土力學(xué)與砌體結(jié)構(gòu) 第2章 工程地質(zhì)基本知識(shí)

第二章工程地質(zhì)基本知識(shí)1.1概述1.2第四紀(jì)沉積層1.3地下水1.1概述1.1.1、地質(zhì)作用建筑場(chǎng)地的地形、地貌和組成物質(zhì)（土與巖石）的成分、分布厚度及特性，取決于地質(zhì)作用。1、內(nèi)力地質(zhì)作用：一般認(rèn)為是，由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)能和放射性元素蛻變產(chǎn)生的熱能等引起地殼物質(zhì)成分、內(nèi)部構(gòu)造以及地表形態(tài)發(fā)生變化的地質(zhì)作用。eg.巖漿活動(dòng)，地殼運(yùn)動(dòng)（構(gòu)造運(yùn)動(dòng)）和變質(zhì)作用。構(gòu)成天然地基的物質(zhì)是地殼中的巖石和土。地殼厚度為30~80km，它的物質(zhì)、形態(tài)和內(nèi)部構(gòu)造是在不斷地改造和演變的。導(dǎo)致地殼成分變化和構(gòu)造變化的作用，稱(chēng)為地質(zhì)作用?？煞譃閮?nèi)力地質(zhì)作用和外力地質(zhì)作用。2、外力地質(zhì)作用：由太陽(yáng)輻射能和地球重力位能引起。eg.晝夜和季節(jié)氣溫變化，雨雪、山洪、河流、冰川、風(fēng)及生物等對(duì)母巖產(chǎn)生的風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)與沉積作用。

晝夜和季節(jié)以及氣溫的變化,可使地表各種原巖不斷發(fā)生熱脹脫離,冷縮開(kāi)裂等機(jī)械破碎。水和水溶液的存在，可使原巖不斷發(fā)生水化、氧化、碳酸鹽化、溶解以及縫隙水凍脹引起崩裂化學(xué)變化和機(jī)械破碎。動(dòng)植物和微生物的活動(dòng)，也可使原巖不斷發(fā)生機(jī)械破碎和化學(xué)變化。這種外力（包括大氣、水、生物）對(duì)原巖機(jī)械破碎和化學(xué)變化的作用，統(tǒng)稱(chēng)為風(fēng)化作用。外力地質(zhì)作用過(guò)程中的風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)及沉積，是彼此密切聯(lián)系的。風(fēng)化作用為剝蝕作用創(chuàng)造了條件，而風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)又為沉積作用提供了物質(zhì)的來(lái)源。1.1.2、地質(zhì)年代1.1概述土與巖石的性質(zhì)與其生成的地質(zhì)年代有關(guān)。一般說(shuō)來(lái)，生成年代越久，土與巖石的工程性質(zhì)越好。

地質(zhì)年代是指地殼發(fā)展歷史與地殼運(yùn)動(dòng)、沉積環(huán)境及生物演化相應(yīng)的時(shí)代段落。地球形成至今大約有60億年的歷史，在這漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代里，地殼經(jīng)歷了一系列復(fù)雜的演變過(guò)程，形成了各種類(lèi)型的地質(zhì)構(gòu)造和地貌以及復(fù)雜多樣的巖石和土。地質(zhì)年代有絕對(duì)和相對(duì)之分，相對(duì)地質(zhì)年代在地史的分析中廣為應(yīng)用。它是根據(jù)古生物的演化和巖層形成的順序，將地殼歷史劃分成一些自然階段。分為五大代（太古代、元古代、古生代、中生代和新生代），每代又分為若干紀(jì)，每紀(jì)又細(xì)分為若干世及期。在每一個(gè)地質(zhì)年代中，都劃分有相應(yīng)的地層。地質(zhì)年代和地層單位、順序和名稱(chēng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表。通常所說(shuō)的土為新生代第四紀(jì)更新世（距今約100萬(wàn)年），更新世又分為早更新世（Q1）、中更新世（Q2）、晚更新世（Q3），其后為全新世（Q4）。1.1概述地質(zhì)年代和地層單位、順序、名稱(chēng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系地質(zhì)年代代紀(jì)世期地層單位界系統(tǒng)階(層)紀(jì)(系)1.2第四紀(jì)沉積層地表的巖石經(jīng)風(fēng)化，剝蝕成巖屑，又經(jīng)搬運(yùn)、沉積而成的沉積物，年代不長(zhǎng)，未經(jīng)壓緊硬結(jié)成巖石之前，呈松散狀態(tài)，稱(chēng)為第四紀(jì)沉積層，即土。根據(jù)搬運(yùn)和沉積的情況不同，可分為以下幾種類(lèi)型：殘積層，坡積層，洪積層，沖積層，海相沉積層，湖沼沉積層。不同成因類(lèi)型的第四紀(jì)沉積物，各具有一定的分布規(guī)律和工程地質(zhì)特性。1.殘積層殘留在原地未被搬運(yùn)的那一部分風(fēng)化產(chǎn)物。顆粒不能被磨圓或分選，沒(méi)有層理構(gòu)造。殘積物與基巖之間沒(méi)有明顯界限，其礦物成分很大程度上與下臥基巖一致。由于殘積物沒(méi)有層理構(gòu)造，均質(zhì)性很差，顆粒多為棱角狀的粗顆粒土，孔隙度較大，作為建筑物地基容易引起不均勻沉降。殘積層：應(yīng)注意不均勻沉降和土坡穩(wěn)定性問(wèn)題。坡積層：應(yīng)注意不均勻沉降和地基穩(wěn)定性問(wèn)題。洪積層：應(yīng)注意土層的尖滅和透鏡體引起的不均勻沉降。２．坡積層雨雪水流的地質(zhì)作用將高處巖石風(fēng)化產(chǎn)物緩慢地沖刷剝蝕、順著斜坡向下移動(dòng)、沉積在較平緩的山坡上而形成的沉積物。自上而下呈現(xiàn)由粗而細(xì)的分選現(xiàn)象。其礦物成分與下臥基巖沒(méi)有直接關(guān)系。由于坡積物形成于山坡，常常發(fā)生沿下臥基巖傾斜面滑動(dòng)；還由于組成物質(zhì)粗細(xì)顆粒混雜，土質(zhì)不均，厚度變化大。新近堆積物，土質(zhì)疏松，壓縮性較大。1.2第四紀(jì)沉積層

