《工程地质学》考试复习重点

《工程地质学》考试复习重点

一、概念题（10/15，10分）

1.工程地质学

是研究与人类工程建设等活动有关的地质问题的一门地质学分支学科。人类工程活动与地质环境的相互作用关系为研究核心

2.工程地质条件、工程地质问题、工程地质环境

①工程地质条件：与工程建筑物有关的地质因素的综合。工程地质条件可以理解为与工程建筑有关的地质要素之综合，包括地形地貌条件、岩土类型及其工程地质性质、地质结构、水文地质条件、物理地质现象、以及天然建筑材料等六个要素。

②工程地质问题：工程建筑物与工程地质条件之间所存在的矛盾或问题

③工程地质环境是指与工程相关的地壳上部的岩石、水、空气和生物在内的相互关联的多成分系统。这个系统以地表为其上限，以人类作用于地壳的深度为其下限。

3.土和土体

“土”是一个一般性概念，泛指地壳表面最新沉积的、未经胶结成岩的物质。

“土体”则是一个工程概念，特指那些经过一定地质历史过程并含有若干非连续界面的土层集合体。

4.粒组、有效粒径、土的结构

粒组：是根据实际需要出发，为研究方便起见，将颗粒的大小划分成若干粒径区段，这些粒径比较接近的区段被称之为“粒组”。

有效粒径:指土粒的累积百分含量为10%时的粒径，用d10表示。是土中最具代表性的粒径

土的结构：指土中颗粒和孔隙的形态及其组合特征。

5.压缩性

土的压缩性:指土在压力的作用下体积减小的特性.

6.特殊土

指的是与一般土体(如一般粘土、砂土、粉土等)相比，具有某些特殊工程性质的土类。如：黄土、软土、膨胀土、红土、冻土、混合土等。

7.地质灾害

广义的定义是指由于自然的变异或人为的作用，导致地质环境或地质体的改变并给人类和社会造成危害的灾害事件。如崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面沉降、地面塌陷等。8.滑坡

指斜坡上的岩体由于种种原因在重力作用下沿一定的软弱面（或软弱带）整体地向下滑动的现象。

9.崩塌

崩塌（崩落、垮塌或塌方）是较陡斜坡上的岩土体在重力作用下突然脱离母体崩落、滚动、堆积在坡脚（或沟谷）的地质现象。

10.泥石流

泥石流是山区沟谷中，由暴雨、冰雪融水等水源激发的、含有大量泥沙石块的特殊洪流。

11.地基与基础

基础是建筑物与土壤直接接触的部分，是建筑物的组成部分，承受着建筑物的全部荷载；

把支承建筑物重量的土层叫地基，它不是建筑物的组成部分。

12.天然地基与人工地基

天然地基：凡天然土层具有足够的承载力，不需经人工加固或改良便可作为建筑物地基；

人工地基：当建筑物上部的荷载较大或地基的承载力较弱，须预先对土壤进行人工加固或改良后才能作为建筑物地基。

13.土的结构性问题

指土体的结构对其变形和强度的影响，具体表现为天然土结构所形成的初始微观应力差异和受力后的结构变化（损伤）及其力学效应等方面。

14.土体微结构力学

以岩土体的结构性控制为基本点，以建立岩土体的结构性本构模型为核心内容、以岩土体工程问题的量化结构模拟和预测为目标、以非线性力学和工程岩土学为基础的现代岩土力学分支学科。

15.“斜长石溶蚀度”

一种评价花岗质岩石风化度的新指标。“斜长石溶蚀度”（Nf）具体定义：

其中：A(i)—被测矿物体内的可见孔隙面积;

n—被测矿物体内的可见孔隙数量;

Am—被测矿物的总面积。

16.“土石混合体”

是指第四纪以来形成的，由具有一定工程尺度、强度较高的块石、细粒土及孔隙构成且具有一定含石量的极端不均匀（Inhomogeneous）松散岩土介质。

17.高速远程滑坡

指以滑坡或大型崩塌的形式从山体上滑落快速下来，以碎屑流体的形式向坡下快速、远程运移的斜坡失稳现象。以强震条件下最为常见。

18.承压水

充满于两个隔水层（弱透水层）之间的含水层中的水

19.边坡

因工程需要而人工改造形成的斜坡，或被工程直接利用的、与工程安全直接相关的天然斜坡，称为边坡。（斜坡：具有侧向临空面的地质体。）

20.管涌

强烈的渗透变形会在渗流出口处侵蚀形成孔洞，孔洞又会促使渗透途径已经减短、水力梯度有所增大的渗流向它集中，而在孔洞末端集中的渗透水流就具有更大的侵蚀能力，所以孔洞就不断沿最大水力梯度线溯源发展，终至形成一条水流集中的管道，由管道中涌出的水携带较大量的土颗粒，这就是管涌。

