第三章地质构造及其对工程的影响

第三章地质构造及其对工程的影响主要内容§3.1水平构造、单斜构造与岩层产状§3.2褶皱构造及与工程的关系§3.3断裂构造及与工程的关系§3.4不整合及与工程的关系§3.5地质图的阅读与分析§3.1水平构造、单斜构造与岩层产状地质构造：是构造变动在岩层或岩体中遗留下来的各种构造形迹。构造变动或构造形迹是地质构造的主要研究内容。地质构造的基本类型有：水平构造、单斜构造、褶皱皱构造和断裂构造。1.水平构造岩层产状近于水平(一般倾角小于5°)的构造称为水平构造。水平构造出现在构造运动较为轻微的地区或大范围均匀抬升或下降的地区，一般都在平原、高原或盆地中部，其岩层未见明显变形。水平构造中较新的岩层总是位于较老岩层之上。当岩层受切割时，老岩层出露在河谷低洼处，较新岩层出露在较高的地方。不同地点在同一高程上，出露的是同一岩层。2.单斜构造单斜构造：是由于地壳运动使原始水平的岩层产状发生变动，岩层向同一个方向倾斜。单斜构造常是褶皱的一翼、断层的一盘或者是区域内的不均匀上升或下降所形成的。一般情况下，倾斜岩层仍然保持顶面在上、底面在下、新岩层在上、老岩层在下的产出状态，称为正常倾斜岩层。当构造运动强烈，使岩层倾角近于90°时，称为直立岩层。当岩层底面在上、顶面在下、老岩层在上、新岩层在下的产出状态时，称为倒转岩层。岩层的正常和倒转主要依据化石来确定，也可以根据岩层层面特征以及沉积岩岩性和构造特征来确定。直立岩层直立岩层倾斜岩层按倾角α的大小又可分为缓倾岩层(α＜30°)、陡倾岩层(30°＜α＜60°)和陡立岩层(α＞60°)。3.岩层产状（岩层在空间的位置）倾斜岩层的产状要素一般是指倾斜岩层的走向、倾向和倾角。走向倾向线与其水平面上的投影线之间的夹角称为倾斜岩层的倾角。倾斜岩层层面与水平面的相交线被称为倾斜岩层的走向线，走向线的方向称为岩层的走向。同一岩层走向有两个值，数值相差180度，如走向北东30度，即南西210度。倾向与走向线垂直，沿岩层倾斜面向下所引的直线称为倾向线，也称最大倾斜线；倾向线在水平面的投影所指的方向称为倾斜岩层的倾向。倾向与走向相差90度。倾角岩层产状的测量方法将罗盘仪的短边紧据岩层层面，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为所测之倾向方位将罗盘仪竖放在层面上，使其长边与走向线垂直旋钮．待测角水泡居中，倾角指示器所指的度数即为岩层的倾角产状要素的表示方法用罗盘测量，如果测量出某一岩层走向为310°，倾向为220°，倾角35°，则记录为220°∠35°。在地质图或平面图上标注产状要素时，需用符号和倾角表示，岩层的产状可用符号“┢”表示，长线表示岩层的走向，与长线垂直的短线表示岩层的倾向(长短线所示的均为实测方位)，数字表示岩层的倾角。§3.2褶皱构造及与工程的关系组成地壳的岩层，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。褶皱构造是岩层产生的塑性变形，是地壳表层广泛发育的基本构造之一。沉积岩层中最为明显，在块状岩体中则很难见到。研究褶皱的产状、形态、类型、成因及分布特点，对于查明区域地质构造和工程地质条件，具有重要意义。褶皱的力学成因1.褶曲褶皱构造中岩石的一个弯曲(一个完整的波形)，称为褶曲。褶曲是褶皱构造的组成单位，每一个褶曲都有核部、翼、轴面、轴及枢纽等几个部分组成，一般称为褶曲要素。核部：褶曲的中心部分。通常把位于褶曲中央最内部的一个岩层称为褶曲的核部。翼：位于核部两侧，向不同方向倾斜的部分，称为褶曲的翼。轴面：从褶曲顶平分两翼的面，称为褶曲的轴面。轴面在客观上并不存在，而是为了标定褶曲方位及产状而划定的一个假想面。轴：轴面与水平面的交线称褶皱要素ABC所包围的内部岩层—核；ABH、CBH—翼；DEFH—轴面；DH—轴；BH—枢纽为褶曲的轴。轴的方位，表示褶曲的方位。轴的长度表示褶曲延伸的规模。枢纽轴面与褶曲同一岩层层面的交线。即褶皱的同一岩层面上各最大弯曲点的连线。