项目2 工程地质分类识别

任务1 地质构造

任务引入

我们生活中常遇见的土木工程，例如，公路、铁路、涵洞、房屋建筑及地铁工程等，都是修建在地表或地下的建筑物或构筑物。场地的自然环境和工程地质条件，与工程设计、施工与运营密切相关。无论是工程的总体布局、场地或线路的选择还是具体项目施工方案的确定、技术参数的选取，都必须在查清和测试场地的工程地质构造和水文地质条件的基础之上进行，因此，有必要对基本的工程地质构造知识和水文地质条件进行初步了解。

相关知识

1. 地质年代

地质年代是指一个地层单位或地质事件的时代和年龄。地质年代包含两种意义：其一是地质事件从发生至今的年龄，称为绝对年代；其二是各种地质事件发生的先后顺序，称为相对年代。

（1）绝对年代。绝对年代是利用岩石中残留的放射性元素的蜕变，测定岩石形成后所经历的实际年代（龄），是用距今多少年来表示的。

（2）相对年代。相对年代是指根据岩石的相对新老关系（形成的先后顺序）建立起来的时代顺序。相对年代主要是依据岩层的沉积顺序、生物演化规律和岩层间相互的接触关系等方面来确定的，只能表示先后顺序，不包括各个时代延续的长短。

（3）地质年代表。按时代早晚顺序表示地史时期的相对地质年代和同位素年龄值的表格。计算地质年代的方法有以下两种。

① 根据生物的发展和岩石形成顺序，将地壳历史划分为对应生物发展的一些自然阶段，即相对地质年代。它可以表示地质事件发生的顺序、地质历史的自然分期和地壳发展的阶段。

② 根据岩层中放射性同位素蜕变产物的含量，测定出地层形成和地质事件发生的年代，即绝对地质年代。据此可以编制出地质年代表，如表1-1所示。

研究地壳历史时，把地史划分为5个代，代以下再分为纪、世、期等；与地质时代单位相应的地层单位称为界、系、统等。

2. 地壳运动与地质作用

（1）地壳运动。地壳运动又称构造运动，主要是指由地球内力引起岩石圈的变形、变位的作用。地壳运动按其运动的方向分为水平运动和垂直运动。

（2）地质作用。地质作用是指由自然动力引起地球（最主要的是地幔和岩石圈）的物质组成、内部结构和地表形态发生变化的作用。按照能源和作用部位不同，地质作用分为内动力地质作用和外动力地质作用。内动力地质作用是由地球内部的能量（简称内能）引起的，主要有地内热能、重力能、地球旋转能、化学能、结晶能等；外动力地质作用是由地球以外的能量（简称外能）引起的，主要有太阳辐射能、潮汐能、生物能等。

3. 水平构造和单斜构造

水平构造是指未经构造变动的沉积岩层，形成时的原始产状是水平的，先沉积的老岩层在下，后沉积的新岩层在上，如图1-10所示。

单斜构造是指原来水平的岩层，在受到地壳运动的影响后产状发生变动，岩层向同一个方向倾斜，如图1-11所示。

岩层是指由同一岩性组成的，由两个平行或近于平行的界面所限制的层状岩石。岩层的产状是指岩层在地壳中的空间方位，是以岩层面的空间方位及其与水平面的关系来确定的。

确定岩层在空间分布状态的要素称为岩层的产状要素，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、倾角，这三者统称为岩层的产状三要素，如图1-12所示。

