第2章岩土类型及其工程地质性质-重庆大学工程地质课程

本章知识点,【知识点】地质作用及类型，地质年代的概念、相对年代与绝对年代的确定方法；常见矿物的性质；三大岩类的形成、结构和构造，常见岩石的鉴别；岩石的工程地质性质及影响因素，岩石的工程类型，风化岩的概念及工程地质性质，风化作用类型，风化带划分；土体分类及其工程地质性质、特殊土的主要工程地质性质。【重点】矿物及岩石的鉴别，岩石的工程地质性质及影响因素，风化岩的工程性质。【难点】常见矿物及岩石的鉴别、岩土的工程地质性质。【导读问题】岩土从何而来？沉睡亿年仍会说话的石头是什么东东？岩土的工程性质是先天注定的吗？岩与土为何要分家？特殊性土到底特殊在哪？,第2章岩土类型及其工程地质性质,2.1地壳及地质作用,2.1.1地壳,地壳是当前地质学的主要研究对象，构成地壳的岩土的性质和特征是工程地质学最基本的知识。,地表地形的总轮廓,塑造出各式各样的地貌,引起地壳或岩石圈，甚至地球的物质组成、内部结构和地表形态变化和发展的作用,2.1.2地质作用,2.1.3地质年代,地质年代:地球形成、发展、变化的历史年代,地质年代的确定方法,2.1.3.1绝对年代的确定,同位素的年龄,2.1.3.2相对年代的确定方法,角度不整合块状形成过程,地壳下降，接受沉积,开始发生褶皱,隆起为山,遭受侵蚀,地形夷平,地壳再次下降，接受沉积,角度不整合美国亚利桑那州大峡谷,侵入接触沉积接触侵入与沉积接触,火成岩岩与围岩接触关系,地质年代单位：指地质时期中的时间划分单位，又称“地质时间单位”。年代地层单位：各个地质年代时间段落中所形成的地层也相应划分为若干地层单位。,2.1.3.3地质年代单位及年代地层单位,地质年代表(GeologicalTimeScale)指按时代早晚顺序表示地史时期的相对地质年代和同位素年龄值的表格,2.1.3.4地质年代表,教材P12,冥古宙/HaGSSA4000Ma太古宙/ArGSSA2500Ma元古宙/PtGSSP542Ma显生宙/Ph,冥古宙太古宙元古宙,显生宙,显生宙古生代中生代新生代三叠纪侏罗纪白垩纪早、中、晚侏罗世阿林期巴柔期,5个层次,4个阶段,前寒武纪,太古界华北（片岩、片麻岩）元古界华北及长江流域（沉积砂岩灰岩白云岩等）古生界海相沉积灰岩白云岩碎屑岩中生界我国大部分为陆地新生界第三系主为陆相红色碎屑岩,2.1.3.5我国地史概况,2.2矿物,构成地壳物质的基本单元就是化学元素。矿物：在各种地质作用中所形成的天然单质元素或化合物,地壳岩石（岩石-土）矿物化学元素,角闪石,云母,岩盐,2.1.1.1单体形态（固态结晶矿物）,一向延长型两向延长型三向延长型,2.2.1矿物的形态,2.2.1.2矿物集合体形态,2.2.2.1.光学性质,（1）颜色和条痕,2.2.2矿物的物理性质,条痕是指矿物粉末的颜色用毛瓷板（没上釉的瓷板）刻划检验观察的颜色.有的矿物有好几种颜色,但条痕比较固定的.,指矿物表面对可见光的反射能力.即新鲜面上的光亮程度。根据反射能力自强而弱分为:1.金属光泽：方铅矿、黄铁矿2.半金属光泽：赤铁矿3.非金属光泽:金刚光泽:金刚石玻璃光泽：长石、石英（水晶）油脂(脂肪)光泽：滑石或石英断口丝绢光泽:纤维石膏珍珠光泽:云母土状光泽:高岭石,（2）光泽,2.2.2.2力学性质,解理:矿物受外力作用时，沿晶体格架一定方向裂破成平面的性质.裂开的平面就是解理面分级：,方解石的三组解理,1.极完全解理:,2.完全解理:,方解石,3.中等解理,长石、角闪石,4.不完全解理:,5.无解理:,石英,云母,橄榄石,（2）断口：矿物受外力打击后，形成的各种凹凸不平的不规则的断裂面,贝壳状：石英土状：高岭土、铝钒土参差、锯齿状：黄铁矿、自然铜,贝壳状,锯齿状,参差状,土状,（3）硬度,概念:矿物抵抗外力机械作用的强度。