建设工程技术与计量土木建筑工程第一章工程地质Word文件下载.docx

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　　2.地下水

　　3.边坡稳定

　　第四节：

工程地质对建设工程的影响

　　1.工程地质对工程选址的影响

　　2.工程地质对建筑结构的影响

　　3.工程地质对工程造价的影响

　　四、本章框架知识体系及分值

章节

分值

第一节

第二节

地下水的特征与类型

第三节

第四节

工程地质对工程建设的影响

　　五、系统讲解

第一节　岩体的特征

　　岩石是矿物的集合体，其特征可以用岩块来表征。

岩体可能由一种或多种岩石组合。

　　工程岩体有地基岩体、边坡岩体和地下洞室围岩三类。

　　一、岩体的结构

（一）岩体的构成

　　1.岩石

（1）岩石的主要矿物

　　岩石中的石英含量越多，钻孔的难度就越大，钻头、钻机等消耗量就越多。

　　1）颜色。

颜色是矿物最明显、最直观的物理性质。

　　2）光泽。

光泽是矿物表面的反光能力，用类比方法常分为四个等级：

金属光泽、半金属光泽、金刚光泽及玻璃光泽。

　　3）硬度。

硬度是矿物抵抗外力刻划、压人或研磨等机械作用的能力。

鉴定矿物常用一些矿物互相刻划来测定其相对硬度，一般分为10个标准等级，如表1.1.1矿物硬度表所列。

　　表1.2.1　矿物硬度表

硬度

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

矿物

滑石

石膏

方解石

萤石

磷灰石

长石

石英

黄玉

刚玉

金刚石

　　在实际工作中常用可刻划物品来大致测定矿物的相对硬度，如指甲约为2～2.5度，玻璃约为5.5～6度，钢刀约为6～7度。

（2）岩石的成因类型及其特征

　　组成地壳的岩石按成因可分为岩浆岩（火成岩）、沉积岩（水成岩）和变质岩三大类。

　　①岩浆岩

　　根据形成条件，岩浆岩分为喷出岩和侵入岩。

侵入岩又分为深成岩（形成深度大于5km）和浅成岩（形成深度小于5km）。

深成岩常形成岩基等大型侵入体，岩性一般较单一，以中、粗粒结构为主，致密坚硬，孔隙率小，透水性弱，抗水性强，故其常被选为理想的建筑基础，如花岗岩、正长岩、闪长岩、辉长岩；

浅成岩多以岩床、岩墙、岩脉等状态产出，有时相互穿插。

颗粒细小，岩石强度高，不易风化，但这些小型侵入体与围岩的接触部位，岩性不均一，节理裂隙发育，岩石破碎，风化蚀变严重，透水性增大，如花岗斑岩、闪长玢岩、辉绿岩、脉岩。

　　②沉积岩

　　经风化、搬运、沉积和成岩等一系列地质作用而形成的层状岩石。

如碎屑岩（如砾岩、砂岩、粉砂岩）、黏土岩（如泥岩、页岩）、化学岩及生物化学岩类（如石灰岩、自云岩、泥灰岩）等。

　　③变质岩

　　变质岩是地壳中原有的岩浆岩或沉积岩，由于地壳运动和岩浆活动等造成物理化学环境的改变，使原来岩石的成分、结构和构造发生一系列变化所形成的新的岩石。

如大理岩、石英岩等。

变质岩的构造主要有板状构造、千枚状构造、片状构造、片麻状构造、块状构造，大理石属于块状构造。

　　三大类岩石的主要区别。

根据上述三大类岩石的特征描述，现将它们之间的主要区别归纳如表1.1.2。

　　表1.1.2岩浆岩、沉积岩和变质岩的地质特征表

　　地质特征

岩浆岩

沉积岩

变质岩

主要矿物成分

全部为从岩浆岩中析出的原生矿物，成分复杂，但较稳定。

浅色的矿物有石英、长石、白云母等；

深色的矿物有黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等

次生矿物占主要地位成分单一，一般多不固定。

常见的有石英、长石、白云母、方解石、白云石、高岭石等

除具有变质前原来岩石的矿物，如石英、长石、云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石等外，尚有经变质作用产生的矿物，如石榴子石、滑石、绿泥石、蛇纹石等

