西安建筑科技大学岩土工程教研室 精品课程 《工程地质学》 授课教案 1of48
1 of 48 西安建筑科技大学岩土工程教研室 精品课程 《工程地质学》 授课教案
前言 本课程教学计划与安排 (一)教学内容(教科书)介绍 1.教科书《工程地质学原理》特点:简明、多图 绪论 第一章:矿物与岩石 第二章:地质作用与地质年代 第三章:地质构造 第四章:第四纪沉积地层 第五章:土的物理性质及其工程分类 第六章:地下水的存在与类型 第七章:土的渗流理论 第八章:工程地质灾害 第九章:工程地质勘察 六大内容: 1)造岩矿物、岩石、岩体的概念及工程性质 2)地质作用、地质构造、地形地貌和第四纪沉积物 3)土的物理性质及其工程分类 4)水文地质学的基本原理 5)不良地质现象及其工程评价 6)工程地质勘察 二)讲课方式:课堂授课一一多媒体不具备条件,现场参观 (三)重点参考书介绍:见参考文献 二.绪论 (一)工程地质学的学科地位及与其他课程的关系 1.地质学:研究地球的科学,是研究地球的形成、结构和发展规律并利用 地质学的重点研究对象是地壳 2.工程地质学:调查、研究、解决与工程建设有关的地质问题的科学,是地质学分支之 2of48
2 of 48 前 言 一．本课程教学计划与安排 （一） 教学内容（教科书）介绍 1． 教科书《工程地质学原理》特点：简明、多图 2．内容： 绪论 第一章：矿物与岩石 第二章：地质作用与地质年代 第三章：地质构造 第四章：第四纪沉积地层 第五章：土的物理性质及其工程分类 第六章：地下水的存在与类型 第七章：土的渗流理论 第八章：工程地质灾害 第九章：工程地质勘察 六大内容： 1 ）造岩矿物、岩石、岩体的概念及工程性质 2 ）地质作用、地质构造、地形地貌和第四纪沉积物 3 ）土的物理性质及其工程分类 4 ）水文地质学的基本原理 5 ）不良地质现象及其工程评价 6 ）工程地质勘察 （二）讲课方式：课堂授课——多媒体不具备条件，现场参观； （三）重点参考书介绍：见参考文献 二．绪论 （一）工程地质学的学科地位及与其他课程的关系 1．地质学：研究地球的科学，是研究地球的形成、结构和发展规律并利用… 地质学的重点研究对象是地壳。 2．工程地质学：调查、研究、解决与工程建设有关的地质问题的科学，是地质学分支之 一
3.水文地质学:是研究与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动有关联的地下水 的形成、分布、运动规律及其物理化学性质的学科 4.岩土工程及其特点:人类以地壳的岩土体为对象而进行的一切利用、整治和改造等工 程活动等都称为岩土工程。工程地质学、水文地质学、地质力学、土力学、岩体力学等构 成了岩土工程的理论基础 特点:广、综合、实践 5.工程地质学的主要任务是评价建筑工程场地的工程地质条件;正确认识现在,预测工 程建设项目的修筑对地质环境的影响以及地质环境对即将修建的工程项目的影响:提出防 治不良地质现象的措施,为工程项目的设计提供所需的工程地质参数。 三.岩土工程与地质环境之间的关系 1.地质环境可以影响建筑工程的稳定和正常使用,危及人类工程活动的安全使建筑工程 造价大大提高等,其制约程度视地质环境的具体特点和建筑工程活动的方式、规模而不 a.西安地裂缝:b.宝成线;C.地震:唐山,土耳其 2.建筑工程活动反过来又会以各种方式影响地质环境,并因此而引发工程事故。 a.水库;b.开采活动造成的地面沉陷及陷落地震;C.地下水开采。 第一章矿物与岩石 第一节地壳运动与地质作用 地球的构造 1.地球的形状和大小:"梨状体″,表面积、蓝色的球体
