导图社区 地质构造及其对工程的影响
《工程地质学》中“地质构造及其对工程的影响”的知识导图,构造变动在岩层和岩体中遗留下来的各种构造形迹,称为地质构造。
编辑于2021-05-08 15:05:04地质构造及其对工程的影响
定义:构造变动在岩层和岩体中遗留下来的各种构造形迹,称为地质构造
水平构造和单斜构造
水平构造:未经构造变动的沉积岩层,其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,称为水平构造
单斜构造:原来水平的岩层,在受到地壳运动的影响后,产状发生变动。其中最简单的一种形式,就是岩层向同一个方向倾斜,形成单斜构造。
单斜构造往往是褶曲的一翼,断层的一盘或者是局部地层不均匀的上升或下降所引起。
岩层产状
岩层在空间的位置,称为岩层产状
倾斜岩层的产状,是用岩层层面的走向,倾向和倾角三个产状要素来表示的
走线
岩层层面与水平面交线的方位角。表示岩层在空间延伸的方向
倾向
垂直走向顺倾斜斜面向下引出一条直线,此直线在水平面的投影的方位角,称为岩层的倾向。表示岩层在空间的倾斜方向
倾角
岩层层面与水平面所夹的锐角。表示岩层在空间倾斜角度的大小。
岩层产状的测定及表示方法
野外是用地质罗盘直接在岩层的层面上测量的。
褶皱构造
定义:组成地壳的岩层,受构造应力的强烈作用,使岩层形成一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造,称为褶皱构造。褶皱构造是岩层产生的塑形变形,是地壳表层广泛发育的基本构造之一
褶曲
褶皱构造中的一个弯曲,称为褶曲。褶曲是褶皱构造的组成单位
褶曲要素
核部
翼
轴部
轴
枢纽
类型
背斜(新包旧)
向斜(旧包新)
无论是背斜褶曲,还是向斜褶曲,如果按褶曲的轴面产状,可将褶曲分为
直立褶曲
倾斜褶曲
倒转褶曲
平卧褶曲
(按褶曲枢纽产状)
水平褶皱
倾伏褶曲
当褶曲的枢纽倾伏时,在水平面上会看到褶曲的一翼逐渐转向另一翼,形成一条圆滑的曲线。在平面上,褶曲从一翼弯向另一翼的曲线部分,称为褶曲的转折端,在倾伏背斜的转折端,岩层向褶曲的外方倾斜(外倾转折)。在倾伏向斜的转折端,岩层向褶曲的内方倾斜(内倾转折)。在平面上倾伏褶曲的两翼岩层在转折端闭合,是区别于水平褶曲的一个显著标志
在褶曲构造中,褶曲的轴面产状和两翼岩层的倾斜程度,常和岩层的受力性质及褶皱的强烈程度有关
在褶曲不太强烈和受力性质比较简单的地区,一般多形成两翼岩层倾角舒缓的直立褶曲或倾斜褶曲;在褶皱强烈和受力性质比较复杂的地区,一般两翼的倾角较大,褶曲紧闭,并常形成倒转或平卧褶曲
(按褶曲的长宽比例)
线性褶曲(长宽比大于10:1,延伸的长度大而分布宽度小)
褶曲向两端倾伏,长宽比介于10:1~3:1之间,呈长圆形的,如是背斜,称为短背斜;如是向斜,称为短向斜。
长宽比小于3:1的圆形背斜称为穹隆;向斜称为“构造盆地。(两者均为构造形态,不能于地形上的隆起和盆地相混淆)
褶皱构造
褶皱是褶曲的组合形态,两个或两个以上褶曲构造的组合,称为褶皱构造
在褶曲比较强烈的地区,单个的褶曲比较少见,一般情况都是线性的背斜与向斜相间排列,以大体一致的走向平行延伸,有规律的组合成不同形式的褶皱构造。
褶皱构造的工程地质评价和野外观察
