公路工程地质第一章工程地质导入VIP

公路工程地质,任课教师：胡新华二零一四年一月,一、课程内容第一章工程地质导入第二章矿物和岩石第三章地质构造第四章水的地质作用第五章地貌第六章公路常见地质灾害第七章公路特殊性岩土的处治第八章公路工程地质勘探共八章三十一节,课程内容、要求与安排,1、系统掌握岩石（体）、土的工程地质性质；2、能阅读一般的地质资料，辨认常见岩石、基本的地质构造及较明显、简单的不良地质现象，熟悉其对公路工程的影响；3、熟悉公路工程地质问题，并具有解决公路工程地质问题的初步能力；4、熟悉公路工程地质的勘察内容和方法。,二、课程要求,三、教学安排本课程周课时3节，共60学时，50节理论课+4节实践课（或观看影像资料）+6节复习考试，理论课全部为课堂授课。四、考核要求1、课程考核：平时成绩占30%（包括作业、课堂提问和考勤），期末考试占70%；2、期末考试：闭卷、笔试。,第一章工程地质导入,第一节工程地质概述第二节地质作用,第一节工程地质概述,一.工程地质学基本概念（工程地质条件和工程地质问题）二.公路工程地质学的研究对象、目标和任务三、工程地质课程教学内容及学习后所具备的能力,一.工程地质学基本概念,什么是工程地质学？(EngineeringGeology)工程建（构）筑物地质环境二者相互联系、相互制约工程地质学诞生（20世纪30年代）,定义：工程地质学是一门介于地质学和土木工程学之间的一门边缘交叉学科，它研究土木工程中的地质问题研究在工程建筑设计、施工和运营的实施过程中合理处理和正确使用自然地质条件和改造不良地质条件等地质问题，是为了解决地质条件与人类工程活动之间矛盾的一门实用性学科。,2.什么是工程地质问题？(Engineeringgeologyproblems)指工程地质条件与建筑物之间的矛盾或者问题。例如：（1）道路工程中路基、桥基、隧道的稳定与变形问题；（2）工民建如地基的稳定与变形问题；（3）土石坝体坝基渗漏变形和抗滑稳定问题。,软弱路基问题,软弱地基整体破坏,地基土承载力低，产生强度破坏,地基不均匀沉降，建筑倾斜,均质软弱地基整体下沉,宝成铁路某段滑坡后全貌,舟曲泥石流卫星照片,舟曲泥石流抢险现场,中国地质灾害概况,7）海岸带灾害，如海平面升降、海水入侵，海岸侵蚀、海港淤积、风暴潮等；8）海洋地质灾害，如水下滑坡、潮流沙坝、浅层气害等；9）特殊岩土灾害，如黄土湿陷、膨胀土胀缩、冻土冻融、沙土液化、淤泥触变等；10）土地退化灾害，如水土流失、土地沙漠化、盐碱化、潜育化、沼泽化等；11）水土污染与地球化学异常灾害，如地下水质污染、农田土地污染、地方病等；12）水源枯竭灾害，如河水漏失、泉水干涸、地下含水层疏。,3.什么是工程地质条件？指与工程建设有关的地质因素的综合。包括：岩土体及工程地质性质；地质结构；地形地貌；水文地质；工程动力地质作用；天然建筑材料；,二.公路工程地质学的研究对象、目标和任务,研究对象？地质环境与公路通过地区及各种工程建（构）筑物如桥梁、隧道、车站、路基之间的关系及其矛盾的转化与解决。,2.研究目标？通过合理评价、科学预测及正确改良工程地质问题，确保公路工程建设技术可行、经济合理；另一方面充分利用、合理开采及妥善保护人类赖以生存的地质环境。,3.研究任务？通过公路工程地质勘察，查明场地公路工程地质条件，指出并解决存在的公路工程地质问题，为公路工程建筑物（桥梁、隧道、车站、路基）的设计、施工及使用提供所需的地质资料。