工程地质与土力学不良地质地下水.pptx

1第第 3 3 章章 不良地质现象的工程地质问题不良地质现象的工程地质问题2内容提要内容提要 不良地质现象不良地质现象:指由于地质作用或人类活动所引指由于地质作用或人类活动所引起的地表和地下岩体的各种变形及运动，对工程起的地表和地下岩体的各种变形及运动，对工程建设具有危害性的地质现象。建设具有危害性的地质现象。本章就常见的不良地质现象，如本章就常见的不良地质现象，如风化风化作用作用、河流地质作用、滑动与崩塌、岩溶与土洞河流地质作用、滑动与崩塌、岩溶与土洞等，等，重点阐述其作用特点、形成规律和对水利工程的重点阐述其作用特点、形成规律和对水利工程的不良影响及所采取的防治措施。不良影响及所采取的防治措施。33.1风化作用风化作用 1风化作用的概念风化作用的概念岩石经受着风、电、大气降水和温度以及生物活岩石经受着风、电、大气降水和温度以及生物活动等因素的影响，岩石会发生破碎或成分变化，动等因素的影响，岩石会发生破碎或成分变化，逐渐崩解、分离为大小不等的岩屑或土层。逐渐崩解、分离为大小不等的岩屑或土层。岩石的这种物理、化学性质的变化称为岩石的这种物理、化学性质的变化称为风化风化；引引起岩石这种变化的作用称为起岩石这种变化的作用称为风化作用风化作用。引起这些作用发生的风化因素统称为引起这些作用发生的风化因素统称为风化营风化营力力；被风化的岩石圈表层称为被风化的岩石圈表层称为风化壳。4风化作用的结果导致风化作用的结果导致岩石的强度和稳定性降低岩石的强度和稳定性降低，对工程建筑条件起着不良的影响，许多滑坡、崩塌对工程建筑条件起着不良的影响，许多滑坡、崩塌等不良地质现象大部分都是在风化作用的基础上逐等不良地质现象大部分都是在风化作用的基础上逐渐形成和发展起来的。渐形成和发展起来的。2风化作用的类型风化作用的类型 按风化作用的因素不同，风化作用可分为三大类型：按风化作用的因素不同，风化作用可分为三大类型：物理风化物理风化化学风化化学风化生物风化生物风化5引起岩石物理风化作用的因素主要是引起岩石物理风化作用的因素主要是温度变化温度变化（热力风化）和岩石裂隙中（热力风化）和岩石裂隙中水分的冻结水分的冻结（冻融风化）（冻融风化）。物理风化物理风化:岩石受到机械破坏作用后，岩石分裂成很岩石受到机械破坏作用后，岩石分裂成很多小的碎屑的过程。多小的碎屑的过程。（1）物理风化）物理风化6 A A热力风化：热力风化：温度的变温度的变化产生温差，促使岩石膨胀和化产生温差，促使岩石膨胀和收缩交替地进行，久之则引起收缩交替地进行，久之则引起岩石破裂。岩石是热的不良导岩石破裂。岩石是热的不良导体，导热性差，受阳光影响的体，导热性差，受阳光影响的岩石昼夜温度变化仅限于很浅岩石昼夜温度变化仅限于很浅的表层；由温度变化引起岩体的表层；由温度变化引起岩体膨胀所产生的压应力和收缩所膨胀所产生的压应力和收缩所产生的张应力也仅限于表层。产生的张应力也仅限于表层。这两种过程的频繁交替遂使岩这两种过程的频繁交替遂使岩石表层产生裂缝以至呈片状剥石表层产生裂缝以至呈片状剥落。落。