第五章 地下工程地质问题.
工程地质 第5章 地下水及其对工程的影响
断面1
断面2
Q O
h L
H1 H2
O’
A
5.5 地下水运动与动态
二、地下水向集水建筑物运动的计算
基坑开挖时，流入 坑内的地下水和地表水 如不及时排除，会使施 工条件恶化、造成土壁 塌方，亦会降低地基的 承载力。施工排水可分 为明排水法和人工降低 地下水位法两种。
5.5 地下水运动与动态
<4.2 4.2～8.4 8.4～16.8 16.8～25.2
>25.2
meq／L
<1.5 1.5～3.0 3.0～6.0 6.0～9.0
>9.0
mol／L
<7.5×10－4 7.5×104～1.5×108 1.5×10－3～3×10－3 3×10－3～4.5×10－3
>4.5×10－3
5.4地下水分类
1 岩土的空隙性
概念：将岩土空隙的大小、多少、形状、连通程度，以及分布 状况等性质统称为岩土的空隙性。
5.2 地下水的基本概念
1 岩土的空隙性
意义：是地下水赋存场所和运移通道，其多少、大小及其分布规 律，决定着地下水的分布与运动特点
分类：岩土空隙的成因不同
孔隙
裂隙
溶隙
5.2 地下水的基本概念
5.1 概述
1 什么叫地下水
赋存和运移于地面以下岩石空隙中的水。狭义上指赋存于地下水面以下饱和含 水层的水。
2 地下水的功能
地下水是一种宝贵的资源
不工
地下水是地球内部地质演变的信息载体
良程 地地
质质
地下水是极其重要的生态环境因子
现问 象题
地下水是一种很活跃的地质营力
5.2 地下水的基本概念
残积土及其工程地质特征
（1）河流的侵蚀作用
➢ 河流的侵蚀作用：河水冲刷河床与岸坡，使河 床降低、河岸坍塌、河谷拓宽的作用。
➢ 按其破坏方式可分为溶蚀和机械侵蚀： ✓ 溶蚀：是指河水在流动过程中溶解岩石，使之
逐渐随水流失。河流的溶蚀作用在石灰岩、白云 岩等可溶性岩类分布地区比较显著。此外，溶蚀 作用使岩石结构松散破坏，有利于机械侵蚀作用 的进行。 ✓ 机械侵蚀：可分为冲蚀和磨蚀。冲蚀为流动的 河水对河床组成物质的直接冲击，而磨蚀为夹带 的砂砾、卵石等固体物质对河床的摩擦破坏。 ➢ 河流的侵蚀作用按侵蚀方向可分为下蚀作用和 侧蚀作用。
（四）残积土及其工程地质特征
➢ 残积土是岩石风化后未被搬运而残留在原地的松散岩屑 和土形成的堆积物。
➢ 残积层向上逐渐过渡为土壤层，向下逐渐过渡为半风化 岩石的弱风化层。
➢ 土壤层、残积层和风化岩层形成完整的风化壳。
1. 分布特征
➢ 残积土的分布主要受地形控制，分布在地表岩石暴露、 风化作用强烈和地表径流速度小的分水岭地带、平缓斜 坡地带和剥蚀平原等地区。
（三）岩石风化防治措施
➢ 挖除法：当风化层较薄时，可将风化岩石全部挖除， 采用新鲜岩石作为建筑物地基；当风化层厚度较大时， 视岩层地质特性与工程建设要求，可将严重影响建筑 物稳定的岩石风化部分挖除。
➢ 胶结灌浆法：将水泥、水玻璃、沥青或粘土浆等材料 通过高压将其灌入岩石的裂隙内或喷射于表面，不仅 能起到隔绝作用，而且能提高岩石的强度和稳定性。
➢ 母岩的岩性影响残积土的粒度成分和矿物成分。残积 土与母岩之间逐渐过渡而无明显界限，其成分与母岩 成分及所受风化作用的类型有密切关系。
3. 工程地质性质
➢ 残积土的工程地质性质主要取决于矿物成分、结构和 构造等因素。
工程地质电子教案
