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教材體系與試題比重

第一章　工程地質

一、知識結構

二、考綱要求

巖體的特征；

地下水的類型與特征；

常見工程地質問題及其處理方法；

工程地質對工程建設的影響。

 

二、考頻統計

第一節　巖體的特征

工程巖體有地基巖體、邊坡巖體和地下洞室圍巖三類。在工程施工和使用過程中，工程巖體的穩定性直接影響部分工程甚至整個工程的安全與穩定，決定工程的成功與失敗，應高度重視。

（一）巖體的構成

1.巖石

（1）巖石的主要礦物——物理性質是鑒別礦物的主要依據。

1）顏色——礦物最明顯、最直觀的物理性質。根據成色原因，可分為自色（具有鑒定意義）、他色。

2）光澤——礦物表面的反光能力，用類比方法常分為四個等級：金屬光澤、半金屬光澤、金剛光澤及玻璃光澤。

3）硬度——礦物抵抗外力刻劃、壓人或研磨等機械作用的能力。一般分為10個標準等級：

 

（2）巖石成因類型及其特征

1）巖漿巖（火成巖）——巖漿通過地殼運動，沿地殼薄弱地帶上升冷卻凝結后形成的巖石。

根據形成條件——侵入巖、噴出巖

 

根據形成深度，侵入巖又分為：

深成巖——深度大于5km——大型侵入體，巖性一般較單一，以中、粗粒結構為主，致密堅硬，孔隙率小，透水性弱，抗水性強，故其常被選為理想的建筑基礎——花崗巖、正長巖、閃長巖、輝長巖

淺成巖——深度小于5km——顆粒細小，巖石強度高，不易風化，巖性不均一，節理裂隙發育，巖石破碎，風化蝕變嚴重，透水性增大——花崗斑巖、閃長玢巖、輝綠巖、脈巖。

噴出巖——產狀不規則，厚度變化大，巖性很不均一，比侵入巖強度低，透水性強，抗風能力差——流紋巖、粗面巖、安山巖、玄武巖、火山碎屑巖。

2）沉積巖

沉積巖是在地殼表層常溫常壓條件下，由風化產物、有機物質和某些火山作用產生的物質，經風化、搬運、沉積和成巖等一系列地質作用而形成的層狀巖石。如碎屑巖（如礫巖、砂巖、粉砂巖）、黏土巖（如泥巖、頁巖）、化學巖及生物化學巖類（如石灰巖、白云巖、泥灰巖）等。

2、土

（1）土的組成——顆粒（固相）、水溶液（液相）和氣（氣相）所組成的三相體系。

（2）土的結構和構造。

①單粒結構（散粒結構）——碎石（卵石）、礫石類土和砂土等無黏性土的基本結構形式，其對土的工程性質影響主要在于其松密程度。

3）變質巖

變質巖是地殼中原有的巖漿巖或沉積巖，由于地殼運動和巖漿活動等造成物理化學環境的改變，使原來巖石的成分、結構和構造發生一系列變化所形成的新的巖石。如大理巖、石英巖等。

②集合體結構（團聚結構或絮凝結構）——黏性土所特有。黏性土組成顆粒細小，表面能大，顆粒帶電，沉積過程中粒間引力大于重力，并形成結合水膜連接，使之在水中不能以單個顆粒沉積下來，而是凝聚成較復雜的集合體進行沉積。

（3）土的分類。

①有機含量——無機土、有機質土、泥炭質土和泥炭

②顆粒級配和塑性指數——

碎石土：粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土

砂   土：粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%，且粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土；

 

