【正文】 福州大學(xué) 土木工程學(xué)院 2020 級 土木工程專業(yè) 土木工程地質(zhì)教案 （ 2020～ 2020 學(xué)年 2 學(xué)期） 授課教師 鄧 濤 巖土工程研究所 緒 論 一、主要研究內(nèi)容 工程地質(zhì)學(xué) （ engineering geology） 的基本概念 ： 是介于地學(xué)與工程學(xué)之間的一門邊緣交叉學(xué)科 。 它研究土木工程中的地質(zhì)問題，也就是研究在工程建筑設(shè)計、施工和運營的實施過程中合理地處理和正確地使用自然地質(zhì)條件和改造不良地質(zhì)條件等地質(zhì)問題。工程地質(zhì)學(xué)是為了解決地質(zhì)條件與人類工程活動之間矛盾的 一門實用性很強(qiáng)的學(xué)科 。 工程地質(zhì)條件 ： 由于地質(zhì)因素對工程建筑的利用和改造有影響，因而把這些地質(zhì)因素綜合稱為工程地質(zhì)條件，建筑場地及其鄰近地區(qū)的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、自然地質(zhì)作用與現(xiàn)象等都是工程地質(zhì)條件所包含的因素。 工程地質(zhì)條件與工程建設(shè)之間的矛盾問題 ： 地質(zhì)條件與人類工程活動之間矛盾 1. 地質(zhì)環(huán)境對工程活動的制約作用。 即地質(zhì)條件以一定的作用方式影響工程建設(shè)。 如：地震、軟土地基、巖溶洞穴、滑坡、崩塌?? 2. 人類的工程活動又反作用于地質(zhì) 環(huán)境。 如：大量抽取地下水引起地面沉降、海水入侵； 水庫修建誘發(fā)地震；人工開挖引起邊坡破壞； 工程地質(zhì)學(xué) 是地質(zhì)學(xué)的一個分支學(xué)科 ， 應(yīng)用地質(zhì)學(xué)的理論和方法，調(diào)查研究和解決工程建設(shè)有關(guān)的地質(zhì)問題的科學(xué)。研究目的是查明建設(shè)地區(qū)或建筑場地的工程地質(zhì)條件，預(yù)測和評價可能發(fā)生的工程地質(zhì)問題及對建筑物或地質(zhì)環(huán)境的影響，提出防治措施，以保證工程建設(shè)的正常進(jìn)行。 工程地質(zhì)問題解決的途徑和方法： 工程地質(zhì)工作的三大支柱： (1)構(gòu)造地質(zhì)與巖體結(jié)構(gòu) (2)工程地質(zhì)力學(xué) (3)地質(zhì)技術(shù) 工程地質(zhì)學(xué)的主要研究方法： (1)地質(zhì) 學(xué)方法 (2)實驗和測試方法 (3)計算方法 (4)模擬方法 工程地質(zhì)學(xué)的研究內(nèi)容 巖土體的分布規(guī)律及其工程地質(zhì)性質(zhì)研究 不良地質(zhì)作用 (地質(zhì)災(zāi)害 )及其防治研究 工程地質(zhì)勘察技術(shù)研究 區(qū)域工程地質(zhì)研究 二 、工程地質(zhì)學(xué)的 作用及其 發(fā)展 第一階段：第二次世界大戰(zhàn)到 60 年代 第二階段：到 60年代末 第三階段： 80 年代以來 第 1 章 礦物和巖石 概述 地 殼 （ Crust） 地球是一個實心的橢球體， 兩極稍扁平，赤道部分略向外突出，極半徑（ Polar radius）約為 6365km，赤道半徑（ Eguatorial radius）約為 6378km，平均半徑（ Average radius）約為 6371km。 