工程地质学与水文地质学讲义

§1绪论朮教学目标：使学生掌握工程地质学与水文地质学的基本概念，了解它们在地质学学科中的地位，了解它们的主要研究内容及研究意义。遵重点、难点及解决办法：地质学各分支学科的关系，通过引入具体工程实践问题，针对各分支学科研究内容及解决实际问题的不同，加深对基本概念的理解。朮教学内容§1.1地球科学、地质学、工程地质学与水文地质学——提问：让学生回忆中学时所学地质学知识，谈谈自己对地质学的认识？（如基本的地质现象，著名地质学家的认识等等）一、地球科学与地质学概念1、地球科学：简称地学，是人类认识、利用和改造人类目前唯一生存环境的关于地球的基础科学。它包括了地理学、天文学、气象学、海洋学、生态学和地质学等多个分支学科。2、地质学：一门研究地球的科学，目前主要研究固体地球的上层，即地壳和地幔的上部。（简单介绍地球的形状及特点，包括形状、大小、形成时间）二、工程地质学与水文地质学的概念及研究对象对工程地质学与水文地质学的发展历史进行简要介绍1、 工程地质学：是介于地学与工程学之间的一门边缘交叉学科，它是一门研究与工程建设有关的地质问题的学科。——目的就是使工程建筑与地质环境互相协调，既要保证工程建筑安全可靠、经济合理、运行正常，又要保证地质环境不会因工程的兴建而恶化，造成对工程建筑本身以及周围环境的危害。——————对地质工程与工程地质的区别要进行必要介绍2、 水文地质学：是研究地下水的科学，它研究地下水在周围环境（岩石圈、大气圈、水圈、生物圈以及人类活动）影响下，数量和质量在时间和空间上的变化规律，并在此基础上，研究如何应用这一规律有效地利用地下水和调节地下水以兴利避害。“找水”一＞“地下水资源”一“水与环境”——工程地质学和水文地质学是地质学的分之学科，研究的是地质学的应用问题。介绍相关的水文地质灾害问题（注重故事性，避免纯粹的专业问题，提高学生学习兴趣）§1.2工程地质条件与工程地质问题一、工程地质条件1、定义：与工程建筑有关的地质要素之综合，包括地形地貌条件、岩土类型及其工程地质性质、地质构造与地应力、水文地质条件、物理（自然）地质现象、以及天然建筑材料等六个要素。2、工程地质条件是一个综合的概念，任何一个单一要素，或单独一两个要素不能称之为工程地质条件。一地的工程地质条件各要素之是相互联系、相互制约的，这是因为它们受着同一地质发展历史的控制，形成一定的组合模式。——认识工程地质条件必须从基础地质入手，了解地区的地质发展历史，各要素的特征及其组合的规律性二、工程地质问题1、定义：工程建筑与工程地质条件（地质环境）相互作用、相互制约引起的，对建筑本身的顺利施工和正常运行或对周围环境可能产生影响的地质问题称之为工程地质问题。2、工程地质评价，工程地质结论，处理措施方案都是通过工程地质问题分析才能得出，可以说工程地质问题分析是工程地质工作的中心环节。3、工程地质问题要“吃透两头”：一头是“工程意图”，即工程设计人员对建筑物的机构和规模的构想，以便了解工程的要求；另一头是工程地质条件，哪些因素是有利的，哪些是不利的，深刻认识客观情况。4、各类建筑物的结构型式不同，其工作条件和工程作用力的大小方向不同，与地质环境的相互作用的特点亦不同，因为各有其工程地质问题。§1.3工程地质学的任务与实际意义一、工程地质学的任务：1、为工程建设进行地质研究，提供工程规划、设计、施工所需的地质资料，回答工程上所遇到的各种地质问题，满足工程上对地质的要求，以保证建筑物的安全可靠、经济合理、运行正常。2、施工之前必须先进行设计，设计之前必须先进行勘察，而勘察是贯穿于整个工程的。3、要完成工程地质学的基本任务，还需通过下列具体勘察任务：（1）研究建筑地区的工程地质条件，指出有利因素和不利因素，阐明工程地质条件特征及其变化规律；（2）分析存在的工程地质问题，做出定性分析，并在此基础上进行定量分析；（3）选择地质条件较为优越的建筑场地；（4）对选定的建筑场地做出工程地质评价；（5）预测工程兴建后对周围地质环境造成的影响，做出环境质量评价；（6）改造地质环境，进行工程地质处理，提高岩土体稳定性，保护环境质量。二、工程地质学的实际意义工程建筑的最基本要求就是安全可靠，不受破坏，看几个实例：1、美国加利福尼亚州的圣弗朗西斯坝为一高70米的混凝土坝，修成蓄水两年，于1928年被冲垮。原因就是坝基部分存在泥质胶结的并含有石膏脉的砾石，遇水易受溶蚀崩解，成为坝基的弱点。如果做好地质工作，弱点是可以查清的，也可以避免悲剧的发生———岩体稳定性问题。2、我国有一个工厂修建的很好，但是由于工程地质勘察工作做的不够，整个工厂位于滑坡上，建厂后滑坡活动加剧，建筑物受到破坏，无法正常生产。（用图说明）♦布置书后作业♦参考教材：《普通地质学》，1995，夏邦栋主编，地质出版社；《水文地质学基础》，1986，王大纯，地质出版社；《工程地质学》，2001，孙宪立主编，中国建筑工业出版社《工程地质与水文地质》，1997，王家鼎，陕西人民出版社§2地球的基本知识:诊教学目标：使学生了解地球的一般特征，掌握固体地球的层圈结构，理解地壳及地质作用曲重点、难点及解决办法：本章重点在于对地球基本结构的认识；难点为对内外地质作用的理解。解决办法：结合现有的地质作用及其结果解释地质作用的存在与特征，启发学生利用“将今论古”‘“以故论今”的思维方式考虑问题。总教学内容§2.1地球的形状提问：抛开现有对地球的了解，我们如何认识地球，如何猜测和证明地球的形状？一、人类对地球形状的认识1、最早预测地球的形状和大小的人：公元前3世纪，古希腊的厄拉多塞。基于同一时间位于埃及的两个距离800公里的城市，太阳照射的角度是不同的，于是他推测地球是球体。2、我国最早，战国时期的哲学家惠施，提出地球是圆的。3、1519年，葡萄牙航海家麦哲伦环球航行，人类第一次证实了地球是个球体。二、地球的形状通过实测和分析，终于得到确切的数据：地球的平均赤道半径为6738.14公里，极半径为6356.76公里，赤道周长和子午线方向的周长分别为40075公里和39941公里。测量还发现，北极地区约高出18.9米，南极地区则低下24〜30米。看起来，地球形状像一只梨子：它的赤道部分鼓起，是它的“梨身”；北极有点放尖，像个“梨蒂”；南极有点凹进去，像个“梨脐”，整个地球像个梨形的旋转体，因此人们称它为“梨形地球”。其实地球确切地说，是个三轴椭球体。§2.2地球的圈层构造地球不是一个均质体，而是一个具有圈层构造的球体。以地表为界，分为外圈层和内圈层：一、外圈层1、大气圈：气体圈层，包裹着陆地和海洋2、水圈：包括地表水和地下水3、生物圈：生物生存和活动范围二、内圈层固体地球由外往里分为：地壳、地幔和地核：1、莫霍面：位于地下数公里到30-40公里，地壳和地幔的分界面（南斯拉夫学者莫霍洛维奇）2、古登堡面：位于地下约2900公里，地幔和地核的分界面（美国地球物理学学家）地壳：上为硅铝层，下为硅镁层地幔：根据化学成分的不同分为两层：上层——化学成分主要是硅氧；下层——主要是金属氧化物和硫化物组成地核：主要化学成分是铁、镍♦讨论：调动学生讨论电影《地心游记》中的现象，是否真的存在，放开想象力，说明理由。§2.3地壳及地质作用一、地壳中的元素和克拉克值通过大量岩石组分分析，地壳中主要元素含量由大到小：0、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti、H,这几种元素占到地壳总重量的98%以上。其中0占到46.3%,Si占到28.15%。克拉克值：元素在地壳中的平均质量百分数。二、地质作用（第五章中详细介绍）对近期发生的重要地质作用作为例子引入以下概念：比如汶川大地震，珠峰海拔高度的变化等。地质作用的概念：由于自然动力引起地壳的物质成分、构造和地面形态发生变化的各种作用，称为地质作用。1、外力地质作用：由固体地球以外的能源（太阳辐射能、太阳和月球的引力、地球的重力能等）所产生的地质作用。其作用方式有：风化、剥蚀、搬运、沉积和成岩作用。