单元1工程地质与勘察

11工程地质与勘察同济大学出版社2目录1.1工程地质常识1.2土的特性1.3工程地质勘察31.1工程地质常识4地质构造在层状岩体中表现最显著，主要有褶皱构造和断裂构造两种基本类型。１．地质年代基本概念把地史划分为5个代，代以下再分纪、世等；与地质时代单位相应的地层单位称界、系、统等。地质时代单位有代、纪、世、期、时。52.第四纪沉积物“沉积土”基本上是在离我们最近的新生代第四纪（Q）形成的（距今约160万年），因此把土称为“第四纪沉积物”。由于沉积历史不长，尚未胶结岩化，通常是松散软弱的多孔体，与岩石的性质有较大的差别。残积土el岩石风化后残留在原地形成的土。洪积土pl由暂时性洪流，将山区高地的碎屑物质携带至沟口或平缓地带堆积形成的土。坡积土dl位于山坡上方的碎屑物质，在流水或重力作用下运移到斜坡下方或坡麓处堆积形成的土。冲积土al碎屑物质经水流搬运，在谷地、平原及河口地带堆积形成的土。淤积土在静水或缓慢流水中堆积而形成的土。冰积土碎屑物质或块石在冰川作用的搬运下，在谷地或沟口堆积所形成的土。风积土岩石风化碎屑物质经风力搬运作用至异地降落，堆积所形成的土。海积土mQ碎石、卵石土、砂土分布于沿岸滨海地带。粘性土在沿海河口，岸滩广泛分布61.地质构造图1-1褶皱要素示意图图1-2背斜和向斜轴面Pivot枢纽翼部翼部向斜背斜轴面轴轴倾没角7图1-3背斜和向斜倒转褶曲平卧褶曲倾斜褶曲直立褶曲褶曲要素:为了正确描述和表示褶曲在空间的形态特征，对褶曲的各个组成部分给予了一定的名称，称为褶曲要素，褶曲要素主要有：8断裂构造图1-4节理1）按与岩层产状的关系分类①走向节理与所在岩层走向大致平行；②倾向节理与所在岩层走向大致垂直；③斜交节理与所在岩层走向斜交。④岩层走向分为二大类，一类是没有或只有微小断裂变位的节理；另一类是沿着断裂面有明显的相对位移的断层。断裂构造是地壳上发育最广泛的地质构造。9断层断层是指岩石在构造应力作用下发生断裂，沿断裂面两侧的岩块发生明显的相对位移的断裂构造。断层倾角下盘断层走向断层面上盘相对移动方向图1-6断层要素10图1-7阶梯状断层图1-8地堑与地垒图1-9叠瓦式构造断层的组合类型11一般将水在空隙中存在的形式分为五种，即：气态水、结合水、毛细水、重力水、固态水。图1-11自然界水的循环图1-10包气带基本概念12岩土按其透水性的强弱分为透水的、半透水的和不透水的三类。表1-3给出常见岩土在常压下按透水程度的分类。表1-3岩土按透水程度的分类透水程度渗透系数k（m/d）岩土名称良透水的10砾石、粗砂、岩溶发育的岩石、裂隙发育且很宽的岩石透水的10～1.0粗砂、中砂、细砂、裂隙岩石弱透水的1.0～0.01粘质粉土、细裂隙岩石微透水的0.01～0.001粉砂、粉质黏土、微裂隙岩石不透水的0.001黏土、页岩2水文地质13地下水分类及其特征按地下水的埋藏条件，可将地下水分为包气带水、潜水和承压水三类；图1-12地下水的埋藏图1-13潜水示意图土壤水包气带表层土壤中的气态水、结合水、毛细水和下渗的重力水统称为土壤水。上层滞水贮存于包气带中局部隔水层之上的重力水称为上层滞水。潜水埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具有自由水面的重力水叫潜水。14承压水充满于两个稳定的隔水层之间的含水层中的重力水称为承压水。其上部的隔水层称作隔水顶板，下部的隔水层称作隔水底板。图1-14地下水的种类15地下水对土木工程的影响（1）地面沉降（2）地面塌陷图1-14a地面塌陷16（3）流砂图1-14b流砂现象引起的破坏17（4）管涌图1-14b管涌现象示意图图1-14c管涌反滤导渗18（5）浮托作用当建筑物基础底面位于地下水位以下时，地下水对基础底面产生静水压力，即产生浮托力。地下水不仅对建筑物基础产生浮托力，同样对其水位以下的岩石、土体也产生浮托力。（6）基坑突涌当基坑下伏有承压含水层时，开挖基坑减小了隔水层顶板的厚度。