工程地质讲义.docx

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工程地质讲义

水利水电工程地质

1、工程地质基础2、水利水电工程地质勘察3、勘察技术方法

4、区域构造稳定性5、水库区工程地质6、水工建筑物工程地质

7、边坡工程地质8、地下洞室工程地质9、天然建筑材料

10、特殊岩土体地质11、题型特点与例题

【考试大纲】

⏹掌握岩石的基本知识及岩石主要物理、力学性质指标的定义。

⏹了解断层、软弱结构面的定义、基本分类与特征。

⏹掌握土的工程分类、主要工程特性及其应用。

⏹了解河谷地貌单元及河谷阶地的类型

岩石与岩体的定义

根据中国大百科全书：

⏹岩石：

是矿物的天然集合体。

由一种或多种矿物按一定方式结合而成。

部分为火山玻璃、胶体物质或生物遗体组成。

是地球演化过程中经过各种地质作用形成的固态物质，构成地壳和地幔的主要成分。

⏹岩体：

在地质作用过程中经受过变形和破坏的，由一定岩石成分组成，并具有一定结构的、赋存于一定地质环境中的地质体。

岩体是岩石的集合体，由结构面网络及其所围限的岩石组成。

岩石的成因分类—一级分类

⏹岩浆岩（火成岩）是上地幔或地壳深部产生的炽热粘稠的岩浆冷凝固结形成的岩石。

如花岗岩、玄武岩等。

⏹沉积岩是成层堆积的松散沉积物固结而成的岩石。

在地壳表层，母岩经风化作用、生物作用、火山喷发作用而成的松散碎屑物及少量宇宙物质经过介质（主要是水）的搬运、沉积、成岩作用形成沉积岩。

如灰岩、砂岩等。

⏹变质岩由于地质环境和物理化学条件的改变，使原先已形成的岩石的矿物成分、结构构造甚至化学成分发生改变所形成的岩石。

如片麻岩、大理岩等。

岩石的二级分类

沉积岩见P17表2-2岩浆岩（火成岩）见P16表2-1变质岩见P17表2-3

岩石的强度分类

即按岩石的饱和单轴抗压强度进行分类。

⏹Rb>60Mpa，坚硬岩

⏹60≥Rb>30Mpa，中硬岩或较坚硬岩

⏹30≥Rb>15Mpa，较软岩

⏹15≥Rb>5Mpa，软岩

⏹Rb＜5Mpa，极软岩

岩石的主要物理水理性质指标

⏹岩石颗粒密度（ρP）岩石块体密度（ρ0）软化系数（η）

⏹吸水率（ω）渗透系数（K）孔隙率（n

⏹岩石颗粒密度（ρP）是指岩石的固体部分质量与其体积之比，g/cm3。

⏹岩石块体密度（ρо）是指岩块质量与其体积之比，g/cm3。

按岩块的含水状态，分为干密度（ρd），饱和密度（ρsat）等。

⏹孔隙率（n）是指岩石中孔隙的体积与岩石的体积的比值。

⏹自由吸水率（ωa）：

是指岩石试件在一个大气压和室温条件下自由吸入水的质量与岩石干质量的比值。

⏹饱和吸水率（ωs）：

是指岩石试件强制饱和（煮沸法或真空抽气法）后吸入水的质量与岩石干质量的比值。

⏹饱水系数：

自由吸水率（ωa）与饱和吸水率（ωs）之比。

⏹岩石的吸水率和饱水系数是表征岩石水理性质的重要指标。

岩石吸水率的多少，取决于岩石所含空隙的数量、大小及其张开程度。

⏹根据饱水系数的大小可以判断岩石的抗冻性能，饱水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙少，抗冻性能差

