岩石及其工程地质性质
岩石的工程地质性质
一、岩石的工程地质性质指标
物理性质 密度，孔隙率，吸水性 力学性质 强度，变形 水理性质 透水性，溶解性，软化性，抗冻性
(一)物理性质
1.密度 岩石单位体积的质量。
2.相对密度 固体岩石的质量与同体积4℃水的质量的比值。
3.岩石的孔隙率 岩石中孔隙、裂隙的体积与岩石总体积的比值。
2.变形模量 应力与总应变的比值。
3.泊松比 轴向压力作用下的模向应变和纵向应变的比值。
(三)水理性质
1.透水性 2.溶解ห้องสมุดไป่ตู้ 3.软化性 4. 抗冻性
二、影响岩石工程性质的因素
1. 矿物成分 2. 结构
岩石按结构分类：结晶联结、胶结物联结 强度上的一般规律：
结构：结晶联结＞胶结物联结 胶结物：
硅质胶结＞铁质胶结＞钙质胶结＞泥质胶结 胶结方式(图1-4)：
接触胶结＞孔隙胶结＞基底胶结
二、影响岩石工程性质的因素
3. 构造 一些强度底、易风化的矿物，多沿一定的
方向富集，或成条带状风布，或成局部的聚集体， 从而使岩石的强度在这些部位出现弱化。
4. 水的作用
5. 风化
4.吸水率 指在常压条件下岩石所吸水分质量与干燥岩石质量 的比值。
(二)力学性质
强度指标
1.抗压强度 岩石在单向压力作用下，抵抗压碎破坏的能力。
2.抗拉强度 岩石单向拉伸时，抵抗拉断破坏的能力。
3.抗剪强度 岩石抵抗剪切破坏的能力。可分为抗剪断强度、抗 剪强度和抗切强度。
(二)力学性质
变形指标
1.弹性模量 应力与弹性应变的比值。
岩石的工程地质性质
(2)岩石的抗拉强度——岩石单向受拉时，能承受的最 大拉应力。 用于岩体稳定性评价
①直接拉伸试验
②劈裂法
t
2Pt
d l
③岩点石荷载的试抗验拉强度远低于其抗压强度
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P64表5-6
(3)岩石的剪切强度——岩石受剪力作用时抵抗剪切破坏 的最大剪应力。岩体稳定性计算必需的参数:C和φ
①抗剪断强度
泊松比μ 工程上，常采用应力—应变曲线上抗压强度50%的应变点
的横向应变与轴向应变之比。
二、单向受力条件下的岩石强度
根据外力的性质
岩石的抗压强度 岩石的抗拉强度 岩石 剪断破坏
为什么岩石破坏的类型只有拉断和剪断 两种，而没有“压坏”的说法？
答： 岩石的破坏实质上是由于岩石内部的某个(些)面
．． ．．
非稳定裂隙扩展至岩石结构破坏阶段：
微裂隙迅速增加和不断扩展，形成局部拉裂或剪裂 面。体积变形由压缩变为膨胀，最终导致岩石结构完全 破坏，但仍具有整体性。
．．
上界应力称为峰值强度（单轴抗压强度）
微裂隙聚结与扩展阶段：
裂隙扩展成分叉状，并相互联合形成宏 观断裂面，应力随应变增加而降低。
． ．
弹性极限（比例极限） 屈服极限 峰值强度（单轴抗压强度） 残余强度
微裂隙及孔隙闭合阶段 A
可恢复弹性变形阶段 B
部分弹性变形至微裂隙 扩展阶段 C 非稳定裂隙扩展至岩石结 构破坏阶段 D 微裂隙聚结与扩展阶段 E
沿破断面滑移阶段 F
微裂隙及孔隙闭合阶段： 裂隙及孔隙逐渐被压密。非线性变形，曲线上凹
工程地质学第1章 岩石及其工程地质性质PPT
• 岩石空隙中有水存在时，水一结冰，体积 膨胀，就产生巨大的膨胀力，使岩石的构 造和联结受到破坏，假设岩石经反复循环 冻融，那么会导致其强度降低。岩石抵抗 冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性。
• 一些常见岩石的物理性质的主要指标，见 表1.3。
• 〔1〕岩石的变形特性
应力-应变曲线
• 1.2 岩石的类型及其特征
• 〔1〕岩浆岩的矿物成分 • 〔2〕岩浆岩的构造与构造 • ①岩浆岩的构造 • 按结晶程度，岩浆岩的构造可分为： • a.全晶质构造〔crystalline〕 • b.非晶质构造〔glassy〕 • c.半晶质构造〔subcrystalline〕