当隔水层较薄经受不住承压水头压力作用时，承压水的水头压力会冲破基坑底板，这种工程地质现象称为基坑突涌。（7）地下水对混凝土的侵蚀191.2土的特性20物理风化产物，石英、长石、云母等。颗粒粗，为砂、砾组主要成分。（1）原生矿物化学风化产物，颗粒细，为粘粒组的主要成分。（2）次生矿物化学性质稳定，水稳性强。颗粒细，比表面积大，活性大，亲水性强。1.土的三相组成土的固体颗粒——土的矿物成分21a.粘土矿物复合的铝－硅酸盐晶体，片状。高岭石：2322AlO2SiO2HO伊利石：22322KO3AlO6SiO2HO蒙脱石：2322AlO4SiOnHO亲水性：蒙脱石伊利石高岭石b.倍半氧化物及次生二氧化硅c.可溶性次生矿物（3）有机质蒙脱石伊利石伊利石高岭石高岭石22粉粒的矿物成分是多样性的，主要是石英和MgCO3、CaCO3等难溶盐的颗粒；土颗粒的大小和形状在自然界中存在的土,都是由大小不同的土粒组成的，土的粒径由粗到细逐渐变化时,土的性质相应地发生变化。因此可将大小相近，性质相似的颗粒划归为一组，称为粒组，划分粒组的分界尺寸称为界限粒径。常用200、20、2、0.075、0.005mm把土粒分为六大粒组:漂石(块石)颗粒、卵石(碎石)颗粒、圆砾（角砾）颗粒、砂粒、粉粒及粘粒。见下表。粘土的矿物成分主要有粘土矿物、氧化物、氢氧化物和各种难溶盐类，它们都是次生矿物。2320200.075~0.010.1~0.07524土的颗粒级配（粒径级配）土粒大小及其组成情况，通常以土中各个粒组的相对含量（各粒组占土粒总量的百分数）来表示，称为土的颗粒级配。用途：这是决定无粘性土工程性质的主要因素。用它作为确定土的名称和选用建筑材料的重要依据。粒径分析方法颗分试验：（1）筛分法：粒径0.075mm。（2）比重计法或移液管法：粒径0.075mm。颗分曲线：根据颗分试验成果，可以绘制颗粒级配曲线。如下图。2526级配良好的判别：由曲线的坡度大致可判别土的均匀程度，如曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒较均匀；反之，曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，即级配良好。利用不均匀系数Cu和曲率系数Cc定量判别：Cu5级配不良；Cu5级配良好。Cc反应曲线的整体形状，过大或过小都表示缺乏中间粒径。对砂类土，当同时满足3~15=cuCC和时，级配良好。60102301060/dddCddCcu==.27土中的水固态自由水气态液态结合水重力水毛细水强结合水弱结合水土的三相组成——土中的水和气体粘性土的性质基本概念：28（一）土中水：1.结晶水存在于矿物结晶中的水，只有在高温（105C）下，才能从矿物中吸出，故可把它视作矿物本身的一部分。2.结合水受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水。0-毛细水重力水自由水弱结合水强结合水与土粒表面结合的水结合水土粒矿物内部的水-结晶水土中水29粘粒弱结合水自由水强结合水+++++++_______________________+++++++++++++++++++++_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________105oO-2H+H+粘土颗粒水分子极性2.土中的气体30强结合水弱结合水自由水（1）强结合水：没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，牢固地吸附于土粒表面，其性质接近于固体，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度。（2）弱结合水：厚度较强结合水大，具有较高的粘滞度、抗剪强度，仍不能传递静水压力。当含量较多时，使土具有一定的可塑性。3.自由水（1）重力水：在土中流动的水，受重力作用。