工程地質(zhì)課件

1、 劉紅軍 五邑大學(xué)土木建筑學(xué)院 一、一、工程地質(zhì)學(xué)的研究對象工程地質(zhì)學(xué)的研究對象 工程地質(zhì)學(xué)主要是用來研究各種建筑區(qū)域的工程地質(zhì)條件，解決工程地質(zhì)問題，以及人類的工程活動(dòng)對地質(zhì)環(huán)境的影響。 工程地質(zhì)學(xué)是介于地質(zhì)學(xué)與工程學(xué)之間的一門獨(dú)立的邊緣交叉學(xué)科。是地質(zhì)學(xué)的一個(gè)分支。 工程地質(zhì)學(xué)包括工程巖土學(xué)、工程地質(zhì)分析、工程地質(zhì)勘察三個(gè)基本部分。 二、工程活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境二、工程活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境 人類的工程活動(dòng)都是在一定的地質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行的。 地質(zhì)環(huán)境對工程活動(dòng)的制約是多方面的。如在開挖高邊坡時(shí)，忽視地質(zhì)條件，可能引起大規(guī)模的崩塌或滑坡，在巖溶地區(qū)修建水庫，如不查明巖溶情況并采取適當(dāng)措施，輕則蓄水大量漏失，重

2、則完全不能蓄水，使建筑物不能正常使用。 工程活動(dòng)也會(huì)以各種方式影響地質(zhì)環(huán)境。如房屋引起地基土的壓密沉降，橋梁使局部河段沖刷淤積發(fā)生變化等。在城市過量抽取地下水，可能導(dǎo)致大規(guī)模的地面沉降。 三、工程地質(zhì)學(xué)的研究方法三、工程地質(zhì)學(xué)的研究方法 1.地質(zhì)法： 2.試驗(yàn)方法： 3.計(jì)算方法： 地殼由各種各樣堅(jiān)硬的巖石組成，礦物是構(gòu)成各種巖石的最基本物質(zhì)。礦物的成分、性質(zhì)及其在各種因素作用下所發(fā)生的變化，都會(huì)對巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。要分析了解巖石在各種自然條件下的變化，進(jìn)而對巖石的工程性質(zhì)作出評價(jià)，就必須首先從礦物開始。 第一節(jié)第一節(jié) 造巖礦物造巖礦物 礦物是組成巖石的基本單位，也是組成地殼的基本

3、物質(zhì)，它是在各種地質(zhì)作用下形成的具有一定的化學(xué)成分和物理性質(zhì)的單質(zhì)和化合物。 一、礦物的一般知識一、礦物的一般知識 （1）原生礦物： （2）次生礦物： （3）變質(zhì)礦物： 二、礦物的物理性質(zhì)二、礦物的物理性質(zhì) （一）礦物的形狀（一）礦物的形狀 1、有規(guī)則的外形和 無規(guī)則的外形 2、單個(gè)晶體的外形 圖1-1 常見礦物的晶體形態(tài)a）正長石；b）斜長石；c）石英；d）角閃石；e）輝石；f）橄欖石；g）方解石；h）白云母；i）石膏；j）綠泥石；k）云母；l）黃鐵礦；m）石榴子石 金剛石 石墨3、集合體外形 鐘乳狀 鐘乳狀 晶簇樁 （二）礦物的光學(xué)性質(zhì)（二）礦物的光學(xué)性質(zhì) 1.顏色 礦物的顏色是指礦物對可

4、見光波的吸收作用所引 起的。 （1）自色：是礦物本身固有的顏色。 （2）他色：是礦物混入了某些雜質(zhì)所引起的，與礦物的本身性質(zhì)無關(guān)。 （3）假色：由于礦物內(nèi)部的裂隙或表面的氧化薄膜對光的折射、散色所引起的。（條痕） 2.光澤：是礦物表面對可見光的反射能力。 （1）金屬光澤： （2）半金屬光澤： （3）非金屬光澤： 3.透明度 透明度是指礦物透過可見光波的能力， （1）透明的： （2）半透明的： （3）不透明的： （三）礦物的力學(xué)性質(zhì)（三）礦物的力學(xué)性質(zhì) 1.硬度 硬度是指礦物抵抗刻劃、研磨的能力。 2.解理 解理是指礦物受打擊后常沿一定方向裂開，并形成光華平面的性質(zhì)。 圖1-2 方解石的三組解理

