土木工程地质(教案)

土木工程地质（教案）土木与材料工程系第一章绪论一、土木工程地质学研究内容地质学：研究地球性质的科学。(土木)工程地质学：研究人类在(土木)工程建设活动中产生的地质问题，特别是不良地质问题的应用学科。它研究人类工程活动与地质环境相互关系，是地质学与工程紧密结合的学科。地质环境制约工程建设例：①地震烈度限制城市发展②软土地基需处理③滑坡迫使工程改线工程建设破坏地质环境例：抽取地下水引起地面沉降、地面塌陷工程地质学任务：研究工程建设与地质环境二者之间的相互制约关系，促使矛盾转化和解决。既保证工程安全、经济、正常使用，又合理开发和利用地质环境。工程地质条件与工程有关的地质因素的综合。工程地质问题与工程建筑物之间的矛盾。各类工程问题：对工民建--场地稳定性、地基承载力及变形问题高层建筑--深基坑开挖、降水、对环境影响问题地下工程--洞室围岩稳定、承压水的危害问题道路工程--山区滑坡、崩塌、泥石流问题水利工程--渗透问题、水平抗滑问题不良地质作用：指对工程建设不利或有不良影响的动力地质作用。如滑坡、崩塌、泥石流等。工程地质学的研究内容：1）岩土工程性质的研究2）工程动力地质作用的研究3）区域工程地质的研究4）勘察技术和理论的研究5）环境工程地质学的研究二、工程地质与岩土工程的关系有四种见解：1.岩土工程是工程地质的分支。2.是岩土力学在工程上的应用。3.是基础工程和地下结构工程。4.按岩土工程勘察规范定义：岩土工程（Geotechnicalengineering）是以土力学、岩石力学、工程地质学和地基基础工程学为理论基础，以解决和处理在工程建设中出现的所有与岩土体有关的工程技术问题的一门地质和工程紧密结合的新专业学科。岩土工程的补充定义如下：岩土工程是土木工程中涉及岩土体的整治、改造和利用的科学技术。岩土工程是工程地质勘察、基础（或地下结构）方案设计、基础（或地下结构）施工三位一体的工程：l地质学是定性分析的基础；岩土力学是定量评价的基础；结构工程有关的知识是进行土木工程设计与施工的基础。必须根据建筑场地的工程地质条件，结合工程要求，制定相应方案。三、学习要求与方法课程内容：1.基础地质知识2.岩土工程地质性质3.各种类型工程的地质问题4.工程地质勘察方法5.工程地质环境评价课程特点：内容广、概念多、实践性强。学习要求：掌握工程地质学基本知识，掌握地质分析的方法，解决实际工程问题。第2章地质作用与地质构造地球的表面高低起伏，有高山、大海、河流、湖泊、沙漠、平地等，地表形态的差异是在长期的地球发展历史中，地壳演变而来的。人们把引起地壳的物质组成、内部结构和表面形态不断运动、变化和发展的各种自然作用称为地质作用。地质作用也促使各种岩石、矿物的形成与破坏。各种地质作用也会使岩石或岩层发生变形和变位，形成各种构造运动的形迹。地质构造即是在各种内外动力地质作用下形成的岩石变形的产物，具体表现为岩石的弯曲变形和断裂变形等。2.1地球概况1地球形状地球表面的形态大致可分为陆地和海洋两部分。其中海洋面积占70.7%，陆地面积占29.3%。陆地多集中于北半球，平均海拔高度为860m，最高点为中国珠穆朗玛峰8848.13m。海洋多集中于南半球，平均深度为3700m，最深处为太平洋西北部的马里亚纳海沟（高程-11033m）。地球上的陆地被海水分割为许多巨大的陆地和较小的陆块，前者称为大陆或大洲，后者叫岛屿。陆地表面形态按其高程和起伏情况，可分为山地、高原、丘陵、盆地和平原等地貌形态。2地球的圈层构造地球是一个演化的行星，从原始物质均一的球体，经分异演化成为具层圈构造的行星，把地球划分为外圈层和内圈层：其外圈层包括大气圈和水圈、生物圈；而其内圈层包括地壳、地幔和地核，内圈层各层之间的化学成分有显著差异。地壳由坚硬的岩层和岩层风化后所形成的土层组成。地壳的平均密度为2.6～2.9g/cm3。组成地壳的物质主要是地球中比较轻的硅镁和硅铝等物质。地壳的上层为硅铝层，相对密度2.6～2.7g/cm3，下层为硅镁层，相对密度2.8～2.9g/cm3。