工程地質課件

1、 劉紅軍 五邑大學土木建筑學院 一、一、工程地質學的研究對象工程地質學的研究對象 工程地質學主要是用來研究各種建筑區(qū)域的工程地質條件，解決工程地質問題，以及人類的工程活動對地質環(huán)境的影響。 工程地質學是介于地質學與工程學之間的一門獨立的邊緣交叉學科。是地質學的一個分支。 工程地質學包括工程巖土學、工程地質分析、工程地質勘察三個基本部分。 二、工程活動與地質環(huán)境二、工程活動與地質環(huán)境 人類的工程活動都是在一定的地質環(huán)境中進行的。 地質環(huán)境對工程活動的制約是多方面的。如在開挖高邊坡時，忽視地質條件，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。 工程活動也會以各種方式影響地質環(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，可能導致大規(guī)模的地面沉降。 三、工程地質學的研究方法三、工程地質學的研究方法 1.地質法： 2.試驗方法： 3.計算方法： 地殼由各種各樣堅硬的巖石組成，礦物是構成各種巖石的最基本物質。礦物的成分、性質及其在各種因素作用下所發(fā)生的變化，都會對巖石的強度和穩(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，進而對巖石的工程性質作出評價，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，它是在各種地質作用下形成的具有一定的化學成分和物理性質的單質和化合物。 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）變質礦物： 二、礦物的物理性質二、礦物的物理性質 （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）礦物的光學性質（二）礦物的光學性質 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所引起的，與礦物的本身性質無關。 （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）礦物的力學性質（三）礦物的力學性質 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。 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成分（一）巖漿巖的礦物成分及化學成分 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成分的反映。巖漿的化學成分相當復雜，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、巖的結構與構造二）巖漿巖的結構與構造 1.結構 巖漿巖的結構是指組成巖石的礦物的結晶程度、晶粒大小、形狀及其相互結合的情況。 （1）全晶質結構：巖石全部由結晶的礦物顆粒組成（如圖1-5所示）。 粗粒結構(5mm) 中粒結構(5-2mm) 細粒結構(2-0.2mm) 微粒結構(0.2mm) 圖1-5 巖漿巖按結晶程度劃分的三種結構 1全晶質結構；2半晶質結構；3非晶質結構 巖石中的同一種主要礦物，其結晶顆粒如大小懸殊，則稱為似斑狀結構。 （2）半晶質結構：巖石全部由結晶的礦物顆粒和部分細晶的玻璃質組成（如圖1-5所示）。 （3）非晶質結構 ： 2.構造 巖漿巖的構造是指礦物在巖石中的組合方式和空

8、間分布情況。 （1）塊狀構造： （2）流紋狀構造： （3）氣孔狀構造： （4）杏仁狀構造： （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：一是在地表條件下，由風化作用或火山作用的產(chǎn)物經(jīng)機械搬運、沉積、固結成巖，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巖，然而自然界大多水盆地化學沉淀過程中都有生物參與，所以通常又稱生物化學巖。 （一）沉積巖的物質組成（

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

10、間分布及其相互間的排列關系。沉積巖最主要的構造是層理構造。 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）交錯層理 層與層之間的界面稱為層面。在層面上有時可以看到波痕、雨痕及泥面干裂的痕跡。上下兩個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） 變薄；（d） 尖滅；（e） 透鏡體 在沉積巖中還可看到化石

11、 沉積巖的層理構造、層面特征和含有化石是沉積巖在構造上區(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、變質巖三、變質巖變質巖的成因地殼中的原巖受到溫度、壓力及化學活動性流體的影響，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巖（如圖1-10所示）。 圖1-10 變質巖的類型示意圖 1-動力變質巖；2、3-接觸變質巖；4-區(qū)域變質巖 （二）變質作用的主要類型（二）變質作用的主要類型 1.接觸變質作用 2.動力變質作用 3.區(qū)域變質作用 （三）變質作用的因素（三）變質作用的因素 1.高溫： 2.高壓： 3.新的化學成分的加入 （四）變質巖的主要特征四

12、）變質巖的主要特征 1.礦物成分： 2.結構： （1）變晶結構： （2）變余結構： （3）碎裂結構： 3.構造 變質巖的構造是指巖石中礦物在空間排列關系的外貌特征。 （1）片理狀構造 板狀構造： 千枚狀構造： 片狀構造： 片麻狀構造： （2）塊狀構造 （五）變質巖的分類及常見的變質巖變質巖根據(jù)其構造特征分為：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，因而其物質組成、結構及構造也各不相同，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巖類地質特

