土力學地基基礎——第1章工程地質.ppt

第一章 工程地質,主講人：孫鳴鏑,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 礦物與巖石 第三節(jié) 第四紀沉積層 第四節(jié) 不良地質條件 第五節(jié) 地下水,目 錄,第一節(jié) 概述,工程地質的內容與重點 建筑場地的形成 3 地質年代,工程地質的內容與重點,地表的工程地質條件的優(yōu)劣，直接影響建筑物的地基與基礎的設計方案的類型、施工工期的長短，以及工程投資的大小。 根據(jù)土木工程學科的特點，本章重點主要放在第四紀沉積層，即松散巖石土上；對礦物和巖石只做簡要介紹。,建筑場地的形成,建筑場地的地形、地貌和組成物質（主要指土和巖石）的成分、分部、厚度、工程特性等方面因素，都取決于地質作用。 地質作用主要有兩種類型： （1）內力地質作用：由地球自轉產(chǎn)生的旋轉能等因素引起，表現(xiàn)為巖漿活動、地殼運動和變質作用等形式。 （2）外力地質作用：由太陽輻射能和地球重力位能引起的地質作用。譬如晝夜、季節(jié)變化所引發(fā)的氣溫變化、雨雪、山洪、河流、冰川、風力、風向等因素，以及生物活動的作用，對母巖產(chǎn)生的風化、剝蝕、搬運、沉積等方式的作用。,前面所述兩種地質作用可以相互聯(lián)系，相互轉化，形成不同的地貌。,（1）地貌：錯綜復雜的地質作用，所形成的各種成因的地形。 （2）地貌單元：地表形態(tài)按其不同的成因，劃分為相應的地貌單元。,3 地質年代,土和巖石的性質與其生成的地質年代有關。一般來說，生成年代越久，土和巖石的工程性質越好。 根據(jù)地層對比和古生物學測算，一般把地質相對年代劃分為五個大代，其下又分紀、世、期，相應的地層單位為界、系、統(tǒng)、層。 我們主要研究的土主要在新生代的第四紀生成和沉積。,第二節(jié) 礦物與巖石,主要的造巖礦物 巖石的類型和性質,1 主要的造巖礦物,礦物：地殼中具有一定化學成分和物理性質的自然元素或化合物。 礦物是組成巖石的細胞。目前已發(fā)現(xiàn)礦物3000多種。 巖石的特性很大程度上取決于組成它的礦物成分。 造巖礦物：組成巖石的礦物。常見的主要造巖礦物有30多種。,（1）礦物的種類,礦物的種類按其形成方式分，主要分為原生礦物和次生礦物。 原生礦物：由巖漿冷凝而成。譬如石英、長石、角閃石、輝石、云母等。 次生礦物：通常由原生礦物風化產(chǎn)生，這類礦物主要有高嶺石、綠泥石等；還可由水溶液析出生成，主要有方解石、石膏等。,（2）礦物的主要物理性質,形態(tài)：結晶體常呈現(xiàn)的規(guī)則幾何形狀。常見的礦物有粒狀、板狀、片狀、柱狀等。 顏色：礦物新鮮表面的顏色。其主要取決于礦物的化學成分和所含的雜質。按顏色的深淺，礦物可分為淺色礦物和深色礦物。 光澤：礦物表面反射光線的強弱程度。主要有金屬光澤和非金屬光澤兩種。其中非金屬光澤又可分為玻璃、油脂、蠟狀、珍珠、絲絹、金剛、土狀光澤等幾個小類。,硬度：礦物抵抗外力刻劃的能力。由軟至硬，將礦物的硬度分為10級。滑石最軟，金剛石最硬。 解理：礦物受到外力作用時，能夠沿著一定方向裂開，形成光滑平面的性能。 解理面：礦物裂開所形成的光滑平面稱為解理面。 斷口：礦物受外力打擊后斷裂成不規(guī)則的形態(tài)。常見的斷口主要有平坦狀、參差狀、貝殼狀、鋸齒狀。,（2）礦物的主要物理性質,（3）礦物的鑒定方法,肉眼鑒定法 一般礦物可用小刀、放大鏡和10%的稀鹽酸等簡單工具或試劑，根據(jù)礦物的常見物理性質進行初步鑒定。有特征反應或明顯表征的也可直接斷定。 偏光顯微鏡法 比較難鑒別的礦物或多種礦物混雜，難以分清的礦物，可用顯微鏡等精密儀器進一步鑒定。