工程地质学重点知识总结

绪论定义：工程地质学:是一门研究与工程建设有关的地质问题，为工程建设服务的地质学科，它是地质学的分支学科；它是工程科学与地质科学相互交叉、渗透而成的一门边缘学科。从工程地质角度，工程分三类：1、将工程岩土作为地基利用的工程；2、边坡岩土作为利用对象的工程；3、地下硐室作为利用对象的工程；研究对象：地壳-【地壳主要由岩石圈组成】地质环境：自然环境的一种，指由岩石圈、水圈和大气圈组成的环境系统。地质环境是地球演化的产物。地质作用，是指由于受到某种能量(外力、内力）的作用，从而引起地壳组成物质、地壳构造、地表形态等不断的变化和形成的作用。地质作用的自然力是地质应力。力是能的表现，按照能的来源不同，地质作用可分为外力作用和内力作用外力地质作用：是因地球外部能产生的，它主要发生在地表或地表附近。外力地质作用几乎都有重力能参与。外力地质作用使地表形态和地壳岩石组成发生变化。外能，主要有太阳辐射热、位能、潮汐能和生物能等内力作用：遍及岩石圈甚至整个地球，主要包括:构造运动、岩浆作用，变质作用、地震作用等；这类地质作用主要发生在地下深处，有的可波及到地表。能力来源：主要有地内热能、重力能、地球旋转能、化学能和结晶能。基本任务：查明工程地质条件；中心任务：工程地质问题的分析、评价人类的所有工程都建造在地壳表层的一定的地质环境中。人类工程活动会使得自然地质环境发生变化【正反两方面】研究内容：1、工程岩土的性质 2、各种动力作用 3、岩土的应力-应变、破坏、力学模型等； 4、对原有地质环境的改造 5、进行工程地质区划 6、科学预测人类活动对地质环境的影响 7、工程地质勘察理论和技术方法的研究研究方法：1、自然历史分析法 地质学分析；研究地质体、地质现象、自然地质历史形成演化。地质基础工作。基本的研究方法。2、 数学力学分析法 定量分析计算、评价针对某一具体问题。地质分析为基础 地质模型 数学模型（理论经验公式等） 代入有关参数进行计算。3、 模型与模拟实验法 仿实体演绎模型实验：如渗流、斜坡、地基渗透变形、洞室稳定等方面都可以进行。4、工程地质类比法 经验借鉴、对比基础是相似性（地质条件与建筑工作方法） 第1章 ：地壳及其物质组成地壳（qio），是指由岩石组成的固体外壳，地球固体圈层的最外层，岩石圈的重要组成部分，其中大陆地壳厚度较大，平均约为39-41千米。高山、高原地区地壳更厚，最高可达70千米；平原、盆地地壳相对较薄。海洋地壳则远比大陆地壳薄，厚度只有几千米。地壳结构【两层】：上层化学成分以氧、硅、铝为主，平均化学组成与花岗岩相似，称为花岗岩层，亦有人称之为“硅铝层”。下层富含硅和镁，平均化学组成与玄武岩相似，称为玄武岩层，所以有人称之为“硅镁层”构成地壳的岩石分为：岩浆岩、沉积岩、变质岩；1岩浆岩也称火成岩。来自地球内部的熔融物质，在不同地质条件下冷凝固结而成的岩石。2在地表常温、常压条件下，由风化物质、火山碎屑、有机物及少量宇宙物质经搬运、沉积和成岩作用形成的层状岩石。沉积岩有两个突出特征：一是具有层次，称为层理构造。层与层的界面叫层面，通常下面的岩层比上面的岩层年龄古老。二是许多沉积岩中有“石质化”的古代生物的遗体或生存、活动的痕迹-化石，它是判定地质年龄和研究古地理环境的珍贵资料，被称作是纪录地球历史的“书页”和“文字”。3原有岩石经变质作用而形成的岩石。矿物是化学元素通过地质作用等过程发生运移聚集而形成。其化学成分一定并可用化学式表达。所谓自然产出是指地球中的矿物都是由地质作用形成的。它是组成岩石和矿石的基本单元。实验室已经能够制造出某些矿物晶体（但制造出来的不属于矿物），如人工水晶、人工钻石等。