结构

以结晶粒状、斑状结构为特征

以碎屑、泥质及生物碎屑

结构为赞征、部分为成分单

一的结晶结构，但肉眼不易

分辨

以变晶结构等为特征

构造

具块状、流纹状、气孔状；

杏仁状构造

具层理构造

多具片理构造

成因

直接由高温熔融的岩浆形成

主要由先成岩石的风化产物，经压密、胶结、重结晶等成岩作用而形成

由先成的岩浆岩、沉积岩和变质岩，经变质作用而形成

　　2.土

　　土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，在原地残留或经过不同的搬运方式，在各种自然环境中形成的堆积物。

（1）土的组成。

土是由颗粒（固相）、水溶液（液相）和气（气相）所组成的三相体系。

（2）土的结构和构造。

土的结构是指上颗粒本身的特点和颗粒间相互关联的综合特征，一般可分为两大基本类型：

　　①单粒结构。

也称散粒结构，是碎石（卵石）、砾石类土和砂土等无黏性土的基本结构形式，其对土的工程性质影响主要在于其松密程度。

　　②集合体结构。

也称团聚结构或絮凝结构，这类结构为黏性土所特有。

黏性土组成颗粒细小，表面能大，颗粒带电，沉积过程中粒间引力大于重力，并形成结合水膜连接，使之在水中不能以单个颗粒沉积下来，而是凝聚成较复杂的集合体进行沉积。

　　土的构造，是决定勘探、取样或原位测试布置方案和数量的重要因素之一。

整个土体构成上的不均匀性包括：

层理、夹层、透镜体、结核、组成颗粒大小悬殊及裂隙特征与发育程度等。

　　（3）土的分类。

　　①根据有机含量分类。

根据土中有机质含量，分为无机土、有机质土、泥炭质土和泥炭。

　　②根据颗粒级配和塑性指数分类。

根据颗粒级配和塑性指数分为碎石土、砂土、粉土和黏性土。

碎石土是粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土；

砂土是粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土；

黏性土是塑性指数大于10的土。

黏性土分为粉质黏土和黏土；

粉土是粒径大于0.075的颗粒不超过全重50%，且塑性指数小于或等于10的土。

　　③根据地质成因分类。

土可分为残积土、坡积土、洪积土、冲击土、淤积土、冰积土和风积土等。

　　④根据颗粒大小及含量分类。

土可分为巨粒土、粗粒土、细粒土等。

如图1.1.1所示。

　　图1.1.1土的分类与土粒粒径

　　3.结构面

　　结构面的特征是影响结构面强度及其他性能的重要因素。

　　表1.1.3结构面发育程度等级分类表

等级

特征

不发育育

1～2组规则节理，一般延伸长度＜3m，多闭合、五填充

较发育

2～3组规则节理，延伸长度＜10m，多闭合、无充填或有方解石等细脉，少量有岩粉或碎屑充填

发育

一般规则节理多于3组，或有较多不规则裂隙，延伸长度不均匀，多数超过10m，风化者多张开、夹泥

很发育

规则节理多于3组，并有很多不规则裂隙，杂乱无章，裂隙多张开，夹泥，并有延伸较长的大裂隙

　　4.地质构造

（1）水平构造和单斜构造。

　　水平构造，是未经构造变动的沉积岩层，形成时的原始产状是水平的，先沉积的老岩层在下，后沉积的新岩层在上。

　　单斜构造，是原来水平的岩层，在受到地壳运动的影响后，产状发生变动形成岩层向同一个方向倾斜，这种产状变动往往是褶曲的一翼、断层的一盘或者是局部地层不均匀的上升或下降所引起。

