工程地质讲义

工程地质讲义2014年5月,地貌学：是研究地球表面起伏形态及其发生、发展和分布规律的科学。1、地貌单元的分类1.1、构造剥蚀地貌高山：高度大于3500米，以构造作用为主，具有强烈的冰川刨蚀切割作用。山地：中山：高度1000-3500米，具有强烈剥蚀切割作用和部分冰川刨蚀作用低山：高度500-1000米，具有强烈剥蚀切割作用和部分冰川刨蚀作用丘陵：高度小于500m，丘陵地区一般基岩埋深较浅，顶部常常直接裸露，风化现象严重。剥蚀残丘：在长期的构造剥蚀中，大多数低山被夷平成为准平原，个别地段形成比较坚硬的残丘。成为剥蚀残丘。,第一章地貌基本知识,1.2、山麓斜坡堆积地貌洪积扇：洪流搬运的碎屑物质在山口处堆积，形成扇形的的堆积体。坡积裙：是由于山坡上的面流将碎屑物质冲积到山麓下，并围绕着坡分类脚形成的裙状堆积地貌。堆积物颗粒大小不均，分选性差。山前平原：暂时性水流在山前堆积了大量洪积物，洪积物与山坡面流所携带的堆积物在一起，形成广阔的山前倾斜平原。,1.3、河流侵蚀堆积地貌形态：河床：谷底部分河水经常流动的地方称为河床河漫滩：分类阶地：河间地块：牛轭湖：,1.4河流堆积地貌形态：冲积平原：是由大河流中下游发生大量堆积形成，岩体埋藏一般很深，堆积巨厚的第四纪沉积物。以细颗粒为主，地下水位较浅。河口三角洲：河流在入海或入湖的地方堆积形成了大量碎屑物，形成了一个三角形地段，叫河口三角洲。由于河口三角洲是河流的最末端，流速几乎为零，常常有细小的颗粒沉积下来，此处地下水位较浅，常有较厚的淤泥分布，承载力较低，为软土地基。,1.5、海成地貌形态、海岸：海岸是陆地与海洋的边界。根据地貌形态分为：海岸悬崖直立突出的海岸；崖麓海岸悬崖的下面部分；海滩平行于海岸线而伸展的平缓地形。冲蚀阶地：由海浪的冲蚀作用及海岸的上升作用形成。、海岸阶地堆积阶地：由海水的堆积作用及海岸的上升作用形成。常有软土及淤泥分布。、海岸平原：是新的沙堤沿海岸线的下降而扩展形成的。地形平坦，缓缓倾向大海。,1.6岩溶（卡斯特）地貌形态岩溶盆地:是大型的溶蚀洼地，一种漏斗状或盆地的凹地。特点：底部比较平坦，常有软土及淤泥分布。发育有落水洞、竖井、漏斗、溶洞、暗河。峰林地形：岩溶盆地的边缘进一步受到溶蚀破坏，使连续的石灰岩悬崖进一步切割分离，形成柱形或锥形陡峻的石峰，从而形成峰林地形。峰林地区的地面常常崎岖不平，发育有石芽、落水洞、竖井、溶洞、暗河等。石芽残丘：石芽分布在石灰岩裸露的地面上，形成石崖残丘。石芽之间溶沟底部的红粘土，一般含水量较大，土质较软。溶蚀准平原：岩溶盆地经过长期的溶蚀破坏，形成比较开阔的平原，叫溶蚀准平原。,1.7风成地貌其地貌类型分为：石漠：是地表没有沉积物，主要由巨砾和裸露的基岩组成的地区，也成戈壁滩。沙漠：是风积的细沙广泛分布的地区，面积广阔。泥漠：是沙漠中的粘土被雨水搬运到低洼地段堆积起来形成泥漠。风蚀盆地：沙丘：1.8冰川地貌,1、地质构造定义：所谓地质构造是指组成地壳的岩层和岩体在内、外动力地质作用下发生的变形变位，从而形成诸如褶皱、节理、断层、劈理以及其他各种面状和线状的几何体，或残留下的形迹。,第二章地质构造,1.1褶皱岩体受力挤压，弯曲变形形成褶皱，分为两种即向斜和背斜。向斜：两侧的岩层倾向相向，中部新，两侧老。背斜：两侧的岩层倾向相背，中部老，两侧新。,几种向斜、背斜图片,1.2裂隙（或节理）岩石中的断裂，沿断裂面没有或有很小的位移，称为裂隙或节理。1.3断层岩石沿断裂面发生明显的位移，称为断层。