工程地质学基础复习资料

1.21世纪重大工程地质问题

我国工程地质问题的地域差异性  东部：下降  西部：抬升

三大台阶：青藏高原、内蒙古高原-云贵高原、东部丘陵与平原

2.我国工程地质问题的地域差异性

 东部：1）软土、膨胀土残坡积土 2）深井采矿中软岩巷道变形与处理3）海底隧道围岩工程地质与水文地质问题 4)城市多层地下空间开发  4）地面沉降、深基坑

西部：复杂构造带，高边坡、桥梁隧道动力稳定性问题，深埋、长大越岭隧道、高地应力、高地温、高压地下水、冻土及突发性地质灾害。

其他工程地质问题1）水土流失与北方荒漠化  2） 黄河下游地上悬河与长江下游塌岸和堤防稳定性问题 3）黄河断流引起的干旱、土地沙化问题

4）城市化中的环境破坏与污染控制问题

3.研究方法与理论体系

★地质控制理论  ★成因控制论         ★结构控制论（谷德振、孙广忠） ---优势面理论  

★人地调协论 系统与环境相互作用理论 ★极限平衡理论   

★有效应力原理理论(渗透—固结)       ★时间效应理论    ★可靠性设计理论

4、岩体与土体差别：

a. 结构形式   岩石--存在断层、节理、裂隙等结构面;  土一般是连续;

b. 连结形式   岩石--结晶连结、胶结连结--硬连结; 土--无连结、水连结或水胶连结等;

c. 力学性质    岩石比土具有强度高、不易变形及整体性和抗水性好，但缺陷是存在断层、节理等构造面;

d. 地应力   岩体--有较高地应力; 土体--只有自重应力存在;

第四章  各类土的工程地质特征

一、淤泥类软土

1、特性：

   ⑴高孔隙比，高含水率（大于液限）； ⑵透水性低； ⑶高压缩性； ⑷抗剪强度很低。

2、软土地基加固处理措施：

砂井排水    砂垫层   生石灰桩   强夯法    旋喷注浆法    换填土            

二、黄土

1、工程特性：

 ⑴密度小，孔隙率大； ⑵含水较少； ⑶塑性较弱；⑷透水性较强；⑸抗水性弱； ⑹压缩性中等，抗剪强度较高。

特有的工程地质性质----黄土的湿陷性：

黄土在一定压力作用下受水浸湿后，结构迅速破坏而产生显著附加沉陷的性能，称为湿陷性。

湿陷性评价：湿陷系数，湿陷量起始压力等。

2、黄土地质病害的防治

（1）防水措施  排水

（2）地基处理  重锤表层夯实、强夯、换填土垫层、土桩挤密、预浸水、硅化处理、碱液加固和桩基等。

三、膨胀土：指随含水量的增加而膨胀，随含水量的减少而收缩，具有明显膨胀和收缩特性的细粒土。

1、工程特性 ⑴孔隙比小，密度大（天然密度和干密度），含水量低；  ⑵高塑性；

⑶具有膨胀力  ⑷抗剪强度高，压缩性中-低。

2、膨胀土的防治措施

地基的防治措施  （1）防水保湿措施保持地基土湿度稳定

（2）地基土改良措施  换土、压入石灰水法、钙离子与土粒表面的阳离子进行交换---脱水

四、红粘土：指碳酸盐类岩石在湿热气候条件下，经强烈风化作用而形成的高塑性粘土。工程特性  ⑴高塑性和分散性；  ⑵高含水率、低密实度；  ⑶强度较高，压缩性较低；

 ⑷收缩性明显，膨胀性轻微。

      第六章  岩体的工程地质性质及岩体工程分类

1、 结构面:指发育于岩体中，具有一定方向和延伸性,有一定厚度的备种地质界面,如断层、节理、层理及不整合面等.由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面。

结构面的成因分类： 原生结构面、构造结构面及次生结构面 

2、软弱夹层:指岩体中那些性质软弱、有一定厚度的软弱结构面或软弱带,具有高压缩性和低强度的特征.