5、 圖1-3 石英的貝殼狀斷口 3.斷口 礦物在外力打擊下，沿任意方向發(fā)生的不規(guī)則裂口稱為斷口。 除具有以上性質(zhì)外，有些礦物還具有一些特性，如方鉛礦具有脆性；自然銀具有延展性；云母具有彈性，磁鐵礦具有磁性等。 黑鎢和毒砂共生黑鎢和毒砂共生 第二節(jié)第二節(jié) 巖石巖石 巖石是地殼發(fā)展過程中，由一種或多種礦物組成的，具有一定規(guī)律的集合體。 （見下頁圖）有單礦巖和復(fù)礦巖。 按其成因可將地殼的巖石分為三大類：巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。 一、巖漿巖（火成巖）一、巖漿巖（火成巖） 巖漿巖是由巖漿冷凝形成的巖石巖漿巖是由巖漿冷凝形成的巖石 。 （見下頁圖） 依冷凝成巖漿巖的地質(zhì)環(huán)境的不同，將巖漿巖分三大類： （1）

6、深成巖： （2）淺成巖： （3）噴出巖： 巖漿巖的產(chǎn)狀可以反映巖體空間位置與圍巖的相互關(guān)系及其形態(tài)特征。巖漿巖產(chǎn)狀大致有下列幾種（如圖1-4所示）。 圖1-4 巖漿巖的產(chǎn)狀 （1）巖基： （2）巖株： （3）巖盤： （4）巖床： （5）巖脈： （一）巖漿巖的礦物成分及化學(xué)成分（一）巖漿巖的礦物成分及化學(xué)成分 組成巖漿巖的礦物根據(jù)顏色可分為淺色礦物和深色礦物兩類 巖漿巖的礦物成分是巖漿化學(xué)成分的反映。巖漿的化學(xué)成分相當(dāng)復(fù)雜，但含量高，對巖石的礦物成分影響最大的是SiO2，根據(jù)SiO2的含量，巖漿巖可分下面幾類： （1）酸性巖類： （2）中性巖類： （3）基性巖類： （4）超基性巖類： （二）巖漿

7、巖的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造二）巖漿巖的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 1.結(jié)構(gòu) 巖漿巖的結(jié)構(gòu)是指組成巖石的礦物的結(jié)晶程度、晶粒大小、形狀及其相互結(jié)合的情況。 （1）全晶質(zhì)結(jié)構(gòu)：巖石全部由結(jié)晶的礦物顆粒組成（如圖1-5所示）。 粗粒結(jié)構(gòu)(5mm) 中粒結(jié)構(gòu)(5-2mm) 細(xì)粒結(jié)構(gòu)(2-0.2mm) 微粒結(jié)構(gòu)(0.2mm) 圖1-5 巖漿巖按結(jié)晶程度劃分的三種結(jié)構(gòu) 1全晶質(zhì)結(jié)構(gòu)；2半晶質(zhì)結(jié)構(gòu)；3非晶質(zhì)結(jié)構(gòu) 巖石中的同一種主要礦物，其結(jié)晶顆粒如大小懸殊，則稱為似斑狀結(jié)構(gòu)。 （2）半晶質(zhì)結(jié)構(gòu)：巖石全部由結(jié)晶的礦物顆粒和部分細(xì)晶的玻璃質(zhì)組成（如圖1-5所示）。 （3）非晶質(zhì)結(jié)構(gòu) ： 2.構(gòu)造 巖漿巖的構(gòu)造是指礦物在巖石中的組合方式和空

8、間分布情況。 （1）塊狀構(gòu)造： （2）流紋狀構(gòu)造： （3）氣孔狀構(gòu)造： （4）杏仁狀構(gòu)造： （三）巖漿巖的分類和常見的巖漿巖（三）巖漿巖的分類和常見的巖漿巖 1.巖漿巖的分類 二、沉積巖二、沉積巖 由沉積物固結(jié)變硬而形成的巖石就是沉積巖。沉積巖占地殼巖石總體的5%，它是三大巖石中在地表分布最廣泛的，占地殼表面積的75%。沉積巖的形成有兩種途徑：一是在地表?xiàng)l件下，由風(fēng)化作用或火山作用的產(chǎn)物經(jīng)機(jī)械搬運(yùn)、沉積、固結(jié)成巖，以這種方式形成的沉積巖稱碎屑巖。二是在地表常溫、常壓條件下由水溶液沉淀而形成化學(xué)巖，然而自然界大多水盆地化學(xué)沉淀過程中都有生物參與，所以通常又稱生物化學(xué)巖。 （一）沉積巖的物質(zhì)組成（