• 按矿物颗粒大小，岩浆岩的构造可分为： • a．等粒构造〔equigranular〕
• 〔1〕变质岩的矿物成分 • 〔2〕变质岩的构造与构造 • ①变质岩的构造 • a.变晶构造〔crystalloblastic〕 • b.变余构造〔palimpsest〕 • ②变质岩的构造 • a.板状构造〔platy〕 • b.千枚状构造〔phyllitic〕 • c.片状构造〔schistose〕 • d.片麻状构造〔gneissic〕
• 可将岩石变形过程划分为4个阶段： • ①微裂隙压密阶段（图中的Oa段）
• ab段〕
• bc段〕
• c点以后〕
• 〔2〕岩石的强度
• 岩石抵抗外力破坏的能力，称为岩石的强 度〔strength〕。岩石的强度单位用Pa表示。 岩石的强度和应变形式有很大关系。岩石 受力作用破坏，有压碎、拉断和剪断等形 式，所以其强度可分为抗压强度、抗拉强 度和抗剪强度等。
• ①珍珠光泽 • ②丝绢光泽
• ③油脂光泽 • ④蜡状光泽 • ⑤土状光泽 • 〔4〕矿物的解理与断口 • 矿物受力后沿一定方向规那么裂开的性质称
1.5岩石的工程地质性质
在风干状态下极限抗压强度的比。用小数表示。其值越小， 表明岩石在水作用下的强度和稳定性越差。
岩石的软化性决定于岩石的矿物成分、结构和构造特征。 岩浆岩和变质岩的软化系数大都接近于1.0；粘土矿物含量 高、孔隙度大、吸水率高的岩石，软化系数越小，如泥灰 岩和页岩。
降低岩石的强度。在工程中应当重视岩石中这些低强度 矿物含量的增长对岩石强度的降低作用。
但也不能简单地认为，含有高强度矿物的岩石，其强度一定就 高。因为岩石受力作用后，内部应力是通过矿物颗粒的直接接 触来传递的，如果强度较高的矿物在岩石中互不接触，则应力 的传递必然会受中间低强度矿物的影响，岩石不一定就能显示 出高的强度。
180~300
岩石名称 辉绿岩
抗压强度 （MPa）
200~350
岩石名称 页岩
抗压强度 （MPa）
10~100
100~250
玄武岩
150~300
砂岩
20~200
180~300
石英岩
150~350
砾岩
10~150
100~250 100~250 80~250
大理岩 片麻岩 灰岩
100~250 50~200 20~200
岩体 = 结构面 + 结构体
岩块的强度高，岩体的强度不一定高。
结构面的发育程度、性质、充填情况以 及连通程度等，对岩体的工程性质有很 大的影响。
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1. 结构面
结构面：存在于岩体中的各种地质界面。
（1）结构面类型： 原生结构面：成岩时形成
沉积结构面：层面、层理、夹层等 火成结构面：原生节理、流纹面、接触面等等 变质结构面：片麻理、片理等等
工程地质-岩石及岩体的工程地质性质幻灯片课件
• 软化性指标是软化系数(softening coefficient)： 在数值上，等于岩石在饱和状态下的极限抗压 强度和在风干状态下的极限抗压强度的比，用 小数表示。其值越小，表示岩石在水作用下的 强度和稳定性越差。软化系数小于0.75的岩石， 认为是软化性强的岩石，工程性质比较差。
• 1）第一变形阶段为图中OA段曲线，属于微裂隙压密阶段， 岩石中微裂隙在压力作用下逐渐被压密，岩石的应力—应 变曲线呈上凹形。
• 2）第二变形阶段为图中AB段曲线，属于弹性变形阶段， 岩石中微裂隙进一步闭合及压密，孔隙被压缩，因而岩石 的应力—应变曲线为曲型的直线形式。曲线上B点所对应
的应力e为弹性极限强度或比例极限。
膨胀试验仪器
岩石的主要物理性质指标
2、岩石的主要力学性质指标
• （1）岩石的变形性质 • 岩石变形有弹性变形、塑性变形和黏性变形三种。 • 1）弹性变形 • 岩石在外力作用下发生变形，当外力撤去后又恢复其原
有的形状及体积的变形称为弹性变形。
• 2）塑性变形 • 岩石在超过其屈服极限外力作用下发生变形，当外力撤
