工程地质基础知识讲座

工程地质基础知识大纲一、绪言二、岩层及岩层产状三、褶皱构造四、断裂构造五、地质构造与工程关系六、地质图一、绪言土木工程，如铁路、公路、桥梁、隧道、城市地铁、房建等工程，都是修建在地表或地下的工程建筑，建筑物场地的地质环境和工程地质条件，与工程设计、施工和运营密切相关。无论工程总体布局，场地的选择（或线路选择），到具体工程的设计、参数的选取、施工方案的确定都必须查清和测试场地的工程地质，水文地质条件基础上进行。因此可以说工程地质是工程建设的重要基础。二、岩层及岩层产状2.1岩层岩层指由同一岩性组成，有两个平行或近于平行的界面所限制的层状岩石。水平岩层、倾斜岩层和直立岩层。水平岩层指岩层倾角为0°的岩层。绝对水平的岩层很少见，习惯上将倾角小于5°的岩层都称为平岩层，又称水平构造。水平岩层一般出现在构造运动轻微的地区或大范围内均匀水平岩层中。新岩层总是位于老岩层之上。见图1（a）图1水平岩层与倾斜岩层倾斜岩层指岩层面与水平有一定夹角的岩层自然界绝大多数岩层倾斜而成的。见图1（b）.一般情况下，倾斜岩层仍然保持顶面在上、底面在下、新岩层在上、老岩层在下的产出状态，称为正常倾斜岩层。当构造运动强烈，使岩层发生倒转，出现底面在上、顶面在下‘老岩层在上’新岩层在下的产出状态时，称为倒转倾斜岩层见图2（a）岩层的正常与倒转主要依据化石确定，也可以依据岩层层面构造特征（如岩层面上的泥裂、波痕、虫迹、雨痕等）或标准地质剖面确定。倾斜岩层按倾角a的大小又可分为缓倾岩层（a＜30°）陡倾岩层（30°和＜a＜60°）陡立岩层（a＞60°）。直立岩层指岩层倾角等于90°时的岩层。绝对直立的岩层也较少见，习惯上将岩层倾角大于85°的岩层都称为直立岩层。见图2（b）图2倒转岩层与直立岩层2.2岩层产状（一）产状要素确定岩层在空间分布的状态要素称岩层产状要素。一般用岩层面在空间的水平延伸方向、倾斜方向和倾斜程度进行描述，分别称为岩层的走向、倾向和倾角。见图3（a）图3岩层产状要素走向指岩层面与水平面的交线所指的方向（和），该交线是一条直线，被称为走向线，它有两个方向，相差180°。倾向指岩层面上最大倾斜线在水平面上投影所指的方向（）。该投影线是一条射线，被称为倾向线，只有一个方向，倾向线与走向线互为垂直关系。倾角指岩层面与水平面的交角。一般指最大倾斜线与倾斜线之间的夹角，又称真倾角。如图3（b）中的α角。（二）产状要素的测量、和图示产状要素的测量岩层各产状要素的具体数值，一般在野外用地质罗盘仪在岩层面上直接测量和读取。产状要素的记录由地址罗盘仪测得的数据，一般有两种记录方法，即象限角法和方位角法。①方位角法将水平面按顺时针方向划分为360°，以正北方向为0°。再将岩层产状投影到该水平面上，将走向线和倾向线与正北方向所向夹角度记录下来，一般按倾向、倾角的顺序记录。例如135∠30°表示该岩层产状为倾向距正北方向135°，倾角为30°。象限角法以东、南、西、北为标志，将水平线划分为4个象限，以正北方向为0°，正东方向为90°，再将岩层产状投影在该水平面上，将走向线和倾向线所在的象限以及它们与正北方或正南方向所夹得锐角记录下来。一般按走向、倾角、倾向的顺序记录。如N45°E∠30°SE表示该岩层产状走向N45°E，倾角30°，倾向SE。