工程地质学考前指导.pdf

2015/4/14 1 第1章绪 论 ■重要概念 地质环境；工程；工程地质学； 水文地质学 ■思考问题 工程地质条件包含哪些地质因素 请谈谈学好本门课程的重要性并对上好本门 课程提出好的建议。 地质环境地质环境 系指系指地球表层岩石圈和风化层地球表层岩石圈和风化层两部分地质体两部分地质体）的的组组 成成、、构造和各类地质作用构造和各类地质作用。 地质环境的三要素为地质环境的三要素为物质组成物质组成、、地质构造和地质作地质构造和地质作 用用。 地质环境的地质环境的上限上限是地表或岩石圈的表层是地表或岩石圈的表层，，下限下限为人为人 类的科学技术水平和生产活动的能力所能达到的地壳深类的科学技术水平和生产活动的能力所能达到的地壳深 部部。。 3。矿物的形态矿物的形态 矿物一般都有自己固有的形态矿物一般都有自己固有的形态，但在自然界产，但在自然界产 出时常不完整；出时常不完整； 矿物的形态是矿物鉴定的重要特征。矿物的形态是矿物鉴定的重要特征。 4. 4. 矿物的物理性质矿物的物理性质 矿物的化学成分和内部结构决定矿物的化学成分和内部结构决定矿物的物矿物的物 理性质理性质--------鉴别矿物的主要依据鉴别矿物的主要依据。。 ★★ 矿物的物理性质多种多样矿物的物理性质多种多样，，从肉眼鉴别矿从肉眼鉴别矿 物的角度来看物的角度来看，，主要包括主要包括颜色颜色、、光泽光泽、、硬度硬度、、 解理和断口解理和断口等方面等方面。。 （（1）颜色）颜色 矿物的颜色矿物的颜色,是是矿物对可见光波的吸收作用矿物对可见光波的吸收作用产生产生 的。按成色原因可分为的。按成色原因可分为自色、他色和假色自色、他色和假色。。 自色自色 是矿物固有的颜色，颜色比较固定。是矿物固有的颜色，颜色比较固定。 如如孔雀石中的铜离子。孔雀石中的铜离子。 他色是矿物混入了某些杂质所引起的，与他色是矿物混入了某些杂质所引起的，与 矿物本身的性质无关。如矿物本身的性质无关。如红宝石中的铬离子；红宝石中的铬离子； 黄铁矿中的钴、镍、硒、铜等杂质。黄铁矿中的钴、镍、硒、铜等杂质。 假色是由于矿物内部的裂隙或表面的氧化假色是由于矿物内部的裂隙或表面的氧化 薄膜对光的折射、散射所引起的。薄膜对光的折射、散射所引起的。 （（2）条痕色）条痕色 矿物在白色无忧的瓷板上划擦时留下的矿物在白色无忧的瓷板上划擦时留下的粉末的粉末的 颜色，颜色，称为条痕色。称为条痕色。 2015/4/14 2 常见矿物 黄铁矿 孔雀石 （（3）光泽）光泽 矿物表面呈现的矿物表面呈现的光亮程度光亮程度称为光泽称为光泽。由于矿物表面的。由于矿物表面的 性质或矿物集合体的结合方式不同，又会反射出不同特征性质或矿物集合体的结合方式不同，又会反射出不同特征 的光泽。的光泽。 （（1）玻璃光泽）玻璃光泽 （（2）珍珠光泽）珍珠光泽 （（3）丝绢光泽）丝绢光泽 （（4）油脂光泽）油脂光泽 （（5）蜡状光泽）蜡状光泽 （（6）土状光泽）土状光泽 光泽是矿物表面反射率的表现。按其强弱程度分为光泽是矿物表面反射率的表现。按其强弱程度分为金金 属光泽、半金属光泽和非金属光泽属光泽、半金属光泽和非金属光泽。。造岩矿物绝大多数属造岩矿物绝大多数属 于非金属光泽于非金属光泽。。 （（4）硬度）硬度 矿物矿物抵抗外力刻划、研磨抵抗外力刻划、研磨的能力。硬度是矿物的一个的能力。硬度是矿物的一个 重要鉴定特征。重要鉴定特征。 光泽 金属光泽方铅矿 半金属光泽磁铁矿 金刚光泽金刚石 玻璃光泽石英 透明度 矿物透过可见光的程度 影响因素 厚度 含有包裹体 表面不平滑 分类透明﹑半透明和不透明矿物 2015/4/14 3 硬度对比标准，从软到硬依次由下列硬度对比标准，从软到硬依次由下列10种矿物组成，称种矿物组成，称 为为摩氏硬度计摩氏硬度计。。 （（1）滑石）滑石（（6）正长石）正长石 （（2）石膏）石膏（（7）石英）石英 （（3）方解石）方解石（（8）黄玉）黄玉 （（4）萤石）萤石（（9）刚玉）刚玉 （（5）磷灰石）磷灰石（（10）金刚石）金刚石 在鉴定矿物硬度时，要注意在矿物的新鲜晶面或解理面在鉴定矿物硬度时，要注意在矿物的新鲜晶面或解理面 上进行。上进行。 常见造岩矿物的硬度，常见造岩矿物的硬度，大部分在大部分在26.5左右左右。