3、 岩体的工程分类 

1）、 目的：       a.对岩体进行归类

b.定性、或定量的评价各类岩体质量、工程建筑条件,为工程设计和施工提供地质依据。

2）、 主要考虑因素： 

主要考虑三方面因素的指标：即与岩石工程性质有关的指标（力学性质）、岩体后期改造有关的指标(岩体结构)和岩体赋存条件方面的指标（地下水或地应力）. 

3）、 典型分类 

  a.RQD分类

根据金刚石钻进的岩芯采取率，提出用RQD值来评价岩体质量的优劣。RQD值为大于10cM的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分率。据RQD值将岩体分为5类: 

b.RMR分类（T. Bieniawski,1973)

岩体质量指标计算公式及方法：  RMR=A+B+C+D+E+F   为和差综合法（并联系统）

A—岩石强度（点荷载.单轴压) 分数 15—0    B—RQD(岩石质量指标）分数 20—3

C—不连续面间距（>2m—<3m)分数 20—5     D—不连续面性状（粗糙-夹泥) 分数 30—0

E—地下水（干燥-流动）分数 15—0   

F—不连续面产状条件（很好-很差）分数 0—-12

c.巴顿岩体质量（Q）分类

岩体质量指标计算公式及方法：    Q=(RQD/Jn)*(Jr/Jn)*(Jw/SWF)

式中：     RQD─岩石质量指标； Jn0─节理组数，无裂—破裂 ，0.5—20；

 Jr─节理粗糙度系数粗糙—镜面，4—0.5

Ja─节理蚀变系数，新鲜—蚀变夹泥，0.75—20；

Jw─节理水折减系数，干燥—特大水流，1—0.05；    SRF─应力折减系数。 

4、风化岩体的工程地质性质 

1）岩体风化作用     岩体在各种风化营力，如太阳能、大气、水及动植物有机体等的作用下，发生物理化学变化的过程．称为岩体风化作用。岩体风化的程度、深度、速度及风化壳厚度，除与风化营力的强弱有关外．还与地区的气候、岩性、地质构造、地貌、水文地质条件以及人类活动等因素有关. 

2）、风化作用改变岩体性质实质

a.岩体完整性进一步遭到破坏。风化不仅使岩体原有裂隙扩大。还产生了新的风化裂隙，使岩体逐渐破碎，成碎炔、碎片．进而分解成砂粒、粉粒甚至粘粒。

b.岩石的矿物成分和化学成分发生变化。在化学风化作用下，岩石中原生矿物经水解、溶解及氧化等反应．形成新的次生矿物。

c.岩体的工程地质性质发生变化。 岩体经风化后,岩石的抗水性降低而亲水性增高，其次．透水性增强。以上两方面的变化，使岩体力学强度降低，压缩性加大.

4、风化岩体性质概述

1).岩体风化后,一般岩石的抗水性降低而亲水性增高,透水性增强,压缩性加大。

2).主要表现：岩体风化具有垂直分带性，即岩体风化总是由地表向岩体内部不断深入的，而风化程度也是地表最为强烈，向岩体深部则逐渐轻微直至新鲜岩石。 

5、风化壳分带：剧风化、强风化、弱风化、微风化 

第七章  活断层和地质工程地质研究活断层

1、断层定义:现今仍在活动的;近期曾经活动过的;将来可能会活动的断层.