,2 巖石的類型和性質,巖石的類型 按巖石的成因可分為三大類 巖漿巖（火成巖） 沉積巖（水成巖） 變質巖 （1）巖漿巖（火成巖）：由地球內部的巖漿侵入地殼或噴出地面冷凝而成。 （2）沉積巖（水成巖）：巖石經(jīng)風化、剝蝕成碎屑，經(jīng)流水、風或冰川搬運至低洼處沉積，在經(jīng)壓密或化學作用膠結成巖石。 沉積層分布很廣，約占地球陸地面積的75%。,2 巖石的類型和性質,（3）變質巖：由原巖改變性質轉化而來的一類巖石。其變質的原因主要是：地殼運動和巖漿活動，在高溫、高壓和活潑物質作用下，改變原巖的結構、構造、成分，形成新的巖石種類的作用過程。 按巖石的堅固程度可分為兩大類 硬質巖石 軟質巖石 （1）硬質巖石：飽和單軸極限抗壓強度fr30MPa的巖石。 （2）軟質巖石：飽和單軸極限抗壓強度fr30MPa的巖石。,按巖石的風化程度可分為四等 未風化巖石 微風化巖石 中等風化巖石 強風化巖石 （1）未風化巖石：巖質新鮮，偶見風化痕跡。 （2）微風化巖石：結構基本不變，僅節(jié)理面有渲染或略有變色，有少量風化痕跡。 （3）中等風化巖石：結構部分破壞，沿節(jié)理面有次生礦物，風化裂隙發(fā)育，巖體被切割成巖塊。用鎬難挖，巖芯鉆方可鉆進。 （4）強風化巖石：結構大部分破壞，礦物成分顯著變化，風化裂隙明顯發(fā)育，巖體破碎，用鎬可挖，干鉆不易鉆進。,2 巖石的類型和性質,巖石的類型,第三節(jié) 第四紀沉積層,地表的巖石，經(jīng)物理化學風化，剝蝕成巖屑、黏土礦物、化學溶解質等物質。又經(jīng)搬運，沉積，形成沉積物。由于年代不算太長，未壓密硬結成巖石之前，呈現(xiàn)松散狀態(tài)，稱為第四紀沉積層，即通常所說的土。 根據(jù)巖屑搬運和沉積的情況不同，第四紀沉積層又可以分為：殘積層、坡積層、洪積層、沖積層、海相沉積層、湖沼沉積層等幾種類型。,1 殘積層,殘積層：母巖經(jīng)風化、剝蝕，未被搬運，殘留在原地的巖石碎屑。 主要分布：巖石岀露的地表、經(jīng)受強烈風化作用的山區(qū)和丘陵，以及剝蝕平原。 組成物質：棱角狀碎石、角礫、砂粒和黏性土。 特點：裂隙多、無層次、平面分布、厚度不均。 此類土作地基注意事項：不均勻沉降和土坡穩(wěn)定性。,2 坡積層,坡積層：雨水和融雪水沖刷山坡時，將山上巖屑順斜坡搬運至較平緩的山坡或山麓，逐漸堆積形成。 特點：厚薄不均、土質極不均勻、孔隙大、壓縮性高。 此類土作地基注意事項：不均勻沉降和地基穩(wěn)定性。,3 洪積層,洪積層：暴雨或大量融雪形成山洪急流，沖刷并搬運大量巖屑，流至山谷出口或山前傾斜平原，堆積而成。 地貌特征：洪積扇，即靠谷口處窄而陡，谷口外逐漸變?yōu)閷挾?，形如扇狀?組成物質：谷口附近多為比較大的塊石、碎石、礫石、粗砂；谷口外較遠的位置顆粒逐漸變細（原因：谷口處窄，水流速度大，細顆粒被沖走；而遠處速度逐漸降低，細顆粒慢慢停滯下來）。,特點：不規(guī)則的粗細顆粒交替層理構造，有黏性土夾層、局部尖滅（沉積層向著沉積盆地邊緣，其厚度逐漸變薄直至沒有沉積）、透鏡體（中間厚，邊緣薄）等。 此類土作地基注意事項：土層的尖滅和透鏡體引起的不均勻沉降。,3 洪積層,沖積層：河水將巖屑搬運，沉積在河床較為平緩的地帶，所形成的沉積物。 （1）平原河谷沖積層 平原河谷沖積層依河流走向和地形一般分為如下四種類型。,4 沖積層,（1）平原河谷沖積層 河床沉積層：上游河床顆粒大，下游河床顆粒小。組成粒徑一般較大，為良好的天然地基。 河漫灘沉積層：此沉積層分為上下兩層，下層為粗粒土；上層為細粒土，并易夾雜有機土、淤泥和泥炭。 河流階地沉積層：由地殼的升降運動與河流的侵蝕，沉積作用共同作用形成。 由河漫灘向上，依次稱為一級階地、二級階地、三級階地。階地的位置越高，形成年代越早，通常土質就越好。,4 沖積層,古河道沉積層：蛇曲的河流，截彎取直改道以后的牛軛湖，逐漸淤塞而成。 此沉積層一般含有較厚的淤泥和泥炭層，壓縮性高，強度低，為不良地基。