公路工程地质基本知识

第1篇公路工程地质基本知识1概述本章要点公路工程活动与工程地质条件关系；地球的物理性质；内、外动力地质作用类型及其相互关系；地貌学习目标通过学习本章内容，了解公路工程地质问题的基本概念与相关知识。公路是陆地交通运输的干线之一，道路的结构由三类建筑物所组成：第一类为路基工程，它是路线的主体建筑物（包括路堤和路堑等）；第二类为桥隧工程（如桥梁、隧道、涵洞等），它们是为了使路线跨越河流、深谷、不良地质现象和水文地质地段，穿越高山峻岭或使路线从河、湖、海底下通过；第三类是防护建筑物（如护坡、挡土墙、明洞等）。在不同的路线中，各类建筑物的比例也不同，主要取决于路线所经过地区工程地质条件的复杂程度。作为既是线型建筑物，又是表层建筑物的公路、桥梁和隧道，往往要穿越许多地质条件复杂的地区和不同的地貌单元，使公路的结构复杂化。在山区路线中，塌方、滑坡、泥石流等不良地质现象对它们构成威胁，而地形条件又是制约路线的纵坡和曲率半径的重要因素。为此，公路工程地质在研究对象和方法上都有自己的特色。1.1地球的概述地球是太阳系九大行星中较小的一颗行星。太阳在银河系里只是1.6X1011颗恒星之一；银河系也仅仅是总星系的一个成员；而总星系还只是宇宙的一部分。现代天文观测手段能测知的可见宇宙边缘已达120亿光年。（1999年欧洲八国建成超哈勃太空望远镜后，可观测到140亿光年远的星系）。可见，地球在无穷大的宇宙中是颗极其渺小的星体，真可谓“沧海之一粟”！但因其是一个具有生命的星球，在宇宙和太阳系中占有特殊的重要地位。地球—这颗人类赖以生存的星球，它的形状、大小及其运转和物理一化学特性等方面的基本原理和基本数值，是地质学理论发展的基础，也是人类工程活动和工程计算中不可忽视的重要依据。为此，我们对有关地球的基本知识应该有个概略的认一识。1.1.1地球的外部形态地球为一梨状三轴旋转椭球体，北极略凸起，南极略凹平，赤道为椭圆形。赤道的椭率远小于子午圈，因此赤道可近似看作圆，地球可看作旋转椭球体。新近资料记载的地球形状和大小的有关数据如下：赤道半径（a）6378.1724km赤道周长40075.696km两极半径（b）6356.7986km子午线周长40008.6km平均半径6371.229km表面积5.1007*108km2扁率（（a-b）/a）1：298341体积1．0832*1012km21.1.2地球的物理性质：地球的物理性质是研究地质学的最基础的知识。对地球壳层的发展、演变有着极为重要的影响，有时甚至是决定性的，现就其主要物理性质，如：地球的质量、密度、内部压力、地球表面的重力、地热、地球的磁性等分述如下。1、地球的重力：地球表面的重力是指地心引力与离心力的合力。地表上任一物质，除了与地球之间产生引力外，还由于地球绕轴自转而产生离心力。地心引力遵循万有引力定律，其引力大小与地心间距离的平方成反比，所以地心引力在赤道最小而在两极最大；而地表离心力的大小与地球自转线速度的平方成正比，所以在赤道最大，而在两极近乎为零；地表离心力的最大值只有赤道上地心引力的1/289。由于地心引力比其离心力大得多，故地球表面重力值的正常分布规律是：由赤道（9.78g/cm3）向两极（9.83g/cm3）方向逐渐加大（平均9.8g/cm3）。根据实测重力值两极地区比赤道地区约大52％。也就是说，在两极为1000g重的物体·在赤道上只有994.8g。实际上，利用这一原理可探查和了解地下的地质构造和矿藏分布。假使把地球自转的线速度加快17倍，则赤道的离心力便会增大到289倍．与地心引力相等此时地表的物体就会产生“失重“现象。2、地球的质量、密度和内部压力1798年英国科学家卡文迪什(S.H.Caveildish,1731-^1810年)曾用扭秤实验测试铅球间的微弱引力，测定了引力常数，并通过对牛顿万有引力定律的验证第一次求出了地球的质量和平均密度。根据万有引力定律，地球上任何物体受到的地球引力与地球和某物体两质量的乘积成正比；而与两者中心直线距离的平方成反比。