第3章地质构造及对工程的影响.doc

第3章 地质构造及对工程的影响地壳运动：指由于地球内动力而引起的地壳变形和变位。包括：升降运动：指垂直地表的运动（沿地球半径方向的上升或下降运动）。 水平运动：指平行于地表的运动（沿地球切线方向或沿水平方向的构造运动）。 地壳运动的结果：导致地壳岩石产生变形和变位，并形成各种地质构造(构造变动在岩层和岩体中遗留下来的各种构造形迹）。第一节 水平构造和单斜构造一、概念沉积岩层形成时的原始产出状态(即产状)大多数是水平或近于水平。如果经受地壳运动（垂直抬升）的影响，改变了原始形成时的位置，但仍保持水平产状的一套水平岩层组成的构造，称为水平构造。岩层受构造运动的影响，不仅改变了岩层形成时的位置，而且改变了原有的水平状态，使岩层面向同一方向倾斜，并与水平面具有一定的交角，便形成了单斜构造。常常是组成其它构造(褶曲一翼，断层一盘等)的一部分。二、岩层产状岩层的产状常用岩层的走向、倾向、倾角来确定，这三者称为产状要素。在野外产状要素直接用地质罗盘进行测量。走向 岩层面与水平面的交线，称走向线走向线两端所指的方向称走向 产状要素倾向 垂直于走向线沿层面向下所引的直线，称倾斜线。其在水平面上的投影线所指方向，称为倾向 倾角 倾斜线与其在水平面上的投影线间的夹角 第二章 褶皱构造褶皱指组成地壳的岩层，受构造应力的强烈作用，使岩层形成一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造。岩层的连续性整性末遭到破坏，是岩石塑性变形的表现。褶皱构造的基本类型一、褶曲：褶皱构造中的一个弯曲核：褶皱中心部分的地层 褶曲的要素翼：核部两侧对称出露的地层 轴面：指大致平分褶皱的一个假想面 轴线：轴面与地面的交线枢纽：轴面与层面的交线枢纽在空间上的产出状态：枢纽水平、枢纽倾斜二、褶曲的类型1、褶曲的基本形态是背斜和向斜。背斜 指岩层向上拱弯，形成中心部位岩层的时代老，外侧岩层时代新的褶皱。 向斜 指岩层向下凹曲，形成中心部位岩层的时代新，外侧岩层时代老的褶皱。 2、按褶曲的轴面产状分：直立褶曲：轴面直立，两翼岩层倾向相反，倾角大致相等。倾斜褶曲：轴面倾斜，两翼岩层倾向相反，倾角不等。倒转褶曲：轴面倾斜，两翼岩层倾向相同，一翼岩层产状正常，另一翼岩层倒转。平卧褶曲：轴面水平，两翼岩层近于水平，一翼岩层产状正常，另一翼岩层倒转。褶曲的分类三、褶皱构造：褶皱是褶曲的组合形态，两个或两个以上褶曲构造的组合，称为褶皱构造。四、褶皱构造的工程地质评价1、褶皱构造的工程地质评价主要是倾斜岩层的产状与路线或隧道轴线(线路工程）走向的关系问题。倾斜岩层对建筑物的地基，一般来说，没有特殊不良的影响。对于深路堑、挖方高边坡及隧道工程等，需要根据具体情况作具体的分析。2、对于深路堑和高边坡来说，存在三种情况：（1）有利情况：路线垂直岩层走向，或路线与岩层走向平行但岩层倾向与边坡倾向相反时，只就岩层产状与路线走向的关系而言，对路基边坡的稳定性是有利的；（2）不利情况：路线走向与岩层的走向平行，边坡与岩层的倾向一致，特别在云母片岩、绿泥石片岩、滑石片岩、千枚岩等松软岩石分布地区，坡面容易发生风化剥蚀，产生严重碎落坍塌，对路基边坡及路基排水系统会造成经常性的危害；（3）最不利情况：路线与岩层走向平行，岩层倾向与路基边坡一致，而边坡的坡角大于岩层的倾角，特别在石灰岩、砂岩与粘土质页岩互层，且有地下水作用时，如路堑开挖过深，边坡过陡，或者由于开挖使软弱构造面暴露，都容易引起斜坡岩层发生大规模的顺层滑动，破坏路基稳定。