产状要素的图示在地质图上，产状要素用符号表示。例如，，长线表示走向线，短线表示倾向线，短线旁的数字表示倾角。当岩层倒转时，应画倒转岩层的产状符号，例如，，岩层产状符号应把走向线与倾向线交点画在测点位置。三、褶皱构造3.1褶曲构造在构造运动作用下，岩层产生的连续弯曲变形形态，称为褶皱构造。褶皱构造的规模差异很大，大型褶皱构造延伸几十公里，小的褶皱构造在标本上也可见到。褶皱构造中任何一个单独的弯曲都称为褶曲，褶曲是组成褶皱的基本单元。褶曲有背斜和向斜两种基本形式，见图4图4褶曲基本形态背斜岩层弯曲向上凸出，核部地层时代老，两翼地层时代新。正常情况下，两翼地层相背倾斜。向斜岩层弯曲向下凹陷，核部地层时代新，两翼地层时代老。正常情况下，两翼地层相向倾斜。（一）褶曲要素为了描述和表示褶曲在空间的形态特征，对褶曲各个组成部分给予一定的名称，称为褶曲要素，褶曲要素如下：核部指褶曲中心部位的岩层翼部指褶曲两侧部位的岩层轴面通过核部大致平分褶曲两翼的假象平面。根据褶曲的形态，轴面可以是一个平面，也可以是一个平面；可以是直立的一面也可以是一个倾斜、平卧或卷曲的面。轴线指轴面与水平面或垂直面的交线，代表褶曲在水平面或垂直面上的延伸方向。根据轴面的情况，轴线可以是直线，也可以是曲线。枢纽指褶曲中同一岩层面上最大弯曲点的连线。根据褶曲的起伏形态，枢纽可以是直线，也可以是曲线；可以是水平线，也可以是倾斜线。脊线背斜横剖面上弯曲的最高点称顶，背斜中同一岩层面上最高点的连线叫脊线。槽线向斜横剖面上弯曲的最低点称槽，向斜中同一面层上最低点的连线叫槽线。（二）褶曲的分类褶曲的形态多种多样，不同形态的褶曲反映了褶曲形态是不同的力学条件及成因。为了更好的描述褶曲在空间的分布，研究其成因，常以褶曲的形态为基础，对褶曲进行分类。下面介绍两种形态分类。1.按褶曲横剖面形态分类即按横剖面上轴面与两翼岩层产状分类，见图5.直立褶曲：轴面直立，两翼岩层产状倾向相反，倾角大致相等.倾斜褶曲：轴面倾斜，两翼岩层产状倾向相反，倾角不相等。.倒转褶曲：轴面倾斜，两翼岩层产状倾向相同，其中一翼为倒转岩层.平卧褶曲：轴面近水平，两翼岩层产状进水平，其中一翼为倒转岩层图5褶曲按横剖面形态分类四、断裂构造岩层受构造运动作用，当所受的构造应力超过岩石强度时，岩石的连续完整性遭到破坏，产生断裂，称为断裂构造。按照断裂后两侧岩层沿断裂面有无明显的相对位移，分节理和断层两类型。断裂构造在岩体中又称结构面。4.1节理节理是指岩层受力断开后，断面两侧沿断裂面没有明显的相对位移时的断裂构造。节理的断裂面称为节理面，节理分布普遍，几乎所有岩层中都有节理发育。节理的延伸范围变化较大，由几厘米到几十米等。节理面在空间的状态称为节理状态，其定义和测量方法与岩层面产状类似。节理常把岩层分割成形状不同，大小不等的岩块，小块岩石的强度与包含节理的岩体的强度明显不同。岩石边坡稳定和隧道洞顶坍塌往往与节理有关。（一）节理分类节理按成因可分为、力学性质、与岩层产状的关系和张程度等分类1.按成因分类节理按成因可分为原生节理、构造节理和表生节理；也有人分为原生和次生节理，次生节理再分为构造节理和非构造节理。.原生节理：指由构造运动产生过程中形成的节理。如玄武岩在冷却凝固时形成的柱状节理。.