黏性土：塑性指數大于10的土。黏性土分為粉質黏土和黏土；

粉   土——粒徑大于0.075的顆粒不超過全重50%，且塑性指數小于或等于10的土。

③地質成因——殘積土、坡積土、洪積土、沖擊土、淤積土、冰積土和風積土等。

④顆粒大小及含量——巨粒土、粗粒土、細粒土等

3.結構面——結構面的特征是影響結構面強度及其他性能的重要因素

l   結構面的產狀的定義——層面、節理、裂隙、裂縫、斷層等結構面的空間位置。（層面的產狀還代表所在巖層的產狀,即表示所在巖層的空間位）

l   結構面的產狀的表示——由走向、傾向和傾角三個要素表示（改）

圖1.1.2 產狀要素

ab—走向;cd—傾向;α—傾角

節理組數的多少決定了巖石的塊體大小及巖體的結構類型

結構面發育程度等級分類表

4.地質構造

(1)水平構造和單斜構造

 水平構造是指未經構造變動的沉積巖層，形成時的原始產狀是水平的，先沉積的老巖層在下，后沉積的新巖層在上。

單斜構造是指原來水平的巖層，在受到地殼運動的影響后產狀發生變動，巖層向同一個方向傾斜。

(2)褶皺構造

褶皺構造是組成地殼的巖層受構造力的強烈作用，使巖層形成一系列波狀彎曲而未喪失其連續性的構造，它是巖層產生的塑性變形。

絕大多數褶皺是在水平擠壓力作用下形成的，但也有少數是在垂直力或力偶作用下形成的。

褶皺在層狀巖層中最明顯，在塊狀巖體中則很難見到。

 

在褶皺比較強烈的地區，一般都是線形的背斜與向斜相問排列，以大體一致的走向平行延伸，有規律的組成不同形式的褶皺構造。工程在褶曲的翼部遇到的基本上是單斜構造，傾斜巖層對建筑物的地基，一般沒有特殊不良的影響，要注意的是，傾斜巖層的產狀與路線或隧道軸線走向的關系問題，對于以下兩種情況，則需要根據具體情況作具體的分析。（改）

1）對于深路塹和高邊坡來說，,僅就巖層產狀與路線走向的關系而言，當路線垂直巖層走向或路線與巖層走向平行但巖層傾向與邊坡傾向相反時，對路基邊坡的穩定性是有利的。不利的情況是路線走向與巖層的走向平行，邊坡與巖層的傾向一致，尤其是邊坡的傾角大于巖層的傾角最為不利。

2）對于隧道工程來說，在褶曲構造的軸部，巖層傾向發生顯著變化，應力作用最集中，容易遇到工程地質問題。例如，由于巖層破碎而產生的巖體穩定問題和向斜軸部地下水的問題。一般選線從褶曲的翼部通過是比較有利的。

(3)斷裂構造

斷裂構造是構成地殼的巖體受力作用發生變形，使巖體的連續性和完整性遭到破壞，根據巖體斷裂后兩側巖塊相對位移的情況，將其分為裂隙和斷層兩類。

裂隙（節理）——是存在于巖體中的裂縫，是巖體受力斷裂后兩側巖塊沒有顯著位移的小型斷裂構造。裂隙率越大，表示巖石中的裂隙越發育。根據裂隙的成因。將其分為構造裂隙和非構造裂隙兩類。

巖體中的裂隙，在工程上除有利于開挖外

破壞整體性，促進風化速度，增強透水性，進而使巖體的強度和穩定性降低。

裂隙主要發育方向與路線走向平行，傾向與邊坡一致時，路塹邊坡都容易發生崩塌等不穩定現象。

在路基施工中，如果巖體存在裂隙，還會影響爆破作業的效果。

斷層——巖體受力作用斷裂后，兩側巖塊沿斷裂麗發生顯著相對位移的斷裂構造。

斷層要素——斷層面和破碎帶、斷層線、斷盤、斷距

斷層類型——正斷層、逆斷層、平推斷層。

斷層對工程建設的影響

公路工程路線布局，應盡量避開大的斷層破碎帶。

當隧道軸線與斷層走向平行時，應盡量避免與斷層破碎帶接觸。

（二）巖體結構特征

1.結構體特征

平緩產狀的層狀巖體中，常將巖體切割成方塊體、三角形柱體等。在陡立的巖層地區，往往形成塊體、錐形體和各種柱體。

2.巖體結構類型——整體塊狀結構、層狀結構、碎裂結構和散體結構。

（1）整體塊狀結構。結構面稀疏、延展性差、結構體塊度大且常為硬質巖石，整體強度高，變形特征接近于各向同性的均質彈性體，變形模量、承載能力與抗滑能力均較高，抗風化能力一般也較強。因而，這類巖體具有良好的工程地質性質，往往是較理想的各類工程建筑地基、邊坡巖體及洞室圍巖。

