工程地质学-第2章工程地质条件成因演化论.ppt
第一章 工程地质条件成因演化论,1.1 概述,1.2 工程地质条件形成的控制因素,1.2.1 大地构造,1.2.2 自然环境,1.3 中国工程地质条件分区分带的规律性,1.3.1 中国大地构造环境,1.3.2 中国自然地理环境,1.4 中国工程地质条件的组合类型,1.5 工程地质条件成因演化论,第一章 工程地质条件成因演化论,1.1 概述,工程地质条件的特定组合规律及空间分布规律是长期自然地质历史发展演化形成的。自然地质历史发展演化有区域性规律，对应的，地质历史发展演化产物的工程地质条件极其空间分布也有其区域规律性。例如：,高山峡谷：地质结构：复杂；多（活）断层；河谷深切，沟谷发育，地势耸高、斜坡陡峭。地下水：常为埋藏较深的基岩裂隙水、富水程度较低，但地下水交替强烈，水质多为低矿化度的淡水，如遇有可溶性碳酸盐岩或大的断层破碎带，则往往为强富水带。工程地质问题：崩塌、滑坡、泥石流广泛发育，且规模往往很大。天然建筑材料：石料、粗骨料丰富，细骨料、土料贫乏。,第一章 工程地质条件成因演化论,冲积平原：地质结构及岩性：距地表一定深度内广泛分布的是由各种砾、砂、粘性土互层组成的松软土体，强度低，易于变形。地质结构简单，主要形成各类土层的组合关系。地表开阔、平坦，往往有各种型式河流阶地或埋藏古河床。地下水：多为埋藏浅的孔隙潜水或层间水，粗砂、砾石层中客（贮存）水，且水质良好可作为良好的供水水源，过量抽取会产生地面沉降。工程地质问题：除阶地斜坡有小型滑坡发育外，崩塌、滑坡、泥石流等外生地质灾害不发育，如有埋藏型碳酸盐岩，可伴有地面塌陷；若有隐伏活动断裂，则伴有地震。天然建筑材料：土料及细骨料丰富；粗骨料贫乏、缺乏石料。,第一章 工程地质条件成因演化论,1.2 工程地质条件形成的控制因素,内动力地质作用：构造运动、岩浆作用和变质作用。岩浆作用和变质作用是伴随构造运动而产生的。,外动力地质作用：风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用和固结成岩作用。,内、外动力联合作用下，年轻隆起的高原边缘或近代褶皱山系，由于河流的强烈下切而形成高山峡谷；在山间断陷，由于河流或湖泊的沉积作用而形成山间盆地；在近期只有轻微隆起的古老褶皱山系或稳定地台，由于河流的剥蚀、夷平和沉积作用而形成准平原及冲击平原；在河口地带，则由于下陷和迅速沉积而形成河口三角洲；在滨岸地带，则由于海陆交互沉积作用而形成滨海平原。它们各有其特有的工程地质条件组合，其空间分布也各具规律性。大地构造和自然地理环境对工程地质条件的形成起关键作用：,第一章 工程地质条件成因演化论,1）不同的大地构造环境有不同的内动力地质作用强度,1.2.1 大地构造,最微弱的是固化最早的陆核或地盾刚性地块。其次是地台或地块，因为它们固化于前寒武纪，刚性强，内动力地质作用较弱。不同时期的褶皱山系形成于古生代到新生代初期，褶皱凿山时代越新，固化愈弱，其内动力地质作用愈强。最强的是大陆边缘，特别是活动大陆边缘和大陆峡谷。在活动大陆边缘，由于洋壳向陆壳的俯冲，挤压褶皱、逆冲断层、岩浆作用和地震作用都最为强烈。,第一章 工程地质条件成因演化论,2）内动力地质作用对外动力地质作用的性质和强度有控制作用,年轻褶皱山系的强烈的隆起，必然使得在这一山系带以强烈剥蚀作用为主，隆起愈强，剥蚀愈强。如有地表水系，河流必然深切侵蚀。在裂谷或断陷盆地地带，外动力地质作用必然以堆积作用为主，下陷愈深，堆积作用愈强，所形成的堆积体愈厚。