构造节理：指由构造运动的构造应力的节理。构造节理常常成组出现，可将其中一个方向的一组平行破裂面称为一组节理。同一期构造应力形成的各组节理有成因上的联系，并按规律组合。表生节理：由卸荷、风化、爆破等作用形成的节理，分别称为卸荷节理、风化节理、爆破节理等。常称这种节理为裂隙，属非构造次生节理。表生节理一般分布在地表浅层，大多无一定方向性。2.按力学性质分类.剪节理：一般为构造节理，由构造应力形成的剪切破裂面组成。一般与主应力成（45°~Φ/2）角度相交，其中Φ为岩石内摩擦角。剪节理面多平直，常呈密闭状态，或张开度很小，在砾岩中可以切穿砾石。张节理：可以是构造节理，也可以是表生节理、原生节理等；由张应力作用形成。张节理张开度较大，节理面粗糙不平，在砾石中常绕开砾石。3.按与岩层产状的关系分类.走向节理：节理走向与岩层走向平行；.倾向节理：节理走向与岩层走向垂直；.斜交节理：节理走向与岩层走向斜交。4.按张开程度分类.宽张节理：节理缝宽度大于5mm;.张开节理：节理缝宽度为3~5mm;.微张节理：节理缝宽度为1~3mm;.闭合节理：节理缝宽度小于1mm.（二）节理发育程度分级按节理的组数、密度、长度、张开及充填情况，将节理发育情况分级。见表4-1表4-1节理发育程度分级发育程度等级基本特征节理不发育节理1~2组，规则，为构造型，间距在1m以上，多为密闭节理，岩体切割成大块状节理较发育节理2~3，呈X形，较规则，以构造型为主，多数间距大于0.4m多为密闭节理部分为微张节理，少有充填物。岩体切割成块石状节理发育节理3组以上，不规则，呈X形或米字形，以构造型会风化型为主，多数间距小于0.4m。大部分为张开节理，部分有充填物。岩体切割成块石状节理很发育节理3组以上，杂乱，以风化和构造型为主，多数间距小于0.2m，以张开节理为主，有个别宽张节理，一般均有充填物。岩体切割成碎裂状（三）节理调查内容节理是广泛发育的一种地质构造，对其进行调查，应包括以下内容：（1）节理的组数、密度和产状。节理的密度一般采用密度或体积节理表示。线密度以“条/米”为单位。体积节理数（Jv）用单位体积的节理数表示。（2）节理的成因类型，力学性质。（3）节理的张开度，长度和节理面壁的粗糙度。（4）节理的充填物质及厚度，含水情况。4.2断层断层是指岩层受力断开后，断裂面两侧岩层沿断裂面有明显相对位移时的断裂构造。断层规模相差很大。大的断层延伸数百公里甚至上千公里。有的断层以切穿了地壳岩石圈，有的则发育在地表浅层。断层是一种重要的地质构造，对工程建筑的稳定性起着重要作用。地震与活动性断层有关，隧道中大多数的坍方、涌水均与断层有关。（一）断层要素为阐明断层的空间分布状态和断层两侧岩层的运动特征，将断层各组成部分赋予一定名称，称为断层要素。断层面指断层中两侧岩层沿其运动的破裂面，产状用走向、倾向、倾角表示，其测量方法同岩层产状。有的断层面是由一定宽度的破碎带组成，称为断层破碎带。断层线是断层面与地平面或垂直面的交线，代表断层面在地面或垂直面上的延伸方向。它可以是直线，也可以是曲线。断盘断层两侧相对位移的岩层叫断盘。当断层面倾斜时，位于断层面上方的叫上盘，位于断层面下方的叫下盘。断距指岩层中同一点被断层断开后的位移量。其沿断层面移动的直线距离叫总断距，其水平分量叫水平断距，其垂直分量叫垂直断距。