大于。大于6.5的的 只有石英、橄榄石、石榴子石等几种矿物。只有石英、橄榄石、石榴子石等几种矿物。 野外工作野外工作-------指甲指甲2-2.5、铁刀刃、铁刀刃3-5.5、玻璃、玻璃5-5.5、、 钢刀刃钢刀刃6-6.5 （（4））解理解理、断口、断口 矿物受打击后，能矿物受打击后，能沿一定方向裂开沿一定方向裂开成光滑平面成光滑平面 的性质，称为解理。裂开的光滑平面称为解理面。的性质，称为解理。裂开的光滑平面称为解理面。 不具方向性的不规则破裂面，称为断口。不具方向性的不规则破裂面，称为断口。 解理是造岩矿物的重要的鉴定特征，解理是造岩矿物的重要的鉴定特征，矿物解理矿物解理 的发育程度，对岩石的力学强度产生影响的发育程度，对岩石的力学强度产生影响。。 解理与断口呈解理与断口呈消长消长关系。关系。 解理出现方向的数目石墨、云母（解理出现方向的数目石墨、云母（1）；）；长长 石、石、角闪石（角闪石（2）；）；方解石（方解石（3））；萤石（；萤石（4）） 白云母 6、粘土矿物的概念粘土矿物的概念 粘土矿物是自然界分布最广的一种矿物粘土矿物是自然界分布最广的一种矿物，约占岩石，约占岩石 圈和风化壳总量的一半。圈和风化壳总量的一半。 粘土矿物是指呈细分散状的（一般情况下粒度小于粘土矿物是指呈细分散状的（一般情况下粒度小于 2m））、含水的、含水的层状结构层状结构硅酸盐矿物硅酸盐矿物和和层链层链 状结构状结构硅酸盐矿物硅酸盐矿物及含水的及含水的非晶质非晶质硅酸盐硅酸盐 矿物矿物的总称。的总称。 2015/4/14 4 蒙 脱 石 岩石分类岩石分类 岩浆岩（MAGMATIC ROCK）是岩浆冷凝的产 物，也叫火成岩 沉积岩（SEDIMENTARY ROCK）主要来自地表 的沉积物（很多沉积于水中），也称水成岩 变质岩（METAMORPHIC ROCK）是原岩在固 体状态下、经过一定的温度与压力的作用，有时 还有新的成分加入，使其内部物质组成或结构 发生了不同程度的变化 ◆ 成因 岩浆是产生于地下的高温熔融体，成分以 硅酸盐为主，还具有数量不等的的挥发性成分。 岩浆沿着地壳薄弱带侵入地壳或喷出地表，温 度、压力降低，最后冷凝形成岩浆岩。 1 . 岩浆岩 ◆ 常见的岩浆岩 （1）岩浆岩的分类 根据岩浆岩的形成条件、产状、矿物成分和结 构、构造等方面可将岩浆岩分成三大类即深成 岩、浅成岩和喷出岩。具体见表2-1 。 2015/4/14 5 ◆ 岩浆岩的结构 岩浆岩的结构是指组成岩石的矿物的结晶程度、晶粒 的大小、形状及其相互组合的情况。主要类型有 1）全晶质结构粒度较粗，肉眼即可辨别不同颗粒。 2）半晶质结构 岩石由结晶的矿物颗粒和部分未结晶的玻璃质组成； 3）非晶质结构 又称玻璃质结构，岩石全部由熔岩冷凝的玻璃质组成； ◆ 岩浆岩的构造 岩浆岩的构造指矿物在岩石中的组合方式和空间分布情况，即岩 石外表的整体特征，主要取决于岩浆冷凝时的环境。最常见的构造主 要如下 1）块状构造矿物在岩石中分布杂乱无章，不显层次，呈致密块状， 如花岗岩、花岗斑岩等一系列深成岩与浅成岩的构造。 2）流纹状构造由于熔岩流动，由一些不同颜色的条纹和拉长的气 孔等定向排列所形成的流动状构造，仅出现于喷出岩中，如流纹岩。 3）气孔状构造岩浆凝固时，挥发性的气体未能及时逸出，以致在 岩石中留下许多圆形、椭圆形或长管形的孔洞，常为玄武岩等喷出岩 所具有。 4）杏仁状构造岩石中的气孔，为后期矿物如方解石、石英等充 填所形成的一种形似杏仁的构造，如某些玄武岩和安山岩的构造。气 孔状构造和杏仁状构造，多分布于熔岩的表层。 ◆ 成因 2 . 沉积岩 ▲ 先成岩石经历风化作用、剥蚀作用、搬 运作用、沉积作用和成岩作用五个阶段形成。 ▲ 地壳表面分布最广的一种层状的岩石 。 碎屑 岩类 粘土 岩类 化学及 生物化 学岩类 注意粘土矿物、方解石、白云石、有机质等是沉积岩所特有的，是物质成 分上区别于其它岩类的一个重要特征。 主要由方解石、白云石等碳酸盐类的矿物及部分有机物 组成的岩石，如石灰岩、白云岩等。 主要由粘土矿物及其他矿物的粘土粒组成的岩石， 如泥岩、页岩等。 