在特定的大地构造剥蚀环境中，由于较长时间的大陆剥蚀，地台上的盖层被剥蚀净尽，古老的变质岩系出露地表；又如较老的褶皱山系，长期的剥蚀作用也可使褶皱造山同期侵入的岩浆岩系出露地表。在一定的大地构造沉积环境中，在漫长的地质历史时期，形成一定的沉积岩石共生组合体。如在稳定地台区内的内陆开阔盆地，可形成河湖相砂泥质沉积层。,第一章 工程地质条件成因演化论,3）构造运动使大陆地壳在地表分布格局发生重要变化,如：在古陆核周边形成稳定地台；各大陆地台及相邻地块产生大规模水平位移或旋转；联合古陆中的部分超级大陆又相互离散，使大西洋、印度洋开启，出现全球性的洋盆张裂体系；太平洋盆周缘则发生普遍的洋壳向陆壳下的俯冲，形成环太平洋孤、盆、海沟体系。历史上不断演化的大地构造环境最终塑造了现代全球性大陆格局，即全球性的洋底张裂体系和古地中海-环太平洋挤压山系。这一演化历史确定了稳定地台和各时期褶皱山系在地表的分布，也确定了现代张裂体系和挤压造山带在地表的分布。,第一章 工程地质条件成因演化论,4）不同大地构造环境有着不同的构造型式,褶皱山系因受强烈的水平挤压而形成紧闭的线性褶皱系或推覆逆掩断裂体系；在裂谷带，由于引张的地应力而形成一列列伸展构造体系；稳定地台上的沉积盖层则往往只有十分微弱的构造变形，形成不连续的宽缓褶皱，如穹窿、短轴背向斜等。,第一章 工程地质条件成因演化论,5）大地构造环境决定了现代构造应力场,地处欧亚大陆东段的中国及相邻地区的现代构造应力场就是典型实例。欧亚大陆东端岩石圈南部收到印度板块自南向北的碰撞挤压，大陆东部边缘的北部又受到太平洋板块由东向西的俯冲挤压，大陆边缘南部则收到菲律宾海板块由南东东向北西西的俯冲挤压。因而在这一广大地区内，总体上是最大主压应力轴近于水平，并由西部内陆中心向沿海呈放射状分布；最小主应力也近于水平，并沿向东突出的弧形呈环装分布，在华北一带为张应力，我国东部大陆的中间主应力则以垂直为主。,第一章 工程地质条件成因演化论,6）现代构造应力场决定了现代构造的活动性,印度板块的强烈推挤使大陆内部块体产生向北逐渐减弱的块体运动，同时也决定了块体边界的相对运动的形式和强度。大陆西部块体边界多为近东西向，在近南北向的主压应力作用下，多产生逆冲断裂活动。而欧亚大陆东部大部分地区，中间主应力轴近于垂直，最大、最小主应力轴近于水平，故多以走滑型断裂活动为主。我国的华北地区和东南沿海便是这种断裂活动的典型代表。,第一章 工程地质条件成因演化论,1.2.2 自然环境,地球表层，太阳辐射能产生的大气环流（风）、水循环和萌生的生物作用于岩石圈表层岩石而产生风化作用、搬运作用、沉积作用、和固结成岩作用等一系列外动力地质作用。这些作用既形成于特定的自然地理环境之中，又不断改造它，外动力地质作用特性和强度必然受自然地理环境所制约。自然地理环境表现出地带或区域性分异：由于太阳能分不均所造成的气候纬度地带性分异；由于海陆分布使湿度分布不均造成的干湿度地带分异；由于地势起伏和高原、山地、平原、盆地空间分布不均所造成的地形地貌区域分异。在以上各异的外动力地质作用下，形成了各不相同的工程地质条件因素组合。,第一章 工程地质条件成因演化论,1）气候分带 太阳能的分布不均造成了气温、气压、风向、湿度、降水等气候要素的地带性差异，形成了热带、亚热带、湿带到寒带的气候纬度分带。气候纬度分带导致了各带岩石风化作用的差异性。热带特别是湿润热带，化学风化强烈；寒带则以物理风化为主，风化壳变薄。外动力地质作用的营力：其随气候分带而变化，在热带以致温带，主要是水体；在极地主要是冰雪。