2、内力地质作用：作用方式：地壳运动、岩浆作用、变质作用、地震作用。布置书后复习思考题§3矿物与岩石佥教学目标：使学生了解地壳中矿物与岩石的类型及特征；掌握矿物岩石的基本概念及基本类型；盛重点、难点及解决办法：重点和难点均为掌握矿物岩石的基本类型，解决办法：设置一次矿物岩石陈列室参观实习，加深学生对矿物岩石的直观认识，提高学习兴趣。结合在日常生活或大自然中所遇到的矿物岩石，理解相关概念。朮教学内容§3.1矿物一、矿物的基本概念：1、矿物：自然产出并具有一定的化学成分和内部构造的物质矿物绝大多数是固体，少量呈液态（水、水银）、气态（天然气、硫化氢）。2、造岩矿物：构成岩石的主要矿物（矿物多达3000多种，但构成岩石的矿物只有二十多种）3、晶体：内部质点呈有序排列（既在三维空间周期性重复排列）。外表常呈一定形态几何外形：如岩盐为正方体、方解石为菱面体、云母呈片状等等。4、在自然中，晶质矿物很少以单体出现，常以集合体形态出现：晶簇（cu）、纤维状、粒状、鲕状、土状，块状等。二、矿物的物理性质矿物的物理性质取决于矿物的化学成分和晶体构造，因此，矿物的物理性质是肉眼鉴定矿物大主要依据。1、颜色矿物对不同波长的可见光波吸收和反射程度的反映。可分为自色、他色、假色。2、条痕矿物粉末的颜色。条痕显示自色3、光泽矿物表面对可见光反射的能力。根据矿物光泽的强弱分为：金属光泽、半金属光泽、非金属光泽。矿物容许可见光透过的能力。通常是指把矿物磨成0.03mm的薄片的情况下。分透明、半透明、不透明三个级别。5、硬度矿物抵抗外力刻划、压入、研磨的能力。摩氏硬度计（相对硬度）：（1）滑石（2）石膏（3）方解石（4）萤石（5）磷灰石（6）正长石（7）石英（8）黄玉 （9）刚玉（10）金刚石指甲（2-2.5）小铁刀（3-3.5）玻璃片（5-5.5）钢刀（6-6.5）6、解理和断口矿物受打击后，能沿一定方向裂开成光滑平面的性质，称为解理。裂开的光滑面称为解理面，如方解石。极完全解理、完全解理、中等解理、不完全解理。矿物受打击后，沿任意方向发生不规则的断裂，其凹凸不平的断裂面称为断口。如石英，贝壳状断口。三、常见造岩矿物及鉴别方法肉眼鉴定：先确定矿物的硬度、光泽、解理和比重；然后观察矿物的颜色、形态和透明度；并注意矿物是否具有磁性、发光性或挠性，如酸是否起泡等特征，逐步缩小范围，最后定出矿物的名称。§3.2岩石（自学为主）岩石：在各种地质作用下，由一种或几种矿物组成的集合体。自然界有各种各样的岩石，按成因分类，可分为三类：岩浆岩、沉积岩、变质岩、岩浆岩（在地表分布约占20%，体积占地壳65%）1、定义：地幔中具有挥发性成分的高温硅酸盐熔融体，即岩浆，沿着地壳岩石的裂缝上升到地壳中或喷出地表，热量逐渐消失，最后冷却凝固而成的岩石。2、产状：岩浆岩体的形状、大小、深度以及与围岩的关系。有岩基、岩株、岩盆和岩盘、岩墙、岩床。3、矿物成分：1） 硅铝矿物：SiO2、2） 硅镁矿物：SiO2、色或暗色矿物。Al2O3含量高，不含铁、镁，矿物颜色比较浅，又称浅色矿物Al2°3含量低，而FeO、MgO含量高，矿物颜色较深，又称深4、结构和构造：1）结构：指组成岩浆岩的矿物颗粒大小和结晶程度等。在实际工作中，结构一般着重微观的室内研究。常见的有等粒结构、不等粒结构（斑状和似斑状结构：大的矿物颗粒散布于小颗粒之中，大的叫斑晶，小的叫基质，若基质为显晶质，则为似斑状结构）2）构造：指岩石外表的整体特征，它是由矿物集合体的排列方式和充填方式决定的。常见的有块状构造、流纹状构造、气孔状构造、杏仁状构造。5、岩浆岩的分类：自学（讲解一块标本，花岗岩）按SiO2含量分为四大类：超基性岩、基性岩、中性岩、酸性岩。二、沉积岩（在地表分布约占75%，体积约占7.9%）1、定义：母岩的风化物质、火山物质、有机物质以及宇宙物质等，经过水、风等介质搬运以后，在一定条件下沉积下来，再经过成岩作用形成的岩石。2、沉积岩的物质组成：沉积岩有两部分组成：沉积物颗粒和胶结物。沉积物颗粒主要是单矿物和岩屑（先成的岩浆岩、沉积岩和变质岩经物理风化作用产生的岩石碎屑）组成。1）矿物成分：碎屑矿物、粘土矿物和化学沉积矿物2）胶结物：泥质胶结、钙质胶结、硅质胶结和铁质胶结。含量超过25%可参与命名。3、沉积物的结构和构造：1）结构：由其组成物质的形态、性质、颗粒大小来决定的。碎屑结构、泥质结构、结晶结构和生物结构2）构造：指其组成部分的空间分布及其相互间的排列关系。最主要的构造就是层理构造。4、沉积岩的分类根据沉积岩的成因、物质成分及结构构造等，可将沉积岩分为三大类：碎屑岩类、粘土岩类和化学及生物化学岩类。三、变质岩1、定义：地壳内部原由的岩石，由于受到高温、高压或化学流动性流体的作用下，导致其成分、结构和构造发生改变，形成的新岩石。2、变质岩的矿物成分：一部分是与岩浆岩和沉积岩共有的矿物，主要有石英、长石、云母等；另一部分是变质岩所特有的矿物：石榴子石、红柱石、蓝晶石等。3、变质岩的结构和构造结构：变余结构、变晶结构和压碎结构构造：片理构造(片状构造、千枚状构造和片麻状构造)、块状构造。4、变质岩的分类：按变质岩的成因分为三大类：区域变质岩、接触变质岩和动力变质岩。譎三大类岩石的转化曲布置书后作业§4地质构造:诊教学目标：使学生了解地壳运动的主要特征；掌握基本的地质构造类型；熟练掌握地质年代表及地层的地质符号表示。曲重点、难点及解决办法：重点：地质构造类型，地质年代表；难点：地质构造类型，地质年代表的记忆难点解决办法：加强学生空间概念，学会在三维空间中去理解地质构造，对地质年代表则要求学生强制记忆（按一定技巧）。总教学内容§4.1地质年代一、地质年代的概念：1、定义：地质体形成或地质事件发生的时代。2、两层含义：1）地质体形成或地质事件发生的先后顺序；2）地质体形成或地质事件发生距今多少年。前者称为相对年代，后者成为绝对年代。二、相对地质年代的确定1、地层层序律：原始产出的地层具有下老上新的规律（用图说明）地层：在一定地质时期内所形成的层状岩石，层状岩石泛称岩层。2、生物层序律：化石：埋藏在岩层中的古生物遗体或遗迹称为化石。动物的骨骼、甲壳、足迹、蛋、粪以及植物的根茎、叶或其痕迹均可以成为化石。一般地，年代越老的地层中所含生物越简单、原始、低级，不同时期的地层中含有不同类型的化石及其组合，而在相同的时期且在相同的地理环境中形成的地层，只要原先的海洋或陆地相通，都含有相同的化石及其组合，这就是生物层序律。3、切割律或穿插关系切割者新，被切割者老；包裹者新，被包裹者老。三、同位素地质年代确定法

它是根据岩石中所含的放射性同位素和它的蜕变产物的相对含量来确定的。比如：U235——Pb207,lg铀在一年内可以蜕变出7.4X10-9g铅，根据含铀矿物或岩石中的铅铀比率，即可测出该含铀矿物或岩石的实际形成地质年代。四、地层单位1四、地层单位1、 地质年代单位和年代地层单位地质年代单位（以地质时期中的时间为依据）宙代纪世2、 岩石地层单位：年代地层单位：以地层形成的地质时代作为划分的依据）宇界系统在一个新的地区进行地层工作的时候，首先应根据岩性特征在垂直方向上的差异，将地层分层，建立起地层系统和层序，这样划分出来的地层单位称为岩石地层单位。群（总体外貌特征一致）、组（一种岩石组成，两种或更多种互层）、段（岩性相当一致）。五、地质年代表：（见P29）1、年代越老者延续时间越长，越新者越短。2、 纪以下一般分三世，二叠、白垩和第四纪分两世，第三纪分五世。3、 前寒武纪地层由于形成时间较早，研究难度较大，划分对比粗略，故其长期未能统4、只能称早、中、晚世，上、中、下统。§4.2岩层产状及其测定一、 水平岩层和倾斜岩层1、 水平岩层：倾角小于5度的岩层2、 倾斜岩层：沉积岩层由于水平运动的影响，改变了原始状态，形成倾角大于5度的岩层二、 岩层的产状1、走向：岩层层面与水平面的交线称为该岩层的走向线，走向线所指的方向即走向2、倾向：在岩层层面上垂直岩层走向线的射线叫做岩层的倾斜线，倾斜线在水平面上的投影，叫倾向先，倾向线所指的方向即为倾向。