工程地质学课件

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第一节 风化作用及残积土
风化作用(weathering)：在地表条件下，自然界的
岩石受大气、水、生物等因素影响，在原地发生机械崩 解或化学分解，形成松散堆积物的过程。
风化类型：
物理风化 化学风化 生物风化
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物理风化 (physical weathering)
• 温差风化
球状风化图解
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摄于三峡工程工区
1. 作为建筑物的地基；
2. 作为建筑材料；
3. 作为建筑物周围的介质环境；
图 3-1 地基、基础和上部结构示意图 B-基础宽度；D-基础砌置深度
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第一节 风化作用及残积土
地表岩石破坏
搬运
沉积
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土的成因类型
残积土 （Qel） 坡积土 （Qdl） 洪积土 （Qpl） 冲积土 （Qal） 湖积土 （Ql） 海积土 （Qm） 冰积土 （Qgl） 风积土 （Qeol）
地貌上称坡积裙。
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坡积土的工程性质：
结构疏松，一般具较高的压缩性。坡积形成的 黄土湿陷性较大。
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洪积土(proluvium):
由暴雨形成的 暂时性山洪急流带来 的碎屑物质在山沟出 口处堆积而成。
地貌上称洪积扇。
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新疆天山脚下洪积扇
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洪积土的工程性质：
分选性较好，离山前较近的 洪积土颗粒粗，地下水位埋藏深， 具有较高的承载力，压缩性低， 是工民建的良好地基。
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湖南某高架灌渠支墩因膨胀土地基而倾斜
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红黏土(laterite)：
由碳酸盐类岩石 在湿热气候条件下， 经强烈风化作用而形 成的高塑性黏土。
分布:
云贵高原、四川东 部、广西、粤北及鄂西、 湘西。低山丘陵地带顶 部和山间盆地、缓坡及 坡脚地段。
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特征：
1) 呈褐红色,富含铁铝氧化物，黏粒含量很高， 具有高度分散性，颗粒细而均匀，黏土矿物以 高岭石为主；
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• 冰劈作用
• 盐类结晶胀裂作用 物理风化的结果 —— 破坏岩石的完整性
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化学风化 (chemical weathering)
溶解作用：可溶性岩石被水溶解。 水化作用：水分子进入吸水矿物的结晶格架中。 水解作用：矿物与水作用后形成氢氧化物。硅
酸盐矿物主要通过此方式破坏。 碳酸化作用：水中含有co2时使水解作用加剧。 氧化作用：低价化合物变为高价。 化学风化的结果 ——
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风化分带的意义：
1.根据岩石风化的深度及其分布情况，选择适 于修建建筑物的地点；
2.确定重大建筑物的地基中需要挖除的岩土风 化层的厚度；
3.根据岩石风化速度确定合理的边坡坡度，以 及确定基坑、路堑保持开敞状态的安全期限；
4.确定防止岩石风化的措施。
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岩石风化的治理方法:
1.挖除 2.防治: 1)覆盖防止风化营力入侵的材料(黏土、水泥、沥 青材料); 2)灌注胶结和防水的材料; 3)整平地区,加强排水; 4)预留基坑高程,分段开挖,快速回填。
洪积层外围的细碎屑沉积地段， 在沉积过程中受到周期性的干燥， 粘土颗粒凝聚并析出可溶岩时， 则洪积层结构较牢固承载力比较 高。上述两地段之间过度地带， 由于经常有地下水溢出，土质弱， 承载力低，作为建筑物地基时应 慎重对待。
山前洪积扇剖面图
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河流侵蚀作用方式：以机械磨蚀为主， 化学蚀为辅。
河流侵蚀作用方向： 下蚀
古河床相土的压缩性低， 强度高。
现代河床堆积物的密实度 差，透水性强，若作为水工建 筑物的地基将引起坝下渗漏。 饱水砂土还可能由于振动而引 起液化。
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河漫滩相冲积土：
是在洪水期河水漫溢 河床两侧，携带碎屑物质 堆积而成。土粒较细，可 以是粉土、粉质黏土或黏 土，并夹有淤泥或泥炭等 软弱土层，覆盖于河床相 冲积土之上，形成上细下 粗的“二元结构”。
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第二节 暂时性水流的地质作用及沉积土
地表流水有片流、洪流和河流三种方式。 (1)在地面汇合成网状薄水层顺自然坡均匀流动
的水流称片流。 (2)由暴雨或融雪形成的暂时性山洪急流称洪流。 (3)在固定沟谷中长年流动的水流称河流。
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坡积土(diluvium)：
片流将山坡高处的 风化碎屑物顺坡冲洗， 堆积在较平缓的山坡脚 处而形成。
2) 土层中常有石芽、溶洞或土洞分布其间； 3) 地表裂隙发育； 4) 沿深度含水量增大，土质由硬变软； 5) 在水平方向上厚度变化较大，造成地基不均匀
性。
