1 工程地质基本知识

1工程地质基本知识1.1概述1.2第四纪沉积层1.3地下水1.1概述1.1.1、地质作用建筑场地的地形、地貌和组成物质（土与岩石）的成分、分布厚度及特性，取决于地质作用。1、内力地质作用：一般认为是，由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热能等引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用。eg.岩浆活动，地壳运动（构造运动）和变质作用。构成天然地基的物质是地壳中的岩石和土。地壳厚度为30~80km，它的物质、形态和内部构造是在不断地改造和演变的。导致地壳成分变化和构造变化的作用，称为地质作用。可分为内力地质作用和外力地质作用。2、外力地质作用：由太阳辐射能和地球重力位能引起。eg.昼夜和季节气温变化，雨雪、山洪、河流、冰川、风及生物等对母岩产生的风化、剥蚀、搬运与沉积作用。昼夜和季节以及气温的变化,可使地表各种原岩不断发生热胀脱离,冷缩开裂等机械破碎。水和水溶液的存在，可使原岩不断发生水化、氧化、碳酸盐化、溶解以及缝隙水冻胀引起崩裂化学变化和机械破碎。动植物和微生物的活动，也可使原岩不断发生机械破碎和化学变化。这种外力（包括大气、水、生物）对原岩机械破碎和化学变化的作用，统称为风化作用。外力地质作用过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积，是彼此密切联系的。风化作用为剥蚀作用创造了条件，而风化、剥蚀、搬运又为沉积作用提供了物质的来源。1.1.2、地质年代1.1概述土与岩石的性质与其生成的地质年代有关。一般说来，生成年代越久，土与岩石的工程性质越好。地质年代是指地壳发展历史与地壳运动、沉积环境及生物演化相应的时代段落。地球形成至今大约有60亿年的历史，在这漫长的地质年代里，地壳经历了一系列复杂的演变过程，形成了各种类型的地质构造和地貌以及复杂多样的岩石和土。地质年代有绝对和相对之分，相对地质年代在地史的分析中广为应用。它是根据古生物的演化和岩层形成的顺序，将地壳历史划分成一些自然阶段。分为五大代（太古代、元古代、古生代、中生代和新生代），每代又分为若干纪，每纪又细分为若干世及期。在每一个地质年代中，都划分有相应的地层。地质年代和地层单位、顺序和名称的对应关系如下表。通常所说的土为新生代第四纪更新世（距今约100万年），更新世又分为早更新世（Q1）、中更新世（Q2）、晚更新世（Q3），其后为全新世（Q4）。1.1概述地质年代和地层单位、顺序、名称的对应关系地质年代代纪世期地层单位界系统阶(层)纪(系)1.2第四纪沉积层地表的岩石经风化，剥蚀成岩屑，又经搬运、沉积而成的沉积物，年代不长，未经压紧硬结成岩石之前，呈松散状态，称为第四纪沉积层，即土。根据搬运和沉积的情况不同，可分为以下几种类型：残积层，坡积层，洪积层，冲积层，海相沉积层，湖沼沉积层。不同成因类型的第四纪沉积物，各具有一定的分布规律和工程地质特性。1.残积层残留在原地未被搬运的那一部分风化产物。颗粒不能被磨圆或分选，没有层理构造。残积物与基岩之间没有明显界限，其矿物成分很大程度上与下卧基岩一致。由于残积物没有层理构造，均质性很差，颗粒多为棱角状的粗颗粒土，孔隙度较大，作为建筑物地基容易引起不均匀沉降。２．坡积层雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地冲刷剥蚀、顺着斜坡向下移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。自上而下呈现由粗而细的分选现象。其矿物成分与下卧基岩没有直接关系。由于坡积物形成于山坡，常常发生沿下卧基岩倾斜面滑动；还由于组成物质粗细颗粒混杂，土质不均，厚度变化大。新近堆积物，土质疏松，压缩性较大。1.2第四纪沉积层由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流,具有很大的剥蚀、搬运能力。它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲口或山前倾斜平原而形成洪积层。离山渐远，颗粒变细，分布范围逐渐扩大。其地貌特征是靠山近处窄而陡，离山远处宽而缓，形如锥体，故称为洪积锥（扇）。由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群。3.洪积层1.2第四纪沉积层残积层：应注意不均匀沉降和土坡稳定性问题。坡积层：应注意不均匀沉降和地基稳定性问题。洪积层：应注意土层的尖灭和透镜体引起的不均匀沉降。2.淤泥夹粘土透镜体1.表土层3.粘土尖灭层4.砂土夹粘土层5.砾石层6.石灰岩层土的层理构造洪积物的颗粒虽因搬运过程中的分选作用呈现渐变现象,但由于搬运距离短,颗粒的磨圆度仍不佳。此外，山洪是周期性产生的，每次的大小不尽相同，堆积物质也不一样。因此，洪积物常呈现不规则的层理构造，如具有夹层、尖灭或透镜体等产状。靠近山地或离山较远地段的洪积物的承载力高，而过度地带由于地下水溢出地表造成沼泽地带，土质软、承载力低。1.2第四纪沉积层平原河谷横断面砾卵石中粗砂粉细砂粉质粘土粉土黄土淤泥4、冲积层冲积物是河流流水的地质作用将两岸基岩及其上部覆盖的坡积、洪积物剥蚀后搬运沉积在河流坡降平缓地带形成的沉积物。其特点是呈现明显的层理构造。由于搬运作用显著，碎屑物质由带棱角颗粒经滚磨、碰撞逐渐形成亚圆或圆形颗粒，其搬运距离越长，则沉积物质越细。典型的冲积物是形成于河谷内的沉积物，可分为平原河谷冲积层和山区河谷冲积层等。1.2第四纪沉积层1.3地下水1.3.1、地下水对工程的影响1、基础埋深：通常设计基础埋深D应小于地下水位深度hw。2、施工排水：当地下水位高，基础埋深D大于地下水位深度时，基槽开挖与基础施工必须进行排水。中小工程可以采用挖排水沟与集水井排水；重大工程应采用井点降低地下水位法。3、地下水位升降：湿陷性黄土、膨胀土遇水时；地下水位大幅下降时。地下水：存在于地面下土和岩石的孔隙、裂隙或溶洞中的水。