3 of 48 3．水文地质学：是研究与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动有关联的地下水 的形成、分布、运动规律及其物理化学性质的学科。 4．岩土工程及其特点：人类以地壳的岩土体为对象而进行的一切利用、整治和改造等工 程活动等都称为岩土工程。工程地质学、水文地质学、地质力学、土力学、岩体力学等构 成了岩土工程的理论基础。 特点：广、综合、实践 5．工程地质学的主要任务是评价建筑工程场地的工程地质条件；正确认识现在，预测工 程建设项目的修筑对地质环境的影响以及地质环境对即将修建的工程项目的影响；提出防 治不良地质现象的措施，为工程项目的设计提供所需的工程地质参数。 三．岩土工程与地质环境之间的关系 1．地质环境可以影响建筑工程的稳定和正常使用，危及人类工程活动的安全使建筑工程 造价大大提高等，其制约程度视地质环境的具体特点和建筑工程活动的方式、规模而不 同。 a．西安地裂缝；b．宝成线；c．地震：唐山，土耳其。 2． 建筑工程活动反过来又会以各种方式影响地质环境，并因此而引发工程事故。 a．水库；b．开采活动造成的地面沉陷及陷落地震；c．地下水开采。 第一章 矿物与岩石 第一节 地壳运动与地质作用 一． 地球的构造 1． 地球的形状和大小：“梨状体”，表面积、蓝色的球体
2.地球的层圈构造 对流层 中间层 外圈(流体)热层 散逸层 水海面71%、97.3%,冰川、湖、江河、沼 地层中 生物 地球 岩石 地壳 (莫霍面)1.6~70Km土 上:软泥层一岩发源地 内圈 下:固态 外:熔融状态,铁、镍 地核过渡层 内:铁、镍重金属层(固态) 板块学说介绍:太平洋板块、欧亚板块、美洲板块、非洲板块、大洋洲板块、南极洲板 二.地质作用 1.定义:导致地壳物质成分及地表形状、岩层结构、构造发生变化的一切自然作用通称 为地质作用:1)剧烈变化的:地震2)缓慢变化的:喜马拉雅山上升 2.分类
4 of 48 板块学说介绍：太平洋板块、欧亚板块、美洲板块、非洲板块、大洋洲板块、南极洲板 块。 二．地质作用 1．定义：导致地壳物质成分及地表形状、岩层结构、构造发生变化的一切自然作用通称 为地质作用：1）剧烈变化的：地震 2）缓慢变化的：喜马拉雅山上升 2．分类：
内力:地球旋转能、放射性物质衰变过程中释放的能量 按力的来源: 外力:太阳辐射、重力位能、气温、风、雨、雪、地面汇流 河、湖、洋、生物、重力 作用特点 风化匚心 构造 搬运沉积 变质 风化:岩石破碎、剥落 说明」搬运沉积:重力、水、风、(外力) 变质:物质成分发生变化 构造地质学:构造运动的形态特征、发生原因以及在空间和时间上的发展 规律。形变与形成 构造地质学:构造运动的形态特征、发生原因以及在空间和时间上的发展 规律。形变与形成 第二节地质年代 1.地质年代定义:从地质学的观点出发,根据地球上的生物演化过程、地层的沉积环境 和地壳的发展演变过程等划分的用以描述地层形成历史的时代段落 化石:保存在地层中的古代生物遗体和遗迹。实体、模铸、遗迹三种 2.分类:相对地质年代:只代表时代的相对新老关系。 绝对地质年代:岩石形成或地质事件发生的具体时间,称之绝对地 质年代 3.说明:(1)通常将某一地质时期所形成的地层称为这一地质时期的地层; (2)将组成地壳的各种地层从老到新建立起一个完整的国际性的地层系统表,根据地层 系统将地壳发展历史作相应的自然分期,形成整个地史时期的地质年代表。地质年代中各 阶段的划分是与地层单位的划分相应的、一致的 5of48
