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工程地质学••刘红军•五邑大学土木建筑学院绪论•一、工程地质学的研究对象•工程地质学主要是用来研究各种建筑区域的工程地质条件，解决工程地质问题，以及人类的工程活动对地质环境的影响。•工程地质学是介于地质学与工程学之间的一门独立的边缘交叉学科。是地质学的一个分支。•工程地质学包括工程岩土学、工程地质分析、工程地质勘察三个基本部分。•二、工程活动与地质环境•人类的工程活动都是在一定的地质环境中进行的。•工程活动的地质环境，亦称为工程地质条件，是指各项地质因素的综合。•①土和岩石的工程性质：•②地质构造：•③地形地貌：•④水文地质条件：•⑤不良的地质现象：•⑥天然建筑材料：•地质环境对工程活动的制约是多方面的。如在开挖高边坡时，忽视地质条件，可能引起大规模的崩塌或滑坡，在岩溶地区修建水库，如不查明岩溶情况并采取适当措施，轻则蓄水大量漏失，重则完全不能蓄水，使建筑物不能正常使用。•工程活动也会以各种方式影响地质环境。如房屋引起地基土的压密沉降，桥梁使局部河段冲刷淤积发生变化等。在城市过量抽取地下水，可能导致大规模的地面沉降。•三、工程地质学的研究方法•1.地质法：•2.试验方法：•3.计算方法：第一章造岩矿物与岩石地壳由各种各样坚硬的岩石组成，矿物是构成各种岩石的最基本物质。矿物的成分、性质及其在各种因素作用下所发生的变化，都会对岩石的强度和稳定性产生影响。要分析了解岩石在各种自然条件下的变化，进而对岩石的工程性质作出评价，就必须首先从矿物开始。•第一节造岩矿物•矿物是组成岩石的基本单位，也是组成地壳的基本•物质，它是在各种地质作用下形成的具有一定的化学成分和物理性质的单质和化合物。•一、矿物的一般知识•（1）原生矿物：（2）次生矿物：（3）变质矿物：•二、矿物的物理性质•（一）矿物的形状•1、有规则的外形和无规则的外形•2、单个晶体的外形•••图1-1常见矿物的晶体形态•a）正长石；b）斜长石；c）石英；d）角闪石；e）辉石；f）橄榄石；g）方解石；h）白云母；i）石膏；j）绿泥石；k）云母；l）黄铁矿；m）石榴子石•金刚石•石墨3、集合体外形•钟乳状•钟乳状•晶簇桩•（二）矿物的光学性质•1.颜色•矿物的颜色是指矿物对可见光波的吸收作用所引起的。•（1）自色：是矿物本身固有的颜色。•（2）他色：是矿物混入了某些杂质所引起的，与矿物的本身性质无关。•（3）假色：由于矿物内部的裂隙或表面的氧化薄膜对光的折射、散色所引起的。（条痕）•2.光泽：是矿物表面对可见光的反射能力。•（1）金属光泽：•（2）半金属光泽：•（3）非金属光泽：•3.透明度•透明度是指矿物透过可见光波的能力，•（1）透明的：•（2）半透明的：•（3）不透明的：•（三）矿物的力学性质•1.硬度•硬度是指矿物抵抗刻划、研磨的能力。•2.解理•解理是指矿物受打击后常沿一定方向裂开，并形成光华平面的性质。•••图1-2方解石的三组解理图1-3石英的贝壳状断口•3.断口•矿物在外力打击下，沿任意方向发生的不规则裂口称为断口。•除具有以上性质外，有些矿物还具有一些特性，如方铅矿具有脆性；自然银具有延展性；云母具有弹性，磁铁矿具有磁性等。•黑钨和毒砂共生黑钨和水晶共生重晶石梯华和水晶共生水晶重叠石毒砂黄铁矿共生紫色萤石和水晶共生水晶黑钨黄铁矿和萤石共生紫色萤石和毒砂共生水晶和紫色萤石共生绿萤石方解石和黄铁矿共生水晶与黑钨共生镜铁矿和水晶绿色萤石和方解石苦瓜皮状萤石伴有方铅矿白色绒毛状石英晶体上生成葡萄状紫色萤石镜铁矿和水晶镜铁矿和水晶辰砂水晶和闪锌矿八面体绿萤石表面呈细水重晶状猫眼石祖母绿宝石（绿柱石）毒砂和水晶毒砂镜铁矿和水晶电气石柱状单晶黑钨和白水晶包黑色皮金刚石黄金矿块黄铁矿和水晶闪锌矿黄铁矿方铅矿自然金自然铂自然硫自然砷自然铜•第二节岩石•岩石是地壳发展过程中，由一种或多种矿物组成的，具有一定规律的集合体。（见下页图）有单矿岩和复矿岩。•按其成因可将地壳的岩石分为三大类：岩浆岩、沉积岩和变质岩。