,通常以十种矿物为标准，来标定矿物相对硬度的大小，称之为摩氏硬度,肉眼鉴定,即借助些简单的工具如小刀、放大镜、条痕板等,常见矿物就其化学成分而言，绝大多数为硅酸盐，其余为氧化物、硫化物、卤化物、碳酸盐和硫酸盐等,造岩矿物,2.2.3常见矿物及其主要特征,1黄铁矿,详实验室,2.2.4常见矿物的鉴定方法,石英,长石,云母,岩石:天然产出的,具有一定结构和构造的矿物集合体。,2.3岩石成因类型及其工程地质性质,按成因分为,岩浆岩(magmaticrock),沉积岩(sedimentaryrock),变质岩(metamorphicrock),概念、形成、结构构造特征、典型岩石,2.3岩石,2.3.1岩浆岩,概念：由岩浆侵入地下或喷出地表后冷却凝结而成的岩石，又称火成岩。,2.3.1.1形成,浅色矿物:石英,正长石,斜长石,白云母;形成酸性、中性岩浆岩.,深色矿物:角闪石,辉石,橄榄石,黑云母;形成基性、超基性岩浆岩.,主要矿物:10%次要矿物：110%.,角闪石,石英,2.3.1.2物质成份,侵入岩,岩基,岩株,岩脉,岩床,喷出岩,岩被,火山锥,岩流,2.3.1.4产状,结构:是指矿物的结晶程度,颗粒大小,形状及矿物间组合方式所反应出来的特征.,按结晶程度、晶粒大小进行分类,2.3.1.5结构构造,(1)块状构造:无定向排列,各部份均匀分布，花岗岩、闪长岩;(2)流纹构造:岩石中有不同颜色的条纹,是熔岩流动时物质成份作定向排列所致.如流纹岩.(3)气孔构造:熔岩冷却时尚末逸出的气体形成大小不一的气孔.如玄武岩、安山岩(4)杏仁构造:喷出岩的气孔被后来的次生矿物所充填.,构造:岩石中矿物集合体之间或矿物集合体与岩石其它组成部分之间的排列和充填方式。,2.3.1.5结构构造,Fig-构造,气孔构造,杏仁构造,致密构造,basalt,1按形成环境和深度,(1)侵入岩,深成岩,浅成岩,(2)喷出岩,3km,2.按SiO2含量（酸度）,酸性岩65%多由浅色矿物组成中性岩:52-65%颜色较深基性岩:45-52%颜色深超基性岩:2mm）砂质（20.05）.粉砂质（0.050.005）b.按形状分(磨圆程度):园状.棱角状.结核状、鲕状c.按紧密程度分:致密的.松散的.半胶结的d按胶结物的成份：硅质、铁质、钙质泥质、石膏质胶结怎么胶结?(1),2.3.2.3结构,(1)碎屑结构,碎屑岩的胶结物：硅质强度高铁质易氧化钙质易溶解泥质易软化,胶结类型：基底式胶结(a)孔隙式胶结(b)接触式胶结(c),(a)(b)(c),碎屑岩的胶结类型,(2)泥质结构,50%以上由1m);厚层(0.5-1m);中厚层(0.1-0.5m);薄层(0.1m),产状类型,正常.夹层.变薄.尖灭.透镜体.互层.,(2)层面构造,在现代河床、湖滨、海滩以及干旱地区的沙丘表面上，常形成一种由流水、波浪、潮汐、风力作用产生的波浪状构造，称为波痕。,干裂在现代河滩、湖滨、海边等泥质沉积物上，常可见到多角形的裂纹，称为干裂，又称泥裂。干裂常指示海滨、河床、湖滨等浅水环境及阳光充足的干燥气候条件。,层面构造波痕,层面构造干裂,在沙丘间低洼地上沉积的富黏土沉积物形成了21cm干裂。裂缝被风吹来的沙所充填。美国加州死谷，据RaymondSiever,(3)结核构造,石灰岩中常见的燧石结核,出露地表,动物死亡,迅速掩埋,成分置换,（4）生物构造,2.3.2.5沉积岩的分类,沉积岩分类简表,2.3.2.6常见的沉积岩1）碎屑岩,砾岩,红色砂岩，由于肉红色钾长石而呈红色,变质作用的因素：,（1）高温（岩浆、地壳深处、构造运动的热）-重结晶、化学反应如石灰岩大理岩（重结晶）（2）高压（上覆岩层的压力、构造运动或岩浆活动的挤压力）-如石榴子石（3）新的化学成分的加入（热液和挥发性气体）-产生新的变质矿物,2.3.3变质岩,2.3.3.1概念地壳中原来的岩石，由于地壳运动和岩浆活动等的影响，在高温、高压及化学活动性很强的气体和液体作用后，在固体状态下，导致原来岩石的矿物成分、结构和构造发生一系列变化而形成的新岩石。