教學(xué)單元1-工程地質(zhì)常識

教學(xué)單元1

工程地質(zhì)常識

本單元主要內(nèi)容:1.1地質(zhì)年代與不良地質(zhì)簡介

1.2第四紀(jì)沉積物

1.3地下水對地基基礎(chǔ)工程的影響

1.4地震區(qū)的地基基礎(chǔ)問題

本章作為認(rèn)知內(nèi)容，側(cè)重于相關(guān)概念的了解和理解，學(xué)習(xí)中應(yīng)結(jié)合本地區(qū)實際情況，選擇或補充完善相關(guān)內(nèi)容。達(dá)到在閱讀結(jié)構(gòu)施工圖、工程地質(zhì)勘查報告，以及在施工中碰到這些問題時有一個清晰的概念，并有助于進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)的目的。（1）斷層與節(jié)理、巖溶與土洞、滑坡與崩塌、泥石流、采空區(qū)等概念。

（2）“第四紀(jì)沉積物”的主要類型、分布規(guī)律和工程地質(zhì)特征。

（3）地下水對地基基礎(chǔ)工程的主要影響。

（4）地段與場地的劃分、液化的概念，以及抗液化措施。

學(xué)習(xí)重點

地球形成至今大約有46億年以上的歷史。在這漫長的地質(zhì)歷史中，地球經(jīng)歷了一系列的演變過程。地質(zhì)年代（GeologicalTime）是指地殼上不同時期的巖石和地層，在形成過程中的時間（年齡）和順序。

時間表述單位：宙、代、紀(jì)、世、期、時；

地層表述單位：宇、界、系、統(tǒng)、階、帶。它包含兩方面含義：其一是指各地質(zhì)事件發(fā)生的先后順序，稱為相對地質(zhì)年代；其二是指各地質(zhì)事件發(fā)生的距今年齡，稱為同絕對地質(zhì)年代。這兩方面結(jié)合，才構(gòu)成對地質(zhì)事件及地球、地殼演變時代的完整認(rèn)識，地質(zhì)年代表正是在此基礎(chǔ)上建立起來的。

地質(zhì)年代

地質(zhì)年代表（新生代）代

紀(jì)

世距今時間（年）生物進(jìn)化階段新生代

第四紀(jì)全新世1萬

人類時代被子植物

更新世200萬第三紀(jì)

上新世600萬哺乳動物

中新世2200萬

漸新世3800萬

始新世5500萬

古新世6500萬巖石上的地質(zhì)年代由于地殼運動、巖漿作用、沉積作用、剝蝕作用的發(fā)生，常常會出現(xiàn)地質(zhì)體（巖層、巖體、巖脈）之間的彼此穿切現(xiàn)象。

1．?dāng)鄬优c節(jié)理當(dāng)巖層所受的構(gòu)造應(yīng)力超過巖石強度時，巖石的連續(xù)完整性遭到破壞，產(chǎn)生斷裂，稱為斷裂構(gòu)造。

按斷裂后兩側(cè)巖層沿斷裂面有無明顯的相對位移，又分為斷層和節(jié)理（裂隙）兩種類型。斷裂面兩側(cè)巖體發(fā)生明顯的相對位移稱為斷層，沒有明顯的相對位移者稱為節(jié)理。

斷層與節(jié)理破壞了巖石的整體性，對巖體的強度和穩(wěn)定性均有不利影響，對建筑工程的危害極大，永久性建筑物、隧道、水庫大壩等要避免橫跨其上，否則一旦在新的地殼運動發(fā)生時產(chǎn)生新的移動，后果不堪設(shè)想。

不良地質(zhì)

斷層示意

節(jié)理示意

2．巖溶與土洞巖溶是可溶性巖層在水溶蝕的化學(xué)溶解作用為主并伴隨機(jī)械作用而形成溝槽、裂隙和洞穴，以及洞頂塌落等一系列現(xiàn)象和作用的總稱。土洞是在有覆蓋土的巖溶發(fā)育區(qū)，其特定的水文地質(zhì)條件，使巖面以上的土體遭到流失遷移而形成土中的洞穴和洞內(nèi)塌落堆積物以及引發(fā)地面變形破壞的總稱。土洞是巖溶的一種特殊形態(tài)，是巖溶范疇內(nèi)的一種不良地質(zhì)現(xiàn)象。巖溶或土洞繼續(xù)發(fā)展擴(kuò)大，洞頂就會不斷塌落，塌落一直發(fā)展到地表就形成地面塌陷。塌陷會毀壞鐵路、公路、橋梁、管道等工程設(shè)施，也會使工業(yè)與民用建筑物開裂、歪斜、倒塌，甚至隨地面一起下陷。