21.流土

在向上的渗透水流作用下，表面土局部范围内的土体或颗粒同时发生悬浮、移动的现象称为流土。

22.均质各向同性

不同位置渗透性相同，且同一点各方向上渗透性亦相同的介质称为各向同性介质

23.横观各向同性

平行于层面的所有各个方向(即所谓“横向”)都具有相同的弹性性能，这种岩体即称为横观各向同性岩体

24.水力梯度

水力梯度是沿渗透途径上的水头损失与相应渗透途径的长度比

岩体中不同形态、规模、性质的结构面和结构体（岩块）相互组合，构成岩体结构。

26.地应力

是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体韧性应力、绝对应力或原岩应力27.活动断层

一般是指现今正在活动的断层，或近期曾活动过、不久的将来可能会重新活动的断层。

28.地震基本烈度、场地烈度的区别

基本烈度：指在今后一定时间（一般按100年考虑）和一般场地条件下某一定地区范围内可能遭遇的最大地震烈度。

场地烈度：建设地点在工程有效使用期间内，可能遭遇的最高地震烈度。是在基本烈度的基础上，考虑了小区域地震烈度异常的影响后确定的。

29.砂土液化

砂土液化（又名振动液化）：饱水砂土在地震或机械振动作用下，受到强烈振动而使砂粒处于悬浮状态，丧失强度和承载能力，致使地基失效的作用或现象。

30.围岩压力

由于围岩的变形与破坏而作用于支护或衬砌上的压力，称为“围岩压力”。

二、问答题（10题，60分）

1、膨胀性

1）膨胀土及其基本特征是什么?

膨胀土泛指含水状况发生变化时其体积将发生明显膨胀或收缩的一类特殊土。从工程角度看,膨胀土系指土中粘土矿物成分主要由亲水性矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬裂两种特性，且具有湿胀干缩往复变形的高塑性粘性土。决定膨胀性的亲水矿物主要是蒙脱石粘土矿物。

基本特性

1．膨胀土中的粘土矿物成分主要是由亲水性矿物组成的，而蒙脱石则是最典型的强亲水性矿物，伊利石(水云母)具有中等亲水性，这两类粘土矿物都具有膨胀的微结构。所以当土含有一定量的蒙脱石、伊利石时，这一类土对湿度状态的变化就特别敏感。

2．膨胀土同时具有吸水膨胀和失水收缩两种变形特性，而且这种变形是可逆的，即可以吸水膨胀、失水收缩，再吸水再膨胀、再失水再收缩，并胀缩变形显著。

3．膨胀土吸水膨胀后强度减小，并有随之湿化崩解的现象，而失水收缩后土的强度增大，一般都较干硬，但常伴有裂隙产生。

4．膨胀土一般具有高液限、低塑限以及塑性指数较高的特性，因而从土质分类与土的工程分类意义来讲，属于高塑性粘性土范畴。

2）土体发生显著膨胀变形的原因是什么?

膨胀土矿物成分以蒙脱石为主时，结构单元是两层二氧化硅和一层三氧化二铝组成，层间联结很弱，水分子可以渗入层问，生成水夹层，而产生晶内膨胀。加上蒙脱石一般又有较多的钠、钙阳离子，由于阳离子吸附作用，还产生粒间膨胀。伊利石的晶格与蒙脱石类似，但晶包之间结合的不是水，而是正价钾离子(K+)，故伊利石的晶架结构比较牢固，浸水时产生的粒间膨胀比蒙脱石的晶内膨胀弱得多；高岭石，由于矿物晶架联结牢固，一般很少有交换能力的阳离子，因此，其浸水后膨胀性很弱。

3）膨胀土地基的常见处理方法有哪些？

●换土

将主要胀缩变形层内的膨胀土全部或部分挖掉，填以非膨胀土(砂、砾石、灰土等)，以消除或减少地基的胀缩变形量。

1.水泥、石灰拌和法

将膨胀土破碎，掺入一定数量的水泥、熟石灰(或生石灰)粉，充分拌均后回填夯实。

2．石灰浆液压入法

石灰浆液压入法是用钻机在建筑物周围钻孔至所需加固深度(一般3m左右)，然后从钻杆中注入高压石灰浆液，通过钻杆周围的细孔，浆液喷射到土层中去，在房屋周围形成一个防水隔篱栅，有助于稳定房屋下地基土的含水量。

●补偿垫层

补偿垫层是一种特殊的垫层，它能调整基础的胀缩变形，发挥补偿作用。

●预浸水

在建造房屋以前用人工方法增加地基土的含水量，使膨胀土层全部或部分膨胀，从而消除或减少膨胀变形量。

2、黄土及其湿陷性

1）黄土一般具有哪些主要特征?