组成地壳的主要化学元素及含量元素成分（%）元素成分（%）元素成分（%）OSiAl46.9527.888.13FeCaNa5.173.652.78MgKH2.062.580.142.2地质作用地质学把自然营力引起岩石圈的物质组成、内部结构、构造和地表形态等不断运动、变化和发展的作用称为地质作用。把引起这些变化的各种自然营力称为地质营力。1地质作用的能量来源任何地质作用都要消耗能量。形成地质作用的能量来源主要有两种，一种是来自地球以外的能量，称之为外能，主要有太阳辐射能、潮汐能和生物能（包含人类的能量）等；另一种是来自地球内部的能量，称之为内能，主要是地内热能、地球旋转能、重力能等。2地质作用的分类依据能量来源的不同，地质作用分为两大类：内力地质作用与外力地质作用。1).内力地质作用由地球的旋转能、重力能、化学能和结晶能等内能引起的整个岩石圈物质成分、内部构造、地表形态发生变化的地质作用称为内力地质作用。包括地壳运动、地震作用、岩浆作用和变质作用四种主要类型。（1）地壳运动。地壳运动是指引起地壳发生变形、变位等的内动力地质作用，又常称为构造运动。地壳运动按其运动方向分为水平运动和升降运动两类。（2）地震作用。地应力的突然释放使地壳产生快速颤动的地质作用为地震作用。地震是地壳长期缓慢运动的结果，不易被人感觉到，但是一旦地壳运动所积累的地应力超过了组成地壳的岩石应力强度时，岩石就要发生断裂而引起地震。（3）岩浆作用。岩浆沿地壳软弱地带上升时发生的一系列物理化学变化直至冷凝成岩的作用。当岩浆冲破地壳，喷出地面时，称之为喷出作用(火山作用)；如果上升到地壳某一部位，侵入到围岩中的一系列过程称之为侵入作用。(4)变质作用。地壳中已经存在的岩石受温度、压力或化学流体的加入而改变其成分、结构和构造形成新的岩石的作用称为变质作用。2.外力地质作用外力地质作用是指主要来自于地球之外，作用于地表及其附近是地表矿物和岩石遭破坏而形成新的矿物和岩石，同时也引起地表形态不断变化的地质作用。按其作用方式可分为：（1）风化作用。风化作用是指在温度变化、大气、水和生物等作用下，岩石、矿物在原地发生变化的作用。按其性质分为物理风化作用、化学风化作用和生物风化作用。（2）剥蚀作用。风、流水、冰川、湖海中的水在运动状态下对地表岩石、矿物产生破坏并把破坏的产物剥离原地的作用。按动力来源分为风的吹蚀作用、流水的侵蚀作用、地下水的潜蚀作用、冰川的刨蚀作用等。（3）搬运作用。风化、剥蚀作用的产物被迁移到他处的过程。由于搬运介质的不同，可分为风的搬运作用、流水的搬运作用、冰川的搬运作用等。（4）沉积作用。当搬运动力的动能减小，搬运介质的物理化学条件发生变化或者在生物的作用下，被搬运的物质在新的环境下堆积起来。按沉积方式分为机械沉积作用、化学沉积作用和生物沉积作用。（5）成岩作用。使各种松散堆积物变成坚硬的沉积岩的作用。包括胶结作用、压实作用和结晶作用。内、外力地质作用互有联系，但发展趋势相反。内力作用使地球内部和地壳的组成和结构复杂化，造成地表高低起伏；外力作用使地壳原有的组成和构造改变，夷平地表的起伏，向单一化发展。总的来说，内力作用控制着外力作用的过程和发展2.3地质年代地质年代是表示地壳表层不同地质历史时期形成的岩石和地层，地质事件等在形成过程的时间和先后顺序。通过地质年代可以阐明地壳发展变化的历史过程和生物演化的情况，确定岩层形成的先后次序和生成环境以及构造变动等。2.3.1地质年代的分类与地质年代的划分1.地质年代的分类地层的地质年代有绝对地质年代和相对地质年代之分。绝对地质年代是指地层形成到现在的实际年数，是用距今多少年以前来表示；相对地质年代是指地层形成的先后顺序和地层的相对新老关系。2.地质年代的划分地质年代与相对应的地层单位表地质单位宙代纪世期地层单位宇界系统阶2.3.2相对地质年代的确定在工程地质工作中，用得较多的是相对地质年代。