13、征巖 漿 巖 沉 積 巖變 質 巖主要礦物成分全部為巖漿中析出的原生礦物，成分復雜，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)變質作用的礦物，如石榴子石、滑石、綠泥石、蛇紋石 結 構以結晶粒狀、斑塊結構為特征 以碎屑、泥質及生物碎屑結構為特征。部分為成分單一的結晶結構，但肉眼不易分辨 以變晶結構等為特征構 造具塊狀、流紋狀、氣孔狀、杏仁狀構造 具層理構造多具

14、片理構造 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化產(chǎn)物，經(jīng)壓密、膠結、重結晶等成巖作用而形成 由先成的巖漿巖、沉積巖和變質巖，經(jīng)變質作用而形成 （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）分析巖石的結構和構造。 （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，可以先從觀察巖石的結構開始，結合巖石的其他特征，先將所屬的大類分開，然后再作進一步分析，確定巖石的名稱。 （1）碎屑巖 （2）粘土巖 （3）化學巖 3.變質巖的鑒別方法 鑒別變質巖時，可以先從觀察巖石的構造開始。根

15、據(jù)構造，首先將變質巖區(qū)分為片理構造和塊狀構造的兩類。然后可進一步根據(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、地質構造的基礎，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、巖石物理性質的常用指標一、巖石物理性質的常用指標 （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、巖石的水理性質二、巖石的水理性質 巖石的水理性質是指巖石與水相互作用時所表現(xiàn)的性質，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量Gw1與干燥巖石質量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，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，其力學強度和穩(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。 強度損失率指凍融前后飽和巖樣抗壓強度之差值與凍融前飽和抗壓強度比值。 質量損失率指凍融試驗前后干試件的質量差與試驗前干試件質量的比值。 三、巖石的力學性質三、巖石的力學性質 巖石的力學性質指巖石在各種靜力、動力作用下所表現(xiàn)的性質，主要包括變形和強度。巖石在外力作用下，首先是變形，當外力繼續(xù)增加，達到或超過某一極限時，便開始破壞。巖石的變形與破壞是巖石受力后發(fā)生變化的兩個階段。

18、 （一）巖石的變形指標（一）巖石的變形指標 1彈性模量 Ee= / e 2變形模量 E0= /( 0 + e) 3泊松比 = x/ y （二）巖石的強度指標 巖石抵抗外部荷載而不破壞的能力稱巖石強度。 1抗壓強度 R=P/A 2抗拉強度 L=P/A 3抗剪強度（） 抗剪強度 = tan 抗切強度 =c 抗剪斷強度 = tan+c 四、影響巖石工程性質的主要因素四、影響巖石工程性質的主要因素 影響巖石工程性質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、結構、構造等；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 ，石英巖的抗壓強度比大理巖要高得多 。 （二）結構（二）結構 一類是晶質連結的巖石，如大部分巖漿巖、變質巖和一部分沉積巖；另一類是由膠結物連接的巖石，如大部分沉積巖。 結晶連接是由巖漿冷凝或溶液中結晶或重結晶形成的。礦物顆粒靠直接接觸產(chǎn)出的力牢固的固結在一起，結合力強，結構致密，孔隙度小，容重大，吸水率變化范圍小，比膠結連接具有較高的強度和穩(wěn)定性。但就結晶連接來說，強度也不一致，結晶顆粒的大小和均勻程度對巖石的強度也有著明顯的影響。 膠結連接是礦物或巖屑由膠結物連接在一起的。膠結連接的巖石，其強度和穩(wěn)定性主要決定于膠結物 的成分和膠結的方式，同時也受碎屑成分的影響，變化很大。就結構的成分來說，硅質膠結的強度和穩(wěn)定性高，泥質膠結的強度和穩(wěn)定性就低，鈣質和鐵質膠結的強度和穩(wěn)定性介于二者之間。 膠結連接的方式有基底膠結、孔隙膠結和接觸膠結三種。 圖1-11 巖石的膠結方式 （a）基底膠結；（b）孔隙膠結；（c）接觸膠結 （三）構造（三）構造 構造對巖石物理力學性質的影響，主要是由礦物成分在構造對巖石物理力學性質的影響，主要是由