（2）層狀結構。作為工程建筑地基時，其變形模量和承載能力一般均滿足要求。但當結構面結合力不強，有時又有層間錯動面或軟弱夾層存在，則其強度和變形特性均具有各向異性特點，一般沿層面方向的抗剪強度明顯比垂直層面方向的更低，這類巖體作為邊坡巖體時，結構面傾向坡外比傾向坡里的工程地質性質差得多。

（3）碎裂結構。層狀碎裂結構和碎裂結構巖體變形模量、承載能力均不高，工程地質性質較差。

（4）散體結構。巖體節理、裂隙很發育，巖體十分破碎，巖石手捏即碎，屬于碎石土類，可按碎石土類考慮。

 

知識點二、巖體力學特征

（一）巖體的變形特征——巖體的變形通常包括結構面變形和結構體變形。就大多數巖體而言，一般建筑物的荷載遠達不到巖體的極限強度值。因此，設計人員所關心的主要是巖體的變形特性——巖體變形參數是由變形模量或彈性模量來反映的。

巖體的流變特征——巖石和巖體均具有流變性。特別是軟弱巖石、軟弱夾層、碎裂及散體結構巖體，其變形的時間效應明顯，蠕變特征顯著。有些工程建筑的失事，往往不是因為荷載過高，而是在應力較低的情況下巖體產生了蠕變。

（二）巖體的強度特征——一般情況下，巖體的強度既不等于巖塊巖石的強度，也不等于結構面的強度，而是二者共同影響表現出來的強度。但在某些情況下，可以用巖石或結構面的強度來代替。如當巖體中結構面不發育，呈完整結構時，可以巖石的強度代替巖體強度；如果巖體沿某一結構面產生整體滑動時，則巖體強度完全受結構面強度控制。

 

 

知識點三、巖體的工程地質性質

（一）巖石的工程地質性質

1.巖石的物理力學性質

（1）巖石的主要物理性質

1）巖石的重量——是巖石最基本的物理性質之一，一般用比重和重度兩個指標表示。

巖石的比重——巖石固體（不包括孔隙）部分單位體積的重量。巖石的比重決定于組成巖石的礦物的比重及其在巖石中的相對含量。

巖石的重度（容重）——巖石單位體積的重量，在數值上等于巖石試件的總重量（包括孔隙中的水重）與其總體積（包括孔隙體積）之比——決定于巖石中礦物的比重、巖石的孔隙性及其含水情況。——干重度、飽和重度。

注：組成巖石的礦物比重大，或巖石的孔隙性小，則巖石的重度就大。在相同條件下的同一種巖石，重度大就說明巖石的結構致密、孔隙性小，巖石的強度和穩定性也較高。

 

2）孔隙性——用孔隙度表示，反映巖石中各種孔隙的發育程度。在數值上等于巖石中各種孔隙的總體積與巖石總體積的比，以百分數計。

孔隙性對巖石的強度和穩定性產生重要的影響。

巖石孔隙度的大小，主要取決于巖石的結構和構造，同時也受外力因素的影響。

未受風化或構造作用的侵入巖和某些變質巖，其孔隙度一般是很小的，而礫巖、砂巖等一些沉積巖類的巖石，則經常具有較大的孔隙度。

 

3）吸水性——一般用吸水率表示，反映巖石在一定條件下（在通常大氣壓下）的吸水能力。在數值上等于巖石的吸水重量與同體積干燥巖石重量的比，也可以百分數計。

巖石的吸水率與巖石孔隙度的大小、孔隙張開程度等因素有關。

巖石的吸水率大，則水對巖石顆粒間結合物的浸潤、軟化作用就強，巖石強度和穩定性受水作用的影響也就越大。

4）軟化性——指巖石受水作用后，強度和穩定性發生變化的性質，主要取決于巖石的礦物成分、結構和構造特征。黏土礦物含量高、孔隙度大、吸水率高的巖石，與水作用容易軟化而喪失其強度和穩定性。

