工程地质学重点

工程地质学（engineering geology）的基本概念：

是介于地学与工程学之间的一门边缘交叉学科。它研究土木工程中的地质问题，也就是研究在工程建筑设计、施工和运营的实施过程中合理地处理和正确地使用自然地质条件和改造不良地质条件等地质问题。工程地质学是为了解决地质条件与人类工程活动之间矛盾的一门实用性很强的学科。

工程地质条件：

由于地质因素对工程建筑的利用和改造有影响，因而把这些地质因素综合称为工程地质条件，建筑场地及其邻近地区的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质、自然地质作用与现象等都是工程地质条件所包含的因素。

工程地质条件与工程建设之间的矛盾问题：

地质条件与人类工程活动之间矛盾

1. 地质环境对工程活动的制约作用。

即地质条件以一定的作用方式影响工程建设。

如：地震、软土地基、岩溶洞穴、滑坡、崩塌……

2. 人类的工程活动又反作用于地质环境。

如：大量抽取地下水引起地面沉降、海水入侵；水库修建诱发地震；人工开挖引起边坡破坏；

工程地质学是地质学的一个分支学科，应用地质学的理论和方法，调查研究和解决工程建设有关的地质问题的科学。研究目的是查明建设地区或建筑场地的工程地质条件，预测和评价可能发生的工程地质问题及对建筑物或地质环境的影响，提出防治措施，以保证工程建设的正常进行。

工程地质问题解决的途径和方法：

工程地质工作的三大支柱：(1)构造地质与岩体结构(2)工程地质力学(3)地质技术

工程地质学的主要研究方法：(1)地质学方法(2)实验和测试方法(3)计算

方法(4)模拟方法

工程地质学的研究内容

1、岩土体的分布规律及其工程地质性质研究

2、不良地质作用(地质灾害)及其防治研究

3、工程地质勘察技术研究

4、区域工程地质研究

二、工程地质学的作用及其发展

第一阶段：第二次世界大战到60年代

第二阶段：到60年代末

第三阶段：80年代以来

1.大力开展地质工程研究

2.加强地质预报研究

3.加强地质体的改造

4.加强环境地质工作

第1章矿物和岩石

概述

地壳（Crust）

地球是一个实心的椭球体，两极稍扁平，赤道部分略向外突出，极半径（Polar radius）约为6365km，赤道半径（Eguatorial radius）约为6378km，平均半径（Average radius）约为6371km。

由于目前勘探手段的限制，我们只能通过地震波来研究地球内部的一些情况。根据地震波在地球内部各部位传播速度的变化，一般将地球内部分为三个基本圈层。

地壳是地球表面很薄的一层硬壳，它的厚度从5公里到40公里不等。一般认为平均厚度为33km，人类工程活动都是在地壳表层进行的，一般都不超过1km。地壳与其下部分的交界面称为莫霍面（Moho）。

地幔（Mantle）

地壳向下是地幔部分，其厚度约为2885km。其与以下部分也存在一个不连续面，叫古登堡面（Gutenberg Discontinuily）。

地核（Core ）

地幔以下的部分称之为地核。

图1-1 地球的内部圈层

§1.1 主要造岩矿物

矿物: 是天然生成的，具有一定物理性质和一定化学成分的物质。目前在自然界中已被发现的矿物多达3000余种。

主要造岩矿物:在岩石中经常见到并明显影响岩石性质，对鉴定和区别岩石种类起重要作用的矿物（约20种）。

一、矿物的形态及主要物理性质

（一）形态

通常，绝大多数矿物呈固态表现，只有个别矿物呈液态（如自然汞Hg）。

不同的矿物常具有不同的形态和特征；同一种矿物在不同的地质条件下，在其自身晶体结构制约的范围内，又常出现不同的结晶习性。

矿物的形态，包括矿物单体、集合体及连生体的形态，我们主要介绍单体和集合体形态。

1．单体形态

矿物单体的形态主要从矿物单体的结晶习性来认识。

在相同的生长条件下，一定成分的同种矿物，总是有着它自己特定的结晶形态。矿物晶体的这种性质，就叫做该矿物的结晶习性。

矿物晶体之所以具有结晶习性，主要是由它的结构和形成条件来决定的。由于矿物在形成过程中，所处的物理、化学条件变化幅度大，再加上相邻各晶体对空间的相互争夺，所以很难成为理想的结晶形态。