包括孔隙)部分单位体积的重量。在数值上，等于岩石固体颗 粒的重量与同体积的水在4℃时重量的比。其大小，决定于岩
石中矿物的比重及其在岩石中的相对含量。
• （2）重度(容重, unit weight）：指岩石单位体积的重
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。其大小，决定于岩石中矿物 的比重，岩石的孔隙性及其含水情况。
工程地质学-第二章 岩石的工程地质性质-1-岩石的物理性质
吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷支护造 成很大压力。
在公路建筑材料中 Ks→1，石料抗冻性能差， Ks >0.85的 石料寒冷地区不用。
2、岩石的透水性
透水性：在一定的水压作用下，水穿透岩石的能 力。地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石 的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的水压作用下，地下水 可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为岩石的 透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关， 而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。
I d 2 mr / ms %
试验前的试件烘干质量 mr ； 残留在筒内的试件烘干质量 ms 。
3.岩石的膨胀性 评价膨胀性岩体工程的稳定。
1）自由膨胀率：无约
束条件下，浸水后胀变形 与原尺寸 之比 轴向自由膨胀
VH H / H （%）
H——试件高度 径向自由膨胀
VD D / D （%）
n0Leabharlann Vn0 V Ws V
Vn0 Ws
d 2 w
式中：Ws为干燥岩石重量；γd,γw干燥岩石和水的重度。
（3）岩石的饱水系数（Ks）
岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即
Ks
1 2
饱水系数反映了岩石中大开空隙和小开空隙的相对含量。 饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开空隙越少。
Vnb Ws
Ws Vnb1 d1
V W1
w
式中：W s为干燥岩石的重量；γd,γw分别为干燥岩石和水的重度。
（2）岩石的饱水率（ω2）
岩石的饱水率指在高压（150个大气压）或真空
条件下，岩石吸入水的重量Wω2与岩石干重量Ws之比，
即：
岩石及其工程地质性质
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二、地质作用
外力地质作用：由地球外部的能量引起的
由太阳辐射能引起，产生大气环流，形成水的循 环，动植物生长，在运动的过程中改造地表。
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二、地质作用
外力地质作用的营力：
河流的侵蚀； 地下水的潜蚀； 湖泊海洋的冲蚀;
风的吹蚀；
冰川的刨蚀等。
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二、地质作用
河流的侵蚀
亚马逊河流域
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三、矿物的物理力学性质
力学性质
硬度(hardness)：矿物新鲜面抵抗外力刻划的能 力，分为摩氏十级。 “滑石方，萤磷长，石英黄玉刚金刚”。
矿物硬度表
硬度 1 2 3 4 5 6 7 石英 8 黄玉 9 10
矿物 滑石 石膏 方解石 萤石 磷灰石 长石