巖溶或土洞造成地面塌陷奉節(jié)小寨天坑是世界上已知最大巖溶漏斗，坑深666米，坑口直徑622米，坑底直徑522米。天井峽地縫為隱伏于地下的暗縫，綿延37千米，縫深80至300米，底寬1米至30米，是典型的“一線天”景觀。"中國地質(zhì)奇觀旅游之鄉(xiāng)"----重慶武隆巖溶國家地質(zhì)公園3．滑坡與崩塌

滑坡是指斜坡上大量不穩(wěn)定的巖體或土體在重力作用下，沿一定的滑動面（或滑動帶）整體向下滑動的地質(zhì)現(xiàn)象。

崩塌是指在陡峻斜坡或懸崖上的巖石、土體，由于裂隙發(fā)育或其它因素的影響，在重力作用下突然而劇烈地向下崩落、翻滾、坍塌的地質(zhì)現(xiàn)象。

4．泥石流泥石流是指發(fā)生在山區(qū)的泥、砂、碎塊石等松散土體與水體的混合流體，在重力作用下，沿坡面或小溪溝快速流動的一種不良地質(zhì)現(xiàn)象。泥石流的形成一般具有三個基本條件：①物源條件（因地質(zhì)構(gòu)造、巖性、不良地質(zhì)作用、人類活動等造成大量的松散碎屑堆積）；②水源條件（因強度較大的降雨、冰川積雪的強烈消融等造成驟發(fā)洪流物）；③地形條件（陡峻的地形）。泥石流具有突然爆發(fā)、流速快、流量大、物質(zhì)容量大和破壞力強等特點，比一般洪水具有更大的能量，能在很短的時間內(nèi)沖出數(shù)萬至數(shù)百萬立方米的固體物質(zhì)，往往成為山區(qū)破壞生態(tài)環(huán)境、毀壞工程設(shè)施、危害工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生命財產(chǎn)的重大地質(zhì)災(zāi)害。因地質(zhì)原因,涼山地區(qū)滑坡,泥石流頻發(fā).

5．采空區(qū)地下礦層被開采后產(chǎn)生的空間稱為采空區(qū)。采空區(qū)上方覆蓋的巖層將失去支撐，原來的平衡條件將被破壞，使上方巖層產(chǎn)生移動變形，直到破壞塌落。使地表大面積下沉、凹陷，導(dǎo)致地表各類建（構(gòu)）筑物等變形破壞，甚至倒塌。陜西省府谷縣煤礦采空區(qū)塌陷一戶村民房屋裂縫達(dá)20厘米1.2第四紀(jì)沉積物土是巖石經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、破碎、搬運、沉積等過程，在復(fù)雜的自然環(huán)境中所生成的各類松散沉積物。在漫長的地質(zhì)歷史中，地殼巖石在相互交替的地質(zhì)作用下風(fēng)化、破碎為散碎體，在風(fēng)、水和重力等作用下，被搬運到一個新的位置沉積下來形成“沉積土”。這些“沉積土”基本是在離我們最近的新生代第四紀(jì)形成的，因此我們也把土稱為“第四紀(jì)沉積物”。根據(jù)不同的成因條件主要有殘積物坡積物洪積物沖積物海相沉積物湖泊沉積物冰川沉積物風(fēng)積物是指殘留在原地未被搬運的那一部分原巖風(fēng)化剝蝕后的產(chǎn)物

殘積物

—

由于風(fēng)化剝蝕產(chǎn)物是未經(jīng)搬運的，顆粒不可能被磨圓或分選，沒有層理構(gòu)造，多為棱角狀的碎石、角礫、砂礫和粘性土?？紫洞?，無層次，平面分布和厚度不均勻。若作為建筑物地基應(yīng)當(dāng)注意不均勻沉降和土坡穩(wěn)定性問題

是指雨雪水流的地質(zhì)作用將高處巖石風(fēng)化產(chǎn)物緩慢地洗刷剝蝕，順著斜坡向下逐漸移動，沉積在較平緩的山坡上而形成的沉積物

坡積物

—

一般分布在坡腰上或坡腳下，坡積物質(zhì)隨斜坡自上而下呈現(xiàn)由粗到細(xì)的分選現(xiàn)象，其礦物成分與下臥基巖沒有直接關(guān)系。坡積物粗細(xì)顆?；祀s，土質(zhì)不均勻，厚度變化很大，通?？紫洞?，壓縮性高。

