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与地质环境的相互关系地

2、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，具表现形式多种多样。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

3、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。m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破坏，具规模常巨大，甚至是区域性的。VI天然建筑材料指土和岩石。要尽可能的就地取材”。研究

4、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；田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；IV研究工程建筑物兴建后对地质环境的影响，预测其发展

5、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；VI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法的研究区域工程地质的研究环境工程地质性质的研

6、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。Vajont水库滑坡Vajont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（56

7、5mm）昌平沙河八仙庄（688mm）大兴榆望一一礼贤（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

8、，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。考虑学时的限制，同学们也可以自学。

9、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）分析方法主要特征巨粒漂石（块

10、石）位d>200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）1位60<d<200粗粒砾粒.砾20<d&60筛分法透水性大，压缩性小，无粘性，有一定毛细性。,砾2<d<20砂粒H砂0.5<d<2中砂0.25<dW0.5W砂0.075<d<0.25细粒粉粒0.005<d<0.075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dw0.005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

11、。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:d6oCu=九Cu越大，曲线越平缓，粒径分布越不均匀。C_d30曲率系数：Cc一(d60dio)Cc<1,中间颗粒偏少，小粒径颗粒偏多。Cc>3,中间颗粒偏多，小粒径颗粒偏少。级配良好的±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

12、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、细粒土。各粒组含量/%士的名称巨粒组>60mm粗粒600.075mm砾粒602mm细粒<0.075巨粒土和含巨粒土巨粒土75100?log?琰苣？U?log?琰苣？U?log?琰苣？U混合巨粒土5075?log?琰苣？U?log?琰苣？U?log?琰苣？U含巨粒的混合土1550?log?琰苣？U?log?琰苣？U?log?琰苣？U粗粒土砾类土<1550100>50?log?琰苣？U砂类土<1550100<50?log?

13、琰苣？U细粒土含砂细粒土<15255025505075粉质细粒土<15<25<2575100练习题1 .取干土重5.10N,通过筛分和水分法测得其结果如表1-1。要求：1）绘制土的级配曲线；2）确定不均匀系数Cu,并判断其级配好坏。表1-1颗粒分析成果表粒径(mm)>22-0.50.5-0.250.25-0.1<0.1<0.05<0.005Mm(N)00.351.252.51.00.830.272 .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。

14、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（mm）2.01.00.50.250.075底盘各级筛上的土粒质里（g）100100250350100100§ 2 土的矿物成分土的矿物成分原生矿物石英、长石、云母等次生矿物有机质粘土矿物无定形氧化物胶体可溶盐原生矿物是岩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

15、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J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J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，以石英最为常见

16、。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。2、CO2、N2土粒对气体的吸附强度：CO2>N2>O2>H2吸附气体气体按存在的状

17、态分为游离气体密闭气体§ 4 土中的结构和构造，称为土的构造。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：在一定土体中，结构相

18、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，称为间接指标试验直接测定的物理性质指标土粒密度Ps和土的比重Gs土粒密度比重定义:单位:定义：的质量之比Gs单位体积土粒的质量,Mg/m3或g/cm

19、3msVs土的质量（或重量）与同体积（无因次）/msVs(?w)4c(：,w)4cs表示4C时纯水msgVs(w)4c土的密度P和容重丫测定方法：环刀法干密度pd干容重丫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。各种密度之间的比较p>p>p>Psatd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100105c下烘干，称干土的质量。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

20、个。砂土的密实性密实程度疏松的中密的密实的相对密度0<Dr&0.330.33<Dr&0.660.66<Dr&1密实程度描述：松、密指标：相对密实度(RelativeDensity)ft标准贯入试验锤重:63.5kg落距:760mm打入深度:300mmII标准贯入数N63.5用!23标箍堂人试验设备1寻心锦话归堂:E写靴拱秤主4一庆人5H具15r出水孔卜6-图泅半IfflJ形普算合而成弟人鼎身F7曜人器靴.密实度松散稍密中密密实N®N<1010<N<1515<N<30N>30习题1 .某地基土试验中，测得土的

21、干重度Td=15.7KN/m3,含水量3=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Sr。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2.71，试计算：天然含水量3,天然重度丫，干重度Td,孔隙比e。3 .测得砂土的天然重度丫=17.6KN/m3,含水量=8.6%,比重ds=2.66,最小孔隙比emin=0.462,最大孔隙比emax=0.71,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。§2细

22、粒土的稠度和可塑性阿太堡界限(Atterberglimit)塑性指数液性指数细粒土的可塑性表示土处于可塑状态的含水率变化范围表达式：ID=WL-wpppIp愈大，说明细粒土可塑性愈强。w-wpp为了说明细粒土的稠度状态。一，w-wp表达式：IL=wLwpp液性指数IL<00<IL<0.250.25<IL<0.750.75<IL<1IL>1稠度状态坚硬硬塑可塑软塑流塑塑性图及其对细粒土的分类C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=18.4KN/m3;干重度yd=13.2KN/m3。液限试验，取湿土14

23、.5g,烘干后重10.3g。搓条试验：取湿土条5.2g,烘干后重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2 .从甲、乙两地土层中各取出土样进行试验，液限coL=40%,塑限3p=25%,但甲地的天然含水量3=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3=40%,塑限、液限试验测得：coL=35%,3=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