,（1）接触变质作用在岩浆岩体与围岩接触带上，主要由岩浆活动所带来的热量及活动性流体所引起的变质作用。,2.3.3.2变质作用的类型及代表性岩石,代表性岩石有大理岩、石英岩等。,（2）动力变质作用指在构造变形、变位过程中所产生的定向压力的作用下，使岩石发生变形、破碎以及伴随的重结晶等作用。主要发生在相邻的两个岩石块体之间发生相对错动的接触面附近。,如糜棱岩中保留了挤压和扭曲的痕迹,（3）区域变质作用在大区域范围内发生，并由温度、压力及化学活动性很强的流体等多种因素，共同引起的一种变质作用。区域变质作用影响的范围可达数千至数万km以上，影响深度可达30km以上，温度在200-800之间。,岩石圈,洋壳,大陆壳,低温高压带,高温低压带,高温高压带,代表性岩石有板岩、千枚岩、片岩等,1、变质矿物,石榴子石、绿泥石、蛇纹石、滑石,蛇纹石,2、一般矿物石英、钾长石、钠长石、白云母、黑云母等。,2.3.3.3变质岩的成分,变余砾状结构,变余砂状结构,1)变余结构:变质岩中残留有原岩的结构,变质作用不彻底,2.3.3.4变质岩的结构构造,(1)结构,斑状变晶结构,2)变晶结构:是原岩在固态条件下发生重新结晶形成的结构,碎裂结构,糜棱结构,3)碎裂结构:在定向压力影响下，使岩石中的矿物颗粒发生弯曲、破裂、断开，甚至研磨成细小的碎屑或岩粉被胶结而成的结构。,（2）变质岩的构造,1）片理构造指岩石中矿物定向排列所显示的构造，是变质岩中最常见、最具有特征性的构造。片麻状、片状、千枚状板状、条带状构造2）块状构造岩石中矿物颗粒无定向排列所表现的均一构造。,片麻状构造,板状构造,（2）变质岩的构造,3）眼球状构造指混合岩化过程中，外来物质沿着片状、片麻状岩石注入时形成眼球状或透镜状的团块，断续分布，常有定向排列，当此眼球含量增多时，可成串珠状断续连接，并逐步过渡为条带状构造。,眼球状花岗片麻岩,大眼瞪小眼,2.3.3.5分类,2.3.3.6常见的变质岩及其主要特征,2.3.4常见岩石的鉴别方法,岩浆岩的鉴别方法先看颜色,再看结构和构造,然后看矿物成分。沉积岩的鉴别方法先看结构,再看成分。变质岩的鉴别方法先看构造,再看成分。,三大岩类,1岩浆岩：,（1）颜色（2）结构和构造（3）主要矿物成分确定名称,2沉积岩：,（1）碎屑岩粒径大小（区分砾岩、砂岩、粉砂岩）胶结物的性质、主要矿物成分（区别亚类）（2）粘土岩页岩和泥岩两种，有共性，但页岩层理明显。（3）化学生物岩对稀盐酸的反应不同，石灰岩（强烈起泡）、白云岩（不）和泥灰岩（会起泡，但泡沫混浊）,3变质岩,（区别出片理、块状构造两类）片理特征及主要矿物成分。,岩浆岩:是原生的沉积岩:可由岩浆岩.变质岩.沉积岩破坏后形成.变质岩:由三种岩石变质后形成,可多次变质形成.,2.3.5岩石的工程地质性质,2.3.5.1岩石的工程地质性质,（1）岩石的物理性质密度、相对密度、孔隙性,（2）岩石的水理性质透水性、溶解性、软化性、抗冻性,（3）力学性质,1.岩石的变形：（1）弹性模量（2）变形模量（3）泊松比2.岩石的强度：(1)抗压强度:岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力.(2)抗剪强度:岩石抵抗剪切破坏的能力.(3)抗拉强度:岩石在单向拉伸时抵抗拉断破坏的能力.,2.3.5.2影响岩石的工程地质性质的因素,矿物成分(密度、硬度）结构（结晶联结、胶接物联结）构造（均匀性、连续性）水（削弱矿物颗粒联结）风化（岩石崩解，强度和稳定性降低）,（一）火成岩深成岩结晶联结，晶粒粗大均匀，强度高，透水性弱由多种矿物组成，抗风化能力。