由暴雨或大量融雪形成暫時性山洪急流，沖刷地表并搬運大量碎屑物質(zhì)，流至山谷出口或山前傾斜平原，堆積而成洪積物

洪積物

—

山洪流出谷口后流速減慢，被搬運的較大碎屑（如塊石、礫石、粗砂等）首先大量堆積下來，較遠(yuǎn)處顆粒隨之變細(xì)，分布范圍也逐漸擴(kuò)大。其地貌特征：靠谷口處窄而陡，谷口外逐漸變?yōu)閷挾?，形如扇狀，故稱為洪積扇（錐）。由于山洪的發(fā)生是周期性的，每次的大小不盡相同，堆積物的粗細(xì)也隨之不同。因此，洪積物常呈現(xiàn)不規(guī)則的層理構(gòu)造，往往存在夾層、局部尖滅和透鏡體等產(chǎn)狀。

是由河流流水將兩岸基巖及其上部覆蓋的坡積、洪積物剝蝕搬運，沉積在河床較平緩地帶而形成的沉積物

沖積物

—其特點是呈現(xiàn)明顯的層理構(gòu)造。由于搬運作用顯著，碎屑物質(zhì)由帶棱角顆粒（塊石、碎石、角礫）經(jīng)滾磨、碰撞逐漸形成亞圓形或圓形顆粒（漂石、卵石、圓礫），搬運距離越長，沉積的顆粒越細(xì)。

河流沖積物在地表的分布很廣，可分為平原河谷沖積物和山區(qū)河谷沖積物等類型。

階地是在地殼的升降運動與河流的侵蝕、沉積等作用下形成的。當(dāng)?shù)貧は陆禃r，河流坡度變小，發(fā)生沉積作用，河谷中的沖積層增厚；地殼上升時，則河流因豎向侵蝕作用增強而下切原有的沖積層，在河谷中沖刷出一條較窄的河床，新河床兩岸原有的沖積物即成為階地。如果地殼交替發(fā)生多次升降運動，就可以形成多級階地。階地的位置越高，形成的年代則越早，通常土質(zhì)較好。

平原河谷通常不深而寬度很大，除河床外，大多數(shù)都有河漫灘及階地等地貌單元。

古河道沉積物是由蛇曲的河道截彎取直改道的牛軛湖逐漸淤塞而成。通常為較厚的淤泥、泥炭土，壓縮性高，強度低，為不良地基。

山區(qū)河谷兩岸陡峭，大多僅有河谷階地。河流坡度大，流速大，因而沉積物顆粒較粗，大多為砂粒所填充的漂石、卵石與圓礫等。在山間盆地和寬谷中才有河漫灘沖積物。

海相沉積物按分布地帶不同，可分為濱海沉積物、大陸架淺海沉積物、陸坡沉積物和深海沉積物。

海相沉積物

—

海水高潮與低潮之間的地區(qū)稱為濱海區(qū)。此地區(qū)的沉積物主要為卵石、圓礫和砂土，有的地區(qū)存在粘性土夾層。

海水深度h＜200m，寬度B≈（100～200）m的地區(qū)稱為大陸架淺海區(qū)。此地區(qū)的沉積物主要為細(xì)砂、粘性土、淤泥和生物化學(xué)沉積物。離海岸近，顆粒粗，離海岸越遠(yuǎn)，沉積物的顆粒越細(xì)。具有層理構(gòu)造，密度小，壓縮性高。

淺海區(qū)與深海區(qū)的過渡地帶稱為陸坡區(qū)或次深海區(qū)，水深h＜（200～1000）m，寬度B≈（100～200）km。此地區(qū)的沉積物主要為有機(jī)質(zhì)軟泥。

海水深度h＞1000m的地區(qū)稱為深海區(qū)。此地區(qū)的沉積物主要為有機(jī)質(zhì)軟泥。

除了上述五種成因類型的沉積物外，還有湖泊沉積物、冰川沉積物、風(fēng)積物等，不再一一介紹。

其他沉積物

—1.3地下水對地基基礎(chǔ)工程的影響

1.3.1地下水的類型存在于地面下巖、土體中的水稱為地下水。按埋藏條件不同可分為上層滯水、潛水和承壓水。上層滯水—埋藏在地表淺處局部隔水層上，具有自由水面的地下水

上層滯水分布范圍有限，靠大氣降水及地表水補給，水量不大并隨季節(jié)變化，旱季可能干涸。潛水

—

埋藏在地表下第一個連續(xù)分布的穩(wěn)定隔水層之上，具有自由水面的地下水

自由水面為潛水面，水面的標(biāo)高稱為地下水位，地面至潛水面的距離為地下水的埋藏深度，潛水面至隔水層的距離為含水層的厚度。潛水由大氣降水及河流補給，受氣候條件變化的影響。