褶皱构造的工程地质评价
无论是向斜褶曲还是背斜褶曲,在褶曲的翼部遇到的,基本是单斜构造,也就是倾斜岩层的产状与路线或隧道走向的关系问题。
倾斜岩层对建筑物的地基,一般来说,没有特殊不良的影响,但对于深路堑,挖方高边坡及隧道工程等,则需要根据具体情况作具体分析。
对于深路堑和高边坡来说,路线垂直岩层走向,或路线与岩层走向平行但岩层倾向与边坡倾向相反时,只就岩层产状与路线走向的关系而言,对路基边坡的稳定性是有利的;不利的情况是路线走向与岩层的走向平行,边坡与岩层的倾向一致,特别在云母片岩,绿泥石片岩,滑石片岩,千枚岩等松软岩石分布地区,坡面容易发生风化剥蚀,产生严重碎落坍塌,对路基边坡及路基排水系统会造成经常性的危害;最不利的情况是路线与岩层走向平行,岩层倾向与路基边坡一致,而边坡的坡角大于岩层的倾角,特别在石灰岩,砂岩与黏土质页岩互层,且有地下水作用时,如路堑开挖过深,边坡过陡,或者由于开挖使软弱构造面暴露,都容易引起斜坡岩层发生大规模的顺层滑动,破坏路基稳定。
对于隧道工程来说,从褶曲的翼部通过一般是比较有利的。如果中间有松软岩层或软弱构造面时,则在顺倾向一侧的洞壁,有时会出现明显的偏压现象,甚至会导致支撑破坏,发生局部坍塌。
褶曲构造的轴部,从岩层的产状来说,是岩层倾向发生显著变化的地方,所以在褶曲构造的轴部,无论公路,隧道或桥梁工程,容易遇到工程地质问题,主要是由于岩层破碎而产生的岩体稳定问题和向斜轴部地下水的问题。这些问题在隧道工程中往往显得更为突出,容易产生隧道塌顶和涌水现象,有时会严重影响正常施工
褶曲的野外观察
在一般情况下,人们容易认为背斜为山,向斜为谷。有这种情形,但实际要比这复杂的多。因为背斜遭受长期剥蚀不但可以逐渐地被夷为平地,而且往往由于背斜轴部的岩层遭到构造作用的强烈破坏,在一定的外力条件下,甚至可以发展成谷地,所以向斜山与背斜谷的情况在野外也是比较常见的。因此,不能完全以地形的起伏情况作为识别褶曲构造的主要标志。
褶曲的规模,有比较小的,也有很大的。小的褶曲,可以在小范围内,通过几个出露在地面的基岩露头进行观察。规模大的褶曲一则分布的范围大,二则常受地形高低起伏的影响,既难一览无余,也不可能通过少数几个露头就能窥其全貌。对于这样的大型褶曲构造,在野外就需要采用穿越的方法和追索的方法进行观察
穿越法(垂直岩层走向)
追索法(平行岩层走向)
穿越法和追索法,不仅是野外观察褶曲的主要方法,同时也是野外观察和研究其他地质构造现象的一种基本方法。在实践中一般以穿越法为主,追索法为辅助,根据不同情况,穿插运用
断裂构造
定义:构成地壳的岩体,受力作用发生变形,当变形达到一定程度后,使岩体的连续性和完整性遭到破坏,产生各种大小不一的断裂,称为断裂构造
裂隙
裂隙也称为节理。是存在于岩体中的裂缝,是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造
类型
构造裂隙
是岩体受地应力作用随岩体变形而产生的裂隙。
由于构造裂隙在成因上与相关构造(如褶曲,断层等)和应力作用的方向及性质有密切联系,所以它在空间分布上具有一定的规律性。
分类(按裂隙的力学性质)
张性裂隙
在褶曲构造中,张性裂隙主要发育在背斜和向斜的轴部。裂隙张开较宽,断裂面粗糙一般很少有擦痕,裂隙间距较大且分布不匀,沿走向和倾向都延伸不远