固体矿物又可分为结晶质矿物和非结晶质矿物两大类。

（1）结晶质矿物

矿物内部质点呈有规律的周期性排列，形成空间结晶格子构造。而矿物本身形成基本固定的规则形态。

（2）非晶质矿物

矿物内部质点的排列没有规律性，因而不具有规则的几何外形。

非晶质矿物又可分为：

①玻璃质矿物

由高温熔融状物质迅速冷却而成。如火山玻璃。

②胶体质矿物

由分散相和分散媒组成的不均匀分散系中胶体颗粒凝聚而成。如蛋白石。

（3）结晶质矿物的单晶形态

由于矿物在生长发育过程中，在生长速度、空间方向、生长条件的不同，其形态也不相同。

①片状、鳞片状，如云母、绿泥石等。白云母可用作绝缘材料；黑云母可用作高温防护眼镜的镜片。

2、工程地质问题：工程建筑物与工程地质条件之间所存在的矛盾或问题。

3、工程地质条件：与工程建筑物有关的地质条件的综合。包括岩土类型及其工程性质、地质构造、地形地貌、水文地质、工程动力地质作用、天然建筑材料。

4、工程地质学的任务：①阐明建筑地区的工程地质条件；②论证建筑物所存在的工程地质问题；

③选择地质条件优良的建筑场址；④研究工程建筑物兴建后对地质环境的影响；

⑤提出有关建筑物类型、规模、结构和施工方法的合理建议：⑥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。

基本任务：查明工程地质条件；中心任务：工程地质问题的分析、评价

5、工程地质学的研究内容：岩土工程性质的研究，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，区域工程地质研究，环境工程地质研究。