承壓水

—

埋藏在兩個連續(xù)分布的穩(wěn)定隔水層之間的含水層中，完全充滿含水層并承受靜水壓力的重力水

通常存在于卵石層中呈傾斜狀分布，在地勢高處水位高，對地勢低處產(chǎn)生靜水壓力。若鑿井打穿承壓水頂面的第一隔水層，則承壓水因有壓力而上涌，至某一高度穩(wěn)定下來，這一水位高程稱為承壓水位，含水層頂面至承壓水位之間的距離稱為承壓水頭。由于承壓水的上面存在隔水頂板，受局部氣候條件變化的影響不明顯。

1.3.2地下水位

工程勘察遇地下水時所測得的水位稱為初見水位。經(jīng)過一定的穩(wěn)定時間后量測的水位稱為穩(wěn)定水位，即實測地下水位。建筑場地的地下水位并非固定不變，通常夏季地下水位高，冬季低，稱為豐水期和枯水期。

若施工季節(jié)與勘察季節(jié)不同時，應(yīng)考慮季節(jié)變化。各年之間也有豐水年、枯水年之別，地下水位也不相同。在同一地區(qū)進(jìn)行多年長期觀測，可得歷年最高水位。

對跨年度施工的重大地下工程，應(yīng)考慮歷年最高水位的影響。1.3.3地下水對地基基礎(chǔ)工程的影響

地下水對工程的設(shè)計方案、施工方法與工期、工程投資與使用都有著密切的關(guān)系，若處理不當(dāng)還可能產(chǎn)生不良影響，甚至發(fā)生工程事故。地下水對建筑工程的主要影響

基礎(chǔ)埋深

地下水位升降

水質(zhì)侵蝕性

空心結(jié)構(gòu)物浮起承壓水沖破基槽地下室防水

地下水流動施工排（降）水

1.4地震區(qū)的地基基礎(chǔ)問題建筑場地

—

指具有相似反應(yīng)譜特征的房屋群體所在地，其范圍相當(dāng)于廠區(qū)、居民小區(qū)和自然村，在平坦地區(qū)面積一般不小于1km2。

地段的類別

—《抗震規(guī)范》按場地上建筑物的震害輕重程度把建筑場地劃分為對建筑抗震有利、一般、不利和危險的地段?！犊拐鹨?guī)范》規(guī)定：對不利地段，應(yīng)提出避讓要求；當(dāng)無法避開時應(yīng)采取有效措施。對危險地段，嚴(yán)禁建造甲、乙類建造，不應(yīng)建造丙類建筑。

有利、一般、不利和危險地段的劃分

地段類別地質(zhì)、地形、地貌有利地段穩(wěn)定基巖，堅硬土，開闊、平坦、密實、均勻的中硬土等一般地段不屬于有利、不利和危險的地段不利地段軟弱土，液化土，條狀突出的山嘴，高聳孤立的山丘，陡坡，陡坎，河岸和邊坡的邊緣，平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的土層（含故河道、疏松的斷層破碎帶、暗埋的塘浜溝谷和半填半挖地基），高含水量的可塑黃土，地表存在結(jié)構(gòu)性裂縫等。危險地段

地震時可能發(fā)生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及發(fā)震斷裂帶上可能發(fā)生地表位錯的部位。場地的類別

我國《抗震規(guī)范》按土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度劃分為四類，其中Ⅰ類分為Ⅰ0和Ⅰ1兩個亞類。

各類建筑場地的覆蓋層厚度巖石的剪切波速或土的等效剪切波速（m/s）

場地類別

Ⅰ0

Ⅰ1ⅡⅢⅣ

＞800

0800≥

＞500

0500≥

＞250

＜5≥5250≥＞150

＜33～50

＞50≤150

＜33～1515～80

＞80剪切波速

—剪切波速的大小反應(yīng)場地土（場地范圍內(nèi)的地基土）的堅硬程度，需通過工程地質(zhì)勘查測試得到。由于地基只有單一場地土的情況很少見，多數(shù)地基土層的組成比較復(fù)雜，這時就需要根據(jù)地基土計算深度范圍內(nèi)土層的分層數(shù)、每一層的剪切波速、每一土層的厚度等因素按《抗震規(guī)范》給出的公式換算為土層的等效剪切波速。巖土的剪切波速或等效剪切波速通?？梢杂晒こ痰刭|(zhì)勘查報告中直接查用，對于丁類建筑或丙類建筑中層數(shù)不超過10層、高度不超過24m的多層建筑，當(dāng)無實測剪切波速時，可根據(jù)巖土名稱和形狀劃分土的類型，再利用當(dāng)?shù)亟?jīng)驗在教材表1-3的剪切波速范圍內(nèi)估算各土層的剪切波速。