热力风化热力风化 7热力引起岩石的片状风化8花岗岩的热力风化9B B冻融风化：冻融风化：岩石孔隙岩石孔隙或裂隙中的水在冻结成冰或裂隙中的水在冻结成冰时，体积膨胀时，体积膨胀(约增大约增大9%)，故，故对围限它的岩对围限它的岩石裂隙壁施加很大的压应石裂隙壁施加很大的压应力（可达力（可达200Mpa），使），使岩石裂隙加宽加深；当冰岩石裂隙加宽加深；当冰融化时，水沿扩大了的裂融化时，水沿扩大了的裂隙渗入到岩石更深的内部，隙渗入到岩石更深的内部，并再次冻结成冰。冻结、并再次冻结成冰。冻结、融化频繁进行，使裂隙加融化频繁进行，使裂隙加深扩大，以至使岩石崩裂深扩大，以至使岩石崩裂成为岩屑。成为岩屑。冻融风化冻融风化 10冻融风化作用示意图11冻融风化12A A水化作用B B氧化作用C C水解作用D D溶解作用FeS2+nO2+mH2O FeSO4 黄铁矿 硫酸亚铁 Fe2(SO4)3Fe2O3nH2O 硫酸铁 褐铁矿K(AlSi3O8)(K,H3O)Al2(OH)2(AlSi4O10)正长石 水云母Al4(OH)8(Si4O10)高岭石CaSO4+2H2OCaSO42H2OCaCO3+CO2+H2OCa(HCO3)2（2）化学风化13（3）生物风化）生物风化岩石在动、植物及微生物影响下所起的破坏作岩石在动、植物及微生物影响下所起的破坏作用，如植物根部楔入岩石裂隙、穴居动物掘土、生物用，如植物根部楔入岩石裂隙、穴居动物掘土、生物的新陈代谢等产生的有机酸、碳酸和硝酸等的腐蚀作的新陈代谢等产生的有机酸、碳酸和硝酸等的腐蚀作用。用。14根劈作用153岩石风化程度和风化带岩石风化程度和风化带 地壳表层岩石风化后，残留在原地基岩地壳表层岩石风化后，残留在原地基岩之上的风化物称为残积物或残积层。残积物之上的风化物称为残积物或残积层。残积物在地壳表层构成一层外壳称为在地壳表层构成一层外壳称为风化壳或风化风化壳或风化层层。广义的风化壳，除基岩风化而成的残积广义的风化壳，除基岩风化而成的残积风化壳外，还有其他堆积物经风化而成的堆风化壳外，还有其他堆积物经风化而成的堆积风化壳。风化壳的表层经风化作用和生物积风化壳。风化壳的表层经风化作用和生物作用形成能生长植物的松散表土，称土壤。作用形成能生长植物的松散表土，称土壤。16风化壳剖面风化壳的分化壳的分层：土壤土壤残残积层半半风化岩石化岩石基岩基岩17未风化：未风化：岩石组织结构未变；岩石组织结构未变；微风化：微风化：岩石组织结构基本未变，沿节理面有铁锰岩石组织结构基本未变，沿节理面有铁锰质渲染，矿物质基本来变，无疏松物质；质渲染，矿物质基本来变，无疏松物质；弱风化：弱风化：岩石组织结构部分破坏，裂隙面风化较重，岩石组织结构部分破坏，裂隙面风化较重，矿物质稍微变质，沿节理面出现矿物风化，坚硬块矿物质稍微变质，沿节理面出现矿物风化，坚硬块体有松散物质；体有松散物质；强风化：强风化：岩石组织结构大部分破坏，矿物成分已显岩石组织结构大部分破坏，矿物成分已显著变化，长石、云母大部分已风化成次生矿物，颜著变化，长石、云母大部分已风化成次生矿物，颜色变化，疏松物质与坚硬块体混杂；色变化，疏松物质与坚硬块体混杂；全风化：全风化：岩石组织结构已全部破坏，矿物成分除石岩石组织结构已全部破坏，矿物成分除石英外大部分已风化成土状，基本不含坚硬块体。英外大部分已风化成土状，基本不含坚硬块体。