第一章 工程地质
第一节 岩体的特征
岩体是岩石受节理、断层、层面及片理面等结构面切割而具有一定结构的、受地下水影响的多裂隙综合体。岩体和岩石的概念不同，岩石是矿物的集合体，其特征可以用岩块来表征。岩体可能由一种或多种岩石组合，且在形成现实岩体的过程中，经受了构造变动、风化作用、卸荷作用等各种内外力地质作用的破坏和改造。
建设工程通常将工程影响范围内的岩石综合体称为工程岩体。工程岩体有地基岩体、边坡岩体和地下工程围岩三类。地下工程围岩是指地下隧道、竖井、地铁、厂房、储库、车库、车站、商场等地下工程的边壁周围的岩体，简称围岩。在工程施工和使用过程中’承受工程建筑传来的荷载作用下工程岩体的稳定性，直接关系着施工期间和使用期间工程的安全，关系着工程建设的成功与失败。
一、岩体的结构 (一)岩体的构成 岩体是由岩石或土受结构面切割的岩块构成的，岩体的性质取决于岩石或土和结构面的性质。
1.岩石
(1)岩石的主要矿物。矿物是存在于地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。其中构成岩石的矿物，称为造岩矿物。组成地壳的岩石，是在一定的地质条件下，由一种或几种矿物自然组合而成的矿物集合体。矿物的成分、性质及其在各种因素影响下的变化，都会对岩石发生影响。例如，岩石中的石英含量越多，钻孔的难度就越大，钻头、钻机等消耗量就越多。关于岩石钻孔，有的行业定额对岩石中石英含量相差10%就会作定额调整。
由于成分和结构的不同，每种矿物都有自己特有的物理性质，物理性质是鉴别矿物的主要依据。
①颜色。颜色是矿物最明显、最直观的物理性质。根据成色原因，可分为自色和他色。自色是矿物本身固有的成分、结构所决定的颜色，具有鉴定意义。他色是某些透明矿物混有不同杂质或其他原因引起的。
②光泽。光泽是矿物表面的反光能力，用类比方法常分为四个等级：金属光泽、半金属光泽、金刚光泽及玻璃光泽。另外，由于矿物表面不平、内部裂纹等，可形成某种独特的光泽，如丝绢光泽、油脂光泽、蜡状光泽、珍珠光泽、土状光泽等。矿物遭受风化后，光泽强度就会有不同程度的降低，如玻璃光泽变为油脂光泽等。
③硬度。硬度是矿物抵抗外力刻划、压人或研磨等机械作用的能力。鉴定矿物常用一些矿物互相刻划来测定其相对硬度，一般分为10个标准等级，如表1.1.1矿物硬度表所列。
在实际工作中常用可刻划物品来大致测定矿物的相对硬度，如指甲约为2～2.5度，小刀约为5～5.5度，玻璃约为5.5～6度，钢刀约为6～7度。
(2)岩石的成因类型及其特征。组成地壳的岩石按成因可分为岩浆岩(火成岩)、沉积岩(水成岩)和变质岩三大类。不同成因的岩石形成条件、物质成分、结构和构造各不相同，故它们的物理力学性质也不一样，这些都关系到工程建设的规划、设计和施工。 ①岩浆岩。岩浆岩(火成岩)是岩浆通过地壳运动，沿地壳薄弱地带上升冷却凝结后形成的岩石。岩石中矿物的结晶程度、颗粒大小与形状，以及它们的相互组合关系不同，形成岩浆岩的不同结构。岩石中的矿物在空间的排列、配置和充填方式不同，形成岩浆岩的不同构造。根据形成条件，岩浆岩分为喷出岩和侵入岩。侵入岩是侵入到周围岩层(简称围岩)中形成的岩浆岩。根据形成深度，侵入岩又分为深成岩(形成深度大于5km)和浅成岩(形成深度小于5km)o深成岩常形成岩基等大型侵入体，岩性一般较单一，以中、粗粒结构为主，致密坚硬，孔隙率小，透水性弱，抗水性强，故其常被选为理想的建筑基础，如花岗岩、正长岩、闪长岩、辉长岩;浅成岩多以岩床、岩墙、岩脉等状态产出，有时相互穿插。颗粒细小，岩石强度高，不易风化，但这些小型侵入体与围岩的接触部位，岩性不均一，节理裂隙发育，岩石破碎，风化蚀变严重，透水性增大，如花岗斑岩、闪长玢岩、辉绿岩、脉岩。喷出岩是指喷出地表形成的岩浆岩。一般呈原生孔隙和节理发育，产状不规则，厚度变化大，岩性很不均一，比侵入岩强度低，透水性强，抗风能力差，如流纹岩、粗面岩、安山岩、玄武岩、火山碎屑岩。
