工程地质学第3章.

江西理工大学应用科学学院工程地质学第3章主讲教师李肖锋第3章地质构造及其对工程的影响3.1水平构造和单斜构造3.2褶皱构造3.3断裂构造3.4不整合3.5岩石与岩体的工程地质性质本章主要内容地质构造是地壳运动的产物。我们把构造变动在岩层和岩体中遗留下来的各种构造形迹，称为地质构造。地质构造规模有大有小，大的如构造带，可纵横数千公里；小的如岩石的片理。特点：规模大小不一在形成、发展和空间分布上，有规律性区域构造的复杂性本章主要讨论一些简单和典型的基本构造形态。3.1水平构造和单斜构造1、有的工程地质学教程或著作将地质构造划分为两种基本形式：褶皱构造和断裂构造，但也有很多的将地质构造划分为三种形式：褶皱构造、倾斜构造和断裂构造。2、水平构造：未经构造变动的沉积岩层，其形成时的原始产状是水平的，先沉积的老岩层在下，后沉积的新岩层在上，称为水平构造。水平构造3、一般认为，倾斜构造是原来水平或近水平沉积的地层，在地壳运动的影响下产状改变而发生倾斜变化，此时岩层面与水平面就有了一定的倾角，成为具有倾斜构造的岩层。但不可否认，自然界中有的地层在沉积中就是倾斜的，例如洪积地层。这样的地层如果在其后的漫长地质岁月中变质成岩，其产状显然也是倾斜的。除此以外，还有的地层在大的空间范围内可能属于褶皱构造，是一个背斜或一个向斜的一翼岩层，但在一定的工程范围内，则表现为单向倾斜的构造形式。这样的地层对某个具体工程而言，显然也可作为倾斜构造来看待。因此，广义的倾斜构造应包括上述所有三种情况。单斜构造：原来水平的地层，在受到地壳运动的影响后，岩层向同一个方向倾斜，称为单斜构造。（褶皱的一翼、断层的一盘等）图3-1单斜构造（北京西山野溪南剖面）O2—中奥陶纪石灰岩；C2—中石炭纪砂页岩；C3—中石炭纪砂页岩3.1.1岩层产状岩层产状：岩层的空间位置1.走向：岩层层面与水平面交线的方位角。表示岩层的空间延伸方向2.倾向：垂直走向顺倾斜面向下引出的一条直线，此直线在水平面的投影的方位角。（走向与倾向垂直）3.倾角：岩层层面与水平面所夹的锐角，称为岩层倾角。见下面图图3-2、图3-3岩层产状要素示意图图3-2岩层产状要素AB—走向；CD—倾向；ɑ---倾角图3-3岩层产状要素示意图3.1.2岩层产状的测定及表示方法1、倾斜岩层产状的测量方法倾斜岩层的产状在野外是用地质罗盘仪来测量的。（1）测走向：将罗盘仪的长边(平行南北刻度线的仪器外壳的边缘)紧靠岩层层面，调整罗盘位置使水准气泡居中，待磁针静止，读指北针或指南针所指的方位角度数，就是走向的方位。（2）测倾向：将罗盘仪的短边(如用刻度盘南端)紧靠岩层层面，罗盘北端则指向岩层倾斜方向，调整罗盘位置使水准气泡居中，待磁针静止，读指北针所指的方位角度数，就是所测之倾向方位。（3）测倾角：将罗盘仪竖放在层面上，使其长边与走向线垂直，然后拨动盘底旋扭，待测角水泡居中，倾角指示器所指的度数即为岩层的倾角。测定：用地质罗盘测定方法：如图所示岩层产状的测定及表示方法2、倾斜岩层产状的表示方法有两种，一种是在地形地质图上的表示方法，另一种是文字表示方法。表达一组走向为北西320°，倾向南西230°倾角35°的岩层时：1.N320°W,S230°W,35°2.SW230°35°3.230°35°3.2褶皱构造组成地壳的岩层，受构造应力的强烈作用，使岩层形成一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造，称为褶皱构造。见图3-4褶皱构造是岩层产生的塑性变形，是地壳广泛发育的基本构造之一。图3-4褶皱构造3.2.1褶曲褶皱构造中岩石的每一个弯曲（一个完整的波形）都称为一个褶曲。图3-5a褶皱构造的形成图3-5b褶曲的两种基本形态褶曲要素：核部：最中心的岩层翼：核部两侧，向不同方向倾斜的部分轴面：平分两翼的面(假想面)轴：轴面与水平面的交线枢纽：轴面与同一岩层的交线图3-6褶曲要素ABC所包围的内部岩层—核；ABH、CBH—翼；DEFH—轴面；DH—轴；BH——枢纽3.2.2褶曲的类型褶曲的基本形态是背斜和向斜：见图3-81、背斜褶曲：是岩层向上拱起的弯曲；背斜褶曲的岩层，以褶曲轴为中心，向两翼倾斜。