工程地质基础知识讲座.ppt
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1、工程地质基础知识讲座,中铁西南科学研究院有限公司 王石春 研究员,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。,我们作为搞工程建设的专门人才,必须具备坚实的地质学的基础知识。俗语说的好,有了
2、牢固的基础,上层建筑才会稳固。当然作为有一定专业基础的新生力量的你们,进一步重视和掌握必要的地质基础理论和专业技能也是十分重要的。学地质的要学工程,要有明确的工程概念,学其他学科的人员,要有认识地质环境条件的必要基础,搞不清工程载体岩土体的特性,是搞不好工程设计和施工的。,二、岩层及岩层产状,2.1 岩层构造运动引起地壳岩石变形和变位,这种叫变形、变位被保留下来的形态被称为地质构造。地质构成有三种主要类型:倾斜岩层、褶皱和断裂。岩层的空间分布状态称岩层产状。岩层按其产状分为水平岩层、倾斜岩层和直立岩层。水平岩层 指岩层角为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
3、,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,抬升、下降的地区。一般分布在平原、高原或盆地中部。水平岩层中新岩层总是位于老岩层之上。当岩层受切割时,老岩层出露在河谷低洼区新岩层出露于高岗上。在同一高程的不同地点,出露的是同一岩层。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
4、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 岩层产状要素及真倾角与视倾角的关系,走向
5、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)中的角。,当观察剖面与岩层走向斜交时,岩层与该剖面的交线称视倾斜线,如图3(b)中的HD和HC。视倾斜线在水平面的投影线称视倾向线(分别为OD和OC),视倾斜线与视倾向线之间的夹角称视倾角,如图3中的角。视倾角小于真倾角。视倾角与真倾角的关系为 tg=tgsin 式中,为视倾向线
6、(即观察剖面线)与岩层走向线之间的夹角。,(二)产状要素的测量、记录和图示 产状要素的测量 岩层各产状要素的具体数值,一般在野外用地址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。象限角法 以东、南、西、北为标志,将水平线划分为4个象限,以正南或正北方向为0,正东或正西方向为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 N45E 30SE 表示该岩层产状走向N45E,倾角30,倾向SE。方位角法 将水平面按顺时针方向划分为3
7、60,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。,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,小的褶皱构造在手标本上也可见到。褶皱构造中任何一个单独的弯
8、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
9、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
10、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,2.按褶曲纵剖面形态分类 即按枢纽产状分类,参见图4.水平褶曲:枢纽近于水平,呈直线状延伸较远,两翼岩层界线基本平行,参见图4(a)。若褶曲长宽比大于10:1,在平面上呈长条状,称为线状褶曲。.倾伏褶曲:枢纽向一端倾伏,另一端昂起,两翼岩层界线不平行,在倾伏端交汇成封闭弯曲线。参见图
11、4(b)。若枢纽两端同时倾伏,则两翼岩层界线呈环状封闭,其长宽比在10:13:1之间时,称为短轴褶曲。其长宽比小于3:1时,脊斜称为穹窿构造,向斜称为构造盆地。,(三)褶曲的岩层分布判别 岩层受力挤压弯曲后,形成向上隆起的背斜和向下凹陷的向斜,但经地表引力的长期改造,或地壳运动的重新作用,原有的隆起或凹陷在地表面有时可以看不出来。为对褶曲形态做出正确的鉴定,此时应主要根据地表面出露岩层的分布特征进行判别。一般来讲,当地表岩层出现对称重复时,则有褶曲存在。如核部岩层老,两翼岩层新,则为脊斜;如核部岩层新,两翼岩层老,则为向斜。参见图4.然后,根据两翼岩层产状则可具体判别其横、纵剖面上褶曲形态的具
12、体名称。,3.2 褶皱构造的类型有时,褶曲构造在空间不是呈单个背斜或单个向斜出现,而是以多个连续的背斜和向斜的组合形态出现。按其组合形态不同可分为:.复背斜与复向斜 是由一系列连续弯曲的褶曲组成的一个大背斜或大向斜,前者称复背斜,后者称复向斜。复背斜和复向斜一般出现在构造运动作用强烈的地区。.隔档式与隔槽式 由一系列的轴线在平面上平行延伸的连续弯曲的褶曲组成。当背斜狭窄,向斜宽缓时,称隔档式;当背斜宽缓时,向斜狭窄时,称隔槽式。这两种褶皱多出现在构造运动相对缓和地区。,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
13、两侧岩层沿断裂面有无明显的相对位移,有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、
14、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(4
15、5/2)角度相交,其中为岩石内摩擦角。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35mm;.微张节理:节理缝宽度为13mm;.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
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