②沉积岩。沉积岩是在地壳表层常温常压条件下，由风化产物、有机物质和某些火山作用产生的物质，经风化、搬运、沉积和成岩等一系列地质作用而形成的层状岩石。沉积岩主要有碎屑结构(碎屑物质被胶结物粘结起来而形成的结构)、泥质结构(由小于0.005mm的黏土颗粒组成的结构)、晶粒结构(由岩石颗粒在水溶液中结晶或呈胶体形态凝结沉淀而成的结构)、生物结构(有生物遗体组成的结构)o沉积岩的构造，是沉积岩各个组成部分的空间分布和排列方式。常见的构造有层理构造、层面构造、结核(与周围沉积岩不同的、规模不大的团块体)、生物成因构造(如生物礁体、叠层构造、虫迹、虫孔等)o根据沉积岩的组成成分、结构、构造和形成条件，可分为碎屑岩(如砾岩、砂岩、粉砂岩)、黏土岩(如泥岩、页岩)、化学岩及生物化学岩类(如石灰岩、白云岩、泥灰岩等)o ③变质岩。变质岩是地壳中原有的岩浆岩或沉积岩，由于地壳运动和岩浆活动等造成物理化学环境的改变，使原来岩石的成分、结构和构造发生一系列变化，形成了新的岩石。变质岩的结构主要有变余结构(重结晶或变质结晶作用不完全使原岩结构特征保留)、变晶结构(岩石发生重结晶或变质结晶所形成的结构)、碎裂结构(岩石受定向压力作用发生破裂，形成碎块甚至粉末状后又被胶结在一起的结构)o变质岩的构造主要有板状构造(平行、较密集而平坦的破裂面分裂岩石成板状体)、千枚状构造(岩石呈薄板状)、片状构造(含大量呈平行定向排列的片状矿物)、片麻状构造(粒状变晶矿物间夹鳞片状、柱状变晶矿物并呈大致平行的断续带状分布)、块状构造(矿物均匀分布、.结构均一、无定向排列，如大理岩、石英岩等)。
三大类岩石的主要区别。根据上述三大类岩石的特征描述，现将它们之间的主要区别归纳如表1.1.20
2.土
土是连续、坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，在原地残留或经过不同的搬运方式，在各种自然环境中形成的堆积物。
(1)土的组成。土是由颗粒(固相)、水溶液(液相)和气(气相)所组成的三相体系，各种土的颗粒大小和矿物成分差别很大，土的三相间的数量比例也不尽相同，而且土粒与其孔隙水溶液及环境水之间又有复杂的物理化学作用。根据组成土的固体颗粒矿物成分的性质及其对土的工程性质影响不同，组成土的固体颗粒矿物可分为原生矿物、不溶于 水的次生矿物、.可溶盐类及易分解的矿物、有机质等四种。
(2)土的结构和构造。土的结构是指土颗粒本身的特点和颗粒间相互关联的综合特 征，一般可分为两大基本类型：
①单粒结构。也称散粒结构，是碎石(卵石)、砾石类土和砂土等无黏性土的基本结 构形式，其对土的工程性质影响主要在于其松密程度。
②集合体结构。也称团聚结构或絮凝结构，这类结构为黏性土所特有。黏性土组成颗 粒细小，表面能大，颗粒带电，沉积过程中粒间引力大于重力，并形成结合水膜连接，使 之在水中不能以单个颗粒沉积下来，而是凝聚成较复杂的集合体进行沉积。
土的构造，是指整个土层(土体)构成上的不均匀性特征的总合，反映土体力学性质 和其他工程性质的各向异性或土体各部位的不均匀性，是决定勘探、取样或原位测试布置 方案和数量的重要因素之一。整个土体构成上的不均匀性包括：层理、夹层、透镜体、结 核、组成颗粒大小悬殊及裂隙特征与发育程度等。这种构成上的不均匀性是由于土的矿物 成分及结构变化所造成的。一般土体的构造在水平方向或竖直方向变化往往较大，受成因 控制。土的构造特征和结构特征一样，也是在它生成过程中各有关因素作用下形成的。对 于每种成因类型的土体，都具有其各自特有的构造。
(3)土的分类。
①根据有机含量分类。根据土中有机质含量，分为无机土、有机质土、泥炭质土和 泥炭。