主要由碎屑物质组成的岩石，其中由先成岩石风化破坏 产生的碎屑物质形成的，称为沉积碎屑岩，如砾岩、砂 岩及粉砂岩等；由火山喷出的碎屑物质形成的，称为火 山碎屑岩，如火山角砾岩、凝灰岩等。 ◆沉积岩的分类 沉 积 岩 的 分 类 根据物质组成的特点，沉积岩一般分为如下三类 ◆沉积岩的结构 沉积岩的结构指沉积岩颗粒的性质、大小、形态及其相互关系 沉 积 岩 的 结 构 由碎屑物质被胶结物胶结而成。按碎屑粒径的大小，可分 为砾状结构、砂质结构及粉砂质结构三类。按胶结物的成 分，分为硅质胶结、铁质胶结、钙质胶结及泥质胶结四类。 几乎全部由小于0.005mm的粘土质点组成，是泥 岩、页岩等粘土岩的主要结构。 由溶液中沉淀或经重结晶所形成的结构，由沉淀生成的 晶粒极细，经重结晶作用晶粒变粗，但一般多小于１ mm，肉眼不易分辨，是石灰岩、白云岩等化学岩的主 要结构。 由生物遗体或碎片所组成，如贝壳结构、珊瑚结 构等，是生物化学岩所具有的结构。 生物结构 泥质结构 碎屑结构 ◆沉积岩的构造 沉积岩的构造指其组成部分的空间分布及其相互间 的排列关系，最主要的构造是层理构造。层理构造是沉 积岩最基本最特别的构造，是岩石各组成部分在颜色、 矿物成分、碎屑颗粒大小等方面的差异变化所形成的成 层性。层理是沉积岩成层的性质，如常见的有水平层理 （ａ）、斜层理（ｂ）、交错层理（ｃ）等， 2015/4/14 6 层面构造在岩层层面上所出现的各种不平坦的沉积构 造的痕迹统称为层面构造。层面构造主要有 波痕是由于风、流水或波浪等的作用，在砂质 沉积物表面所形成的一种波状起伏现象，形似波纹。 常见的波痕类型有对称波痕和不对称波痕。 泥裂是未固结的沉积物露出水面，受到暴晒而 干涸、收缩所产生的裂缝。 雨痕和雹痕 晶体印模 3 变质岩 变质变质 岩的岩的 成因成因 变质岩是由原来的岩石岩浆岩、沉积岩和变质岩在地 壳中受到高温、高压及化学成分加入的影响，在固体 状态下发生矿物成分及结构构造变化后形成的新的岩 石,其不仅具有自身独特的特点，而且还常保留着原来 岩石的某些特征。 变质岩几乎全部是结晶结构，但其结晶结构主要经过重结 晶作用形成，故称为变晶结构以示区别，如粗粒变晶结构， 斑状变晶结构等。若变质作用不彻底，则在形成的变质岩 中残留有变质前原来岩石的结构特征，则称为变余结构。 矿物 成分 变质岩的矿物成分，除保留有原来岩石的矿物，如石英、 长石、云母等外，还有变质矿物，如石榴子石、滑石、绿 泥石、蛇纹石等，变质矿物是变质岩所特有的，可把变质 岩与其他岩石区别开来。 结构 变 质 岩 的 构 造 千枚状构造片理薄， 片理面较平直，颗粒 细密，沿片理面有绢 云母出现，容易裂开 呈千枚状，呈丝绢光 泽，如千枚岩。它与 板岩的区别是形成一 些肉眼可见的绢云母 等片状矿物。 板状构造片理厚，片理面平直，重结 晶作用不明显，颗粒细密，光泽微弱， 沿片理面裂开则呈厚度一致的板状，如 板岩。 主要的是片理构造和块状构造。片理构造是 变质岩所特有的，比较典型的片理构造有 片麻状构造颗粒粗大，片理很不 规则，粒状矿物呈条带状分布，少 量片状、柱状矿物相间断续平行排 列，沿片理面不易裂开，如片麻岩。 变质岩除上述片理构造外，如果岩 石主要由粒状矿物组成时，则成致 密块状构造，如大理岩和石英岩等。 片状构造重结晶作用明显，片 状、板状或柱状矿物沿片理面富 集，平行排列，片理很薄，沿片 理面很容易剥开呈不规则的薄片， 光泽很强，如云母片岩等。 变 质 岩 的 构 造 4. 三大类岩石的肉眼鉴别 岩岩 浆浆 岩岩 的的 鉴鉴 别别 方方 法法 （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 岩浆岩颜色的深浅，是岩石所含深色矿物多少的反映。 一般来说，从酸性到基性，深色矿物的含量是逐渐增 加的，故岩石的颜色由浅变深。如果岩石是浅色的， 那就可能是花岗岩或正长岩等酸性或偏于酸性的岩石。 岩浆岩的结构和构造特征，是岩石生成环境的反映，如 果岩石是全晶质粗粒、中粒或似斑状结构，说明很可能 是深成岩如果是细粒、微粒或斑状结构，则可能是浅 成岩或喷出岩；如果斑晶细小或为玻璃质结构，则为喷 出岩；如果具有气孔、杏仁或流纹状构造，则为喷出岩。 