建筑场地的水文地质条件主要包括地下水的埋藏条件，地下水位及其动态变化，地下水化学成分及其对混凝土的腐蚀性等。地下水对工程的影响1.3地下水4、地下室防水。5、地下水水质侵蚀性。6、空心结构物浮起。7、承压水冲破基槽。地下水含有各种化学成分，当某些成分含量过多时，会腐蚀混凝土、石料及金属管道。1.3.2、地下水分类1.3地下水按埋藏条件不同，分为三类：1、上层滞水：地表水下渗积聚在局部透水性小的粘性土隔水层上的水。为雨水补给，有季节性。2、潜水：埋藏在地表以下第一个连续分布的稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水。为雨水、河水补给，水位有季节性变化。一般埋藏在第四纪沉积层及基岩的风化层中。水面标高称为地下水位。3、承压水：埋藏在两个连续分布的隔水层之间，完全充满的有压地下水。通常存在于卵石层中，承受一定的静水压力。其埋藏区与地表补给区不一致。因此，承压水的动态变化受局部气候因素影响不明显。1.3.3土的渗透性1.3地下水（1）概念：地下水通过土颗粒之间的孔隙流动，土体可被水透过的性质称为土的透水性。它表明水通过孔隙的难易程度。应用：工程设计中，计算地基沉降速率，或地下水位以下施工需计算地下水的涌水量，选择排水措施等均应用渗透性指标。（2）土的渗透性规律1、渗透实验与达西定律法国学者达西（Darcy,H.）1856年做砂土的渗透实验，发现达西定律。Q/t=q=kFh/L=kFiv=k×iq—单位时间内通过砂层渗流出的水量。i=h/L—水力坡降。v—渗透速度cm/s。k—土的渗透系数cm/s•(1)、达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比v=ki达西定律水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失(2)、达西定律适用范围与起始水力坡降kiv达西定律讨论：砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系ib起始水力坡降虚直线简化达西定律适用于层流，不适用于紊流v=kiivO砂土0iv密实粘土)(biikv2、渗透系数及其确定方法（1）渗透试验（室内）AtLhkkiAtqtV时间t内流出的水量hAtVLka.常水头试验————整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。b.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化截面面积a任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内管内减少的水量dV=－adh在时段dt内流经试样的水量dV=kiAdt=kAh/Ldt管内减少水量＝流经试样水量－adh=kAh/Ldt分离变量积分2112lnhhttAaLk＝2112lg3.2hhttAaLk＝适用于透水性差，渗透系数小的粘性土（2）影响渗透系数的因数a.土粒大小与级配细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。b.土的密实度c.水的动力粘滞系数同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。d.土中封闭气体含量土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。2020TTkkT、20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，可查表3、渗透力与渗透变形（1）渗透力和临界水力坡降a.渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h土粒对水流的阻力应为hAFw土样面积根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反hAFJw渗流作用于单位土体的力wwiALhAALJj说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响abc渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出b.临界水力坡降———使土体开始发生渗透变形的水力坡降GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降JGcrwiwcri'wwsatscreGi11或在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(2～3)，作为允许水力坡降[i]。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降[i]内scrFiii][(2)、渗透变形渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌）a.流土——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动的现象流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏b.管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏.c.流土与管涌的判别——渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu10的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况:1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为30%－35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象