5 of 48 构造地质学：构造运动的形态特征、发生原因以及在空间和时间上的发展 规律。形变与形成。 第二节 地质年代 1．地质年代定义： 从地质学的观点出发，根据地球上的生物演化过程、地层的沉积环境 和地壳的发展演变过程等划分的用以描述地层形成历史的时代段落。 化 石： 保存在地层中的古代生物遗体和遗迹。实体、模铸、遗迹三种 2．分 类： 相对地质年代：只代表时代的相对新老关系。 绝对地质年代：岩石形成或地质事件发生的具体时间，称之绝对地 质年代。 3．说明：（1）通常将某一地质时期所形成的地层称为这一地质时期的地层； （2）将组成地壳的各种地层从老到新建立起一个完整的国际性的地层系统表，根据地层 系统将地壳发展历史作相应的自然分期，形成整个地史时期的地质年代表。地质年代中各 阶段的划分是与地层单位的划分相应的、一致的
年代地层单位地质年代单位 宇宙 界代 系纪 统世 阶期 年代表中的对应关系:地层、地质年代(相、绝)、生物进化情况、构造运动 4.年代表的几个数据:五大代:太古、元古、古生、中生、新生代(7000万年) 全新世Q4—10万年 第四纪晚更世Q3 (200~300万) 中更世Q 早更世Q1 元谋猿人、北京猿人、蓝田猿人 5.绝对地质年代的测定方法:(1)放射性:铀一一铅法、钾一一氯法 (2)古地磁法 测定方法原理 测定方法原理 第三节矿物学简论 矿物的概念 定义:天然形成的、具有一定化学成分、内部构造和物理性质的自然元素或化合物。 二.造岩矿物 岩石是一种或多种矿物的集合体。形成岩石的矿物为造岩矿物。 造岩矿物达3000多种,硅酸盐类占90%以上,最常见50多种 长石:钾KA|Si3O8、钙CaA|2si2O8 云母:黑、白 硅酸盐类矿物辉石 角闪石 氧化物:石英、磁铁矿、赤铁矿 三.原生矿物和次生矿物 6of48
6 of 48 年代地层单位 地质年代单位 宇 宙 界 代 系 纪 统 世 阶 期 年代表中的对应关系：地层、地质年代（相、绝）、生物进化情况、构造运动 4．年代表的几个数据： 五大代：太古、元古、古生、中生、新生代（7000 万年） 测定方法原理： 第三节 矿物学简论 一． 矿物的概念 定义：天然形成的、具有一定化学成分、内部构造和物理性质的自然元素或化合物。 二．造岩矿物 岩石是一种或多种矿物的集合体。形成岩石的矿物为造岩矿物。 造岩矿物达 3000 多种，硅酸盐类占 90%以上，最常见 50 多种 长石：钾 KAlSi3O8 、 钙 CaAl2Si2O8 云母：黑、白 硅酸盐类矿物 辉石 角闪石 氧化物：石英、磁铁矿、赤铁矿 三．原生矿物和次生矿物
1.原生矿物:由地幔中的岩浆侵入地壳或喷出地表后冷凝而成且未发生任何质及形态变 化的矿物。如:正长石、斜长石、黑白云母、辉石、角闪石、石英 2.次生矿物:原生矿物经风化作用生成的新的矿物。直接生成、水溶液析出 四.粘土矿物 1.定义:具有片状或链状结晶格架的铝硅酸盐,它是由原生矿物中的长石、云母等矿物 风化形成 2.分类:结晶质矿物及非结晶质矿物 3.高岭石、蒙脱石、伊里石结构特点及性质: 硅氧晶片 铝氢氧晶片 图1-8三类粘土矿物的品胞示意图 图1-7晶片类型示意图 高岭石的品胞b)伊里石 (a)高岭石的晶胞 (b)伊力石和蒙脱 石的晶胞 五.岩石和矿藏的概念 1.岩石的概念 岩石是一种或多种矿物的集合体自然体 2.矿藏:当某种岩石或地质资源具有很高的利用价值并可供开采时,我们成为矿藏或矿 产 六.常用的矿物鉴别标志 1.晶体形态2.颜色3.条痕色4.光泽5.透明度6.解理、断口 7.相对密度8.硬度9.磁性 (1)定义:矿物受力后沿一定方向规则开裂形成光滑分裂面的性质称为解理性质,开裂 形成的光滑分裂面称为矿物的解里面。 (2)原因:由晶体内部构造所决定,与外形无关 (3)分五级:极完全、完全、中等、不完全、极不完全 贝壳(石英) 平坦 7 of
