1第1章工程地质基本知识

1、第1章 工程地质11.1 概述1.4 不良地质条件1.5 地下水1.2 矿物与岩石1.3 第四纪沉积层21.1 概述1.1.1、地质作用 建筑场地的地形、地貌和组成物质（土与岩石）的成分、分布厚度及特性，取决于地质作用。1、内力地质作用： 一般认为是，由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热能等引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用。eg. 岩浆活动，地壳运动（构造运动）和变质作用。 构成天然地基的物质是地壳中的岩石和土。地壳厚度为3080km，它的物质、形态和内部构造是在不断地改造和演变的。导致地壳成分变化和构造变化的作用，称为地质作用。可分为内力地质作用和外力地质

2、作用。32、外力地质作用： 由太阳辐射能和地球重力位能引起。 eg. 昼夜和季节气温变化，雨雪、山洪、河流、冰川、风及生物等对母岩产生的风化、剥蚀、搬运与沉积作用。 昼夜和季节以及气温的变化,可使地表各种原岩不断发生热胀脱离,冷缩开裂等机械破碎。水和水溶液的存在，可使原岩不断发生水化、氧化、碳酸盐化、溶解以及缝隙水冻胀引起崩裂化学变化和机械破碎。动植物和微生物的活动，也可使原岩不断发生机械破碎和化学变化。这种外力（包括大气、水、生物）对原岩机械破碎和化学变化的作用，统称为风化作用。 外力地质作用过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积，是彼此密切联系的。风化作用为剥蚀作用创造了条件，而风化、剥蚀、搬运又

3、为沉积作用提供了物质的来源。41.1.2、地质年代1.1 概述 土与岩石的性质与其生成的地质年代有关。一般说来，生成年代越久，土与岩石的工程性质越好。 地质年代是指地壳开展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相应的时代段落。地球形成至今大约有60亿年的历史，在这漫长的地质年代里，地壳经历了一系列复杂的演变过程，形成了各种类型的地质构造和地貌以及复杂多样的岩石和土。 地质年代有绝对和相对之分，相对地质年代在地史的分析中广为应用。它是根据古生物的演化和岩层形成的顺序，将地壳历史划分成一些自然阶段。分为五大代（太古代、元古代、古生代、中生代和新生代），每代又分为若干纪，每纪又细分为若干世及期。在每一个

4、地质年代中，都划分有相应的地层。地质年代和地层单位、顺序和名称的对应关系如下表。5 通常所说的土: 新生代第四纪更新世（距今约100万年），更新世又分为早更新世（Q1）、中更新世（Q2）、晚更新世（Q3），其后为全新世（Q4）。1.1 概述地质年代和地层单位、顺序、名称的对应关系地质年代代纪世期地层单位界系统阶(层)纪(系)6 二、矿物与岩石的概念 岩石：一种或多种矿物的集合体。 矿物：地壳中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性质、化学成份和形态 (一) 造岩矿物 组成岩石的矿物称为造岩矿物。 矿物按生成条件可分为原生矿物和次生矿物两大类。 区分矿物可以矿物的形状、颜色、光泽、硬度、

5、解理、比重等特征为依据。 （二）岩石 岩石的主要特征包括矿物成分、结构和构造三方面。 岩石的结构岩石中矿物颗粒的结晶程度、大小和形状、及其彼此之间的组合方式。 岩石的构造-岩石中矿物的排列方式及填充方式。 1.2 矿物与岩石71.3 第四纪沉积层 地表的岩石经风化，剥蚀成岩屑，又经搬运、沉积而成的沉积物，年代不长，未经压紧硬结成岩石之前，呈松散状态，称为第四纪沉积层，即土。 根据搬运和沉积的情况不同，可分为以下几种类型：残积层，坡积层，洪积层，冲积层，海相沉积层，湖沼沉积层。 不同成因类型的第四纪沉积物，各具有一定的分布规律和工程地质特性。1.残积层 残留在原地未被搬运的那一局部风化产物。颗粒

6、不能被磨圆或分选，没有层理构造。残积物与基岩之间没有明显界限，其矿物成分很大程度上与下卧基岩一致。由于残积物没有层理构造，均质性很差，颗粒多为棱角状的粗颗粒土，孔隙度较大，作为建筑物地基容易引起不均匀沉降。8坡积层 雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地冲刷剥蚀、顺着斜坡向下移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。自上而下呈现由粗而细的分选现象。其矿物成分与下卧基岩没有直接关系。由于坡积物形成于山坡，常常发生沿下卧基岩倾斜面滑动；还由于组成物质粗细颗粒混杂，土质不均，厚度变化大。新近堆积物，土质疏松，压缩性较大。1.3 第四纪沉积层9 由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流,具有很

