移和压缩变形均可产生，具有明显的流变特性。其变形、破坏受软弱结构面的规模、数量、特性极其组合特征所决定。工程上易出现基础的压缩沉降、边坡工程的挤出坍塌滑移。,四）散体结构特征,近松散介质，具有明显的塑性和流变形，压缩性高，是工程岩体中最薄弱部位。散体结构岩体节理、裂隙发育，岩体十分破碎，岩石手捏即碎，属于碎石土类，可按土类研究。,（四）风化岩体结构特征,工程上，按风化程度将岩体分为：全风化、强风化、弱风化、微风化和未风化五种。全风化岩体按土体考虑；未风化岩体即新鲜岩石；强风化、弱风化、微风化岩体的结构特征参考碎裂结构、层状结构、整体块状结构的结构特征。,风化岩体结构特征,强风化岩体节理裂隙发育密集、外观具碎裂结构，呈中小干砌石块状、岩块内裂纹密布，疏松易碎，岩块周围有泥质物充填，大部分已变色，工程地质性质比散体结构略好，承载力低，压缩性大。,风化岩体结构特征,弱风化岩体结构面组数23组，中等、不甚密集状态，结构体以大小型为主，具层状碎裂结构岩体特征，沿结构面风化明显，常有次生矿物渲染，强度比母岩明显减弱。微风化岩体基本保持母岩的结构特征。,软弱岩石及其工程评价,一、弱夹层二、泥化夹层三、构造破碎岩,一、软弱夹层,指岩体中那些性质软弱、有一定厚度的软弱结构面或软弱带。,按成因，可划分为三种类型：1.原生型软弱夹层2.次生型软弱夹层3.构造型软弱夹层,与周围岩体相比，软弱夹层具有高压缩性和低强度的特征。,二、泥化夹层,含泥质的原生软弱夹层经一系列的地质作用演化而成，多发生在上下相对坚硬而中间相对软弱的刚柔相间的岩层组合条件下。,特征：强度低，压缩性大，结构松散，抗冲刷能力低，在渗透水流作用下，易产生渗透变形。,三、构造破碎岩,断层破碎层及岩浆岩侵入所形成的破碎带中的产物。,按照岩石的破碎程度和工程地质特征，构造岩可分为六种类型：断层泥、糜棱岩、片状岩、断层角砾岩、压碎岩和碎块岩。,第七节土的成因类型及其特征,一、土的形成土是岩石在风化破碎、剥蚀、搬运和沉积等一系列作用下形成的未固结成岩的松散沉积物第四纪沉积物。工程地质学中所说的土或土体，是指与工程建筑物的变形和稳定相关的第四纪沉积物，它有别于通常所说的“土壤”。按成因可分为以下类型：残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海洋土、风积土及冰积土。,二、土的类型,指残留在原地未被搬运的那一部分原岩风化剥蚀后的产物。特性：,粒度成分、矿物成分受气候条件和下卧基岩控制。,颗粒磨圆度和分选性较差；没有层理构造。,孔隙度较大，均质性较差，作为建筑物地基易引起不均匀沉降。,1、残积土(Qel)：,是雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地洗刷剥蚀、顺着斜坡向下逐渐移动、沉积在平缓的山坡上或坡角处形成的沉积物。特性：,粒度成分有明显的分选现象。,矿物成分与下卧基岩没有直接关系。,无层理；厚度变化大易发生沿下卧基岩倾斜面滑动。,2、坡积土(Qdl)：,由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性洪流带来的碎屑物质在山沟的出口处或山前倾斜平原堆积而成的洪积物。特性：,地貌特征是靠山近处窄而陡，离山较远处宽而缓,磨圆度不