岩层产状要素的表示方法有文字表示法和符号表示法两种。文字表示法多用于野外记录和文字报告，而符号表示法多用于地质图件。

（1）文字表示法。目前通用的是采用方位角法表示，也有用象限角法表示的。

（2）符号表示法。在地质图件上，为了简单醒目地表示岩层面的产状，通常使用符号表示法，各符号的意义如下。

——长线代表走向，短线代表倾向，数字代表倾角；

——水平岩层（倾角在0°~5°）；

——直立岩层（箭头指向较新岩层）；

——倒转岩层（箭头指向倒转后的倾向，即指向老岩层，数字代表倾角）。

4. 褶皱构造

地质构造是指缓慢而长期的地壳运动使岩石发生变形，产生相对位移，变形后所表现出来的各种形态。地质构造在层状岩体中表现显著，主要有褶皱构造和断裂构造两种基本类型。

褶皱构造是地质构造的主要类型之一，它是岩层受到构造运动作用后，在未丧失连续性的情况下产生的弯曲变形。

（1）褶曲的概念。褶皱构造中的一个单独的弯曲叫褶曲，褶曲是组成褶皱的基本单元。褶曲的基本形式有背斜和向斜两种。岩层向上弯曲，核心部位的岩层时代较老，而两侧岩层时代较新，称为背斜。岩层向下弯曲，核心部位的岩层较新，而两侧岩层较老，称为向斜。

（2）褶曲要素。为了正确地描述和表示褶曲在空间的形态特征，对褶曲的各个组成部分均取了一定的名称，称为褶曲要素，主要包括核部、翼部、轴面、轴线、枢纽、脊线、槽线等。

（3）研究褶曲的实用意义。褶皱构造很普遍，无论是对矿产资源、地下水资源的寻找，还是对土木工程、水利工程的建设，查明褶曲的存在及其形态特点均具有重要意义。

由于褶皱核部岩层受水平挤压作用，产生许多裂隙，直接影响岩体的完整性和强度，在石灰岩地区还往往使岩溶较为发育。在核部布置各种建筑工程必须注意岩层的坍落、漏水及涌水问题。

在褶皱翼部布置建筑工程时，开挖边坡的走向近于平行岩层走向，且边坡倾向与岩层倾向一致，边坡坡角大于岩层倾角，则容易造成顺层滑动现象。

对于隧道等深埋地下的工程，一般应布置在褶皱翼部。

5. 断裂构造

在构造运动中，岩石或岩块受地应力作用超过其断裂强度以后，岩石或岩块失去连续性而发生断裂，所产生的地质构造称为断裂构造。

根据断裂面两侧岩体产生位移的大小情况，断裂构造分为两大类：一类是没有或只有微小断裂变位的节理；另一类是沿着断裂面有明显相对位移的断层。

（1）节理。节理是指岩石受力断开后，断裂面两侧岩块沿断裂面没有明显相对位移时的断裂构造。节理的断裂面称为节理面。节理的分类主要从两个方面考虑：一方面是与岩层产状的几何关系；另一方面是其力学性质和成因。

（2）断层。断层是指岩石在构造应力作用下发生断裂，沿断裂面两侧的岩块发生明显的相对位移的断裂构造。

① 断层的几何要素，为阐明断层的空间分布状态和断层两侧岩块的运动特征，将断层各组成部分赋予了一定的名称，称为断层要素，如图1-13所示。

② 断层的组合类型。

（a）阶梯状断层。在剖面上各个断层的上盘呈阶梯状向同一方向依次下降，这样的断层组合类型称阶梯状断层，如图1-14所示。

（b）地堑和地垒。两组走向大致平行的正断层，其中间地层为共同的下降盘，两边地层相对上升的断层组合形式，称为地堑；两组走向大致平行的正断层具有共同的上升盘，两边岩块相对下降的断层组合形式，称为地垒，如图1-15所示。

（c）叠瓦式构造。由一系列平行的逆断层排列组成，从剖面上看，各断层的上盘依次上冲，形似屋顶瓦片样依次叠覆，称为叠瓦式构造，如图1-16所示。

任务实施

步骤1：利用计算机及手机进行网络信息检索和查阅图书资料对比，指出图1-17所示的褶曲构造中的A~D分别是何种类型？

步骤2：观察图1-18所示的实景图，判断所属的褶曲构造类型，并分别讨论其成因及发展。

任务2 水文地质

任务引入

水文地质是指自然界中地下水的各种变化和运动的现象。水文地质学是研究地下水的科学。它主要是研究地下水的分布和形成规律、地下水的物理性质和化学成分、地下水资源及其合理利用、地下水对工程建设和矿山开采的不利影响及其防治等。随着科学的发展和生产建设的需要，人们越来越发现、工程建设所在地的水文地质条件对于土方开挖、基础施工以及地下空间的开发利用方面有着重要影响。