3、对于隧道工程来说，从褶曲的翼部通过一般是比较有利的；但如果中间有松软岩层或软弱构造面时，则在顺倾向一侧的洞壁，有时会出现明显的偏压现象，甚至会导致支撑破坏，发生局部坍塌。在褶曲构造的轴部，从岩层的产状来说，是岩层倾向发生显著变化的地方；从构造作用对岩层整体性的影响来说，是岩层受应力作用最集中的地方，因此在褶曲构造的轴部，不论公路、隧道或桥梁工程，容易遇到工程地质问题，主要是由于岩层破碎而产生的岩体稳定问题和向斜轴部地下水的问题。这些问题在隧道工程中往往显得更为突出，容易产生隧道塌顶和涌水现象，有时会严重影响正常施工。五、褶皱构造的野外观察对小型褶曲构造，可通过几个出露在地面的基岩露头进行观察；对大型褶曲构造，可采用穿越法和追索法进行观察。1、穿越法，就是沿着选定的调查路线，垂直岩层走向进行观察。采用穿越法，可便于了解岩层的产状、层序及其新老关系。如果在路线通过地带的岩层呈有规律的重复出现，则必为褶曲构造。再根据岩层出露的层序及其新老关系，判断是背斜还是向斜。然后进一步分析两翼岩层的产状和两翼与轴面之间的关系，这样就可以判断褶曲的形态类型。2、追索法，就是平行岩层走向进行观察的方法。采用追索法，可便于查明褶曲延伸的方向及其构造变化的情况，当两翼岩层在平面上彼此平行展布时为水平褶曲，如果两翼岩层在转折端闭合或呈“S”形弯曲时，则为倾伏褶曲。 穿越法和追索法，不仅是野外观察褶曲的主要方法，同时也是野外观察和研究其他地质构造现象的一种基本的方法。在实践中一般以穿越法为主，追索法为辅，根据不同情况，穿插运用。第三节 断裂构造岩体或岩层受力后发受变形，当所受之力超过岩石的强度极限时，岩石连续完整性将遭到破坏，于是形成断裂构造。断裂构造包括裂隙和断层两类（根据岩体断裂后两侧岩块的相对位移情况）。一、裂隙（节理）：指岩层或岩体破裂后形成的一种裂缝。其两侧的岩块沿破裂面无明显位移。1、裂隙的类型：按成因分为构造裂隙和非构造裂隙两类。构造裂隙：岩体受地应力作用随岩体变形而产生的裂隙。按力学性质分：张性裂隙；剪性裂隙。*剪性裂隙：由剪应力产生的破裂面。 特征：长、大、平直光滑、多闭合，延伸稳定，常常呈“X”型，常出现在翼部和断层附近。*张性裂隙：由张应力产生的破裂面，主要发育在背斜和向斜的轴部。特征：短、小、粗糙不平，延伸不远。非构造裂隙：指由成岩作用、外动力、重力等非构造因素形成的裂隙，如岩石在形成过程中产生的原生裂隙，风化裂隙，以及沿沟壁岸坡发育的卸荷裂隙等，其中风化裂隙主要发育在岩体靠近地面的部分，一般很少达到地面下1015m的深度。裂隙分布零乱，没有规律性，使岩石多成碎块，沿裂隙面岩石的结构和矿物成分也有明显变化。2、裂隙的工程地质评价 岩体中的裂隙，在工程上除有利于开挖外，对岩体的强度和稳定性均有不利的影响。岩体中存在裂隙，破坏了岩体的整体性，促进岩体风化速度，增强岩体的透水性，因而使岩体的强度和稳定性降低。当裂隙主要发育方向与路线走向平行，倾向与边坡一致时，不论岩体的产状如何，路堑边坡都容易发生崩塌等不稳定现象。在路基施工中，如果岩体存在裂隙，还会影响爆破作业的效果。因此，当裂隙构造可能成为影响工程设计的重要因素时，应当对裂隙进行深入的调查研究，详细论证裂隙对岩体工程建筑条件的影响，采取相应措施，以保证建筑物的稳定和正常使用。二、断层：岩层或岩体受力破裂后，两侧岩块沿破裂面发生了明显的位移。1、断层要素：下盘、上盘、断层面2、断层的基本类型：正断层：上盘相对下降逆断层：上盘相对上升平移断层：水平错动3、断层的组合类型阶梯状断层叠瓦状断层地堑地垒4、断层的工程地质评价 在断层分布密集的断层带内，岩层一般都受到强烈破坏，产状紊乱，岩体裂隙增多、岩层破碎、风化严重、地下水多，从而降低了岩石的强度和稳定性；同时，沟谷斜坡崩塌、滑坡、泥石流等不良地质现象发育。