②根据颗粒级配和塑性指数分类。根据颗粒级配和塑性指数分为碎石土、砂土、粉土 和黏性土。碎石土是粒径大于Lmm的颗粒含量超过全重50%的土，根据颗粒级配和颗粒 形状分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾;砂土是粒径大于Lmm的颗粒含量不超 过全重50%，且粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土;黏性土是塑性指数大 于10的土。黏性土分为粉质黏土和黏土;粉土是粒径大于0.075的颗粒不超过全重 50%，且塑性指数小于或等于10的土。
③根据地质成因分类。土可分为残积土、坡积土、洪积土、冲击土、淤积土、冰积土 和风积土等。
④根据颗粒大小及含量分类。土可分为巨粒土、粗粒土、细粒土等。如图1.1.1所示。
3.结构面
结构面是切割岩体的各种地质界面的统称，是一些具有一定方向，延展较广较薄的二维地质界面，如层面、沉积间断面、节理、裂隙、裂缝、断层等，也包括厚度较薄的软弱夹层。结构面的特征是影响结构面强度及其他性能的重要因素，一般从方位、间距、延续性、粗糙度、结构面侧壁强度、张开度、充填物、渗流、节理组数、块体大小等方面来描述结构面的特征。其中节理组数的多少决定了岩石的块体大小及岩体的结构类型，表1.1.3是根据节理组数划分的结构面发育程度来予以分级的。
4.地质构造
(1)水平构造和单斜构造。水平构造，是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。这里所说的水平构造只是相对 而言，因为地壳的发展经历了长期复杂的运动过程，岩层的原始产状都发生了不同程度的 变化。
单斜构造，是原来水平的岩层，在受到地壳运动的影响后，产状发生变动形成岩层向 同一个方向倾斜，这种产状变动往往是褶曲的一翼、断层的一盘或者是局部地层不均匀的 上升或下降所引起。
一般将岩层在空间中的位置定义为岩层产状。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，如图1.1.2所示。一般而言，通过岩层产状的三个要素， 可以表达出经过构造后的构造形态在空间的位置。
①岩层走向，是指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。
②岩层的倾向，是垂直走向顺倾斜面引出的一条直线与水平面投影的方位角，表示岩 层在空间的倾斜方向。
③岩层的倾角，是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。 (2)褶皱构造。褶皱构造是组成地壳的岩层，受构造力的强烈作用，使岩层形成一系
列波状弯曲而未丧失其连续性的构造，它是岩层产生的塑性变形。绝大多数褶皱是在水平挤压力作用下形成的，但也有少数是在垂直力或力偶作用下形成的。褶皱是最常见的地质构造形态之一，在层状岩层中最明显，在块状岩体中则很难见到。
褶曲是褶皱构造中的一个弯曲，两个或两个以上褶曲构造的组合构成褶皱构造，每一个褶曲都有核部、翼、轴面、轴及枢纽等几个褶曲要素。褶曲的基本形态是背斜和向斜，如图1.1.3所示。背斜褶曲是岩层向上拱起的弯曲，以褶曲轴为中心向两翼倾斜。当地面受到剥蚀而出露有不同地质年代的岩层时，较老的岩层出现在褶曲的轴部，从轴部向两翼，依次出现的是较新的岩层。向斜褶曲，是岩层向下凹的弯曲，其岩层的倾向与背斜相反，两翼的岩层都向褶曲的轴部倾斜。当地面遭受剥蚀，在褶曲轴部出露的是较新的岩层，向两翼依次出露的是较老的岩层。
在褶皱比较强烈的地区，一般都是线形的背斜与向斜相间排列，以大体一致的走向平行延伸，有规律的组成不同形式的褶皱构造。从工程所遇到的具体构造问题来说，往往是一个一个的褶曲或是大型褶曲构造的一部分。不论是背斜褶曲还是向斜褶曲，在褶曲的翼部遇到的，基本上是单斜构造，也就是倾斜岩层的产状与路线或隧道轴线走向的关系问题，倾斜岩层对建筑物的地基，一般没有特殊不良的影响，但对于以下两种情况，则需要根据具体情况作具体的分析。