7 of 48 1．原生矿物：由地幔中的岩浆侵入地壳或喷出地表后冷凝而成且未发生任何质及形态变 化的矿物。如：正长石、斜长石、黑白云母、辉石、角闪石、石英 2．次生矿物：原生矿物经风化作用生成的新的矿物。 直接生成、水溶液析出 四．粘土矿物 1．定义：具有片状或链状结晶格架的铝硅酸盐，它是由原生矿物中的长石、云母等矿物 风化形成。 2．分类：结晶质矿物及非结晶质矿物。 3．高岭石、蒙脱石、伊里石结构特点及性质： 五．岩石和矿藏的概念 1．岩石的概念 岩石是一种或多种矿物的集合体 自然体 2．矿藏：当某种岩石或地质资源具有很高的利用价值并可供开采时，我们成为矿藏或矿 产。 六．常用的矿物鉴别标志： 1．晶体形态 2．颜色 3．条痕色 4．光泽 5．透明度 6．解理、断口 7．相对密度 8．硬度 9．磁性 （1）定义：矿物受力后沿一定方向规则开裂形成光滑分裂面的性质称为解理性质，开裂 形成的光滑分裂面称为矿物的解里面。 （2）原因：由晶体内部构造所决定，与外形无关。 （3）分五级：极完全、完全、中等、不完全、极不完全 贝壳（石英） 平坦
当矿物受力破坏后形成的短裂面呈不规则状时,则称其为断口 参差 锯齿状 七.自然界中常见的主要矿物一一—一自学 八.矿物按结晶程度的分类:伟晶隐晶 结晶质、非结晶质:结晶质显晶斑状(斑晶与基质) 第四节岩石学简论 概述 岩石是一种或多种矿物的集合体,是由矿物或岩屑物质在地质作用下按一定规律聚集而成 的自然体 主要特征:矿物成分、结构和构造 岩石学:研究岩石的一门学科。研究岩石的成因、岩石中的矿物、岩石的化学成份。 结构和构造的特征:研究岩石的生成环境条件、分布规律以及岩石的经济价值和工程性 等 岩石的结构、构造 岩石的结构是指岩石中矿物颗粒的结晶状态、结晶程度、晶粒大小、形状及其彼此间的组 合方式等特征。 岩石的构造是指岩石中由矿物的排列填充方式、矿物集合体之间的排列充填方式或矿物集 合体与岩石其他组分之间的排列充填方式所反映出来的外表形态。 三.岩石分类:按成因分为:岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。 四.岩浆岩: 1.岩浆岩的形成:岩浆的侵入、火山的喷出 2.岩浆岩的产状:(1)侵入岩:岩基及岩株:;岩盘:岩床;岩墙:岩脉 (2)喷出岩的产状:火山锥、熔岩流、岩被。 3.岩浆岩的物质成分:二氧化硅、各种金属氧化物、少量的金属元素、稀有元素、挥发 物质 4.岩浆岩中常见的造岩矿物:长石、云母、辉石、角闪石、石英、磁铁矿、橄榄石 5.岩浆岩的结构形成:粒状结构(矿物为显晶质)、致密结构(矿物为隐晶质 8of48