地质现象：在寒温带冬季气温普遍低于0的地区，出现了季节冻结及与此相伴的冻胀、融陷；而在寒带则出现了多年冻结带及与之相伴的冰锥、冰丘、热融滑坡等地质现象。,第一章 工程地质条件成因演化论,2）干湿度地带分异 海陆分布是地球内部能造成的自然地理环境的基本差异。在大气环流和水循环中，由陆地边缘向内陆中心，海洋提供的湿度逐渐减少，降水量因而随之减少，蒸发量则逐渐郑大，于是气候：湿润半湿润半干旱干旱。植被和岩石风化作用也有相应的变化，也引起外动力地质营力的变化：海岸带，营力为波浪和潮汐；湿润、半湿润带，营力是地表流水；半干旱、干旱带，营力主要是风。不同的外营力形成各自不同的侵蚀地貌、堆积地貌及相应的不同的堆积物。由湿润干旱带，水文地质条件如潜水的埋深、富水性、水的矿化度等都产生一系列变化，物理地质现象的突出变化是干旱区出现了特有的流动沙丘。,第一章 工程地质条件成因演化论,3）地貌区域性变化 内动力地质作用下产生的区域性分异，在内、外营力作用下，产生地貌的区域性分异，形成高原、山地、丘陵、盆地、平原等地貌类型。地壳和地球表面地貌为地表综合体提供了基本格局，控制着水圈和大气圈对地表的作用。气候的垂直分带 气温随山体或高原的高度增加而迅速降低，由山底到山顶出现气候分带，高差几千米之内可出现从热带至极地的变化，气候的垂直分带明显。气候的垂直变化引起植被、土壤、水文的变化，而最大的变化则是外营力的变化，即由流水转变为冰雪，地貌形态，岩石风化作用、成壤作用、材料以及表层沉积物和物理地质现象都随之发生相应的变化。,第一章 工程地质条件成因演化论,地貌的区域性变化所确定的地面状态，对大气环流产生显著影响，加剧地面水热分布的不均匀性，使气候类型更加多样化。,与此同时，地貌的区域性变化对地表水循环起着控制作用，对地表水系的形成和分布，河流水系的流向有决定作用。地势的起伏不仅决定河流水系的流向和长短，也决定这些水系的侵蚀区、搬运区、沉积区的分布：河源及上游为侵蚀区，多成高山峡谷地貌并伴有粗碎屑沉积物；中游多为低山、丘陵宽谷地形、且多发育多级河流阶地，并发育不同厚度具有二元结构的冲积物；下游或出山口进入平原，往往形成河口冲积扇平原及开阔的冲积平原，形成巨厚的细碎屑冲基层。,第一章 工程地质条件成因演化论,1.3 中国工程地质条件分区分带的规律性,西部全球地壳厚度最大的青藏高原，厚达6070km，仅在柴达木盆地减薄至50km。由东向西逐渐变薄。东部沿海平原3035km。中间的广大地区是4050km。地壳厚度陡变带：青藏高原之南的喜马拉雅陡变带，北昆仑-祁连陡变带、东贺兰-龙门陡变带；中间带的兴安-太行-武陵陡变带；东南沿海和台湾存在2个规模较小的陡变带；西北地区阿尔泰、天山地壳厚度陡变带。上述8个陡变带为大的块体的结合部，与地表的高大山系向对应。,1.3.1 中国大地构造环境,1）地壳厚度,第一章 工程地质条件成因演化论,2）稳定台块与褶皱造山带的基本轮廓,地台：华北、扬子、塔里木最大的三块地台；喜马拉雅山以南印度地台的一部分；南海的南海地台。,褶皱区：准格尔-兴安褶皱区（蒙古褶皱带的一部分）；秦祁-昆仑褶皱区；青藏-滇西褶皱区；喜马拉雅褶皱系；,陆地增生褶皱系：东北的乌苏里-锡霍特褶皱带、华南褶皱系、台湾褶皱系。,3）新构造活动带（自学）,第一章 工程地质条件成因演化论,1.3.2 中国自然地理环境,1）地貌轮廓基本特征,地貌总轮廓西高东低，以青藏高原最高，向东逐级下降的）阶梯状斜面。（三个阶梯）,2）气候分区及其形成因素,按温度，由南到北：赤道带热带亚热带暖温带温带寒带按水分，由南到北：湿润半湿润半干旱干旱,辽阔的领土（漠河-曾母暗沙，纬度跨度49），海陆位置（欧亚板块、太平洋、印度洋），复杂的地形（地貌的三级），造就了气候多样性。