3、倾角：岩层层面与水平面之间的二面角，即倾斜线与倾向线之间的夹角。三、岩层产状的测定与表示方法1、岩层产状的测定：2、岩层的表示方法：通常采用方位角法，即只记倾向与倾角。§4.3地壳运动一、定义：又称构造运动，是由于地壳的内部原因（重力、地内热能等）和外部原因（行星引力）引起地壳形态的变化的运动。二、基本类型：1、升降运动：此起彼伏，相互补偿（局部）2、水平运动：地壳以水平运动为主。两种主要观点：1）板块学说 上幔对流学说；2）李四光，地质力学观点。关键在动力来源的问题上产生分歧。§4.4岩层的接触关系（用图说明）一、整合关系新老地层大致平行，沉积岩岩性与生物变化都呈渐变关系，它们是连续沉积的。二、不整合关系1、 平行不整合关系：上下两套地层的产状彼此平行，但在两套地层之间缺失了一些时代的地层，表明在这段时期出现过间断沉积。2、 角度不整合关系：上下两套地层之间缺失了部分地层，且产状不同。§4.5构造及其主要类型一、原生构造与次生构造1、原生构造：岩层或岩体在成岩过程中形成的构造2、次生构造：岩层或岩体在内动力地质作用下产生的变形，如褶皱、断层、节理、劈理等。二、褶皱1、褶皱现象1）褶皱构造：地壳中的岩层在褶皱运动的作用下，发生一系列向上或向下的波状弯曲，并保持其连续完整性，这样的变形结果，即为褶皱构造。2）背斜：其核心部位的岩层时代相对较老，外侧岩层较新一种岩层弯曲变形。3）向斜：其核心部位的岩层时代较新，外侧岩层较老的一种岩层弯曲变形。2、褶皱要素1）核部：泛指褶皱中心部分的岩层。2）翼部：系指褶皱核部两侧的岩层。3）转折端：系指从褶皱翼向另一翼过渡的部分。4）枢纽：在褶皱的各个横剖面上，同一褶皱面的各最大弯曲点的连线。5）轴面：一个褶皱内各相邻褶皱面上的枢纽连成的面。6）褶轴：轴面与水平面的交线。7）脊线：背斜或背行的同一褶皱面的各横剖面上的最高点的连线。3、褶皱的形态分类1）按轴面的产状分类：直立、倾斜、倒转及平卧褶皱。2）按枢纽产状分类：水平褶皱、倾伏褶皱4、褶皱的野外识别地层呈有规律的对称重复三、断裂构造断裂构造：岩石受力作用超过强度极限时岩石所发生的破裂，同时产生一些破裂面，使岩石丧失了连续完整性。1、节理：岩石（层）没有发生显著位移的破裂1）节理的类型：根据节理的成因，可分为原生节理、构造节理和次生节理（1）原生节理：是指岩石在形成过程中所产生的节理。（2）构造节理：是岩石收构造应力作用产生的。按其力学成因，可分为剪节理和张节理。剪节理：当岩石所受最大剪应力达到并超过岩石的抗剪强度时，则产生剪节理。剪节理一般是闭合的，节理面光滑，常有滑动擦痕和擦光面；剪节理的产状稳定，沿走向和倾向一般延伸较远；在砾石或粗砂岩中，剪节理能平整地切割砾石和粗砂岩。张节理：是岩石受拉张应力而形成的裂隙。张节理其裂口是张开的，呈上宽下窄的契形；多发育于脆性岩石中，尤其在褶曲转折端等拉张应力集中的部位；节理面粗糙不平，产状不稳定，沿其走向或倾向都延伸不远就尖灭了；一般无滑动擦痕和摩擦镜面；当其发育于砾石中时，长绕过砾石，其裂面明显凹凸不平。（3）次生节理：由于岩体受卸货、风化、地下水等次生作用而产生的裂隙。2）节理的工程地质评价地壳中广泛发育的节理对岩体的强度和稳定性均有不利影响；破坏了岩体的完整性，水容易沿裂隙渗入，加速岩石的风化，降低了基岩的承载力，增大岩石渗透性等。3）节理的调查、统计和表示方法调查：先在工点选择一具有代表性的基岩露，对一定面积的内的裂隙，进行测量，包括产状、长度、宽度、条数、成因几充填情况等。统计：（1） 裂隙走向玫瑰花图自圆心沿半径引射线，射线的方位代表每组裂隙平均走向的方位，射线的长度代表每组裂隙的条数。然后用折线把射线的端点连接起来，即可。（2） 裂隙倾向玫瑰花图（同上）2、断层岩层发生断裂后，沿断裂面发生显著位移的断裂构造。1）断层要素：断裂面：断层发生滑动的破裂面。断盘：断层面将岩层分为两个块体，每个块体即称为断盘。断层带：断层两壁之间的地带。断层线：断距：上下盘同一点，沿断层面相对位移，称为总断距；水平方向的距离称为水平断距，垂直方向的称为垂直断距。2）断层的分类：根据两盘的相对位移：（1） 正断层：上盘相对下降，下盘相对上升的断层。（2） 逆断层：上盘相对上升，下盘相对下降的断层。逆冲断层：位移量很大的低角度逆断层。（3） 平移断层：两盘顺走向相对移动。（在垂直方向上没有位移）3）断层组合：（1）地堑：由两条走向基本一致的相向倾斜的正断层组成。（2）地垒：由两条走向基本一致倾向相反的正断层组成。（3）阶梯状断层：由一系列走向和倾向都基本一直的正断层组成。§4.6地质图及其阅读地质图：用规定的图例符号和颜色来反映一个地区的地质现象和地质条件的图件。一、地质图的种类1、普通地质图：是表示某地区地形、地层岩性和地质构造的基本图件。2、地貌及第四纪地质图：是根据一个地区的第四系地层的成因类型、岩性及其形成时代，地貌的类型、形态特征而编制的综合图件。3、工程地质图：是根据工程地质条件编制而成的，它是在相应比例尺的地形图上表示各种工程地质勘察成果的图件。4、水文地质图：是表示一个地区水文地质条件和地下水形成、分布规律的地质图件。5、地质剖面图和综合柱状图：是指在平面地质图的基础上，为了更清楚地反映一个地区地表以下一定深度范围内的各种地质现象而编制的垂直方向的地质图件。以上各类地质图都应有：图名、图例、比例尺、方向和责任表等。其中图例严格要求自上而下或自左而右，地层从新到老进行排列；先地层、岩浆岩，后地质构造等。二、不同产状岩层或地质界面在地质图上的表现1、水平岩层在图上的表现一条形状与等高线一致或重复的曲线。2、直立岩层在图上的表现一条切割等高线的直线。3、倾斜岩层在图上的表现一条与等高线相交的曲线。三、地质构造在地质图上的表现1、褶皱在地质图上的表现1）水平褶曲：枢纽产状水平的背斜和向斜，在地形平坦的条件下，它们两翼地层在地质图上都呈平行条带状出露，核部只有一条单独出现的地层。2）倾伏褶曲：在地形平坦的条件下，它们两翼地层都在地质图上都呈对称出露，但不是平行线，而是似抛物线形。2、断层在地质图上的断层线在地形地质图上通常是一条直线或曲率小的曲线。四、地形地质图的阅读和分析（略）§5地下水的概述:诊教学目标：使学生了解自然界中水的循环特点，掌握地下水的存在形式。必重点、难点及解决办法：重点：地下水的存在形式及特征；难点：正确理解含水层和隔水层的概念。难点解决办法：通过地质空间中岩层性质相对比较，阐述岩层特点对于含水层与隔水层的意义。盛教学内容§5.1自然界中水的循环（图）一、水文循环：1、大循环：海陆循环，海洋表面蒸发的水气，随气流带到大陆上空，形成降水落回地面，再经径流返回海洋。2、小循环：陆陆、海海循环。二、地质循环：在地壳中的水循环。§5.2地下水的物理性质与化学成分一、地下水的物理性质：温度、颜色、透明度、嗅味、味道、导电性和放射性等二、地下水的化学成分：1）主要离子成分：见书61页2）主要气体成分：2）主要气体成分：O2、H2S、N2、CO3）地下水的胶体成分与有机质§5.3岩石中的空隙特征与地下水的存在形式一、岩石中的空隙岩石空隙是地下水的储存场所和运移通道。可把空隙分为三类：松散岩石中的孔隙、坚硬岩石中的裂隙和可溶岩中的溶隙。1、孔隙：松散岩石是由大小不等的颗粒组成，颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称之为孔隙。孔隙度=孔隙的体积/松散岩石的体积x100%影响因素：（1）排列方式，立方体排列最松散，四面体排列最紧密；（2）密实程度，越松，孔隙越大越；（3）均匀性，越均匀，孔隙度越大；（4）形状：棱角越明显，通常排列就越松散；（5）胶结程度。2、裂隙：固结的岩石，包括沉积岩、变质岩、岩浆岩，受地壳运动及其它内外地质应力作用下，岩石破裂变形产生的空隙。裂隙率=裂隙体积/岩石总体积X100%注意测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填程度等。