工程地质课件第二章

第2章第四纪地质与土的工程地质性质1 2.1地质年代对于地质研究者来说，地质历史的主要证据是地层，地层是地质历史时期遗留下来的唯一可供研究的材料。所谓地质年代，实际上是从最老的地层到最新的地层所代表的整个时代。各地层的新、老关系在判别褶曲、断层等地层构造形态中，有着非常重要的作用。确定地层新、老关系的方法有两种，即相对年代法和绝对年代法。2 2.1.1相对年代与绝对年代1.相对年代法相对年代法是依据岩层的沉积顺序、古生物的演化规律和地层接触关系来确定其形成先后顺序的一种方法。2.绝对年代法绝对年代法是指通过确定地层形成时的准确时间，依次排列出各地层新、老关系的方法。这种方法是自20世纪30年代发现了元素的放射性后，通过测定地层中的放射性同位素年龄来确定地层形成时的准确时间。3 2.1.2地质年代表年代地层单位是以地层形成的时代作为划分依据的地层单位。同一年代地层单位具有相同的时限，并且其顶底界线是同时的。年代地层单位包括宇、界、系、统、组、时间带；地质年代单位包括宙、代、纪、世、期、时。4 2.2第四纪地质第四纪是地球发展最新阶段，它包括更新世和全新世。地球发展历史有43亿年以上，而第四纪却非常短促，约180万年左右。第四纪(Quaternary)一词是1829年法国地质学家德努尼尔(Desnyers)所创。它按当时的科学水平把地球历史分为4个时期，第四纪是地球发展最近的一个时期。1839年莱伊尔(C.Lyell)把海相地层中含无脊椎动物化石先生种类达90%和陆相地层由人类活动遗迹的沉积物划归第四纪，并把第四纪分为更新世(Pleistocene)和近代(Recent)。1869年基尔瓦斯(Gerivais)提出全新世(Holocene)一词。1881年第二届国际地质学会正式采用“第四纪”一词。由于更新世地球上发生过多次大规模冰川活动，故又有“冰河期”或“冰河更新世”之称。也有的研究者鉴于第四纪是人类的出现与发展时代，建议把第四纪称为“人类纪”。5 2.2.1第四纪地质一般特性1.第四纪气候与冰川活动第四纪气候冷暖变化频繁，气候寒冷时期冰雪覆盖面积扩大，冰川作用强烈发生，称为冰期。气候温暖时期，冰川面积缩小，称为间冰期。第四纪冰期，在晚新生代冰期中，规模最大，地球上的高、中纬度地区普遍为巨厚冰流覆盖。当时气候干燥，因而沙漠面积扩大。中国大陆在冰期时，海平面下降，渤海、东海、黄海均为陆地，台湾省与大陆相连，气候干燥、风沙盛行、黄土堆积作用强烈。第四纪冰川不仅规模大而且频繁。根据深海沉积物研究，第四纪冰川作用有20次之多，而近80万年每10万年有一次冰期和间冰期。6 2.新构造运动从新第三纪(中新世开始)以来发生的地壳运动称新构造运动，相应的时代称新构造时期。新构造运动是引起第四纪自然环境变化的一个主要因素，这一内力作用也引起一系列环境效应并影响地壳稳定性。新构造运动有水平运动(板块运动)、垂直运动、断裂运动、火山活动和地震等。新构造运动的作用积累效应造成大面积和大幅度地壳升降，可以改变部分下垫层性质，并对大气环流产生影响，对气候和环境变化有重要作用。如青藏高原由于印度板块向欧亚板块俯冲，使该区地壳从新第三纪以来加速隆升，发展成“世界屋脊”，破坏了中国西部气候的纬向分带而代之以垂直分带，称为影响中国和东亚气候与环境的重要因素。7 3.板块构造学说地球板块构造学说是20世纪地球科学中最伟大的成就之一。1912年，德国气象学家魏格纳提出了大陆漂移学说。1915年，又出版了《海陆的起源》一书，给出了大陆漂移的证据，但未能解释大陆漂移的动力学问题，因而未得到普遍接受。1928年，英国地质学家霍姆斯提出“地幔对流学说”，认为地幔对流有可能是大陆漂移的原动力。到了20世纪50～60年代，海洋地质研究，尤其是海洋钻探的开展，证实了地幔对流和海底扩张的存在，并依靠无线电测距方法测定了海底扩张和大陆漂移的速率。在此基础上，1967年出现了地球板块构造学说。8 2.2.2第四纪松散沉积物1.残积物地表岩石经受风化作用发生物理破坏和化学成分改变后，残留在原地的堆积物，称为残积物。残积物向下则逐渐变为半风化的半坚硬岩石，与新鲜岩石之间没有明显的界限，是渐变的过渡关系。2.坡积物坡积物指雨水或雪水的片流将高处的风化碎屑物冲洗，顺坡向下搬运，或由自身的重力作用，堆积在较平缓的山坡或坡脚处形成的堆积物。