由于目前勘探手段的限制，我們只能通過地震波來研究地球內(nèi)部的一些情況。根據(jù)地震波在地球內(nèi)部各部位傳播速度的變化，一般將地球內(nèi)部分為三個基本圈層。 地殼是地球表面很薄的一層硬殼，它的厚度從 5 公里到 40 公里不等。一般認(rèn)為平均厚度為 33km，人類工程活動都是在地殼表層進(jìn)行的，一般都不超過 1km。地殼與其下部分 的交界面稱為莫霍面（ Moho）。 地幔（ Mantle） 地殼向下是地幔部分，其厚度約為 2885km。其與以下部分也存在一個不連續(xù)面，叫古登堡面（ Gutenberg Discontinuily）。 地核（ Core ） 地幔以下的部分稱之為地核。 圖 11 地球的內(nèi)部圈層167。 主要造巖礦物 礦物 : 是天然 生成的，具有一定物理性質(zhì)和一定化學(xué)成分的物質(zhì)。 目前在自然界中已被發(fā)現(xiàn)的礦物多達(dá) 3000 余種。 主要造巖礦物 :在巖石中經(jīng)常見到 并 明顯影響巖石性質(zhì)，對鑒定和區(qū)別巖石種類起重要作用的礦物（約 20種） 。 一、 礦物的形態(tài)及主要物理性質(zhì) （一） 形態(tài) 通常，絕大多數(shù)礦物呈固態(tài)表現(xiàn)，只有個別礦物呈液態(tài)（如自然汞 Hg）。 不同的礦物常具有不同的形態(tài)和特征；同一種礦物在不同的地質(zhì)條件下，在其自身晶體結(jié)構(gòu)制約的范圍內(nèi)，又常出現(xiàn)不同的結(jié)晶習(xí)性。 礦物的形態(tài)，包括礦物單體、集合體及連生體的形態(tài)，我們主要介紹單體和集合體形態(tài)。 1． 單體形態(tài) 礦物單 體的形態(tài)主要從礦物單體的結(jié)晶習(xí)性來認(rèn)識。 在相同的生長條件下，一定成分的同種礦物，總是有著它自己特定的結(jié)晶形態(tài)。礦物晶體的這種性質(zhì)，就叫做該礦物的結(jié)晶習(xí)性。 礦物晶體之所以具有結(jié)晶習(xí)性，主要是由它的結(jié)構(gòu)和形成條件來決定的。由于礦物在形成過程中，所處的物理、化學(xué)條件變化幅度大，再加上相鄰各晶體對空間的相互爭奪，所以很難成為理想的結(jié)晶形態(tài)。 固體礦物又可分為結(jié)晶質(zhì)礦物和非結(jié)晶質(zhì)礦物兩大類。 （ 1） 結(jié)晶質(zhì)礦物 礦物內(nèi)部質(zhì)點呈有規(guī)律的周期性排列，形成空間結(jié)晶格子構(gòu)造。而礦物本身形成基本固定的規(guī)則形態(tài)。 （ 2） 非晶質(zhì)礦物 礦物內(nèi) 部質(zhì)點的排列沒有規(guī)律性，因而不具有規(guī)則的幾何外形。 非晶質(zhì)礦物又可分為： ① 玻璃質(zhì)礦物 由高溫熔融狀物質(zhì)迅速冷卻而成。如火山玻璃。 ② 膠體質(zhì)礦物 由分散相和分散媒組成的不均勻分散系中膠體顆粒凝聚而成。如蛋白石。 （ 3） 結(jié)晶質(zhì)礦物的單晶形態(tài) 由于礦物在生長發(fā)育過程中，在生長速度、空間方向、生長條件的不同，其形態(tài)也不相同。 ① 片狀、鱗片狀，如 云母 、 綠泥石 等。白云母可用作絕緣材料；黑云母可用作高溫防護(hù)眼鏡的鏡片。 