3、溶隙：可溶岩中的各种裂隙，被流水溶蚀扩大成为各种形态的溶隙。岩溶率=溶隙的体积/岩石的总体积X100%溶隙的规模十分悬殊，大的溶洞可宽达数十米，高数十米乃至百余米，长达几至几十公里，而小的溶孔直径只有几毫米。岩石中的空隙，必须以一定方式连接起来构成空隙网络，才能成为地下水有效的储容空间和运移通道。二、 岩石中地下水的存在形式1、 岩石“骨架”中的地下水：沸石水、结晶水（以中性水分子的形式存在，如石膏Ca[SO4]・2H2O）、结构水（参与晶格中，以H+、（0H）-、（电0））等离子形式存在。2、 岩石中空隙中的地下水：主要形式有：结合水（强结合水，又称吸着水；弱结合水，薄膜水）、重力水、毛细水、固态水和气态水。三、 含水层与隔水层1、含水层：指能够透过并给出相当数量水的岩层。2、隔水层：不能透过水，或是透过和给出的水的数量微不足道的岩层。♦所以划分含水层与隔水层的标志不是含不含地下水，关键看所含地下水的性质。♦两者划分是相对的，并不存在截然的界限或绝对的定量标志。从某种意义上将，两者是相对比较而划分的。两者在一定条件下可以相互转化。如在较大的水头差的作用下，致密粘土含的结合水也可能发生流动，也能透过和给出一定量的地下水。通常是指在松散岩石中，如在岩溶中，地下水分布极不均匀，称岩溶含水系更合适；在裂隙中，如连通良好，称裂隙含水层是适合的，但裂隙受局部构造控制时，例如一条较大的张性断裂穿越岩性不同的地层，断裂带中水分布连续且均匀，这时称含

水带更合适。布置作业：1）地下水有哪些来源？2）什么是岩石的水理性质？3）什么是含水层、隔水层，并加以比较。§6地下水的类型及特征必教学目标：掌握地下水的类型及其特征。佥重点、难点及解决办法：重点：按埋藏条件划分的地下水类型。难点：各种类型地下水在地质空间中的分布形式，以及如何辨别地下水类型。难点解决办法：调动学生的空间想象能力，结合前几章中讲解的构造地质知识，通过图解方式帮助学生理解。養教学内容§6.1包气带和饱水带一、包气带和饱水带的概念：1、地表以下一定深度上存在着地下水面。地下水面以上称为包气带；地下水面以下称为饱水带。2、在包气带中，空隙壁吸附有结合水，在细小的空隙中保持着毛细水，空隙未被液态水占据的部分包含空气及气态水。空隙中的水超过吸附力和毛细力所能支持的量时，剩余的水便以重力水的形式下渗。3、饱水带岩石空隙全部为液态水所充满，既有重力水，也有结合水。重力水是开发利用或排除的主要对象。二、 包气带的组成自下而上可分为：土壤水带、中间带和毛细水带。土壤水带：包气带顶部植被根系活动带通常发育土壤层，其中所含的水成为土壤水。毛细水带：由地下水面上升的支持毛细水，在包气带底部构成毛细水带。§6.2不同埋藏条件下的地下水埋藏条件：是指含水岩层在地质剖面中所处的部位及隔水层控制的情况。据此可将地下水分为：包气带水、潜水和承压水。一、包气带水：1、土壤水：包气带表层土壤中的毛细水和结合水。2、上层滞水：储存于包气带中局部隔水层之上的重力水。二、潜水：1、潜水的特征：埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上具有自由表面的重力水。潜水的自由水面称为潜水面；潜水面到地表的距离称为埋藏深度；潜水面的高程称为潜水位；潜水面到隔水层的垂直距离称为含水层厚度。无压水，直接受大气降水补给，具有明显的季节性变化特征。2、等水位线图：潜水面上标高相等各点的连线图，即潜水面的等高线图。确定潜水流动方向；确定水力坡度；确定潜水与地表水的补给关系；确定潜水的埋藏深度。3、潜水的补给、径流和排泄补给：大气降水为主要补给来源；地表水；承压水。径流：潜水在重力作用下由高往底流动，形成地下径流。受地形的切割程度和岩石渗透性等因素控制。排泄：以泉、渗流等形式泄出地表或流入地表水；通过包气带不断蒸发。三、 承压水、1、承压水的特征：充满于两个隔水层之间的具有承压性质的重力水。其上部隔水层称为隔水顶板；下部隔水层称为隔水底版。初见水位：承压水位或测压水位：当井(孔)凿穿上部隔水层时，井中水位的压力作用下会上升超过出含水层的顶面而稳定在一定的高度上。这种上升的地下水面称承压水面，它的标高称承压水位或测压水位。水头：从承压水位到含水层顶板的距离称承压水头。自流水：当承压水位高出地面时，就能喷出地表形成自流水。承压水由于有稳定的上覆隔水层，不直接受降水和蒸发的影响，距补给区常较远，因此对气候变化的反应不及潜水灵敏，其水质水量和水位的变化也较小。承压水是良好的供水水源，但它对矿坑和地下工程施工常造成程度不同的危害。除上述的层间承压水外，还存在着脉状承压水2、等水压线图：就是承压水面上高程相等点的连线图。等水位线图上必须附有地形等高线和顶板等高线，后者表明钻孔钻到什么深度可见初见水位。3、承压水的补给、径流与排泄补给：补给区的大气降水或地表水的补给；潜水在承压水隔水顶板尖灭的地段或通过弱隔水层越流补给承压水。关键在水头差。径流：由补给区向排泄区径流，两者水位差及岩石渗透性影响径流。排泄：以泉或泉群等形式；排泄到潜水含水层或地表水中。§6.3不同含水层空隙中的地下水一、孔隙水：水量在空间上分布相对均匀，连续性好。一般呈层状分布，同一含水层中的孔隙水具有密切的水力联系，具有统一的地下水面。1、冲积扇中的地下水2、洪积扇中的地下水二、裂隙水：贮存于基岩裂隙中的地下水。受岩石中的裂隙发育程度和力学性质影响。在裂隙发育地区，相对含水丰富。在同一构造单元或同一地段，富水性有很大变化，因而形成了裂隙水的不均一性。三、 岩溶水储存和运动于可溶性岩层空隙中的地下水。在空间上分布变化很大。大气降水是其主要补给来源。排泄的最大特征是集中和良大。盛布置作业：1）名词解释：等水位线；包气带；饱水带2）按埋藏条件，地下水可分为几种类型，各有何特点？§7地下水运动的基本规律佥教学目标：掌握地下水的运动的基本规律也重点、难点及解决办法：重点：达西定律难点解决办法：让学生动手推导达西定律的相关公式，加深对达西定律的理解。盛教学内容§7.1饱水带重力水运动的基本规律一、地下水运动的特点：1、曲折复杂的水流通道：但人们研究岩石内平均直线水流通道中的水流运动特征：实质：用充满含水层中的假想水流来代替仅仅在岩石空隙中运动的真正水流。其条件是：1）假想水流通过任意断面的流量必须等于真正水流通过同一断面的流量；2）假想水流在任意断面的水头必须等于真正水流在同一断面的水头；3） 假想水流通过岩石所受到的阻力必须等于真正水流所受到的阻力。2、迟缓的水流：由于所受到的摩擦阻力较大，所以运动迟缓，通常用每日（昼夜）多少米来计算其流通量。二、渗流1、 渗流：地下水在岩石空隙中的运动。发生渗流的区域称为渗流场。2、 层流：在岩层空隙中渗流时，水的质点有秩序的、互不混杂的流动。在具有狭小空隙的岩石中流动时，重力水受介质的吸引力较大，水的质点排列较有秩序。3、 紊流：在岩层空隙中渗流时，水的质点无秩序地、相互混杂的流动。4、 稳定流与非稳定流：水在渗流场中运动，各个运动要素（水位、流速、流向）不随时间改变时，称为稳定流。运动要素随时间变化的水流运动，称为非稳定流。二、线性渗透定律-达西定律1856年，法国水力学家达西通过大量的实验，得到线性渗透定律。Q=Kwh/L=KwIQ—渗透流量；K—渗透系数；w—过水断面；h—水头损失；L—渗透途径；I—水力梯度。1、 渗透流速：实际过水面积w'=wnene为有效空隙度，即重力水流动的空隙体积／岩石体积之比。eQ=w'u u为实际流速。Q=wu=wv有：V=une2、 水力梯度：水力梯度为沿渗透途径水头损失与相应渗透长度的比值。水力梯度可理解为水流通过单位长度渗透途径为克服摩擦阻力所消耗的机械能。从另一个角度讲，则可理解为驱动力。3、渗透系数：渗透系数的因次与渗透流速相同，一般采用m/d或cm/s为单位。令I=1,则V=K。意即渗透系数为水力梯度等于1时的渗透流速。渗透系数可定量说明岩石的渗透性能。