断层的基本要素有上盘和下盘。正断层：是指下盘向上，上盘相对下降的断层。逆断层：是指下盘下降，上盘相对上升的断层。平移断层：其两盘顺断层面走向相对位移，无上下垂直移动,1岩石的分类1.1岩石按成因分类1.1.1岩浆岩：岩浆在向地表的运移过程中，因冷却作用而形成的岩石。代表性岩石如花岗岩。1.1.2沉积岩：是由岩石、矿物在内、外力作用下破碎成碎屑物质后经过水流风吹等作用的搬运，堆积后再经过胶结、压密作用后而形成的岩石。代表性岩石如砂岩。1.1.3变质岩：是岩浆岩或沉积岩经过高温高压作用而形成的岩石。代表性岩石如片麻岩。,第三章岩土分类及其鉴别特征,1.2、岩石按坚硬程度的定性分类,1.3岩石的坚硬程度按饱和单轴抗压强度分类注：1、当无法取得单轴抗压强度时，可用点荷载试验强度换算，换算方法按现行的国家标准（工程岩体分级）执行。2、当岩体完整程度为极破碎时，可不进行坚硬程度的分类。,1.4、岩体的完整程度分类,1.5岩体的基本质量等级,1.6岩石的风化程度分类,1.7岩体按岩石的质量指标分类1.8岩石的结构和构造岩石的结构：岩石中的矿物的结晶程度，颗粒大小，和形状以及彼此间的组合方式叫结构。岩石的构造：岩石中矿物集合体之间或集合体和岩石其他组成部分之间的排列方式以及填充方式叫构造。,2土的分类2.1按地质成因分类土按地质成因可分为：残积土、坡积土、洪积土、冲积土、淤积土、冰积土、风积土等类型。2.2按沉积时代分类老沉积土：第四纪晚更新世及其以前沉积的土，一般具有较高的强度和较低的压缩性。新近沉积土：第四纪全新世中近期沉积的土，一般为欠固结的，强度较低。,2.3按颗粒级配及塑性指数分类土按颗粒级配及塑性指数可分为碎石土、砂土、粉土、粘性土。2.3.1碎石土粒径大于2mm颗粒质量超过总质量50%的土。,2.3.2砂土为粒径大于2mm颗粒质量不超过总质量的50%，粒径大于0.075颗粒质量超过总质量的50%的土。,2.3.3粉土为粒径大于0.075的颗粒质量不超过总质量的50%，且塑性指数等于或小于10的土。2.3.4粘性土为塑性指数大于10的土。,2.4按工程特性分类按工程特性分为：湿陷性土、红粘土、软土、冻土、膨胀土、盐渍土、混合土、填土、污染土2.5按有机质含量分类,3、土的野外鉴别特征3.1碎石土的密实度野外鉴别,3.2砂土,3.3粘性土、粉土的野外鉴别,4、用原位测试指标判断碎石土、砂土的密实度4.1碎石土4.1.1用重型圆锥动力触探（N63.5）判断注：本表适用于粒径小于或等于50mm，且最大粒径小于100mm的碎石土，对于平均粒径大于50mm，或最大粒径大于100mm的碎石土可用超重型动力触探鉴别。表中击数为根据岩土工程勘察规范附录B修正后的击数。,4.1.2用超重型圆锥动力触探（N120）判断4.2用标贯试验判断砂土的密实度,5、用室内试验指标判断粉土、粘性土的性质5.1粉土的密实度及含水量粉土的密实度根据土的孔隙比划分为密实、中密、稍密；其湿度应根据其含水量划分为稍湿、湿、很湿。粉土密实度分类粉土湿度分类,6、粘性土的状态划分粘性土的状态应根据液性指数IL划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑。粘性土状态分类7、目力鉴别粉土和粘性土的部分特性,8、各类岩土的野外描述内容,1.岩石1.1饱和单轴抗压强度是在单向受压条件下，岩石试件破坏时的单位面积上的极限压应力值，以R表示，单位为MPa。