,4 沖積層,（2）山區(qū)河谷沖積層 山區(qū)河谷沖積層多為粗粒土，如漂石、卵石、圓礫等。 （3）山前平原沖積洪積層 此沉積層具有分帶性：近山一帶，為沖積或部分洪積的粗粒土；離山較遠處，逐漸過渡為砂土和黏性土。 （4）三角洲沉積層 三角洲沉積層：河流搬運大量泥沙，在河口沉積，形成此沉積層。此層為新近沉積層，含水率高，壓縮性高，承載力低。,4 沖積層,海相沉積層依據(jù)地帶不同，主要分為如下四種： （1）濱海沉積層：海水高潮與低潮之間的地區(qū)，稱為濱海地區(qū)。沉積物主要以卵石、圓礫和砂土為主，有時也有黏土夾層。 （2）大陸架淺海沉積層：海水深度從0到200m之間，平均寬度75km的地區(qū)，稱為大陸架淺海地區(qū)。沉積物主要以細砂、黏性土、淤泥、生物沉積物為主；離海近的，顆粒較粗。此沉積物有層理構造，密度小，壓縮性高。,5 海相沉積層,（3）陸坡沉積層：淺海區(qū)與深海區(qū)的過渡地帶，稱為陸坡地區(qū)（又稱次海區(qū)），水深一般至3000m為止。沉積物主要為有機質軟泥。 （4）深海沉積層：海水深度大于3000m的地區(qū)，稱為深海區(qū)。沉積物一般為有機質軟泥。,5 海相沉積層,湖沼沉積層一般分為如下兩種： （1）湖相沉積層：主要分為湖邊沉積層（粗粒土為主）和湖心沉積層（細粒土為主）兩種。 （2）沼澤沉積層：湖泊逐漸淤塞或陸地沼澤化，即可演變?yōu)檎訚伞Ｕ訚沙练e物即沼澤土，主要由腐殖質和泥炭組成。含水率極高，透水性很小，壓縮性很大，一般不宜作為永久建筑物的地基。 還有一些沉積類型，由于接觸較少，此處不再詳細介紹。,6 湖沼沉積層,第四節(jié) 不良地質條件,斷層 巖層節(jié)理發(fā)育的場地 滑坡 河床沖淤 岸坡失穩(wěn) 6 河溝側向位移,斷層,斷層：巖層在地應力作用下發(fā)生破裂，斷裂面兩側的巖體顯著發(fā)生相對位移的現(xiàn)象。 斷層形成的年代越新，斷層活動的可能性越大。 永久性建筑（如水庫大壩）應避免橫跨斷層。,2 巖層節(jié)理發(fā)育的場地,節(jié)理：巖層在地應力作用下形成斷裂構造，但未相對位移的現(xiàn)象。一般節(jié)理的長度為數(shù)米。 一組節(jié)理：互相平行的節(jié)理。 節(jié)理發(fā)育：即巖層節(jié)理現(xiàn)象的密度比較大。此時，巖體被節(jié)理切割成碎塊，破壞了巖層的整體性。使巖層不夠緊實。處理不當，容易滑坡。,滑坡,山坡失穩(wěn)的原因 （1）人類活動因素 在山麓建房，為利用土地，削去坡腳。 在坡上建房，增加坡面荷載。 生產(chǎn)和生活用水大量入滲坡積物，降低土的抗剪強度。 （2）自然環(huán)境因素 坡腳被河流沖刷，使得原來的天然邊坡變陡。 當?shù)剡B降暴雨，大量雨水入滲，降低土的內摩擦角。,河床沖淤,平原河道多有彎曲，凹岸受水流的沖刷產(chǎn)生坍岸，離河岸過近的建筑會受到影響；凸岸水流流速慢，產(chǎn)生淤積，使當?shù)責o水可抽，影響人民生活。河岸的沖淤現(xiàn)象在多沙的河流尤為明顯。,岸坡失穩(wěn),岸坡失穩(wěn)的原因 （1）流域在自然條件下通常是相對穩(wěn)定的，但在岸邊修建房屋設施，會增加天然土層的荷重，可能影響岸坡的穩(wěn)定，產(chǎn)生滑動。 （2）在軟弱地基存在時，如果發(fā)生地震等災害的擾動破壞，會使土的抗剪強度降低，岸坡也可能失穩(wěn)滑動。,6 河溝側向位移,河溝側向位移的危害 小河溝雖然不大，但靠近河溝修建房屋設施時，如果當?shù)氐鼗梁矢?、密度低，且為黏性土，那么建筑物可能會向河溝方向側向位移，導致建筑傾斜、墻體開裂，甚至由此引發(fā)更大的工程事故。