渗透系数愈大，岩石透水能力就越好。渗透系数不仅与岩石的空隙性质有关，还与水的某些物理性质有关。当液体流动时，液体质点之间存在着相对运动，这时质点之间会产生内摩擦力反抗它们之间的相对运动，液体的这种性质称为粘滞性。只有雷诺数小于（1—10）之间的某一数值的层流运动才服从达西定律。Re=vd/rv—孔隙（裂隙）中水的流速（m/s）d—孔隙（裂隙）的直径或间距（m）;r—水的运动粘滞系数（m2/s）三、非线性渗透定律地下水在较大空隙中运动，起流速相当大时，水流呈紊流状态，此时符合下式V=KI1/2m当地下水呈混合流状态时候，符合下式：V=KI1/mc其中m介于1-2之间。§7.2地下水向井的运动简介一、水井的类型：水井：人工的集水构筑物。1、根据水井井径的大小和开凿的方法的不同，可分为：管井和筒井。管井：直径较小，通常小于0.5m，而深度比较大，常用钻机开凿。筒井：直径较大，可达1m到数米，而深度较浅，通常用人工开挖。2、 据水井揭露的地下水类型，水井可分为潜水井和承压水井两类。3、 根据揭露含水层的程度和进水条件不同，可分为完整井和非完整井。完整井：贯穿整个含水层，在全部含水层厚度上都安装有过滤器，并能全面进水。二、井附近的水位降深1、 水位降深：从井中抽水时，井周围含水层中的水流入井中内，井附近和井中的水位将降低。设某点(x,y)的初始水头为H°(x,y,0)，抽水t时间后的水头为H(x,y,t)，则此时该点的水头降低值s为：s(x,y,0)=H0(x,y,0)-H(x,y,t)称s为水位降深，简称降深。2、 降落漏斗：在井附近饿不同地点，降深s不同，井中心最大，离井越远，降深越小,总体上形成的漏斗状水头下降区，被称为降落漏斗。对潜水井，降落漏斗在含水层内部扩展，抽水量主要来自含水层的疏干量；于承压井则不同，降落漏斗不在含水层内部发展，而是形成承压水头降低区。3、抽水过程中，若无补给来源，地下水向井的运动始终处于非稳定运动。但在以下两个条件下，可达到稳定运动：1）在有侧向补给的有限含水层中，当降落漏斗扩展到补给边界后，侧向补给量和抽水量平衡的时；2）在有垂向补给的无限含水层中，随着降落漏斗的扩大，垂向补给量不断增大。当增大到与抽水量相等时，形成稳定的降落漏斗，地下水向井的运动也进入稳定运动。在没有补给的无限含水层中，严格地说不可能出现稳定流，但随着抽水时间的延长，水位降深的速率会越来越小。当降落漏斗内的水位降深变得如此地小，以至在一个较短的时间间隔内几乎观测不到明显的水位下降时，如果延长观测的时间间隔，仍能看到水位在缓缓下降。此时漏斗区内的水流便可近似作为稳定运动来研究。这种情况称为近似的定，称为似稳定。必布置作业1）名词解释：渗透流速；渗透系数；降落漏斗；水力梯度。2）叙述达西定律。（并用图表示）§8岩土体的工程地质特征必教学目标：了解土的物质组成，掌握主要土的物质力学性质的概念。总重点、难点及解决办法：土的物理力学性质难点解决办法：结合生活中与土的接触，展开对土的物理力学性质的讲解，重点放在土的物理力学性质对工程可能造成的影响。唏教学内容§8.1土的物质组成一、土的粒度成分与矿物组成1、 土的概念：土是岩石在风化破碎、搬运和沉积等一系列作用下，在各种自然环境中形成的堆积物。它是由固体颗粒、颗粒间的孔隙水和气体组成的三相体系。2、 土的粒组划分和矿物组成：土的大小是以其直径来表示，称为粒径（或粒度），单位一般采用毫米。由于固体颗粒是土最主要的组成部分，构成土的骨架主体，故土的粒度成分是决定土的工程性质的最主要的内在因素之一，也是对土进行分类的主要依据。1） 土的粒度划分与组成粒组：把介于一定粒径范围的成分相近、性质相似的土粒，称为粒组。土中不同粒组颗粒的相对含量，称为土的粒度成分（颗粒级配），它以个粒组颗粒的重量占该土颗粒的总重量的百分数来表示。工程上对粒组的划分标准是使同一粒组土粒的工程性质相近，而与相邻粒组土粒的性质有明显差别。目前我国一般采用界限粒径为200、20、2、0.075和0.005mm把土粒分为漂石（块石）颗粒、卵石（碎石）颗粒、圆砾（角砾）颗粒、砂粒、粉粒和粘粒。2） 矿物成分（1）原生矿物：是岩石经物理风化破碎而成的矿物随屑。石英、长石、云母、角闪石等；（2）不溶性次生矿物：是原岩经化学风化后，形成的不容于水的残余矿物。次生二氧化硅和粘土矿物等；（3）可溶性次生矿物：是原岩经化学风化后，其可溶物质被水溶滤并携带到其他地方沉淀下来所形成的可溶性次生矿物。（4）有机质。动植物残骸在微生物作用下分解而成的产物。达到和超过5%时，就开始对土的工程性质具有显著的影响。3）土中的水和气体（1）土中的水：主要有毛细水、结合水和自由水（重力水）（2）土中的气体：成分基本与大气的组成一致，但其中各种气体的相对含量与大气有很大差异。土中气体成分以02、n2和CO2为主，此外还有ch4、h2s等二、土的结构和构造1、 土的结构：土的结构：指组成土的土颗粒本身的大小、形状、表面特征和土粒的连结关系及排列情况的综合特征。土的粒度成分反映了土颗粒的大小和级配特征，是说明土的结构特征的主要指标，是影响土的工程地质性质的主要因素。土粒间的连结一般是由孔隙中的水对土粒的作用引起的。主要连结有：结合水连结、毛细水连结、胶结连结（是指相邻土颗粒通过土中某些盐类的结晶而形成的连结方式）和冰连结。2、 土的结构类型根据土颗本身的特点和颗粒间的相互关系,可把土的结构分为:单粒结构和团聚结构。1）单粒结构：又称散粒结构，是卵石（碎石）、砾石类土及砂土等无粘性土的基本结构形式。是在重力作用下沉积而成的，每个颗粒都受到周围个颗粒的支承，相互接触堆积。其间孔隙一般都小于组成土骨架的基本土粒。又分松散单粒结构（土孔隙较大，土粒位置不稳定，当其在较大荷载，特别是动荷载的作用下，土粒易移动，引起土的变形而趋于紧密）和紧密单粒结构。其工程性质不同，主要起决于土粒的的大小和排列紧密程度。2）团聚结构：又称海绵状结构，是由于细粒土的颗粒细小、具胶体性质，其在水中不能以单个颗粒沉积，凝聚成较复杂的集合体进行沉积而形成的细粒土特有的结构。具有团聚结构的土，其孔隙很小，孔隙度却很大，特别是絮状结构的孔隙更小，孔隙度更大。故该类土压缩性很大，含水量也很大，往往可超过50%。但以结合水为主，所以排水困难。而且很不稳定，也称为易变结构。3、 土的构造指组成土的各种大小不同颗粒按比例关系的排列或结构所确定的特征总和。1） 块石状构造：由相互挤靠着的粗大碎屑形成骨架，外形很像“干砌石”，一般在岩堆和泥石流的上游堆积及山区河流上游的河床沉积物。这种构造的土，一般具有较高的强度和很好的透水性。2）似斑状构造：是在较细颗粒组成的土体中，混杂着些较粗或粗大的碎屑，而粗大碎屑互不接触，不能形成骨架。这种构造的土体的工程性质，主要取决于其中细粒物质的成分、性质特别是所处的稠度状态（对于粘土）或密实状态（对砂土和粉土）。3）层状构造：对于砂土和砂质粉土层中，常具有粘性土或淤泥质粘性土夹层，从而构成层状构造。4）交错状构造：粒度较均匀，如风积砂等5）薄叶状构造（厚度有时仅仅为l-2mm）,呈千层饼状构造。§8.2土的物理力学性质一、土的物理性质：指土本身由于三相组成部分的相对比例关系不同所表现的物理状态及固液相相互作用所表现出来的性质，主要指土的轻重、干湿、松密和细粒土的稠度、塑性、胀缩性等。l、土颗粒的比重：是指土粒重力与同体积的4度的水的重力的之比。2、 土的重度：单位体积的土的重力称为土的重度。可分为天然重度，干重度，饱和重度和浮重度。3、 土的含水性：土的干湿性可用含水量和饱和度来表示：1）含水量：土中水的重力与土颗粒重力的之比。常用百分数来表示。2）饱和度：是指土中被水充填的孔隙体积与孔隙总体积之比；也用百分数来表示。4、土的孔隙性：是指土中孔隙的大小、多少和连通情况等的总称。指标有孔隙度和孔隙比。孔隙比指土中孔隙体积与土颗粒体积之比。二、土的力学性质：指土在外力作用下所表现出的一系列性质：主要包括压缩性、抗剪性，以及在动荷载作用下表现的一些性质。