9、一）沉積巖的物質(zhì)組成 1. 碎屑物質(zhì) 2.粘土礦物 3.化學(xué)沉積礦物 4.有機(jī)質(zhì)及生物殘骸 5.膠結(jié)物 （二）沉積巖的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造 1.沉積巖的結(jié)構(gòu) . （1）碎屑結(jié)構(gòu) 按碎屑粒徑的大小，可分為： 礫狀結(jié)構(gòu) 碎屑粒徑大于2mm。碎屑形成后未經(jīng)搬運(yùn)或搬運(yùn)不遠(yuǎn)而留有棱角者，稱為角礫狀結(jié)構(gòu)；碎屑經(jīng)過搬運(yùn)呈渾圓狀或具有一定磨圓度者，稱為礫狀結(jié)構(gòu)。 砂質(zhì)結(jié)構(gòu) 碎屑粒徑介于20.05 mm之間。 粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)：碎屑粒徑介于0.050.005 mm。 按膠結(jié)物的成分，可分為： 硅質(zhì)膠結(jié) 鐵質(zhì)膠結(jié) 鈣質(zhì)膠結(jié) 泥質(zhì)膠結(jié) （2）泥質(zhì)結(jié)構(gòu) （3）結(jié)晶結(jié)構(gòu) （4）生物結(jié)構(gòu) 2.沉積巖的構(gòu)造 沉積巖的構(gòu)造是指其組成部分的空

10、間分布及其相互間的排列關(guān)系。沉積巖最主要的構(gòu)造是層理構(gòu)造。 層理分為各種不同的形態(tài)類型，如常見的有水平層理（如圖1-8a所示）斜層理（如圖1-8b所示），交錯(cuò)層理（如圖1-8c所示）等。 a b c 圖1-8 層理類型 （a） 水平層理；（b） 斜層理；（c）交錯(cuò)層理 層與層之間的界面稱為層面。在層面上有時(shí)可以看到波痕、雨痕及泥面干裂的痕跡。上下兩個(gè)層面成分基本相互一致的巖石，稱為巖層。它是層理最大的組成單位。一個(gè)巖層上下層面之間的垂直距離稱為巖層的厚度。（如圖1-9所示）。 圖1-9巖層的幾種形態(tài)（a） 正常層；（b） 夾層；（c） 變??；（d） 尖滅；（e） 透鏡體 在沉積巖中還可看到化石

11、 沉積巖的層理構(gòu)造、層面特征和含有化石是沉積巖在構(gòu)造上區(qū)別于巖漿巖的重要特征。 （三）沉積巖的分類及常見的沉積巖（三）沉積巖的分類及常見的沉積巖三、變質(zhì)巖三、變質(zhì)巖變質(zhì)巖的成因地殼中的原巖受到溫度、壓力及化學(xué)活動(dòng)性流體的影響，在固體狀態(tài)下發(fā)生劇烈變化后形成的新的巖石稱變質(zhì)巖（如圖1-10所示）。 圖1-10 變質(zhì)巖的類型示意圖 1-動(dòng)力變質(zhì)巖；2、3-接觸變質(zhì)巖；4-區(qū)域變質(zhì)巖 （二）變質(zhì)作用的主要類型（二）變質(zhì)作用的主要類型 1.接觸變質(zhì)作用 2.動(dòng)力變質(zhì)作用 3.區(qū)域變質(zhì)作用 （三）變質(zhì)作用的因素（三）變質(zhì)作用的因素 1.高溫： 2.高壓： 3.新的化學(xué)成分的加入 （四）變質(zhì)巖的主要特征四

12、）變質(zhì)巖的主要特征 1.礦物成分： 2.結(jié)構(gòu)： （1）變晶結(jié)構(gòu)： （2）變余結(jié)構(gòu)： （3）碎裂結(jié)構(gòu)： 3.構(gòu)造 變質(zhì)巖的構(gòu)造是指巖石中礦物在空間排列關(guān)系的外貌特征。 （1）片理狀構(gòu)造 板狀構(gòu)造： 千枚狀構(gòu)造： 片狀構(gòu)造： 片麻狀構(gòu)造： （2）塊狀構(gòu)造 （五）變質(zhì)巖的分類及常見的變質(zhì)巖變質(zhì)巖根據(jù)其構(gòu)造特征分為：片理狀巖石類和塊狀巖石類，（表1-5）。 四、三大巖類的區(qū)別及鑒別方法四、三大巖類的區(qū)別及鑒別方法 （一）（一）三大巖類的區(qū)別三大巖類的區(qū)別上述三大巖類，由于成因不同，因而其物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造也各不相同，為便于鑒別及掌握，將其主要區(qū)別列于表1-6中。 三大類巖石的區(qū)別 表1-6巖類地質(zhì)特