2015/4/14 7 沉沉 积积 岩岩 的的 鉴鉴 别别 方方 法法 碎 屑 岩 粘 土 岩 化 学 岩 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。触摸有明显含砂感的，一般是属于碎屑 岩类的岩石。断裂面暗淡呈土状，硬度低，触摸有滑腻感的，一般多是粘土类的岩石。 具结晶结构的可能是化学岩类。 常见的化学岩，主要的有石灰岩、白云岩和泥灰岩等，它们的外观特征都很类似， 区别在于方解石、白云石及粘土矿物的含量有差别，故采用盐酸试剂进行鉴别。 石灰岩遇盐酸起泡强烈，泥灰岩遇盐酸起泡，但泡沫混浊，干后往往留有泥点， 白云岩遇盐酸不起泡，或者反应微弱，但当粉碎成粉末之后，则发生显著泡沸现 象，并常伴有咝咝的响声。 常见的粘土岩主要的有页岩和泥岩两种，页岩层理清晰，一般沿层理能分成薄 片，风化后呈碎片状，而泥岩层理不清晰、风化后呈碎块状。 可先观察碎屑粒径的大小，其次分析胶结物的性质和碎屑物质的主要矿物成分。 变质岩的鉴别方法变质岩的鉴别方法 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 的亚类，确定岩石的名称。 5. 三大类岩石的地质特征 ▲ 成因 岩浆岩-----直接由高温熔融的岩浆经岩浆作用形 成，高温、高压。 沉积岩-----先成岩石的风化产物经压密、胶结、 重结晶等成岩作用形成，温度不高、压力不大。 变质岩-----先成岩石经变质作用形成，高温、高 压。 ▲ 主要矿物成分 岩浆岩-----主要由原生矿物（从岩浆中析出）组 成，成分复杂，包括浅色的石英、长石、白云 母等；深色的黑云母、角闪石、辉石、橄榄石等。 沉积岩-----主要由次生矿物组成，成分单一，常 见的有石英、长石、白云母、方解石、白云石、 高岭石等。 变质岩-----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、白云石、 高岭石等）和经变质作用产生的矿物（如石榴 子石、绿泥石、滑石、蛇纹石等） ▲ 结构 岩浆岩-----结晶粒状结构 沉积岩-----碎屑结构、泥质结构和生物碎屑结构， 少量为成分单一的结晶结构（如石灰岩和白云 岩）。 变质岩-----变晶结构和残余结构 ▲ 构造 岩浆岩-----块状、流纹状、气孔状、杏仁状构造 沉积岩-----层理构造 变质岩-----多具片理构造 2015/4/14 8 表三大类岩石的地质特征表 地质构造（Geologic Structure） 地质构造是地壳运动的产物 地应力的长期作用造成岩石圈的变形和变位 我们把构造变动在岩层和岩体中遗留下来的各种构造形 迹，称为地质构造 分类原生构造、次生构造 时空规模不等矿物晶粒变形、造山运动 简单的典型基本构造形态 水平构造、单斜构造 褶皱构造 断裂构造 水平构造（Plane Structure） 未经构造变动的沉积岩层，其形成时的原始产状是水平 的，先沉积的老岩层在下，后沉积的新岩层在上，称为 水平构造 二、水平构造和单斜构造 单斜构造Monocline Structure 受到地壳运动的影响后，岩层向同一个方向倾斜，形成 单斜构造 单斜构造（北京西山野溪南剖面）单斜构造（北京西山野溪南剖面） O2中奥陶纪石灰岩中奥陶纪石灰岩 C2中石炭纪砂页岩中石炭纪砂页岩 C3上石炭纪砾岩上石炭纪砾岩 褶皱构造Fold 组成地壳的岩层，受构造应力的强烈作用，使岩层形成 一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造，为褶皱构造 三、褶皱构造 水平挤压 塑性变形 断裂概念和分类 组成地壳的岩层，受构造应力的强烈作用发生变形，当 变形达到一定的程度后使岩体的连续性和完整性遭到破 坏，产生各种大小不一的断裂，称为断裂构造 根据断裂后两侧岩块相对位移的情况，断裂构造可分为 裂隙（Joint） 断层（Fault） 四、断裂和不整合 2015/4/14 9 裂隙 岩体受力断裂后，两侧岩块没有显著位移的小型断裂构 造 裂隙的类型 按成因分为构造裂隙和非构造裂隙 构造裂隙的类型 按力学性质可分为张性（多出现在褶曲的轴部）和扭性（多出现 在褶曲的翼部和断层附近）两种 裂隙的工程地质评价 有利于开挖 对岩体的强度和稳定性均有不利影响 