1、土的压缩性：对非饱和土，在压力作用下，其压缩性表现为孔隙体积的减小；对饱和土压缩时，随着孔隙体积的减小，土中的水就被排出，其压缩过程实际上就是孔隙水压力的消散过程。饱和土在一定的荷载作用下的渗透压密过程称为渗透固结。土的压缩性指标有：压缩系数、压缩模量和变形模量。压缩系数=，压缩系数越大，压缩性就越大。压缩模量：指土在完全侧限条件下受压时，相应的压力增量Ap与应变△增量之比。变形模量：是土体在无侧限条件下轴向压应力与应变之比值。2、土的抗剪性：土体在通常应力状态下的破坏主要表现为剪切破坏，所以土的强度问题的实质上是土的抗剪强度的问题。对无粘性土，其抗剪强度与土的密实度、土颗粒大小、形状、粗糙程度和矿物成分以及粒径级配的好坏有关。而粘性土还与土颗粒之间的粘聚力有关。三、土的水理性质土中固体颗粒与水相互作用所表现出来的一系列性质，称为土的水理性质。1、 粘性土的稠度与抗水性稠度：粘性土因含水量变化而表现出的稀稠软硬程度，称为稠度。界限含水量包括：液限、塑限和缩限。液限是粘性土从可塑性状态转变为流塑性状态的界限含水量；塑限是土由半固体状态转变为可塑状态的界限含水量；缩限是指粘性土由半固体状态不端蒸发水分，体积逐渐缩小，直至体积不再缩小时的界限含水量。粘性土的塑性常用塑性指数来表示，它是液限与塑限的差值。它表示粘性土处于可塑状态下的含水量范围。粘性土的软硬状态常用液性指数表示，其值为粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比。其值越大，土越软，反之，土越硬。粘性土的抗水性包括土的膨胀性、收缩性和崩解性。2、 土的透水性重力水在土中渗透的能力称为土的渗透性。§8.3土的工程地质分类一、土的工程地质分类原则：1、工程分类的目的：1）根据土的类别大致判断土的基本工程特性，并结合其他因素评价地基土的承载力，抗渗性与抗冲刷稳定性，在振动作用下的可液化性以及作为建筑材料的适宜性；2）根据土的分类合理确定不同类型土的研究内容与方法；3）当土的性质不能满足工程要求时，可根据土类确定相应的加固方法。2、工程分类应遵循的以下原则：1）考虑土的工程特性差异性的原则；2）以成因、地质年代为基础的原则；3）分类指标便于测定的原则。二、我国的土的工程分类我国土的分类方法，一般将土按粒度成分或塑性指数划分为：砾石类土、砂类土和粘性土等。同时考虑土的特殊性质和形成条件，分为黄土类土、淤泥类土、盐渍（zi）土、冻土和人工填土等。国内应用较广的土的工程分类标准主要有《岩土工程勘察规范（GB50021-94）》、《建筑地基基础设计规范（GB7-89）》、《土工实验规程》和国家标准《土的分类标准（GBJ145-90）》岩土工程勘察规范（GB50021-94）》、《建筑地基基础设计规范（GB7-89）》：1、 据土的堆积年代：1） 老堆积土：第四纪晚更新世Q3及以前堆积的土层，一般呈超固结状态，具有较高的结构强度；2） 一般堆积土：第四纪晚全新世Q4堆积的土层；3） 新近堆积土：文化期以来堆积的土层Q4,—般呈欠压实状态，强度较底。2、 根据地质成因可将土分为：残积土、坡积土、冲积土、洪积土、海积土、风积土和冰川沉积土。3、 机质含量（Wu）可分为：无机土WuV5%、有机土5%WWuW10%、泥炭质土10%VWuW60%、，泥炭土〉60%。4、 按土的颗粒级配和塑性指数分为碎石土、砂土、粉土和粘性土。1） 、碎石土：粒径大于2mm的颗粒含量超过全重的50%的土。2） 、砂土：粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重的50%的土，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重的50%的土。3） 、粉土：粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重的50%的土，且塑性指数小于或等于10的土。进一步可分为砂质粉土和粘质粉土。4） 、粘性土：塑性指数大于10的土。进一步可分为：粉质粘土和粘土。三、土的工程地质性质：1、一般土的工程地质性质：1） 砾石类土的工程地质特征：颗粒粗大，主要由岩石碎屑或石英、长石等原生矿物组成，具有孔隙大，透水性强压缩性低、抗剪强度大的特点。其工程特性与粘粒土的含量有关。总体而言，一般承载力较高，是良好的天然地基。2）砂类土的工程地质特征：一般颗粒大，主要由石英、长石、云母等原生矿物组成，具有透水性强、压缩性低、压缩速度快、内摩擦角较大、抗剪强度高等特点。其工程特性通常与砂粒大小和密实度有关。良好的地基和较好的天然建筑材料，但可产生渗漏和涌水的工程问题。3）粘性土的工程地质特征：主要由粘粒组成，常含亲水性较强的粘土矿物，结构为水胶连接和团聚结构，因含水量的不同而呈固体、塑态和流态等稠度不同的状态，压缩速度小，而压缩量大，抗剪强度主要取决于粘聚力，内摩擦角小2、几种特殊土的工程地质特征：1）、软土：软土泛指淤泥及淤泥质土，主要形成于静水或非常缓慢的流水环境中，并经生物化学作用形成的饱和软粘土。它富含有机质，天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.0。孔隙比大于1.5时，称为淤泥；在1.0~1.5之间，称为淤泥质。软土主要由粘粒和粉粒等细小的颗粒组成。软土具有高含水量和高孔隙性，渗透性较低，压缩性高，在建筑荷载作用下变形大而不均匀，变形稳定历时长（沿海一带一些建筑在建成5年之后，仍以每年1cm的速度沉降，有些多达3-4cm。），抗剪强度低，较显著的触变性和蠕变性。2） 湿陷性黄土：黄土是第四纪干旱和半干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物。颜色多呈黄色、淡灰黄色和褐黄色；颗粒组成以粉土为主，约占60%~70%，粒度大小较均匀。在我国主要分布于西北及北方部分地区。黄土在一定压力作用下受水浸润后，结构迅速破坏而产生显著附加沉降的性能，称为黄土的湿陷性。研究表明，黄土的结构特征及其物质组成是产生的内在因素。多孔隙和大孔隙结构。3）盐渍土：在地表不深的土层中，平均易溶盐（如氯盐，硫酸盐及碳酸盐等）含量大于5%的土，称为盐渍土。一般分布于干旱和半干旱地区，其形成与所含盐的成分和数量，与当地地形，地貌气候，地下水的埋深和矿化度、土壤性质和人为活动有关。土的工程地质性质主要与盐类的种类和数量有关。一般讲，土中所含盐量愈高，土的液限、塑限愈低，憾实最佳密度愈小。其强度与变形与含水量密切相关。被水浸湿后，土的强度降低，压缩变形增大。4）冻土为温度低于0度并含有固态水的土。温度升高，土中冰融，称为融土。在一定条件下可以相互转化。土的“冻结”过程，不单是土中原由属水的冻结，还有尚未冻结的土层中水向冻结土层迁移而冻结。冻土由土粒、水、冰和气体四相构成。具有冻胀性和融沉性。5）膨胀土是指因含水量的增加而膨胀，含水量的减少而收缩的土。粘粒含量常达成35%以上，矿物成分以蒙脱石、伊利石为主。6）填土填土是在一定的地质、地貌和社会历史条件下，由于人类活动堆填而成的土。素填土（不含杂质或很少），工程性质与密实度和均匀性相关。杂填土（含大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾的杂物填土。工程性质主要与填积年限有关。冲填土（由水力冲填泥沙形成的沉积土），工程性质与其颗粒组成、均匀性、排水固结条件以及冲填形成的时间均有密切关系。7）红粘土发育于潮湿的热带地区残积或残-坡积土，呈赤红色、褐红色或棕红色，粘粒含量高，为粘性土。主要工程性质表现为孔隙比较大，比重大（2.9），天然含水量大，抗剪强度高。§8.4岩石的工程地质性质岩石的工程地质性质包括物理性质和力学性质两个方面：一、岩石的主要物理性质：1、比重与重度：1） 比重：是岩石固体部分（不包括孔隙）的重力与同体积水在4摄氏度时的比值。