13、征巖 漿 巖 沉 積 巖變 質(zhì) 巖主要礦物成分全部為巖漿中析出的原生礦物，成分復(fù)雜，但較穩(wěn)定。淺色的礦物有石英、長石、白云母等，深色的礦物有黑云母、角閃石、輝石、橄欖石等 次生礦物占主要地位，成分單一，一般多不固定。常見的有石英、長石、白云母、方解石、白云石、高嶺土等 除具有變質(zhì)前原來巖石的礦物，如石英、長石、云母、角閃石、輝石、方解石、白云母、高嶺土等外，尚有經(jīng)變質(zhì)作用的礦物，如石榴子石、滑石、綠泥石、蛇紋石 結(jié) 構(gòu)以結(jié)晶粒狀、斑塊結(jié)構(gòu)為特征 以碎屑、泥質(zhì)及生物碎屑結(jié)構(gòu)為特征。部分為成分單一的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，但肉眼不易分辨 以變晶結(jié)構(gòu)等為特征構(gòu) 造具塊狀、流紋狀、氣孔狀、杏仁狀構(gòu)造 具層理構(gòu)造多具

14、片理構(gòu)造 成 因直接由高溫熔融的巖漿經(jīng)巖漿作用而形成 主要由先成巖石的風(fēng)化產(chǎn)物，經(jīng)壓密、膠結(jié)、重結(jié)晶等成巖作用而形成 由先成的巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖，經(jīng)變質(zhì)作用而形成 （二）三大巖類的肉眼鑒別（二）三大巖類的肉眼鑒別 1.巖漿巖的鑒別方法 （1）先看巖石整體顏色的深淺。 （2）分析巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。 （3）分析巖石的主要礦物成分，確定巖石的名稱。 2.沉積巖的鑒別方法 鑒別沉積巖時(shí)，可以先從觀察巖石的結(jié)構(gòu)開始，結(jié)合巖石的其他特征，先將所屬的大類分開，然后再作進(jìn)一步分析，確定巖石的名稱。 （1）碎屑巖 （2）粘土巖 （3）化學(xué)巖 3.變質(zhì)巖的鑒別方法 鑒別變質(zhì)巖時(shí)，可以先從觀察巖石的構(gòu)造開始。根

15、據(jù)構(gòu)造，首先將變質(zhì)巖區(qū)分為片理構(gòu)造和塊狀構(gòu)造的兩類。然后可進(jìn)一步根據(jù)片理特征和主要礦物成分，分析所屬的巖類，確定巖石的名稱。 粗粒輝長巖 花崗巖 Marble 大理巖 Quartzite 石英巖 Marble 大理巖 三葉蟲化石展示 巖石的成因及類型，巖石不僅是地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造的基礎(chǔ)，而且還是人類工程建筑的載體和原料，它的工程性對建筑物有極大的影響。 一、巖石物理性質(zhì)的常用指標(biāo)一、巖石物理性質(zhì)的常用指標(biāo) （一）巖石的密度（一）巖石的密度（） =G/V d=Gs/V st=(Gs+Gw)/V （二）二）巖石的相對密度（巖石的相對密度（） =GS/VSW VG （三）巖石的孔隙率（三）巖石的孔隙

16、率（n）與孔隙比（）與孔隙比（e） n=VV/V100% e= VV/Vs 二、巖石的水理性質(zhì)二、巖石的水理性質(zhì) 巖石的水理性質(zhì)是指巖石與水相互作用時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)，包括吸水性、軟化性和抗凍性。 （一）巖石的吸水性（一）巖石的吸水性 巖石在一定試驗(yàn)條件下的吸水性能稱巖石吸水性。 吸水率（W2）是指巖石在常壓下所吸入水分的質(zhì)量Gw1與干燥巖石質(zhì)量GS的比值： W2=Gw1/Gs 100% （二）巖石的透水性（二）巖石的透水性 巖石能被水透過的性能稱巖石透水性。巖石透水性可用滲透系數(shù)（k）衡量。 （三）巖石的溶解性（三）巖石的溶解性 巖石的溶解性是指巖石溶解于水的性質(zhì)，常用溶解度或溶解速度表示。 （