（2）毛细水：由于水和空气分界处弯液面上产生的表面张力作用，土中自由水从地下水位通过土的细小通道逐渐上升，形成毛细水。它不仅受重力作用而且还受到表面张力的支配。31（二）土中气1.开敞气体：对土无影响；2.封闭气体：使土的渗透性减小，弹性增大和拖延了土的压缩和膨胀变形随时间的发展。2.土的结构和构造（如下图）土的结构：单粒结构；蜂窝结构（粒径0.075~0.005mm）；絮状结构（粒径0.005）。32单粒结构蜂窝结构絮状结构33土的结构变化（1）砂土的振动密实和液化1964年6月16日日本新瀉7.5级地震34分散构造裂隙构造土的构造土的构造分为层理构造、分散构造和裂隙构造。35表示土的三相组成比例关系的指标,称为土的物理性质指标。一、指标定义为了便于说明和计算，用三相组成示意图来表示各部分之间的数量关系。气水土粒3.土的物理性质指标36（一）土粒比重（土粒相对密度）ds111WsW==sssVmdds可用比重瓶法测定,但由于变化幅度不大（2.6~2.8),通常可按经验数值选用，如下表。粘性土土的名称砂土粉土粉质粘土粘土土粒比重2.65~2.692.70~2.712.72~2.732.74~2.76土粒比重参考值37（二）土的含水量%sWmm=含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标，一般用烘箱法测定。（三）土的密度33mtcmgVm或单位=土的密度用环刀法测定。38（四）干密度d、饱和密度sat、和有效密度´mVVmVVmVWssWVssatsd-=´.+==计算自重应力时，须采用土的重力密度，简称重度。土的湿重度、干重度d、饱和重度sat、有效重度´分别按下式计算：g=gdd=gsatsat=g=单位：3/mkN39土的干重度γd(1)表达式：d=固体重力总体积=wsv(2)物理意义：单位体积的土在水分烘干后的重力，即干土的重力密度。(3)常见值：13~18KN/m3(4)工程应用：常用做填方工程中土体压实质量控制的标准。(5)换算公式：γd=1+ωγ402.土的饱和重度γsat(1)表达式：sat=孔隙全部充满水的总重力总体积=wsv(2)物理意义：孔隙中全部充满水时单位体积的重力，即饱和度为100%时的重力密度。(3)常见值：18~23KN/m3+Vvγw(1)表达式：=wsv(2)物理意义：地下水位以下土体受水的浮力作用时单位体积的重力。(3)常见值：8~13KN/m3+Vvγw3.土的有效重度γ′′-vVγw=γsatγw-41（五）孔隙比e和孔隙率n（六）土的饱和度SrsVVVe=%100=VVnV土的孔隙比e和孔隙率n是反映土密实程度的重要物理性质指标，e或n越大，土越疏松，反之土越密实。一般e0.6的土是密实的低压缩性土，e1.0的土是疏松的高压缩性土。%100=VWrVVs砂土根据饱和度的指标值分为稍湿、很湿与饱和三种湿度状态。Sr50为稍湿；50Sr80很湿;Sr80饱和。42令w1=w,Vs=1因所以VV=e,V=1+esVVVe=Wsd==WsssVdmWssWdmm==Wsd+=1m二、指标的换算43基本概念土的物理状态指标，即要研究土的松密和软硬。一、无粘性土的密实度⑴密实度：单位体积土中固体颗粒的含量。⑵密实度指标：a.孔隙比e《规范》以孔隙比e作为砂土密实度的划分标准，分为：密实、中密、稍密、松散四状态。b.标准贯入试验用标准贯入试验锤击数划分砂土密实度。4.土的物理状态指标44c.野外鉴别方法对碎石土，通过观察，根据骨架颗粒含量和排列、可挖性、可钻性将其密实度划分为密实、中密、稍密。d.相对密度DrDr=(emax-e)/(emax-emin),考虑颗粒级配的影响。45(3)砂土的密实度砂土的密实度可用天然孔隙比衡量。一般e小于0.6，属密实的砂土，是良好的天然地基，当e大于0.95时，为松散状态，不宜作天然地基。但未考虑土颗粒级配的影响。若考虑级配因素，可采用相对密实度Dr来表示砂土的密实度：minmaxmaxeeeeDr--=按Dr值可将砂土的密实状