　　一般将岩层在空间中的位置定义为岩层产状。

倾斜岩层的产状，是用岩层层面的走向、倾向和倾角三个产状要素，如图1.1.2所示。

一般而言，通过岩层产状的三个要素，可以表达出经过构造后的构造形态在空间的位置。

　　①岩层走向，是指岩层层面与水平面交线的方位角，表示岩层在空间延伸的方向。

　　②岩层的倾向，是垂直走向顺倾斜面引出的一条直线与水平面投影的方位角，表示岩层在空间的倾斜方向。

　　③岩层的倾角，是岩层层面与水平面所夹的锐角，表示岩层在空间倾斜角度的大小。

（2）褶皱构造

　　褶皱构造是组成地壳的岩层受构造力的强烈作用，使岩层形成一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造，它是岩层产生的塑性变形。

绝大多数褶皱是在水平挤压力作用下形成的，但也有少数是在垂直力或力偶作用下形成的。

褶皱在层状岩层中最明显，在块状岩体中则很难见到。

　　在褶皱比较强烈的地区，一般都是线形的背斜与向斜相问排列，以大体一致的走向平行延伸，有规律的组成不同形式的褶皱构造。

工程在褶曲的翼部遇到的基本上是单斜构造，一般没有特殊不良的影响，但对于以下两种情况，则需要根据具体情况进行分析：

　　①对于深路堑和高边坡来说，当路线垂直岩层走向或路线与岩层走向平行但岩层倾向与边坡倾向相反时，对路基边坡的稳定性是有利的。

不利的情况是路线走向与岩层的走向平行，边坡与岩层的倾向一致，尤其是边坡的倾角大于岩层的倾角最为不利。

　　最不利的情况是路线与岩层走向平行，岩层倾向于路基边坡一致，而边坡的倾角大于岩层的倾角。

　　　②对于隧道工程来说，在褶曲构造的轴部是岩层倾向发生显著变化，是岩层受力应力作用最集中的地方，所以在褶皱构造的轴部容易遇到工程地质问题。

一般选线从褶曲的翼部通过是比较有利的。

　　（3）断裂构造

　　根据岩体断裂后两侧岩块相对位移的情况，将其分为裂隙和断层两类。

　　①裂隙

　　裂隙，也称为节理，是存在于岩体中的裂缝，是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造。

一般用裂隙率（岩石中裂隙的面积与岩石总面积的百分比）表示，裂隙率越大，表示岩石中的裂隙越发育。

　　表1.1.4裂隙发育程度分级表

发育程度等级

基本特征

附注

裂隙不发育

裂隙1～2组，规则，构造型，间距在1m以上，多为密闭裂隙。

岩体被切割成巨块状

对基础工程无影响，在不含水且无其他不良因素时，对岩体稳定性影响不大

裂隙较发育

裂隙2~3组，呈X型，较规则，以构造型为主，多数间距大于0.4m，多为密闭裂隙，少有填充物。

岩体被切割成大块状

对基础工程影响不大，对其他工程可能产生相当影响

裂隙发育

裂隙3组以上，不规则，以构造型或风化型为主，多数间距小于。

4m，大部分为张开裂隙，部分有填充物.岩体被切割成小块状

对工程建筑物可能产生很大影响

裂隙很发育

裂隙3组以上，杂乱，以风化型和构造型为主，多数间距小于0.2m，以张开裂隙为主，一般均有填充物。

岩体被切割成碎石状

对工程建筑物产生严重影响

　　注：

裂隙宽度：

密闭裂隙<

1mm；

微张裂隙为1～3mm；

张开裂隙为3～5mm；

宽张裂隙>

5mm。

　　根据裂隙的成因。

将其分为构造裂隙和非构造裂隙两类。

　　①构造裂隙。

在构造分布上有一定的规律性。

　　②非构造裂隙。

裂隙分布零乱，没有规律性。

　　②断层

　　断层是岩体受力作用断裂后，两侧岩块沿断裂面发生显著相对位移的断裂构造。

　　①断层要素。

断层一般由四个部分组成。

　　a.断层面和破碎带

　　b.断层线

　　c.断盘

　　d.断距

　　②断层基本类型。

根据断层两盘相对位移的情况，可分为正断层、逆断层、平推断层。