人们根据物理性质来识别矿物，如1颜色2光泽【光学性质】3硬度4解理5比重和6磁性、导电性、密度等都是矿物肉眼鉴定的重要标志。【元素-矿物-岩石-地壳-岩石圈-地质环境】地球上现有的一切工程都是修建在地壳表层，岩石是组成地壳的主要物质。地质环境又影响工程建筑物安全、造价；第2章 地层与构造岩层：由同一岩性组成的层状岩石，覆盖在原始地壳上的层层叠叠叫岩层。地质学上叫做地层。构造：地层在遭受各种应力作用后所留下的变形和破坏痕迹【变形的叫褶皱，破坏的叫断裂】。岩层产状（即岩层的产出状态，岩层在地壳中空间方位）。除水平岩层成水平状态产出外，一切倾斜岩层的产状均以其走向、倾向和倾角表示，称为岩层产状三要素。岩层面与水平面的交线或岩层面上的水平线即该岩层的走向线，其两端所指的方向为岩层的走向。地质时代：可分为太古代、元古代、古生代、中生代和新生代5个时期。岩层在形成时，一般是水平的。岩层在构造运动作用下，因受力而发生弯曲，一个弯曲称褶曲，如果发生的是一系列波状的弯曲变形，就叫褶皱。褶皱是地壳上一种常见的地质构造。褶皱面向上弯曲的称为背斜；褶皱面向下弯曲的称为向斜。向斜是良好的储水构造。向斜处适合建水库。因为向斜岩层向下弯曲，受力集中于中心。所以，同一平面上各点受力不均匀，不宜修建铁路、隧道等工程。由于背斜岩层向上拱起，且油、气的密度比水小，所以背斜常是良好的储油、气构造。背斜因岩体向上拱起，有支撑作用，且不易渗水。所以适合在下方挖隧道。背斜岩层的走向呈天然拱形，结构稳定，且不易储存地下水，便于施工。节理:断裂构造的一类，指岩石裂开而裂面两侧无明显相对位移者（与有明显位移的断层相对）。断层是岩层或岩体顺破裂面发生明显位移的构造，断层在地壳中广泛发育，是地壳的最重要构造之一。在地貌上，大的断层常常形成裂谷和陡崖，如著名的东非大裂谷、中国华山北坡大断崖。上盘相对下降、下盘相对上升的叫正断层。上盘相对上升、下盘相对下降的叫逆断层。褶皱-向斜和背斜；断裂-节理和断层。地层是组成工程地质环境的基本材料。构造使得工程地质条件复杂化。了解一个地区的工程地质环境的首要任务是分析和研究该地区的地层和构造。地层、构造的产状对工程地质环境的稳定性至关重要。实际中对一个地区的构造的了解十分困难。地层和构造的产状要通过大量的实际测量数据分析。第3章 ：第四纪沉积物第四纪：它以人类的出现为开始，其下限年代多采用距今260万年。沉积环境：岩石在沉积和成岩过程中所处的自然地理条件、气候状况、生物发育状况、沉积介质的物理的化学性质和地球化学条件。一般可分大陆环境、海陆混合环境和海洋环境 三大类第4章 ：土体的工程地质特征土是由固、液、气体多相组成的体系。固相是土的主要成分，称为土的骨架。岩石的三种风化：物理风化、化学风化、生物风化。土的工程地质特征是由 土的颗粒成分、矿物成分、土颗粒形状、表面特征、密实程度、含水量等因素共同决定。不同年代形成的土的工程性质差别很大、粘性土和无粘性土的工程性质差别巨大，实际中应区别对待。实际工程中，土作为地基和环境、建筑材料使用，都会引起土的变形甚至破坏。土的物理性质指标：土粒比重、密度、重度、含水量、饱和度、孔隙比。土的力学性质是指 土的变形和强度特性。土的压缩性是指土受压时体积压缩变小的性质。一般认为，这主要是由于土中孔隙体积被压缩而引起的。土的强度：土体抵抗外力时保持自身不被破坏所能承受的极限应力。剪切变形：在一对大小相等、方向相反、作用线相距很近的外力作用下，使得杆件发生相对错动的变形现象，简称剪切。塑性变形是物质-包括流体及固体在一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。材料的破坏分塑性破坏和脆性破坏两种。