2、具有两种活动方式:   a.粘滑断层:由突发性滑动完成,滑动迅速;

b.蠕滑断层:由持续性滑动完成,滑动缓慢; （异同点书92页）

3.错动速率和错动周期

a.错动速率: (mm/a)一般是通过重复精密地形测量和研究第四纪沉积物年代及其错位量而获得的。重复精密地形测量可以精确得测定活断层不同地段得现今错动速率，而第四纪沉积物年代及其错位量的研究，则只能确定活断层在最新地质时期内的平均错动速率。

b.错动周期: 活断层每两次突然错动的时间间隔，其主要取决于断层周围地壳应变速率和断层面锁固段的强度，与地壳应变速率和断层走向长度有关。

活断层鉴别

1.地质,地貌,水文地质特征:

a.地质特征:最新沉积物的地层错开,是活断层最可靠的地质特征. 一般来说,只要见到第四纪中晚期的沉积物被错断,一般其断裂带由松散的破碎物质组成、滑坡、新断层中的胶结物较少。

b.地貌特征: 活断层往往构成两种截然不同的地貌单元的分界线,并加强各地貌单元之间的差异性。 典型的地形是:一边是断陷区,一边是隆起区,两者界线截然分明。

c.水文地质特征: 活动断裂带的透水性和导水性较强,因此当地形,地貌条件合适时,沿断裂带泉水常呈现状分布,且植被发育。  

2.资料鉴别:  历史地震和历史地表错断资料,记录,佐证,考古方法等;

3.仪器测定:利用精密仪器进行位移测定.如:利用密集的地震台网能确切的测定小震震中位置,并确定活断层的存在.

4、地震: 地壳表层因弹性波传播引起其振动作用的现象

5、震级:由地震发生时释放出的能量大小的尺度,能量大则震级大.

a.震级:M=lgA,A---振幅   

距离震中100km处地面标准地震仪所记录的以微米表示的最大振幅的对数值.

6、烈度:衡量地震引起的地面振动强烈程度的尺寸，与震源分布、传播介质、震源深度、震中距等有关。

7、地震波

1）、地震波: 是弹性波,破坏的原动力,是地震发生时引起建筑物破坏的原动力,由震源发出的弹性波.

2）分类:

体波:通过地球本体传播的波;

面波:由体波产生的次生波,经过反射,折射后沿地面传播的波. 

8、地震效应

地震效应：在地震影响所及的范围内，于地面出现的各种震害或破坏。

(1)振动破坏效应

a.静力分析:建筑物刚性,地震力不变,加速度各处不相等;  

水平状态:P=M*a0max=w*Kc;      垂直状态:P`=M*a0`max=w*Kc`;

其中:水平地震系数：Kc=a0max/g;    铅直地震系数：Kc`=a0`max/g;

一般建筑物的竖向安全系数储备较大,能承受附加的垂直地震荷载,可以不考虑铅直地震荷载的影响. 

b.动力分析法:采用反应谱法,假定建筑物结构微单质点系的弹性体,作用于其基底的地震运动为简谐运动。

主要参数有:卓越周期和动力系数

卓越周期（特征周期）:震源发出地震波传到地表岩土体,迫使其振动,由于表层岩土体对不同周期的地震波有选择放大作用,某种岩土体总是以某种周期的弹性波选择放大尤为明显和突出,使地震记录图上的这种波记录得多而好,也为特征周期。

动力系数:q=a(max)/a0(max); 

（2）、震动破坏效应

a、震动液化：饱和砂土因地震而受强烈震动，使砂粒处于悬浮状态，丧失强度，致使地基失效的现象。

b.破裂效应:产生地裂缝

9、场地工程地质条件对灾害的影响

(1)岩土体性质:岩土体得软硬程度,松软土的厚度,地层结构; 

 相同的地震力作用下,基岩上的震害最轻,其次为硬土,而软土是最重的;  

 松软土的厚度必须考虑特征周期的作用;

(2)断裂:区分为发震断裂和非发震断裂;

(3)地形地貌: 孤立突出的地形震害加重,而低洼平坦的地形震害减轻;

 (4)地下水:地下水埋深越浅,震害越大,埋深越深,则震害影响越不明显。

第四章    边坡变形破坏工程地质研究

一、边坡变形破坏的类型

1、拉裂：指边坡的侧向应力削弱，由于卸荷回弹而在坡体出现张裂隙的现象。                    

裂隙特点：（1）上宽下窄；（2）由坡面向坡里逐渐减少

2、崩塌：指陡坡上部岩体受到陡倾裂隙切割，在重力作用下，突然以高速脱离母岩，翻滚坠落的急剧变形破坏现象。

3、滑坡：指边坡一部分岩体，以一定的加速度，沿某一滑动面发生剪切滑动的现象。

导致滑坡的可能因素 :

