工程地質(zhì)學(xué)(電子版)

1、緒 論講授自然動力及人類活動引起有關(guān)物理地質(zhì)現(xiàn)象方面的基礎(chǔ)知識，以及從工程地質(zhì)角度研究這些動力地質(zhì)現(xiàn)象的基本方法；通過本課程的學(xué)習(xí)，具備解決某些重大工程地質(zhì)實際問題的初步能力；本課程的應(yīng)用性很強，要求學(xué)生盡可能緊密聯(lián)系工程實踐進行學(xué)習(xí)。1、工程地質(zhì)學(xué)概論. 李智毅，楊裕云.中國地質(zhì)大學(xué)出版社。2、工程地質(zhì)分析原理. 張倬元，地質(zhì)出版社3、工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ). 李智毅，王智濟，楊裕云. 中國地質(zhì)大學(xué)出版社4、專門工程地質(zhì)學(xué). 張咸恭，李智毅，鄭達輝，李日國. 地質(zhì)出版社5、巖體結(jié)構(gòu)力學(xué). 孫廣忠. 科學(xué)出版社6、工程地質(zhì)數(shù)值模擬的理論與方法. 唐輝明，晏鄂川，胡新麗. 中國地質(zhì)大學(xué)出版社人類工程活動

2、與地質(zhì)環(huán)境的相互關(guān)系地質(zhì)環(huán)境對工程活動的制約關(guān)系 工程建筑的穩(wěn)定和正常使用 工程活動的安全 工程造價工程活動對地質(zhì)環(huán)境的影響 工程活動規(guī)模愈大，地質(zhì)環(huán)境的變化愈大?？傊刭|(zhì)環(huán)境和工程活動之間是相互聯(lián)系相互制約的，其表現(xiàn)形式多種多樣。 工程地質(zhì)學(xué)的研究對象工程地質(zhì)條件：與工程建筑有關(guān)的地質(zhì)要素的綜合，包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地貌、水文地質(zhì)條件、自然地質(zhì)現(xiàn)象和天然建筑材料等方面。 地層巖性： 工程地質(zhì)條件的最基本要素，任何建筑物都脫離不開土體或巖體。巖土的類型不同，其性質(zhì)有很大差別，工程意義大不一樣。 地形地貌： 地形地貌對建筑場地的選擇，特別是線性建筑線路方案的選擇意義重大，如能合理利用地形地

3、貌條件，不但能大量節(jié)約投資，而且對建筑群中各種建筑物的布局和建筑物的型式、規(guī)模及施工條件也有直接影響。 地形地貌還能反映地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。 地質(zhì)結(jié)構(gòu)： 包括地質(zhì)構(gòu)造、巖土單元的組合關(guān)系及各類結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)和空間分布。 水文地質(zhì)條件： 對工程有影響的因素是：地下水類型，地下水位及其變動幅度，含水層和隔水層的分布及組合關(guān)系，各自的厚度，土層或巖層滲透性的強弱及其滲透系數(shù)，富水性，承壓含水層的特征及水頭。 物理地質(zhì)現(xiàn)象 指對工程建設(shè)有影響的自然地質(zhì)作用和現(xiàn)象。地殼表層經(jīng)常處于內(nèi)動力地質(zhì)作用和外動力地質(zhì)作用的強烈影響之下，對建筑物造成威脅和破壞，其規(guī)模常巨大，甚至是區(qū)域性的。 天然建筑材