•一、岩浆岩（火成岩）•岩浆岩是由岩浆冷凝形成的岩石。（见下页图）•依冷凝成岩浆岩的地质环境的不同，将岩浆岩分三大类：•（1）深成岩：•（2）浅成岩：•（3）喷出岩：•岩浆岩的产状可以反映岩体空间位置与围岩的相互关系及其形态特征。岩浆岩产状大致有下列几种（如图1-4所示）。•••••图1-4岩浆岩的产状•（1）岩基：•（2）岩株：•（3）岩盘：•（4）岩床：•（5）岩脉：•（一）岩浆岩的矿物成分及化学成分•组成岩浆岩的矿物根据颜色可分为浅色矿物和深色矿物两类•岩浆岩的矿物成分是岩浆化学成分的反映。岩浆的化学成分相当复杂，但含量高，对岩石的矿物成分影响最大的是SiO2，根据SiO2的含量，岩浆岩可分下面几类：•（1）酸性岩类：•（2）中性岩类：•（3）基性岩类：•（4）超基性岩类：•（二）岩浆岩的结构与构造•1.结构•岩浆岩的结构是指组成岩石的矿物的结晶程度、晶粒大小、形状及其相互结合的情况。•（1）全晶质结构：岩石全部由结晶的矿物颗粒组成（如图1-5所示）。•粗粒结构(5mm)•中粒结构(5-2mm)•细粒结构(2-0.2mm)•微粒结构(0.2mm)•图1-5岩浆岩按结晶程度划分的三种结构•1—全晶质结构；2—半晶质结构；3—非晶质结构•岩石中的同一种主要矿物，其结晶颗粒如大小悬殊，则称为似斑状结构。•（2）半晶质结构：岩石全部由结晶的矿物颗粒和部分细晶的玻璃质组成（如图1-5所示）。•（3）非晶质结构：•2.构造•岩浆岩的构造是指矿物在岩石中的组合方式和空间分布情况。•（1）块状构造：（2）流纹状构造：•（3）气孔状构造：（4）杏仁状构造：••（三）岩浆岩的分类和常见的岩浆岩•1.岩浆岩的分类•二、沉积岩•由沉积物固结变硬而形成的岩石就是沉积岩。沉积岩占地壳岩石总体的5%，它是三大岩石中在地表分布最广泛的，占地壳表面积的75%。沉积岩的形成有两种途径：一是在地表条件下，由风化作用或火山作用的产物经机械搬运、沉积、固结成岩，以这种方式形成的沉积岩称碎屑岩。二是在地表常温、常压条件下由水溶液沉淀而形成化学岩，然而自然界大多水盆地化学沉淀过程中都有生物参与，所以通常又称生物化学岩。•（一）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.有机质及生物残骸•5.胶结物•（二）沉积岩的结构与构造•1.沉积岩的结构•.（1）碎屑结构•按碎屑粒径的大小，可分为：•①砾状结构碎屑粒径大于2mm。碎屑形成后未经搬运或搬运不远而留有棱角者，称为角砾状结构；碎屑经过搬运呈浑圆状或具有一定磨圆度者，称为砾状结构。•②砂质结构碎屑粒径介于2~0.05mm之间。•③粉砂质结构：碎屑粒径介于0.05~0.005mm。•按胶结物的成分，可分为：•①硅质胶结•②铁质胶结•③钙质胶结•④泥质胶结•（2）泥质结构•（3）结晶结构•（4）生物结构•2.沉积岩的构造•沉积岩的构造是指其组成部分的空间分布及其相互间的排列关系。沉积岩最主要的构造是层理构造。•层理分为各种不同的形态类型，如常见的有水平层理（如图1-8a所示）斜层理（如图1-8b所示），交错层理（如图1-8c所示）等。•abc图1-8层理类型•（a）水平层理；（b）斜层理；（c）交错层理•层与层之间的界面称为层面。在层面上有时可以看到波痕、雨痕及泥面干裂的痕迹。上下两个层面成分基本相互一致的岩石，称为岩层。它是层理最大的组成单位。一个岩层上下层面之间的垂直距离称为岩层的厚度。（如图1-9所示）。••图1-9岩层的几种形态•（a）正常层；（b）夹层；（c）变薄；（d）尖灭；（e）透镜体•在沉积岩中还可看到化石•沉积岩的层理构造、层面特征和含有化石是沉积岩在构造上区别于岩浆岩的重要特征。•（三）沉积岩的分类及常见的沉积岩•三、变质岩•变质岩的成因•地壳中的原岩受到温度、压力及化学活动性流体的影响，在固体状态下发生剧烈变化后形成的新的岩石称变质岩（如图1-10所示）。•图1-10变质岩的类型示意图•1-动力变质岩；2、3-接触变质岩；4-区域变质岩•（二）变质作用的主要类型•1.