　　正断层是上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升的断层。

逆断层是上盘沿断层面相对上升，下盘相对下降的断层。

平推断层是两盘沿断层面发生相对水平位移的断层。

　　2010年真题：

61.下盘沿断层面相对下降，这类断层大多是（　）。

　　A.受到水平方向强烈张应力形成的

　　B.受到水平方向强烈挤压力形成的

　　C.断层线与褶皱轴的方向基本一致

　　D.断层线与拉应力作用方向基本垂直

　　E.断层线与压应力作用方向基本平行

[答疑编号950288010201]

『正确答案』BC

『答案解析』

（1）断层要素：

①断层面和破碎带；

②断层线；

③断盘；

④断距。

（2）断层基本类型：

①正断层是上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升的断层。

②逆断层是上盘沿断层面相对上升，下盘相对下降的断层。

③平推断层是两盘沿断层面发生相对水平位移的断层。

其倾角一般是近于直立的，本题是逆断层。

断层线的方向常和岩层走向或褶皱轴的方向近于一致，和压应力作用的方向垂直。

参见教材P8、9。

（二）岩体结构特征

　　1.结构体特征

　　平缓产状的层状岩体中，常将岩体切割成方块体、三角形柱体等。

在陡立的岩层地区，往往形成块体、锥形体和各种柱体。

　　2.岩体结构类型

　　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。

（1）整体块状结构。

这类岩体具有良好的工程地质性质，往往是较理想的各类工程建筑地基、边坡岩体及地下工程围岩。

（2）层状结构。

作为工程建筑地基时，其变形模量和承载能力一般均满足要求。

但当结构面结合力不强，有时又有层间错动面或软弱夹层存在，则其强度和变形特性均具有各向异性特点，一般沿层面方向的抗剪强度明显比垂直层面方向的更低，特别是当有软弱结构面存在时，更为明显。

　　这类岩体作为边坡岩体时，一般来说，当结构面倾向坡外时要比倾向坡里时的工程地质性质差得多。

　　2011年真题：

4.结构面结合力较差的层状结构工程地基岩体的工程特性是（　）。

　　A.沿层面方向的抗剪强度高于垂直层面方向

　　B.沿层面方向有错动比有软弱夹层的工程地质性质差

　　C.结构面倾向坡外比倾向坡里的工程地质性质好

　　D.沿层面方向的抗剪强度低于垂直层面方向

[答疑编号950288010202]

『正确答案』D

『答案解析』层状结构。

作为工程建筑地基时，其变形模量和承载能力一般均能满足要求。

但当结构面结合力不强，有时又有层间错动面或软弱夹层存在，则其强度和变形特性均具各向异性特点，一般沿层面方向的抗剪强度明显比垂直层面方向的更低，特别是当有软弱结构面存在时，更为明显。

参见教材P9。

　　（3）碎裂结构。

层状碎裂结构和碎裂结构岩体变形模量、承载能力均不高，工程地质性质较差。

　　（4）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，可按碎石土类考虑。

　　二、岩体的力学特性

　　岩体的变形通常包括结构面变形和结构体变形。

　　设计人员所关心的主要是岩体的变形特性，岩体变形参数是由变形模量或弹性模量来反映的。

　　岩体的强度既不等于岩块岩石的强度，也不等于结构面的强度，而是二者共同影响表现出来的强度。

但在某些情况下，可以用岩石或结构面的强度来代替。

如当岩体中结构面不发育，呈完整结构时，可以岩石的强度代替岩体强度；

如果岩体沿某一结构面产生整体滑动时，则岩体强度完全受结构面强度控制。

5.工程岩体沿某一结构面产生整体滑动时，其岩体强度完全受控于（　）。

　　A.结构面强度

　　B.节理的密集性

　　C.母岩的岩性

　　D.层间错动幅度

[答疑编号950288010203]