9 3.洪积物暴雨或冰雪消融季节，含有大量沙石高速运动的浊水流，从山地流出山口或流入主流谷地，由于河床纵剖面坡度骤降，流速锐减，又无河道约束，便分散成多股槽流；通过泛滥，槽流连接成面状洪流，两者在上述地区共同堆积的扇形堆积物称洪积物。4.冲积物冲积物是由河流的流水作用将碎屑物质搬运到河床中坡降平缓的地段堆积而成的，或是河流溢出河床的堆积物。它发育于河谷内及冲积平原中。冲积物碎屑来自上游集水区、河底及河岸基岩、谷坡上的重力堆积物、坡积物、老冲积物和冰碛物。陆地上大规模砂矿床大都产于冲积物，冲积物也是平原区地下主要含水层系和工程建筑基础。10 5.湖积物湖泊沉积物可分为湖边沉积物和湖心沉积物。湖边沉积物是湖浪冲蚀湖岸形成的碎屑物质在湖边沉积而形成的，湖边沉积物中近岸带沉积的多是粗颗粒的卵石、圆砾和砂土，远岸带沉积的则是细颗粒的砂土和黏性土。湖边沉积物具有明显的斜层理构造，近岸带土的承载力高，远岸带则差些。湖心沉积物是由河流和湖流挟带的细小悬浮颗粒到达湖心后沉积形成的，主要是黏土和淤泥，常夹有细砂、粉砂薄层，土的压缩性高，强度很低。11 6.冰碛物与冰水沉积物冰川融化，其搬运物就地堆积，未经其他外力特别是未经冰融水明显改造的沉积物，称为冰碛物。冰碛物的基本特征有：粒级范围很宽，粒度相差悬殊，巨大的石块和泥质混合在一起极不均匀，明显缺乏分选；冰碛物一般不具有层理，有时具有粗糙层理，是冰川中原生构造；冰碛物中的砾石磨圆度差，棱角分明；砾石表面常具有磨光面或冰川擦痕，砾石因长期受冰川压力作用而弯曲变形，这些都是冰碛物的主要特点。12 7.海洋沉积物根据海水深度及海底地形起伏，海洋沉积物由岸向海洋方向可分为滨海带、浅海区、陆坡区和深海区，相应的四种海相沉积物性质也各不相同。8.风积物风积物是指在干旱的气候条件下，岩石的风化碎屑物被风吹扬，搬运一段距离后，在有利的条件下堆积起来的一类土。风积物中最常见的是风成砂及风成黄土。风成砂主要由砂、粉砂及少量黏土组成，分选性好，磨圆度一般较高，具有层理和大型交错层理。风成黄土具有垂直节理，均匀无层理，孔隙大，具有湿陷性。13 2.3土的工程地质性质2.3.1土的成分与结构构造1.土的成分土是岩石的风化产物，是由碎石(保留原岩矿物成分)、砂(多是单个矿物)和次生矿物、有机物、某些化学物质组成。2.土的结构和构造土的工程地质性质不但与土的物质组成有关，而且还与它的结构构造有关。研究证明，土受力作用后，其化学矿物成分变化不大，而土的结构却经受各种变化。土的强度、变形等力学特性在很大程度上是与其结构构造有关的。14 2.3.2土的物理力学性质1.砾石类土的性质砾石类土又称卵砾土，颗粒粗大，主要由岩石碎屑或石英、长石等原生矿物组成，呈单粒结构及块石状和假斑状构造，具有孔隙大、透水性强、压缩性低、抗剪强度大的特点。但它与黏粒的含量及孔隙中充填物性质和数量有关。典型的流水沉积的砾石类土，分选较好，孔隙中充填少量砂粒，透水性最强，压缩性最低，抗剪强度最大。基岩风化碎石和山坡堆积碎石类土，分选较差，孔隙中充填大量砂粒、细小的粉土颗粒和黏土颗粒，透水性相对较弱，内摩擦角较小，抗剪强度较低，压缩性稍大。总的说来，砾石类土一般构成良好地基，但由于透水性强，常使基坑涌水量大，坝基、渠道渗漏。15 2.砂类土的性质砂类土也称砂土。一般颗粒较大，主要由石英、长石、云母等原生矿物组成。一般没有连结，呈单粒结构及伪层状构造，并有透水性强、压缩性低、压缩速度快、内摩擦角较大、抗剪强度较高等特点，但均与砂粒大小和密度有关。通常粗中砂土的上述特征明显，且一般构成良好地基，为较好的建筑材料，但可能产生涌水或渗漏。粉细砂土的工程性质相对差，特别是饱水粉、细砂土受振动后易液化。16 3.黏性土的性质黏性土中黏粒含量较多，常含亲水性较强的黏土矿物，具有水胶连结和团聚结构，有时有结晶连结，孔隙微小而多。常因含水量不同呈固态、塑态和流态等不同稠度状态，压缩速度小而压缩量大，抗剪强度主要取决于凝聚力，内摩擦角较小。黏性土的工程地质性质主要取决于其连结和密实度，即与其黏粒含量、稠度、孔隙比有关。常因黏粒含量增多，黏性土的塑性、胀缩性、透水性、压缩性和抗剪强度等有明显变化。从亚砂土到黏土，其塑性指数、胀缩量、凝聚力渐大，而渗透系数和内摩擦角则渐小。稠度影响最大，近流态和软塑态的土，有较高压缩性，较低抗剪强度；而固态或硬塑态的土，则压缩性较低，抗剪强度较高。