工程岩土学-课件

河南理工大学《工程岩土学》《工程岩土学》-绪论一、工程岩土学地位1.工程岩土学概念:是以岩体、土体为研究对象，从工程地质学、岩土力学、基础工程学等观点出发，研究、预测和评价与工程建筑有关工程岩土地质问题，研究岩土体的工程利用，整治和改造的一门综合性的技术科学。2.工程岩土学的研究意义：工程岩土学的研究意义在于分析工程建筑地区的工程地质条件，论证工程地质问题，进行工程地质评价，并提出改善保护地质环境的措施。2.1工程地质条件:指工程建筑物所在地区各项地质因素的综合。这些因素包括：（1）地形和地貌条件：地形是指地表高低起伏状况、山坡陡缓程度与沟谷宽窄及形态特征等；地貌则说明地形形成的原因、过程和时代。（2）岩土体类型及其工程地质性质：是最基本的工程地质因素，包括它们的成因、时代、岩性、产状、成岩作用特点、变质程度、风化特征、软弱夹层和接触带以及物理力学性质等；（3）地质结构：也是工程地质工作研究的基本对象，包括褶皱、断层、节理构造的分布和特征。（4）水文地质条件：是重要的工程地质因素，包括地下水的成因、埋藏、分布、动态和化学成分等（5）自然地质作用及岩土体地应力：主要包括滑坡、崩塌、岩溶、泥石流、风沙移动、河流冲刷与沉积等。对评价建筑物的稳定性和预测工程地质条件的变化意义重大。（6）建筑材料：如土料，砂料，石料等。2.2工程地质问题：是指由于工程建筑活动而产生的问题。建筑物修建后，地质环境中的应力状态、水文地质条件和岩土性质将有所改变，因而产生一些地质问题，如地基变形和失稳、公路边坡崩滑、地下工程破坏、坝基渗漏和渗透变形、水库渗漏和淤积、水库诱发地震等。3.主要关联学科：1)地质学：研究地球（地壳）的物质成分，内部构造，表面特征及地球演化历史的科学。2)工程地质学：研究工程活动与地质环境相互作用的学科。3)土质与土力学：主要研究土的各种性质及从力学角度研究土力学性质与工程之间相互关系的学科。4)岩土力学：从力学角度研究岩石和土体性质。4.其他关联学科：矿物学、岩石学、地质构造学、工程地质勘察、工程地质分析、基础工程、地下工程、边坡工程、工程环境学、工程物探学、工程地质水文学、工程地貌学、灾害工程地质等。岩浆作用内动力地质作用变质作用地震作用地壳运动地质作用风化作用剥蚀作用外动力地质作用搬运作用沉积作用成岩作用第一篇工程岩土地质学基础第一章地质作用1、地质作用：使地壳物质发生运动变化的各种作用。2、地质作用类型：内（动）力地质作用、外（动）力地质作用一、内动力地质作用由于地球内部能源（内生动力，内营力）自转能，重力能，放射性元素蜕变产生的热能等，在地壳深处产生的动力，作用于整个地壳（包括地表和深处）的作用。类型包括：1、构造运动（地壳运动）分水平和垂直运动（1）、升降运动（垂直运动）（2）、水平运动2、岩浆作用3、变质作用4、地震作用内力地质作用一种：岩浆作用中火山喷发二、外动力地质作用由（外生动力、外营力）大气、水和生物在太阳辐射能、日月引力能及地球重力能的影响下产生的动力，作用于地壳表层的各种作用。类型包括：（一）、风化作用风化作用：岩石在太阳热能、大气、水分和生物等各种风化营力作用下，不断发生物理和化学变化的过程，称为岩石风化。这种促使岩石破碎甚至分解的地质作用，称为风化作用（包括：化学风1、物理风化作用物理风化作用：使岩石和矿物发生破坏而不明显地改变其化学成分的风化作用过程。（1）剥离（热胀冷缩）；（2）冰劈：冰雪冻融对岩石的破坏作用（3）晶胀：矿物结晶与潮解对岩石的破坏作用2、化学风化作用地表岩石受水、氧及二氧化碳的作用而发生化学成分的变化，并产生新矿物的作用（1）溶解作用；（2）水化作用；（3）水解作用；（4）碳酸化作用；（5）氧化作用3、生物风化作用生物风化作用是指生物在其生命过程中，直接或间接地对岩石所起的物理的和化学的风化作用。（1）生物物理（机械）风化作用：生物活动使岩石机械破坏。例根劈、动物钻洞、挖土、人类活动。