裂隙调查、统计和表示方法 裂隙玫瑰图裂隙玫瑰图 裂隙倾向玫瑰图裂隙倾向玫瑰图裂隙走向玫瑰图裂隙走向玫瑰图 断层 岩体受力断裂后，两侧岩块发生显著位移的断裂构造 断层要素 断层面和破碎带、断层线、上盘和下盘、断距 断层要素断层要素 AB断层线；断层线； C断层面；断层面；  断层倾角；断层倾角； E上盘；上盘； F下盘；下盘； DB总断距总断距 断层的基本类型 正断层、逆断层、平推断层、逆掩断层 正断层正断层逆断层逆断层 断层的基本类型 正断层、逆断层、平推断层、逆掩断层 平推断层平推断层 逆掩断层逆掩断层 2015/4/14 10 断层的组合形式 阶状断层、地堑、地垒、迭瓦式构造 平推断层平推断层逆掩断层逆掩断层 不整合 定义 形成地质年代不连续的两套岩层重叠在一起的构造现象，称为 不整合，升降运动引起 类型 平行不整合和角度不整合 沉积岩的接触关系沉积岩的接触关系 整合整合平行不整合平行不整合角度不整合角度不整合 工程地质性质分类 物理性质 重量、孔隙性、含水率、吸水性、软化性、抗冻性 力学性质 强度、变形 五、岩石的工程地质性质 岩石的重量 指标比重、重度 比重岩石固体部分的重量与同体积的4℃水的重度之 比，一般在2.653.3间 重度又称容重，岩石单位体积的重量，数值上等于岩 石总重量与总体积之比 总重量固体岩石重孔隙水重 总体积外观体积（考虑孔隙体积） 岩石的孔隙性 含义岩石中各种孔隙的发育程度，影响岩石的力学性质 分类 广义孔隙岩石中的空隙空间，即未被固体物质所充填的空间， 包括孔隙（狭义）、溶洞和裂缝 狭义孔隙岩石中颗粒（晶粒）间、颗粒（晶粒）内和填隙物内 的空隙 成因原生孔隙、次生孔隙 衡量指标 孔隙度（孔隙率）孔隙总体积岩石总体积 影响因素内部结构、外部构造、周围环境 岩石的含水率（量） 含义岩石实际含水多少的指标 重量含水率 岩石孔隙中所含的水重量与干燥岩石重量的比值 体积含水率 岩石含水的体积与包括空隙在内的岩石体积的比值 其它指标 天然含水率 饱和含水率 2015/4/14 11 岩石的吸水性 含义岩石一定条件（标准大气压）的吸水能力， 吸水率 岩石吸水重量同体积干燥岩石重量100 吸水性影响因素 孔隙度 外部条件压力、温度 岩石的软化性 含义吸水后强度减少的性质 影响因素矿物成分、内部结构、外部构造、孔隙度 软化系数饱和吸水极限抗压强度干燥抗压强度 岩石的变形 含义岩石在外力或其他物理因素（如温度、湿度）作用下发 生形状或体积的变化 规模不等 西藏高原和喜马拉雅山以每年几厘米的速率上升 软岩变形可达原体积的十几倍 分类 弹性变形可恢复的变形 塑性变形部分不可恢复 指标 弹性模量应力应变，帕斯卡，反比 泊松比横向应变（减少）纵向应变（增加） 泊松比 泊松比是法国数学家西蒙泊松名字命名的描述材料横向变 形的系数 定义为负的横向收缩应变与纵向伸长应变之比 泊松比上限值为0.5 泊松比下限 虽然钱伟长先生曾在理论上推导泊松比下限为1，但在实际中很难 观察到泊松比为负值的材料 因此通常认为材料泊松比都为正，约为1/3，如橡胶类1/2， 金属铝为0.33，铜为0.27，聚合物为0.10.4 j ij i      岩石的强度 含义岩石抵抗外力破坏的能力 受力状态分类 抗压强度压力作用下，抵抗破碎能力，受压破坏时极限应力 单轴、三轴 抗拉强度拉力作用下，拉断破坏极限张应力 抗剪强度抵抗剪切破坏能力，受剪破坏时极限剪应力 抗压强度＞抗剪强度＞抗拉强度 岩石的强度和变形的影响因素 岩石的地质特性 矿物成分 内部结构 外部构造 成因类型 岩石的赋存环境 压力 温度 湿度（水） 综合作用风化、侵蚀 岩体的概念 工程作用范围内具有一定的岩石成分、结构特征及赋存 于某种地质环境中的地质体 内部联结力较弱的层理、片理和节理、断层等切割下， 形成结构面，具有明显的不连续性 经过变形和破坏后岩石的组合 岩体强度远远低于岩石强度，岩体变形远远大于岩石本 身，岩体的渗透性远远大于岩石的渗透性 六、岩体的工程地质性质 2015/4/14 12 ★★土的粒径级配土的粒径级配 （（1）定义）定义 土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数土中各粒组的相对含量，占总质量的百分数 称为土的粒径级配。