7、大的剥蚀、搬运能力。它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲口或山前倾斜平原而形成洪积层。 离山渐远，颗粒变细，分布范围逐渐扩大。其地貌特征是靠山近处窄而陡，离山远处宽而缓，形如锥体，故称为洪积锥（扇）。由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群。3.洪积层1.3 第四纪沉积层102.淤泥夹粘土透镜体1.表土层3.粘土尖灭层4.砂土夹粘土层5.砾石层6.石灰岩层土 的 层 理 构造 洪积物的颗粒虽因搬运过程中的分选作用呈现渐变现象,但由于搬运距离短,颗粒的磨圆度仍不佳。此外，山洪是周期性产生的，每次的大小不尽相同，堆积物质也不一样。因此，洪积物常呈现不规则的层理构造，如具有夹层、尖灭或透镜体等产状。靠

8、近山地或离山较远地段的洪积物的承载力高，而过度地带由于地下水溢出地表造成沼泽地带，土质软、承载力低。1.3 第四纪沉积层11残积层：应注意不均匀沉降和土坡稳定性问题。坡积层：应注意不均匀沉降和地基稳定性问题。洪积层：应注意土层的尖灭和透镜体引起的不均匀沉降。1.3 第四纪沉积层12平原河谷横断面砾卵石中粗砂粉细砂粉质粘土粉土黄土淤泥 4、冲积层 冲积物是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物剥蚀后搬运沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。其特点是呈现明显的层理构造。由于搬运作用显著，碎屑物质由带棱角颗粒经滚磨、碰撞逐渐形成亚圆或圆形颗粒，其搬运距离越长，则沉积物质越细。典型的冲积

9、物是形成于河谷内的沉积物，可分为平原河谷冲积层、山区河谷冲积层、山前平原冲积洪积层、三角洲沉积层等。1.3 第四纪沉积层13山区河谷横断面141.3 第四纪沉积层 5、海相沉积层 151.3 第四纪沉积层 6、湖沼沉积层湖沼沉积层湖相沉积层沼泽沉积层湖边沉积层湖心沉积层161.4 不良地质条件断层节理滑坡河床冲淤岸坡失稳河沟侧向位移171.5 地下水1.5.1、地下水对工程的影响1、基础埋深：通常设计基础埋深D应小于地下水位深度 hw。2、施工排水：当地下水位高，基础埋深D大于地下水位深度时，基槽开挖与基础施工必须进行排水。中小工程可以采用挖排水沟与集水井排水；重大工程应采用井点降低地下水位法

10、。地下水：存在于地面下土和岩石的孔隙、裂隙或溶洞中的水。 建筑场地的水文地质条件主要包括地下水的埋藏条件，地下水位及其动态变化，地下水化学成分及其对混凝土的腐蚀性等。地下水对工程的影响181.5 地下水4、地下室防水。防渗 和倒灌5、地下水水质侵蚀性。6、空心结构物浮起。水池 油罐7、承压水冲破基槽。承压水地区，基槽开挖的深度要考虑承压水上隔水层的自重压力大于承压水的压力，否则使承压水造成流土破坏。 地下水含有各种化学成分，当某些成分含量过多时，会腐蚀混凝土、石料及金属管道。3、地下水位升降：地下水上升，粘性土软化，增大压缩性；地下大幅下降，建筑物下沉或开裂；膨胀土遇水时膨胀，可顶起基础；19

11、1.5.2、地下水分类1.5 地下水按埋藏条件不同，分为三类：1、上层滞水：地表水下渗积聚在局部透水性小的粘性土隔水层上的水。为雨水补给，有季节性。2、潜水：埋藏在地表以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。为雨水、河水补给，水位有季节性变化。一般埋藏在第四纪沉积层及基岩的风化层中。水面标高称为地下水位。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。通常存在于卵石层中，承受一定的静水压力。其埋藏区与地表补给区不一致。因此，承压水的动态变化受局部气候因素影响不明显。20渗流土体内部应力状态变化土体的局部稳定问题土体的整体稳定问题管涌、流土等水库塌岸岸坡、土坝