黏性土是工程最常用的土料。17 2.3.3土的分类1.土的分类概述以松散土为对象，以服务于工程建筑为目的的分类称为土的工程分类。土的工程分类分普通分类和专门分类两种。普通分类原则上应包括工程建设中常遇到的各种土类，有些虽只针对某些松散土或某一地区的松散土，但具有通用意义的分类也属于此类。例如松散土按粒度组成、砂土按密度、黏性土按塑性指数、黄土按湿陷性的分类等。专门分类是以某一种特定的建筑工程为对象，按某一个或某几个单项指标所提出来的分类，它密切结合建筑类型，直接为某设计或解决某一具体问题服务。18 2.《土的分类标准》(GBJ145—1990)该标准是工程用土的通用分类标准。工程用土的类别应根据下列土的指标确定：土颗粒组成及其特征、土的塑性指标(液限、塑限和塑性指数)、土中有机质存在情况。3.《建筑地基基础设计规范》(GBJ7—1989)作为建筑地基的土，可分为碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土等。19 4.《岩土工程勘察规范》(GB50021—1994)1)根据堆积年代划分老堆积土——第四纪晚更新世及其以前堆积的土层，一般呈超固结状态，具有较高的结构强度。一般堆积土——第四纪全新世(文化期以前)堆积的土层。新近堆积土——第四纪文化期以来堆积的土层，一般呈欠压密状态，结构强度较低。2)根据地质成因划分土可分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、冰积土、海积土和风积土。3)根据颗粒级配和塑性指数划分土可分为碎石土、砂土、粉土、黏性土等。20 2.3.4我国主要特殊土的工程地质特征1.黄土1)黄土的特征及分布黄土是在干旱、半干旱气候条件下形成的一种特殊土，是第四纪的一种特殊的陆相疏松堆积物。2)黄土的成因黄土按生成过程及特征可划分为风积、坡积、残积、洪积、冲积等成因类型。3)黄土一般物理力学性质4)黄土的工程地质问题在黄土地区修筑铁路或构造其他工程建筑，经常遇到的工程地质问题有：黄土湿陷，黄土潜蚀和陷穴，黄土冲沟发展及黄土泥流，黄土路堑边坡的冲刷防护，边坡稳定性及边坡设计等。21 2.软土1)软土及其特征(1)软土的颜色多为灰绿、灰黑色，手摸有滑腻感，能染指，有机质含量高时，有腥臭味。(2)软土的粒度成分主要为黏粒及粉粒，黏粒含量高达60%～70%。(3)软土的矿物成分，除粉粒中的石英、长石、云母外，黏粒中的黏土矿物主要是伊利石，高岭石次之。(4)软土具有典型的海绵状或蜂窝状结构，这是造成软土孔隙比大、含水量高、透水性小、压缩性大、强度低的主要原因之一。(5)软土常具有层理构造，软土和薄层的粉砂、泥炭层等相互交替沉积、或呈透镜体相间形成性质复杂的土体。22 2)软土的成因及分布我国沿海地区、平原地带、内陆湖盆和洼地、河流两岸地区及山前谷地，广泛的分布有各种软土。3)软土的物理力学性质软土是在特定的环境中形成的，具有某些特殊的成分、结构和构造，这便决定了它某些特殊的工程地质性质。4)软土常见的工程地质问题及处理23 6.1代数稳定性判据3.膨胀土1)膨胀土的特征及分布膨胀土是一种黏性土，具有明显的膨胀、收缩特性。它的粒度成分以黏粒为主，黏粒的主要矿物是蒙脱石、伊利石，这两类矿物具有强烈的亲水性，吸收水分后强烈膨胀，失水后收缩，多次膨胀、收缩后，强度迅速衰减，导致修建在膨胀土上的工程建筑物开裂、下沉、失稳破坏。过去对这种土的性质认识不清，有许多不同的叫法，如裂隙黏土、膨胀黏土、胀缩土或超固结黏土等；也有许多以地区命名叫法，如成都黏土、合肥黏土等。经过多年的工程实践和研究，目前趋向于统一称为膨胀土。24 2)膨胀土的胀缩性指标一般来讲，黏性土都有一定的膨胀性，只是膨胀量小，没有达到危害程度。为了正确评价膨胀土的工程性质，必须测定其膨胀收缩指标。3)膨胀土的工程性质(1)强亲水性。(2)多裂隙性。(3)强度衰减性。(4)超固结性。(5)弱抗风化性。25 4)膨胀土的工程地质问题及防治措施(1)膨胀土地区的路基。(2)膨胀土地区的地基。26 4.冻土在高纬度和海拔较高的高原、高山地区，一年中有相当长一段时间气温低于零度，这时土中的水分冻结成固态的冰，这种温度低于零摄氏度并含有冰的特殊土就称为冻土。27