在工程实践中，岩石（岩体）的透水性有两种表达方式：

⏹渗透系数（k）是指水力坡度为1时，水在岩石中流动的速度。

单位为cm/s，也有用m/d。

⏹透水率的单位为吕荣（Lu），即当试验压力为1MPa时每米试段的压入水流量（L/min）。

⏹软化系数是指岩石浸水饱和后的抗压强度与干燥状态下抗压强度的比值。

表示岩石遇水软化的性能，越大软化性能越弱，其抗冻性和抗风化能力强；反之亦然。

岩石的主要力学性质指标

⏹单轴抗压强度（R）抗拉强度（σt）抗剪强度（τ）泊松比（μ）变形模量（E0）

⏹单轴抗压强度（R）是指岩石试件在单向受力破坏时所能承受的最大压应力，单位为MPa。

根据岩石的含水状态，表征岩石抗压强度的指标还有干抗压（RC）、饱和抗压（Rs）等。

⏹抗拉强度（σt）是指岩石试件在单向受拉条件下所承受的最大拉应力，单位为MPa。

常用的试验方法有轴向拉伸法和劈裂法，其中采用劈裂法的较多。

⏹抗剪强度（τ）是指岩石试件受剪力作用时能抵抗剪切破坏的最大剪应力。

由内聚力（c）和内摩擦阻力σ•tgø两部份组成。

一般表达式为τ=σ•tgø+c，单位为MPa。

抗剪强度按试验方法不同，通常分为三种抗剪强度。

⏹抗剪断强度是指在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。

反映了岩石的内聚力和内摩擦阻力之和。

⏹抗剪（摩擦）强度是指在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面剪坏时最大剪应力。

⏹抗切强度是指法向应力为零时沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。

⏹变形模量（E0）是指在单向压缩条件下，岩石试件的轴向应力与轴向应变之比，单位为Mpa。

当岩石的应力—应变为直线关系时，变形模量为一常量，称为弹性模量（E）。

⏹泊松比（μ）是指在单向压缩条件下，岩石试件的横向应变与轴向应变之比。

⏹以上只介绍了岩石的主要特性指标。

除物理、水理性质外，岩体力学研究中还经常涉及到岩石的热学性质，其常用指标有比热容、导热系数、热扩散率等；在力学性质方面，还涉及到岩石的动力学性质、水力学性质等。

在此不再赘述。

土的基本概念

根据中国大百科全书：

⏹土是尚未固结成岩的松、软堆积物；主要为第四纪的产物；土与岩石的根本区别是土不具有刚性的联结，物理状态多变，力学强度低等；由各类岩石经风化作用而成；位于地壳的表层，是人类工程经济活动的主要地质环境；一般由固态、液态、气态三相组成。