（二）断层常见分类1.按断层上、下两盘相对运动方向分类，是一种主要分类（1）正断层：指上盘相对向下滑动、下盘相对向上滑动的断层。见图6。正断层一般受地壳水平拉张力作用或受重力作用而形成，断层面多直。倾角大多在45°以上。正断层可以单独出露，也可以呈多个连续组合形式出露，如地堑、地垒和阶梯状断层，见图7。图6正断层图7地堑和地垒走向大致平行的多个正断层。当中间地层为共同的下降盘时，叫地堑；当中间地层为共同的上升盘时，叫地垒。组成地堑或地垒两侧的正断层，可以单条产出，也可以由多条产状按你的正断层组成，形成依次向下断落的阶梯状断层。（2）逆断层：指上盘相对向上滑动、下盘相对向下滑动的断层。见图8。逆断层主要受地壳水平挤压应力形成，常与褶皱伴生。按断层面仰角，可将逆断层划分为逆冲断层、逆掩断层和辗掩断层。冲断层指断层面倾角大于45°的逆断层。图8逆断层逆掩断层指断层面倾角在25°～45°之间的逆断层。常由倒转褶曲进一步发展而成。辗掩断层指断层面倾角小于25°的逆断层。一般规模巨大，常有时代老的地层被推覆到时代新的地层之上，形成推覆构造。见图9。图9四川彭县逆冲推覆构造当一系列逆断层大致平行排列，在横剖面上看，各断层的上盘依次上冲时，其组合形式为迭瓦式断层。见图10。图10迭瓦式逆断层（3）平移断层：指断层两盘主要在水平方向上相对错动的断层。见图11。平移断层主要主要由地壳水平剪切作用形成，断层面陡立。断层面上可见水平的擦痕。图11平移断层（三）断层存在的判别1.构造线标志同一岩层分界线、不整合接触界面、侵入岩体与围岩的接触带、岩脉、褶曲轴线、早期断层线等，在平面或剖面上出现了不连续，即突然中断或错开，则有断层存在。参见图12.2.岩层分布标志一套顺序排列的岩层，由于走向断层的影响，常造成部分地层的重复或缺失现象。即断层使岩层发生错动，经剥蚀夷平作用使两盘地层处于同一水平面时，会使原来顺序排列的地层出现部分重复或缺失。通常有6种情况造成的地层重复和缺失。见表4-2和图14。图14走向断层造成的地层重复和缺失表4-2走向断层造成的地层重复和缺失3.断层的伴生现象当断层通过时，在断层面（带）及其附近常形成一些构造伴生现象。也可作为断层存在的标志。（1）擦痕、阶步和摩擦镜面：断层上、下盘沿断层面作相对运动时，因摩擦作用，在层面上形成一些刻痕、小阶梯或磨光的平面，分别称为擦痕、阶步和摩擦镜面。见图15。图15擦痕与阶步（2）构造岩：因地应力沿断层面集中释放、常造成断层面处岩体二分破碎，形成一个破碎带，称断层支破碎带。破碎带宽几十厘米至几百米不等，破碎带内碎裂的岩、土体重经胶结后称构造岩。构造岩中碎块颗粒直径大于2mm时叫断层角砾岩；当碎块颗粒直径为0.01～2mm时叫碎裂岩；当碎块颗粒直径更小时叫摩棱岩；当颗粒均研磨成泥状时叫断层泥。（3）牵引现象：断层运动时，断层面附近的岩层受断层面上摩擦阻力的影响，在断层面附近形成弯曲现象，称为牵引现象，其弯曲方向一般为本盘运动方向。见图16。图16牵引现象4.地貌标志在断层通过地区，沿断层线常形成一些特殊地貌现象：（1）断层崖和断层三角面：在断层两盘的相对运动中，上升盘常常形成陡崖，称为断层崖。如峨眉山金顶知身崖、昆明滇池西山龙门陡崖。