白云母 綠泥石 ② 板狀，如斜長石、板狀石膏等； 斜長石 板狀石膏 ③ 柱狀，如角閃石、綠柱石、輝石 等； 角閃石 綠柱石 輝石 ④ 立方體狀，如巖鹽、方鉛礦、黃鐵礦等； 巖鹽 黃鐵礦 ⑤ 菱面體狀，如方解石、白云石等； 方解石 白云石 ⑥ 菱形十二面體狀，如石榴子石、磁鐵礦等。 石榴子石 磁鐵礦 （ 4） 礦物的集合體形態(tài) 自然界的礦物大多是以集合體的形式出現(xiàn)的，在研究礦物集合體形態(tài)時，對于晶體礦物來說，仍然以礦物的單體形態(tài)做基礎(chǔ)；而對于膠體礦物來說，則以其特有的外貌為依據(jù)。 ① 顯晶集合體 粒狀；片狀或鱗片狀；柱狀；針狀；纖維狀；枚 射狀。 ② 隱晶及膠態(tài)集合體 鮞狀；豆?fàn)?；結(jié)核狀；腎狀；葡萄狀；鐘乳狀。 此外，還有塊狀、土狀。 （二） 礦物的主要物理性質(zhì) 1． 光學(xué)性質(zhì) （ 1） 顏色 顏色是礦物明顯的特性，通常也是可靠的鑒別特征，在多種標(biāo)本中有些礦物總是表現(xiàn)出同一顏色。當(dāng)一種礦物顯示出多種顏色時，我們把這種現(xiàn)象稱為具有異常色彩。礦物中顏色的變化通常是由于礦物中摻雜了對礦物基本特征成分沒有影響的少量的化學(xué)雜質(zhì)造成的。當(dāng)純凈礦物為淺色或無色時，顏色變種現(xiàn)象比較普遍。例如：石英礦物，純凈時無色，然而石英也確實存在著其它顏色，如粉色、金黃色、煙棕色、紫色和常見的乳白色 。很明顯，石英并不能總是依據(jù)它自身的顏色來鑒別。 石英 需要注意的是這里的顏色是指礦物新鮮面的顏色。根據(jù)礦物顏色產(chǎn)生的原因，可分為自色、他色和假色三種。 ① 自色：礦物自身所固有的顏色。自色產(chǎn)生的原因，主要與礦物成分中某些色素離子的存在有關(guān)。如 Fe3+使赤鐵礦呈櫻紅色； Fe2+使普通角閃石、綠泥石呈暗綠色等。 赤鐵礦 普通角閃石 綠泥石 ② 他色：礦物因含外來帶色雜質(zhì)（一般也與色素離子有關(guān)）而引起的顏色。如石英常由于帶色的混入物而使之呈紫色、玫瑰色、煙灰色和黑色等。 ③ 假色：由某些物理化學(xué)因素引 起的呈色現(xiàn)象，如黃鐵礦表面因氧化薄膜引起的錆色（蘭紫混雜的斑駁色彩）。 （ 2） 條痕 條痕是指礦物粉末的顏色。一般是礦物在其它物體上摩擦后，留在此物體上的礦物粉末顏色。雖然一種礦物的顏色在不同的標(biāo)本中多種多樣，但條痕卻不是，它只有一種顏色。因而成為更可靠的鑒別特征。條痕還可以幫助把金屬光澤的礦物與非金屬光澤的礦物區(qū)分開。金屬礦物一般具有濃而暗的條痕，而非金屬礦物并沒有這一特征。 大多數(shù)淺色礦物的條痕是無色或淺色的，某些深色礦物的條痕與顏色相同，這些礦物的條痕對鑒別礦物無用。只有礦物的條痕與其顏色不同的某些深色礦物才 是有用的鑒別礦物的特征。例如：角閃石這黑綠色，條痕為淡綠色；輝石為黑色，條痕為淺綠色；黃鐵礦為銅黃色，條痕為黑色等。 （ 3） 光澤 礦物表面對光的反射能力稱光澤。可根據(jù)反射光由強(qiáng)到弱次序為：金屬光澤、半金屬光澤、非金屬光澤。 其中非金屬光澤又可分為：金剛光澤、玻璃光澤、油脂光澤、珍珠光澤、絲絹光澤、土狀光澤。 （ 4） 透明度 礦物透光能力的大小，稱為礦物的透明度。分為三級：透明、半透明、不透明。例如：純凈的石英單晶體和純凈方解石組成的冰洲石（雙折射現(xiàn)象）為透明礦物；多數(shù)造巖礦物為半透明礦物，如一般石英集合體、滑石等；金屬礦 物則為不透明礦物，如黃鐵礦、方鉛礦、磁鐵礦等。 冰洲石 2． 力學(xué)性質(zhì) （ 1） 硬度 礦物的硬度是指礦物抵抗外力刻劃的能力。