（2）生物化学风化作用4、岩石风化带的划分岩石风化的程度和深度各地不一。风化作用在地表最明显，随着深度的增加，其影响就逐渐减弱以至消失。残积不连续的薄壳覆盖在基岩上，岩石风化后的被风化了的岩石圈的疏松表层称风化壳。5、化带的划分风化使岩石工程地质性质变化很大，为了选择合适的工建筑场地，确定基础开挖深度和保证建筑物的稳定，准确确定工程量等，对岩石风化程度都必须要进行了解。一般是根据岩石风化后的颜色、结构、矿物成分及物理力学性质等方面的变化，将风化岩石划分为全风化、强风化、弱风化和微风化四个带。(二)剥蚀作用：岩石受外力作用而破坏，破坏产物同时被搬走的地质作用（有水冲蚀、风蚀、冰蚀…….）。(三）搬运作用：将风化、剥蚀物搬运到它处的作用。有机械搬运、化学搬运、生物搬运和重力搬运等。（四）沉积作用：搬运物在条件适宜的地方发生沉积。（五）固结成岩作用：指松散沉积物（任何动力搬来的机械的或化学的物质）被压实、胶结转变为整体坚硬的沉积岩的作用。沉积物是松散的，颗粒之间富含孔隙和水分，颗粒之间相互无坚密的连接力。第二章矿物一、矿物的一般知识矿物：是指地壳中的化学元素在地质作用下形成的、具有一定化学成分和物理性质的单质或化合物。1.以自然元素(单质)形式出现的:如金刚石(C)、自然金(Au)、硫磺(S)等,少数。2.由两种或两种以上元素组成的化合物:石英(SiO２)、方解石(CaCO３)、石膏(CaSO４·2H２O)等,绝大多数。矿物是构成岩石的基本单元。3.矿物绝大多数呈固态:固体矿物按其内部构造不同，分为晶质体和非晶质体两种。晶质体的内部质点(原子、离子、分子)呈有规律的排列，往往具有规则的几何外形。目前自然界已被发现的矿物约3300多种，其中常见的造岩矿物（构成岩石的矿物）也只有30多种。4.矿物基本类型（1）原生矿物：指在成岩或成矿时期内，从岩浆熔融体中经冷凝结晶过程中所形成的矿物，如石英、正长石等。（2）次生矿物：指原生矿物遭受化学风化而形成的新矿物，如正长石经过水解作用后形成的高岭石。（3）变质矿物：指在变质作用过程中形成的矿物，如区域变质的结晶片岩中的蓝晶石和十字石等。5.造岩矿物造岩矿物：指构成岩石的主要成分并对岩石性质起决定性影响的矿物（30多种），它们占岩石成分的90%。其中又以长石、石英、辉石、角闪石、橄榄石、黑云母、方解石、白云石最重要，它们的含量决定了岩石的名称及主要性质。6.常见的造岩矿物（1）石英、（2）正长石、（3）斜长石、（4）白云母、（5）黑云母、（6）角闪石、（7）辉石、（8）橄榄石、（9）方解石、（10）白云石、（11）石膏、（12）黄铁矿、（13）粘土矿物：1、高岭石；2、蒙脱石3、水云母（伊利石）7.矿物工程性质黄铁矿、石膏、黑云母、方解石、粘土矿物这几种矿物，在评定岩石的工程地质性质具有重要意义。1）黄铁矿：遇水和氧时易形成硫酸，可使岩石发生迅速、剧烈的破坏;2）石膏：具有较大的可溶性和膨胀性，受水作用后易于溶滤而使岩石中形成空洞;3）云母：极易分裂成薄片，常成夹层状包含在岩石中，使岩石的强度降低、性质不均匀，容易碎裂成单独的板块，特别是黑云母含铁质，较白云母更易于受到破坏;4）方解石：在一定条件下可溶解于水形成溶洞，不仅岩石的强度降低而且产生渗透;5）绿泥石，绢云母：遇水软化极易产生滑动。6）粘土矿物：（高岭石、蒙脱石、伊利石）遇水易软化，强度很低，极易产生滑动。二、矿物的物理性质正确识别和鉴定矿物，对于岩石命名，研究岩石的性质是非常重要的。鉴定矿物的方法很多。矿物的肉眼鉴定，主要是根据矿物的一些显而易见的物理性质，用肉眼或仅借助于几种简单的工具(如小刀、条痕板、低倍放大镜等)和药品(如稀盐酸)，在野外确定矿物的名称。这种鉴定方法简单、方便、迅速，是室内进一步鉴定的基础。(一)矿物的形态每种矿物一般都具有一定的形态，因而可以帮助识别矿物。常见的晶体如下：片状(如云母)、板状(如石膏)、柱状(如角闪石)、菱面体(如方解石)和粒状(如白云石)等。