由暴雨或大量融雪驟然集聚而成的暫時(shí)性山洪急流,具有很大的剝蝕、搬運(yùn)能力。它沖刷地表，挾帶著大量碎屑物質(zhì)堆積于山谷沖口或山前傾斜平原而形成洪積層。

離山漸遠(yuǎn)，顆粒變細(xì)，分布范圍逐漸擴(kuò)大。其地貌特征是靠山近處窄而陡，離山遠(yuǎn)處寬而緩，形如錐體，故稱(chēng)為洪積錐（扇）。由相鄰溝谷口的洪積扇組成洪積扇群。3.洪積層1.2第四紀(jì)沉積層2.淤泥夾粘土透鏡體1.表土層3.粘土尖滅層4.砂土夾粘土層5.礫石層6.石灰?guī)r層土的層理構(gòu)造

洪積物的顆粒雖因搬運(yùn)過(guò)程中的分選作用呈現(xiàn)漸變現(xiàn)象,但由于搬運(yùn)距離短,顆粒的磨圓度仍不佳。此外，山洪是周期性產(chǎn)生的，每次的大小不盡相同，堆積物質(zhì)也不一樣。因此，洪積物常呈現(xiàn)不規(guī)則的層理構(gòu)造，如具有夾層、尖滅或透鏡體等產(chǎn)狀?？拷降鼗螂x山較遠(yuǎn)地段的洪積物的承載力高，而過(guò)度地帶由于地下水溢出地表造成沼澤地帶，土質(zhì)軟、承載力低。1.2第四紀(jì)沉積層平原河谷橫斷面礫卵石中粗砂粉細(xì)砂粉質(zhì)粘土粉土黃土淤泥4、沖積層沖積物是河流流水的地質(zhì)作用將兩岸基巖及其上部覆蓋的坡積、洪積物剝蝕后搬運(yùn)沉積在河流坡降平緩地帶形成的沉積物。其特點(diǎn)是呈現(xiàn)明顯的層理構(gòu)造。由于搬運(yùn)作用顯著，碎屑物質(zhì)由帶棱角顆粒經(jīng)滾磨、碰撞逐漸形成亞圓或圓形顆粒，其搬運(yùn)距離越長(zhǎng)，則沉積物質(zhì)越細(xì)。典型的沖積物是形成于河谷內(nèi)的沉積物，可分為平原河谷沖積層和山區(qū)河谷沖積層等。1.2第四紀(jì)沉積層1.3地下水1.3.1、地下水對(duì)工程的影響1、基礎(chǔ)埋深：通常設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深D應(yīng)小于地下水位深度hw。2、施工排水：當(dāng)?shù)叵滤桓?，基礎(chǔ)埋深D大于地下水位深度時(shí)，基槽開(kāi)挖與基礎(chǔ)施工必須進(jìn)行排水。中小工程可以采用挖排水溝與集水井排水；重大工程應(yīng)采用井點(diǎn)降低地下水位法。3、地下水位升降：濕陷性黃土、膨脹土遇水時(shí)；地下水位大幅下降時(shí)。地下水：存在于地面下土和巖石的孔隙、裂隙或溶洞中的水。建筑場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件主要包括地下水的埋藏條件，地下水位及其動(dòng)態(tài)變化，地下水化學(xué)成分及其對(duì)混凝土的腐蝕性等。地下水對(duì)工程的影響1.3地下水4、地下室防水。5、地下水水質(zhì)侵蝕性。6、空心結(jié)構(gòu)物浮起。7、承壓水沖破基槽。地下水含有各種化學(xué)成分，當(dāng)某些成分含量過(guò)多時(shí)，會(huì)腐蝕混凝土、石料及金屬管道。1.3.2、地下水分類(lèi)1.3地下水按埋藏條件不同，分為三類(lèi)：1、上層滯水：地表水下滲積聚在局部透水性小的粘性土隔水層上的水。為雨水補(bǔ)給，有季節(jié)性。2、潛水：埋藏在地表以下第一個(gè)連續(xù)分布的穩(wěn)定隔水層以上，具有自由水面的重力水。為雨水、河水補(bǔ)給，水位有季節(jié)性變化。