8 of 48 当矿物受力破坏后形成的短裂面呈不规则状时，则称其为断口 参差 锯齿状 七．自然界中常见的主要矿物————自学 八．矿物按结晶程度的分类： 伟晶 隐晶 结晶质、非结晶质； 结晶质 显晶 斑状（斑晶与基质） 第四节 岩石学简论 一． 概述 岩石是一种或多种矿物的集合体，是由矿物或岩屑物质在地质作用下按一定规律聚集而成 的自然体。 主要特征：矿物成分、结构和构造 岩石学：研究岩石的一门学科。研究岩石的成因、岩石中的矿物、岩石的化学成份。 结构和构造的特征：研究岩石的生成环境条件、分布规律以及岩石的经济价值和工程性质 等。 二．岩石的结构、构造 岩石的结构是指岩石中矿物颗粒的结晶状态、结晶程度、晶粒大小、形状及其彼此间的组 合方式等特征。 岩石的构造是指岩石中由矿物的排列填充方式、矿物集合体之间的排列充填方式或矿物集 合体与岩石其他组分之间的排列充填方式所反映出来的外表形态。 三．岩石分类： 按成因分为：岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。 四．岩浆岩： 1．岩浆岩的形成：岩浆的侵入、火山的喷出 2．岩浆岩的产状：（1）侵入岩：岩基及岩株；岩盘；岩床；岩墙；岩脉 （2）喷出岩的产状：火山锥、熔岩流、岩被。 3．岩浆岩的物质成分：二氧化硅、各种金属氧化物、少量的金属元素、稀有元素、挥发 物质。 4．岩浆岩中常见的造岩矿物：长石、云母、辉石、角闪石、石英、磁铁矿、橄榄石 5．岩浆岩的结构形成：粒状结构（矿物为显晶质）、致密结构（矿物为隐晶质）
玻璃质结构、斑状结构、伟晶结构等。 6.岩浆岩的构造形式:块状、流纹、气孔、杏仁。 7.岩浆岩按物质成分(SiO2)的分类:酸性、中酸性、中性、基性岩和超基岩 8.常见的岩浆岩 (1)花岗岩(2)花岗斑岩石(3)流纹岩(4)闪长岩(5)闪长玢岩 (6)安山岩(7)辉长岩(8)辉绿玢岩(9)玄武岩(10)橄榄岩 五.沉积岩 形成过程: 原岩风化剥蚀、分解、水解搬运沉积脱水胶结形成岩石 颗粒成分:块石、碎石、卵石、沙砾、粘土块等: 1.沉积岩的物质成分 胶结物质:胶体化合物A|2O3、Fe2O3、SiO2、MnO2粘土矿物、磷酸盐 颗粒中:石英、长石、云母 2.沉积岩的造岩矿物 胶结物:粘土矿物及其它水成或氧化新矿物、方解石、石膏、白云岩、岩盐、黄铁矿、赤 铁矿 沉积岩的常见胶结物质及沉积岩的结构形式 沉积岩胶结物质的划分:钙质胶结、硅质胶结、铁质胶结、泥质胶结 沉积岩常见的结构形式:碎屑结构、泥质结构、化学和生物结构 碎屑结构:颗粒成分和胶结物质(基质)差异明显。 砾石 按碎屑物质颗粒大小砂石 粉砂岩 泥质胶结的岩石主要有页岩和泥岩;泥质胶结的碎屑结构岩。 钙质胶结、硅质胶结、铁质胶结也属化学结构类的岩石,其中岩盐最典型。 4.沉积岩的产状和构造形式: (1)岩层的产状:岩层即层状产出的岩石:岩层的产状是指岩层在地壳中的空间位置和 产出状态:沉积岩原始产状一般是水平或近水平的。 (2)沉积岩产状:水平岩层、倾斜岩层(走向(线)、倾向(线)、倾角)、直立岩层 9of48
9 of 48 玻璃质结构、斑状结构、伟晶结构等。 6．岩浆岩的构造形式：块状、流纹、气孔、杏仁。 7．岩浆岩按物质成分（SiO2）的分类：酸性、中酸性、中性、基性岩和超基岩 8．常见的岩浆岩： （1）花岗岩 （2）花岗斑岩石 （3）流纹岩 （4）闪长岩 （5）闪长玢岩 （6）安山岩 （7）辉长岩 （8）辉绿玢岩 （9）玄武岩 （10）橄榄岩 五．沉积岩 形成过程： 原岩 风化剥蚀、分解、水解 搬运沉积 脱水胶结形成岩石 颗粒成分：块石、碎石、卵石、沙砾、粘土块等； 1．沉积岩的物质成分 胶结物质：胶体化合物 Al2O3、Fe2O3、SiO2、MnO2 粘土矿物、磷酸盐 颗粒中：石英、长石、云母； 2．沉积岩的造岩矿物 胶结物：粘土矿物及其它水成或氧化新矿物、方解石、石膏、白云岩、岩盐、黄铁矿、赤 铁矿 3． 