刚玉 金刚石
一般用摩氏硬度计来决定矿物的相对硬度 野外调查时，常用指甲（2～2.5）、铅笔刀（5～5.5）、 玻璃（5.5～6）、钢刀刃（6～7）鉴别矿物的强度。
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一、岩浆岩
岩浆岩的产状：岩浆岩的空间位置、形态和岩体大
小，以及与周围岩石相接触的关系。
深成岩 侵入岩 岩 浆 岩 喷出岩 浅成岩 中心式喷发 裂隙式喷发
岩基、岩株、岩盖 和岩盆（盘）、岩 床、岩脉、岩墙等 火山锥、熔岩流、 熔岩被
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一、岩浆岩
岩浆岩的产状示意图
①岩基； ②岩株； ③岩盘； ④岩床； ⑤岩墙； ⑥火山颈； ⑦岩脉； ⑧岩被； ⑨火山锥； ⑩熔岩流； ⑪破火山口
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二、地质作用
地震作用(earthquake)
由于地壳运 动引起地球内部 机械能突然释放 时，以弹性波的
形式传播到地表
引起猛烈冲击。
岩石及岩体的工程地质性质
岩石的孔隙率的大小，主要决定于 岩石的 结构构造，同时也受风化作用、岩浆作用、构 造运动和变质作用的影响。
（3）吸水性 岩石的吸水性，反映岩石在一定条件下的吸
2.岩石的主要力学性质
岩石的力学性质是指岩石抵抗外力作用的 性能。岩石在外力作用下，首先发生变形，当 外力增加到某一数值时，岩石便开始破坏。所 以在研究岩石的力学性质时，既要考虑岩石的 变形特性，也要考虑岩石的强度特性。 （1）岩石的变形
岩石典型的应力～应变曲线岩石在外力作 用下产生变形，且其变形性质分为 弹性和塑性 两种。 根据曲率的变化，可将岩石变形过程划 分为四个阶段：
岩石和岩体过去统称岩石。实际上．从工程 地质观点看，岩石是矿物的集合体，没有显著软 弱面的石质材料，岩体则是岩石的地质综合体。 岩石的工程地质性质，是岩体的基础，岩体工程 地质性质，严格受其结构面的控制。
§4.1 岩石工程地质性质
就大多数的工程地质问题来看，岩石的工程 地质性质主要决定于岩体内部裂隙系统的性质及 其分布情况，但岩石本身的性质也起着重要的作 用。岩石的工程地质性质包括 物理性质和力学性 质二个主要方面。
形由压缩转变为膨胀。应力增加，裂隙进一步扩展，岩石局部破损，且破
损范围逐渐扩大形成员通的破裂面，导致岩石“破坏”。c点对应的应力
达到最大值，称为峰值强度或单轴极限抗压强度。
(4)峰值后阶段（图中c点之后） 岩石被环后，经过较大的变形，应力下
降到一定程度开始保持常数，d点对应的应力称为残余强度。
E
由于大多数岩石的变形具有不同程度的弹 性性质，且工程实践中建筑物所能作用于岩石 的压应力远远 低于单轴极限抗压强度。因此， 可在一定程度上将岩石看作 准弹性体，用弹性 参数表征其变形特征。
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岩石及其工程地质性质
主要内容：地球的内部构造、矿物的主要物理性质。
三大类岩石的成因、矿物组成、结构、构造等特征及分类。
岩石的主要物理、力学性质指标、风化岩石的特征。
要求：了解地球的内部构造，了解鉴别矿物的主要依据即矿物的主要物理性质及简单的化学性质等。
了解三大类岩石的成因、成分、结构、构造特征并理解它们的含意以及它们与岩石的工程性质的关系。
了解三大类岩石的亚类分类及常见岩石的主要特征。
了解工程中常用的岩石的物理力学性质指标及含义。
理解岩石风化分带的工程意义。
大地工程自调查、规划设计以至于施工的过程当中均涉及地质学有关的背景知识。
本次讲座系以阐述正确的地质学观念为主，以期给予听讲者于大地工程与地质学上的应用能相辅相成。
主讲人谢敬义先生长期担任台湾电力公司高级专业工程地质师、大学兼任教授及项目地质顾问，各种工程地质与灾变处理实务经验丰硕，相信能为此次讲座带来一趟深入且精彩的地质之旅。
