工程地质学(电子版)

1、绪论 讲授自然动力及人类活动引起有关物理地质现象方面的基础知识，以及 从工程地质角度研究这些动力地质现象的基本方法；通过本课程的学习，具备解决某些重大工程地质实际问题的初步能力； 本课程的应用性很强，要求学生尽可能紧密联系工程实践进行学习。1、工程地质学概论 . 李智毅，杨裕云 . 中国地质大学出版社。2、工程地质分析原理 . 张倬元，地质出版社3、工程地质学基础 . 李智毅，王智济，杨裕云 . 中国地质大学出版社4、专门工程地质学 . 张咸恭，李智毅，郑达辉，李日国 . 地质出版社5、岩体结构力学 . 孙广忠 . 科学出版社6、工程地质数值模拟的理论与方法 . 唐辉明，晏鄂川， 胡新丽. 中

2、国地 质大学出版社人类工程活动与地质环境的相互关系 地质环境对工程活动的制约关系工程建筑的稳定和正常使用 工程活动的安全 工程造价工程活动对地质环境的影响 工程活动规模愈大，地质环境的变化愈大。总之，地质环境和工程活动之间是相互联系相互制约的， 其表现形式多种多 样。工程地质学的研究对象 工程地质条件 ：与工程建筑有关的地质要素的综合，包括地层岩性、地质 构造、地貌、水文地质条件、自然地质现象和天然建筑材料等方面。I 地层岩性：工程地质条件的最基本要素， 任何建筑物都脱离不开土体或岩体。 岩土的类型不同，其性质有很大差别，工程意义大不一样。n地形地貌：地形地貌对建筑场地的选择，特别是线性建筑线

3、路方案的选择意义重大， 如 能合理利用地形地貌条件，不但能大量节约投资，而且对建筑群中各种建筑物的 布局和建筑物的型式、规模及施工条件也有直接影响。地形地貌还能反映地区的地质结构和水文地质结构特征。川地质结构：包括地质构造、岩土单元的组合关系及各类结构面的性质和空间分布。IV水文地质条件：对工程有影响的因素是：地下水类型，地下水位及其变动幅度，含水层和隔 水层的分布及组合关系，各自的厚度，土层或岩层渗透性的强弱及其渗透系数， 富水性，承压含水层的特征及水头。V物理地质现象指对工程建设有影响的自然地质作用和现象。地壳表层经常处于内动力地质 作用和外动力地质作用的强烈影响之下， 对建筑物造成威胁和

4、破坏，其规模常巨 大，甚至是区域性的。W天然建筑材料指土和岩石。要尽可能的“就地取材”。研究岩土体的工程性质及其在自然或人类活动影响下的变化是工程岩土学 的基本任务。工程地质问题：工程活动与地质环境相互制约的一些主要形势。分析这些问题产生的地质条件、力学机制及其发展演化规律，以便正确评价 和有效防治它们的不良影响，是工程地质学另一专门分支 工程地质学的基本任 务。查明工程地质条件并研究查明工程地质条件的方法和手段是工程地质勘察的基本任务。I 阐明建筑地区的工程地质条件，并指出对建筑物有利和不利的因素；n 论证建筑物所存在的工程地质问题， 进行定性和定量的评价，作出确切 结论；川选择地质条件优良

5、的建筑场地，并根据场地工程地质条件对建筑物配置 提出建议；IV研究工程建筑物兴建后对地质环境的影响，预测其发展演化趋势，提出 利用和保护地质环境的对策和措施；V根据所选定地点的工程地质条件和存在的工程地质问题，提出有关建筑 物类型、规模、结构和施工方法的合理建议， 以及保证建筑物正常施工和使用所 应注意的地质要求；W为拟定改善和防治不良地质作用的措施方案提供地质依据。 工程地质学的学科性质和任务研究地质环境与人类工程活动之间的相互关系，以便 科学评价、合理利用 、 有效改造 和妥善保护 地质环境的科学； 是地质学与工程学的边缘学科， 是地质学 的一个分支。工程地质学的特点是始终与工程实践紧密联

