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. 中国地质大学出版社人类工程活动

2、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。 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。 地形地貌： 地形地貌对建筑场地的选择，特别是线性建筑线路方案的选择意义重大，如能合理利用地形地

3、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。 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。 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。 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破坏，其规模常巨大，甚至是区域性的。 天然建筑材

4、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。 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； 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； 选择地质条件优良的建筑场地，并根据场地工程地质条件对建筑物配置提出建议； 研

5、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； 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； 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

6、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，2.6亿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。该水库也因滑坡填入而报废。北京地面沉降2004年底，北京平原已形成五个地面沉降区 东郊八里庄大郊亭（722mm） 东北郊来广营（5

7、65mm） 昌平沙河八仙庄（688mm） 大兴榆垡礼贤（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

8、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

9、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（mm）。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）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（mm） 分

10、析方法 主 要 特 征巨 粒漂石（块石）粒 d200 直接测定 透水性很大，压缩性极小，颗粒间无粘结，无毛细性。卵石（碎石）粒 60d200 粗粒砾粒 粗砾 20d60 筛分法 透水性大，压缩性小，无粘性，有一定毛细性。细砾2d20砂粒 粗砂0.5d2 中砂 0.25d0.5 细砂0.075d0.25 细粒粉粒 0.005d0.075 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 d0.005 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

11、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：Cu越大，曲线越平缓，粒径分布越不均匀。曲率系数：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、

12、细粒土。土的名称各粒组含量/巨粒组60mm粗粒600.075mm砾粒602mm细粒0.075巨粒土和含巨粒土巨粒土75100琰茞琰茞琰茞混合巨粒土5075琰茞琰茞琰茞含巨粒的混合土1550琰茞琰茞琰茞粗粒土砾类土50琰茞砂类土155010050琰茞细粒土含砂细粒土15255025505075粉质细粒土152522-0.50.5-0.250.25-0.10.10.05伊利石高岭石矿物成分与粒度成分的关系粒径大于0.075mm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

13、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。孔隙中的水 固 态 重力水 自由水 毛细水孔隙中的水 液 态 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 N2O2 H2 吸附气体

14、 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

15、：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。 层状构造 分散构造 类型 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，而且在一定程度上反映了土的力学性质。土的物理性质指标的分类一类是必须通过试验测定的，如含水率、密度和土粒比重，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 土的密度和容重测定方法：环刀法干密度d干容重d土烘干，体积要减小，因而土的干密度不等于烘干土的密

16、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。 各种密度之间的比较 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下烘干，称干土的质量。 砂土的密实性 密实程度描述：松、密指标：相对密实度 （Relative Density ）密实程度疏松的中密的密实的相对密度0Dr0.330.33Dr0.660.66Dr1习 题 1.某地基土试验中，测得土的干重度d=15.7KN/m3,含水量=19.3%,土粒比重Gs=2.71。求:该土的孔隙比e、孔隙度n及饱和度S r。 2.某地基土样数据如下：

17、环刀体积为60cm3，湿土质量0.1204kg，土质量0.0992kg，土粒相对密度为2.71，试计算：天然含水量，天然重度，干重度d，孔隙比e。3.测得砂土的天然重度17.6KN/m3，含水量8.6%，比重ds2.66，最小孔隙比emin0.462，最大孔隙比emax0.71，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2.67，求此土的孔隙比饱和度。 习 题 1.已知某地基土试样有关数据如下：天然重度 18.4KN/m3；干重度d13.2KN/m3 。液限试验，取湿土14.5g，烘干后重10.3g。搓条试验：取湿土条5.2g，烘干

18、后重4.1g，求：(1)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L=40%，塑限p=25%，但甲地的天然含水量=45%，而乙地的=20%,是求甲、乙两地的地基土的液性指数IL各是多少?判断其状态 。3.已知某软土地基的天然含水量=40%，塑限、液限试验测得：L=35%，=18%，Ip=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，引起土体变形，从而影响建筑物的安全。细粒土的崩解性崩解性：细粒土由于浸水而发生崩散解体的性能。崩解时间：一定体积的土样完全崩解所需要的时间。崩解特征：土样在崩解过程中的各种现象。崩解速度：土样在崩解过程中质量的损失与原土样质量之比的关系。粘粒组含量30崩解速度崩解迅速崩解大为减缓崩解最慢各种土渗透系数参考值土的名称砾石粗砂中砂细砂粉砂粉土粉质粘土粘土K(m/d)5050-2020-55-11-