4、料 指土和巖石。要盡可能的“就地取材”。 研究巖土體的工程性質(zhì)及其在自然或人類活動影響下的變化是工程巖土學(xué)的基本任務(wù)。工程地質(zhì)問題：工程活動與地質(zhì)環(huán)境相互制約的一些主要形勢。分析這些問題產(chǎn)生的地質(zhì)條件、力學(xué)機制及其發(fā)展演化規(guī)律，以便正確評價和有效防治它們的不良影響，是工程地質(zhì)學(xué)另一專門分支工程地質(zhì)學(xué)的基本任務(wù)。 查明工程地質(zhì)條件并研究查明工程地質(zhì)條件的方法和手段是工程地質(zhì)勘察的基本任務(wù)。 闡明建筑地區(qū)的工程地質(zhì)條件，并指出對建筑物有利和不利的因素； 論證建筑物所存在的工程地質(zhì)問題，進行定性和定量的評價，作出確切結(jié)論； 選擇地質(zhì)條件優(yōu)良的建筑場地，并根據(jù)場地工程地質(zhì)條件對建筑物配置提出建議； 研

5、究工程建筑物興建后對地質(zhì)環(huán)境的影響，預(yù)測其發(fā)展演化趨勢，提出利用和保護地質(zhì)環(huán)境的對策和措施； 根據(jù)所選定地點的工程地質(zhì)條件和存在的工程地質(zhì)問題，提出有關(guān)建筑物類型、規(guī)模、結(jié)構(gòu)和施工方法的合理建議，以及保證建筑物正常施工和使用所應(yīng)注意的地質(zhì)要求； 為擬定改善和防治不良地質(zhì)作用的措施方案提供地質(zhì)依據(jù)。 工程地質(zhì)學(xué)的學(xué)科性質(zhì)和任務(wù)研究地質(zhì)環(huán)境與人類工程活動之間的相互關(guān)系，以便科學(xué)評價、合理利用、有效改造和妥善保護地質(zhì)環(huán)境的科學(xué)；是地質(zhì)學(xué)與工程學(xué)的邊緣學(xué)科，是地質(zhì)學(xué)的一個分支。工程地質(zhì)學(xué)的特點是始終與工程實踐緊密聯(lián)系。工程地質(zhì)學(xué)的分科巖土工程地質(zhì)性質(zhì)的研究工程動力地質(zhì)作用的研究工程地質(zhì)勘察理論和技術(shù)方

6、法的研究區(qū)域工程地質(zhì)的研究環(huán)境工程地質(zhì)性質(zhì)的研究Vajont水庫滑坡1963年10月夜間發(fā)生在意大利北部山區(qū)的Vajont水庫，被公認為是世界上最嚴重的滑坡災(zāi)害。該水庫庫容10億立方米，壩高267米，是當時世界上最高的雙曲拱壩。水庫蓄水造成水庫岸坡地下水位相應(yīng)提高，地質(zhì)環(huán)境發(fā)生急劇變化，2.6億立方米的石灰?guī)r山體以20M/S以上的速度滑入水庫，最大涌浪高度250M，越過壩頂高度達150M，庫水迅速猛瀉向下游。洪水摧毀了下游數(shù)公里以內(nèi)的5個村莊，2600人在夢中死亡。該水庫也因滑坡填入而報廢。北京地面沉降2004年底，北京平原已形成五個地面沉降區(qū) 東郊八里莊大郊亭（722mm） 東北郊來廣營（5

7、65mm） 昌平沙河八仙莊（688mm） 大興榆垡禮賢（661mm） 順義平各莊（250mm)北京地面沉降危害對建筑物的破壞和影響。形成地裂縫，直接或間接惡化環(huán)境。對地下水井設(shè)施的影響。造成地面水準點水準。影響建筑物抗震能力，致使地震災(zāi)害加重。洪澇災(zāi)害加劇，防洪排澇工程效能降低。地面沉降是緩發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害，災(zāi)后恢復(fù)工作很難界定。工程地質(zhì)分析的基本方法自然歷史分析法（定性） 工程地質(zhì)學(xué)最基本的一種研究方法，是其它研究方法的基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)力學(xué)分析法（定量） 數(shù)學(xué)、力學(xué)與地質(zhì)學(xué)的結(jié)合，將工程地質(zhì)分析定量化，是工程評價的定量依據(jù)。模型模擬試驗法（定量+定性） 研究自然地質(zhì)作用的規(guī)律，再現(xiàn)工程地質(zhì)問題產(chǎn)生發(fā)