R=F/A，式中：F为试件压破时的总压力（牛）；A为试件面积（mm2）。工程上常用的抗压强度指标有干燥抗压强度、饱和抗压强度、冻结后抗压强度等。1.2单轴抗拉强度,第四章岩土试验指标,2、土的物理性质指标2.1土的三相组成在计算土的物理性质指标时，通常认为土是由空气、水、土颗粒三相组成。Va-空气体积，Vw-水的体积，空隙体积Vv=Va+VwVs土粒体积，V总体积，V=Vv+Vs以质量计：ma空气质量，为0，mw水的质量，ms土粒质量，m总质量，m=mw+ms,2.2土的物理指标,3、土的力学性质指标3.1压缩性物理意义：土的压缩性，是土体在荷载的作用下产生变形,体积缩小的特性。在室内试验而言，即土在荷载的作用下孔隙体积逐渐变小。通过室内压缩试验，能够测出土的压缩系数、压缩模量、体积压缩系数、固结系数、先期固结压力、压缩指数、回弹指数等指标。压缩系数：e_P曲线中某一压力区段的割线斜率称为压缩系数。即a=tan=通常采用压力p=100kPa增加到200kPa时所得的压缩系数a1-2来判断土的压缩性，压缩系数越大表明土的压缩性越高。,pi,p,Pi+1,ei+1,ei,e,m,n,压缩指数e-lgp曲线的后端接近直线，它的斜率CC称为土的压缩指数。与压缩系数一样，其数值越大，压缩性越高。,先期固结压力Pc定义：天然土层在沉积历史上最大的固结压力称为先期固结压力,用Pc表示。对地表下某一深度z处的土层，上覆土重产生的压力为P=a）当PcP时为超固结土b）Pc=P时为正常固结土c）PcP时，为欠固结土,压缩模量物理意义：在无侧向膨胀条件下，压缩时垂直压力的增量与垂直应变增量的比值，称为压缩模量。按下式计算通常采用压力Pi=100kPa增加到Pi+1=200kPa时所得压缩模量E1-2来判断土的压缩性。压缩模量越大，说明土的压缩性越小。利用压缩系数a1-2判断土的压缩性通常采用压力p=100kPa增加到200kPa时所得的压缩系数a1-2来判断土的压缩性。当a1-20.1MPa-1时，为低压缩性土当0.1MPa-1a1-20.5MPa-1时，为中压缩性当a1-20.5MPa-1MPa-1时，为高压缩性,3.2土的抗剪强度3.2.1物理意义：土在外力作用下在剪切面单位面积上所能承受的最大剪应力称为土的抗剪强度。粘性土：无粘性土：PP粘性土无粘性土,c,3.2.2、抗剪强度指标的试验方法直接剪切试验将环刀切取的土试样置入剪切盒中进行剪切，通过不同垂直压力下的剪切试验所得的抗剪强度，求取土的粘聚力和内摩擦角。有快剪、固结快剪、慢剪三种形式。三轴剪切试验原理：在圆柱形试样上施加最大主应力1和最小主应力3，保持之一（一般是3）不变，改变另一主应力，使试样中的剪应力逐渐增大，直至达到极限平衡而剪切破坏，由此求得土的抗剪强度。有三种形式：不固结不排水试验（UU试验）、固结不排水试验（CU试验）、固结排水试验（CD试验）。3.3土的渗透性土的透水性指标以土的渗透系数表示，其物理意义是当水力梯度等于1时的渗透速度，用公式表达渗透系数，-渗透速度-水力梯度,1、标准贯入试验1.1设备组成落锤质量63.5kg，落距76cm，贯入器长度大于500mm，钻杆直径42mm。,第五章原位测试简介,1.2试验方法先钻至预做试验的土层上部15cm，清孔后，下入标贯器采用自动脱钩的自由落锤法进行锤击，首先预打15cm不计锤击数，继续贯入土中30cm，记录锤击数N。拔出贯入器，取出土样进行鉴别。如需要进行下一深度试验，则重复以上步骤。