塑性破坏：加载后有较大变形，因此破坏前有预兆，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。塑性破坏的特点是事先有明显的变形和裂缝预兆，可以及时采取措施予以补救，危险性相对于脆性破坏稍小。脆性破坏：加载后，无明显变形，因此破坏前无预兆，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆性破坏危险性大。第5章 ：岩体的工程特性岩石：为矿物的集合体，是组成地壳的主要物质。岩体：岩石是组成岩体的基本单元，一定数量的岩石组成岩体，且岩体无特定的自然边界，并且是由处于一定地质环境中的各种岩性和结构特征岩石所组成的集合体，也可以看成是由结构面所包围的结构体和结构面共同组成的。岩体是在内部的联结力较弱的层理、片理和节理、断层等切割下，具有明显的不连续性。这是岩体的重要特点，使岩体结构的力学效应减弱和消失。使岩体强度远远低于岩石强度，岩体变形远远大于岩石本身，岩体的渗透性远远大于岩石的渗透性。【岩体是结构体和结构面的综合体】岩体内形成各种不同的地质界面。如层理、层面、断层、节理等，统称结构面【分为原生、次生、构造结构面】。岩石和岩体是两个不同的概念；两者的工程特性有很大的差异；岩体工程特性与结构面开度、表面粗糙程度；起伏度、充填情况、产状等各种因素有关；岩体的强度与其所处的地质环境关系密切。岩体的变形和破坏是非常复杂的过程，目前对该问题还有争议。每一种强度理论都有其特定的适用条件。第六章-地下水地下水的物理性质：温度、颜色、透明度、气味、味道、导电性、放射性等；地下水中分布最广的：是钾、钠、镁、钙、氯、硫酸根和碳酸氢根7 种离子。地下水中含有多种元素的离子、分子和化合物。按含水层性质分类，可分为孔隙水、裂隙水、岩溶水。按矿化程度不同，可分为淡水、微咸水、咸水、盐水、卤水。按埋藏条件不同，可分为上层滞水、潜水、承压水。地下水在岩空隙中的运动叫渗流。渗流范围叫渗流场。地表水运动叫水流；渗流场中水的运动特点：水质点的运动速度和方向不断变化；地下水的运动要素（水位、流速、流向等）常常不是空间的连续函数。【人们采用平均化（概化）的方法来研究地下水宏观的运动规律。即用一种假想的水流来代替实际上很复杂的渗流，】一般认为，松散岩层孔隙水的运动都符合达西定律。地下水对土木工程的不良影响：一、地基沉降；二、 流砂【流砂是土体的一种现象，通常细颗粒、颗粒均匀、松散、饱和的非粘性土容易发生这个现象。】流砂现象：当水流在水位差的作用下对土颗粒产生向上压力时，动水压力不但使土粒受到了水的浮力，而且还使土粒受到向上推动的压力。如果动水压力等于或大于土的浸水浮重度，则土粒失去自重，处于悬浮状态，土的抗剪强度等于零，土粒能随着渗流的水一起流动，这种现象称为“流砂现象”。流砂土体流动地表塌陷或建筑物的地基破坏。3、 潜蚀【机械潜蚀：土粒在地下水的动水力作用下受到冲刷，将细粒土冲走，使土的结构破坏，形成洞穴的作用，形成管涌。化学潜蚀：在地下水和一氧化碳等作用下，能使岩石中的长石、云母等矿物变为高岭石、绢云母和其他粘土矿物。】由人类工程活动所引起的这种现象叫管涌。4、 地下水的浮托作用【建筑物基础底面位于地下水位以下时，地下水对基础底面产生静水压力，即浮托力。】5、 基坑突涌【建筑基坑存在承压水时，当开挖基坑减少了基坑底部隔水层的厚度，当隔水层较薄时承压水的水头压力冲破基坑底部的现象。其后果是基坑冲毁，地基破坏】6、 地下水对钢筋混凝土的腐蚀；【结晶类腐蚀、分解类、结晶分解复合类腐蚀】潜水：地表以下，第一个稳定隔水层以上具有自由水面的地下水。