黄土一般具有以下全部或部分特征:

①颜色为黄色或褐黄色，有时为灰黄色；②颗粒组成以粉粒(0.05～0.005mm)为主，含量一般在50％～60％以上，几乎没有大于0.25mm的颗粒；③具有较高的孔隙比，一般在0.85以上；④有较多的碳酸盐类及其胶结物；⑤层理不明显(次生黄土有时具层理)，但垂直节理发育；⑥具肉眼可见的大孔隙。

2）湿陷性黄土的主要判别指标及其含义是什么? 湿陷程度如何判定?

1）土体结构性问题的特点有哪些?

其一：在研究思路上是由微观机制的研究取得对宏观行为的模拟，是一个由微观到宏观的过程（主要通过宏观的力学性质试验去模拟和解释岩土体的变化机制）;

其二：视岩土体为非均质和非连续体（将岩土体视为连续的均质体）;

其三：强调结构的显著作用（忽视土的结构性）。

所以，岩土体的结构性问题研究有其独特的理论和方法体系，应当将其从岩土力学中独立出来加以系统研究。

2）一个完整的微结构力学体系的形成将经历哪些阶段?

结构量化阶段、结构力学效应分析阶段、结构性本构模型建立阶段

4、边坡失稳

1）斜坡应力场的特点?

应力重分布特征：

最大主应力平行坡面。

坡脚应力差增大，剪应力增高，易剪坏。

坡肩（顶）张力带发育，易产生拉裂。

最大剪应力迹线呈弧形，凹向坡面。

坡面附近呈二向应力状态（径向为零）

（１）由于应力的重分布，斜坡周围主应力迹线发生明显偏转。无论是在重力场条件下，还是在以水平应力为主的构造应力场条件下，其总的特征表现为愈靠近临空面，最大主应力愈接近于平行临空面，最小主应力刚与之近于正交。

（２）由于应力分异的结果，在临空面附近造成应力集中带。但坡脚区和坡缘(斜坡面与坡顶面的交线)区情况有所不同。具体体现在：坡脚附近最大主应力（相当于临空面的切向应力）显著增高，且愈近表面愈高；最小主应力（相当于径向应力）显著降低，于表面处降为零，甚至转为拉应力。

（３）与主应力迹线偏转相联系，坡体内最大剪应力迹线由原先的直线变为近似圆弧线，弧的下凹面朝着临空方向。

（４）坡面处由于径向压力实际等于零，所以实际上处于单向应力状态(不考虑斜坡走向方向的σ2 时)，向内渐变为两向或三向(考虑σ2时)状态。

破坏模式示意简图与边坡结构之间的关系

平面破坏主要结构面的走向、

倾向与坡面基本一

致，结构面的倾角大

于其摩擦角且小于坡

角

一个滑动平面和一

个块体

一个滑动平面和一

条张裂隙

若干滑动平面和横节

理

一个主要滑动平面和主动、被动两个

滑动块体

楔形破坏两组结构面的交线倾向坡面，交线的倾角小于坡角且大于其摩擦角

圆弧滑动节理裂隙很发育的破碎岩体发生旋转破坏

倾倒破坏岩体被陡倾结构面分割成一系列岩柱，当为软岩时，岩柱产生向坡面弯曲，当为硬岩时，岩柱可再被正交节理切割成岩块，向坡面倾

倒

岩溶发育形成的要素有哪些?

岩溶发育的基本条件（水与岩土两大类）：可溶岩层的存在（卤化物岩、硫酸岩盐、碳酸岩盐）;可溶岩必须透水（裂隙的发育程度）;水具侵蚀性（碳酸、有机酸和硫酸）;水的流动性（地下水的循环交替是岩溶发育的充分必要条件）

1）可溶性岩石

卤化物岩(岩盐、钾盐、镁盐)，硫酸盐岩(石膏)，分布不广，岩体较小。碳酸盐岩(石灰岩、白云岩、大理岩) ，分布广、岩体大，有普遍意义。

①.岩石成分对其溶解的影响

泥质含量比较高的岩石，不利于岩溶的发育；成份不很纯的岩层,有利于形成溶蚀比较均匀的岩溶含水层；巨厚的纯灰岩,有利于形成大型岩溶洞穴，岩溶发育不均匀；纯灰岩要比白云岩容易溶蚀，硅质与泥质灰岩最难溶蚀。