1、活断层的含义：指目前正在活动的断层或是近期曾有过活动而不久的将来可能会重新活动的断层。

2、活断层鉴别标志：地质特征：最新沉积物的地层错开，松散未胶结的断层破碎带。

地貌特征：两种截然不同的地貌单元的分界线。水文地质：沿断裂带泉水，常呈线状分布，且植被发育，有温泉出露。

3、活断层区建筑原则：

建筑为的场址选择一般应避开活动断裂带，尤其是永久性建筑。

线性工程必须跨越活断层时，应尽量使其大角度相交并避开主断层。

尽量将建筑物布置于和断层下盘。

采取与之相适应的建筑物型式和结构措施

1、地震：在地壳表层,因弹性波传播所引起的振动作用或现象。

2、地震烈度：一次地震于某地地面震动强烈程度。

3、地震震级：是衡量地震本身大小的尺度，由地震所释放出来的能量大小所决定。

4、简述地震发生的基本地质条件

①.介质条件：坚硬岩石，聚集能量②.结构条件：活断层的端点、拐点、交汇点等。

③.构造应力条件：现代构造运动强烈的部位，应力集中

5、简述地震效应：

地震作用影响所及的范围内，地表出现的各种震害和破坏。

包括：振动破坏效应，地面破坏效应，斜坡破坏效应。

取决于：场地工程地质条件、震级和震中距、建筑物类型及结构、地质环境

6、场地工程地质条件对震害有哪些影响：

岩土类型及性质：岩性从基岩、硬土、软土，时代有老到新，震害程度由小到大。松软土层厚度：土层厚度越大，震害越大，对于不同建筑程度影响不同。

土层结构：下硬上软的结构震害重，下软上硬的结构震害轻。

地形条件：突出孤立的地形震害加重，而低洼平坦的地形震害相对减轻。

地下水影响：地下水位埋深越浅，震害越大。

1、影响岩石风化的因素：

①气候因素：温度、降水

②岩性因素：矿物成分、岩石性质、化学成分、结构特点

③地质构造：地质结构面、断层带、节理、裂缝面、层理面

④地形5、地壳运动、人类活动

2、防治岩石风化的措施：

表面铺盖（粘土、水泥、沥青材料），化学材料充填（在岩石裂隙中充填化学材料，形成保护膜），植被

1、天然斜坡：赋存在一定地质环境中受各种地质营力作用而演化的自然产物，未经人工改造的地质坡体。

2、人工边坡：由于某种工程活动而开挖或改造形状的斜坡。

3、斜坡变形的形式：1) 卸荷回弹（张力）：卸荷、初始应力释放，产生张裂面(2) 拉裂（拉力）(3) 蠕滑（剪切变形）(4) 弯曲倾倒

4、斜坡破坏的基本类型及特点：

崩塌：1、一般发生在高陡斜坡的坡肩处。2、质点位移矢量沿铅直方向较水平方向大得多。

3、无依附面

4、多是突然发生的、运动较快

滑坡：1.通常是较深层的破环，滑移面深入到坡体内部以至坡脚以下。2.质点位移矢量水平方向大于铅直方向。3.有依附面存在4.滑移速度较慢，多具有整体性。

5、滑坡的识别方法：①航片解译②地面调查(测绘）③勘探

6、崩塌形成的条件：

（1）地质条件：一般坡度大于400～500;厚层坚硬岩石、发育高倾角裂隙时，在裂隙下部有软层配合下，易产生较大崩塌；缓倾角软硬相间的岩层组成的陡坡，常发生局部崩塌。