測定硬度的絕對值需要特殊裝置。一般應(yīng)用相對硬度。以實際礦物為標(biāo)準(zhǔn)，這就是摩氏硬度計。摩氏硬度計中共有十種已知硬度的礦物，它們是： 1176。 滑石 ； 2176。 石膏； 3176。 方解石； 4176。 螢石； 5176。 磷灰石； 6176。 長石； 7176。 石英； 8176。 黃玉； 9176。 剛玉； 10176。 金剛石。 滑 石 石 膏 方解石單晶 螢 石 磷灰石 正長石 石 英 黃玉 剛玉 金剛石 低碳鋼小刀硬度 ～ 176。 指甲硬度 ～ 176。 玻璃片硬度 ～ 176。 （ 2） 解理（劈開） 礦物晶體受外力敲擊時，能夠沿一定方向裂開的性能稱為礦物的解理性，開裂的平面稱為解理面。 根據(jù)礦物產(chǎn)生解理性能強(qiáng)弱程度的不同，一般將解理分為： ① 極完全解理 晶體可裂成薄片，解理面大而平 整、光滑，這種礦物不出現(xiàn)斷口，如云母； ② 完全解理 晶體常沿解理面裂成小塊，解理面平整但不大，這種礦物不易出現(xiàn)斷口，如方鉛礦； ③ 中等解理 晶體上既有解理又有斷口，解理面小而不光滑，如角閃石； ④ 不完全解理 晶體上常見斷口，偶見解理，如橄欖石。 解理是沿礦物軟弱結(jié)合面裂開的趨向性。具有解理的礦物是由礦物裂開時產(chǎn)生平滑的面來認(rèn)定的。最簡單的解理實例莫過于云母。由于云母在一個方向上具有極完全解理，它們可裂成平滑而薄的薄片。有些礦物具有幾個解理面，有些礦物表現(xiàn)為缺乏解理，而另一些礦物完全沒有解理。當(dāng)?shù)V物裂開的方向超過一 個時，可用解理面的數(shù)量和解理面之間的夾角來描述。 解理不要與晶形混淆。一種礦物表現(xiàn)出解理時，可以裂成與其原樣一致的碎塊（片）。作為對比，無解理的石英，在其裂開時，不可能裂成與原晶體一樣的形狀。 （ 3） 斷口 完全不具有解理性的礦物，在錘擊后沿任意方向發(fā)生不規(guī)則斷裂，其斷裂面稱為斷口。 根據(jù)斷口形態(tài)可分為： ① 貝殼狀斷口，如石英； ② 參差狀斷口； ③ 平坦?fàn)顢嗫冢? ④ 鋸齒狀斷口； ⑤ 土狀斷口。 有些礦物如石英如上所述不表現(xiàn)解理性，且在開裂時常出現(xiàn)斷口。那些裂成平滑而彎曲的面，類似于碎玻璃具有的貝殼狀斷口；另一些礦物裂成尖片 狀 纖 維，但大多數(shù)礦物的斷口則是不規(guī)則的。 二、主要造巖礦物及其鑒定特征 參見教材 P8。 1． 石英； 2． 正長石； 3． 斜長石； 4． 白云母； 5． 黑云母； 6． 普通角閃石； 7． 普通輝石； 8． 橄欖石； 9． 石榴子石； 10． 方解石； 11． 白云石； 12． 滑石； 13． 蛇紋石； 14． 綠泥石； 15． 硬石膏； 16． 石膏； 17． 黃鐵礦； 18． 高嶺石； Al4[Si4O10](OH)8，純凈者為白色，單斜或三斜晶系。一般呈土狀塊體產(chǎn)出，硬度近于 1，斷口平坦，比重為 左右，干燥時粘舌，用手易搓成粉末，潮濕時具有可塑性。 19． 蒙脫石；（又稱微晶高嶺石或膠嶺 石） (Na,Ca)(Al,Mg)2[Si4O10](OH)2nH2O，單斜晶系，水的含量變化大，通常呈土狀塊體產(chǎn)出，白色，有時帶淺紅、淺綠色。光澤暗淡，硬度 1，比重 2，吸水性強(qiáng)。吸水后其體積能膨脹增大幾倍到十幾倍。 20． 伊利石。 K1Al2[(Al,Si)Si3O10](OH)2nH2O，單斜晶系，常呈鱗片狀塊體產(chǎn)出，白色。水的含量變化大，并具有膨脹性和可塑性