②岩石结构对其溶蚀作用的影响

生物礁岩最易溶蚀;泥晶粒屑碳酸盐岩及泥晶碳酸岩次之;亮晶碳酸岩最不易溶蚀;经受白云岩化的白云质灰岩、灰质白云岩等，多形成岩溶中等发育的均一含水层。

2）岩石的透水性

可溶岩经受构造变动并发育构造裂隙是岩溶发育的一个必要条件。厚层质纯的灰岩，岩溶发育极不均匀;薄层的碳酸盐岩,岩溶发育比较均匀而不强烈，主要表现为溶蚀裂隙;泥质灰岩，不利于溶蚀作用。

3）水的侵蚀能力

水对碳酸盐岩的溶蚀能力，主要取决于其所含的CO2。含有机酸较多的水，溶蚀能

力较强。富含CO2的水，在溶解CaCO3的过程中，CO2逐渐消耗减少，侵蚀性逐渐减弱以至完全消失。

4）地下水径流强度

岩溶发育的一个必要条件是水的流动。地下水的径流条件是控制岩溶发育最活跃最关键的因素。水交替条件在时间和空间上的变化，正是岩溶发育在时间和空间上不均一的主要原因；而分析水交替条件则是研究岩溶形成和发育的关键。

6、地应力

1）地应力的测试方法和优缺点

2）影响地应力大小的主要地质因素

1.地质构造对地应力的影响

地质构造主要影响地应力的分布和传递:

(1)在静应力场中，断裂构造对地应力大小和方向的影响是局部的。

(2)在同一构造单元体内地应力大小和方向均较一致，而靠近断裂或其他分离面附近大小和方向才有较大变化。

(3)在活动断层附近和地震地区，地应力大小和方向都有较大变化口

(4)地质构造面与地应力方向关系，一般在水平内，最大主应力的方向常垂直于构造线。

2地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响

地形地貌对地应力的影响是复杂的。

剥蚀可以造成巨大的水平应力。由构造作用与由剥蚀作用产生的水平应力的主要区别在于，由构造作用产生的水平应力具有明显的方向性;而由剥蚀产生的水平应力，按海姆假设条件，不具方向性。

3岩石力学性质对地应力的影响

岩体地应力是能量积累与释放的结果。从能量的积累观点来看，岩体应力的上限必然要受到岩体强度的限制。弹性模量较大的岩体有利于地应力积累，所以地震和岩爆容易发生在这些部位，而塑性岩体容易产生变形，不利于应力积累。

4温度对地应力的影响

岩体温度对地应力的影响表现在两个方面：地温梯度和岩体局部温度的影响。

3）高地应力的地质判别标志

4）地应力的分布规律

1) 地应力是一个相对稳定性的非稳定应力场，且是时间和空间的函数

2) 实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量

3) 水平应力普遍大于垂直应力

4) 平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小

5) 最大水平主应力与最小水平主应力也随深度呈线性增长关系

6) 最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性

7) 地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大最大主应力在谷底或河床中心近于水平，而在两岸岸坡则向谷底或河床倾斜，并大致与坡面平行

7、岩体质量

常用的岩体质量评价方法

1）RQD值评价（岩石质量指标分类）

指在钻孔时，用大于75mm双层岩芯管、金刚石钻头获取的大于10cm的岩芯段累计长度与计算总长度的百分比，即岩芯采样率。

2）国标《工程岩体分级标准》（GB50218 GB50218-94 94）

采用两步分级方法：：先确定岩体的基本质量；再结合具体工程的特点（地应力、地下水和结构面产状）等确定岩体级别。该分级标准认为岩体的基本质量由岩石的坚硬程度和岩体的完整程度两因素确定，同时考虑地下水状态、初始地应力、工程轴线或走向的方位与主要结构面产状的组合关系的影响来进行岩体分类。

3）RMR系统（岩体地质力学分类）

该系统考虑了岩石强度、RQDRQD、结构面间距、结构面条件、地下水条件和结构面产状与工程走向的关系等66个指标，对影响岩体稳定性的各个主要因素进行评分，并以其

总和值作为岩体的RMRRMR值。以满足隧道加固与支护的需要。该分类系统能够用于估计岩体的强度与变形模量。

不适用于受挤压、膨胀和涌水的极软弱的岩体问题。

4）Q分类（巴顿岩体质量分类系统）

挪威人巴顿（（Barton,1974)等提出，，该系统用QQ指标评价隧道岩体质量优劣，以满足隧道加固与支护的需要。该分类系统能够用于估计岩体的强度与变形模量。

5）地质强度指标（GSI GSI）系统

Hoek等认为，岩体的强度由岩块（岩片）的性质和岩块（岩片）在不同应力条件下的滑动和转动难易程度两方面决定，而岩块滑动和转动的难易程度受岩块的几何形状以及分割这些岩块的结构面表面条件所控制。

