工程地质学电子版.docx

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工程地质学电子版

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、工程地质学槪论.李智毅，杨裕云.中国地质大学岀版社。

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.地质岀版社

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、地质枸造、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。

II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。

川地质结构：

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，其规模常巨大，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”。

研究岩土体的工程性质及其在自然或人类活动彩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；

II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；

III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——大郊亭（722mm）

东北郊来广营（565mm）

昌平沙河八仙庄（688mm）

大兴榆堂——礼贤（661mm）

顺义平各庄（250mm）

北京地面沉降危害

对建筑物的磁:

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，揭示其发生的力学机制。

工程地质学的内容

君上工程地质性质研究

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。

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

粒咎和粒组的划分

粒轻：

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国内，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）

分方法

析

主要特征

巨粒

漂石（块石）粒

d>200

直

接透水性很大，压缩性极

卵石（碎石）粒

60〈dW200

测定

小，颗粒间无粘结，无毛细性。

砾粗砾

20〈dW60

筛

粗粒

粒细砾

2

分

透水性大，压缩性小，无

紐砂砂粒中砂

0.5〈dW2

粘性，有一定毛细性。

0.25〈dW0.5

法

细砂

0.075

细粒

粉粒

0.005

静

沉

透水性小，压缩性中等，水毛细上升高度大，微粘性。

降

粘粒

dWO.005

原理

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，大致判斷土的工程地质性质

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：

血越大，曲线越平缓，粒径分布越不均匀。

★曲率系数:

AK1,中间颗粒偏少，小粒径颗粒偏多。

S3,中间颗粒偏多，小粒径颗粒偏少.

级配良好的土CuM5且Cc=r"3

土扶粒度成分的分类

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、细粒土。

各粒组含量/%

土的名称

巨粒组＞60mm

巨粒土

75〜100

巨粒土和含巨粒土

混合巨粒土

50〜75

含巨粒的混合土

15〜50

砾类土

<15

粗粒土

砂类土

<15

细粒土

含砂细粒土

<15

租柱60〜

、八砾粒60—2mm饲粒＜0.075

0.075inn

＜羿log废敏羿log废激畀log废夸□琰苣P浪含□琰苣P漩夸□琰苗P浪

••••••

UUU

＜羿log废敏羿log废激畀log废夸□琰苣p浪含□琰苣p漩夸□琰苗p浪

••••••

UUU

50〜100

>50

跛疙log废夸□琰苣P浪

••

11

50〜100

<50

跛疙log废夸□琰苣P浪

••

U

25〜50

25〜50

50〜75

繳羿log废跛薜log废跛畀log＜夸□琰苣p渡夸□琰苣p漩夸□琰苣p泯

粉质细粒土<15

<25

<25

75〜100

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

要求：

1）绘制土的级配曲线；

2）确定不均匀系数Cu,并判斷其级配好坏。

^1-1颗粒分析成果表

<0.05<0.005

重量（N）0

0.351.252.51.0

0.830.27

粒径（mm）>22-0.50.5-0.250.25-0..1<0.1

2.三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的有效粒您比B大；

3）C所含的粘粒百分率倉多。

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算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）

2.01.00.5

0.250.075底盘

各级筛上的土粒质量（g）

100100250350

100100

§2土的矿物成分

土的矿物成分

原生矿物

次生矿物

有机质

石英、长石、云母等

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砺:

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、高岭石和伊利石（或水云母）三种。

高冷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＞伊利石〉高冷石

矿物成分与粒度成分的关系

粒径大于0.075imi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。

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0H-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

孔隙中的水

固液

态

态

自由水

结合水

重力水

毛细水

强结合水弱结合水

气

态

粘性土的性质

土体中的气体：

要为。

2、C02

>n2

土粒对气体的吸附强度：

C02

>N2>02>h2

吸附乞体

气体按存在的状态分为

游离乞体

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：

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

§7土的痿本豹理性虜

•:

・为便于说明这些物理性质指标的定义和它们的换算关系,常用三相图表示土体内三相的相对含量。

V:

土的总体积（cm3）

Vs:

土中固体颗粒的体积

Vv:

土中孔隙的体积

Vir:

土中水的体积（cnP）

Va:

土中气体的体积

M:

土的总质量（0

Ms:

土的固体颗粒的质■:

Mw:

土中水的质量（g）

Ma:

土中空气的质量（g）

试验直接测定的物理性质指标

-*•*＜戏p.和土的比芟乡

土定义：

单位体积土粒的质量，用"表示

粒单位：

Mg/m3或g/cnP

密m

ZfcP，=百

S

定义：

土的质量（或重量）与同体积49时纯水的质量之比（无因次）

比

*g=佟〜•一g=m…KX（几）壮（久山'匕X（人）壮

❖测定方法：

比重瓶法，事先将比重瓶注满纯水，称瓶加水的质量E-然后把烘干土若干克（EJ装入空比重瓶内，再加纯水至满,称瓶加水加土的质量也，按下式计算土粒比重

定义：

单位体积土的质：

as用*表示

付2Mg/irP或g/cm3

tntns++ma

表达式：

"才V+,+/

°s1Kvv1a

定义；单位体积土的重量，用厂表示单位二KN/ni3

Wmxg

表达式=V=—=pxg

土的密度p和容重Y

测定方法：

环刀法

干密度Qd干容重Yd

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董。

各种密度之间的比校

Psat>P>Pd>P

<-侖zK啥:

土H■水门勺炳Jit与土米立加L七.-A育刁A数盘示

<-衣土m3

w="fX1OO%

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100〜105©下烘干，称干土的质量。

间接换箕的物理性质摘标

〜土的孔糜血。

❖定义：

上小扎隙的休积与上*工的休积之比，以小数表示

❖定义：

土中的孑L隙的彳本积与土的曲体积之比，以百分数表示

表达武：

❖定义：

土中孑U頌水的彳本科丄与孑L砌M本利4之比，以百分数表示

S=―^-X1OO%

'匕’

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个。

et-sff的窠孔庇孔4矣

孔隈

1

<

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1|+<

千誉；a；鸟诞誉凌升介*卑4矣＜

P

14-w

=〜（D

砂土的密实性

密实程度描述：

松、密，

指标：

相对密实度D>=—

（RelativeDensity）・

密实程度

疏松的

中密的

密实的

相对密度

（KDrWO.33

0.33

0.66

标准贯入试验

iji1-23标准rt入

试班设备

1穿心極亡沛哝山蚀按幵：

4—M人｛*头.5-出水孔$6由朗半Ifi形伶井合ifUrAK入iS自'

7炭入；》脱・

密实度

松散

稍密

中密

密实

NC10

10

15VNW30

N>30

锤重:

63.5kg落距：

760nmi打入深度：

300nun标准贯入数N63.5

习题

1.某地基土试验中，测得土的干重度Yd=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Yd,孔隙比e。

3.测得砂土的天然重度y=17.6KN/m3,含水量3=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，职原状土60cm3,重99.15g,烘干后重78.05g,比重2.67,求此土的孔隙比饱和度。

§£如耘土的钊廈知可塑住

阿太堡界限（Atterberglimit）

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:

IP愈大，说明细粒土可塑性愈强。

为了说明细粒土的稠度状态。

表达式:

w—wp

液性指数

AW0

火/声0.25

0.25

0.75<1^\

几>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

—―

A线：

p[—|-

fP=（1.73（叫一20）

"找：

50%

!

c

H

/

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7

Cl

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CL

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MHMHO

二T

严10

J

Ml

T

CLf

严6|

1

10203

少40506070

）9

010011

50

30

C——粘土

M——粉土

H——高液限

L——S液限

0有机土

习题

1.已知某地基土试样有关数据如下：

①天然重度Y=18.4KN/m3;干重度Yd=13.2KN/m3。

②液限试验，取湿土14.5g,烘干后重10.3go③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）确定土的名称和状态。

2.从甲、乙两地土层中各取出土样进行试验，液限u）L=40%,塑限wp=25%,但甲地的天然含水#co=45%,而乙地的U）=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#w=40%,塑限、液限试验测得：

wL=35%,u）=18%,Ip二17%。

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。

表征膨胀性的指标

・自由膨胀率：

人工制备的干土，在水中增加的体积与原体积的比。

V-V

5=——X100%X）

•:

•膨胀率：

土样在一定压力下，浸水膨胀稳定后所增加的体积与原体积之比。

（室内无侧胀膨胀仪）。

备=乞二^.xlOO%

•:

•膨胀力：

土样的体积不变时，由于浸水膨胀产生的最大内应力。

表征收缩性的指标

❖体缩率：

土样收缩减小的体积与收缩前体积的比值。

»=v°~^-xioo%

Vo

❖线缩率：

土样收缩后的高度减小量与原高度之比。

6=/?

0~/?

xlOO%ho

收缩系数：

原状土样在直线收缩阶段，含水量减少1%时的竖向线缩率。

人5

入=—xlOO%

Aw

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％

<20

20〜30

>30

筋解速度

崩解迅速

崩解大为减缓

崩解最慢

§彳土的傕水性如笔佃性

土的透水性

❖透水性：

水在土孔隙屮渗透流动的性能。

达西定律（层流）

v=KI

哲才定律（紊流）

各种土渗透系数參考值

速度与水力坡度的关系[-砂土沱一细检土

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）

>50

50-20

20-5

5-1

1-0.5

0.5-0.1

0.1-0.01

<0.01

按渗逢系数（K）对土的透水程度分级

透水性强弱分级

极强透水

强透水

中等透水

弱透水

极弱透水

K（m/d）

>10

10-1

1-0.01

0.01-0.001

<0.001

彩响土的透水性的因素

1•粒度成分：

细粒土含量越多，土的透水性越弱。

2•矿物成分：

原生矿物成分不同，土中孔隙的形态不同，土的透水性不同,

浑圆石英〉尖角石英〉长石〉云母

粘土矿物成分不同，形成的结合水膜厚度不同，土的透水性也不同，亲水性粘土矿物成分越多，土的透水性越低。

3.土的密度