地下水的运动路线是复杂的，运动速度缓慢。承压水是充满两个隔水层之间的含水层中的地下水，承受一定的压力。向斜盆地是形成承压水的有利地质构造；渗透变形：岩土体在地下水渗透力（动水压力）的作用下，部分颗粒或整体发生移动，引起岩土体的变形和破坏的作用和现象。表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等。渗透水流作用于岩土上的力称为渗透水压或动水压力，只要有渗流存在就存在这种压力，当此力达到一定大小时，岩土中的某颗粒就会被渗透水流携带和搬运，从而引起沿岩土的结构变松，强度降低，甚至整体发生破坏。第7章：常见地质灾害地质灾害，是指在自然或者人为因素的作用下形成的，对人类生命财产、环境造成破坏和损失的地质作用（现象）。如崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、水土流失、土地沙漠化及沼泽化、土壤盐碱化，以及地震、火山、地热害等。分类：1内生地质灾害【地震、火山喷发】2外生地质灾害3人类活动诱发地质灾害1崩塌（崩落、垮塌或塌方）是较陡斜坡上的岩土体在重力作用下突然脱离母体崩落、滚动、堆积在坡脚（或沟谷）的地质现象。崩塌发生前一般会有这样的前兆：1.崩塌体后部出现裂缝；2.崩塌体前缘掉块、土体滚落、小崩小塌不断发生；3.坡面出现新的破裂变形、甚至小面积土石剥落；4.岩质崩塌体偶尔发生撕裂摩擦错碎声。2滑坡是指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面或者软弱带，整体地或者分散地顺坡向下滑动的自然现象。俗称“走山”、“垮山”、“地滑”、“土溜”等。3泥石流是指在山区或者其他沟谷深壑，地形险峻的地区，因为暴雨、暴雪或其他自然灾害引发的山体滑坡并携带4有大量泥沙以及石块的特殊洪流。泥石流具有突然性以及流速快，流量大，物质容量大和破坏力强等特点。凡是以地下水为主，地表水为辅，以化学过程（溶解与沉淀）为主、机械过程（流水侵蚀和沉积，重力崩塌和堆积）为辅的对可溶性岩石的破坏和改造作用都叫岩溶作用。5地震又称地动、地振动，是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波的一种自然现象。地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及板块内部产生错动和破裂，是引起地面震动（即地震）的主要原因。第8章 ：工程地质环境工程岩土的稳定性涉及1强度稳定性、2变形（刚度）稳定性3、整体稳定性4、环境安全性三个方面的要求。工程的稳定性包括工程结构自身的稳定性和工程岩土的稳定性两个方面。前者属于结构工程的研究范围，后者则属于工程地质的研究范围， 工程岩土的稳定性可以分为地基稳定性、边坡稳定性和洞室稳定性三种类型。该三类工程稳定性问题各具特点。保证地基稳定性所需解决的主要是地基岩土的承载力问题，保证边坡稳定性所需解决的主要是边坡岩土的重力稳定性问题，而保证洞室稳定性所需解决的则是整个洞室周围由于开挖引起的应力影响区内的岩土垮塌问题。影响工程稳定性的工程地质环境因素：包括岩土的物理力学性质、地质结构、地应力、地下水、地质构造、气候、区域稳定性和人类活动情况等。岩土的物理力学性质直接决定了工程岩土的应力应变和强度特征地质构造对工程稳定性的影响主要表现在两个方面：一是软弱土层对土体变形和强度的控制作用，二是结构面对岩体破坏模式和破坏面的控制作用。地壳内在天然状态条件下所具有的应力，称为地应力。地应力可以分为自重应力和构造应力两种类型。工程地质环境的适宜性评价的主要任务是对原生地质环