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1、第一章 工程地质,主讲人：孙鸣镝,第一节 概述第二节 矿物与岩石第三节 第四纪沉积层第四节 不良地质条件第五节 地下水,目 录,第一节 概述,工程地质的内容与重点 建筑场地的形成3 地质年代,工程地质的内容与重点,地表的工程地质条件的优劣，直接影响建筑物的地基与基础的设计方案的类型、施工工期的长短，以及工程投资的大小。根据土木工程学科的特点，本章重点主要放在第四纪沉积层，即松散岩石土上；对矿物和岩石只做简要介绍。,建筑场地的形成,建筑场地的地形、地貌和组成物质（主要指土和岩石）的成分、分部、厚度、工程特性等方面因素，都取决于地质作用。地质作用主要有两种类型：（1）内力地质作用：由地球自转产生的
2、旋转能等因素引起，表现为岩浆活动、地壳运动和变质作用等形式。（2）外力地质作用：由太阳辐射能和地球重力位能引起的地质作用。譬如昼夜、季节变化所引发的气温变化、雨雪、山洪、河流、冰川、风力、风向等因素，以及生物活动的作用，对母岩产生的风化、剥蚀、搬运、沉积等方式的作用。,前面所述两种地质作用可以相互联系，相互转化，形成不同的地貌。,（1）地貌：错综复杂的地质作用，所形成的各种成因的地形。（2）地貌单元：地表形态按其不同的成因，划分为相应的地貌单元。,3 地质年代,土和岩石的性质与其生成的地质年代有关。一般来说，生成年代越久，土和岩石的工程性质越好。根据地层对比和古生物学测算，一般把地质相对年代划
3、分为五个大代，其下又分纪、世、期，相应的地层单位为界、系、统、层。我们主要研究的土主要在新生代的第四纪生成和沉积。,第二节 矿物与岩石,主要的造岩矿物 岩石的类型和性质,1 主要的造岩矿物,矿物：地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然元素或化合物。矿物是组成岩石的细胞。目前已发现矿物3000多种。岩石的特性很大程度上取决于组成它的矿物成分。造岩矿物：组成岩石的矿物。常见的主要造岩矿物有30多种。,（1）矿物的种类,矿物的种类按其形成方式分，主要分为原生矿物和次生矿物。原生矿物：由岩浆冷凝而成。譬如石英、长石、角闪石、辉石、云母等。次生矿物：通常由原生矿物风化产生，这类矿物主要有高岭石、绿泥石等
4、；还可由水溶液析出生成，主要有方解石、石膏等。,（2）矿物的主要物理性质,形态：结晶体常呈现的规则几何形状。常见的矿物有粒状、板状、片状、柱状等。颜色：矿物新鲜表面的颜色。其主要取决于矿物的化学成分和所含的杂质。按颜色的深浅，矿物可分为浅色矿物和深色矿物。光泽：矿物表面反射光线的强弱程度。主要有金属光泽和非金属光泽两种。其中非金属光泽又可分为玻璃、油脂、蜡状、珍珠、丝绢、金刚、土状光泽等几个小类。,硬度：矿物抵抗外力刻划的能力。由软至硬，将矿物的硬度分为10级。滑石最软，金刚石最硬。解理：矿物受到外力作用时，能够沿着一定方向裂开，形成光滑平面的性能。解理面：矿物裂开所形成的光滑平面称为解理面。
5、断口：矿物受外力打击后断裂成不规则的形态。常见的断口主要有平坦状、参差状、贝壳状、锯齿状。,（2）矿物的主要物理性质,（3）矿物的鉴定方法,肉眼鉴定法 一般矿物可用小刀、放大镜和10%的稀盐酸等简单工具或试剂，根据矿物的常见物理性质进行初步鉴定。有特征反应或明显表征的也可直接断定。偏光显微镜法 比较难鉴别的矿物或多种矿物混杂，难以分清的矿物，可用显微镜等精密仪器进一步鉴定。,2 岩石的类型和性质,岩石的类型 按岩石的成因可分为三大类 岩浆岩（火成岩）沉积岩（水成岩）变质岩（1）岩浆岩（火成岩）：由地球内部的岩浆侵入地壳或喷出地面冷凝而成。（2）沉积岩（水成岩）：岩石经风化、剥蚀成碎屑，经流水、