,三、课程教学内容及学习后所具备的能力,1、工程地质课程教学内容（前面已讲）2、工程地质教学目标（要求掌握）1）内、外动力地质作用2）矿物与岩石的形成和特征3）地质年代、岩层产状、地质构造的认识和评价4）水的地质作用的认识和评价5）地貌类型及特征的认识和评价6）不良地质现象的认识、评价和防治7）公路不良土质的认识、评价和处治8）公路路基、路面、桥梁和隧道的工程地质勘察、调查与记录,三、课程教学内容及学习后所具备的能力,3、工程地质的技能核心1）能识别和描述简单的工程地质条件2）能识读并绘制工程地质图3）能正确运用规范4）能借助地质工具，在野外对公路沿线的地层岩性等工程地质条件进行调查5）能编写勘察计划并能完成勘察的外业工作6）能按规范要求公路勘测设计中的地质情况说明和相关图件,第二节地质作用,一、地球概述二、地质作用三、风化作用四、地质循环,一、地球概述,1、地球的形状和大小经卫星测定，地球是一个“梨状体”，其南极内凹、北极外凸。地球的赤道半径R6378.16km；表面积为51108km2；体积1.08201012km3；质量约为5.981021T。从卫星上观察，地球是一个蓝色的球体,一、地球概述,2、地球中的物质组成组成整个地球的物质，按质量计算，各元素的含量为：34.6是铁，29.5是氧，15.2为硅，12.7为镁2.4为镍，1.9硫2.2为钙和铝，其他所有元素共占1.5。地球中的铁和镍大部分以金属状态存在于地核中。组成地壳和地幔的物质，大部分是氧和硅。在地球的水圈中，以氧和氢为主。生物圈则主要为碳、氢、氧和氮。大气圈、水圈和生物体中的所有元素的质量和地球的总质量相比，不及千分之一。,15.2,34.6,29.5,12.7,2.4,1.9,2.2,矿物与岩石的根本区别不在它们的外表而在于矿物有确定的化学成份和一定形态的内部结构。但岩石中各种矿物成份和化学成份含量的多少，只有大致的范围。,一、地球概述3、地球的圈层构造,按组成地球物质的形态不同可将地球划分为外圈层和内圈层。其外圈层包括大气圈、水圈、生物圈；而内圈层包括地壳、地幔和地核。,1）地球内层圈,（1）地壳：是地球内圈层最外部的一层薄壳(厚0-33km),约占地球体积的0.5%。地壳由坚硬的岩层和岩层风化后所形成的上层组成。组成地壳的物质主要是地球中比较轻的硅镁和铝等物质。地壳的下表面是莫霍面地壳与地幔的分界面。,（3）地核：地幔以下（古登堡面）为地核，被分为外地核、过渡层和内地核三层。主要由熔融状态的铁、镍混合物及少员Si、S等轻元素组成，物质呈固体状态。,1）地球的内圈层（2）地幔：是自莫霍面以下（33km）至深度约2900km（古登堡面）的范围，其上层主要由橄揽质超基性岩石组成，是高温熔融的岩浆发源地，也称软流层。,一、地球概述3、地球的圈层构造,2）地球外圈层（1）大气圈：,大气的成分主要由氮气和氧气组成，其中氮气约占空气总容积的78，氧气约占21。地球的大气圈按距离地球表面由近至远被依次划分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸居。风霜雨雪、云雾冰雹等变化多端的大气现象都发生在对流层内。,一、地球概述3、地球的圈层构造,（3）生物圈：,地球上动物、植物和微生物所存在和活动的范围。,地球的水是由地球诞生初期弥漫在大气层中的水蒸气慢慢凝结形成的.水圈主要由海洋构成，陆地水以冰川水为主，其余的陆地水分布在湖泊、江河、沼泽和地壳岩石体的空隙中。,（2）水圈：,海洋,71,陆地,29,一、地球概述3、地球的圈层构造2）地球外圈层,二、地质作用,地质作用,1内力地质作用,2外力地质作用,（1）地壳运动,（2）岩浆作用,（3）变质作用,（4）地震,（1）风化作用,（2）剥蚀作用,（3)搬运作用,(4)沉积作用,(5)成岩作用,二、地质作用,导致地壳物质成份及地表形状、岩层结构、构造发生变化的一切自然作用部称为地质作用。