軟化系數作為巖石軟化性的指標，在數值上等于巖石飽和狀態下的極限抗壓強度與風干狀態下極限抗壓強度的比。

其值越小，表示巖石的強度和穩定性受水作用的影響越大。

未受風化作用的巖漿巖和某些變質巖，軟化系數大都接近于1，是弱軟化的巖石，其抗水、抗風化和抗凍性強。

軟化系數小于0.75的巖石，是軟化性較強的巖石，工程性質比較差。

5）抗凍性——巖石抵抗冰脹作用的能力。在高寒冰凍地區，抗凍性是評價巖石工程性質的一個重要指標。

巖石的抗凍性，有不同的表示方法，一般用巖石在抗凍試驗前后抗壓強度的降低率表示。

抗壓強度降低率小于25%的巖石，認為是抗凍的；大于25%的巖石，認為是非抗凍的。

 

（2）巖石主要力學性質

1）巖石的變形

巖石受力作用會產生變形，在彈性變形范圍內用彈性模量和泊桑比兩個指標表示。

彈性模量是應力與應變之比，以“帕斯卡”為單位，用符號pa表示。相同受力條件下，巖石的彈性模量越大，變形越小。即彈性模量越大，巖石抵抗變形的能力越強。

泊桑比是橫向應變與縱向應變的比。泊桑比越大，表示巖石受力作用后的橫向變形越大。

巖石并不是理想的彈性體，巖石變形特性的物理量也不是一個常數。通常所提供的彈性模量和泊松比，只是在一定條件下的平均值。

 

2）巖石的強度

抗壓強度——巖石在單向壓力作用下抵抗壓碎破壞的能力，是巖石最基本最常用的力學指標。

抗壓強度主要與巖石的結構、構造、風化程度和含水情況等有關，也受巖石的礦物成分和生成條件的影響。

抗拉強度——巖石單向拉伸破壞時的最大張應力

巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度。

抗剪強度——巖石受剪破壞時的極限剪應力。

抗剪斷強度——在一定壓應力下巖石剪斷時，剪破面上的最大剪應力，其值一般都比較高。

抗剪強度是沿巖石裂隙或軟弱面等發生剪切滑動時的指標，其強度遠遠低于抗剪斷強度。

注：巖石的抗壓強度最高，抗剪強度居中，抗拉強度最小。抗剪強度約為抗壓強度的10%～40%，抗拉強度僅是抗壓強度的2%～16%。巖石越堅硬，其值相差越大，軟弱巖石的差別較小。

巖石的抗壓強度和抗剪強度，是評價巖石（巖體）穩定性的主要指標，是對巖石（巖體）的穩定性進行定量分析的依據之一。

2.巖石的分級

由松軟至堅實共分為16級。前四級是土。

（二）土的工程性質

1.土的物理力學性質

（1）土的孔隙比和含水量

土的飽和度——土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比，飽和度sr越大，表明土孔隙中充水愈多。sr<50%是稍濕狀態，sr在50%～80%之間是很濕狀態，sr>80%是飽水狀態。

土的孔隙比——土中孔隙體積與土粒體積之比，反映天然土層的密實程度，一般孔隙比小于0.6的是密實的低壓縮性土，大于1.0的土是疏松的高壓縮性土。

無黏性土——碎石土和砂土——緊密狀態是判定其工程性質的重要指標。

黏性土——顆粒小于粉砂的——工程性質受含水量的影響特別大。

稠度——黏性土因含水量變化而表現出的各種不同物理狀態

黏性土的界限含水量——縮限、塑限和液限。

塑性指數——液限和塑限的差值——表示黏性土處在可塑狀態的含水量變化范圍。塑性指數愈大，可塑性就愈強。

液限指數——黏性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數之比——液限指數愈大，土質愈軟。

（2）土的力學性質

土的壓縮性——土在壓力作用下體積縮小的特性。

土的抗剪強度——在土的自重或外荷載作用下，土體中某一個曲面上產生的剪應力值達到了土對剪切破壞的極限抗力時，土體就會沿著該曲面發生相對滑移而失穩。土對剪切破壞的極限抗力稱為土的抗剪強度。