6、风或冰川搬运至低洼处沉积，在经压密或化学作用胶结成岩石。沉积层分布很广，约占地球陆地面积的75%。,2 岩石的类型和性质,（3）变质岩：由原岩改变性质转化而来的一类岩石。其变质的原因主要是：地壳运动和岩浆活动，在高温、高压和活泼物质作用下，改变原岩的结构、构造、成分，形成新的岩石种类的作用过程。按岩石的坚固程度可分为两大类 硬质岩石 软质岩石（1）硬质岩石：饱和单轴极限抗压强度fr30MPa的岩石。（2）软质岩石：饱和单轴极限抗压强度fr30MPa的岩石。,按岩石的风化程度可分为四等 未风化岩石 微风化岩石 中等风化岩石 强风化岩石（1）未风化岩石：岩质新鲜，偶见风化痕迹。（2）微风化岩石：结
7、构基本不变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量风化痕迹。（3）中等风化岩石：结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育，岩体被切割成岩块。用镐难挖，岩芯钻方可钻进。（4）强风化岩石：结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙明显发育，岩体破碎，用镐可挖，干钻不易钻进。,2 岩石的类型和性质,岩石的类型,第三节 第四纪沉积层,地表的岩石，经物理化学风化，剥蚀成岩屑、黏土矿物、化学溶解质等物质。又经搬运，沉积，形成沉积物。由于年代不算太长，未压密硬结成岩石之前，呈现松散状态，称为第四纪沉积层，即通常所说的土。根据岩屑搬运和沉积的情况不同，第四纪沉积层又可以分为：残积层、坡积层、洪积层、冲积层、海
8、相沉积层、湖沼沉积层等几种类型。,1 残积层,残积层：母岩经风化、剥蚀，未被搬运，残留在原地的岩石碎屑。主要分布：岩石岀露的地表、经受强烈风化作用的山区和丘陵，以及剥蚀平原。组成物质：棱角状碎石、角砾、砂粒和黏性土。特点：裂隙多、无层次、平面分布、厚度不均。此类土作地基注意事项：不均匀沉降和土坡稳定性。,2 坡积层,坡积层：雨水和融雪水冲刷山坡时，将山上岩屑顺斜坡搬运至较平缓的山坡或山麓，逐渐堆积形成。特点：厚薄不均、土质极不均匀、孔隙大、压缩性高。此类土作地基注意事项：不均匀沉降和地基稳定性。,3 洪积层,洪积层：暴雨或大量融雪形成山洪急流，冲刷并搬运大量岩屑，流至山谷出口或山前倾斜平原，堆
9、积而成。地貌特征：洪积扇，即靠谷口处窄而陡，谷口外逐渐变为宽而缓，形如扇状。组成物质：谷口附近多为比较大的块石、碎石、砾石、粗砂；谷口外较远的位置颗粒逐渐变细（原因：谷口处窄，水流速度大，细颗粒被冲走；而远处速度逐渐降低，细颗粒慢慢停滞下来）。,特点：不规则的粗细颗粒交替层理构造，有黏性土夹层、局部尖灭（沉积层向着沉积盆地边缘，其厚度逐渐变薄直至没有沉积）、透镜体（中间厚，边缘薄）等。此类土作地基注意事项：土层的尖灭和透镜体引起的不均匀沉降。,3 洪积层,冲积层：河水将岩屑搬运，沉积在河床较为平缓的地带，所形成的沉积物。（1）平原河谷冲积层 平原河谷冲积层依河流走向和地形一般分为如下四种类型。
10、,4 冲积层,（1）平原河谷冲积层河床沉积层：上游河床颗粒大，下游河床颗粒小。组成粒径一般较大，为良好的天然地基。河漫滩沉积层：此沉积层分为上下两层，下层为粗粒土；上层为细粒土，并易夹杂有机土、淤泥和泥炭。河流阶地沉积层：由地壳的升降运动与河流的侵蚀，沉积作用共同作用形成。由河漫滩向上，依次称为一级阶地、二级阶地、三级阶地。阶地的位置越高，形成年代越早，通常土质就越好。,4 冲积层,古河道沉积层：蛇曲的河流，截弯取直改道以后的牛轭湖，逐渐淤塞而成。此沉积层一般含有较厚的淤泥和泥炭层，压缩性高，强度低，为不良地基。,4 冲积层,（2）山区河谷冲积层 山区河谷冲积层多为粗粒土，如漂石、卵石、圆砾等