相关知识

1. 地下水及其赋存介质

自然界中的水循环如图1-19所示，埋藏和运移在地表以下岩土空隙中的水称为地下水。岩石的空隙既是地下水储存场所，又是地下水的渗透通道，空隙的多少、大小及其分布规律决定着地下水分布与渗透的特点。

岩土按其透水性的强弱分为透水、半透水和不透水三类。透水的（有时包括半透水的）岩土层称为透水层。能够给出并透过相当数量重力水的岩土层称为含水层。不能给出并透过水的岩层称为隔水层，有的隔水层可以含水，但是不具有允许相当数量的水透过自己的性能，例如，黏土就是这样的隔水层。常见岩土在常压下按透水程度的分类如表1-2所示。

（1）水在岩土中的存在形式。一般将水在空隙中存在形式分为五种，即气态水、结合水、毛细水、重力水和固态水。

（2）地下水的水质。地下水的物理性质和化学成分，对于确定地下水对混凝土等的侵蚀性，进行各种用水的水质评价等，都有着实际意义。

2. 地下水的类型

（1）按埋藏条件分类。地下水按埋藏条件分为包气带水、潜水和承压水，如图1-20所示。

① 包气带水。包气带是指位于地球表面以下、重力水面以上的地质介质，多为吸着水或薄膜水，而重力水较少。如果下渗水多时，可出现较多的重力水。包气带水主要做垂直方向上的运动，例如，重力水常由上向下运动、毛细水由下向上运动。包气带水主要包括土壤水、上层滞水、沼泽水、沙漠及滨海沙丘中的水及基岩风化壳（黏土裂隙）中季节性存在的水等。

（a）土壤水。包气带表层土壤中的气态水、结合水、毛细水和下渗的重力水统称为土壤水。其主要特征是受气候控制，季节性明显，变化大，雨季水量多，旱季水量少，甚至干涸。土壤水不能直接被人们取出应用，但对农作物和植物有重要作用。

（b）上层滞水。储存于包气带中局部隔水层之上的重力水称为上层滞水。上层滞水从供水角度看意义不大，但从工程地质角度看，上层滞水会突然涌入基坑，危害基坑施工安全；还可能减弱地基土强度，引起土质边坡滑坍，黄土沉陷；在寒冷地区，则易引起道路的冻胀和翻浆等病害。

② 潜水。埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具有自由水面的重力水称为潜水。潜水主要分布于第四纪松散沉积层中，露出地表的裂隙岩层或岩溶岩层中也有潜水分布。潜水的埋藏深度和含水层的厚度受气候、地形和地质条件的影响，变化甚大。在地形强烈切割的山区，埋藏深度可达几十米甚至更深。潜水通过包气带与地表相通，所以大气降水，地表水和凝结水可直接渗入补给潜水，成为潜水的主要补给来源。

潜水在重力作用下由高处向低处流动，形成地下径流。

潜水面常以潜水等水位线图表示。潜水等水位线图是潜水面上标高相等各点的连线图。将该地区的潜水人工露头（钻孔、探井、水井）和天然露头（泉、沼泽）的水位同时进行测定，绘在地形等高线图上，连接水位相等的各点即得潜水等水位线图。

③ 承压水。充满于两个稳定的隔水层之间的含水层中的重力水称为承压水。当钻孔或打井打穿隔水顶板时，这种水能沿钻孔或井上升；若水压力较大时，甚至能喷出地表形成自流，这时也称自流水。承压水的形成主要取决于地质构造，最适合形成承压水的地质构造是向斜构造和单斜构造。承压水的水头压力能引起基坑突涌，破坏基底的稳定性；承压水一般水量较大，隧道和桥基施工若钻透隔水顶板，会造成突然而猛烈的涌水，处理不当将带来重大损失。