6、系。 工程地质学的分科岩土工程地质性质的研究 工程动力地质作用的研究 工程地质勘察理论和技术方法的研究 区域工程地质的研究环境工程地质性质的研究Vajont 水库滑坡1963 年 10 月夜间发生在意大利北部山区的 Vajont 水库，被公认为是世界 上最严重的滑坡灾害。该水库库容 10 亿立方米，坝高 267米，是当时世界上最 高的双曲拱坝。水库蓄水造成水库岸坡地下水位相应提高， 地质环境发生急剧变化， 亿立方米的石灰岩山体以20M/S以上的速度滑入水库，最大涌浪高度 250M越过坝顶 高度达150M库水迅速猛泻向下游。洪水摧毁了下游数公里以内的5个村庄，2600人在梦中死亡。该水库也因滑坡

7、填入而报废。Vaj ont水库滑坡Vajo nt滑坡地质剖面北京地面沉降2004年底，北京平原已形成五个地面沉降区东郊八里庄一一大郊亭（722mm东北郊来广营（565mm昌平沙河八仙庄（688mm 大兴榆垡一一礼贤（661mm顺义平各庄（250mm）北京地面沉降危害对建筑物的破坏和影响。形成地裂缝，直接或间接恶化环境。对地下水井设施的影响。造成地面水准点水准。影响建筑物抗震能力，致使地震灾害加重。 洪涝灾害加剧，防洪排涝工程效能降低。地面沉降是 缓发性 的地质灾害，灾后恢复工作很难界定。 工程地质分析的基本方法自然历史分析法（定性） 工程地质学最基本的一种研究方法，是其它研究方法的基础。 数学

8、力学分析法（定量）数学、力学与地质学的结合， 将工程地质分析定量化， 是工程评价的定量依 据。模型模拟试验法（定量 +定性）研究自然地质作用的规律， 再现工程地质问题产生发展的全过程， 揭示其发 生的力学机制。工程地质学的内容岩土工程地质性质研究土的物质组成、结构、构造；土的物理性质、力学性质；各类土的工程地质特征； 岩石的工程地质性质； 岩体的工程地质性质及岩体工程分类。工程动力地质作用研究活断层和地震工程地质研究；斜坡变形破坏工程地质研究； 岩溶工程地质研究； 泥石流工程地质研究；河流侵蚀和淤积的工程地质研究。工程地质学的学习方法在学习书本基础知识的同时， 应广泛查阅相关的文章， 参考具体

9、的工程地质 实例，学习其所采取分析方法、 治理措施等， 掌握对各种工程动力地质作用分析 研究的思路和方法，能够用来解决实际问题。本课程以讲授为主，同时辅以必要的习题、作业。考虑学时的限制，同学们 也可以自学。第一章 土的物质组成与结构、构造土： 由固体颗粒以及颗粒间孔隙中的水和气体组成的一多相、分散多孔的系统。土层： 土具有成层特征，同一层内土的物质组成和结构、构造基本一致，工程地质性质亦大体相同。土体： 由性质各异、厚薄不等的若干土层，以特定的上、下次序组合在一起。1 土的粒度成分粒径和粒组的划分粒径：土颗粒的直径大小（mr）粒组：指粒径在一定区段内其成分及性质相似的土粒组别。划分原则（1

10、）首先考虑到在一定的粒径变化范围内，其工程地质性质是相似的，若超越了这个变化 幅度就要引起质的变化。（2）要考虑与目前粒度成分的测定技术相适应粒组统称粒组名称粒径d范围（mr）分析方法主要特征巨粒漂石（块石）粒d200直接透水性很大，压缩性极卵石（碎石）粒60dw200测定小，颗粒间无粘结，无毛细性。砾粗砾20dw60筛粒细砾2d w 20透水性大，压缩性小，无 粘性，有一定毛细性。粗粒砂粒粗砂dw 2分中砂dw法细砂dw细粒粉粒dw静水沉降原理透水性小，压缩性中等， 毛细上升高度大，微粘性。粘粒d w透水性极弱，压缩性变化 大，具粘性和可塑性。粒度成分的测定土的粒度成分：指土中各个粒组的相对