11、。（3）山前平原冲积洪积层 此沉积层具有分带性：近山一带，为冲积或部分洪积的粗粒土；离山较远处，逐渐过渡为砂土和黏性土。（4）三角洲沉积层 三角洲沉积层：河流搬运大量泥沙，在河口沉积，形成此沉积层。此层为新近沉积层，含水率高，压缩性高，承载力低。,4 冲积层,海相沉积层依据地带不同，主要分为如下四种：（1）滨海沉积层：海水高潮与低潮之间的地区，称为滨海地区。沉积物主要以卵石、圆砾和砂土为主，有时也有黏土夹层。（2）大陆架浅海沉积层：海水深度从0到200m之间，平均宽度75km的地区，称为大陆架浅海地区。沉积物主要以细砂、黏性土、淤泥、生物沉积物为主；离海近的，颗粒较粗。此沉积物有层理构造，密度
12、小，压缩性高。,5 海相沉积层,（3）陆坡沉积层：浅海区与深海区的过渡地带，称为陆坡地区（又称次海区），水深一般至3000m为止。沉积物主要为有机质软泥。（4）深海沉积层：海水深度大于3000m的地区，称为深海区。沉积物一般为有机质软泥。,5 海相沉积层,湖沼沉积层一般分为如下两种：（1）湖相沉积层：主要分为湖边沉积层（粗粒土为主）和湖心沉积层（细粒土为主）两种。（2）沼泽沉积层：湖泊逐渐淤塞或陆地沼泽化，即可演变为沼泽。沼泽沉积物即沼泽土，主要由腐殖质和泥炭组成。含水率极高，透水性很小，压缩性很大，一般不宜作为永久建筑物的地基。还有一些沉积类型，由于接触较少，此处不再详细介绍。,6 湖沼沉积
13、层,第四节 不良地质条件,断层岩层节理发育的场地滑坡河床冲淤岸坡失稳6 河沟侧向位移,断层,断层：岩层在地应力作用下发生破裂，断裂面两侧的岩体显著发生相对位移的现象。断层形成的年代越新，断层活动的可能性越大。永久性建筑（如水库大坝）应避免横跨断层。,2 岩层节理发育的场地,节理：岩层在地应力作用下形成断裂构造，但未相对位移的现象。一般节理的长度为数米。一组节理：互相平行的节理。节理发育：即岩层节理现象的密度比较大。此时，岩体被节理切割成碎块，破坏了岩层的整体性。使岩层不够紧实。处理不当，容易滑坡。,滑坡,山坡失稳的原因（1）人类活动因素在山麓建房，为利用土地，削去坡脚。在坡上建房，增加坡面荷载
14、。生产和生活用水大量入渗坡积物，降低土的抗剪强度。（2）自然环境因素坡脚被河流冲刷，使得原来的天然边坡变陡。当地连降暴雨，大量雨水入渗，降低土的内摩擦角。,河床冲淤,平原河道多有弯曲，凹岸受水流的冲刷产生坍岸，离河岸过近的建筑会受到影响；凸岸水流流速慢，产生淤积，使当地无水可抽，影响人民生活。河岸的冲淤现象在多沙的河流尤为明显。,岸坡失稳,岸坡失稳的原因（1）流域在自然条件下通常是相对稳定的，但在岸边修建房屋设施，会增加天然土层的荷重，可能影响岸坡的稳定，产生滑动。（2）在软弱地基存在时，如果发生地震等灾害的扰动破坏，会使土的抗剪强度降低，岸坡也可能失稳滑动。,6 河沟侧向位移,河沟侧向位移的
15、危害 小河沟虽然不大，但靠近河沟修建房屋设施时，如果当地地基土含水率高、密度低，且为黏性土，那么建筑物可能会向河沟方向侧向位移，导致建筑倾斜、墙体开裂，甚至由此引发更大的工程事故。,第五节 地下水,地下水对工程的影响地下水分类地下水位地下水的运动地下水水质,地下水对工程的影响,（1）基础埋深：通常设计基础的埋置深度d应小于地下水位深度hw，以防止冻胀。（2）施工排水：地下水位较浅，基础埋深大于地下水位深度时，基槽开挖和基础施工前必须进行排水。避免施工中呈现软泥地基或橡皮土，影响施工或为建筑安全留下隐患。（3）地下水位升降：地下水在地基持力层中上升，使黏性土等土质软化，压缩性增大，承载力下降，地
16、基下沉。有些土质软化后，还可能发生变化，破坏地基，如膨胀土。反之，地下水位迅速下降，会使地表下降，持力层下降，也会引起地基或建筑沉降。,地下水对工程的影响,（4）地下室防水：当地下室在地下水位一下时，必须做好防水层。（5）水质侵蚀性：当地下水中含有对建筑物有侵蚀的化学物质时，应采取相应的处理措施。（6）空心结构物体浮起：当地下结构还有水池、油罐一类的空心结构时，如果其深度与地下水位接近，要考虑使用之前设施的巨大浮力可能对施工和建筑产生的影响。（7）承压水冲破基槽：有承压水存在的地质环境，基槽开挖深度要考虑承压水上面的隔水层的自重压力应大于承压水的压力，否则，承压水冲破隔水层，产生流土破坏，事故