称为土的粒径级配。 （（2）粒径分析方法）粒径分析方法 筛分法（筛分法（d0.075mm的土）的土） 密度计法（密度计法（d1.00.75IL≤10.25IL≤0.750IL≤0.25IL0 液性液性 指数指数 流流 塑塑软软 塑塑可可 塑塑硬硬 塑塑坚坚 硬硬状状 态态 粘性土的塑性指数和液性指数 ★塑性指数液限与塑限之差值。该值愈大，土处 于可塑性状态的含水量范围也愈大，可塑性愈强。 塑性指数的大小与土中黏土矿物的含量和种类有关， 是反映组成土粒的胶体活动性强弱的重要指标，在 一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种因素。 所以，常用塑性指数作为粘性土分类的标准。 液性指数是指粘性土的天然含水量和塑限的差值 与塑性指数之比。该值愈大，土质愈软。 三个有关孔隙指标 孔隙比e 孔隙率n 饱和度Sr V s V e V  100 V V n V  100 w r V V S V  ★土的孔隙比e和孔隙率n 土的孔隙比是土中孔 隙体积与土粒体积之比，是 一个重要的物理指标，反映 天然土的密实程度。孔隙率 是孔隙体积与总体积之比。 二者的数值取决于土的结构 状态，故为表征土结构的重 要指标。 3 3 土中水土中水 结合水 分强结合水和弱结合水 毛细水 液态水 土中水 重力水 非结合水 气态水（水蒸汽） 固态水（冰） 2015/4/14 13 结合水和非结合水以是否受分子引力和静电引力 吸附相区分。 前者一般存在于土粒表面，后者则在土粒孔隙中； 前者没有溶解能力，不能传递静水压力，冰点低 于零度;后者则相反。 土粒表面双电层、结合水及其所受静电引力变化示意图土粒表面双电层、结合水及其所受静电引力变化示意图 毛细水是指土的细小孔隙中（0.002- 0.5mm），因毛细力作用与土粒结合， 存在于地下水面以上的一种过渡类型 水。毛细力作用是土粒的分子引力和 水与空气的表面张力共同作用构成的。 毛细水主要在砂土、粉土和粉质粘性 土中含量较大 。 重力水是重力作用下，在较粗孔隙中 自由流动的普通液态水。 毛细压力示意图 气态水以水气状态存在气态水的迁移 和聚集使土中水和气体的分布状况发生 变化，可使土的性质改变。 固态水是由重力水冻结而成的。 4.2 土的物理力学性质及其指标 4.2.1土的三相比例指标（九个） 含水量 三个基本指标颗粒比重 重度 饱和度 三个有关孔隙指标孔隙比 孔隙率 饱和重度 三个重量指标干重度 浮重度 w d  G e n sat   r S  2015/4/14 14 重度（γ） 土的重度即单位体积土的重量 单位kN/m3 一般粘性土γ18～20kN/m3，砂土γ16～20kN/m3 土的重度一般用“环刀法”测定。 土的重度取决于土粒的重量、孔隙体积的大小和孔 隙中水的重量，综合反映了土的组成和结构特征。 W V  含水量 w 土中水的重量与土粒重量之比，称为土的含水量, 以百分数计，即 含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标。 同一类土，当其含水量增大时，其强度降低。 “烘干法”测定（105110℃）。 100 w s W w W  颗粒比重 G 土粒重量与同体积的4℃时水的重量之比称为颗 粒比重，它在数值上为单位体积土粒的重量，即 水在4 ℃时单位体积的重量，等于10kN/m3 颗粒比重可在试验室内用“比重瓶法”测定。 土的颗粒比重G取决于土的矿物成分 1 ss sww W G V    1 w  三个有关孔隙指标 孔隙比e 孔隙率n 饱和度Sr V s V e V  100 V V n V  100 w r V V S V  ★土的孔隙比e和孔隙率n 土的孔隙比是土中孔 隙体积与土粒体积之比，是 一个重要的物理指标，反映 天然土的密实程度。孔隙率 是孔隙体积与总体积之比。 二者的数值取决于土的结构 状态，故为表征土结构的重 要指标。 固体矿物颗粒固体矿物颗粒 （（固相固相）） 土中气体土中气体 （（气相气相）） 土中水土中水 （（液相液相）） 三个密度指标（） 干重度（） 饱和重度（） 浮重度（） d  sat   sVw sat WV V     ssw WV V      s d W V  satd  2015/4/14 15 什么是水文地质学 简言之，就是研简言之，就是研 究究地下水地下水的科学。