土的主要物理水理性质指标

⏹土粒比重（Gs）天然密度（ρ）含水率（ω）渗透系数（k）

⏹孔隙比（e）土的稠度与界限含水率孔隙率（n）

⏹土粒比重（Gs）是指土粒在105~110℃下烘至恒重时的质量与土粒同体积4℃纯水质量的比值。

其试验方法有浮称法、虹吸法和比重瓶法。

⏹土的密度是指土在某种状态下单位体积的质量，单位为g/cm3。

按照土的含水状态，表示土的密度的指标有天然密度（ρ），干密度（ρd）和饱和密度（ρszt）等。

在工程上经常用到重度的概念，如干重度、饱和重度等。

其值等于相应密度乘以重力加速度。

含水率（ω）是指土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比。

通常用百分数表示。

土的密度、比重和含水率均系直接试验参数。

其它很多指标都可通过这三个指标计算得到。

⏹孔隙率（n）是指土中孔隙体积（Vv）与土的总体积（Vs）之比。

通常用百分数表示。

⏹孔隙比（e）是指土中孔隙体积（Vv）与土粒体积（V）之比。

⏹二者都是表示孔隙在土中所占相对体积的指标，反映土的紧密程度。

土的稠度：

细粒土因含水率的变化而表现出的各种不同物理状态，称为细粒土的稠度。

细粒土的稠度状态主要有液态、塑态和固态三种。

⏹土的界限含水率：

由一种稠度状态转变为另一种稠度状态时相应于转变点的含水率称为界限含水率。

⏹液限（WL）是粘土处于可塑状态的上限含水率，相当于液态与可塑状态之间的界限含水率。

⏹塑限（WP）是使粘性土成为可塑状态的下限含水率；

⏹缩限（ws）相当于从半固态转入固态的界线含水率。

⏹塑性指数（IP）是表征土的塑性状态的指标，它反映粘性土具有可塑性的含水率变化范围，间接表明土的强度随含水率改变而变化。

⏹液性指数：

⏹式中w—是土的天然含水率

⏹液性指数（IL）是判断粘土稠度状态的重要指标。

Il≤0坚硬；0

0.751.0流塑

⏹渗透系数（k）是指当土中水渗流呈层流状态时，其流速与作用水力梯度成正比关系的比例系数，单位为cm/s或m/d。

（达西定律）

⏹是水文地质中重要的指标之一，通常由现场试验或室内试验获得

土的主要力学性质指标

⏹压缩系数（a）抗剪强度（τ）灵敏度（St）无侧限抗压强度（qu）

土的压缩性

在压力作用下，土体中的孔隙体积减小，而引起土体积变小的性质。

用压缩系数表征。

压缩系数（a）是指在K0固结试验中，土试样的孔隙比减小量与有效压力增量的比值，即e~p压缩曲线上某压力段的割线斜率，以绝对值表示，单位为Mpa-1

压缩系数的应用

在工程实际中，常以压力段为0.1Mpa至0.2Mpa的压缩系数（α1-2）作为判断土的压缩性高低的标准。

当α1-2<0.1Mpa-1时，为低压缩性；

当0.1Mpa-1≤α1-2<0.5Mpa-1时，为中压缩性；

当α1-2≥0.5Mpa-1时，为高压缩性。

抗剪强度（τ）

⏹土具有的抵抗剪切破坏的极限强度。

抗剪强度参数用摩擦系数和凝聚力表示。

⏹土的剪切破坏可以看作是颗粒之间联结的破坏；颗粒之间的联结强度随剪切面上的有效应力大小而改变，这是土的抗剪强度的主要特征之一。

⏹土的抗剪试验包括直剪试验、三轴剪切试验及十字板剪切试验等，根据试验方法及排水状态有多种抗剪强度指标。

一般根据工程需要和规程规范选用。

无侧限抗压强度（qu）

⏹为土在侧面不受限制的条件下，抵抗垂向压力的极限强度。

⏹σ3=0；σ1=qu=2c×tg（450+0.5φ）

⏹qu—粘性土的无侧限抗压强度

⏹对于饱和软粘土，在不固结不排水的条件下φ=0；因此，饱和软粘土的抗剪强度tf=c=0.5×qu

灵敏度（St）

⏹灵敏度（St）是指原状土的无侧限抗压强度与相同含水率的重塑土的无侧限抗压强度之比。

⏹根据灵敏度指标判断土的灵敏性。

⏹当St<2时为低灵敏，

⏹St=2~4时为一般灵敏；

⏹St=4~8时为灵敏；

⏹St>8时为高灵敏。

土的工程分类

⏹关于土的分类标准，比较混乱，特别对于细粒土，有使用GBJ/145-90《土的分类标准》的，也有用水利系统的三角分类法。

这里介绍GB50021-2001《岩土工程勘察规范》的分类。

⏹土按颗粒级配和塑性指数可分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四类。

土的基本分类

碎石土分类（20表2-6）

名称

颗粒形状

颗粒级配

漂石

块石

圆形及亚圆形为主

棱角形为主

d>200mm的颗粒质量超过总质量的50%

卵石

碎石

圆形及亚圆形为主

棱角形为主

d>20mm的颗粒质量超过总质量的50%

圆砾

角砾

圆形及亚圆形为主

棱角形为主

d>2mm的颗粒质量超过总质量的50%

砂土分类（P20表2-7）

名称

颗粒级配

砾砂

d>2mm的颗粒质量占总质量的25~50%

粗砂

d>0.5mm的颗粒质量占总质量的50%

中砂

d>0.25mm的颗粒质量占总质量的50%

细砂

d>0.075mm的颗粒质量占总质量的85%

粉砂

d>0.075mm的颗粒质量占总质量的50%

粉土分类（P21表2-8）

名称

粘粒含量ρc（%）

粘质粉土

10≤ρc<15

砂质粉土

3≤ρc<10

名称

塑性指数Ip

粉质粘土

10

粘土

Ip>17

地质构造

⏹地质构造是指组成地壳的岩石在力的作用下发生的连续或不连续永久变形的形迹。

褶皱构造和断裂构造是常见的地质构造。

⏹褶皱是岩层受地壳运动的作用形成的连续弯曲现象。

褶皱中的单个弯曲称为褶曲。

褶曲表现为背斜和向斜两种基本形态，它们相间排列构成褶皱

⏹断裂是在构造应力作用下岩体产生的各种破裂的总称，包括节理、劈理和断层三类

断层

⏹断层是破裂面两侧地层或岩体有明显相对位移的断裂构造。

断层的要素

主要有断层面、断层线、断层带、断盘及断距等，

断层的形态分类

断层的其他分类

⏹按断层走向与岩层走向的关系可分为：

走向断层、倾向断层、斜交断层。

⏹按断层走向与褶曲轴向的关系可分为：

纵断层、横断层、斜断层。

河谷地貌的基本形态

⏹阶地按成因可分为：

侵蚀阶地、堆积阶地、基座阶地和埋藏阶地。

⏹其中堆积阶地按堆积的形式又分为上迭阶地和内迭阶地

河谷地貌的基本形态

⏹侵蚀阶地:

岩石面上切割出来的阶地，阶面上没有沉积物。

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