（2）按含水层性质分类。地下水按含水层性质分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。

① 孔隙水。在孔隙含水层中储存和运移的地下水称为孔隙水。孔隙含水层主要是第四纪的松散沉积物，根据孔隙含水层埋藏条件的不同，有孔隙上层滞水、孔隙潜水和孔隙承压水三种基本类型。

② 裂隙水。储存并运移于裂隙介质中的地下水称为裂隙水。它主要分布在山区和第四系松散覆盖层下的基岩中，裂隙的性质和发育程度决定了裂隙水的存在和富水性。岩石的裂隙按成因可分为风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙三种类型，相应地也将裂隙水分为三种，即风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水。

③ 岩溶水。储存并运移于可溶岩的孔隙、裂隙以及溶洞中的地下水称为岩溶水。它可以是潜水，也可以是承压水。一般来说，在裸露的石灰岩分布区的岩溶水主要是潜水；当岩溶化岩层被其他岩层所覆盖时，岩溶潜水可能转变为岩溶承压水。总的来看，岩溶水虽属地下水，但许多特征与地表水相近，只是因为埋藏于地下，所以比地表水更为复杂。

如果在工程建筑地基内有岩溶水活动，这不但会在施工中出现突然涌水的事故，而且对建筑物的稳定性也有很大影响。因此在建筑场地和地基选择时应进行工程地质勘察，针对岩溶水的情况，用排除、截源、改道等方法处理，例如，修造排水、截水沟，筑挡水坝，开凿输水隧洞等。

3. 地下水对土木工程的影响

在土木工程建设中，地下水常起着重大作用。地下水对土木工程的不良影响主要有：地下水位上升，可引起浅基础地基承载力降低；地下水位下降会使地面产生附加沉降；不合理的地下水流动会诱发某些土层出现流砂现象和机械潜蚀；地下水对位于水位以下的岩土层和建筑物基础会产生浮托作用；某些地下水会对混凝土产生腐蚀等。

（1）地面沉降。松软土地区大面积抽取地下水，将造成大规模的地面沉降。由于抽水引起含水层水位下降，导致土层中孔隙水压力降低，颗粒间有效应力增加，地层压力超过一定限度，即表现出地面沉降。

地面沉降是一个环境工程地质问题。它给建筑物、管道及城市道路都带来很大危害。地面沉降还会引起向沉降中心的水平移动，使建筑物基础、桥墩错动，铁路和管道扭曲拉断等。

控制地面沉降最好的方法是合理开采地下水，多年平均开采量不能超过平均补给量。在地面沉降已经严重发生的地区，对含水层进行回灌可使地面沉降适当恢复。

（2）地面塌陷。地面塌陷是松散土层中所产生的突发性陷落，多发生于岩溶地区。地面塌陷多为人为局部改变地下水位引起的，例如，地面水渠或地下输水管道渗漏可使地下水位局部上升，基坑降水或矿山排水疏干引起地下水位局部下降，这些现象都可导致在短距离内出现较大的水位差，水力坡度变大，从而增强地下水的潜蚀能力，对地层进行冲蚀、掏空，形成地下洞穴。当穴顶失去平衡时便发生地面塌陷。地面塌陷危害很大，破坏农田、水利工程、交通线路，引起房屋破裂倒塌、地下管道断裂。

为杜绝地面塌陷的发生，在重大工程附近应严格禁止能引起地下水位大幅改变的工程施工，如果必须施工，则应进行回灌，以保持附近地下水位不要有大的变化。

（3）流砂。流砂是指松散细小的土颗粒在动水压力下产生的悬浮流动现象。地下水自下而上渗流时，当地下水的动水压力大于土粒的浮容重或地下水的水力坡度大于临界水力坡度时，使土颗粒的有效应力等于零，土颗粒悬浮于水中，随水一起流出就会产生流砂。在地下水位以下的颗粒级配均匀的细砂、粉砂、粉质黏土中进行工程活动，如开挖基坑、埋设地下管道、打井等容易引起流砂。流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或破坏建筑物的地基，给施工带来很大困难，或直接影响建筑工程及附近建筑物的稳定。如果在沉井施工中，产生严重流砂，此时沉井会突然下沉，无法用人力控制，以致发生倾斜，甚至发生重大事故。