(1)边坡开挖导致的平衡状态的改变； (2)坡顶超载导致下滑力的增加；

(3)降雨等因素导致渗流力的增加和土体抗剪强度的降低。

滑坡的判别

a、地质分析法判识滑坡   b、根据边坡的地貌形态演变

c、根据岩性、地质构造等条件     d、根据水文地质标志

e、根据边坡变形体的外形和内部变形迹象     f、根据周期性规律判定

4、深层蠕动

由于坚硬岩层组成的边坡底部存在软弱夹层或软弱结构面时，由于软弱垫层的塑性流动和蠕变或者岩层沿软弱层发生缓慢的蠕变性滑移，上覆硬岩层因而出现张裂隙，软弱岩层则向临空侧挤出，甚至出现不均匀沉陷的现象。              

5、倾倒

第八章  斜坡变形破坏工程地质研究

1、边坡中的应力分布特征

(1)天然状态下,包括自重应力,构造应力,地热,地下水;

(2)自重应力作用下,主应力为铅直,水平状态; 

(3)形成斜坡后,侧向临空面产生卸荷回弹,引起主应力重新分布,集中;

(4)应力重分布分析: a.斜坡面附近的主应力轨迹明显发生偏转;

b.最大主应力平行于坡面,而最小主应力则垂直于破面,在破面附近产生应力集中带;

c.主应力发生偏转,坡体内的最大剪应力也发生变化,由直线状--->凹面状弧面; 

d.坡面处于二向应力状态,坡面处的径向应力实际为0;

2、影响滑坡稳定性的因素

1）、岩土体强度,斜坡产状,斜坡内应力分布;

2）、岩土体类型,性质    粘性类土,黄土类土中发育较多,形成易滑组合;

3）、岩体结构和构造   分为:平迭坡,顺向坡,逆向坡,横交坡,斜交坡;

4）、地形地貌     主要发育在山地环境中;

5）、.地下水作用     主要考虑冲刷,软化,静水压力和动水压力;  

6）、地震     地震主要产生山崩和滑坡;

7）、人类因素     主要是人类工程经济活动

3、斜坡稳定性评价方法

1）、自然历史分析法

 1.进行区域地质背景研究; 2.分析触使斜坡变形破坏的主导因素和触发因素;

 3.预测斜坡所处的演化阶段和发展趋势,以及可能产生的破坏形式;

2）力学计算法

 1.对于土质斜坡来说,采用简单计算法和条分

（1）对无粘性土：          T=W*sinβ ,S=W*cosβ,

 则安全系数:

     K=T/S=(W*sinβ*tgφ)/(W*cosβ)=tgφ/tgβ

（2）对粘性土:

 如图所示,采用条分法.  

  则安全系数 K=(ε(Li+ε(ρ*g*bi*hi*cosθi)*tgφ)*R)/(ε(ρ*g*bi*hi*sinθi)*R).

2.对单一结构面 

安全系数K  K=(W*cosα*tgφ+c*L)/(W*sinα)-----(1);

         W=1/2*ρ*g*h*cosα*L-------(2);

     (1)、(2)====>安全系数  K=tgφ/tgβ+4c/(ρ*g*h*sin2α);

3.对折线形结构面

必须先行切割单元体.   其安全系数为  K=(ε(Ni*tgφi+Ci*Li)*cosαi)/(εTi*cosαi);