计算公式为：F=fmEm/R2＝ｍｇ（即地球对物体的万有引力等于地心引力）得地球质量mE＝５.９７６＊１０２７（ｇ）式中：mE一地球质量；m—地球表面某一物体质量；F=9.80X10-3N万有引力常数f=6·67*1011N·m2／kg2R＝6371km＝6.37＊106m（地球平均半径）因地球是巨大的非均质球体，故只能求出它的平均密度为5.517g/cm3；岩石的平均密度为2.7-2.9g/cm3；地心物质平均最大密度为13g/cm3。地球内部的压力主要是由上覆物质的重量所产生的静压力，计算公式为：P=ghHh即静压力的大小决定于上覆物质的厚度(H)与该厚度中物质的平均密度(h)及其平均重力加速度的乘积。地球内部压力随着深度的增加而递增。一般认为，深度每加深4.4m压力增加0.1Mpa。40km处为1000MPa．岩石在此压强下将要发生软化。3.地球的温度地球的温度有两种情况：一种是地球外部的温度，其热力来自太阳辐射热：一种是地球内部的温度，其热力来源于地球内部放射性元素蜕变释放的热能，以及重力分异能、化学能和地球转动能等。据地温来源和分布，地下温度带分三层：变温带：地表层不很深的部位，其平均深度大约为15m,温度来自太阳辐射能；常温层：温度与当地的常年平均温度一致的地带；增温层：常温层以下，温度来源于放射性元素衰变产生的热能、重力能、旋转能转化的热量。在100km深处的温度大约1300℃左右，这个温度值恰恰是地慢上部玄武岩的熔点；地热梯度：又称地热增温率：每向下加深loom所升高的温度。地热增温级：地温每升高1℃所增加的深度。4.地磁场：地球类似一个巨大的球形磁体，在它周围存在着磁场，称~。地球磁场的特性通常用磁偏角、磁倾角和磁场强度三个要素来描述(1)磁场强度指的是在地磁场中，促使磁针产生偏角和倾角的磁力大小的绝对值。总磁场强度的水平分量称为水平磁场强度，它的方向就是磁子午线方向。(2)磁倾角是指总磁场强度方向与水平面的交角，即磁针与大地水准面的夹角。(3)磁偏角是指地理子午线与地磁子午线之间的夹角。地磁场随时间变化，地质历史时期的磁场称古地磁场。通过对岩石中剩余磁性大小和方向的研究，可以追溯地质历史时期地球磁场的特性、变化和磁极移动情况，对研究大规摸的构造运动历史、古气候及探索地球起源有重要意义5、弹性：固体地球能传播地震波（弹性波），说明地球具有弹性。通过地震波在地球内部传播速度的变化，能确定地球内部物质状态的变化。1.1.3地球的圈层构造：通常把地球的圈层构造分为外圈和内圈两大部分。1.地球的外部圈层(1)大气圈是围绕地球最外层的气态圈层。按物理性质自下而上分为四层：对流层、平流层、电离层和扩散层。大气圈是多种气体的混合物，其中主要成分为N2、O2、CO2。。对流层：集中了3/4大气质量其底部的CO2强烈吸收地面的长波辐射并放热，因而对地表起保温作用，也是使岩石风化分解的重要因素。平流层：存在大量臭氧。对太阳辐射紫外线的强烈吸收构成了对生物的有效保护。成为保护地表生物的天然屏障。(2)水圈：可看成是包围地球表层的闭合圈。由江、河、湖、海、和地下水组成。海洋占地球表面积的70.78％，大陆降水量只占总降水量的20.6％，但却是地貌变化的强大外动力。水圈对生命的起源、生物的演化和发展提供必不可少的条件，是外动力作用的主要动力来源(3)生物圈：地球表层凡是有生命活动的范围，称为生物圈。生物包括动物、植物和微生物。生物活动是改造大自然的一个积极因素，影响着大气圈和水圈的演变；对成矿、成土和成岩都起着很重要的作用；对研究地球发展的历史也有着重要意义。2.地球的内部圈层通常用地球物理学的理论和方法来探测地球内部的构造．其中主要依据地震法即根据地震波在地球内部传播速度的急剧变化来推测确定地球内部的构造。地震波速一般随深度递增．但不是等速增加，而是在某些深处作跳跃式的突然变化，这种突变反映了某些深处上下层之间的物质在成分和性质上有了极明显的分界面，这种界面就是我们划分地球内部圈层。