本讲题内容分为三部份。
第一部份先以地质学的发展过程，将希腊、罗马时代开始的古典地质思维历经中世纪、二十世纪以来的传统地质学概念，以迄于目前盛行的板块构造学说之由来等，透过类似历史故事的方式引发工程师的兴趣。
第二部份则以上述地质学发展的架构说明地质学应用时的整体理念，以及与大地工程密切相关的地形学、构造地质学、地层学、矿物与岩石学上等应用的正确观念，并将以台湾的地形与地质特性为主轴，说明其与大地工程上的关系。
最后则以谢先生个人所经历的工程地质案例综合讨论基础工程、坡地工程、大坝工程、隧道工程上实务之工程地质问题及解决对策。
可以给工程师宏观的想法及视野，精采可期。
工程地质
摘要：工程地质学科目前正在经历着前所未有的挑战，工程地质专业处境尴尬，工程地质勘察的市场竞争也有真假之别，工程地质分析与研究的深度和广度严重不足，工程地质新技术新方法的应用尚有较大差距，工程地质在工程建设中留下的隐患具有长期性和隐伏性。
工程地质面临的困境，向工程建设敲响了警钟，也向地质师们提出了更大的难题。
关键词：工程地质岩土工程
工程地质学科的争议
教科书对工程地质学的三种定义：①工程地质学是研究与工程有关的地质问题的科学；
②工程地质学是研究人类工程活动与地质环境相互作用的科学；③工程地质学是研究人类工程建设活动与自然地质环境相互作用和相互影响的一门地质科学。
从以上三种定义的实质中均不难看出，工程地质学强调的工程和地质的关系，研究的是人类工程活动与自然地质环境的相互作用。
但是，近年来工程地质学科却正在经历着前所未有的挑战，工程地质学被异名为岩土工程学，工程地质勘察被称之为岩土工程勘察。
工程界有此呼声，学术界有此呼应，一些大专院校也纷纷效仿，甚至工程地质这个专业在高校也被取消了。
一时间，似乎工程地质已经成了守旧传统，岩土工程才是先进时髦的，才是可以适应市场经济并与国际接轨的。
这是近年来分歧最大的争议。
这些年来工程地质勘察的不景气以及市场竞争的不规范化，工程地质勘察队伍增加了岩土工程的业务是完全必要的，但将岩土工程作为工程地质的救世主，则值得商榷了。
根据笔者的理解，岩土工程是一项工程应用技术，是针对地质体的工程缺陷实施的工程措施而进行的一系列设计和施工过程的总称。
岩土工程的任务是“处理”地质体的工程缺陷,使之满足工程建筑物对地基的工程要求，因此又有“岩土工程处理技术”的别名，说明岩土工程的确是一项实实在在的工程技术。
确立工程地质学是一门独立的学科，尽管也仅仅是本世
纪初的事，并不象数学、物理学、天文学等等著名学科那样历史悠久，然而，之所以将工程地质定义在“学科”这样的高度上，是因为她具备学科的一些基本特性和基本理论，这就是地质学的基本特性和基本理论，换句话说，工程地质学的基本理论就是地质学(当然更包括数学、力学、化学等等)，因此，又将工程地质学界定为地质学的一个分支学科或应用学科，这是符合实际的。
工程地质学的最新定义也是较为全面的：研究人类工程活动与地质环境相互作用的科学。
显然，工程地质与岩土工程尽管有相似之处，但也有天地之别。
如果将岩土工程界定为工程地质学科的一个分支，好象还说得过去；而反过来用岩土工程来代替工程地质，则实在有些牵强附会。
1997年6月20-27日，国际工程地质学会在希腊召开了一次学术讨论会，会上决定将本学会名称改为：国际工程地质学与环境学会。
我国组团15人参加，王思敬任团长。
随后国内也有人提出工程地质学会改名，以便与国际接轨，但一直未获通过。
在近几年的中国地质学会工程地质专委会会议上，学科和学会更名问题的交锋一直也没有停止过。
我国工程地质界的前辈专家学者们多数也不同意更名，认为如此严肃的基础性应用性学科，没有必要放弃自己的传统风格，我国的工程建设任务十分繁重，工程地质学科的研究和发展前景仍然是艰巨和光明的。
工程地质工作的任务