的科学。 具体来讲，主要具体来讲，主要 研究与岩石圈、水研究与岩石圈、水 圈、大气圈、生物圈、大气圈、生物 圈以及人类活动相圈以及人类活动相 互作用下地下水互作用下地下水水水 量和水质的时空变量和水质的时空变 化规律化规律，并依此为，并依此为 人类服务的一门学人类服务的一门学 科。科。 含水介含水介 质类型质类型 埋藏条件埋藏条件 孔隙水孔隙水裂隙水裂隙水岩溶水岩溶水 包气带水包气带水土壤水土壤水 局部粘性土隔水层上局部粘性土隔水层上 季节性存在的重力水季节性存在的重力水 （上层滞水）过路及（上层滞水）过路及 悬流毛细水及重力水悬流毛细水及重力水 裂隙岩层浅部季节裂隙岩层浅部季节 性存在的重力水及性存在的重力水及 毛细水毛细水 裸露岩溶化岩层上裸露岩溶化岩层上 部岩溶通道中季节部岩溶通道中季节 性存在的重力水性存在的重力水 潜水潜水各类松散沉积物浅部各类松散沉积物浅部 的水的水 裸露于地表的各类裸露于地表的各类 裂隙岩层中的水裂隙岩层中的水 裸露于地表的岩溶裸露于地表的岩溶 化岩层中的水化岩层中的水 承压水承压水山间盆地及平原松散山间盆地及平原松散 沉积物深部的水沉积物深部的水 组成构造盆地、向组成构造盆地、向 斜构造或单斜断块斜构造或单斜断块 的被掩覆的各类裂的被掩覆的各类裂 隙岩层中的水隙岩层中的水 组成构造盆地、向组成构造盆地、向 斜构造或单斜断块斜构造或单斜断块 的被掩覆的溶化岩的被掩覆的溶化岩 层中的水层中的水 地下水的类型地下水的类型 包气带水包气带水 是存在于地表面以下，潜水位以上的包气带岩是存在于地表面以下，潜水位以上的包气带岩 土层中的水，它是一种土层中的水，它是一种局部的、暂时性局部的、暂时性的地下水。的地下水。 其中既有分子水、结合水、毛细水等其中既有分子水、结合水、毛细水等非重力水非重力水，， 也有属于下渗的水流和存在于包气带中局部隔水层也有属于下渗的水流和存在于包气带中局部隔水层 上的上的上层滞水上层滞水。。 特点特点受气候控制，季节性明显受气候控制，季节性明显。。 包气带及饱水带包气带及饱水带 潜水潜水 定义埋藏在地表以下定义埋藏在地表以下第一层较稳定的隔水层以上第一层较稳定的隔水层以上 具有具有自由表面自由表面的重力水。的重力水。 特点自由水面特点自由水面承受大气压力承受大气压力，， 受受气候条件气候条件影响，影响， 季节性季节性变化明显变化明显 隔水层隔水层 2015/4/14 16 承压水承压水 定义定义充满于充满于两个隔水层之间两个隔水层之间的含水层中的水的含水层中的水 隔水顶板隔水顶板承压含水层上部的隔水层（弱透水层） 隔水底板隔水底板承压含水层下部的隔水层（弱透水层） 承压水来源承压水来源大气降水、地表水入渗 影响承压水水质因素影响承压水水质因素埋藏条件、与外界联系的程度 潜水位上升潜水位上升引起的工程地质问题引起的工程地质问题 1潜水位上升后，由于潜水位上升后，由于毛细水作用毛细水作用可能导致土壤可能导致土壤 次生沼泽化、盐渍化，次生沼泽化、盐渍化，改变岩土体物理力学性质改变岩土体物理力学性质，， 增强岩土和地下水对建筑材料的腐蚀。在寒冷地增强岩土和地下水对建筑材料的腐蚀。在寒冷地 区，可助长岩土体的冻胀破坏；区，可助长岩土体的冻胀破坏； 2潜水位上升后，原来干燥的岩土被水饱和、软潜水位上升后，原来干燥的岩土被水饱和、软 化，化，降低岩土抗剪强度降低岩土抗剪强度，可能诱发斜坡、岸边岩，可能诱发斜坡、岸边岩 土体产生土体产生变形、滑坡、崩塌失稳变形、滑坡、崩塌失稳等不良地质现象；等不良地质现象； 3潜水位上升，可能使潜水位上升，可能使洞室淹没洞室淹没，还可能使建，还可能使建 筑物筑物基础上浮基础上浮，危及安全。，危及安全。 4崩解性岩土、湿陷性黄土、盐渍岩土等遇水崩解性岩土、湿陷性黄土、盐渍岩土等遇水 后，可能产生崩解、湿陷、软化，其岩土结构后，可能产生崩解、湿陷、软化，其岩土结构 破坏、强度降低、压缩性增大。而膨胀性岩土破坏、强度降低、压缩性增大。而膨胀性岩土 遇水后则产生膨胀破坏。遇水后则产生膨胀破坏。 