在可能产生流砂的地区，若上面覆有一定厚度的土层，应尽量利用上覆土层做天然地基，或者用桩基础穿过易发生流砂的地层，尽可能地避免开挖。如果必须开挖，可用以下方法处理流砂。

① 人工降低地下水位，使地下水位降至可能产生流砂的地层以下，然后开挖。

② 打板桩。在土中打入板桩，它一方面可以加固坑壁，另一方面增长了地下水的渗流路径，减小了水力坡度。

③ 冻结法。用冷冻方法使地下水结冰，然后开挖。

④ 水下挖掘。在基坑（或沉井）中用机械在水下挖掘，为避免因排水导致流砂的水头差，增加砂土层的稳定，也可向基坑中注水并同时进行挖掘。

⑤ 化学加固法、爆炸法及加重法等。在基槽开挖的过程中局部地段出现流砂时，立即抛入大块石等，可以阻止流砂的进一步发展。

（4）管涌。管涌也称为潜蚀，可分为机械潜蚀和化学潜蚀两种。机械潜蚀是指土粒在地下水的动水压力作用下受到冲刷，将细的土颗粒带走，使土的结构破坏，形成一种近似于细管状的渗流通道，从而掏空地基或坝体，使地基或斜坡变形、失稳。化学潜蚀是指地下水溶解水中的盐分，使土粒间的结合力和土的结构破坏，土粒被水带走，形成洞穴的作用。这两种作用一般是同时进行的。在地基土层内如果发生地下水的潜蚀作用，将会破坏地基土的强度，形成空洞，产生地表塌陷，影响建筑工程的稳定。在我国的黄土及岩溶地区的土层中，经常有潜蚀现象产生，因此修建建筑物时应予以注意。

对潜蚀的处理可以采取堵截地表水流入土层、阻止地下水在土层中流动、设置反滤层、改造土的性质、减小地下水流速和降低水力坡度等措施。

（5）浮托作用。当建筑物基础底面位于地下水位以下时，地下水对基础底面产生静水压力，即产生浮托力。地下水不仅对建筑物基础产生浮托力，同样对其水位以下的岩石、土体也产生浮托力。

（6）基坑突涌。当基坑下伏有承压含水层时，开挖基坑减小了隔水层顶板的厚度。当隔水层较薄经受不住承压水头压力作用时，承压水的水头压力会冲破基坑底板，这种工程地质现象称为基坑突涌。在基坑开挖时，如果基坑开挖后的坑底隔水层的厚度小于安全厚度，为防止基坑突涌，则必须对承压含水层进行预先排水，以降低承压水头压力。

（7）地下水对混凝土的侵蚀。土木工程建筑物，如房屋及桥梁基础、地下洞室衬砌和边坡支挡建筑物等，都要长期与地下水相接触，地下水中各种化学成分与建筑物中的混凝土产生化学反应，使混凝土中的某些物质被溶蚀，强度降低，结构遭到破坏；或者在混凝土中生成某种新的化合物，这些新化合物生成时体积膨胀，从而使混凝土开裂破坏。

地下水对混凝土的侵蚀性除与水中各种化学成分的单独作用及相互影响有密切关系外，还与建筑物所处环境、使用的水泥品种等因素有关，必须综合考虑。

任务实施

步骤1：利用计算机及手机进行网络信息检索和查阅图书资料对比，分析图1-21所示的景观是什么水文地质条件形成的？

步骤2：观察图1-22所示的施工现场，结合前面介绍的水文地质知识，分析在基坑施工中，可能出现什么现象？遇到这类现象，应如何处理？