（2）崩塌的诱发条件：

①.高陡坡，重力作用，引起拉裂变形，导致崩塌。

②.坡脚开挖，掏空，坡脚软岩压裂，因此失去支撑作用。

③.长时间降水，产生水压力或震动等。

④.冻胀后解冻，使土体饱水段强度降低，或产生涨缩现象。

7、影响斜坡稳定性的因素：

内在因素：岩土类型及性质、地质构造、地形地貌

外部因素：振动作用（如地震）、降水（雨、雪）水库蓄水、人类活动（开挖、加载等）、风化、剥蚀作用

8、防治斜坡变形破坏的基本原则及主要措施：

防治原则：以防为主，治理为辅

（1）防预措施：①绕避②拦截③排水④监测预警

（2）治理措施：①排水②削方、堆：格栅（室）护坡③支挡工程④坡面防护⑤固结灌浆

1、地下洞室及其特点：

人工开挖或天然存在岩土内的构筑物。

特点：都要在岩土体内挖出具有一定断面形状或尺寸，并且有较大延伸长度的洞室。

2、脆性围岩及塑性围岩的变形破坏的形式：

脆性：张裂、坍落，劈裂，剪切滑动或剪切破坏，岩爆，弯折内鼓

塑性：挤出，膨胀，涌流和坍塌

3、岩爆及其产生条件：

岩爆是一种剧烈的脆性破坏，常以爆炸形式出现，发生时，抛出大小不等的岩块，大型者常伴有强烈的震动、气浪和巨响。

内因：高能储体的存在且其应力接近于岩体强度。外因：某附加载荷的触发。4、影响地下洞室围岩稳定性的因素：地质构造，岩体的特性及结构，地下水，原岩应力

1、岩溶作用：地下水及地表水对可溶性岩石的破坏及改造作用。

岩溶：岩溶作用以化学溶蚀为主，以机械作用为辅，产生的地貌及水文地质现象的总称。

2、岩溶的发育条件：①具可溶性岩石；②具溶蚀能力的水；③具良好的水的循环交替条件。

3、影响岩溶发育的因素；

碳酸盐岩岩性的影响，气候的影响（降水和温度），地形地貌，地质构造，新构造运动

4、岩溶渗漏的防治措施；

归纳起来有两方面措施：一是降低岩体透水性；二是封堵渗漏通道。常用灌浆、铺盖、堵洞、截渗、疏导、喷等措施。

5、岩溶地基变形破坏的主要形式；地基承载力不足，地基不均匀下沉，地基滑动，地表塌陷

6、岩溶地基的处理措施；

（1）挖填：浅埋洞体，可挖除软弱充填物，回填强度高的土石体。

（2）跨盖：当基础下有小溶洞时，可以采用梁板跨越或用刚性大的平板覆盖，保证基础稳定性。

（3）灌浆加固（4）对于松软覆盖层，可采用夯实等处理办法。

此外，可以改变基础形式。如桩基础，或采取绕避等措施

7、在覆盖型岩溶区，如何根据覆盖层的厚度确定地基的稳定性：

极限状态时：Hk=h+Z+D式中：Hk —极限状态时上覆土层的厚度；h—土洞塌陷至天然平衡拱的高度；D—基础砌置深度；Z—基础底板以下建筑荷载的有效影响深度

当H> Hk时，地基是稳定的

当H< Hk时，地基是不稳定的，是建筑荷载和土洞共同作用的结果

当H< h时，仅土洞的发展就可导致地表塌陷

1、泥石流及泥石流形成条件：发生在山区一种含有大量泥砂、石块的暂时性湍急水流。

一、地形条件：形成区三面环山，一面出口，周围山坡陡峻（30-60度）

流通区狭窄而深切的峡谷或冲沟，谷壁陡峻纵向坡降大

堆积区一般位于山口外或山间盆地边缘，地形较缓

二、地质条件：地质构造复杂、岩石风化破碎、新构造运动活跃、地震频发、崩滑灾害多发地段。

三、气象水文条件：强烈的暂时性地表径流。

2、根据流域形态及物质组成的分类；按照流域形态划分：①标准型泥石流②河谷型泥石流③坡面型泥石流

（2）按泥石流的物质组成分类①水石流②泥石流③泥流

3、泥石流的特征；密度较大，最主要结构是石块、沙砾、泥浆体所组成的格架结构，流态主要有紊动流、扰动流和蠕动流，有直进性，有脉动性。

4、泥石流的防治措施：

生物措施：包括恢复或培育植被，合理耕牧，维持较优化的生态平衡。

工程措施：(1)蓄水、引水工程包括调洪水库、截水沟和引水渠(2)拦挡工程(3)储淤工程（4）支挡工程、有挡土墙、护坡等。(5)排导及绕避工程

5、地面沉降及其诱发因素;:指地面高程降低的地质现象。

因素：1、自然动力地质因素：地球内营力作用：地壳下降、地震、火山活动；地球外营力作用：冻融、易溶盐类的溶解、松散沉积物中水分的蒸发。

2、人类工程活动是诱发高速率地面沉降的重要因素。最为密切的因素是抽取地下液体的活动。

6如何治理

已经出现沉降的地区：

（1）在沿海低平原地带修筑或加高挡潮堤、防洪堤, 防止海水倒灌，淹没低洼地区。

（2）改造低洼地形, 人工填土加高地面。（3）改建城市给、排水系统和输油、气管线

（4）修改城市建设规划, 调整城市功能分区及总体布局。

还未出现沉降的地区：（1）人工回灌（2）限制地下水开采，调整开采方案（开采层次）和幅度（3）寻找新的水源

二、长期观测

由于某些工程地质条件具有随时间变化的特性，如地下水位及地下水化学成分，岩土中的孔隙水压力，季节性冻结层和多年冻结层的温度、物理状态等。仅依靠短时间的试验与观测结果显然是无法得出全面而准确的结论的。因此在某些情况下，适当安排对这些随时间变化的工程地质条件或要素进行长期观测是十分必要的。

对于工程地质条件而言，常遇到的长期观测的问题有：

1．对已有建筑物变形进行的长期观测；

2．对不良地质现象发展过程进行的长期观测；

3．地表水及地下水活动进行的长期观测；

4．对其它特征内容、对象进行相关因素的长期观测。

对于长期观测工作，随着观测设备的更新及自动化水平的提高，比过去变得容易得多了。