剥蚀后：中间的地层老，两侧地层新。2、向斜褶曲：是岩层向下凹的褶曲。岩层的倾向与背斜相反。剥蚀后：中间的地层新，两侧地层老。按照褶曲的轴面产状，可以将褶曲分为以下几个形态类型：见图3-9直立褶曲、倾斜褶曲、倒转褶曲、平卧褶曲；如果按照褶曲的枢纽产状，褶曲可分为：水平褶曲、倾伏褶曲见图3-10图3-8背斜和向斜（a）未剥蚀（b）经剥蚀图3-9根据轴面产状划分的褶曲形态类型（a）直立褶曲；（b）倾斜褶曲;（c）倒转褶曲;（d）平卧褶曲图3-10水平褶曲褶曲的枢纽水平展布置，两翼岩层平行延伸倾伏褶曲倾伏方向的判断：转折端：由一翼弯向另一翼的曲线部分背斜：倾伏方向为转折端的尖端的指向（外倾转折）向斜：倾伏方向为转折端的尖端的指向的反方向。（内倾转折）图3-11倾伏褶曲（a）倾伏向斜；（b）倾伏背斜图2-4褶曲在横剖面上的形态图2-5褶曲在纵剖面上的形态（倾伏和水平褶曲）图2-6短轴背斜、短轴向斜、穹隆和构造盆地图2-7全型褶曲按轴的长度分：长宽比大于10：1线形褶曲长宽比介于10：1~3：1之间长圆形褶曲、短向斜、短背斜长宽比小于3：1圆形褶曲、穹隆（背斜）、构造盆地（向斜）3.2.3褶皱构造1、褶皱是褶曲的组合形态，两个或两个以上褶曲构造的组合，称为褶皱构造。图3-12吉林穆林河至梨树沟地质剖面J—侏罗纪煤系；K—白垩纪砾岩及砂岩；2、如果褶皱剧烈，或在早期褶皱的基础上再经过变动的褶皱变动，就会形成更为复杂的褶皱构造。我国一些著名的山脉，如昆仑山、祁连山、秦岭等，都是这种复杂的褶皱构造山脉。3.2.4褶皱构造的工程地质评价和野外观察1、褶皱构造对工程建设的影响在由全型褶曲构成的褶皱山区，岩层强烈破碎，顺向坡岩体极易沿层面或节理面产生滑动，造成土坡失稳，危及工程安全。例如台湾基隆河畔1974年9月发生的顺层滑坡，破坏了周围的村庄、道路，阻断了河流。在背斜、向斜的脊部，张性节理发育，加速了风化作用的进行，造成岩体强度的降低，并最终发育成背斜谷、向斜谷或背斜、向斜式冲沟，对公路、铁路建设造成很大困难。图3-13构造河谷或冲沟的形成五、褶皱的野外观察：褶皱的形态：一般背斜为山，向斜为谷，但也有向斜山、背斜谷的地貌。因此，不能够完全以地形的起伏情况作为识别褶曲构造的主要标志，应从地层特征上进行识别。野外工作方法：穿越法：就是沿着选定的调查路线，垂直岩层走向进行观察（可以看到很多地层）追索法：平行于岩层走向进行观察的方法。（只看到一种地层）3.3断裂构造定义：构成地壳的岩体，受力作用发生变形，当变形达到一定程度后，使岩体的连续性和完整性遭到破坏，产生各种大小不一的断裂，称为断裂构造。断裂带：断裂构造的分布广泛，在一些断裂构造发育的地带，常成群分布，形成断裂带。分类：裂隙和断层(根据断裂后两侧岩块相对位情况来分)3.3.1裂隙一、狭义的节理—构造裂隙定义：岩层受构造应力作用发生断裂，沿断裂面两侧的岩层未发生移动或仅发生了微小的错动的断裂构造称构造裂隙或构造节理，有时简称节理。按形成节理的作用力特征可将节理分为以下3种：（1）剪节理因地壳运动引起的剪应力作用而形成的断裂构造称为剪节理，其特点是裂缝平直、延伸方向稳定、裂隙面平整光滑；通常切穿岩石中的颗粒；有两组同时出现，相交呈“X”形；多为闭合性节理。（2）张性节理岩层在地壳运动过程中受张拉应力作用产生的节理称张节理，张节理在褶皱构造的核部最为发育，其特点是裂口稍长，断裂面粗糙不平，面上无擦痕，裂面常绕过颗粒并很快在岩石中尖灭。（3）压性节理压性节理是岩层受到强大的挤压作用时所形成的节理，节理面与最大主应力方向垂直，呈紧闭状态并密集成群分布二、广义节理——构造节理与非构造节理除构造裂隙以外，岩体的原生裂隙和风化裂隙以及其它次生裂隙也常被混为节理或曰非构造节理，这些裂隙主要有：岩浆岩中的冷凝裂隙、沉积岩中的干缩裂隙和层理、风化裂隙、卸荷裂隙、工程震动等作用引起的裂隙等等。