扭(剪)性裂隙
一般多是平直闭合的裂隙,分布较密,走向稳定,延伸较深,较远,裂隙面光滑,常有擦痕。扭性裂隙常沿剪切面成群平行分布,形成扭裂带,将岩体切割成板状。有时两组裂隙在不同的方向同时出现,交叉成“X”形,将岩体切割成菱形快体。扭性裂隙常出现在褶曲的翼部和断层附近
非构造裂隙
是由成岩作用,外动力,重力等非构造因素形成的裂隙。如岩石在形成过程中产生的原声裂隙,风化裂隙,以及沿沟壁岸坡发育的卸荷裂缝等。其中具有普遍意义的是风化裂隙。风化裂隙主要发育在岩体靠近地面的部分,一般很少达到地面小10~15m的深度。裂隙分布凌乱,没有规律性,使岩石多成碎块,沿裂隙面岩石的结构和矿物成分也有明显变化。
裂隙的工程地质评价
岩体中的裂隙,在工程上除有利于开挖外,对岩体的强度和稳定性均有不利的影响
岩体中存在裂隙,破坏了岩体的整体性,促进岩体风化速度,增强岩体的透水性,因而使岩体的强度和稳定性降低。当裂隙主要发育方向与路线走向平行,倾向与边坡一致时,无论岩体的产状如何,路堑边坡都容易发生崩塌等不稳定现象。在路基施工中,如果岩体存在裂隙,还会影响爆破作业的效果。
裂隙调查,统计和表示方法
裂隙野外测量记录表内容
测量裂隙的产状
测量方法与测量岩层产状的方法相同。为测量方便起见,常用一硬纸片,当裂隙面出露不佳时,可将纸片插入裂隙,用测得的纸片产状,代替裂隙的产状
观察裂隙张开度和充填情况
张开裂隙,其中有填充物的,应观察描述填充物的成分,特征,数量,胶结情况及性质
根据裂隙发育特征,确定其成因
统计裂隙的密度,间距和数量,确定裂隙发育程度和主导方向
最简单的方法是在垂直节理走向方向上取单位长度计算节理条数,以“条/m”表示,间距等于密度的倒数
玫瑰花图
裂隙走向玫瑰图
裂隙倾向玫瑰图
裂隙的发育程度
裂隙的发育程度,在数量上有时用裂隙率表示。裂隙率是指岩石中裂隙的面积与岩石总面积的百分比。
断层
定义:岩体受力作用断裂后,两侧岩块沿断裂面发生了显著位移的断裂构造,称为断层
断层要素
断层面和破碎带
断层线
上盘和下盘
断距
基本类型
正断层
上盘沿断层面相对下降,下盘相对上升的断层。正断层一般是由于岩体受到水平张应力及重力作用,使上盘沿断层向下错动而成。一般规模不大,断层线比较平直,断层面倾角较陡,常大于45度
逆断层
上盘沿断层面相对上升,下盘相对下降的断层。逆断层一般是由于岩体受到水平方向强烈挤压力的作用,使上盘沿断面向上错动而成。断层线从陡倾角至缓倾角都有。其中断层倾角大于45度的称为冲断层;介于25~45度之间的称为逆掩断层;小于25度称为碾掩断层。逆掩断层和碾掩断层常是规模很大的区域性断层。
平推断层
由于岩土受水平扭应力作用,使两盘沿断层面发生相对水平位移的断层。平推断层的倾角很大,断层面近于直立,断层线比较平直。
组合形式
断层的形成和分布,不是孤立的现象。它受着区域性或地区性地应力场的控制,并经常与相关构造相伴生,很少孤立出现。在各构造之间,总是依一定的力学性质,以一定的排列方式有规律地组合在一起,形成不同形式的断层组合,如阶状断层,地堑,地垒等。
在地形上,地堑常形成狭长的凹陷地带,如我国山西的汾河平原,峡西的渭河河谷等。地垒多形成块状山地,如天山,阿尔泰山等。