该方法适用于岩石工程的各个阶段。主要是为节理岩体的稳定性分析（数值模拟）提供岩体力学参数。

6）另外还有谷德振的Z系统、模糊综合评判法、综合评价分级等评价方法

8、硐室施工方法

地下洞室施工技术方法分类和优缺点

1）上导洞施工法（围岩稳定性差）

当围岩不太稳定，顶围易塌时，采用先拱后墙的办法。

2）单侧导洞施工法（围岩很不稳定）

先墙后拱的方法。施工准备工作简单，施工速度快，成本低，效率高，但是施工时绞车房拱基线以上的规格不易掌握，小断面导洞不是规则的半圆拱形，顶部受力不均匀，存在局部应力集中现象。

3）双侧导洞施工法（围岩很不稳定）

施工准备工作量大，施工没备多，施工难度大，施工工序多，速度慢，成本高。

4）全断面一次开挖施工法

围岩稳定，可全断面一次开挖。现在多采用新奥法和盾构法等新型施工方法。

新奥法、TBM和盾构法在隧洞施工中引用

①新奥法：是在充分考虑围岩自身承载能力的基础上，因地制宜地搞好隧洞开挖与支护。

②TBM——Tunnel Boring Machine：全断面隧洞掘进机方法。

③盾构法：是用特制机器开挖隧洞的施工技术，主要用于第四系松软地层掘进成洞

优点是避开干扰，不影响地面建筑和环境，可充分开发地下空间。在施工中能把掘进，出渣、支护与衬砌，融为一体。施工安全、可靠、准确，能缩短工期、提高工效、节约资

金。

④明挖法：就是俗称的“大揭盖”，即将整条路挖开作业，通常，埋设城市地下管线等施工均采取明挖法。这种施工方法的优点是，作业面大、施工速度快、工程造价低，能够在较短工期内完成 高质量工程。其缺点就是需要封闭道路，对城市交通秩序有一定影响。 ⑤暗挖法：俗称“矿山法”，这种施工作业方法由于在地下进行，因此对地面交通秩序影响极小，特别是在地下水位较深、不需要降水的条件下采用。

⑥盖挖法：盖挖法是由地面向下开挖至一定深度后，将顶部封闭，其余的下部工程在封闭的顶盖下 进行施工。对地面交通秩序影响极小。

三、计算与思考题（3题，30分）

1、土石混合体滑坡

论述目前研究土石混合体滑坡稳定性的重点、难点是什么？如何去突破这些难点？

2、斜坡极限平衡分析

如下图所示，岩质斜坡内存在一软弱结构面，已知结构面AB 长度为L ，其内摩擦角和粘聚力分别为φ和C ，岩石的容重为γ、

(1)试用极限平衡分析方法推导出斜坡岩体的稳定性系数K ，及斜坡的极限坡高Hcr;

(2)若C ≈0时，斜坡稳定和失稳的条件是什么?

（1）单一同向结构面：边坡稳定性受与坡向一致的一组软弱结构面控制

滑动岩体自重：H gH W γρ==

滑动岩体自重所产生的下滑力与抗滑力分别为：

下滑力：αsin *W T =

抗滑力：CL W CL N F +=+=?α?tan *cos tan * 滑体自重W 所产生的侧向滑动力应小于或等于滑动面的抗滑阻力，根据刚体极限平 衡原理，则稳定系数为：

)

sin(sin sin 2tan tan sin tan *cos αβαγβα?α?α-+=+==H C W CL W T F K 令K=1，则滑动体的极限高度Hcr 为：)]sin()[sin(cos sin 2?ααβγ?β--=

C H cr 其中：W ：单元岩体自重；γ：岩石的容重；H ：边坡高度；T ：切向力；N ：法向力；φ：内摩擦角；α：滑动面倾角；β：坡角；L ：结构面AB 长度；C ：粘聚力

（2）C=0时，α

?tan tan ==

T F K ，Hcr=0。当α?<时，K<1，F时，K>1，F>T ，斜坡稳定；当α?=时，K=1，F=T ，斜坡处于临界状态。 3、岩体变形时间效应

可以从以下几个方面论述：

1）材料的非协调变形

2）工程岩体与天然地质体变形破坏的区别

3）不同应力条件下对工程的影响

4）滞后破坏

5）瓦斯突出