『正确答案』A

『答案解析』如当岩体中结构面不发育，呈完整结构时，可以岩石的强度代替岩体强度；

参见教材P10。

　　三、岩体的工程地质性质

（一）岩石的工程地质性质

　　1.岩石的物理力学性质

（1）岩石的主要物理性质

　　1）重量

　　岩石的重量是岩石最基本的物理性质之一，一般用比重和重度两个指标表示。

　　岩石的比重是岩石固体（不包括孔隙）部分单位体积的重量。

岩石的比重决定于组成岩石的矿物的比重及其在岩石中的相对含量。

　　岩石的重度也称容重，是岩石单位体积的重量，在数值上等于岩石试件的总重量（包括孔隙中的水重）与其总体积（包括孔隙体积）之比。

岩石重度的大小决定于岩石中矿物的比重、岩石的孔隙性及其含水情况。

岩石孔隙中完全没有水存在时的重度，称为干重度；

孔隙全部被水充满时的重度，称为饱和重度。

　　一般来讲，组成岩石的矿物比重大，或岩石的孔隙性小，则岩石的重度就大。

在相同条件下的同一种岩石，重度大就说明岩石的结构致密、孔隙性小，岩石的强度和稳定性也较高。

　　2）孔隙性

　　岩石的孔隙性用孔隙度表示，反映岩石中各种孔隙的发育程度。

未受风化或构造作用的侵入岩和某些变质岩，其孔隙度一般是很小的，而砾岩、砂岩等一些沉积岩类的岩石，则经常具有较大的孔隙度。

　　3）吸水性

　　岩石的吸水性一般用吸水率表示。

岩石的吸水率与岩石孔隙度的大小、孔隙张开程度等因素有关。

岩石的吸水率大，则水对岩石颗粒间结合物的浸润、软化作用就强，岩石强度和稳定性受水作用的影响也就显著。

　　4）软化性

　　黏土矿物含量高、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。

　　用软化系数作为岩石软化性的指标，在数值上等于岩石饱和状态下的极限抗压强度与风干状态下极限抗压强度的比。

其值越小，表示岩石的强度和稳定性受水作用的影响越大。

未受风化作用的岩浆岩和某些变质岩，软化系数大都接近于1，是弱软化的岩石，其抗水、抗风化和抗冻性强。

软化系数小于0.75的岩石，是软化性较强的岩石，工程性质比较差。

　　5）抗冻性　　

　　岩石的抗冻性，有不同的表示方法，一般用岩石在抗冻试验前后抗压强度的降低率表示。

抗压强度降低率小于25%的岩石，认为是抗冻的；

大于25%的岩石，认为是非抗冻的。

2.关于地基岩石软化性的说法，正确的是（　）。

　　A.软化系数>

0.25，工程性质良好

　　B.软化系数<

　　C.软化系数<

0.75工程性质良好

　　D.软化系数>

[答疑编号950288010204]