在断层分布密集的断层带内,岩层一般都受到强烈破坏,产状紊乱,岩层破碎,地下水多,沟谷斜坡崩塌,滑坡,泥石流等不良地质现象发育。
工程地质评价
由于岩层发生强烈的断裂变动,致使岩体裂隙增多,岩石破碎,风化严重,地下水发育,从而降低了岩石的强度和稳定性,对工程建筑造成了种种不利的影响。因此,在公路工程建设中,如确定路线布局,选择桥位和隧道位置时,要尽量避开大的断层破碎带。
在研究路线布局,特别是在安排河谷路线时,要特别注意河谷地貌与断层构造的关系。当路线与断层走向平行,路基靠近断层破碎带时,由于开挖路基,容易引起边坡的大规模坍塌,直接影响施工和公路的正常使用。在进行大桥桥位勘测时,要查明桥基部分有无断层存在,及其影响程度如何,以便根据不同情况,在设计基础工程时采取相应的处理措施
在断层发育地带修建隧道,是最不利的一种情况。由于岩层的整体性遭到破坏,加之地面水或地下水的侵入,其强度和稳定性都是很差的,容易产生洞顶塌落,影响施工安全。因此,当隧道轴线与断层走向平行时,应尽量避免与断层破碎带接触。隧道横穿断层时,虽然只有个别段落受断层影响,但因地质及水文地质条件不良,必须预先考虑措施,保证施工安全。特别当断层破碎带规模很大,或者穿越断层带时,会使施工十分困难,在确定隧道平面位置时,要尽量设法避开。
断层的野外识别
当岩层发生断裂并形成断层后,不仅会改变原有地层的分布规律,还常在断层面及其相关部分形成各种伴生构造,并形成与断层构造有关的地貌现象。在野外可以根据这些表示来识别断层。
地貌特征
当断层(张性断裂或压性断裂)的断距较大时,上升盘的前缘可能形成陡峭的断层崖,如经剥蚀,则会形成断层三角面地形;断层破碎带岩石破碎,易于侵蚀下切,可能形成沟谷或峡谷地形。此外,如山脊错断,错开,河谷跌水瀑布,河谷方向发生突然转折等,很可能都是断裂错动在地貌上的反映。
地层特征
如岩层发生重复或缺失,岩脉被错段,或者岩层走向突然发生中断,与不同性质的岩层突然接触等地层方面的特征,则进一步说明断层存在的可能性很大
断层的伴生构造现象
断层的伴生构造是断层在发生,发展过程中遗留下来的形迹。常见的有岩层牵引弯曲,断层角砾,断层泥和断层擦痕等。
岩层的牵引弯曲,是岩层断层两盘发生相对错动,因受牵引而形成的弯曲,多形成于页岩,片岩等柔性岩层和薄层岩层中。当断层发生相对位移时,其两侧岩石因受强烈的挤压力,有时沿断层面被研磨成细泥,称为断层泥;如被研碎成角砾,则称为断层角砾。断层角砾一般是胶结的,其成分与断层两盘的岩性基本一致。断层两盘相互错动时,因强烈摩擦而在断层面上产生的一条条彼此平行密集的细刻槽,称为断层擦痕。顺擦痕方向抚摸,感到光滑的方向即为对盘错动的方向。
可以看出,断层伴生构造现象,是野外识别断层存在的可靠标志。此外,如温泉水,温泉呈线状出露的地方,也要注意观察,是否有断层存在
不整合
定义:形成年代不相连续的两套岩石层重叠在一起的现象,这种构造形迹,称为不整合。不整合不同于褶皱和断层,它是一种主要由地壳的升降运动产生的构造形态
整合与不整合
在地壳上升的稳定区域发生剥蚀,在地壳下降的凹陷区域产生沉积。当沉积区处于相对稳定阶段时,则沉积区连续不断地进行着堆积,这样,堆积物的沉积次序是衔接的,产状是彼此平行的,在形成的年代上也是顺次连续的,岩层之间的这种接触关系,称为整合接触。