沉积岩的常见胶结物质及沉积岩的结构形式： 沉积岩胶结物质的划分：钙质胶结、硅质胶结、铁质胶结、泥质胶结 沉积岩常见的结构形式：碎屑结构、泥质结构、化学和生物结构 碎屑结构：颗粒成分和胶结物质（基质）差异明显。 砾石 按碎屑物质颗粒大小 砂石 粉砂岩 泥质胶结的岩石主要有页岩和泥岩；泥质胶结的碎屑结构岩。 钙质胶结、硅质胶结、铁质胶结 也属化学结构类的岩石，其中岩盐最典型。 4． 沉积岩的产状和构造形式： （1）岩层的产状：岩层即层状产出的岩石；岩层的产状是指岩层在地壳中的空间位置和 产出状态；沉积岩原始产状一般是水平或近水平的。 （2）沉积岩产状：水平岩层、倾斜岩层（走向（线）、倾向（线）、倾角）、直立岩层
(3)沉积岩的常见构造形式:层状、生物化石、结核(层状构造最主要) 5.常见的沉积岩类: 火山碎屑岩(集块、火山角砾、凝灰岩)、正常碎屑岩(砾石、砂岩、粉砂岩)、石英砂 岩、长石砂岩、泥岩、页岩、石灰岩、白云岩、泥灰岩、煤岩盐。 六.变质岩 岩浆岩、沉积岩经过变质作用后,使其矿物成分、结构构造发生变化后而形成的岩石被成 为变质岩 1.变质岩的物质成分和变质作用 原生矿物 (1)物质成分 变质矿物:石榴石、硅灰岩、红柱石、滑石、石墨(鉴别依据) (2)变质作用分类:接触变质、区域变质、动力变质 2.变质言的结构形式:粒状变晶、斑状变晶和碎裂碎屑结构 3.变质岩的构造形式 块状(矿物无定向排列)、片状(矿物呈片状或柱状且平行排列) 片麻状(深色矿物和浅色矿物相间平行排列成条带状) 板状(岩石可沿一定向开裂成为平整的板状体) 千枚状(比较碎破的薄片状,有丝绢光泽) 4.变质岩常见岩类:大理岩、片麻岩、石英岩、片岩、板岩、千枚岩、角页岩、石墨。 第五节岩石的工程性质 岩石的常用物理性质指标 1.岩石的颗粒相对密度:无量纲,2.6~2.9 2.岩石的密度:g/cm32.1~2.7g/cm3 3.岩石的空隙率:% 岩石的吸水特性指标 1.吸水率:W=×100% 2.饱水率(饱和吸水率):wsat=×100% 3.饱水因素:==(<1) 10of48
10 of 48 （3）沉积岩的常见构造形式：层状、生物化石、结核（层状构造最主要） 5．常见的沉积岩类： 火山碎屑岩（集块、火山角砾、凝灰岩）、正常碎屑岩（砾石、砂岩、粉砂岩）、石英砂 岩、长石砂岩、泥岩、页岩、石灰岩、白云岩、泥灰岩、煤岩盐。 六．变质岩 岩浆岩、沉积岩经过变质作用后，使其矿物成分、结构构造发生变化后而形成的岩石被成 为变质岩。 1． 变质岩的物质成分和变质作用 原生矿物 （1）物质成分 变质矿物：石榴石、硅灰岩、红柱石、滑石、石墨（鉴别依据） （2） 变质作用分类：接触变质、区域变质、动力变质 2．变质言的结构形式：粒状变晶、斑状变晶和碎裂碎屑结构 3．变质岩的构造形式： 块状（矿物无定向排列）、片状（矿物呈片状或柱状且平行排列） 片麻状（深色矿物和浅色矿物相间平行排列成条带状） 板状（岩石可沿一定向开裂成为平整的板状体） 千枚状（比较碎破的薄片状，有丝绢光泽） 4． 变质岩常见岩类：大理岩、片麻岩、石英岩、片岩、板岩、千枚岩、角页岩、石墨。 第五节 岩石的工程性质 一． 岩石的常用物理性质指标 1．岩石的颗粒相对密度：无量纲，2.6~2.9 2．岩石的密度：g/cm3 2.1~2.7 g/cm3 3．岩石的空隙率：% 二．岩石的吸水特性指标 1．吸水率：w= ×100% 2．饱水率（饱和吸水率）：wsat= ×100% 3．饱水因素： = = （<1）