11、百分含量，通常用各粒组占土粒总质量的百分数表示。目的：进行土粒度成分分类，大致判断土的工程地质性质 方法：筛分法、静水沉降法。粒度成分的表示方法分累积曲线法图解法分布曲线法表示方法三角图法表格法不均匀系数:Cud60d10Cu越大，曲线越平缓，粒径分布越不均匀。曲率系数:Ccd3o（d6o dp）Cc3，中间颗粒偏多，小粒径颗粒偏少。级配良好的土 Cu 5 且Cc=13土按粒度成分的分类砾粒起骨架作用，砂粒、粉粒起充填作用，粘粒起胶结作用。土的粒度不同，其性质差异较大，土的工程地质性质在某种程度上可以认为是各粒组性 质的综合表现。粒度成分的分类多种多样，我国各建设部门按其工程建筑特点，各拟定了

12、本部门的粒度分类，至今没有完全统一的通用分类。通常，粒度分类以两个粒径界限值将土粒分为三大组：巨粒土和含巨粒的土、 粗粒土、细粒土。各粒组含量/ %土的名称巨粒组60mm粗粒 600.075mm砾粒602mm细粒巨粒土和含巨粒土巨粒土75 100? ?吨? ?琰茞? ? ?吨? ?吨? ?琰茞? ? ? ?琰茞?UUU混合巨粒土50 75? ?吨? ?琰茞? ?U? ?吨? ?琰茞? ?U? ?吨? ?琰茞?U含巨粒的混合土15 50? ?吨? ?琰茞? ?U? ?吨? ?琰茞? ?U? ?吨? ?琰茞?U粗粒土砾类土50? ?吨? ?琰茞?U砂类土1550 10050? ?吨? ?琰茞?U细

13、粒土含砂细粒土1525 5025 5050 75粉质细粒土15252重量（N）02. 三种土的土颗粒级配分布曲线如下图所示，回答下列说法哪些是正确的1）A的不均匀系数比 B大；2）A的有效粒径比B大；3）C所含的粘粒百分率最多。3. 从干土样中称取1000g的试样，经标准筛充分过筛后称得各级筛上留下来的土 粒质量如下表所示。试求土中各粒组的质量的百分含量与小于各级筛孔径的质量累积百分 含量。筛分析试验结果筛孔径（mr）底盘各级筛上的土粒质量（g）100100250350100100 2 土的矿物成分土的矿物成分原生矿物次生矿物有机质石英、长石、云母等粘土矿物无定形氧化物胶体可溶盐原生矿物 是岩

14、石经物理风化破碎但成分没有发生变化的矿物碎屑。原生矿物颗粒一般都较粗大，它们主要存在于卵、砾、砂、粉各粒组中。次生矿物是原生矿物在一定气候条件下经化学风化作用，使其进一步分解而形成一些颗粒更细小的新矿物。粘土矿物是主要的次生矿物，是组成粘粒的主要矿物成分。粘土矿物中分布较广且对土性质影响较大的是蒙脱石 、高岭石 和伊利石 （或水云母 ） 三种。高岭石 晶层之间连结牢固，水不能自由渗入，故其亲水性差，可塑性低，胀缩性弱；蒙脱石 则反之，晶胞之间连结微弱，活动自由，亲水性强，胀缩性亦强； 伊利石（水云母） 的性质介于二者之间。亲水性 ：蒙脱石 伊利石 高岭石矿物成分与粒度成分的关系粒径大于 0.0

15、75mm 的各粒组，均由原生矿物所构成 ，其中漂石粒、卵石粒、砾粒，其 粒径往往大于矿物颗粒，多数是由母岩碎屑构成，一般具有的多矿物结构， 砂粒与原生矿物颗粒大小近似，往往是由单矿物组成，以石英最为常见。 粉粒组由原生矿物与次生矿物混合组成 ，其中以石英为主，其次为高岭石及难溶盐。 粘粒组主要由不可溶性次生矿物与腐植质组成 ，有时也含难溶盐， 其中粘土矿物是最 常见的矿物。 3 土中的水和气体土中水的基本类型与特征矿物成分水结构水：以H+和OH-的形式存在于矿物结晶格架的固定位置上。结晶水： 以分子形式和一定数量存在于矿物结晶格架固定位置上。沸石水： 以分子形式不定量地存在于矿物相邻晶胞之间。