枢纽可以反映褶曲在延伸方向产状的变化情况。2.褶曲的类型美国加里福利亚州的褶皱褶曲的基本形态是背斜和向斜。背斜：形态上是岩层向上拱起的弯曲，两翼岩层以核部为中心向两侧倾斜。背斜核部出露的岩层时代相对较老，而两翼时代相对较新。向斜：形态上是岩层向下凹的弯曲，两翼岩层向核部倾斜。向斜核部岩层时代较新，向两翼依次出露较老岩层。3.褶曲的形态分类（1）根据褶曲轴面的产状分为以下几种：直立褶曲、倾斜褶曲、倒转褶曲、平卧褶曲。直立褶曲：轴面近直立，两翼倾向相反，倾角近相等倾斜褶曲：轴面倾斜，两翼倾向相反，倾角不相等倒转褶曲：轴面倾斜，两翼倾向相同，其中一翼地层倒转平卧褶曲：轴面近水平，其中一翼地层倒转直立褶曲或倾斜褶曲：褶皱不太强烈和受力性质比较简单倒转褶曲或平卧褶曲：褶皱强烈和受力性质比较复杂A.大型平卧褶皱—新疆中巴公路盖孜检查站B.大理岩中的倒转褶皱新疆－喀什奥依塔格C.平卧褶皱－北京西山ABC（2）根据褶曲枢纽的产状分为：水平褶曲和倾伏褶曲。水平褶曲：褶曲的枢纽水平展布，两翼岩层平行延伸。倾伏褶曲：褶曲的枢纽向一端倾伏，两翼岩层在转折端闭合。（3）按褶曲的长度和宽度比例分类线形褶曲：长宽比大于10倍以上，常达数十倍。短轴褶曲：长宽比3～10倍，成长圆形。如是背斜称为短背斜；如是向斜称为短向斜。穹隆与构造盆地：长宽比小于3:1的圆形背斜称为穹隆；向斜称为构造盆地。穹隆构造盆地褶皱是褶曲的组合形态，两个或两个以上的褶曲构造的组合，称为褶皱构造。在褶皱比较强烈的地区，单个的褶曲比较少见，一般的情况都是线形的背斜与向斜相间排列，以大体一致的走向平行延伸，有规律的组合成不同形式的褶皱构造。当在褶皱的翼部有许多次一级的背斜或向斜组成的复杂大向斜或大背斜时，称为复向斜或复背斜。背斜向斜对称褶皱在一般情况下，人们容易认为背斜为山，向斜处为谷。这种情形是存在的，但实际情况要比这复杂得多。因为背斜遭受长期剥蚀，不但可以逐渐地被夷为平地，而且往往由于背斜轴部的岩层遭到构造作用的强烈破坏，在一定的外力条件下，甚至可以发展成为谷地，所以向斜山与背斜谷（下图）的情况在野外也是比较常见的。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。4.褶曲的野外观察褶皱构造野外观察方法穿越法：垂直于岩层走向观察。追踪法：平行于岩层走向观察。（1）首先可沿垂直于岩层走向（穿越法）的方向进行观察，查明地层的层序和确定地层的时代，并测量岩层的产状要素。然后根据以下几点分析判断是否有褶皱存在，进而确定是向斜还是背斜。(2)根据岩层是否有对称重复的出露，可判断是否有褶皱存在，若在某—时代的岩层两侧，有其他时代的岩层对称重复山现，则可确定有褶皱存在。若岩层虽有重复出露现象，但并不对称分布，则可能是断层形成的，不能误认为褶皱。（3）对比褶皱核部和两翼岩层的时代新老关系，判断褶皱是背斜还是向斜。若核部地层时代较老，两侧依次出现渐新的地层，为背斜；反之，若核部地层时代较新，两侧依次出现渐老的地层，如则为向斜。(4)根据两翼岩层的产状，判断褶皱是直立的、倾斜的、还是倒转的等等。(5)为了对褶皱进行全面认识，还要平行岩层走向进行追索观察（追索法），便于查明褶曲延伸的方向及其构造变化的情况。5.褶皱构造的工程地质评价褶皱构造对工程建筑有以下几方面的影响：（1）褶皱核部岩层出于受水平挤压作用，产生许多裂隙，直接影响到岩体的完整性和强度高低，在石灰岩地区还往往使岩溶较为发育，所以在核部布置各种建筑：工程，如厂房、路桥、隧道等，必须注意岩层的坍落及涌水问题。（2）在褶皱翼部布置建筑工程时，如果开挖边坡的走向近于平行岩层走向，且边坡倾向与岩层倾向一致，边坡坡角大于岩层倾角，则容易造成顺层滑动现象。如果边坡走向与岩层走向的夹角在40°以上、或者两者走向一致，且边坡倾向与岩层倾向相反，抑或两者倾向相同，但岩层倾角更大，则对开挖边坡的稳定较为有利。（3）对于隧道等深埋地下工程，一般应布置在褶皱冀部。因为隧道通过均一岩层有利于稳定，而背斜顶部岩层受张力作用可能塌落。