工程地质电子教案第一章：工程地质概述1.1 地质学基本概念地质与地质学地球的圈层结构1.2 地质作用与地质年代内动力地质作用外动力地质作用地质年代的划分1.3 工程地质的重要性工程地质与工程建设工程地质研究的内容与方法第二章：地质构造2.1 岩石与岩体岩石的分类与特征岩体的结构与稳定性2.2 地质构造的基本类型褶皱构造断裂构造地震2.3 地质构造对工程的影响地形地貌对工程的影响地质构造对工程选址的影响第三章：地下水3.1 地下水的概念与特征地下水的定义地下水的类型与特征3.2 地下水动力学地下水流动的基本方程地下水水位与水压3.3 地下水对工程的影响地下水对地基的影响地下水对工程稳定的影响第四章：地质勘察与评价4.1 地质勘察方法地面地质勘察地下地质勘察4.2 地质勘察报告的编制勘察数据整理与分析勘察报告的结构与内容4.3 地质评价与风险分析地质评价方法地质风险分析与控制第五章：工程地质案例分析5.1 工程地质案例一：隧道工程隧道工程地质问题分析隧道工程地质解决方案5.2 工程地质案例二：桥梁工程桥梁工程地质问题分析桥梁工程地质解决方案5.3 工程地质案例三：水库工程水库工程地质问题分析水库工程地质解决方案工程地质电子教案第六章：土工试验与分析6.1 土工试验概述试验的目的与意义土工试验的基本方法6.2 常见土工试验颗粒分析试验密度试验抗剪强度试验6.3 土工试验结果分析试验数据的处理土的工程特性评价第七章：岩体力学7.1 岩体的力学性质岩石的强度与变形特性岩体的稳定性分析7.2 岩体力学计算方法岩体的应力分析岩体的稳定性计算7.3 岩体工程实例分析岩体工程问题案例岩体工程解决方案第八章：边坡工程8.1 边坡稳定性分析边坡稳定影响因素边坡稳定性评价方法8.2 边坡工程设计原则边坡设计的基本要求边坡加固与治理措施8.3 边坡工程实例分析边坡工程问题案例边坡工程解决方案第九章：地下工程9.1 地下工程概述地下工程的类型与特点地下工程的设计与施工9.2 地下工程地质问题分析地下工程地质风险地下工程地质解决方案9.3 地下工程实例分析地下工程问题案例地下工程解决方案第十章：环境地质与地质灾害10.1 环境地质问题土地退化与沙漠化水资源污染与地下水位变化10.2 地质灾害类型与成因滑坡与泥石流地震与火山爆发10.3 地质灾害防治措施地质灾害预警与监测地质灾害治理与修复工程地质电子教案第十一章：地震工程地质11.1 地震地质学基础地震成因与类型地震波与地震烈度11.2 地震对工程的影响地震对工程结构的影响地震引发的地表破坏11.3 地震工程地质研究方法地震危险性评价场地地震效应评价第十二章：工程地质软件与应用12.1 工程地质软件概述地质数据管理软件地质模拟与分析软件12.2 工程地质软件应用实例地质勘察数据处理地质模型构建与分析12.3 工程地质软件的发展趋势智能化与自动化云计算与大数据分析第十三章：地质环境保护与修复13.1 地质环境保护的重要性地质环境问题的成因与影响地质环境保护的目标与原则13.2 地质环境修复技术物理方法与化学方法生物修复与生态重建13.3 地质环境保护案例分析地质灾害治理与生态修复案例地质环境保护项目实施与管理第十四章：工程地质标准与规范14.1 工程地质标准概述工程地质标准的作用与意义工程地质标准的分类与体系14.2 主要工程地质规范与规程岩土工程勘察规范地质灾害防治规范14.3 工程地质标准的发展趋势标准化与国际化动态更新与完善第十五章：工程地质案例研究15.1 工程地质案例分析方法案例选择与分析框架案例研究的技术路线15.2 工程地质案例库建设案例资料的收集与管理案例数据库的设计与实现15.3 工程地质案例应用与启示案例在教学与科研中的应用案例对工程实践的指导作用重点和难点解析。
第五章岩石地下工程