因此，在确定路线布局、选择桥位和隧道位置时，要尽量避开大的断层破碎带：（1）路线布局：特别在安排河谷路线时，要特别注意河谷地貌与断层构造的关系；当路线与断层走向平行，路基靠近断层破碎带时，由于开挖路基，容易引起边坡发生大规模坍塌，直接影响施工和公路的正常使用。（2）大桥桥位：勘测时，要注意查明桥基部分有无断层存在，及其影响程度如何，以便根据不同情况，在设计基础工程时采取相应的处理措施。（3）隧道：由于岩层的整体性遭到破坏，加之地面水或地下水的侵入，其强度和稳定性都很差，容易产生洞顶坍落，影响施工安全；故当隧道轴线与断层走向平行时，应尽量避免与断层破碎带接触；在确定隧道平面位置时，要尽量设法避开大规模的断层破碎带。5、断层的野外识别在野外可以根据与断层构造有关的伴生构造、地貌现象等标志来识别断层：（1）地貌特征：当断层（张性断裂或压性断裂）的断距较大时，上升盘的前缘可能形成陡峭的断层崖，如经剥蚀，则会形成断层三角面地形；断层破碎带岩石破碎，易于侵蚀下切，可能形成沟谷或峡谷地形；此外，如山脊错断、错开，河谷跌水瀑布，河谷方向发生突然转折等，都可能是断裂错动在地貌上的反映。 (a) 岩层重复 (b) 岩层缺失 (c)岩脉错断 (d) 岩怪牵引弯曲 (e) 断层角砾 (f)断层擦痕（2）地层特征：如岩层发生重复或缺失，岩脉被错断，或者岩层沿走向突然发生中断，与不同性质的岩层突然接触等地层方面的特征，则可能存在断层。（3）伴生构造现象：指是断层在发生、发展过程中遗留下来的形迹，常见的有岩层牵引弯曲、断层角砾、糜棱岩、断层泥和断层擦痕等。(a) 岩层重复 (b) 岩层缺失 (c)岩脉错断 (d) 岩怪牵引弯曲 (e) 断层角砾 (f)断层擦痕6、活断层与工程建设 活断层一般指目前还在活动的断层，或者近期曾有过活动、不久的将来还可能重新活动的断层。 活断层对工程建筑物安全的威胁主要来自断层错动突发错动,因而对活断层进行工程地质研究和工程安全评价非常必要。 怎样知道一个地区有没有活断层，或者一条断层是不是活动断层呢？地貌上的标志有:断层崖、三角面、洪积扇叠置、河流、山脊或冲沟的水平位错；最新沉积物被错断现象；遥感影象的线形标志，往往沿活断层出露一系列泉。用断层新活动年龄测定的方法对活动断层的最新活动年龄进行测定。 在进行工程建设时，一般应避开活动断裂带，特别是重要的建筑物更不能跨越在活断层上。第四节 不整合一、整合与不整合1整合接触 在地壳上升的隆起区域发生剥蚀，在地壳下降的凹陷区域产生沉积。当沉积区处于相对稳定阶段时，沉积区连续不断地进行着堆积，堆积物的沉积次序是衔接的，产状是彼此平行的，在形成的年代上是顺次连续的，岩层之间的这种接触关系称为整合接触。2不整合接触 在沉积过程中，如果地壳发生上升运动，沉积区隆起，则沉积作用即为剥蚀作用所代替，发生沉积间断，其后若地壳又发生下降运动，则在剥蚀的基础上又接受新的沉积。由于沉积过程发生间断，所以岩层在形成年代上是不连续的，中间缺失沉积间断期的岩层，岩层之间的这种接触关系，称为不整合接触。存在于接触面之间因沉积间断而产生的剥蚀面，称为不整合面。在不整合面上，有时可以发现砾石层或底砾岩等下部岩层遭受外力剥蚀的痕迹。二、不整合的类型1、平行不整合：不整合面上下两套岩层之间的地质年代不连续，缺失沉积间断期的岩层，但彼此间的产状基本上是一致的，看起来貌似整合接触。2、角度不整合：指不整合面上下两套岩层间的地质年代不连续，并且两者的产状也不一致，下伏岩层与不整合面相交有一定的角度。