,第五節(jié) 地下水,地下水對工程的影響 地下水分類 地下水位 地下水的運動 地下水水質,地下水對工程的影響,（1）基礎埋深：通常設計基礎的埋置深度d應小于地下水位深度hw，以防止凍脹。 （2）施工排水：地下水位較淺，基礎埋深大于地下水位深度時，基槽開挖和基礎施工前必須進行排水。避免施工中呈現(xiàn)軟泥地基或橡皮土，影響施工或為建筑安全留下隱患。 （3）地下水位升降：地下水在地基持力層中上升，使黏性土等土質軟化，壓縮性增大，承載力下降，地基下沉。有些土質軟化后，還可能發(fā)生變化，破壞地基，如膨脹土。 反之，地下水位迅速下降，會使地表下降，持力層下降，也會引起地基或建筑沉降。,地下水對工程的影響,（4）地下室防水：當?shù)叵率以诘叵滤灰幌聲r，必須做好防水層。 （5）水質侵蝕性：當?shù)叵滤泻袑ㄖ镉星治g的化學物質時，應采取相應的處理措施。 （6）空心結構物體浮起：當?shù)叵陆Y構還有水池、油罐一類的空心結構時，如果其深度與地下水位接近，要考慮使用之前設施的巨大浮力可能對施工和建筑產(chǎn)生的影響。 （7）承壓水沖破基槽：有承壓水存在的地質環(huán)境，基槽開挖深度要考慮承壓水上面的隔水層的自重壓力應大于承壓水的壓力，否則，承壓水沖破隔水層，產(chǎn)生流土破壞，事故不易控制。,地下水分類,地下水依據(jù)其埋藏條件不同，可分為三類 （1）上層滯水 （2）潛水 （3）承壓水,地下水分類,（1）上層滯水:積聚在局部隔水層上的水。 上層滯水靠降水補給，具有季節(jié)性特征。一般范圍不大，大多雨季水量較大，旱季水淺，甚至可能干涸。 （2）潛水：埋藏在地表下第一個連續(xù)分布的穩(wěn)定隔水層以上，具有自由水面的重力水。 潛水的自由水面稱為潛水面，水面的標高稱為地下水位。地面至潛水面的鉛直距離hw為地下水的埋藏深度。 潛水由雨水和河水補給，水位也有季節(jié)性變化。而且各地域的潛水埋藏深度也有差異性。,地下水分類,（3）承壓水：埋藏在兩個連續(xù)分布的隔水層之間完全充滿的有壓地下水。 承壓水通常存在于砂卵石層中。砂卵石一般呈傾斜狀分布，地勢高處砂卵石層水位高，可對地勢低處產(chǎn)生靜水壓力。若不慎打穿承壓水頂面的隔水層，水在巨大壓力下上涌，很可能造成工程事故，施工時要謹慎對待，注意防護。,3 地下水位,地下水位主要測定實測水位和歷年最高水位兩項指標。 （1）實測水位：分為初見水位和穩(wěn)定水位兩種。 初見水位：工程勘察鉆孔時，當鉆頭帶上水時所測得的水位。 穩(wěn)定水位（實測地下水位）：鉆孔完畢，將鉆孔口保護好，24小時后再次測定鉆孔的水位。 建筑場地的地下水非固定不變，一般夏、秋兩季地下水位高，冬、春兩季地下水位低。如果勘察的季節(jié)和施工的季節(jié)不一致，應注意季節(jié)變化的影響。,3 地下水位,（2）歷年最高水位：同一地區(qū)長期觀測地下水位，將實測數(shù)據(jù)以時間為橫坐標，水位深度為縱坐標，繪制地下水位時程曲線。由曲線可見，每一年水位的最高點（峰值）一般都出現(xiàn)在夏季，綜合各年的峰值數(shù)據(jù)，某一段時間內的最高者，就是這段時間內的歷年最高水位。 對于大多數(shù)重大工程，必須考慮地下水位的歷年最高水位，以確保施工可靠和建筑設施使用安全。,地下水的運動,（1）達西定律 法國學者達西（Darcy）在1856年通過砂土的滲透實驗，發(fā)現(xiàn)地下水的運動規(guī)律，即達西定律。定律表達式及基本實驗圖解如下：,地下水的運動,土的滲透系數(shù)k是一個可以通過本實驗求得的比例系數(shù)，其物理意義是單位水力坡降（i=1）的滲透速度。 k的數(shù)值與土的組成、粒徑級配、孔隙比、水溫等因素有關。 滲透系數(shù)k有如下三種測定方法：現(xiàn)場實驗、室內實驗、經(jīng)驗值。 下表是部分土的滲透系數(shù)的經(jīng)驗值。,