设原岩垂直应力为p，水平应力为q，作用在围岩边 界，忽略围岩自重的影响，按弹性理论中的基尔西公式 计算围岩中任一点A（r,θ）的应力：
p
q
q p
q p
p q a 2 q p a 2 a 4 r2(1 r2)2(1 4 r2 3 r4)c2 os
p q a 2 qp a 4 2(1 r2)2(1 3r4)c2 os
γ——围岩重度（kN/m3）。
在矿山法施工的条件下，ⅠⅡ类围岩取Hp=2.5hq ；ⅣⅤ类围岩 取Hp=2.0hq 。
3、地下工程按用途可分为： 交通地下工程（如公路及铁路隧道、水底隧道、
地下铁道、航运隧道、人行隧道等） 水工地下工程（如引水及尾水隧洞、导流隧洞、
排沙隧洞等） 市政地下工程（如给排水隧道、人防洞室等） 矿山地下工程。
3
当θ＝0，π时， p(3)
当θ＝ 3π/2 ，π/2时， p(31)
不同的λ下，坑道周边切向应力σθ 的分布：
λ
θ=0，π θ=π/2， 3π/2
4
－p
11p
3
0
8p
2
p
5p
1
2p
2p
1/2
2.5p
0.5p
1/3
2.67p
0p
1/4
2.75p
-0.25p
不同的λ下，坑道周边切向应力σθ 的分布：
(5－1)
rq 2p(12a r2 23a r4 4)si2 n
（2）当r＝a时，即坑道周边的应力为：
r r0
(5－3)
p ( 1 2 c2 o ) q ( 1 s 2 c2 o ) s
或：
p ( 1 ) 2 ( 1 ) c 2 o (5s －4)
工程地质分析原理复习习题及答案
23、按深度可以分为：浅源地震，中源地震，深源地震。
24、地震工程地质研究内容包括：（1）地震波对建筑物的破坏作用，（2）不同工程地质场地的地震效应，（3）地震区建筑场地的选择，（4）防震抗震措施的工程地质论证，（5）为不同地区城市规划、设计提供依据。
3、影响砂土液化的因素：土性条件，埋藏条件，动荷条件。
4、砂土液化的判别方法：现场试验，室内试验，经验对比，动力分析。
5、砂土液化的机理：在动力荷载作用之前，砂骨架承担全部外力，水 承受自身的压力即静水压力，此时砂层保持稳定。 但在动力荷载引起的剪力反复作用下，砂粒改变排 列状态产生滑移，由于作用时间短暂和排水不畅，饱 和砂土体积保持不变，应力将由砂骨架转移到水，引 起超孔隙水压力。多次循环振动使残余孔隙水压力 逐渐积累，有效应力相应降低。当孔隙水压力等于 总应力时，有效应力就变为零，无粘聚力的砂土完全 丧失强度，处于没有抵抗外荷能力的悬浮状态，产生了液化。
14、中国活断层的分类特征：我国的南西、西北和华北地区地应力强度高且集中，增长速率大，有较多的活断层分布。东部以N E和NNE走向的正断层和走滑正断层为主，西部则是以NW和NWW走向的走滑和逆冲—走滑断层为主
15、论述活断层的基本性质：继承性，反复性，错动速率，错动周期。
第五章
1、地震：接近地球表面的岩层中弹性波传播所引起的震动。
（4）由水库水荷载引起。
3、简述水库诱发地震的机制？
答：水库地震的诱发机制是多因子的复杂过程,各种诱发作用既有时间先后差别,又有相互促进,互相联系。库区地质构造和水文地质条件,为库水的渗透和水库荷载的物理效能等因素发挥作用提供客观条件,水的渗透作用使岩石软化
河北工程大学 土木工程学院 工程地质 第五章_地下水
25
6. 构造裂隙水
●其发育程度既取决于岩石本身的性质，也取决于 边界条件及构造应力分布等因素。 ●分为层状构造裂隙水和脉状构造裂隙水。 ●可以是潜水，也可以是承压水 ●裂隙各有自己独立的系统：补给源、径流及排 泄条件，水位不一致。 ●渗透性常常显示各向异性。 26
5
3.