这是由于不整合面下部的岩层，在接受新的沉积之前发生过褶皱变动的缘故。（a）整合 （b）平行不整合 （c）角度不整合三、不整合的工程地质评价 不整合接触中的不整合面，是下伏古地貌的剥蚀面，常有比较大的起伏，同时常有风化层或底砾存在，层间结合差，地下水发育，当不整合面与斜坡倾向一致时，如开挖路基，经常会成为斜坡滑移的边界条件，对工程建筑不利。第五节 岩石与岩体的工程地质性质岩体指包括各种地质界面，如层面、层理、节理、断层、软弱夹层等结构面的单一或多种岩石构成的地质体，它被各种结构面所切割，由大小不同的、形状不一的岩块（即结构体）所组合而成。因此，岩体是指某一地点一种或多种岩石中的各种结构面、结构体的总体。 一、岩体的主要物理力学性质1、岩石的主要物理性质（1）重量：比重：是岩石固体部分单位体积的重量。在数值上等于岩石固体颗粒的重量与同体积的水在4时重量的比。重度（容重）：岩石单位体积的重量，在数值上等于岩石试件的总重量与其总体积的比值。（2）孔隙性：反映岩石中各种孔隙的发育程度。用孔隙度表示。 孔隙度：在数值上等于岩石中各种孔隙的总体积与岩石总体积的比。吸水性：岩石在一定条件下的吸水能力。（3）吸水率：指岩石在通常大气压下的吸水能力。在数值上等于岩石的吸水重量与同体积干燥岩石重量的比。（4）软化性：岩石受水作用后，强度和稳定性发生变化的性质。 软化系数：数值上等于岩石在饱和状态下的极限抗压强度和在风干状态下极限抗压强度的比。值越小，表示水作用下的强度和稳定性越差。（5）抗冻性：岩石抵抗冻胀压力的能力。用岩石在抗冻试验前后抗压强度的降低率表示。2、岩石主要力学性质：（1）岩石变形：弹性模量：应力和应变之比。 泊松比：横向应变与纵向应变的比。（2）岩石强度：岩石抵抗外力破坏的能力。 分抗压强度、抗剪强度、抗拉强度。3、影响岩石工程性质的因素：岩石的地质特征（内因），即岩石的矿物成分、结构、构造、成因；岩石形成后外部因素（外因），如风化作用、水的作用。影响岩体稳定性的主要因素有：区域稳定性、岩体结构特征、岩体变形特性与承载能力、地质构造及岩体风化程度等。4、岩体的工程地质性质（1）岩体结构分析结构面：岩体中的不连续界面。结构体：岩体中被结构面切割而成的岩石块体。岩体结构及类型*岩体结构：岩体中结构面与结构体的组合关系。*岩体结构类型：岩体中结构面与结构体的组合形式。2、岩体的工程地质性质 岩体的工程地质性质首先取决于岩体结构类型与特征，其次才是组成岩体的岩石的性质（或结构体本身的性质）。 （1）整体块状结构岩体：结构面稀疏、延展性差、结构体块度大且常为硬质岩石，故整体强度高、变形特征接近于各向同性的均质弹性体，变形模量、承载能力与抗滑能力均较高，抗风化能力一般也较强，故这类岩体具有良好的工程地质性质，是较理想的各类工程建筑地基、边坡岩体及洞室围岩。（2）层状结构岩体：结构面以层面与不密集的节理为主，结构面多闭合微张状、一般风化微弱、结合力一般不强，结构体块度较大且保持着母岩岩块性质，故这类岩体总体变形模量和承载能力均较高，可作为工程建筑地基，但应注意结构面结合力不强的情况。（3）碎裂结构岩体：节理、裂隙发育、常有泥质充填物质，结合力不强，其中层状岩体常有平行层面的软弱结构面发育，结构体块度不大，岩体完整性破坏较大，其中镶嵌结构岩体因其结构体为硬质岩石，尚具较高的变形模量和承载能力，工程地质性能尚好；而层状碎裂结构和碎裂结构岩体则变形模量、承载能力均不高，工程地质性质较差。（4）散体结构岩体：节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，岩石手捏即碎，属于碎石土类，可按碎石土类研究。