8、展的全過程，揭示其發(fā)生的力學(xué)機制。工程地質(zhì)學(xué)的內(nèi)容 巖土工程地質(zhì)性質(zhì)研究 土的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造； 土的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)； 各類土的工程地質(zhì)特征； 巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)； 巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)及巖體工程分類。工程動力地質(zhì)作用研究 活斷層和地震工程地質(zhì)研究； 斜坡變形破壞工程地質(zhì)研究； 巖溶工程地質(zhì)研究； 泥石流工程地質(zhì)研究； 河流侵蝕和淤積的工程地質(zhì)研究。工程地質(zhì)學(xué)的學(xué)習(xí)方法在學(xué)習(xí)書本基礎(chǔ)知識的同時，應(yīng)廣泛查閱相關(guān)的文章，參考具體的工程地質(zhì)實例，學(xué)習(xí)其所采取分析方法、治理措施等，掌握對各種工程動力地質(zhì)作用分析研究的思路和方法，能夠用來解決實際問題。本課程以講授為主，同時輔以必要的習(xí)題、作業(yè)?？?/p>

9、慮學(xué)時的限制，同學(xué)們也可以自學(xué)。 第一章 土的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)、構(gòu)造 土：由固體顆粒以及顆粒間孔隙中的水和氣體組成的一多相、分散多孔的系統(tǒng)。土層：土具有成層特征，同一層內(nèi)土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造基本一致，工程地質(zhì)性質(zhì)亦大體相同。土體：由性質(zhì)各異、厚薄不等的若干土層，以特定的上、下次序組合在一起。1 土的粒度成分粒徑和粒組的劃分粒徑：土顆粒的直徑大?。╩m）。粒組：指粒徑在一定區(qū)段內(nèi)其成分及性質(zhì)相似的土粒組別。劃分原則（1）首先考慮到在一定的粒徑變化范圍內(nèi)，其工程地質(zhì)性質(zhì)是相似的，若超越了這個變化幅度就要引起質(zhì)的變化。（2）要考慮與目前粒度成分的測定技術(shù)相適應(yīng)粒組統(tǒng)稱粒組名稱粒徑d范圍（mm） 分

10、析方法 主 要 特 征巨 粒漂石（塊石）粒 d200 直接測定 透水性很大，壓縮性極小，顆粒間無粘結(jié)，無毛細性。卵石（碎石）粒 60d200 粗粒礫粒 粗礫 20d60 篩分法 透水性大，壓縮性小，無粘性，有一定毛細性。細礫2d20砂粒 粗砂0.5d2 中砂 0.25d0.5 細砂0.075d0.25 細粒粉粒 0.005d0.075 靜水沉降原理 透水性小，壓縮性中等，毛細上升高度大，微粘性。粘粒 d0.005 透水性極弱，壓縮性變化大，具粘性和可塑性。粒度成分的測定土的粒度成分：指土中各個粒組的相對百分含量，通常用各粒組占土?？傎|(zhì)量的百分數(shù)表示。目的：進行土粒度成分分類，大致判斷土的工程地

11、質(zhì)性質(zhì)方法：篩分法、靜水沉降法。粒度成分的表示方法 分累積曲線法 圖解法 分布曲線法表示方法 三角圖法表格法不均勻系數(shù)：Cu越大，曲線越平緩，粒徑分布越不均勻。曲率系數(shù)：Cc3，中間顆粒偏多，小粒徑顆粒偏少。級配良好的土 Cu 5 且 Cc=13土按粒度成分的分類礫粒起骨架作用，砂粒、粉粒起充填作用，粘粒起膠結(jié)作用。 土的粒度不同，其性質(zhì)差異較大，土的工程地質(zhì)性質(zhì)在某種程度上可以認為是各粒組性質(zhì)的綜合表現(xiàn)。 粒度成分的分類多種多樣，我國各建設(shè)部門按其工程建筑特點，各擬定了本部門的粒度分類，至今沒有完全統(tǒng)一的通用分類。 通常，粒度分類以兩個粒徑界限值將土粒分為三大組：巨粒土和含巨粒的土、粗粒土、