,第一章 工程地质条件成因演化论,3）地壳表层沉积物,与地貌和气候环境分区相对应，地壳表层第四纪沉积也有如下自北向南的规律变化：沙漠黄土膨胀土红土淤泥质软土（东南沿海）,沙漠 南北宽600km，东西长4000km的弧形带分布于西北、华北和东北的部分土地上，面积约71104km2。以塔克拉玛干沙漠面积最大，连同戈壁，总面积达128104km2。厚度一般可达200400m，最厚达1800m（乌兰布和沙漠）。,黄土 分布于沙漠外缘，西起昆仑山，东南到淮阳、秦岭山地，总体呈带状展布。大致分3段：青海湖和青鞘岭以西（西段）；大兴安岭和太行山以东（东段）；两者之间的黄河中游地区（中断），该段黄土最为集中，面积约30104km2，平均海拔1000m，覆盖厚度约100200m。,第一章 工程地质条件成因演化论,膨胀土 主要分布于中南各省，如湖北、四川、云贵、广西、陕南、安徽等处。基性火山岩、中酸性火山岩、泥岩、粘土岩及页岩的风华产物，残积、坡积成因，多形成湿润的暖温带及亚热带。,红土 主要分布于南方各省区，以云贵、四川南部、两湖和两广北部等地区最为发育。厚度受下伏基岩起伏的影响，变化较大，一般在10m左右，个别地带可达到2030m。气候湿热、雨量充沛条件下，碳酸盐岩、玄武岩、页岩等岩石经强风华作用，残积、坡积而成。,淤泥质软土 东部、东南沿海、河流的河口三角洲及新淤淮地。在静水或水流缓慢、富含有机质、缺氧的环境中沉积并经生物化学作用而形成。天然含水量大于液限，一般软塑态，抗剪强度低，压缩性很强。,第一章 工程地质条件成因演化论,4）区域水文地质特征,与上述大地构造、地形地貌、气候特征、地表沉积特征相适应，水文地质条件具有明显的区域性特征：,孔隙、裂隙、岩溶等不同含水介质的空间分布具有区域规律性。中国东部冲击及沉降平原的孔隙含水层；西部山区的裂隙含水层；滇、黔、桂三省的裸露于地表的岩溶含水层。,由于降水的空间差异，产生了干旱、半干旱地区与东部湿润区水文地质条件的显著差异。,高寒地区形成的多年冻结层中特有的水文地质条件。,第一章 工程地质条件成因演化论,5）物理地质现象的区域性分布规律,与上述大地构造、地形地貌、气候特征、地表沉积特征、水文地质条件相适应，物理地质现象具有明显的区域性分布规律。不但不同地区内有不同性质的物理地质现象，同一性质的物理地质现象在不同地区也有不同的特点。我国从东南沿海到内陆腹地，湿度分配显著变化，从而引起外动力地质作用营力发生变化，由波浪，潮汐、地表水流和风等产生的物理地质现象也随作用营力的变化而产生明显的变化：,沙漠区，主导外动力地质作用是风的吹蚀和沉积，特有的物理地质现象为流动沙丘，随风流动。,第一章 工程地质条件成因演化论,黄土高原区，主导外动力地质作用是水土流失。沟谷溯源侵蚀形成无数的冲沟，密度高达5km/km2，成为黄土高原区特有的物理地质现象。冲沟两侧陡峭，多发育崩塌（小型）和滑坡（大型），灾害性大。黄土颗粒间有可溶性胶结物，在下渗水流的溶蚀、侵蚀作用下，就形成漏斗、竖井、陷穴等假岩溶现象，也为黄土高原区特有的物理地质现象。,中西部山区，内外地质动力作用下，多形成高山峡谷地貌，河谷两侧为基岩高陡谷陂，常见的物理地质现象为大型至巨型基岩崩塌及滑坡，在大型活动断裂带两侧尤为密集。泥石流也是这一地区的常见物理地质现象。,第一章 工程地质条件成因演化论,西南部，石灰岩广泛裸露于地表，岩溶为其典型的物理地质现象。,东北高纬地带及青藏高原多年冻结区，常见的物理地质现象：与厚层地下冰有关的物理地质现象如热融滑塌、热融沉陷、热融湖；与地下水有关的冰锥和冰丘以及与地表水有关的沼泽化湿地。