重力水-----受重力控制的地下水
当岩石、土层的空隙完全被水饱和时，粘 土颗粒之间除结合水以外的水都是重力水，它 不受静电引力的影响，而在重力作用下运动， 可传递静水压力。
重力水的工程意义：
静水压力 动水压力 浮托力 溶解能力--岩土产生化学潜蚀
6
☆ 含水层：能够给出并透过相当数量 重力水的岩层或土层，称为含水层。 ☆ 隔水层：是指那些不能给出并透过 水的岩层、土层，或者这些岩土层给出与透 过水的数量是微不足道的。 ☆构成含水层的条件： 1.岩土中要有空隙存在，并充满足够数 量的重力水； 2.这些重力水能够在岩土空隙中自由运 动。
36
▲矿化度：地下水中所含各种离子、分子 与化合物的总量称为矿化度，以g/L表示。 习惯上用105～110℃温度将地下水样品蒸 干后所得的干涸残余物总量来表示矿化度。 可以将分析所得阴阳离子含量相加，求得 理论干涸残余物总量。
注意: 由于在蒸干时有将近一半的HCO3-了分解生 成CO，及H2O而逸失。所以，阴阳离子相加时， HCO3 只取重量的50％。
31
32
自流水泉（上升泉）：主要靠承压水补给， 动态稳定，年变化不大，主要分布在自流盆地 及自流斜地的排泄区和构造断裂带上。
33
§5.3 地下水的性质
一、地下水的物理性质 地下水的物理性质有：温度、颜色、透明 度、气味、味道、导电性及放射性。 地下水物理性质的研究，使我们能初步了 解地下水的形成环境、污染情况及化学成分， 这为利用地下水提供了依据。
工程地质学第五章-地下水
• • •
• Darcy定律适合于层流（砂土）。
5.2 地下水类型及其主要特性
地下水按埋藏条件可分为三大类：即包气带
水、潜水、承压水；
根据含水层的空隙性质地下水可分为孔隙水、 裂隙水、岩溶水。 通过这两种分类的组合，可得九类不同特点 的地下水。见教材p124。
裂隙水
孔隙水
含水层
承压水井 自流水井 潜水井 承压水位 潜 水 位
6、 地下水的循环：补给、排泄
上层滞水循环：大气降水补给，垂直蒸发、下渗排泄。 潜水补给： 大气降水，地表水的补给，含水层之间的补给①越流 补给②直接补给，凝结水，人工补给。 潜水排泄：蒸发，泉的排泄，地表水排泄，人为排泄。 承压水补给：大气降水，地表水，潜水。 承压水排泄：潜水排泄，泉的排泄，地表水排泄。
承压水面上高程相等点的连线图
用途：流向，水力坡度，初见水位，水位埋深，水头
5.3 地下水的性质
一、地下水的物理性质
1、温度：主要受气候条件和地热控制
由于地下水形成的环境不同，其温度变化范围很大； 常随埋藏深度不同而异，埋藏越深、水温越高。 纯净的地下水是无色的，当含有某些化学成分或悬浮物质时， 2、颜色： 会带有一定颜色。 纯净的地下水是透明的，但含有有机质、矿物质及胶体时， 3、透明度： 地下水将变得浑浊不清。 地下水一般是无嗅无味的，当含有气体或有机质时，会具有特殊 4、气味：
特点：空间分布极不均匀，动态变化强 烈，流动迅速，排泄集中。
在土木工程建筑地基内有岩溶水活 动，不但在施工中会有突然涌水的事故 发生，而且对建筑物的稳定性也有很大 影响。因此，在建筑场地和地基选择时 应进行工程地质勘察，针对岩溶水的情 况，用排除、截源、改道等方法处理， 如挖排水、截水沟，筑挡水坝，开凿输 水隧洞改道等等。
工程地质学-第五章
第五章地下水埋藏在地表以下土层及岩石空隙(包括孔隙、裂隙和空洞等)中的水称为地下(ground water)。
储存在岩土空隙中的地下水有气态、液态和固态三种，但以液态为主。
当水量少时，水分子受静电引力作用被吸附在碎屑颗粒和岩石的表面成为吸着水；薄层状吸着水的厚度超过几百个水分子直径时，则为薄膜水。
吸着水和薄膜水因受静电引力作用，不能自由移动。
当水将岩土空隙填满时，如果空隙较小，则水受表面张力作用，可沿空隙上升形成毛细水；如果空隙较大，水的重力大于表面张力，则水受重力的支配从高处向下渗流，形成重力水。
重力水是地下水存在最主要的方式。
第一节概述岩土按其透水性的强弱分为透水的、半透水的和不透水的三类。
透水的(有时包括半透水的)岩土层称为透水层；不透水的岩土层称为隔水层；能够给出或透过相当数量水的岩层称为含水层。
第二节地下水的物理性质和化学成分一、地下水的物理性质地下水的物理性质包括温度、颜色、透明度、气味、味道和导电性等。
1.温度地下水的温度变化范围很大。
地下水温度的差异，主要受各地区的地温条件所控制。
通常随埋藏深度不同而异，埋藏越深，水温越高。
2.颜色地下水的颜色决定于化学成分及悬浮物。
地下水一般是无色、透明的，但当水中含有某些有色离子或含有较多的悬浮物质时，便会带有各种颜色显得混浊。