集合体的形态主要有：纤维状(如纤维石膏)、钟乳状(如方解石)、鲕状(如赤铁矿)、土状(如高岭土)和块状(如石英)等。(二)矿物的光学性质矿物的光学性质是指矿物对自然光的吸收、反射和折射所表现出的各种性质。1.颜色：矿物的颜色指矿物对可见光中不同光波选择吸收和反射后映入人眼的现象。分浅色矿物和深色矿物2.光泽：矿物表面对可见光的反射能力。3.透明度：矿物透光的能力不同，表现出不同明暗程度。(三)矿物的力学性质矿物的力学性质是指矿物在受力后表现的物理性质。1.硬度：矿物抵抗机械作用(如刻划、压入、研磨)的能力。摩氏硬度计取自然界常见的10种矿物作为标准，将硬度分为1度到10度10个等级.2.解理和断口（1）解理：矿物受敲击后，常沿一定方向裂开成光滑平面，这种特性称为，裂开的光滑平面称为解理面。（2）断口：若矿物受敲击后，裂开面无一定方向，呈各种凹凸不平的形状。第三章岩石1、岩石：是在地质作用下产生的，由一种矿物或多种矿物以一定的规律组成的自然集合体。在研究各种岩石时，首先必须注意作为每一种岩石的特征，决定着它们的物理力学特性的下列性质即：（1）产状：指岩石在空间所占有的形状；（2）成分：指岩石的矿物成分和化学成分；（3）结构：指构成岩石的(单个)矿物的结晶程度、颗粒的大小和形态及彼此之间的组合方式；（4）构造：指构成岩石的矿物集合体之间或矿物集合体与岩石的其他组成部分之间的排列及充填方式，反映出岩石的外貌特征。2、根据成因可分为三大类即：岩浆岩(火成岩)、沉积岩(水成岩)和变质岩。一、岩浆岩（一）岩浆岩概念1、岩浆岩（火成岩）：是由岩浆侵入地壳上部或喷出地表凝固而成的岩石。2、岩浆：硅酸盐熔融体，具流动性。当地壳运动出现大断裂带或者岩浆高度流动性和膨胀力超过了上覆岩层压力时，则岩浆向压力低的地方运动，沿断裂带或地壳薄弱地带侵入地壳上部岩层中称为侵入作用；若岩浆沿一定通道喷出地表，称为喷出作用。3、岩浆岩类型1）侵入岩（1）深成岩：一般是距地表3km以下；（2）浅成岩：通常是地表以下3km以内。2）喷出岩(火山岩）：岩浆喷出地表凝固而成的岩石。（二）岩浆岩的主要特征1、岩浆岩的化学成分及矿物成分1）岩浆岩SiO２含量分类：（1）酸性岩类(SiO２含量65%)；（2）中性岩类(SiO２含量65%-52%)；（3）基性岩类(SiO２含量52%-45%)；（4）超基性岩类(SiO２含量〈45%〉。2）岩浆岩矿物：组成岩浆岩的矿物大约有30多种，其中主要是硅酸盐类矿物，含量最多的有石英、长石类、云母、角闪石、辉石和橄榄石等10余种。2、岩浆岩的结构直接影响岩石强度高低的主要特征。（1）全晶质结构（2）半晶质结构（3）非晶质结构（玻璃质结构）3、岩浆岩的构造（1）块状构造；（2）流纹构造（3）气孔状构造；（4）杏仁状构造。二、沉积岩（一）沉积岩的形成过程1、沉积岩：是指在地表或接近于地表的岩石遭受风化剥蚀破坏的产物，经搬运、沉积和固结成岩作用而形成的岩石。2、沉积岩的形成的地质作用1）松散破碎阶段2）搬运作用阶段3）沉积作用阶段4）固结成岩阶段（1）压实（2）胶结（3）重结晶作用（二）沉积岩的主要特征1、沉积岩的物质组成（1）碎屑物质（2）粘土矿物（3）化学沉积矿物（4）有机质及生物化石（5）胶结物：硅质——胶结物成分为SiO2。颜色浅，岩性坚固，强度高，抗水性及抗风化性强。铁质——胶结物成分为铁的氧化物和氢氧化物。颜色深，呈红色，强度仅次于硅质胶结。钙质——胶结物成分为Ca、Mg的碳酸盐。颜色浅，强度比较低，具有可溶性。泥质——胶结物成分为粘土。多呈黄褐色，胶结松散，强度低，易湿软、风化。石膏质——胶结物成分为CaSO4。硬度小，胶结不紧密。2、沉积岩的结构1）.碎屑结构结物胶结而成的一种结构。其特征有以下三点。（1）按碎屑颗粒绝对大小分为：砾状结构(粒径＞2mm)，砂状结构(粒径为2～0.05mm，其中粗砂结构，粒径为2～0.50mm；中砂结构，粒径为0.50～0.25mm；细砂结构，粒径为0.25～0.05mm)，粉砂状结构