（1）岩石风化程度）岩石风化程度18（2）风化带）风化带岩石的风化一般是由表及里，地表往下风化岩石的风化一般是由表及里，地表往下风化作用的影响逐渐减弱以至消失；在风化剖面上，作用的影响逐渐减弱以至消失；在风化剖面上，自下而上分成四个风化带：自下而上分成四个风化带：微风化带、弱风化带、微风化带、弱风化带、强风化带和全风化带强风化带和全风化带。岩石风化带的界线，在工程建筑中是一项重岩石风化带的界线，在工程建筑中是一项重要的工程地质资料，是确定岩基持力层、基坑开要的工程地质资料，是确定岩基持力层、基坑开挖、挖方边坡坡度以及采取相应的加固措施的依挖、挖方边坡坡度以及采取相应的加固措施的依据之一。但风化界线的确切地划分目前尚无有效据之一。但风化界线的确切地划分目前尚无有效方法，只能根据当地的地质条件并结合实践经验方法，只能根据当地的地质条件并结合实践经验予以确定。予以确定。19特殊的风化现象：差异风化作用。坚硬岩石（矿物）抗风化能力强，形成高山（突起）；反之，软弱岩石抗风化能力弱，形成低地（凹槽），这种现象称为差异风化作用。差别侵蚀地貌203.2河流地质作用河流河流是在河谷（道）中流动的常年水流。是在河谷（道）中流动的常年水流。流水具有一定的流速（即具有一定的动能），该动流水具有一定的流速（即具有一定的动能），该动能主要消耗在下列方面：能主要消耗在下列方面：（1）水的粘滞性、水的紊流、环流、波浪及涡）水的粘滞性、水的紊流、环流、波浪及涡流等；流等；（2）侵蚀作用；）侵蚀作用；（3）搬运作用。）搬运作用。21河曲 河曲是河流最迷人的地方，它蜿蜒扭转，在地球表面刻划出美丽的曲线。其实，这都是因为水流的旁蚀而成，即河水长时间冲刷河岸所致。因为科氏力的作用，河曲外侧流速最快，所以侵蚀的程度也最大。而在河曲的内侧由于流速减慢，从外侧侵蚀下来的物质便在此发生沉积，形成点砂坝。这样河底波状更明显，在河道两侧出现交替排列的浅滩和凹坑。如此反复进行，河道就慢慢变成一系列略呈对称的弯道。正是有了河曲，河流才呈现出婀娜多姿、令人着迷的景象。22牛轭湖 随着河道弯曲的演化，河曲带逐渐加宽，河道长度逐渐增大，河床坡度减小，流速减低。在这一演变过程中，因河道弯曲率逐渐增加，河弯颈部渐细，最终在洪水期河水可能冲破河弯颈取直道前进，造成河流的天然截弯取直。正是这种取直现象使河曲带不可能无限加宽。河道截弯取直以后原来的河弯被废弃，并堵塞成湖，称为牛轭湖。我国长江中下游自宜昌以下就发育有良好的牛轭湖。23河曲的发展243.3滑坡与崩塌1滑坡的概念及基本构造滑坡的概念及基本构造（1 1）滑坡）滑坡斜坡土体和岩体在重力作用下失去原有的稳定斜坡土体和岩体在重力作用下失去原有的稳定状态，沿着斜坡内某些滑动面（或滑动带）作状态，沿着斜坡内某些滑动面（或滑动带）作整体向下滑动的现象。整体向下滑动的现象。2526滑坡对河流的影响2728滑坡往往造成生命和财产的重大损失。图是香港的一次滑坡。29滑坡对铁路、公路的破坏也是常见的3031一、地下水的基本知识1.地下水的定义 储藏和运动于岩土的空隙（孔隙、裂隙、溶隙）的地表以下的水。2.2.意义意义 （1）生产生活水源干旱缺水地区 （2）威胁工程建设高层建筑、地下工程 基坑、涌水、滑坡、沉陷、膨胀，导致工程结构承载力下降、变形、失稳、寿命缩短323、地下水的分层包气带水地下水面以上。饱水带水地下水面以下。334、依据岩土的水理性质把岩土层分为含水层：给出并透过相当水量的岩土层。隔水层：不透水但可含水的岩土层。