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工程特性：
1. 高含水量、高塑性，硬塑或可塑状态。 2. 孔隙比大、低密度、孔隙饱水。 3. 压缩性低、强度高、地基承载力高。 4. 浸水后膨胀量小，但失水后收缩剧烈。
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淤泥类黏土( mucky soil)：
是在静水或水流缓慢的环 境中沉积，并有微生物的参 与，含有较多有机质的疏松 软弱黏性土。 分布:
沿海地区滨海相、泻湖相、 三角洲相；
内陆平原或山区的湖相和 冲积洪积沼泽相。
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分类： 孔隙比e >1.5时,称淤泥; 1.5>e>1.0 时,称淤泥质土;
5%<有机质含量<10%时,称有机质土; 10%<有机质含量<60%时,称泥炭质土; 有机质含量>60%时,称泥炭。
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红黏土地基评价：
• 红黏土的表层，为良好地基。可充分利用其作为天然地基 持力层，基础宜尽量浅埋。
• 红黏土的底层，接近下卧基岩面附近，尤其在基岩面低洼 处，因地下水积聚，常呈软塑－流塑状态，强度低，压缩 性高，容易引起地基不均匀沉降。应注意查清基岩面起伏 状况，并进行必要的处理。
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工程特性：
1.含水量高，天然含水量>液限，软塑－流塑状态。 2.透水性低，水平向渗透系数较大。 3.压缩性大，强度低，欠压密状态。 4.显著的蠕变和触变性(高灵敏度)。
5. 蠕变(creep)：在一定荷载下，土的剪切变形随
时间增长的特性。
6. 触变(thixotropy)：土受扰动后强度降低，但随
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残积土 (eluvium)：
岩石经风化后 未被搬运而残留于 原地的碎屑物质所 组成的土体，它处 于岩石风化壳的上 部。
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残积土的工程性质：
粒度成分和矿物成分受气候和母岩岩性的 控制。其发育情况还和地形有关。孔隙度↑、强 度↓、压缩性↑，均质性差，但具有一定的结构 强度。原位测试强度>>室内测试值。
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第五节 特殊土的工程地质特性
特殊土是指某些具有特殊物质成分和结构、 工程性质也较特殊的土。是在一定的条件下形成 的，其分布有明显的区域性特征。
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特殊性土的种类有：
沿海及内陆静水沉积的淤泥类软土 南方和中南地区的膨胀土 西南亚热带湿热气候条件下的红黏土 西北、华北干旱气候区的黄土 西北、华北干旱气候区的盐渍土 高纬度、高海拔寒冷气候区的冻土 各地人类工程活动的人工填土
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第四节 湖泊和沼泽的地质作用及湖积土
湖积土(lake deposit)：
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。近岸带沉积的多是粗颗粒 的卵石、圆砾和砂土，远岸带则是细颗粒的砂 土和黏性土。
湖心沉积物是由河流携带的细小悬浮颗粒到达 湖心后沉积形成，主要是黏土和淤泥，常夹有 细砂、粉砂薄层，土的压缩性高，强度低。
结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发 育，岩体破碎，用镐可挖，干钻不易钻进。
结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育， 岩体被切割成岩块。用镐难挖，岩芯钻方可钻进。
结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量 风化裂隙。
岩质新鲜，偶见风化痕迹
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花岗岩全、强中风化带
摄自三峡工程左岸永久船闸边坡
改变岩石的成分，形成次生矿物。
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生物风化(biological weathering)
• 生物物理风化 ---根劈作用
• 生物化学风化 ---遗体新陈代谢
产生有机酸
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影响岩石风化的因素：
• 岩性 • 地质构造 • 气候 • 地形 • 地下水
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岩石的工程性质发生如下几方面变化：
1、亲水性变大，透水性增强。表现出膨胀、崩 解、泥化等性质。
沼泽土主要由半腐烂的植物残体——泥炭组成， 含水量极高，承载力极低，不宜作天然地基。
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海积土(marine deposit)：
滨海沉积物主要由卵石、圆砾和砂组成，承 载力较高。 浅海沉积物主要由细粒砂土、黏性土、淤泥 和生物化学沉积物组成，有层理构造，较疏 松，含水量高，压缩性大而强度低。 深海沉积物主要是有机质软泥。
源蚀 侧蚀
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下蚀 ( vertical erosion)
（长江三峡）
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源蚀 ( headward erosion)
（长江源头）
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源蚀作用示意图：
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侧蚀 ( lateral erosion)