按地质作用力的来源不同，可将地质作用划分为内力地质作用和外力地质作用。1、内力地质作用由地球的旋转能和地球中的放射性物质在其衰减过程中释放出的热能所引起的地质作用称为内力地质作用。内力地质作用的典型是地壳运动。1）地壳运动:是由地球内动力所引起的地壳岩石发生变形、变位(如弯曲、错断等)的机械运动。,地壳运动按其运动方向可以分为,水平运动,垂直运动,二、地质作用,1、内力地质作用1）地壳运动（1）水平运动指地壳或岩石圈块体沿水平方向移动，它使岩层产生褶皱、断裂，如我国喜马拉雅山、天山、祁连山等均为褶皱山系。（2）垂直运动指地壳或岩石圈相邻块体或同一块体的不同部分作差异性上升或下降，使某些地区上升形成山岳、高原，另一些地区下降形成湖、海、盆地。,喜马拉雅山,天山山脉,天山山脉,二、地质作用,1、内力地质作用2）岩浆作用：地壳内部的岩浆，上升侵入地壳或喷出地面，冷却凝固成为岩石过程，称为岩浆作用。3）变质作用：由于地壳运动、岩浆作用等引起物理和化学条件发生变化，促使岩石在固体状态下改变其成分、结构和构造的作用，称为变质作用。4）地震：地壳运动引起地球内部能量的长期积累而突然释放时，导致地壳一定范围的快速颤动。,岩浆作用,变质作用,地震后的汶川公路,二、地质作用2、外力地质作用,由太阳的辐射能和地球的重力位能(包括其他星体的引力作用)所引起的地质作用称为外力地质作用。常见的外力作用现象有气温的变化、雨、雪、风、地面汇流、河流、湖泊、海洋作用、生物作用以及重力作用等等。1）风化作用：风化作用是在温度变化、气体、水及生物等因素的综合影响下，促使组成地壳表层的岩石发生破碎、分解的一种破坏作用。风化作用使岩石强度和稳定性大为降低。2）剥蚀作用：剥蚀作用是将岩石风化破坏的产物从原地剥离下来的作用。,岩石的风化剥蚀,岩石的风化剥蚀,二、地质作用2、外力地质作用,3）搬运作用：岩石经风化、剥蚀破坏后的产物，被流水、风、冰川等介质搬运到其它地方的作用。4）沉积作用：被搬运的物质，从搬运介质中分离出来，形成沉积物的过程，称为沉积作用。5）成岩作用：沉积下来的各种松散堆积物，在一定条件下，由于压力增大、温度升高以及受到某些化学溶液的影响，发生压密、胶结及重结晶等物理化学过程，使之固结成为坚硬岩石的作用,河流的搬运作用,固结所形成的水平岩层,沉积作用形成的沉积岩,三、风化作用,水沿裂隙下渗破坏岩石,山坡脚的碎屑堆,连续岩层被破坏成孤峰,植物生长使岩石破裂,三、风化作用,1、风化作用的概念：地壳表层的岩石，在太阳辐射、大气、水和生物等风化营力的作用下，发生物理和化学的变化，使岩石崩解破碎以至逐渐分解的作用，称为风化作用。风化作用在地表最显著，随着深度的增加，其影响就逐渐减弱以致消失。一般情况下不宜将建筑物设置在风化严重的岩层上但工程中往往又不可能完全避开风化岩层。2、风化作用的分类：风化作用的实质是矿物、岩石在地表附近新的物理化学条件下所产生的演化过程。可将风化划分为物理风化(机械风化)、化学风化和生物风化作用三种类型。,物理风化作用,1）物理风化作用,地表的岩石在原地发生机械破碎，不改变其化学成分和矿物组成，未形成新的矿物。包括：温差风化、冰劈作用、膨胀崩解作用：等。形成岩屑、砂粒等碎屑。,三、风化作用2、风化作用的类型,1）物理风化作用2）化学风化作用3）生物风化作用,岩石因差异性胀缩而破坏的几个阶段,三、风化作用2、风化作用的类型,1）物理风化作用,冰劈作用图示,（1）温差风化-矿物岩石的热胀冷缩,（2）冰劈作用-岩石空隙中水的冻结与融化,风化作用使岩石层状剥落,三、风化作用2、风化作用的类型,（3）膨胀崩解作用：盐类的结晶与潮解-矿物的溶解与蒸发,1）物理风化作用,（3）膨胀崩解作用：层裂或卸载作用-岩石释重,三、风化作用2、风化作用的类型,2）化学风化作用,长石经化学风化转变成粘土,（1）水溶液的作用a、溶解作用b、水化作用(水合作用)C、水解作用d、碳酸化作用（2）氧的作用-氧化作用,岩石在原地由于化学反应使其发生物理状态和化学成分的变化，形成新矿物。