接触变质作用•2.动力变质作用•3.区域变质作用•（三）变质作用的因素•1.高温：•2.高压：•3.新的化学成分的加入•（四）变质岩的主要特征•1.矿物成分：•2.结构：•（1）变晶结构：•（2）变余结构：•（3）碎裂结构：•3.构造•变质岩的构造是指岩石中矿物在空间排列关系的外貌特征。•（1）片理状构造•①板状构造：•②千枚状构造：•③片状构造：•④片麻状构造：•（2）块状构造•（五）变质岩的分类及常见的变质岩变质岩根据其构造特征分为：片理状岩石类和块状岩石类，（表1-5）。•四、三大岩类的区别及鉴别方法•（一）三大岩类的区别•上述三大岩类，由于成因不同，因而其物质组成、结构及构造也各不相同，为便于鉴别及掌握，将其主要区别列于表1-6中。•三大类岩石的区别表1-6岩类地质特征岩浆岩沉积岩变质岩主要矿物成分全部为岩浆中析出的原生矿物，成分复杂，但较稳定。浅色的矿物有石英、长石、白云母等，深色的矿物有黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等次生矿物占主要地位，成分单一，一般多不固定。常见的有石英、长石、白云母、方解石、白云石、高岭土等除具有变质前原来岩石的矿物，如石英、长石、云母、角闪石、辉石、方解石、白云母、高岭土等外，尚有经变质作用的矿物，如石榴子石、滑石、绿泥石、蛇纹石结构以结晶粒状、斑块结构为特征以碎屑、泥质及生物碎屑结构为特征。部分为成分单一的结晶结构，但肉眼不易分辨以变晶结构等为特征构造具块状、流纹状、气孔状、杏仁状构造具层理构造多具片理构造成因直接由高温熔融的岩浆经岩浆作用而形成主要由先成岩石的风化产物，经压密、胶结、重结晶等成岩作用而形成由先成的岩浆岩、沉积岩和变质岩，经变质作用而形成•（二）三大岩类的肉眼鉴别•1.岩浆岩的鉴别方法•（1）先看岩石整体颜色的深浅。•（2）分析岩石的结构和构造。•（3）分析岩石的主要矿物成分，确定岩石的名称。•2.沉积岩的鉴别方法•鉴别沉积岩时，可以先从观察岩石的结构开始，结合岩石的其他特征，先将所属的大类分开，然后再作进一步分析，确定岩石的名称。•（1）碎屑岩•（2）粘土岩•（3）化学岩•3.变质岩的鉴别方法•鉴别变质岩时，可以先从观察岩石的构造开始。根据构造，首先将变质岩区分为片理构造和块状构造的两类。然后可进一步根据片理特征和主要矿物成分，分析所属的岩类，确定岩石的名称。•粗粒辉长岩花岗岩流纹岩，属于酸性喷出岩。安山岩，属于中性喷出岩。玄武岩，属于基性喷出岩。黄色砂岩石英砾岩大理岩片状片麻岩板岩砂岩石英岩糜棱岩•Marble•大理岩Non-foliatedmetamorphicrocks•Quartzite石英岩Marble大理岩•三叶虫化石展示恐龙化石展示世界上第一枚翼龙胚胎化石鱼类化石展示昆虫标本展示琥珀蕨类化石展示第三节岩石的工程地质性质•岩石的成因及类型，岩石不仅是地形地貌、地质构造的基础，而且还是人类工程建筑的载体和原料，它的工程性对建筑物有极大的影响。•一、岩石物理性质的常用指标•（一）岩石的密度（ρ）•ρ=G/V•ρd=Gs/V•γsαt=(Gs+Gw)/V•（二）岩石的相对密度（Δ）•Δ=GS/VSρWVG•（三）岩石的孔隙率（n）与孔隙比（e）•n=VV/V×100%•e=VV/Vs•二、岩石的水理性质•岩石的水理性质是指岩石与水相互作用时所表现的性质，包括吸水性、软化性和抗冻性。•（一）岩石的吸水性•岩石在一定试验条件下的吸水性能称岩石吸水性。•吸水率（W2）是指岩石在常压下所吸入水分的质量Gw1与干燥岩石质量GS的比值：•W2=Gw1/Gs×100%•（二）岩石的透水性•岩石能被水透过的性能称岩石透水性。岩石透水性可用渗透系数（k）衡量。•（三）岩石的溶解性•岩石的溶解性是指岩石溶解于水的性质，常用溶解度或溶解速度表示。•（四）岩石的软化性•岩石受水的浸泡作用后，其力学强度和稳定性趋于降低的性能，称岩石的软化性。•岩石软化性大小常用软化系数来衡量。•η=Rw/RC•（五）岩石的抗冻性•