16、孔隙中的水固态重力水自由水毛细水液态孔隙中的水强结合水结合水弱结合水气 态 粘性土的性质土体中的气体 ：要为 O2、CO2 、 N2 土粒对气体的吸附强度： CO2 N 2O2 H2 吸附气体气体按存在的状态分为 游离气体密闭气体 4 土中的结构和构造土的结构 ：在一定土体中，结构相对均一的土层单元体的形态和组合特征 , 称为土的构造。 它包括土层单元体的大小，形态，排列和相互关系等方面。土粒间的连接关系按水的类型分为：结合水连结：通过结合水膜将相邻土粒连结起来的形式。 毛细水连结：相邻土粒由毛细压力作用形成的连结。 胶结连结：由于土中某些盐类结晶将土粒胶结起来的连结。 冰连结：冰土的暂时性连

17、结，融化后即失去这种连结。土的结构类型巨粒土及粗粒土的结构类型 生成时重力起主要作用，颗粒之间以机械作用为主。 细粒土的结构类型蜂窝状结构均粒团聚结构类型 架状结构非均粒团聚结构土的构造土的构造：在一定土体中，结构相对均一的土层单元体的形态和组合特征 造。它包括土层单元体的大小，形态，排列和相互关系等方面。,称为土的构类型层状构造分散构造结核状构造裂隙状构造第二章 土的物理性质概 念所谓土的物理性质就是表示土中三相比例关系的一些物理量。 土的物理性质指标不仅可以描述土的物理性质和它所处的状态, 了土的力学性质。土的物理性质指标的分类而且在一定程度上反映一类是必须通过试验测定的，如含水率、密度和

18、土粒比重，称为直接指标;一类是根据直接指标换算的，如孔隙比、孔隙率、饱和度等，称为间接指标 1 土的基本物理性质?为便于说明这些物理性质指标的定义和它们的换算关系, 常用三相图表示土体内三相的相对含量。气体 mV: 土的总体积（cm3）Vs: 土中固体颗粒的体积Vv: 土中孔隙的体积Vw： 土中水的体积（cm3）Va: 土中气体的体积M: 土的总质量（g）Ms: 土的固体颗粒的质量Mw: 土中水的质量（g）Ma: 土中空气的质量（g）试验直接测定的物理性质指标土粒密度P s和土的比重 Gs土粒密度 比重定义： 单位体积土粒的质量，用P S表示单位： Mg/m 3 或 g/cm 3msVs定义：

19、土的质量（或重量）与同体积4 C时纯水的质量之比（无因次）GsmsVsGsms gVs土的比重Gs?测定方法：比重瓶法，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量然后把烘干土若干克（ms）装入空比重瓶内，再加纯水至满，称瓶加水加土的质量m2,按下式计算土粒比重Gsmsm1 ms m2土的密度P和容重丫测定方法：环刀法干密度Pd干容重Yd定义：单位体积内土粒的质量或重量表达式：m sdVm sggdVd干密度p d干容重y d土烘干，体积要减小，因而土的干密度不等于烘干土的密度。土的干密度或干容重是评价土密实程度的指标，干密度或干容重越大表明土越密实，反之越疏松。常用它来控制填土工程的施工质量。各种密

20、度之间的比较satd土的含水率测定方法：烘干法先称出天然湿土的质量，然后放在烘箱里，在100105 C下烘干，称干土的质量。eennVV vS rS rVvVsV wV v表达式:定义：土中孔隙的体积与土粒的体积之比，以小数表示间接换算的物理性质指标 土的孔隙比土中孔隙率定义:土中的孔隙的体积与土的总体积之比，以百分数表示表达式:100 %土的饱和度定义:土中孔隙水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示表达式:100 %孔隙 比与 孔隙 率的 关系物理性质指标间的换算常用的物理性质指标共有 9个，一般说，已知其中任意 3个，通过换算，可以求其余 6个。Vven V 1 ene1 n干密度与湿密度和