1.3数据的应用确定地基土的承载力，确定砂土的密实度。,2、圆锥动力触探试验2.1类型及规格2.2试验方法轻型动力触探：首先钻至试验标高，下入动探头，对土层进行连续触探，穿心锤自由下落，将触探杆竖直打入土层中，并记录打入土层30cm的锤击数。重型和超重型：贯入时，穿心锤自动脱钩，自由下落，每贯入10cm记录相应的锤击数。2.3数据的应用确定地基土的承载力，确定砂土、碎石土的密实度。,3、静力触探静力触探是采用静力的方法将探头以一定的速率压入土层中，利用探头内的力传感器，通过电子量测器将探头受到的阻力记录下来的一种测试地基土的方法。分两种，一种单桥，另一种是双桥。单桥只能测锥尖的比贯入阻力Ps，双桥能测侧壁摩阻力（fs）及锥尖阻力（qc）指标。数据的应用：划分地层、确定地基土的承载力、确定桩基参数、估算单桩承载力。4、地球物理勘探地球物理勘探简称物探，是用来探测地层、岩性、构造等地质问题的一种方法。有电法勘探、磁法勘探、地震勘探、声波探测、综合测井等多种勘探方法。,1、地下水的类型根据地下水的储存与出露状况，可分为潜水、承压水、裂隙水和岩溶水四类2、地下水的深度、标高。3、地下水的腐蚀性。4、地下水的不良作用流土（流砂）管涌基坑突涌对建筑物具有上浮作用,第六章地下水,1、基本概念单桩竖向极限承载力：单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载。极限侧阻力：相应于桩顶作用极限荷载时，桩身侧表面所发生的岩土阻力。极限端阻力：相应于桩顶作用极限荷载时，桩端所发生的岩土阻力。单桩竖向承载力特征值：单桩竖向极限承载力标准值除以安全系数后的承载力值。负摩阻力：桩周土由于自重固结、湿陷、地面荷载作用等原因而产生大于基桩的沉降所引起的对桩表面的向下摩阻力。下拉荷载：作用于单桩中性点以上的负摩阻力之和。,第七章桩基,2、桩的选型摩擦桩摩擦型桩端承摩擦桩按承载性状分类端承桩端承型桩摩擦端承桩非挤土桩:如：干作业法钻（挖）孔、泥浆护壁钻（挖）孔灌注桩按成桩方法分类部分挤土桩：冲孔灌注桩、预钻孔打入灌注桩挤土桩：沉管灌注桩、打入预制桩等小直径d250mm按桩径大小分类中等直径250mmd800mm大直径d800mm,3、关于桩进入持力层深度的要求应选择较硬土层作为桩端持力层，桩端全断面进入持力层的深度，对于粘性土、粉土不宜小于2d，砂土不宜小于1.5d，碎石类土不宜小于1d。当存在软弱下卧层时，桩端以下硬持力层的厚度不宜小于3d。对于嵌岩桩，嵌入倾斜的完整和较完整岩的全断面深度不宜小于0.4d且不小于0.5m；对于嵌入平整、完整的坚硬岩和较硬岩的深度不宜小于0.2d，且不应小于0.2m。,4、关于单桩竖向极限承载力的计算桩的极限侧阻力和桩端极限端阻力标准值的确定方法一：桩的极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值宜通过埋设桩身轴力测试元件由静载试验确定。方法二：对于大直径的端承桩，也可以通过深层平板载荷试验确定极限端阻力。对于嵌岩桩也可以通过直径为0.3m的嵌岩短墩载荷试验确定极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值。方法三：通过规范经验值法确定。单桩竖向极限承载力的计算1）原位测试法：利用单桥或双桥静力触探原位测试数据计算预制桩单桩竖向极限承载力。