3.透明度地下水多半是透明的，当水中含有矿物质、机械混合物、有机质及胶体时，地下水的透明度就会改变。
4.气昧地下水一般是无臭、无味的，但当水中含有硫化氢气体时，水便有臭鸡蛋味。
5.味道地下水的味道主要取决于地下水的化学成分。
含NaCl 的水有咸味；含CaCO 3，的水清凉爽口；含Ca(OH)2和Mg(HCO 3)2的水有甜味，俗称甜水；当MgCl 2和MgSO 4存在时，地下水有苦味。
6.导电性地下水的导电性取决于所含电解质的数量与性质(即各种离子的含量与离子价)，离子含量越多，离子价越高，则水的导电性越好。
二、地下水的主要化学成分1.主要离子及化合物地下水中分布最广、含量最多的离子是钠离子(Na +)、钾离子(K +)、镁离子(Mg 2+)、钙离子(Ca 2+)、氯离子(Cl -)、硫酸根离子(-24SO )、重碳酸根离子(-3HCO )六种，气体有二氧化碳(CO 2)，化合物有氧化铁(Fe 2O 3)等。
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10
第一节 地下洞室变形及破坏的基本类型
主要内容
一、围岩应力引起的变形与破坏 二、围岩构造控制的变形与破坏 三、松散围岩的变形与破坏
11
一、围岩应力引起的变形与破坏
围岩：地下洞室挖开后，洞室周围地应力变化 范围内的岩体。一般在地下洞室横剖面最大尺寸 的 3-5 倍范围内。
围岩应力的变化将引起围岩变形与破坏。
工程地质
Geology in Engineering
1
第五章 地下工程地质问题
概述 第一节 地下洞室变形及破坏的基本类型 第二节 地下洞室特殊地质问题 第三节 围岩分级及其应用
2
地下工程：
是指建筑 在地面以下及 山体内部的各 类建(构)筑物， 也称为地下硐 室，如地下工 厂、地下车库、 地下商店、仓 库等。
7
结构体形状、大小、产状和所处位置不同， 其工程稳定性大不一样。
8
（四）岩体结构及类型 岩体结构 ----- 岩体中结构面和结构体
的组合关系 岩体结构类型 ----- 岩体中结构面和
结构体的组合类型
表 5-1
9
二、地应力
岩体中的地应力场是各种不同成因、不同时期应 力场叠加综合的结果。
构造应力和自重应力是地应力中最主要和经常起 作用的因素。
3
概述
主要内容
一、岩体及岩体结构的概念 二、地应力（一）岩 体
岩体具有不连续性、非均质性和各向异 性的特点。
5
（二）结构面
1. 原生结构面 2. 构造结构面 3. 次生结构面
6
（三）结构体
结构体类型
(a)方柱（块）体； (b)菱形柱体；(c）三棱柱体 ；(d)楔形体；(e)锥形体;(f)板状体;(g)多角柱体;(h)菱形块体
一、围岩分级 （一）围岩质量分级 （二）N.Barton 岩体分类 （三）铁路隧道围岩分级
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二、围岩稳定性分析方法 （一）围岩分级评价法
（二）解析法 1.连续介质力学分析方法 2.极限平衡分析方法
（三）图解分析法 （四）模型、模拟试验法
28
29
30
Q
1000
F T
A
20
（三）地下水动力学法
（1）
Q
B
K
H
2 h02 2R
（2）
Q
B
K
M
(2H 2R
M
)h02
21
二、腐 蚀
（一）腐蚀类型 （二）腐蚀标准 （三）腐蚀严重程度 1.无腐蚀 2.弱腐蚀 3.中等腐蚀 4.强腐蚀 （四）腐蚀易发生地区
22
三、地 温
地热增温率 G 约为：
1°/ 33 m 洞室埋深处的温度估算：
T = T0 +（H-h）G
23
四、瓦 斯
瓦斯( gas ):地下洞室有害气体的总称，
其中以甲烷（CH4）为主。
甲烷 为空气重量的 0.55 倍，常聚积在
洞室的顶部。
24
五、岩 爆
25
第三节 围岩分级及其应用
主要内容
一、围岩分级 二、围岩稳定性分析方法
26
12
（一）围岩应力的变化规律
卸荷回弹： 洞室周边围岩应力差异最大，变形 与破坏首先从洞室周边开始。
13
（二）围岩应力引起的变形与破坏类型 1.张裂塌落 2.劈裂剥落
14
3.碎裂松动 4.弯折内鼓
15
5.岩 爆 6.塑性挤出 7.膨胀内鼓
16
二、围岩构造控制的变形与破坏
在构造控制下以沿 结构面（断裂面）剪 切滑移为主。
17
三、松散围岩的变形与破坏
1.重力坍塌 2.塑流涌出
18
第二节 地下洞室特殊地质问题
主要内容
一、洞室涌水 二、腐 蚀 三、地 温 四、瓦 斯 五、岩 爆
19
一、洞室涌水
（一）相似比拟法 1.由实测导坑涌水量推算
Q
F F0
S S0
Q0
2.由已开挖地段涌水量推算
Q
L L0
Q0
（二）水均衡法