12、細粒土。土的名稱各粒組含量/巨粒組60mm粗粒600.075mm礫粒602mm細粒0.075巨粒土和含巨粒土巨粒土75100琰茞琰茞琰茞混合巨粒土5075琰茞琰茞琰茞含巨粒的混合土1550琰茞琰茞琰茞粗粒土礫類土50琰茞砂類土155010050琰茞細粒土含砂細粒土15255025505075粉質(zhì)細粒土152522-0.50.5-0.250.25-0.10.10.05伊利石高嶺石礦物成分與粒度成分的關(guān)系粒徑大于0.075mm的各粒組，均由原生礦物所構(gòu)成，其中漂石粒、卵石粒、礫粒，其粒徑往往大于礦物顆粒，多數(shù)是由母巖碎屑構(gòu)成，一般具有的多礦物結(jié)構(gòu)，砂粒與原生礦物顆粒大小近似，往往是由單礦物組成，以

13、石英最為常見。粉粒組由原生礦物與次生礦物混合組成，其中以石英為主，其次為高嶺石及難溶鹽。粘粒組主要由不可溶性次生礦物與腐植質(zhì)組成，有時也含難溶鹽，其中粘土礦物是最常見的礦物。 3 土中的水和氣體土中水的基本類型與特征礦物成分水結(jié)構(gòu)水：以H+和OH-的形式存在于礦物結(jié)晶格架的固定位置上。結(jié)晶水：以分子形式和一定數(shù)量存在于礦物結(jié)晶格架固定位置上。沸石水：以分子形式不定量地存在于礦物相鄰晶胞之間?？紫吨械乃?固 態(tài) 重力水 自由水 毛細水孔隙中的水 液 態(tài) 強結(jié)合水 結(jié)合水 弱結(jié)合水 氣 態(tài) 粘性土的性質(zhì)土體中的氣體：要為O2、CO2 、N2 土粒對氣體的吸附強度： CO2 N2O2 H2 吸附氣體

14、 氣體按存在的狀態(tài)分為 游離氣體 密閉氣體 4 土中的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造土的結(jié)構(gòu)：在一定土體中，結(jié)構(gòu)相對均一的土層單元體的形態(tài)和組合特征,稱為土的構(gòu)造。它包括土層單元體的大小，形態(tài)，排列和相互關(guān)系等方面。土粒間的連接關(guān)系 按水的類型分為：結(jié)合水連結(jié)：通過結(jié)合水膜將相鄰?fù)亮＿B結(jié)起來的形式。毛細水連結(jié)：相鄰?fù)亮Ｓ擅殙毫ψ饔眯纬傻倪B結(jié)。膠結(jié)連結(jié)：由于土中某些鹽類結(jié)晶將土粒膠結(jié)起來的連結(jié)。冰連結(jié)：冰土的暫時性連結(jié)，融化后即失去這種連結(jié)。土的結(jié)構(gòu)類型 巨粒土及粗粒土的結(jié)構(gòu)類型 生成時重力起主要作用，顆粒之間以機械作用為主。細粒土的結(jié)構(gòu)類型 蜂窩狀結(jié)構(gòu) 均粒團聚結(jié)構(gòu)類型 架狀結(jié)構(gòu) 非均粒團聚結(jié)構(gòu)土的構(gòu)造土的構(gòu)造