包括水解、水化、溶解、氧化、碳酸化作用等。,三、风化作用2、风化作用的类型,a、溶解作用,溶解度大小：,最易溶于水的是卤化物和硫酸盐矿物，如NaCl（石盐）；其次是碳酸盐矿物，如方解石（CaCO3）；最难溶于水的是硅酸盐矿物，如长石、云母等。,若以常见造岩矿物论，其溶解度大小顺序如下：（石盐石膏）方解石白云石橄榄石辉石角闪石滑石蛇纹石绿帘石斜长石钾长石黑云母白云母石英。,b、水化作用(水合作用),结果：易溶物流失，孔隙增加，硬度减小；难溶物残留；,如矿物与水作用，水可以直接参加到某些矿物中去，形成结晶水，产生新的含水矿物。,同时水化作用形成的新矿物，往往体积膨胀，对周围岩石产生很大压力，从而引起岩石的机械破碎。,2）化学风化作用（1）水溶液的作用,溶解作用例子：石林,水化作用例子,三、风化作用2、风化作用的类型,C、水解作用,H2O可以离解出H+和OH-,化合形成带OH-的矿物,弱酸强碱盐离解,金属阳离子,4KAlSi3O8+6H2OAl4Si4O10OH8+8SiO2+4KOH钾长石高岭石硅胶真溶液,流失,残留,2）化学风化作用（1）水溶液的作用,2）化学风化作用（2）氧化作用,三、风化作用2、风化作用的类型,地壳表层最常见的化学风化作用之一,当含铁物质被风化后，就带上了富有特征的红褐色,三、风化作用2、风化作用的类型,3）生物风化作用：,根劈作用,（1）生物物理风化作用,是指生物对岩石、矿物产生的机械的或化学的破坏作用,一、风化作用的类型,三、风化作用2、风化作用的类型,3）生物风化作用,根劈作用,（1）生物物理风化作用,动物机械破坏（穴居、践踏等）,三、风化作用2、风化作用的类型,3）生物风化作用（2）生物化学风化作用,生物新陈代谢,从土壤中和岩石中吸取养分,分泌物、遗体腐烂分解，形成有机酸和气体（CO2、H2S）,遗体在还原环境中，形成腐殖质，促进岩石分解。,促使矿物中活泼的金属阳离子游离出来一部分被水溶液带走，使岩石破碎。,三、风化作用2、风化作用的类型,补充：,物理、化学、生物风化作用是相互伴生、相互影响、相互促进的,1.物理、化学风化虽然常常同时进行，互相影响，但物理风化使岩石破碎到一定程度，即无能为力。据实验，岩石碎屑粒径小于0.02mm，大多即不再发生机械崩裂。但化学风化却可继续使碎屑分解，最后形成胶体及真溶液。由此可见，物理风化是化学风化的“开路先锋”，而化学风化使物理风化继续深入。,2.在一定自然地理条件下，常常是以某一种风化作用占主导地位，例如，在高寒和干燥地区往往以物理风化作用（如冰劈作用）为主，而在潮湿炎热地区则往往化学风化作用强烈。,三、风化作用3、风化作用的产物（补充）,1）物理风化作用的产物：粗细不等、棱角分明的碎石块。在地势较陡的情况下可形成倒石锥。2）化学风化作用的产物：能溶于水中的可迁移物质和难于迁移、堆积在原地的残积物。（性质稳定的元素如Fe、Al、Mn、Ni等，富集时形成残余矿床。）3）生物风化作用的产物：包括生物物理风化的产物和生物化学风化的产物。土壤主要是由生物风化作用形成的。4）残积物：地表岩石经长期风化作用，残留于原地的松散堆积物。5）风化壳：地表岩石经物理、化学、生物风化的长期作用，形成由风化产物组成的、分布于大陆基岩面上的不连续薄壳。