一般埋藏在第四紀(jì)沉積層及基巖的風(fēng)化層中。水面標(biāo)高稱(chēng)為地下水位。3、承壓水：埋藏在兩個(gè)連續(xù)分布的隔水層之間，完全充滿(mǎn)的有壓地下水。通常存在于卵石層中，承受一定的靜水壓力。其埋藏區(qū)與地表補(bǔ)給區(qū)不一致。因此，承壓水的動(dòng)態(tài)變化受局部氣候因素影響不明顯。1.3.3土的滲透性1.3地下水（1）概念：地下水通過(guò)土顆粒之間的孔隙流動(dòng)，土體可被水透過(guò)的性質(zhì)稱(chēng)為土的透水性。它表明水通過(guò)孔隙的難易程度。應(yīng)用：工程設(shè)計(jì)中，計(jì)算地基沉降速率，或地下水位以下施工需計(jì)算地下水的涌水量，選擇排水措施等均應(yīng)用滲透性指標(biāo)。（2）土的滲透性規(guī)律1、滲透實(shí)驗(yàn)與達(dá)西定律法國(guó)學(xué)者達(dá)西（Darcy,H.）1856年做砂土的滲透實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)達(dá)西定律。

Q/t=q=kFh/L=kFiv=k×iq—單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)砂層滲流出的水量。i=h/L—水力坡降。v—滲透速度cm/s。k—土的滲透系數(shù)cm/s1.3.3土的滲透性1.3地下水注意：達(dá)西定律中，v不是某個(gè)土孔隙中水的滲流速度，而是水流通過(guò)的整個(gè)斷面上的平均滲流速度。

k的物理意義：?jiǎn)挝凰ζ陆?i=1)時(shí)的滲透速度。

影響土滲透性因素：a、土孔隙大??；b、土粒的大小、形狀、級(jí)配以及顆粒的排列和土的結(jié)構(gòu)等。c、地下水溫度、密度及其粘滯性（即內(nèi)摩阻力）。d、地下水的飽和度。層流運(yùn)動(dòng)：地下水在土中孔隙或微小裂縫中以不大的速度連續(xù)滲透時(shí)。紊流運(yùn)動(dòng)：在巖石的裂隙或空洞中流動(dòng)時(shí)，速度較大。其流線有相互交錯(cuò)的現(xiàn)象。2、動(dòng)水力GD（KN/m3）1.3.3土的滲透性1.3地下水動(dòng)水力：水流動(dòng)時(shí)，水對(duì)單位體積土的骨架作用的力。是水流對(duì)土體施加的體積力。與水流受到土骨架的阻力大小相等而方向相反。靜水力：靜水作用在水下物體上的力。則土柱所受的力為：1、兩端點(diǎn)的靜水壓力：2、與土柱同體積水柱的重量：土骨架對(duì)水的總阻力：沿地下水流方向取出一個(gè)土柱體，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，橫斷面積為F。FhF及γhγ2W1WLFγWTLF（T為土對(duì)水的阻力，T=-GD）GD=γw×i由靜力平衡條件：0cos21=-+-TLFLFFhFhWWWaggg得：或：式中：1.3地下水為水力梯度。1.3.3土的滲透性3、流砂：當(dāng)水流自下而上流動(dòng)時(shí)，動(dòng)水力方向與重力方向相反，使土顆粒懸浮。當(dāng)動(dòng)水力等于或大于土的浮重度時(shí)，土粒之間毫無(wú)壓力，土隨水流動(dòng)。即：γw×i=γ’，所以，icr=

γ’/γw稱(chēng)為臨界水力坡降。