地球内部有两个波速突变极为明显的界面：一是在平均深度33km处的莫霍面；二是在深达2900km处的古登堡面。根据这两个界面把地球内部分为：地壳、地幔和地核三个主要圈层。图1-1地球构造示意图(1)地壳：平均为33km厚。主要由各种岩石组成，密度为2.7-2.9g/cm3。按组成物质分：硅铝层：花岗岩层，一般厚15-20km，Vp=6.0-6.2km/s，2.6-2.7g/cm3。硅镁层：花岗岩层，厚5-6km，Vp=6.4-7.8km/s，3.3g/cm3。按分布状态分：大陆地壳：呈双层结构，即由上层花岗岩质层（硅铝层）和下层玄武岩质层（硅镁层）组成。大洋地壳：呈单层结构，由玄武岩质层（硅镁层）组成。(2)地幔：系指莫崔面（33km）以下至占登堡面（2900km）之间的圈层．其体积占地球总体积的83％，质量占整个地球质量的68.1%，平均密度为3.8g/cm3，成分以铁、镁的硅酸盐为主。根据地震波速在深984km处的突然变化，以此处为界面将地幔分上地幔和下地幔。上地幔：岩石圈：（40km）以上包括地壳全部和上地幔上部的固态岩石圈层称为~。软流层：（又称低速带）40-250km处，地震波波速低，温度接近岩石熔点，塑性较大，利于岩石活动。下地幔：金属氧化物、硫化物．特别是铁、镍成分显著增加，类似致密氧化物的紧密堆积结构，密度已达5.1g/cm3。(3)地核：地核系指古登堡面以下直到地心的部分。其体积为整个地球体积的16％．占地球总质量的31.5％。地核物质非常致密，密度为9.7^-13g/cm’（推测其物质的最大密度可达17.2g/cm3）。按地震波显示的变化，地核一般可分为外核、过渡层和内核。外核：由于地震纵波急剧减低，且不能传播横波，故被认为可能是“液态“的；内核：以铁、镍为主的固态物质组成。因纵波传播速度比在外核中快，且又能转换出横波，故认为可能是固态的。过渡层：由液态向固态转变的一个圈层。1.2地球的演化与地质作用1.2.1地球的演化与板块学说原始地球形成后，在重力分异和化学分异作用下，经历了大约45.5亿年的演化历程，形成了现今的非均质圈层构造的椭圆体，以地表为界，地球的圈层构造分内部圈层和外部圈层。扳块构造学说将全球划分为太平洋板块、欧亚板块、印度板块、非洲板块、美洲板块和南极洲板块，六大板块，除太平洋板块几乎全在海洋外，其余板块既有陆地，也有海洋，板块之间，以洋中脊、大陆裂谷、海沟岛弧以及转换断层等地壳构造特征为界，板块的内部是相对稳定的区域，而板块间相互结合的边界地带却是活动的区域，具有频繁的地震、火山活动、岩浆侵入和造山运动等特征。板块构造学说的基本原理是地壳表层是由数量不多、大小不等的岩石圈板块拼合起来的，每个板块都浮在地慢的软流层上，彼此能够独立的运动，并发生相互挤压、摩擦。由于板块活动彼此相互作用和影响，因而产生各种地质构造，比如在大洋中脊处产生了引张断裂构造，在岛弧海沟处产生的压性构造等，称为板块构造。扳块构造学说认为，地慢热力对流作用是驱动扳块运动的动力，即浮在地幔软流圈上的岩石圈板块是随着软流圈的对流而运动的，并且水平运动占主导地位，可以发生数千公里的大规模水平位移。在板块漂移过程中，它们或相互分散裂开，或碰撞焊合，或平移相错，从而形成了海沟、岛弧、转换断层、裂谷、洋中脊和山脉，它全面圆满地解释了岩石圈的构造特征和构造运动规律。1.2.2地质作用地质作用：促使地壳物质组成、构造和地表形态不断发生变化的作用，统称为地质作用。由地质作用所引起的现象，称为地质现象。地质作用按其能源不同，可分内、外地质作用。含义：是自然发生的复杂的物质运动形式，其表现是对地球的改造和建造，改造和建造是一对矛盾的统一。一、内动力地质作用及其内在关系：由地球内部放射性元素蜕变能、地球转动能和重力化学分异能所引起的地质作用，称为内动力地质作用。据动力和作用方式分：地壳运动、岩浆作用、变质作用和地震作用。1.地壳运动：水平运动：是地壳或岩石圈块体