剖面上风化壳在成分和结构上都有明显的差异,风化壳剖面,土壤层,残积层,半风化层,基岩,三、风化作用3、风化作用的产物,三、风化作用4、风化作用的影响因素,1）岩石的矿物成分（1）稳定性矿物，如白云母、石英、石榴石等。（2）较稳定性矿物，例如：辉石、角闪石、黑云母、正长石等。（3）不稳定性矿物，例如：斜长石、橄榄石等。2）岩性：岩性包括岩石的结构与构造、矿物颗粒大小与形状、孔隙率、吸水率、坚固性等物理力学性质。结构致密、岩性坚固、孔隙率和吸水率小的岩石其抗风化能力就好，反之就易风化。3）地质构造：地质构造对岩体的结构性有很大的影响，岩体的结构面愈发育、裂隙愈大、充填情况愈差、渗透性愈好就愈易风化。,三、风化作用4、风化作用的影响因素,4）气候状况：气候寒冷或干燥地区，生物稀少，寒冷地区降水以固态形式为主，干旱区降水很少。以物理风化作用为主，化学和生物风化为次。岩石破碎，但很少有化学风化形成的粘土矿物，以生物风化为主形成的土壤也很薄。气候潮湿炎热地区，降水量大，生物繁茂，生物的新陈代谢和尸体分解过程产生的大量有机酸，具有较强的腐蚀能力，故化学风化和生物风化都十分强烈，形成大量粘土，在有利的条件下可形成残积矿床。可形成较厚的土壤层5）地貌与地下水：地貌对岩石风化的影响和水、风、温差、地势以及基岩埋藏条件等多重因素有关，地下水对岩石的风化则主要体现为溶解溶蚀和再结晶。6）其他因素：人类活动形成的环境污染等也会成为影响化学风化的重要因素。,三、风化作用,5、风化作用与工程活动的关系研究风化作用的意义岩石受风化作用，改变了物理化学性质，其变化的情况随着风化程度的轻重而不同。如岩石的裂缝度、孔隙度、透水性、亲水性、胀缩性和可塑性等都随风化程度加深而增加，岩石的抗压和抗剪强度等都随风化程度加深而降低，风化壳成分的不均匀性、产状和厚度的不规则性都随风化程度加深而增大。所以，岩石风化程度愈深的地区，工程建筑物的地基承载力愈低，岩石的边坡愈不稳定。风化程度对工程设计和施工都有直接影响，如矿山建设、场址选择、水库坝基、大桥桥基和铁路路基等地基开挖深度、浇灌基础应到达的深度和厚度、边坡开挖的坡度以及防护或加固的方法等，都将随岩石风化程度的不同而异。因此，工程建设前必须对岩石的风化程度、速度、深度和分布情况进行调查和研究。,四、地质循环,1、概念：在漫长的地质历史岁月中，岩石圈和其下的软流层之间存在着大规模的物质循环，即地质循环。2、岩石的转化：在地质循环的过程，组成地壳的矿物和岩石有时也会互相转化。（如右图所示）,三类岩石相互转化示意图,本章小结,本章介绍了工程地质及地质作用，通过学习要求了解工程地质课程教学内容及学习后所具备的能力和地球概述及地质循环；掌握工程地质学基本概念及公路工程地质学的研究对象、目标、任务和地质作用及风化作用；为公路工程建设打好基础。,复习思考题,1、什么是工程地质？它的具体任务有哪些？2、什么是工程地质条件？它包括哪些内容？3、简述工程地质问题及内容。4、简述地球的圈层构造。5、什么是地质作用？它分为哪些类型？6、什么叫风化作用？它分为哪些类型？影响风化作用的因素有哪些？7、什么叫地质循环？,第一章岩石,岩石：岩石是地壳发展过程中，由一种或多种矿物组成、在成分和结构上具有一定规律的集合体。岩石是构成地壳的最基本单位。按其成因，分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类；按矿物组成分单矿岩、复矿岩。矿物是构成岩石的基本单元。,第一节造岩矿物,（一）矿物的基本概念,在地壳中具有一定化学成分和物理性质的天然元素或化合物称为矿物。其中构成岩石的矿物称为造岩矿物。矿物可以是固态(如石英、金刚石)、液态(如自然汞)、气态（如火山喷气中的水蒸气）或胶态(如蛋白石)。