2015/4/14 17 地下水位下降地下水位下降引起的工程地质问题引起的工程地质问题 1地表塌陷地表塌陷岩溶发育地区，由于地下水位下岩溶发育地区，由于地下水位下 降时改变了水动力条件，在降时改变了水动力条件，在断裂带、褶皱轴部、断裂带、褶皱轴部、 溶蚀洼地、河床两侧以及一些土层较薄而土颗溶蚀洼地、河床两侧以及一些土层较薄而土颗 粒较粗的地段粒较粗的地段，产生塌陷。，产生塌陷。 2地面沉降地面沉降地下水位下降诱发地面沉降的现地下水位下降诱发地面沉降的现 象可以用象可以用有效应力原理有效应力原理加以解释。地下水位的加以解释。地下水位的 下降减小了土中的孔隙水压力，从而增加了土下降减小了土中的孔隙水压力，从而增加了土 颗粒间的有效应力，颗粒间的有效应力，有效应力的增加要引起土有效应力的增加要引起土 的压缩的压缩。许多大城市过量抽取地下水致使区域。许多大城市过量抽取地下水致使区域 地下水位下降从而引发地面沉降，就是这个原地下水位下降从而引发地面沉降，就是这个原 因。因。 sat     自重应力情况自重应力情况地下水位地下水位 2sat1 HH      地下水位下降引起地下水位下降引起 σσ’ 增大的部分增大的部分 H H1 1 H H2 2 σσ’ σσ- -u u uuγγw wH H2 2uuγγw wH H2 2 σσ’ σσ- -u u γγH H1 1 γγsat satH H2 2- -γ γw wH H2 2 γγH H1 1γγsat sat- -γ γw wHH2 2 γγH H1 1 γγ’H H2 2 地下水位下降会引起地下水位下降会引起 σ’σ’增大，土会产生增大，土会产生 压缩，这是城市抽水压缩，这是城市抽水 引起地面沉降的一个引起地面沉降的一个 主要原因。主要原因。 3海海咸咸水入侵水入侵 近海地区的潜水或承压含水层往往与海水相连，近海地区的潜水或承压含水层往往与海水相连， 在天然状态下，陆地的地下淡水向海洋排泄，含水在天然状态下，陆地的地下淡水向海洋排泄，含水 层保持较高的水头，淡水与海水保持某种动态平衡层保持较高的水头，淡水与海水保持某种动态平衡，， 因而陆地淡水含水层能阻止海水入侵。如果大量开因而陆地淡水含水层能阻止海水入侵。如果大量开 发陆地地下淡水，引起大面积地下水位下降，可能发陆地地下淡水，引起大面积地下水位下降，可能 导致海水向地下水含水层入侵，使淡水水质变坏。导致海水向地下水含水层入侵，使淡水水质变坏。 4地裂缝的产生与复活地裂缝的产生与复活 近年来，在我国很多近年来，在我国很多 地区发现地裂缝，西安是地裂缝发育最严重的地区发现地裂缝，西安是地裂缝发育最严重的 城市。据分析这是地下水位大面积大幅度下降城市。据分析这是地下水位大面积大幅度下降 而诱发的。而诱发的。 5地下水源枯竭、水质恶化地下水源枯竭、水质恶化 盲目开采地下水，盲目开采地下水， 当开采量大于补给量时，地下水资源会逐渐减当开采量大于补给量时，地下水资源会逐渐减 少，以致枯竭，造成泉水断流、井水枯干、地少，以致枯竭，造成泉水断流、井水枯干、地 下水中有害离子量增多、矿化度增高。下水中有害离子量增多、矿化度增高。 地下水的渗透破坏地下水的渗透破坏 1潜蚀潜蚀渗透水流在一定水力坡度条件下产生较大渗透水流在一定水力坡度条件下产生较大 的的动水压力动水压力，，冲刷、挟走细小颗粒或溶蚀岩土体冲刷、挟走细小颗粒或溶蚀岩土体，， 使岩土体中孔隙不断增大，甚至形成洞穴，导致岩使岩土体中孔隙不断增大，甚至形成洞穴，导致岩 土体结构松动或破坏，以致土体结构松动或破坏，以致产生地表裂隙、塌陷产生地表裂隙、塌陷，， 影响工程的稳定。影响工程的稳定。 动水压力小于土颗粒的有效重度。动水压力小于土颗粒的有效重度。 2流砂流砂 流砂是指流砂是指松散细小颗粒土松散细小颗粒土被地下水饱和后，被地下水饱和后， 在在动水压力动水压力即水头差的作用下，产生的即水头差的作用下，产生的悬浮流动现悬浮流动现 象象。流砂多发生在颗粒级配均匀的粉细砂中，有时。流砂多发生在颗粒级配均匀的粉细砂中，有时 在粉土中也会产生流砂。在粉土中也会产生流砂。 动水压力等于土颗粒的有效重度。动水压力等于土颗粒的有效重度。 2015/4/14 18 渗流方向向上渗流方向向上