因此广义节理的含义即包括了一般意义上的节理（构造节理），又包含了岩体中的原生和次生裂隙（非构造节理）。三、劈理和片理1．劈理岩体在构造应力作用下形成的沿一定方向大致相互平行的密集型细微裂面称为劈理（沿该面岩石常能被劈成薄板）。劈理主要发育在变质岩中，也能在构造应力比较强烈的其它岩层中存在。一般情况下劈理不会破坏岩体的完整性。劈理又可细分为破劈理、流劈理和滑劈理。2．片理强烈的变质作用使矿物压扁、拉长并定向排列，重新结晶，由此形成的相互平行，密集排列的薄片状构造形迹称为片理。片理是变质岩中特有的构造现象。片理属于流劈理的范畴四、节理、劈理、片理的工程地质评价（1）裂隙破坏了岩体的完整性，使岩体的稳定性降低；（2）裂隙为大气和水进入岩体内部提供了通途，加速了岩石的风化和破坏；（3）裂隙会降低岩石的承载能力；（4）裂隙常能造成边坡的坍塌和滑动，也能造成地下洞室围岩的冒落；（5）在挖方或采石中，裂隙的存在可以提高工作效率；（6）裂隙发育的岩体中可以找到地下水作为供水水源。五、裂隙（节理）的调查、统计和表示方法为了弄清楚工程场地节理分布规律及其对工程岩体稳定性的影响，在进行工程地质勘察时，都要对节理裂隙进行野外详细调查和室内资料整理工作，并用统计图表的形式把岩体裂隙的分布情况表示出来。（一）节理的野外调查⑴在调查之前，先要了解调查区的构造轮廓和构造应力场特征。⑵在调查时，首先要根据调查工作的性质和任务确定调查的范围和详细程度，对于构造复杂地段要加密观测点，在大比例尺测绘和水工建筑勘测中，还要根据建筑物的位置，选择有代表性地段进行详细测量。⑶在每一个观测点，应确定其地理位置、构造部位、地层岩性产状；再观测节理产状、节理面的性质、裂隙宽度、节理密度、节理的组数和相互之间的穿插关系，以及节理内充填物和含水情况等。⑷每一个观测点的观测统计面积一般为1～4m2，观察统计包括节理类型、产状、规模、充填胶结情况、节理面性质、条数等，典型观测点处要拍照。（二）节理观测资料的室内整理野外调查的统计资料，到室内工作阶段要进行整理，并用各种统计图把它表示出来，以便于对比分析。统计图种类很多，常采用节理玫瑰图和等密图等来表示。也可用计算机来处理大量的野外观测数据，并做出各种统计图。节理玫瑰图是作图简单、能比较直观的反映出节理产状和分布情况的，被广泛应用。分为节理（裂隙）走向玫瑰图和节理（裂隙）倾向玫瑰图。节理走向玫瑰图的作图方法：①首先，将野外测量统计的节理数据的走向按5°或10°为一区间进行分组，统计每一组节理的条数和计算每一组节理的平均走向。②然后，作任意大小的半圆，沿圆周标出北、东、西三个方向，并且按照方位角划分出刻度，用以表示节理的走向。③按每组节理的平均走向和条数作图：自半圆中心沿径向引辐射线段，该线段的方向代表每组节理的平均走向的方位；线段长度按照比例代表相应组的节理条数；最后把相邻组的线段端点用直线连接起来；如果相邻组内没有线段，则需连回圆心，即作成了走向玫瑰图。图3—15图3-15裂隙玫瑰图（a）裂隙走向玫瑰图；（b）裂隙倾向玫瑰图（a）（b）3.3.2断层断层的定义岩层受构造应力作用发生断裂，沿断裂面两侧岩层发生了移动或明显错位的断裂构造被称为断层。该断裂面称作断层面，其中位于断层面之上的岩体断块被称为断层的上盘，位于断层面以下的断块被称为断层的下盘。一、断层要素图3-16断层示意图AA′—总断距（真断距）;l—断距；h—垂直断距（落差）；d—水平断距（错差）。断层所涉及的术语主要有：断层面，断层面走向、倾向、倾角，上盘、下盘，断层带（多数的断层其断裂面附近的岩石被构造应力挤碎，形成具有一定宽度的带状碎裂岩石，亦称之为断层带），断距、错距、落差等。其中断层上下盘沿断层面发生相对位移的实际距离称为总断距；其在垂直方向上的相对位移称为垂直断距或落差；在水平方向上的