2.特殊土的工程性質

（1）軟土（淤泥及淤泥質土）——具有高含水量、高孔隙性、低滲透性、高壓縮性、低抗剪強度、較顯著的觸變性和蠕變性等特性。

（2）濕陷性黃土——在天然含水量時一般呈堅硬或硬塑狀態，具有較高的強度和低的或中等偏低的壓縮性，但遇水浸濕后，強度迅速降低，有的即使在其自重作用下也會發生劇烈的沉陷（自重濕陷性黃土）。

（3）紅黏土——通常呈現較高的強度和較低的壓縮性，不具有濕陷性。由于塑限很高，所以盡管天然含水量高，一般仍處于堅硬或硬可塑狀態，甚至飽水的紅黏土也是堅硬狀態的。（改）

（4）膨脹土——含有大量的強親水性黏土礦物成分，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮，且脹縮變形往復可逆。

（5）填土——分為素填土、雜填土、沖填土。

素填土是由碎石、砂土、粉土或黏性土等一種或幾種材料組成的填土。一般密實度較差，但若堆積時間較長，由于土的自重壓密作用，也能達到一定密實度。素填土地基具有不均勻性，防止建筑物不均勻沉降是填土地基的關鍵；

雜填土是含有大量雜物的填土。以生活垃圾和腐蝕性及易變性工業廢料為主要成分的雜填土，一般不宜作為建筑物地基。主要以建筑垃圾或一般工業廢料組成的雜填土，采用適當的措施進行處理后可作為一般建筑物地基。在利用雜填土作為地基時，應注意其不均勻性、工程性質隨堆填時間而變化、含腐殖質及水化物等問題

沖填土——由水力沖填泥砂形成的沉積土。沖填土的含水量大，透水性較弱，排水固結差，一般呈軟塑或流塑狀態，比同類自然沉積飽和土的強度低、壓縮性高。

（三）結構面的工程地質性質

結構面的規模是結構面影響工程建設的重要性質。結構面分為ⅰ～ⅴ級。

ⅰ級控制工程建設地區的穩定性，直接影響工程巖體穩定性。

ⅱ級指延伸長而寬度不大的區域性地質界面。

ⅲ級指長度數十米至數百米的斷層、區域性節理、延伸較好的層面及層間錯動等。

ⅳ結構面主要控制著巖體的結構、完整性和物理力學性質。

ⅴ級控制巖塊的力學性質。

ⅱ、ⅲ級結構面往往是對工程巖體力學和對巖體破壞方式有控制意義的邊界條件。

（四）地震的震級和烈度

1.地震震源震源——深部巖石破裂產生地殼震動的發源地。

震中——震源在地面上的垂直投影

地震波首先傳達到震中，

震中區受破壞最大，

距震中越遠破壞程度

越小。

2.地震震級

地震是依據所釋放出來的能量多少來劃分震級的。釋放出來的能量越多，震級就越大。

中國科學院將地震震級分為五級：微震、輕震、強震、烈震和大災震。

目前國際通用的李希特—古登堡震級是以距震中100km的標準地震儀所記錄的最大振幅的μm的對數表示。如記錄的最大振幅是10mm，即10000μm，取其對數等于4，則為4級地震。

3.地震烈度——指某一地區的地面和建筑物遭受一次地震破壞的程度。

基本烈度——一個地區的最大地震烈度

建筑場地烈度（小區域烈度）——建筑場地內因地質條件、地貌地形條件和水文地質條件的不同而引起的相對基本烈度有所降低或提高的烈度（一般降低或提高半度至一度）。

設計烈度——抗震設計所采用的烈度，是根據建筑物的重要性、永久性、抗震性以及工程的經濟性等條件對基本烈度的調整。

4.震級與烈度的關系

一次地震只有一個震級，但震中周圍地區的破壞程度，隨距震中距離的加大而逐漸減小，形成多個不同的地震烈度區，它們由大到小依次分布。但因地質條件的差異，也可能出現偏大或偏小的烈度異常區。