当断层崖受到与崖面垂直方向的地表流水侵蚀切割，使原崖面形成一排三角形陡壁时，称为断层三角面。（2）断层湖、断层泉：沿断层支带常形成一些串珠状分布的断陷盆地、洼地、湖泊、泉水等，可指示断层延伸方向。（3）错断的山脊、急转的河流：正常延伸的山脊突然被错断，或山脊突然断陷成盆地、平原、正常流经的河流突然产生急转弯，一些顺直深切的河谷，均可指示断层延伸的方向。判断一条断层是否存在，主要是依据地层的重复、缺失和构造不连续这两个标志。其它标志只能作为辅证，不能依此下定论。（四）断层运动方向的判别判别断层性质，首先要确定断层面的产状，从而确定出断层的上、下盘，再确定上、下盘的运动方向，进而确定断层的性质。断层上、下盘运动方向，可由以下几点判别：地层时代在断层线两侧，通常上升盘出露地层较老，下隆盘出露地层较新。地层倒转时相反。地层界线当断层横载褶曲时，背斜上升盘核部地层变宽，向斜上升盘核部地层变窄。五地质构造与工程关系地质构造对工程建筑物的稳定有很大的影响，由于工程位置选择不当，误将工程建筑物设置在地质构造不利的部位，引起建筑物失稳破坏的实例时有发生，断层破碎带是地下水富集或循环交替的活跃带、岩溶发育也与断层密切相关。对此必须有充分认识。下面分别就边坡、隧道与地质构造的关系作简要说明。当然要区分主干断层和一般断层（次级）我们工作中要抓大，放小对工程稳定影响大的是关注重点。岩层产状与岩石路堑边坡坡向间的关系控制着边坡的稳定性。当岩层倾向与边坡坡向一致，岩层倾角等于或大于边坡坡角时，边坡一般是稳定的。若坡角大于岩层倾角，则岩层因失去支撑而有滑动的趋势产生。如果岩层层间结合较弱或有软弱夹层时，易发生滑动。如铁西滑坡就是因坡脚采石，引起沿黑色页岩软化夹层滑动的。当岩层倾向与边坡坡向相反时，若岩层完整、层间结合好、边坡是稳定的，若岩层内有倾向坡外的节理，层间结合差，岩层倾角又很陡，岩层多成细高柱状，容易发生倾倒破坏。开挖在水平岩层或直立岩层中的路堑边坡，一般是稳定的（见图18）。图18岩层产状与边坡稳定性关系隧道位置与地质构造的关系密切。穿越水平岩层的隧道，应选择在岩性坚硬、完整的岩层中，如石灰岩或砂岩。在软、硬相间的情况下，隧道拱部应当尽量设置在硬岩中，设置在层间结合差，在软岩部位，隧道拱顶常发生顺层坍方。当隧道轴线顺岩层走向通过时，倾向洞内的一侧岩层易发生顺层坍滑，边墙承受偏压（见图19）。图19隧道位置与岩层产状关系在图13中,（a）为水平岩层，隧道位于同一岩层中；（b）为水平的软、硬相间岩层，隧道拱顶位于软岩中，易坍方（c）为垂直走向穿越岩层，隧道穿过软岩时易发生顺层坍方；（d）为倾斜岩层，隧道顶部右上方岩层倾向洞内侧，岩层易顺序滑动，且受到偏压。一般情况下，应当避免将隧道设置在褶曲的轴部，该处岩层弯曲、节理发育、地下水常常由此渗入地下，容易诱发坍方（见图20）。通常尽量将隧道位置选在褶曲翼部或横穿褶曲轴。应尽量垂直构造轴向和主要断层走向通过，垂直穿越背斜的隧道，其两端的拱顶压力大，中部岩层压力小；隧道横穿向斜时，情况刚相反（见图21）。图20隧道沿褶曲轴通过图21隧道横穿褶曲轴时岩层压力分布情况参考文献1、我中心编著五本专著2、土木工程地质（西南交大出版社）2001第一版3、岩溶与隧道工程西南研究所地质室1976北京4、《铁路工程地质汇编》P240～261谢谢！