12、在水位降落时引起的滑动1.5.3 土的渗透性1.5 地下水211.5.3 土的渗透性1.5 地下水（1）概念：地下水通过土颗粒之间的孔隙流动，土体可被水透过的性质称为土的透水性。它说明水通过孔隙的难易程度。应用：工程设计中，计算地基沉降速率，或地下水位以下施工需计算地下水的涌水量，选择排水措施等均应用渗透性指标。（2）土的渗透性规律1、渗透实验与达西定律 法国学者达西（Darcy,H. ）1856年做砂土的渗透实验，发现达西定律。 Q/t=q=kFh/L=kFi v=k iq 单位时间内通过砂层渗流出的水量。i=h/L 水力坡降。v 渗透速度cm/s。k 土的渗透系数cm/s221.5.3 土

13、的渗透性1.5 地下水注意：达西定律中，v 不是某个土孔隙中水的渗流速度，而是水流通过的整个断面上的平均渗流速度。 k的物理意义：单位水力坡降(i=1)时的渗透速度。 影响土渗透性因素：a、土的粒径大小与级配b、土孔隙大小c、土的结构与矿物絮状结相比蜂窝结构具有更大的渗透性：天然沉积的层状粘性土层，由于扁平状粘土颗粒的水平排列，土层水平方向的透水性远大于垂直层面方向的透水性。231.5 地下水层流运动：地下水在土中孔隙或微小裂缝中以不大的速度连续渗透。紊流运动：在岩石的裂隙或空洞中流动时，速度较大。其流线有相互交错的现象。d、土中封闭气体含量 如果土中存在着与大气不相通的气泡或从渗水中别离 出

14、来的气体，它们都会阻塞渗流通道，从而使渗透系数大大减小。因此，为了保证测定渗透系数的试验精度，要求试样必须充分饱和。e、水的动力粘滞系数土的渗透系数与水的重度和动力粘滞系数有关，而这两个数值又取决于水的温度。水的重度随温度的变化不大，可忽略不计。但动力粘滞系数却会随水温发生明显的变化。故密度相同的同一种土，在不同温度下将具有不同的渗透系数。24Henry Darcy 1803 年 6 月 10 日 出生于法国第戎（ Dijon ）。 Darcy 少年时期正值国内政局动乱，因此其学业也不很稳定。 1821 年， 18 岁的 Darcy 进入巴黎工艺学校（ Polytechnic School ）

15、学习， 2 年后入巴黎路桥学校（ School of Bridges and Roads ），该校属法国帝国路桥工兵团，法国许多世界级的科学家如皮托 (Pitot) 、圣文南（ Saint-Venant ）、科里奥利（ Coriolis ）、纳维叶（ Navier ）等都出自该校，其中一些还在该校任教。 Darcy 的一项杰出成就是第戎供水系统的建造。 19 世纪上半叶，大多数城市都没有供水和排水系统，供水依靠马车从城市附近的河流、井、泉运送。 1839 1840 年， Darcy 设计和主持建造了第戎镇的供水系统，它甚至比巴黎的供水系统早了 20 年。为了感谢 Darcy 对家乡的奉献，人们

16、将该镇的中心广场以他的名字命名。 Darcy 拒绝了镇上欲付给他的高额补偿，他最终得到的好处是他本人及亲属可免费用水。 1856 年， Darcy 在经过大量的试验后，于第戎发表了他对孔隙介质中水流的研究成果，即著名的 Darcy 定律。 Henry Darcy25水在土中流动能量消耗力图拖曳土粒水头损失渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗流力、动水压力1.5.3 土的渗透性1.5 地下水2、动水力GD（KN/m3）262、动水力GD（KN/m3）1.5.3 土的渗透性1.5 地下水动水力：水流动时，水对单位体积土的骨架作用的力。是水流对土体施加的体积力。与水流受到土骨架的阻力大小相等而

17、方向相反。静水力：静水作用在水下物体上的力。GD的推导P34GD= wi271点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定有利2点，3点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利4点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利1.5 地下水1.5.3 土的渗透性3、流土和管涌：28按照渗透水流引起的局部破坏特征，渗透变形可分为流土和管涌两种根本形式流土是指在渗流作用下局部土体外表隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流逸出处。基坑或渠道开挖时所出现的流砂现象是流土的一种常见形式29流土30流土：当水流自下而上流动时，动水力方向与重力方向相反，使土颗粒悬浮。当动水力等于或大于土的浮重度时，土粒之间毫无压力，土随水流动。发生在粘性土中。即： wi= ，所以，icr= / w称为临界水力坡降。1.5 地下水1.5.3 土的渗透性 流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出渗流逸出处的水力梯度，就可判别