向斜核部是储水较丰富的地段。§3.3断裂构造及与工程的关系构成地壳的岩体，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。断裂构造的分布很广，特别在一些断裂构造发育的地带，常成群分布，形成断裂带。断裂构造是地壳上层常见的地质构造，根据岩体断裂后两侧岩块相对位移的情况，断裂构造可分为裂隙和断层两类。3.3.1裂隙（节理）及与工程的关系裂隙（节理）是存在于岩体中的裂缝，是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造。裂隙分布普遍，几乎所有岩层中都有裂隙发育。常把岩层分割成形状不同、大小不等的岩块，小块岩石的强度与包含节理的岩体的强度明显不同。岩石边坡失稳和隧道洞顶坍塌往往与节理有关。1.裂隙的类型裂隙按成因可分为构造裂隙和非构造裂隙两种类型。构造裂隙：岩体受地应力作用随岩体变形而产生的裂隙。按裂隙的力学性质，构造裂隙分为张性裂隙和扭（剪）性裂隙。特征张节理张应力产生产状不稳定，延伸不远；弯曲粗糙，无擦痕；出现在砂、砾岩中，常绕过砂、砾；多张口，一般被充填；裂隙间距较大且分布不匀；发育在背斜和向斜的轴部。剪节理剪应力产生产状稳定，延伸远；平直光滑，有擦痕；出现在砂、砾岩中，一般切过砂砾和胶结物；未充填时，是闭合的缝；常常呈“X”型；出现在褶曲的翼部和断层附近。1231.张节理2.张节理3.剪节理非构造裂隙是由成岩作用、外动力、重力等非构造因素形成的裂隙。如岩石在形成过程中产生的原生裂隙、风化裂隙以及沿沟壁岸坡发育的卸荷裂隙等，其中具有普遍意义的是风化裂隙。云南省腾冲县岩浆冷凝后形成的柱状原生裂隙韩国济州岛柱状节理带沿沟壁岸坡发育的卸荷裂隙风化裂隙风化裂隙主要发育在岩体靠近地面的部分，一般很少达到地面下l0～15m的深度。2.裂隙的工程地质评价裂隙与工程的关系密切，主要表现在以下几个方面：（1）裂隙破坏了岩石的整体性。大气和水容易沿裂隙渗入而加速岩石的风化和破坏，因此，如果主要裂隙面的方向与边坡的倾斜方向一致且两者走向的夹角小于45°时，常会造成边坡的滑动或崩塌。（2）裂隙会降低岩石地基的承载力。（3）裂隙是地下水的通道，同时也会对风化作用起着加速进行的效应。随着岩石风化程度增强和水对岩石的浸泡软化，岩块质地变软、强度降低。（4）在挖方或采石时，裂隙可以提高工作效率，但在爆破时常因漏气而降低爆破效果。3.裂隙的调查、统计和表示方法为了反映裂隙的分布规律及其对岩体稳定性的影响，需要进行野外调查和室内资料整理工作，并用统计图的形式把岩体裂隙的分布情况表示出来。调查裂隙时，应先在工点选择具有代表性的基岩露头，对一定面积内的裂隙，按下表所列内容进行测量，同时要注意研究裂隙的成因和填充情况。（1）观察点的选择（考虑因素）1)露头要好，最好能在三度空间观测，其露头面积一般不小于10m2，便于大量测量。2)构造特征清楚，岩层产状稳定。3)裂隙比较发育，组系及其相互关系比较明确。4)观测点应选在构造的重要部位，并且在不同构造层、不同岩系和不同岩性岩层中都应布点。（2）裂隙调查的内容（3）裂隙的统计统计裂隙的图式常用的有裂隙玫瑰图。既可以编制裂隙走向玫瑰图，也可以编制裂隙倾向玫瑰图。玫瑰图的编制方法如下：裂隙走向玫瑰图1）资料整理将野外测得的裂隙走向，换算成北东和北西方向，按走向方位角的一定间隔分组。分组间隔一般采用5°或10°为一间隔，如分成0°～9°、10°～19°……，然后统计每组的裂隙数目，计算每组的裂隙平均走向。2）确定作图的比例尺及坐标根据作图的大小和各组裂隙数目，选取一定长度的线段代表一条裂隙，然后以按比例表示的数目最多的那一组裂隙的线段长度为半径，做半圆，过圆心做南北线和东西线，在圆周上标明方位角。3）找点连线从0°～9°一组开始，顺序按各组平均走向方位角在半圆周做一记号，再从圆心向圆周上该点的半径方向，按该组裂隙数目和所定比例尺定出一点，此点就代表该组裂隙的平均走向和裂隙数目。各组的点确定后，顺次