17、四）巖石的軟化性（四）巖石的軟化性 巖石受水的浸泡作用后，其力學(xué)強(qiáng)度和穩(wěn)定性趨于降低的性能，稱巖石的軟化性。 巖石軟化性大小常用軟化系數(shù)來衡量。 = Rw/RC （五）巖石的抗凍性 巖石抵抗凍融破壞的能力稱巖石的抗凍性。 強(qiáng)度損失率指凍融前后飽和巖樣抗壓強(qiáng)度之差值與凍融前飽和抗壓強(qiáng)度比值。 質(zhì)量損失率指凍融試驗(yàn)前后干試件的質(zhì)量差與試驗(yàn)前干試件質(zhì)量的比值。 三、巖石的力學(xué)性質(zhì)三、巖石的力學(xué)性質(zhì) 巖石的力學(xué)性質(zhì)指巖石在各種靜力、動(dòng)力作用下所表現(xiàn)的性質(zhì)，主要包括變形和強(qiáng)度。巖石在外力作用下，首先是變形，當(dāng)外力繼續(xù)增加，達(dá)到或超過某一極限時(shí)，便開始破壞。巖石的變形與破壞是巖石受力后發(fā)生變化的兩個(gè)階段。

18、 （一）巖石的變形指標(biāo)（一）巖石的變形指標(biāo) 1彈性模量 Ee= / e 2變形模量 E0= /( 0 + e) 3泊松比 = x/ y （二）巖石的強(qiáng)度指標(biāo) 巖石抵抗外部荷載而不破壞的能力稱巖石強(qiáng)度。 1抗壓強(qiáng)度 R=P/A 2抗拉強(qiáng)度 L=P/A 3抗剪強(qiáng)度（） 抗剪強(qiáng)度 = tan 抗切強(qiáng)度 =c 抗剪斷強(qiáng)度 = tan+c 四、影響巖石工程性質(zhì)的主要因素四、影響巖石工程性質(zhì)的主要因素 影響巖石工程性質(zhì)的主要因素可歸納為兩方面：一是由巖石自身的內(nèi)在條件所決定，如巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等；另一方面是來自巖石的外部客觀因素的影響，如水的影響和風(fēng)化作用等。 （一）礦物成分（一）礦物成分 輝長

19、巖的比重比花崗巖大 ，石英巖的抗壓強(qiáng)度比大理巖要高得多 。 （二）結(jié)構(gòu)（二）結(jié)構(gòu) 一類是晶質(zhì)連結(jié)的巖石，如大部分巖漿巖、變質(zhì)巖和一部分沉積巖；另一類是由膠結(jié)物連接的巖石，如大部分沉積巖。 結(jié)晶連接是由巖漿冷凝或溶液中結(jié)晶或重結(jié)晶形成的。礦物顆?？恐苯咏佑|產(chǎn)出的力牢固的固結(jié)在一起，結(jié)合力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)致密，孔隙度小，容重大，吸水率變化范圍小，比膠結(jié)連接具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。但就結(jié)晶連接來說，強(qiáng)度也不一致，結(jié)晶顆粒的大小和均勻程度對巖石的強(qiáng)度也有著明顯的影響。 膠結(jié)連接是礦物或巖屑由膠結(jié)物連接在一起的。膠結(jié)連接的巖石，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性主要決定于膠結(jié)物 的成分和膠結(jié)的方式，同時(shí)也受碎屑成分的影響，變化很大。就結(jié)構(gòu)的成分來說，硅質(zhì)膠結(jié)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性高，泥質(zhì)膠結(jié)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性就低，鈣質(zhì)和鐵質(zhì)膠結(jié)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性介于二者之間。 膠結(jié)連接的方式有基底膠結(jié)、孔隙膠結(jié)和接觸膠結(jié)三種。 圖1-11 巖石的膠結(jié)方式 （a）基底膠結(jié)；（b）孔隙膠結(jié)；（c）接觸膠結(jié) （三）構(gòu)造（三）構(gòu)造 構(gòu)造對巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響，主要是由礦物成分在構(gòu)造對巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響，主要是由