沉积过程中,如果地壳发生上升运动,沉积区隆起,则沉积作用即为剥蚀作用所代替,发生沉积间断。其后若地壳又发生下降运动,则在剥蚀基础上又接受新的沉积。由于沉积过程发生间断,所以岩层在形成年代上是不连续的,中间缺失沉积间断而产生的剥蚀面,称为不整合面。在不整合面上,有时可以发现砾石层或底砾岩等下部遭受外力剥蚀的痕迹。
类型
平行不整合
不整合面上下两套岩层之间的地质年代不连续,缺失沉积间断期的岩层,但彼此间的产状基本是一致的,看起来貌似整合接触,所以又称为假整合。
角度不整合
角度不整合又称为斜交不整合,简称不整合。角度不整合不仅不整合面上下两套岩层间的地质年代不连续,而且两者的产状也不一致,下伏岩层与不整合而相交有一定的角度。这是由于不整合面下部的岩层,在接受新的沉积之前发生过褶皱变动的缘故。角度不整合是野外常见的一种不整合。
工程地质评价
不整合接触中的不整合面,是下伏古地貌的剥蚀面,它一则常有较大的起伏,同时常有风化层或底砾存在,层间结合差,地下水发育,当不整合面与斜坡倾向一致时,如开挖路基,经常会成为斜坡滑移的边界条件,对工程建筑不利。
岩石与岩体的工程地质性质
岩石的主要物理性质
重量
比重
岩石的比重,是岩石(不包括空隙)部分单位体积的重量。在数值上,等于岩石固体颗粒的重量与同体积的水在4℃时的重量的比。
岩石比重的大小,决定于组成岩石的矿物的比重及其在岩石中的相对含量。
重度(重力密度)
也称容重,是指岩石单位体积的重量,在数值上它等于岩石试件的总重(包括孔隙中的水重)与其总体积(包括孔隙体积)之比
岩石重度的大小,决定于岩石中矿物的比重,岩石的孔隙性及其含水情况
岩石孔隙中完全没有水存在时的重度,称为干重度。取决于岩石的空隙性及矿物的比重。
岩石中的孔隙全部被水充满时的重度,则称为岩石的饱和重度
孔隙性
孔隙度在数值上等于岩石中各种孔隙的总体积与岩石总体积的比。
决定于岩石的结构和构造,同时也受外力因素的影响。
反应岩石中各种孔隙(包括细微的裂缝)的发育程度,对岩石的强度和稳定性产生重要的影响。
吸水性
岩石的吸水率,是指岩石在通常大气压下的吸水能力。在数值上等于岩石的吸水重量与同体积干燥岩石重量的比。
岩石的吸水率,与岩石孔隙度的大小,孔隙张开程度等因素有关。
抗冻性
岩石抗冻性,有不同的表示方法,一般用岩石在抗冻试验前后抗压强度的降低率表示。抗压强度降低率小于20%~25%的岩石,认为是抗冻的,大于25%的岩石,认为是不抗冻的。
岩石的主要力学性质
岩石的变形
弹性模量
应力与应变之比
泊松比
岩石在轴向压力作用下,除产生纵向压缩外,还会产生横向膨胀。这种横向应变与纵向应变的比,称为岩石的泊松比,用小数表示。
岩石的强度
抗压强度
指岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力。在数值上等于岩石受压达到破坏时的极限应力。
抗剪强度
指岩石抵抗剪切破坏的能力。在数值上等于岩石受剪破坏时的极限剪应力。
抗拉强度
在数值上等于岩石单向拉伸时,拉断破坏时的最大张应力。岩石的抗拉强度远小于抗压强度
抗拉强度>抗剪强度>抗拉强度
软化性
影响岩石工程性质的因素
矿物成分
结构
构造
水
风化
岩石的主要物理力学性质
岩体的工程地质性质