21、含水率的关系浮密度与比重和孔隙比的关系砂土的密实性密实程度描述：松、密Dremaxe指标：相对密实度emaxemin(Relative Den sity)密实程度疏松的中密的密实的相对密度0Dr DrWDrW 1密实度松散稍密中密密实N值N 1010N1515N30习 题标准贯入试验锤重：63.5kg落距：760mm打入深度：300mm标准贯入数 N 63.51*1舒准供人试验设备I 穿心樓4込评年M 3-齢挾杆暈4Iff人熬工孑5-岀水孑1_：1 6 ill悶于圆形竹井合向臧航人详务卩一贡人器臥1.某地基土试验中，测得土的干重度丫d=m3,含水量3 =%，土粒比重Gs=。求：该土的孔隙比e、

22、孔隙度n及饱和度S r。2.某地基土样数据如下：环刀体积为60cm3,湿土质量 0.1204kg，土质量 0.0992kg ,土粒相对密度为，试计算：天然含水量3,天然重度丫，干重度丫d,孔隙比e。3.测得砂土的天然重度丫= m3,含水量3= %比重ds =，最小孔隙比emin =，最大孔 隙比ema)=，试求砂土的相对密度Dr。4.某工程勘察中，取原状土60cm3,重99.15g，烘干后重78.05g，比重，求此土的孔隙比饱和度。V 2 细粒土的稠度和可塑性Vs+V aVsOwswPw L缩限塑限液限阿太堡界限(Atterberg limit)弱结合水自由水可塑态塑性指数 液性指数细粒土的可

23、塑性表示土处于可塑状态的含水率变化范围表达式：Ip WL WpIp愈大，说明细粒土可塑性愈强为了说明细粒土的稠度状态。表达式:W WpLWl WpWWp液性指数I L三00 I Lw 0.250.25 I Lw 0.750.751稠度状态坚硬硬塑可塑软塑流塑p塑性图及其对细粒土的分类fiOA线：I r _=0.73 (ivz20)H我：50%.CH/ClFIOCLClqMHMHOf厂07.JCL-ML,FTMLO-40WLc粘土M粉土H高液限L低液限O有机土习 题1. 已知某地基土试样有关数据如下：天然重度丫= m3;干重度丫 d= m3。液限试验，取湿土 14.5g ,烘干后重10.3g。搓

24、条试验：取湿土条5.2g ,烘干后重4.1g ,求： 确定土的天然含水量，塑性指数和液性指数；（2）确定土的名称和状态。2.从甲、乙两地土层中各取出土样进行试验，液限3L=40% 塑限3 p=25%但甲地的天状态。=18%3.已知某软土地基的天然含水量3=40%塑限、液限试验测得：3L=35%lp=17%。使用塑性图法对它们进行分类、并定出土的名称。 3细粒土的胀缩性和崩解性细粒土的胀缩性基本概念膨胀性：细粒土由于含水率增加而发生体积增大的性能。收缩性：由于土中失去水分而体积缩小的性能。产生膨胀的原因：土粒表面结合水膜厚度增加，弱结合水含量增加。 土体的胀缩性降低了土体的强度，弓I起土体变形，从而影响建筑物的安全。表征膨胀性的指标?自由膨胀率 ：人工制备的干土，在水中增加的体积与原体积的比。efV weV 0Vo100%?膨胀率：土样在一定压力下，浸水膨胀稳定后所增加的体积 与原体积之比。（室内无侧胀膨胀仪）。ephwhh100%?膨胀力：土样的体积不变时，由于浸水膨胀产生的最大内应 力。表征收缩性的指标?体缩率：土样收缩减小的体积与收缩前体积的比值。Vo VdVo100 %?线缩率：土样收缩后的高度减小量与原高度之比。ho hho100 %1 %时的?收缩系数 ：原状土样在直