場地覆蓋層厚度不同所產(chǎn)生的震害具有明顯的差異，一般來講，震害隨覆蓋層厚度的增加而加重。目前，國內(nèi)外對覆蓋層厚度的定義方法有所不同，我國《抗震規(guī)范》則規(guī)定按下列要求確定場地覆蓋層厚度：1．一般情況下，取地面至剪切波速大于500m/s且其下臥各層巖土的剪切波速均不小于500m/s的土層頂面的距離。2．當(dāng)?shù)孛?m以下存在剪切波速大于其上部各土層剪切波速2.5倍的土層，且該層及其下臥各層巖土的剪切波速均不小于400m/s時，可取地面至該土層頂面的距離。3．剪切波速大于500m/s的孤石、透鏡體，應(yīng)視同周圍土層。4．土層中的火山巖硬夾層，應(yīng)視為剛體，其厚度應(yīng)從覆蓋土層中扣除。1．液化的概念

地震時，飽和砂土或粉土的顆粒在強烈振動下發(fā)生相對位移，使土的顆粒結(jié)構(gòu)趨于密實，如土本身的滲透系數(shù)較小，將使孔隙水在短時間內(nèi)排泄不走而受到擠壓，使孔隙水壓力急劇上升。當(dāng)孔隙水壓力增加到與剪切面上的法向壓應(yīng)力接近或相等時，土受到的有效壓應(yīng)力（即原來由土顆粒通過其接觸點傳遞的壓應(yīng)力）下降乃至完全消失。這時，土顆粒局部或全部將處于懸浮狀態(tài)，土體的抗剪強度等于零，形成了猶如“液體”的現(xiàn)象，稱為場地土的液化。這時，液化區(qū)下部地下水向上涌，并把土顆粒帶出地面，形成噴水冒砂現(xiàn)象，嚴(yán)重時會造成地基不均勻沉陷，使建筑物不均勻下沉、傾斜，甚至翻到，類似的震害在國內(nèi)外地震中都有發(fā)生。液化土地基

2．液化的判別a．地質(zhì)年代為第四紀(jì)晚更新世（Q3）及其以前時，7、8度時可判為不液化。b．粉土的粘粒（粒徑小于0.005mm的顆粒）含量百分率，7度、8度和9度分別不小于10、13和16時，可判為不液化土。c．淺埋天然地基的建筑，當(dāng)上覆非液化土層厚度和地下水位深度滿足《抗震規(guī)范》相關(guān)條件時，可不考慮液化影響。

當(dāng)建筑物的地基存在飽和砂土或飽和粉土?xí)r，除6度外，都應(yīng)進(jìn)行液化判別。

為了減少判別場地土液化的勘察工作量，液化判別可分兩步進(jìn)行，即初步判別和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗判別。初步判別

—《抗震規(guī)范》規(guī)定：飽和砂土或粉土（不含黃土），當(dāng)符合下列條件之一時，可初步判別為不液化或可不考慮液化影響：

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗判別

—

當(dāng)初步判別認(rèn)為需要進(jìn)一步進(jìn)行液化判別時，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗方法判別地面下20m范圍內(nèi)土的液化（對于《抗震規(guī)范》規(guī)定可不進(jìn)行天然地基及基礎(chǔ)的抗震承載力驗算的各類建筑，可只判別地面下15m范圍內(nèi)土的液化）。通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，當(dāng)實測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)小于或等于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值時，應(yīng)判為液化土，否則即為不液化土。3．液化的等級

試驗和震害調(diào)查表明，在同一地震強度的作用下，可液化土層的厚度越大，埋藏越淺，土的密度越低，地下水位越高，液化對建筑物所造成的危害程度亦越大。因此，對判定為可液化的場地土，還需進(jìn)一步進(jìn)行液化危害程度的分析。

《抗震規(guī)范》規(guī)定在探明各液化土層的深度和厚度后，先按規(guī)范規(guī)定的公式計算每個鉆孔的液化指數(shù)，再按下表綜合劃分地基的液化等級。一般液化指數(shù)越大，場地的噴水冒砂情況和建筑物的液化震害就越嚴(yán)重。

液化等級與液化指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系液化指數(shù)液化等級輕微中等嚴(yán)重