滞水层：弱透水的岩土层（介于含水层与隔水层之间）。346.地下水的分类按埋藏条件分类（1）上层滞水（2）潜水（3）承压水35包气带中的水.特征：接近地表，接受大气降水补给，以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄。动态变化很不稳定。工程意义：常始料不及涌入基坑。供水意义不大。在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆.土质边坡滑坍、黄土路基沉陷等上层滞水361砂层 2隔水层 3含水层4潜水面 5基准 面埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面的重力水。特征：与大气相通，具自由水面，补给区与分布区一致，动态受气候影响较大，潜水面形状受地形影响，影响工程建设。潜水37潜水与地表水的关系潜水补给河流潜水补给河流河流补给潜水河流补给潜水单侧补给单侧补给38承压水充满于两个隔水层之间的含水层中承受水压力的重力水。A A补给区补给区 B B承压区承压区 C C排泄区排泄区39特征：不具自由水面，并承受一定的水头压力。分布区和补给区不一致。动态变化较稳定。不易受地面污染。40地下水的潜蚀作用地下水在缓慢的运动过程中，不断对周围的岩石进行着破坏和改造，称为地下水的潜蚀作用。可以分为：机械潜蚀作用和化学溶蚀作用。一、机械潜蚀作用地下水对岩石的冲刷破坏作用称为机械潜蚀作用。由黄土、砂岩组成的地壳表层，经地下水长期机械潜蚀作用，形成与下面将要阐述的“岩溶”地区相似的地质发展过程，如黄土湿陷、丹霞地貌。称为“假岩溶”作用过程41二、化学溶蚀作用与岩溶现象地下水对可溶性岩石的溶解破坏作用，称为化学溶蚀作用。（一）岩溶现象 1.岩溶（喀斯特）是指可溶性岩石在地下水和地表水的共同破坏作用下，所形成的特殊地貌和水文网的总称。2.典型的岩溶地貌有：溶沟与石芽（婆婆脸）；漏斗与落水洞；溶洞与地下河；岩溶谷地与天生桥；峰林。42我国广西、贵州、云南等地是喀斯特十分发育的地区。3.岩溶发育的条件有可溶性岩石的存在，特别是产状平缓、裂隙发育的厚层石灰岩是岩溶发育的有利条件。湿热的气候条件（水量丰富、具有流动性），尤其是在水中含有一定数量的CO2时，有较强的溶蚀能力。43地下水的搬运与沉积作用一、地下水的机械搬运与沉积作用由于地下水是在土壤、岩石裂隙中流动，流速极慢，因此搬运力极弱，沉积作用也极弱，一般仅形成小规模的洞穴碎屑沉积。二、地下水的溶运与化学沉积作用地下水流速慢，与岩石的接触面积大，作用时间长，能充分的溶解其流经区的可溶性物质，因此地下水中含有较多的溶解物质，并随着地下水的运动而被搬运。石灰岩地区中庞大的洞穴系统就是被地下水溶蚀搬运而形成的。地下水的化学沉积主要分布在洞穴内、裂隙中和泉的出口处。常见的有以下几类：1.石钟乳、石笋、石柱、石幔2.泉华3.模树石（假化石）、岩脉、矿脉44第五节地下水引起的工程地质问题一、地下水对混凝土和钢筋的侵蚀1.溶出性侵蚀2.碳酸侵蚀3.硫酸盐侵蚀4.氢离子侵蚀5.镁盐侵蚀二、地下水渗透对地下工程施工的影响1.流砂2.管涌3.突涌三、地下水位变化的不良影响1.地基沉降2.浮力作用3.潜蚀作用4.对地基强度的影响四、岩石中裂隙水对地下工程的不良影响影响洞室和基础安全基坑突涌