浅成岩中细晶质和隐晶质结构的岩石透水性弱，强度高，抗风化能力较深成岩强，斑状结构岩石透水性或力学强度变化较大喷出岩多为隐晶质和玻璃质结构，强度高。具气孔结构、流纹结构及发育原生节理，在水平和垂直方向上岩性不均匀，强度变化大。,2.3.5.3三大岩类的工程地质性质概述,（二）沉积岩碎屑岩性质取决于胶结物成分、胶结物成分和碎屑物成分。粘土岩强度低，易软化，抗风化能力弱。透水性弱可作隔水层。化学岩和生物化学岩致密，强度较高。具不同程度可溶性（岩溶）。（三）变质岩具牢固的结晶结构，力学强度高，抗水性强，透水性弱，片理构造使联结减弱，力学性质个向异性，强度降低。,课堂作业：三大类岩石特征对比,工程中岩石的描述包括地质年代、地质名称、风化程度、颜色、主要矿物、结构、构造和岩石质量指标。地质分类主要根据是岩石地质成因，矿物成份、结构构造和风化程度，可以用地质名称加风化程度表达，如强风化花岗岩、微风化砂岩等。工程分类主要根据岩石的工程性状，使工程师建立起明确的工程特性概念。,2.3.5.4岩石的工程分类,2.3.5.4岩石的工程分类,2.4风化岩,暴露于地表的岩石结构、构造乃至化学成分将会发生变化风化壳风化岩土残积土。,2.4.1风化岩的定义,风化,风化作用,风化残留物,2.4.2.1物理风化作用,2.4.1形成风化岩的作用类型,概念：岩石发生物理疏松崩解等机械破坏的过程，一般不引起化学成分的改变，破坏只使岩石由大块变为小块，再变成细砂，粉砂，最后变成土体。,（1）温度风化（热力风化作用）因温度变化引起岩石体积发生膨胀与收缩作用,(2)冻融风化,冰劈（楔）作用,水化作用氧化作用水解作用溶解作用,2.4.2化学风化作用,概念:位于地表的岩石矿物在水、大气、生物的相互作用下，发生氧化、溶解、水解、水化等一系列化学反应，因而改变了岩石的物理性质和化学成分，甚至形成新的矿物，破坏岩石原来的结构，使岩石疏松甚至逐渐变成松散的土层。,吸收水分作为自己的组成部分形成含水的新矿物水化作用,硬石膏,石膏,(1)水化作用,CaSO4,CaSO42H2O,(2)氧化作用,矿物中的低价元素与大气中的游离氧化合变为高价元素的作用，称为氧化作用。,黄铁矿(FeS2),褐铁矿(Fe2O32H2O),(3)水解作用,指矿物与水的成分起化学作用形成新的化合物。,正长石(KALSi3O8)高岭石(AL2O32SiO2H2O)、石英(SiO2)和氢氧化钾(KOH),KAlSi308+2CO2+4H2OAl4(Si4O10)OH8+2K2CO3+8SiO2。(正长石)(高岭石)(碳酸钾)(石英),碳酸盐化作用,(4)溶解作用,水直接溶解岩石中矿物的作用称为溶解作用。,卤化盐类(岩盐，钾盐),硫酸盐类(石膏，硬石膏),碳酸盐类(石灰岩，白云岩),强,弱,植物和细菌在新陈代谢过程中,动、植物死后遗体腐烂,有机酸、碳酸、,硝酸和氢氧化铵等,腐殖质、有机酸和气体,2.4.2.3生物风化作用,地形地貌因素（高度、坡度、切割程度）,地质因素（矿物、结构、构造）,气候因素（气温变化、降水、生物）,2.4.3岩石风化的影响因素,花岗岩石碑、大理岩石碑哪个抗风化能力强些？,2.4.4岩石风化程度划分,岩石按风化程度分类,2.4.5风化岩的工程性质及处治措施,物理力学性质都随风化程度加深而降低,成分的不均匀性、产状和厚度的不规则性也随风化程度不同而增大,地基承载力愈低，岩石的边坡愈不稳定,处治措施,工程性质,（1）清除（挖除）（2）护面隔绝（3）胶结灌浆（4）排水（5）探槽观测（6）风化厚度预留,岩石风化的工程防治图,2.5土的类型及其工程地质性质,土从何而来？,地表岩石风化,残留搬运,沉积,详后续课程土力学,2.5.1土的物理力学性质及工程分类,土粒粒组的划分,2.5.1.2土的物理性质,土的三相组成物质在数量上的关系和相互作用决定土的物理力学性质。