在工程建设中，工程地质工作的任务十分繁重，也异常艰巨，主要任务是：①选址，选择在地质条件上相对最优的工程建筑地区或场地；②评价，阐明工程建筑区或场地的工程地质条件，进行定性和定量的工程地质评价，准确界定工程地质问题；③预测工程建筑物兴建和运用过程中地质条件的可能变化，为研究改善和防治工程地质缺陷的措施提供依据；④调查工程建筑物所需的天然建筑材料等。
工程地质专业的尴尬
工程地质专业是工程建设的基础性专业，没有这个专业，一切工程建设均将成为空中楼阁，这是常识性问题，我们在这里反复强调好象有些多于。
然而，现实确让这一基础性专业处于一个十分尴尬的境地，主要表现在：
工程地质专业本身的特殊性、复杂性和实践性；
专业不景气，社会地位和经济地位与工程地质专业不相适应，工作环境、工作条件的局限，择业行为中的浮躁动机，专业本身的局限性；[page_break]
规程规范存在的问题；
工程地质勘察技术的局限性；
相关专业对工程地质专业的轻视；
长官意志，某些决策者对工程地质专业的无知或轻视；
⑦世人对工程地质专业的不了解与不理解。
在工程建设中的地质教训
由于地质问题而严重影响工程建设的实例太多，教训太深刻，顺手拈来几个实例：
云南漫湾水电站左坝肩顺层滑坡和建材问题；
贵州天生桥二级水电站厂址、隧洞等问题；
贵州东风水电站右坝肩和帷幕线上的岩溶问题；
乌江彭水水利枢纽前期工作重复问题；
雅砻江锦屏二级水电站岩溶地下水问题；
⑥软弱夹层的遗漏对工程建设的重大影响，葛州坝、西津溢洪道等。
工程地质在工程建设中的决定性作用
任何地质条件下都可以建工程，对吗？这个问题也是这些年来工程界的一个热门话题，笔者认为答案是否定的。
陕西东庄水库灰岩坝址渗漏严重不能建坝；
小浪底滑坡性质界定对设计的影响；
天生桥二级水电站移民区是否滑坡对移民安置的影响；
堤防工程中的堤基垂直防渗引起的环境地质问题，有时可能是决定性的；
⑤地质边界条件和地质参数对工程设计的影响。
６.相关学科在工程地质中的应用
①系统工程在工程地质中的应用；
②计算机技术在工程地质中的应用；
③遥感、物探、GPS等；
水工设计施工与工程地质的关系。
清晰的工程概念是地质师所必需的。
潘家铮院士对地质师的要求：应该有系统地学习水工建筑物的基本设计理论，计算方法，以及地基缺陷的影响，各种处理的措施，各种成功和失败的经验；最好补一些数学、力学、水力学、岩土力学、岩石试验、有限元分析和计算机应用等方面的基础课。
五十年代初，由于我国水利水电工程地质专业人才奇缺，一批设计师改行从事工程地质专业的学习和工作，后来大都成为工程地质专业的优秀专家。
实践证明，地质师的工程概念清晰，地质工作会得心应手；反之则可能事倍功半。
工程地质要面对现实着眼未来
汪恕诚部长最近讲话强调：不能老修改设计，因为搞招投标尤其是国际合同，修改设计就意味着被索赔。
修改一个设计，似乎节省了某一个工程量，而索赔量比这个还大，大量修改设计怎么得了？汪部长的这段讲话似乎在批评设计，实则是水利水电工程地质的一个千载难逢的新的契机。
如何理解汪部长的这段话？我们认为首先要搞清楚为什么修改设计，水利工程因为地质问题而修改设计的可以举出若干例子来。
修改设计往往赖地质，我们当然可以理直气壮地说：前期地质工作投入不够，工程地质条件不清楚，地质基础资料不准确，工程地质分析出力不够或分析工作的深度不到家，工程地质问题的界定不明确或界定有错误，学术技术问题得不到广泛的讨论和争论，工程地质问题的真理有时往往掌握在少数人手里。
很明显，要想不修改设计，地质工作必须做到家，基本的地质工作量必须保证。
作为地质师，既要尊重事实，坚持真理，实事求是，还要努力学习，开拓进取，勇于创新，更要勤于实践，不迷信权威，不违心唯上。
工程地质专业的形象靠地质师们去树立，去维护；工程地质专业在工程建设中的地位也只有靠地质师们自己去争取
地质师是当今社会最优秀的人才之一，许多人成不了地质师。
人类的进步，社会的发展，未来的世界，永远也离不开地质师! 忽略了地质工作，怠慢了地质师，人类社会将会受到大自然的无情惩罚！。