『答案解析』软化系数值越小，表示岩石的强度和稳定性受水作用的影响越大。

参见教材P11。

（2）岩石主要力学性质

　　1）岩石的变形

　　岩石受力作用会产生变形，在弹性变形范围内用弹性模量和泊桑比两个指标表示。

相同受力条件下，岩石的弹性模量越大，变形越小。

即弹性模量越大，岩石抵抗变形的能力越强。

泊桑比是横向应变与纵向应变的比。

泊桑比越大，表示岩石受力作用后的横向变形越大。

　　岩石并不是理想的弹性体，岩石变形特性的物理量也不是一个常数。

通常所提供的弹性模量和泊松比，只是在一定条件下的平均值。

　　2）岩石的强度

　　岩石的强度是岩石抵抗外力破坏的能力，也以“帕斯卡”为单位，用符号Pa表示。

岩石受力作用破坏，表现为压碎、拉断和剪切等，故有抗压强度、抗拉强度和抗剪强度等。

　　①抗压强度。

抗压强度是岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力，是岩石最基本最常用的力学指标。

所以，岩石的抗压强度相差很大，胶结不良的砾岩和软弱页岩小于20MPa，坚硬岩浆岩大于250MPa。

　　②抗拉强度。

。

岩石的抗拉强度远小于抗压强度，故当岩层受到挤压形成褶皱时，常在弯曲变形较大的部位受拉破坏，产生张性裂隙。

　　③抗剪强度。

抗剪强度是指岩石抵抗剪切破坏的能力，在数值上等于岩石受剪破坏时的极限剪应力。

在一定压应力下岩石剪断时，剪破面上的最大剪应力，称为抗剪断强度，其值一般都比较高。

抗剪强度是沿岩石裂隙或软弱面等发生剪切滑动时的指标，其强度远远低于抗剪断强度。

　　三项强度中，岩石的抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。

抗剪强度约为抗压强度的10%～40%，抗拉强度仅是抗压强度的2%～16%。

岩石越坚硬，其值相差越大，软弱岩石的差别较小。

岩石的抗压强度和抗剪强度，是评价岩石（岩体）稳定性的主要指标，是对岩石（岩体）的稳定性进行定量分析的依据之一。

　　2009年真题：

某岩石的抗压强度是200MPa，其抗剪强度和抗拉强度可能约为（　）。

　　A.100MPa和40MPa

　　B.60MPa和20MPa

　　C.10MPa和2MPa

　　D.5MPa和1MPa

[答疑编号950288010205]

『正确答案』B

『答案解析』抗压强度，抗拉强度，抗剪强度三项强度中，岩石的抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。

岩石越坚硬，其值相差越大。

　　抗剪强度约为抗压强度的10%～40%，为：

20MPa—80MPa；

抗拉强度仅是抗压强度200的2%～16%，4MPa---32MPa。

符合条件的只有B。

参见教材P12。

　　2.岩石的分级

　　由松软至坚实共分为16级。

前四级是土。

（二）土体的工程地质性质

　　1.土的物理力学性质

（1）.土的主要性能参数

（1）土的含水量。

（2）土的饱和度。

土的饱和度是土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比，饱和度Sr越大，表明土孔隙中充水愈多。

Sr<

50%是稍湿状态，Sr在50%～80%之间是很湿状态，Sr>

80%是饱水状态。

　　（3）土的孔隙比。

是土中孔隙体积与土粒体积之比，反映天然土层的密实程度，一般孔隙比小于0.6的是密实的低压缩性土，大于1.0的土是疏松的高压缩性土。

　　（5）土的塑性指数和液性指数

　　碎石土和砂土为无黏性土，紧密状态是判定其工程性质的重要指标。

粉土属于砂土和黏性土的过渡类型。

颗粒小于粉砂的是黏性土，黏性土的工程性质受含水量的影响特别大。

　　黏性土的界限含水量，有缩限、塑限和液限。

液限和塑限的差值称为塑性指数，它表示黏性土处在可塑状态的含水量变化范围。

塑性指数愈大，可塑性就愈强。

黏性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，称为液限指数。

液限指数愈大，土质愈软。

（2）土的力学性质

　　土的力学性质主要是压缩性和抗剪强度。

土的压缩性是土在压力作用下体积缩小的特性。

在土的自重或外荷载作用下，土体中某一个曲面上产生的剪应力值达到了土对剪切破坏的极限抗力时，土体就会沿着该曲面发生相对滑移而失稳。

土对剪切破坏的极限抗力称为土的抗剪强度。

　　2.特殊土的工程性质

（1）淤泥及淤泥质土。

具有高含水量、高孔隙性、低渗透性、高压缩性、低抗剪强度、较显著的触变性和蠕变性等特性。

（2）湿陷性黄土。

在天然含水量时一般呈坚硬或硬塑状态，具有较高的强度和低的或中等偏低的压缩性，但遇水浸湿后，强度迅速降低，有的即使在其自重作用下也会发生剧烈的沉陷。

湿陷性黄土受水浸湿后，在其自重