,多种物理地质现象在不同的气候带，其特点有所不同，冻结现象和岩溶现象随地带特点变化最为明显,第一章 工程地质条件成因演化论,冻结现象具有明显的纬度分带和垂直分布性。纬度分带性：从北往南，随纬度的降低，多年冻结层厚度逐渐变薄直至消失而转化为季节冻结，到低纬度亚热带季节冻结层也消失。在多年冻结区内部，随纬度的降低，由连续多年冻结有岛状融区的多年冻结岛状多年冻结。垂直分布性：在青藏高原，随海拔高度的降低，冻结现象的特点也与上述类似。,第一章 工程地质条件成因演化论,由于秦岭南北的地质条件和气候条件差异很大，岩溶现象在北方和南方各有不同特点：北方：地表岩溶不发育，多为干谷，地下岩溶以网状溶蚀裂隙体系为主，地下通道扩展分异不显著，岩溶水分布较均匀，动态比较稳定。南方：地表岩溶及其发育（裸露地表的岩石），特有的溶蚀洼地、峰丛、峰林等形态。地下有发育的管道，溶蚀通道的扩展出现显著的分异现象，形成管道-溶蚀裂隙网络体系，其中的水流则为管道流与渗流并存，而以管道流的普遍存在为特征。水流分配极其不均、动态变化很大。,第一章 工程地质条件成因演化论,1.4 中国工程地质条件的组合类型,特定的大地构造环境与自然地理环境决定特有的工程地质条件诸多因素的组合，这些特有的组合称为组合类型。中国自西向东可以划分出多个组合类型：地形第一阶梯带：高原冻土型 地形第二阶梯带：干旱内陆盆地型、黄高高原型、红色盆地型、岩溶高原型 地形第三阶梯带：冲积平原型、滨海平原型、海口三角洲型、丘陵与山间盆地型,第一章 工程地质条件成因演化论,1.5 工程地质条件成因演化论,成因演化论是地质学基础理论。工程地质条件成因演化论可概括为：工程地质条件在长期自然地质历史发展演化过程中形成，自然地质历史发展演化的区域性规律和自然地理环境的分带性控制着工程地质条件及其空间分布和组合规律性。促使工程地质条件形成、发展演化的是内、外动力地质作用；它们相互依存而又相互制约，控制工程地质条件的形成和演化。,第二章 区域稳定性理论,2.1 概述,区域稳定性（regional stability）：指在内、外动力作用下、现今一定区域地球表层的相对稳定程度及其对工程建筑安全的影响程度。,第二章 区域稳定性理论,2.2 区域稳定性基本理论,2.2.1 区域地壳稳定性分析原理“安全岛”理论 构造控制理论,2.2.2 区域稳定性分级与分区理论,第二章 区域稳定性理论,2.3 区域稳定性研究基本内容,2.3.1 区域地壳结构与组成研究2.3.2 区域新构造运动与应力场研究2.3.3 区域断裂现今活动性研究2.3.4 区域地震活动与火山活动研究2.3.5 区域重大地质灾害研究区域稳定性评价理论与技术方法研究,第二章 区域稳定性理论,2.4 中国区域构造挽近期活动性概述,2.4.1 中国构造地貌基本特征,2.4.2 中国挽近期主要活动断裂带,2.4.3 中国挽近期气候、环境的变迁,2.4.4 中国挽近期以来岩浆活动和地热活动,2.4.5 中国的地震活动与挽近期构造应力场特征,2.4.6 中国挽近期构造活动分区概述,第二章 区域稳定性理论,2.5 区域稳定性分区评价,2.5.1 区域稳定性分级原则是在区域稳定性各因素或条件工程地质研究评价基础上进行的。首先是考虑地震作用，其次是考虑山体及地表稳定性和地震对岩土体稳定性的影响。按稳定性程度通常可划分为不稳定、次稳定、基本稳定和稳定四个级别。,2.5.3 区域稳定性评价因素及指标,2.5.2 区域稳定性分区,2.5.4 区域地壳稳定性评价指标,