15、：在一定土體中，結(jié)構(gòu)相對均一的土層單元體的形態(tài)和組合特征,稱為土的構(gòu)造。它包括土層單元體的大小，形態(tài)，排列和相互關(guān)系等方面。 層狀構(gòu)造 分散構(gòu)造 類型 結(jié)核狀構(gòu)造 裂隙狀構(gòu)造 第二章 土的物理性質(zhì)概 念所謂土的物理性質(zhì)就是表示土中三相比例關(guān)系的一些物理量。土的物理性質(zhì)指標不僅可以描述土的物理性質(zhì)和它所處的狀態(tài)，而且在一定程度上反映了土的力學(xué)性質(zhì)。土的物理性質(zhì)指標的分類一類是必須通過試驗測定的，如含水率、密度和土粒比重，稱為直接指標；一類是根據(jù)直接指標換算的，如孔隙比、孔隙率、飽和度等，稱為間接指標 土的密度和容重測定方法：環(huán)刀法干密度d干容重d土烘干，體積要減小，因而土的干密度不等于烘干土的密

16、度。土的干密度或干容重是評價土密實程度的指標，干密度或干容重越大表明土越密實，反之越疏松。常用它來控制填土工程的施工質(zhì)量。 各種密度之間的比較 土的含水率測定方法：烘干法 先稱出天然濕土的質(zhì)量，然后放在烘箱里，在100105下烘干，稱干土的質(zhì)量。 砂土的密實性 密實程度描述：松、密指標：相對密實度 （Relative Density ）密實程度疏松的中密的密實的相對密度0Dr0.330.33Dr0.660.66Dr1習(xí) 題 1.某地基土試驗中，測得土的干重度d=15.7KN/m3,含水量=19.3%,土粒比重Gs=2.71。求:該土的孔隙比e、孔隙度n及飽和度S r。 2.某地基土樣數(shù)據(jù)如下：

17、環(huán)刀體積為60cm3，濕土質(zhì)量0.1204kg，土質(zhì)量0.0992kg，土粒相對密度為2.71，試計算：天然含水量，天然重度，干重度d，孔隙比e。3.測得砂土的天然重度17.6KN/m3，含水量8.6%，比重ds2.66，最小孔隙比emin0.462，最大孔隙比emax0.71，試求砂土的相對密度Dr。4.某工程勘察中，取原狀土60cm3，重99.15g，烘干后重78.05g，比重2.67，求此土的孔隙比飽和度。 習(xí) 題 1.已知某地基土試樣有關(guān)數(shù)據(jù)如下：天然重度 18.4KN/m3；干重度d13.2KN/m3 。液限試驗，取濕土14.5g，烘干后重10.3g。搓條試驗：取濕土條5.2g，烘干

18、后重4.1g，求：(1)確定土的天然含水量，塑性指數(shù)和液性指數(shù)；(2)確定土的名稱和狀態(tài)。2.從甲、乙兩地土層中各取出土樣進行試驗，液限L=40%，塑限p=25%，但甲地的天然含水量=45%，而乙地的=20%,是求甲、乙兩地的地基土的液性指數(shù)IL各是多少?判斷其狀態(tài) 。3.已知某軟土地基的天然含水量=40%，塑限、液限試驗測得：L=35%，=18%，Ip=17%。使用塑性圖法對它們進行分類、并定出土的名稱。 3 細粒土的脹縮性和崩解性細粒土的脹縮性基本概念膨脹性：細粒土由于含水率增加而發(fā)生體積增大的性能。收縮性：由于土中失去水分而體積縮小的性能。產(chǎn)生膨脹的原因：土粒表面結(jié)合水膜厚度增加，弱結(jié)合水含量增加。 土體的脹縮性降低了土體的強度，引起土體變形，從而影響建筑物的安全。細粒土的崩解性崩解性：細粒土由于浸水而發(fā)生崩散解體的性能。崩解時間：一定體積的土樣完全崩解所需要的時間。崩解特征：土樣在崩解過程中的各種現(xiàn)象。崩解速度：土樣在崩解過程中質(zhì)量的損失與原土樣質(zhì)量之比的關(guān)系。粘粒組含量30崩解速度崩解迅速崩解大為減緩崩解最慢各種土滲透系數(shù)參考值土的名稱礫石粗砂中砂細砂粉砂粉土粉質(zhì)粘土粘土K(m/d)5050-2020-55-11-