相对地质年代的确定方法主要包括地层层序法、古生物层序法、岩性对比法、地层接触关系法。1.地层层序法未经剧烈构造变动的沉积岩，新岩层在上，较老的岩层在下；若岩层经剧烈的构造运动，如地层发生层序倒转，就须利用沉积岩的泥裂、波痕、雨痕、交错层等构造特征，来恢复原始地层的层序，以便确定其新老关系。2.古生物层序法地质历史上的生物称为古生物。其遗体和遗迹可保存在沉积岩层中，形成化石。生物的演变从简单到复杂，从低级到高级不可逆地不断发展。因此，岩层中出现的生物越原始、越简单、低级则说明地层形成的年代越古老；反之地层中所含的生物越进步、复杂、高级，说明地层时代越新。3.岩性对比法在同一时期、同一地质环境下形成的岩石，具有相同的颜色、成分、结构、构造等岩性特征和层序规律。因此，可根据岩性特征对比来确定某一地区岩石地层的时代。4.地层接触关系法地层间的接触关系，是构造运动、岩浆活动和地质发展历史的记录。岩层的接触关系有沉积岩之间的整合接触、平行不整合接触、角度不整合接触，岩浆岩与沉积岩之间的沉积接触和侵入接触，以及岩浆岩与围岩之间的穿插接触关系。整合接触是指相邻的新、老两套地层产状一致，它们的岩石性质与生物演化连续而渐变．沉积时间没有间断。它反映了岩层形成时期的地壳运动相对较为稳定，是在地壳均匀下沉、连续沉积的环境中形成的。不整合接触由于地壳运动，上下两套地层之间往往出现明显的沉积间断，且岩石性质与古生物演化顺序也不连续，这种接触关系称为不整合接触。沉积岩间的不整合接触可分为平行不整合接触和角度不整合接触。平行不整合接触或者称之为假整合接触，是指相邻的新、老地层产状基本相同，但两套地层之间发生了较长期的沉积间断，其间缺失了部分时代的地层。两套地层之间的界面叫做剥蚀面，也叫不整合面，它与相邻的上、下地层产状一致，并有一定程度的起伏。界面上可能保存有风化剥蚀的痕迹，有时在界面靠近上覆岩层底面一侧还有源于下伏岩层的底砾岩。角度不整合接触。角度不整合接触是指相邻的新、老地层之间缺失了部分地层，且彼此之间的产状也不相同，成角度相交。剥蚀面上具有明显的风化剥蚀痕迹．保存着古风化壳、古土壤层，常具有底砾层。角度不整合接触表示较老的地层形成以后。因强烈的构造运动形成褶皱、断裂，并隆起、遭受剥蚀，造成沉积间断。然后，地壳再下降，在剥蚀面上接受沉积，形成新地层。侵入接触是指由岩浆侵入于先形成的沉积岩层中形成的接触关系；沉积接触是岩浆岩经风化剥蚀后，又继续接受沉积，剥蚀面上部的沉积岩层无变质现象，而在沉积岩的底部往往存在有由岩浆岩成分的砾岩或风化剥蚀的痕迹；穿插接触主要表现为后期生成的岩浆岩脉或岩株等侵入体插入早期生成的围岩（岩浆岩或沉积岩）中，将早期形成的围岩切隔开。2.4地质构造在构造运动的作用下，组成地壳的岩石和岩体发生变形变位形成各种构造运动的形迹称为地质构造。地质构造的基本类型可包括水平构造、倾斜构造、褶皱构造、断裂构造等。其中褶皱构造和断裂构造是最主要的构造类型。2.4.1水平构造和单斜构造沉积作用形成的沉积岩，在没经受构造变动时期，岩层的产状是水平的或者近似水平，称之为水平构造。受地壳变动影响，使原来水平的岩层，产状发生变动，最简单的形式就是岩层发生倾斜，岩层层面与水平面形成一定的夹角，岩层向同一方向倾斜，称之为单斜构造岩层的空间位置用岩层产状描述。把岩层的空间位置定义为岩层产状。倾斜构造的产状可以用岩层层面的走向、倾向和倾角三个产状要素来表示。AC—走向；BD—倾向；α—倾角在文字记录中，岩层产状常用三种表示方法。如一组走向为北西320°，倾向南西230°，倾角30°的岩层可表示为320°,230°,30°或230°30°。由于岩层的走向和倾向相差90°，所以在野外调查记录时，一般采用最简单的表示方法230°30°，即只记录岩层的倾向和倾角。2.4.2褶皱构造在强烈的构造应力作用下，组成地壳的岩层产生一系列的波状弯曲而没有丧失其整体性和连续性的构造形态称之为褶皱构造。1.褶曲褶皱构造通常是一系列的波状弯曲，我们把其中的一个弯曲称为褶