17、不易控制。,地下水分类,地下水依据其埋藏条件不同，可分为三类（1）上层滞水（2）潜水（3）承压水,地下水分类,（1）上层滞水:积聚在局部隔水层上的水。上层滞水靠降水补给，具有季节性特征。一般范围不大，大多雨季水量较大，旱季水浅，甚至可能干涸。（2）潜水：埋藏在地表下第一个连续分布的稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水。潜水的自由水面称为潜水面，水面的标高称为地下水位。地面至潜水面的铅直距离hw为地下水的埋藏深度。潜水由雨水和河水补给，水位也有季节性变化。而且各地域的潜水埋藏深度也有差异性。,地下水分类,（3）承压水：埋藏在两个连续分布的隔水层之间完全充满的有压地下水。承压水通常存在于砂卵石层中
18、。砂卵石一般呈倾斜状分布，地势高处砂卵石层水位高，可对地势低处产生静水压力。若不慎打穿承压水顶面的隔水层，水在巨大压力下上涌，很可能造成工程事故，施工时要谨慎对待，注意防护。,3 地下水位,地下水位主要测定实测水位和历年最高水位两项指标。（1）实测水位：分为初见水位和稳定水位两种。初见水位：工程勘察钻孔时，当钻头带上水时所测得的水位。稳定水位（实测地下水位）：钻孔完毕，将钻孔口保护好，24小时后再次测定钻孔的水位。建筑场地的地下水非固定不变，一般夏、秋两季地下水位高，冬、春两季地下水位低。如果勘察的季节和施工的季节不一致，应注意季节变化的影响。,3 地下水位,（2）历年最高水位：同一地区长期观
19、测地下水位，将实测数据以时间为横坐标，水位深度为纵坐标，绘制地下水位时程曲线。由曲线可见，每一年水位的最高点（峰值）一般都出现在夏季，综合各年的峰值数据，某一段时间内的最高者，就是这段时间内的历年最高水位。对于大多数重大工程，必须考虑地下水位的历年最高水位，以确保施工可靠和建筑设施使用安全。,地下水的运动,（1）达西定律 法国学者达西（Darcy）在1856年通过砂土的渗透实验，发现地下水的运动规律，即达西定律。定律表达式及基本实验图解如下：,地下水的运动,土的渗透系数k是一个可以通过本实验求得的比例系数，其物理意义是单位水力坡降（i=1）的渗透速度。k的数值与土的组成、粒径级配、孔隙比、水温
20、等因素有关。渗透系数k有如下三种测定方法：现场实验、室内实验、经验值。下表是部分土的渗透系数的经验值。,地下水的运动,（2）动水力GD静水压力：静水作用在水中物体上的力。动水力：土体中渗流的水对单位体积土体的骨架，产生的作用力。动水力是体积力，单位：kN/m3。动水力与水流受到土体骨架的阻力，是一对反作用力（即：大小相等，方向相反）。动水力的计算公式：,地下水的运动,（3）流土和管涌流土：动水力GD等于或超过土的浮重度时土体即被水冲起的现象。icr是临界水力坡降，表示即将产生流土。icr的计算公式如下：,地下水的运动,管涌：当土体级配不连续时，水流可将土体粗粒土孔隙中充填的细粒土带走，破坏土的
21、结构，这种作用称为管涌。长期管涌，会形成地下土洞，土洞由小逐渐变大，导致地表塌陷。,地下水水质,地下水水质对建筑的混凝土可能有侵蚀性，其主要有三种形式：结晶性侵蚀 分解性侵蚀 结晶分解复合性侵蚀（1）结晶性侵蚀：地下水中含硫酸根离子过高对混凝土的侵蚀。判定依据：地下水中pH6.5且c(SO42-)500mg/L，或者pH6.5且c(SO42-)1500mg/L时，可认定为结晶性侵蚀。,（2）分解性侵蚀：地下水的pH较低或侵蚀性CO2含量过高时对混凝土的侵蚀。判定依据：弱透水层（如黏土等）中pH4；强透水层（如中砂或粗砂等）中pH6.5；亦或侵蚀性CO215mg/L时，可认定属于分解性侵蚀。（3）结晶分解复合性侵蚀：即上述两种侵蚀方式并存。在工程地质勘察中，不但要防止地下水的物理破坏（如流土、管涌等），还要防止地下水的化学破坏（如地下水水质侵蚀等）。,地下水水质,