大小取决于组成岩石的矿物比重及其在岩石中的相对含量。2） 重度：是指岩石单位体积的重量，它在数值上等于岩石试件的总重量（包括孔隙中水的重量）与其总体积之比。大小取决于岩石中矿物的比重，岩石的孔隙性及其含水情况。干重度与饱和重度。2、孔隙性：反映岩石中各孔隙的发育程度，对岩石的强度和稳定性产生重要的影响。3、吸水性：反映岩石在一定条件下的吸水能力吸水率：指岩石在通常大气压下的吸水能力，在数值上等于岩石的吸水重量与同体积干燥岩石重量的比，用百分数表示。与岩石孔隙度的大小，孔隙张开程度等因素有关。4、软化性：岩石受水作用后，强度和稳定性发生变化的性质，称为岩石的软化性。主要取决于岩石的矿物成分，结构和构造特征。粘土矿物含量高，孔隙度大，吸水率高的岩石，与水作用容易软化而丧失其强度和稳定性。软化指数：它等于岩石在饱和状态下的极限抗压强度和在风干状态下极限抗压强度的比，用小数表示。5、抗冻性：1）岩石孔隙中有水存在时，水一结冰，体积膨胀，就产生巨大的压力。由于这种压力的作用，会促使岩石的强度降低和稳定性破坏。2）一般用岩石在抗冻实验前后抗压强度的降低率表示。抗压强度降低率小于25%~20%的岩石，认为是抗冻的。二、岩石的力学性质1、岩石的变形变形分弹性变形与塑性变形两中：岩石在受力过程中，开始是压密阶段，属塑性变形，随后进入到弹性变形阶段，逐级加压，变形再次进入塑性变形阶段，直到破坏。在弹性变形范围内，岩石的变形性能一般用弹性模量和泊松比两个指标表示。弹性模量是应力与应变之比。国际上用“帕斯卡”为单位，用符号“Pa”表示。弹性模量越大，变形越小，说明岩石的抵抗变形的能力越高。岩石在轴向压力的作用下，除产生纵向压缩外，还会产生横向膨胀。这种横向应变与纵向应变之比，成为泊松比。泊松比越大，说明岩石受力后横向变形越大。2、岩石的强度：岩石抵抗外力破坏的能力，称为岩石的强度。岩石受力作用破坏，有压碎，拉断和剪断等形式。1)抗压强度：是指单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力。在数值上等于岩石受压达到破坏时的极限应力。直接与岩石的结构和构造有关，同时受岩石矿物成分和岩石生成条件的影响。2)抗剪强度：是岩石抵抗剪切破坏的能力。在数值上等于岩石受剪切破坏时的极限剪应力。在一定压应力作用下岩石剪断时，剪切破裂面上的最大剪应力，成为抗剪断强度。抗拉强度：在数值上等于岩石单向拉伸时，拉断破坏时的最大张应力。岩石的抗拉强度远小于抗压强度。三、影响岩石工程性质的因素：1、矿物成分：只要矿物分布均匀，高强度矿物在结构中形成牢固的骨架时，岩石的强度就回增加。一般在工程上更多地考虑矿物成分对岩石强度降低的影响。2、结构：结晶联结的岩石，大部分的岩浆岩，变质岩和部分沉积岩。往往具有较高的强度和稳定性。胶结联结：其强度取决于胶结物的成分和胶结的形式，同时也受到矿物碎屑成分的影响。就成分而言，硅质胶结的强度和稳定性高，泥质较低，钙质和铁质介于两者之间。胶结形式有基底胶结、孔隙胶结和接触胶结三种。3、构造主要由矿物成分在岩石中分布的不均匀性，和岩石结构的不连续性所决定。非均匀分布：一些强度低、易风化的矿物沿一定方向富集，或成条带状分布，或者成为局部的聚集体，从而使岩石的物理性质在局部发生很大的变化。均匀分布：但由于存在层理、裂隙和各种孔隙，使的岩石的连续性和完整性受到一定程度的影响，从而使岩石的强度和透水性在不同方向上发生明显的差异。4、水岩石被水饱和后强度会降低。5、风化风化是在温度、水、气体及生物等综合因素影响下，改变岩石状态、性质的物理化学过程。它促使岩石的原有的裂隙进一步扩大，并产生新的风化裂隙，是岩石矿物颗粒间的联结松散和是矿物颗粒沿解理面崩解。能使岩石的结构、构造和整体性遭到破坏，孔隙度增大，重度减小，吸水性和透水性显著增高，强度和稳定性大为降低。§8.5岩体的工程地质性质影响岩体积的主要因素有：区域稳定性、岩体结构特征、岩体变形特征及承载力、地质构造及岩体的风化程度。一、岩体的结构特征：1、岩体的概念：由一定岩石组成的，具有一定结构、赋存于一定的地质和物理环境中等地质体。2、结构面：结构面指存在于岩体中的地质界面，包括各种破裂面（如劈理、节理、断层面、顺层裂隙、卸荷裂隙和风化裂隙）、物质分异面（如层面、片理面、沉积间断面等）以及软弱夹层或软弱带、构造破裂带、泥化夹层、充填夹泥等。按成因可分为：原生结构面、构造结构面和次生结构面。1）原生结构面：是成岩时形成的，分为沉积的、火成的和变质的的三种类型。如：层理，沉积间断面。2）构造结构面：是在构造应力作用下形成的，于岩体中形成的断裂面、错动面、破碎带的总称。比如：节理、断层、层间错动面等。3）次生结构面：是在风化、卸荷、地下水等作用下形成的风化裂隙、破碎带、卸荷裂隙、泥化夹层、夹泥层等。结构面的规模、形态、连通性、充填物的性质，以及其密集程度均对结构面的物理力学性质产生很大影响。3、岩体结构特征1）岩体的结构的概念：是指岩体中结构面与结构体的组合方式。结构体：在岩体中受各种各级结构面，切割并包围的岩石块体及岩石块体的集合体。2）岩体的划分要充分考虑岩石的组合特征和构造变形程度，依据结构面和结构体组合情况及其连接特性，是进行结构类型划分的最基本的原则。岩体结构的基本类型可分为：整体块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构。各种不同的结构类型具有不同的工程地质性质（承载力、变形、抗风化能力和渗透性等）。A整体块状结构岩体：结构面稀疏，延展性差，结构体块度大且常为硬质岩石，故整体强度高，变形特征接近各向同性的均质弹性体，变形模量、承载力与抗滑力较高。抗风化能力一般也较强。这类岩体结构具有良好的工程地质特性。B层状结构：以层面与不密集的节理为主，结构面多闭合~微张状，一般风化微弱，结合力一般不强，故这类岩体总体变形模量和承载力较高。有时又有层间滑动或软弱夹层存在，则其强度和变形特征均具各向异性特点。沿层面方向的抗剪强度比垂直层面方向的要差，特别是当有软弱结构面存在时。C碎裂结构：节理、裂隙发育、岩体破碎，整体强度低，常有泥质充填物、结合力不强。岩体不仅强度低，而且具有塑性性能，在变形过程中应重视时间效应问题。在整个工程岩体中，这种结构是比较薄弱的部位。D散体结构：岩体节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，岩石手捏即碎，属于碎石土类，可按碎石土类研究。§9常见不良地质现象:诊教学目标：本章属于了解内容，让学生了解各种不良地质现象的一般特征及工程可能造成的影响。曲重点、难点及解决办法：本章重点在于各种不良地质现象的概念；难点不突出。难点解决办法：心教学内容§9.1风化作用一、风化的定义：位于地壳表面或接近于地面的岩石经受着风、电、大气降水和温度等大气营力以及生物活动等因素的影响，岩石会发生破碎或成分变化，这种变化称为风化。风化可理解为岩石中的物理化学作用，而引起这些作用的发生的风化因素称为风化营力。风化作用的结果导致岩石的强度和稳定性降低，对工程建筑起着不良的影响。此外，许多滑坡、崩塌等不良地质现象大部分是在风化作用的基础上逐步形成和发展起来的。二、风化作用的类型：按风化营力的不同，风化作用可分为三大类型：1、物理风化作用：指岩石在风化营力的作用下，产生一种单纯的机械破坏作用。其特点是破坏后岩石的化学成分不改变，只是岩石发生崩解、破碎、形成岩屑，岩石由坚硬变疏松。引起物理风化作用的因素很多，主要是温度变化和岩石裂隙中水分的冻结。2、化学风化作用：指岩石在水和各种水溶液的化学作用和有机体的生物化学作用下所引起的破坏过程。特点：不仅破坏了岩石，而且改变了岩石的化学成分，产生新的矿物，知道适应新的化学环境为止。化学风化作用有水化作用、氧化作用、水解作用，以及溶解作用。1）水化作用：是水分和某种矿物质的结合，在结合时，一定分量的水加入到物质的成分里，改变了矿物原由的分子式，引起体积的膨胀，使岩石破坏。