4、防治边坡变形破坏的工程措施

一、支挡工程   挡墙、抗滑桩、锚杆（锚索）等

二、排水    三、减荷反压

四、其他措施      护坡、改善岩土性质、防御绕避

第九章    岩溶工程地质研究

1.岩溶发育的基本条件

1、岩石具有可溶性； 2、可溶岩具有透水性； 3、有溶蚀能力的水； 4、循环交替的水流。

2.岩溶发育的影响因素

1)碳酸盐岩岩性的影响2)气候的影响3地形地貌的影响4地质构造的影响

5)新构造运动的影响

第十章    渗透变形工程地质研究

1.渗透变形：当地下水的动水压达到一定值时，土中一些颗粒甚至整个土体发生移动，从而引起土体变形或破坏。

2.类型  潜蚀（管涌）和流土

3.渗透变形的预测

1）判定渗透变形的可能性及类型2）确定坝基各点的实际水力梯度

3）确定临界水力梯度和允许水力梯度

第十一章  泥石流工程地质研究

泥石流的形成条件

一、地形条件

1、泥石流形成区（上游）2、泥石流流通区（中游）3、泥石流堆积区（下游）

一、地质条件

地质条件决定了松散固体物质的来源，也为泥石流活动提供动能优势。泥石流强烈活动的的山区，都是地质构造复杂、岩石风化破碎、新构造运动活跃、地震频发、崩滑灾害丛生的地段。在泥石流形成区内有大量易于被水流侵蚀冲刷的疏松土石堆积物，是泥石流形成的最重要条件。

二、气象水文条件 泥石流形成必须有强烈的地表径流，它为爆发泥石流提供动力条件。

第十三章    工程地质勘察方法

一.任务：

1）查明建筑物影响范围内的工程地质条件，指出有利和不利条件；

2）分析研究与建筑有关的工程地质问题，作出定性和定量评价；

3）选择工程地质条件合适的建筑场地；

4）提出建筑物类型、结构、规划和施工方法的建议；

5）为拟定改善和防治不良地质条件的措施提出地质依据；

6）预测在施工和使用过程中可能产生的工程地质问题及其对建筑物安全和正常运行的影响，并提出其预防措施。

二、工程地质勘察阶段

1、可行性研究阶段的工程地质勘察2、初步设计阶段工程地质勘察3、施工图设计阶段的工程地质勘察

三、工程地质勘察分类

1）、工程地质物探

1、电法勘探:人工电场----视电阻率  2、震法勘探：弹性波

2）、工程地质钻探

1、工程地质钻探的特点；  2、工程地质钻探的特殊要求；

  3、钻孔资料的整理

1）钻孔柱状图；     2）钻孔日志     3）岩心素描。

第十五章    地下建筑工程地质勘查

一、1、地应力：是存在于地层中的未受扰动的天然应力。

2、岩爆：是地下工程开挖过程中，岩体受力破坏，因为岩应力突然释放而导致岩块崩裂并抛出的动力地质现象。

二、地下建筑围岩的变形与破坏

1、坚硬块状岩土2、层状岩体 3、破裂岩体  4、松散岩体    

三、 围岩稳定性因素分析

1. 岩石性质 2. 岩体结构 3. 天然应力状态4. 地下水 5. 工程因素

四、地面塌陷：指地表岩土体在自然或人为因素作用下，向地面陷落并在地面形成塌陷坑的一种地质现象。

地面塌陷危害

地面沉降及危害

地面沉降:是指地面高程的降低，又称地面下沉或地沉，均指地壳表面某一局部范围内的总体下降运动。

主要危害

(1)沿海地区沉降使地面低于海面，受海水侵袭；

(2)一些港口城市，由于码头、堤岸的沉降而丧失或降低了港湾设施的能力;

(3)桥墩下沉，桥梁净空减小，影响水上交通.

(4)在一些地面沉降强烈的地区，伴随地面垂直沉陷而发生的较大水平位移，往往会对许多地面和地下构筑物造成巨大危害;

(5)在地面沉降区还有一些较为常见的现象，如深井管上升、井台破坏，高楼脱空，桥墩的不均匀下沉等，这些现象虽然不致于造成大的危害，但也会给市政建设的各方面带来一定影响。