单桥静力触探：Quk=uqsikli+PskAp当Psk1Psk2时，Psk=当Psk1Psk2时，Psk=Psk2,式中：桩端阻力修正系数，按下表取值Psk-桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值（平均值）Ap桩端面积Psk1桩端全断面以上8倍的桩径范围内的比贯入阻力平均值Psk2桩端全断面以下4倍桩径范围内的比贯入阻力平均值，若桩端持力层为密实的砂土层时，其比贯入阻力超过20MPa时，则需乘以系数C予以折减后，再计算Psk。C值取值见下表,注：1、直线A：适用于地表下6m以内的土层。2、折线B（oabc）适用于砂土及粉土以上（或没有砂土及粉土土层地区）的粘性土；3、折线C（odef）适用于砂土及粉土土层以下的粘性土。4、折线D（oef）适用于粉土、粉砂、细沙、中砂。5、当桩端穿越粉土、粉砂、细砂、中砂层底面时，折线D估算的qsik值需乘以0.33-1.0的系数（桩基规范表5.3.3-4表）,双桥静力触探法：式中：-单桩竖向极限承载力标准值-侧阻综合效应系数-探头的平均侧阻力-桩端阻力修正系数，粘性土粉土取2/3,饱和砂土取1/2。-桩端平面上下探头阻力-桩端面积,2）经验参数法：根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值。当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时，宜按下式估算：桩侧第i层土的极限侧阻力标准值极限端阻力标准值桩端面积,3)嵌岩桩单桩竖向极限承载力的计算岩石饱和单轴抗压强度标准值，粘土岩取天然湿度下的单轴抗压强度标准值。桩嵌岩段侧阻和端阻综合系数，与嵌岩深径比、岩石的软硬程度、成桩工艺有关。,4）大直径钻孔灌注桩单桩竖向极限承载力承载力标准值的计算桩侧第i层土的极限侧阻力标准值桩端极限端阻力标准值桩端截面积分别为大直径桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数。,5）后注浆单桩竖向极限承载力标准值的计算后注浆非竖向增强段第j层土的厚度后注浆竖向增强段第i层土的厚度分别表示后注浆竖向增强段第i层土的初始极限侧阻力标准值、非竖向增强度第j层土的初始极限侧阻力标准值、初始极限端阻力标准值分别为后注浆侧阻力、端阻力增强系数。,6）抗拔桩承载力的计算群桩呈非整体性破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值可按下式计算：基桩抗拔极限极限承载力标准值桩侧表面第层土的抗压极限承载力标准值抗拔系数，对于砂土取0.50-0.70，对于粘性土、粉土取0.70-0.80；桩身周长，对于等直径的桩取；对于扩底桩按下表取值群桩呈整体性破坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值可按下式计算：,6）关于桩的负摩阻力符合下列条件的桩基，当桩周土层产生的沉降超过基桩的沉降时，在计算基桩承载力时应计入桩侧负摩阻力：a、桩穿越较厚的松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层时；b、桩周存在软弱土层，临近桩侧地面承受局部较大的长期荷载，或地面大面积堆载时；c、由于降低地下水位，使桩周土有效应力增大，并产生显著压缩沉降时。,5、单桩竖向静载荷试验的几点说明1）、开始试验的时间：对于预制桩，若打入的地层为砂