如硬石膏（CaSO4）遇到水变成普通石膏（CaSO4・2^0）,其体积膨胀60%。2）氧化作用：常是在有水存在时发生的，常与水化作用相伴进行。在自然界中低氧化合物、硫化物和有机化合物最易遭受氧化作用。常见的黄铁矿（FeS2），在水溶液中可氧化，变成硫酸亚铁（FeSO4）和硫酸（H2SO4）,而硫酸又有腐蚀作用。硫酸亚铁进一步氧化成褐铁矿藏（FeSO4・2H2O）。3）水解作用：是指矿物与水中的成分起化学作用形成的新的化合物。4）溶解作用：是指水直接溶解岩石中矿物大作用，使岩石发生破坏。3、生物风化作用：岩石在动、植物及微生物影响下所起的破坏作用。生物在地表的风化作用相当广泛，它对岩石的破坏有物理的和化学的。三、风化作用的影响因素1、 气候：气温变化、降水和生物的繁殖情况2、 地形：影响到风化的速度、深度及风化产物的堆积。3、 岩石性质：1）岩石成因；2）矿物成分；3）结构和构造；4）节理裂隙的发育情况§9.2滑坡与崩塌一、滑坡1、 定义：斜坡土体和岩体在重力作用下失去原由的稳定状态，沿着斜坡内某一滑动面（或滑动带）作整体向下滑动的现象。2、 滑坡的分类：根据滑坡体的物质组成，滑坡的成因、滑动形式等，滑坡可划分不同的类型。按成因可分为：1） 工程滑坡：指由人类工程活动，开挖山体而引起的滑坡。2） 天然滑坡：指由自然地质作用产生的滑坡。3、影响滑坡的因素：滑坡是在斜坡上岩土体遭到破坏，使滑坡体沿着滑动面（带）下滑而造成的地质现象。滑动面有平面的或弧形的。在均质滑坡中，滑动面多呈圆形。影响滑坡的因素主要有：斜坡外形、岩性、构造、水、地震、人为因素（兴建土木工程，破坏地表覆盖物，引水灌溉或排水沟管道漏水）等。二、崩塌1、定义：陡峻或极陡斜坡上，某些大块或巨块岩块，突然地崩落或滑落，顺山坡猛烈地翻滚跳跃，岩块相互撞击破碎，最后堆积于坡脚，这一过程称为崩塌。一般直径达0.5米的块体达50%到70%以上。规模极大的崩塌较山崩，而仅有个别巨大石崩落称为坠石。2、崩塌发生的条件和发育因素：1）山坡的坡度及其表面的构造：造成崩塌作用要求斜坡外形高而且陡峻，其坡度往往达55-70度。如果山坡凹凸不平，则沿突起部分可能发生崩塌。2）岩石性质和节理程度：岩石性质不同，其强度、风化程度、抗风化和抗冲刷能力及其渗水程度不同。当节理顺山坡发育时，特别是发育在山坡表面的突起部分时，最利于发生崩塌。3）地质构造：岩层产状对山坡稳定性也有重要作用。一切构造，正断层、逆断层，特别是地震强烈带对山坡的稳定程度有着不良影响，而其影响的大小又决定于构造破坏的性质、大小，形状和位置。§9.3其它不良地质现象一、泥石流：1、定义：指在山区一些流域内，主要在暴雨降落时所形成的，并由固体物质（石块、砂砾、粘粒）所饱和的暂时性山地洪流。一般地说，泥石流的组成成分是水体和岩石破坏产物。2、泥石流形成的条件：1）地形条件：汇水面积大、地形、沟床比较陡，使地表水迅速集中并沿着沟谷急剧排泄成为可能。2）地质条件：凡是泥石流发育的地区，都是岩层软弱、风化强烈、地质构造复杂、新构造强烈、地震较频繁。而导致岩层破碎、崩塌、滑坡等不良地质现象普遍发育，为形成泥石流提供了丰富的固体物质来源。3）水文气象条件：水既是泥石流的重要组成部分，又是其活动的基本动力。二、岩溶1、岩溶的概念岩溶是水对可溶性岩石长期进行的以化学溶蚀作用为主，机械侵蚀作用为辅的综合地质作用，以及由这些地质作用所产生的各种现象的总称。2、岩溶发育的基本条件：1）、可溶性岩石：易溶的盐类岩、中等溶解度的硫酸盐岩和难容的碳酸盐岩（石灰岩、白云岩等）。主要是碳酸盐岩。2）、可动的水溶液：a） 、水的溶蚀力：只有当水中含有一定数量的C02时，才能发生明显的溶蚀作用。b） 、岩石的透水性：透水性强的岩石跟有利于岩溶发育。c） 、水的运动特点：水的运动能力越强，溶解无知越易于被带走，水可一直保持较强的溶蚀力。3、岩溶地貌：1） 溶沟和石芽2） 落水洞3） 溶斗和溶洼4） 溶洞5） 石钟乳和石笋三、土洞1、 定义：土洞因地下水或者地表水流入地下土体内，将颗粒间可溶成分溶滤，带走细小颗粒，使土体被掏空成洞穴而形成。这种地质作用的过程叫做潜蚀。当土洞发展到一定程度时，上部土层发生塌陷，破坏地表原来的形态，危害建筑物的安全和使用。2、 形成条件：土洞的形成是由潜蚀作用导致的。潜蚀是指地下水流在土体中进行溶蚀和冲刷的作用。1） 如果土中不含可溶成分，则地下水流仅将细小的颗粒从大的颗粒间的孔隙中带走，这种现象我们称为机械潜蚀。2） 如果土中有可溶成分，地下水流先将土中可溶成分溶解，而后将细小颗粒从大颗粒间带走，因为这种具有溶滤作用的潜蚀叫做溶滤潜蚀。土洞主要有由地下水下渗发生机械潜蚀作用形成的土洞和由岩溶水流潜蚀作用形成的土洞两大类。四、地震1、地震的概念：主要是由地球的内力作用而产生的一种地壳振动现象。地震主要分布在近代造山活动区和地球的大断裂带上。1）震源和震中震源：是指地球深处因岩石破裂产生地壳振动的发源地。震中：震源头正对着的地面位置。2）地震的一般特点：在地震的时候，通常地面的振动最初在短时间内不断地微动，接着便发生剧烈振动，经过短时间以后才逐渐消失，在大地震时像这样一系列的振动要反复发生若干次。2、地震级与地震烈度1）地震级：通常地震学上所说的地震的大小。是依据地震释放出来的能量多少来划分的，释放的能量越大，震级就越大。地震大小的表示指标，与震源释放的能量有关，能量越大，震级越高。一般可分为十级（0-9）：小于2.5级的地震，人无感觉；2.5~4级，人有感觉；5级以上的地震便会造成破坏。震级是um（微米的对数来表示的）。例如：在离震中100公里处的地震仪，其记录纸上的振幅是10mm,用um单位计算是：10,000um，取其对数是4,根据定义，这次地震是4级。2）烈度：地震烈度是表明根据地震对具体地点的实际影响，它不仅仅取决于地震预报能量，同时也受震源深度、震中距离、地震波的传播介质及表土性质等条件的强烈影响。烈度分为12度。对某一地区进行工程地质调查时，必须收集有关该地区的地震烈度资料。地震烈度在V（5）度以下的地区，具有一般安全系数的建筑物是足够稳定的，不会引起破坏。地震烈度达到切（6）度的地区，一般建筑物是不采取加固措施，但要注意地震可能造成的影响。地震烈度达切（7）〜1X（10）度的地区，回引起建筑物的损坏，必须采取一系列防震措施来保证建筑物的稳定性和耐久性°X（11）度以上的地区有很大的灾害，选择建筑物时应予避开。3、地震的类型：1） 、构造地震：由构造运动所引起的地震；占地震总数的90%。活动性频繁、延续时间较长、影响范围更广、破坏性最大。2） 、火山地震：由火山运动所引起。火山活动时，由于岩浆及其挥发物质向上运移，冲破附近围岩而发生地震。3） 、陷落地震：可溶岩石被地下水溶蚀后所形成的地下溶洞，经过不断扩大，上覆岩石突然陷落所引起的地震。影响范围小，震源极浅。4）、诱发地震:由于某种人为工程活动引起的地震。比如水库诱发地震、人工爆破地震等。4、地震的分布：世界地震的分布：1）环太平洋地震带：位于太平洋四周大陆边缘和附近海域。2）中海——喜马拉雅地震带：从地中海沿岸经土耳其、伊朗、喜马拉雅山脉、缅甸至印度尼西亚与环太平洋地震带连接。多为中、浅源地震。3）洋中脊地震带：4）陆裂谷地震带我国地震的分布：1）华北区：郯城——庐山带；燕山带；山西带：渭河平原带和河北平原带。2）东南区：台湾带和东南沿海带。3）西南区：武都-马边带、康定-甘孜带、安宁河谷带、滇东带、滇西带、腾冲-澜沧带和西藏带。西北区：天山南北带、河西走廊带、六盘山带和天水—兰州带。布置书后作业：§10不良地质现象对地基稳定性及地下工程选址的影响必教学目标：了解常见不良地质现象对地基稳定性的影响，掌握与地基相关的概念。佥重点、难点及解决办法：不良地质现象对地基稳定性影响的原理难点解决办法：结合不良地质现象对建筑地基或建筑场地影响的实例展开讲解，使学生能够感受到不良地质现象的破坏作用，建立起在城市建筑规划中考虑地质现象影响的概念。朮教学内