土的物理性质包括土的重量、含水性及孔隙性等。,2.5.1.2土的水理性质,（1）黏性土的稠度液限(WL)、塑限(WP)、以及塑性指数(IP)和液性指数(IL),粘性土的稠度状态的变化是由于土中含水量的变化而引起的，粘性土由一种稠度状态转变为另一种稠度状态，相应于转变点（临界点）的含水量称为稠度界限（界限含水量）。工程上常用的有塑性界限和液性界限。,2.5.1.2土的水理性质,（2）黏性土的抗水性黏性土的抗水性是指黏性土受水发生胀缩、崩解的程度，反映了黏性土抵抗因水而变形破坏的能力。（3）土的渗透性和毛细性2.5.1.4土的力学性质土的力学性质包括土的强度性质及变形性质，分别由土的抗剪性及压缩性来表示,2.5.2土类及工程性质,一般分类专门分类,碎石土是指粒径大于2mm的颗粒含超过全重50%的土.工程地质特征:单粒结构,颗粒间无连结，孔隙率大，透水性强，压缩性小，内摩擦角大，地基强度高,1.碎石土,砂土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%，粒径0.075mm颗粒超过全重50%的土。工程地质特征：颗粒间无连结，散粒结构，孔隙率中等，透水性强，压缩性小，内摩擦角，地基强度(中、粗砂较好,细、粉砂较差),2.砂土,地基土的分类,3粉土粉土是指塑性指数Ip=0.075mm的颗粒含量不超过全重50%的土。工程地质特征：介于于砂土与粘性土之间.4.粘性土粘性土是指塑性指数Ip10的土(粉质黏土(1017)工程地质特征：有粘性，透水性小，压缩性大，软硬状态随含水量变化而变化，有胀缩性,2.5.2.4混合土,粗细粒混杂的土，其中细粒含量较多。这种土如按颗粒组成分类，可定为砂土甚至碎石土，而其可通过0.05mm筛后的数量较多又可进行可塑性试验，按其塑性指数又可视为粉土或黏性土。,特殊土是指某些具有特殊物质成分和结构、工程性质也较特殊的土。是在一定的条件下形成的，其分布有明显的区域性特征。,2.6特殊性土的工程地质性质,西北、华北干旱气候区的黄土沿海及内陆静水沉积的软土高纬度、高海拔寒冷气候区的冻土西南亚热带湿热气候条件下的红黏土南方和中南地区的膨胀土西北、华北干旱气候区的盐渍土各地人类工程活动的人工填土,特殊性土的种类有,是干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物。分布:我国西北及华北地区,面积约63万km2。,2.61黄土,黄土分类：按成因分：原生黄土和次生黄土按形成年代分：老黄土和新黄土按湿陷性分：湿陷性黄土和非湿陷性黄土,特征：以粉粒为主，富含碳酸钙，肉眼可见大孔隙，垂直节理发育，常呈现直立的天然边坡。,工程特性：塑性较弱含水较少，坚硬硬塑状态压实程度差，孔隙比高，孔隙大抗水性弱，遇水强烈崩解，湿陷明显透水性较强，且呈各向异性强度较高，粒间连接较强，压缩性中等。,黄土湿陷性(collapsibility)：在一定压力下受水浸润后,结构迅速破坏而产生显著沉陷的性质。湿陷系数s：由室内浸水压缩试验测得的黄土样在某种规定压力下的湿陷量与土样原始高度的比值。s0.015为湿陷性黄土。湿陷类型：自重湿陷与非自重湿陷。实测或计算自重湿陷量7cm时,为自重湿陷性黄土场地。湿陷起始压力:开始出现明显湿陷的压力。,黄土茆区土流失,软土泛指天然孔隙比大于或等于1.0，天然含水量大于液限，含有较多有机质，且疏松多孔的细粒土，软土生成于缓慢流动的流水环境和静水环境。,2.6.2软土,分类,工程特性：含水量高，天然含水量液限，软塑流塑状态。透水性低，水平向渗透系数较大。压缩性大，强度低，欠压密状态。显著的蠕变和触变性(高灵敏度)。蠕变：在一定荷载下，土的剪切变形随时间增长的特性。触变：土受扰动后强度降