在固态矿物中，绝大部分都属结晶体。晶体为具有格子构造的固体,晶体在形成和发育过程中，如果条件适宜，能生成具有规则的几何多面体外形-晶格。到目前为止，全世界在自然界发现的矿物大约有3800多种(不包括亚种)。而常见矿物约有200多种，其中常见的造岩矿物有30多种。,（二）矿物的物理性质,形状,硬度,颜色,解理,光泽,断口,条痕,1.形状,形状不同是由于矿物内部晶格构造的不同而造成的。,2.颜色,矿物对白光中不同波长的光波吸收的结果。,琢磨过的钻石,八面体金刚石,钻石原石（Diamond）,祖母绿原石,琢磨过的祖母绿,祖母绿矿石（Emerald）,红宝石,红宝石矿石,蓝宝石原石,蓝宝石,自然金(Gold),萤石（Fluorite）,方铅矿（Galena）,石榴子石（Garnet）,赤铁矿（Hematite）,翡翠（Jade）,孔雀石（Malachite）蓝色者为蓝铜矿,铜（NativeCopper）,自然硫（Sulfur),黄玉（Topaz）,橄榄石（Olivine）,自然锑（NativeAntimony）,（世界第一大晶体,收藏于A.E.SeamanMineral）,黄铁矿（Pyrite）,菱锰矿（Rhodochrosite）,石盐（Salt）,电气石（Tourmalin）,斜锆石（Caldasite）,锆石（Zircon）,雄黄（Realagar）,榍石（Sphene）,尖晶石（Spinel）,钼钨钙（Powellite）,淡红银矿（Proustite）,含金石英脉,闪锌矿（Sphalerite）,蓝晶石（Kyanite）,晶质铀矿（Uraninite）,红锌矿（Zincite）,石墨（Graphite）,磷硼锰石（Seamanite）,石英族水晶(Crystal),石英族玛瑙（Agate）,石英族蛋白石（Opal）,3.硬度矿物抵抗刻划、研磨的能力称为硬度，取决于矿物化学成分和内部构造。,4.解理、断口,矿物受打击后，沿一定方向裂开而呈光滑平面的现象称为解理。可分为：（1）极完全解理如云母（2）完全解理如方解石（3）不完全解理如橄榄石（4）无解理如高岭土矿物受打击后，不具方向性的不规则破裂面称为断口。常见的如：贝壳状、片状、粒状、土状、锯齿状等。,贝壳状,片状,粒状,5.光泽,矿物表面呈现的光亮程度称为光泽。,光泽,半金属光泽,金属光泽,非金属光泽,玻璃光泽,珍珠光泽,丝绢光泽,油脂光泽,腊状光泽,土状光泽,6.条痕,矿物在毛瓷板上刻划留下的线条称为条痕，即矿物粉末的颜色。,第二节岩浆岩,岩浆岩成因,高温熔融的岩浆在向地表上升过程中，由于热量散失逐渐经过分异等作用冷凝而形成岩浆岩。,岩浆岩形成的方式有两种：一种是岩浆的侵入形成侵入岩，另一种是火山的喷出形成喷出岩。,岩浆岩矿物成分,（1）浅色矿物如石英、正长石、斜长石、白云母等。（2）深色矿物如黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等。,岩浆岩分类,深成岩,喷出岩,浅成岩,地质环境,酸性岩,超基性岩,中性岩,SiO2含量,基性岩,岩浆岩结构,什么是岩石结构？指组成岩石的矿物的结晶程度、晶粒大小、形状及其相互结合的情况。,非晶质结构,半晶质结构,全晶质结构,似斑状结构,等粒结构,岩浆岩结构,斑状结构,岩浆岩构造,什么是岩石构造？指矿物在岩石中的组合方式和空间分布情况。,气孔状构造,流纹状构造,块状构造,岩浆岩构造,杏仁状构造,为深层岩和浅层岩的构造，如花岗岩、正长岩等,为喷出岩的构造，如部分玄武岩和安山岩等,为喷出岩的构造，如流纹岩等,为喷出岩的构造，如玄武岩等,鉴别方法：（1）颜色（2）结构、构造（