（长江中下游平原）
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侧蚀作用原理：
凹岸侵蚀 凸岸堆积
图 3-17 横向环流示意图 (a) 河流横向环流；(b)河曲处横向环流断面图
缩裂隙发育,稳定性差。浸水后或被扰动时,强 度骤然降低。
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图 3-27 因外墙基土收缩、基 础向外扭转，墙体呈水平裂缝
膨胀土地基上建筑物的开裂 56
膨胀土地基上房屋开裂的特点为：
①山墙呈“倒八字形”，裂缝上宽下窄； ②外纵墙下端呈水平裂缝，基础向外扭转，墙体 上部内倾； ③房屋角端裂缝严重，而且常伴随着一定的水平 位移和转动； ④地坪多出现平行于外纵墙的通长裂缝 ； ⑤地基反复多次胀缩，使墙体裂缝斜向交叉。
第四章 第四纪沉积土及其工程地质特性 主要内容
第一节 风化作用及残积土
第二节 暂时性水流的地质作用及沉积土
第三节 河流的地质作用及冲积土 第四节 湖泊和沼泽的地质作用及湖积土
第五节 海洋的地质作用及海积土
第六节 冰川的地质作用及冰积土
第七节 风的地质作用及风积土
第八节 特殊土及其工程地质特性
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土在工程上的作用：
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a-弯曲河道 b-蛇曲 c-牛轭湖
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1998年8月2日湖北牌洲湾溃堤 34
河流搬运作用方式：
拖运、悬运、溶运
河流沉积作用类型：
河床沉积、漫滩沉积、牛轭湖沉积、河口三角 洲沉积
冲积物特点：分选性好，磨圆度高
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冲积土(alluvium)：
河床相冲积土：
在河流上游多是粗大的石 块、砾石和粗砂，中下游或平 原地区沉积物变细，磨圆度好， 厚度很大。
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特征：
1) 呈黄褐、灰白、花斑等颜色； 2) 黏粒含量高，且为亲水性很强的蒙脱石等黏
土矿物，土中可溶盐及有机质含量较低，常 含铁锰或钙质结核，结构致密； 3) 表面有大量网状裂隙，裂面有腊状光泽的挤 压面。
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工程特性：
1. 低含水量，呈坚硬－硬塑状态； 2. 孔隙比小，密度大； 3. 高塑性，含黏粒及粉粒为主； 4. 具膨胀力,自由膨胀量>40%； 5. 天然状态下压缩性低，承载力高，但由于干
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风积土(eolian deposit)：
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，最常见的是风成砂和风成黄土。
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风蚀作用形成的戈 壁荒漠
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冰积土(glacial deposit)：
由冰川或冰水挟带搬运所形成的沉积物。分 选性极差,石料占多数,冰水沉积物可有一定成层 性、分选性。
2、力学强度降低，压缩性变大。
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风化壳垂直剖面
岩石风化后的产物在地 表形成的一个不连续的岩土 层称为风化壳(crust of weathering)。
土壤 残积层
半风化 岩石
基岩
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岩石风化程度划分：
《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001） 和《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002 ）的划分方案：全、强、中、微、未风化带。
图 3-21 河漫滩沉积 1-河床沉积物；2-河漫滩冲积层；3-山坡坡积裙
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牛轭湖相冲积土：
是在废河道形成的牛 轭湖中沉积的松软土，颗 粒很细，常含大量有机质， 有时形成泥炭。压缩性很 高，承载力很低，不宜作 为建筑物的天然地基。
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河口（海口）三角洲相冲积土：
通常是淤泥 质土或典型淤泥。 面积宽广而厚度 极大。不宜作为 建筑物的天然地 基。但表层硬壳 层，有时可用作 低层建筑物的地 基。
时间增长强度能部分恢复的性能。
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膨胀土(expansive soil)：
是一种富含亲水性黏土 矿物,且随含水量的增减体 积发生显著胀缩变形的硬塑 性黏土。
分布：
Biblioteka Baidu全国。云南、广西、贵州、 湖北最具代表性。一般位于 山前丘陵地区或河谷高阶地 上。
图 3-27 因外墙基土收缩、基础 向外扭转，墙体呈水平裂缝
岩石风化分带的依据： 颜色与光泽、矿物变异、破碎程度、强度变化
和可钻性。
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岩石风化程度划分表
《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）
风化程度
特
征
残积土 全风化 强风化 中等风化 微风化 未风化
组织结构全部破坏，已风化成土状，锹镐易挖掘，干 钻易钻进，具可塑性
结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，可用 镐挖，干钻可钻进。