①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，仅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，如在云母片岩、绿泥石片岩、滑石片岩、千枚岩等松散岩石分布地区，坡面易发生风化剥蚀，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，而边坡的倾角大于岩层的倾角，如在石灰岩、砂岩与黏土质页岩互层，且有地下水作用时，在路堑开挖过深、边坡过陡或者由于开始使软弱构造面暴露的情况下，易引起斜坡岩层发生大规模的顺层滑动，破坏路基稳定。
②对于隧道工程来说，褶曲构造的轴部是岩层倾向发生显著变化的地方，是岩层受应力作用最集中的地方，、所以在褶曲构造的轴部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。因此，一般从褶曲的翼部通过是比较有利的。
(3)断裂构造。断裂构造是构成地壳的岩体，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，它是地壳上层常见的地质构造，其分布很广，特别在一些断裂构造发育的地带，常成群分布，形成断裂带。根据岩体断裂后两侧岩块相对位移的情况，将其分为裂隙和断层两类。
①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。在数值上一般用裂隙率表示，即岩石中裂隙的面积与岩石总面积的百分比，裂隙率越大，表示岩石中的裂隙越发育;反之，则表示裂隙不发育。在表1.1.4中介绍了公路工程对裂隙发育程度划分的等级及对工程的影响。
注：裂隙宽度：密闭裂隙<1mm;微张裂隙为1～3mm;张开裂隙为3～5mm;宽张裂隙>5mm。 根据裂隙的成因，一般分为构造裂隙和非构造裂隙两类。
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。按裂隙的力学性质，可将构造裂隙分为张性裂隙和扭(剪)性裂隙。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，一般出现在褶曲的翼部和断层附近。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上同时出现，交叉成“X’’形，将岩体切割成菱形块体。 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
程中产生的原生裂隙、风化裂隙以及沿沟壁岸坡发育的卸荷裂隙等。其中具有普遍意义的是风化裂隙，其主要发育在岩体靠近地面的部分，一般很少达到地面下10 ---15m的深度。裂隙分布零乱，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。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。其破坏了岩体的整体性，促进了岩体的风化速度，增强了岩体的透水性，进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，不论岩体的产状如何，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。因而，当裂隙有可能成为影响工程设计的重要因素时，应当对裂隙进行深入的调查研究，详细论证裂隙对建筑的影响，采取相应措施，以保证建筑物的稳定和正常使用。
②断层。断层是岩体受力作用断裂后，两侧岩块沿断裂面发生显著相对位移的断裂构造。断层一般由四个部分组成，如图1.1.4所示。
A.断层面和破碎带。断层面是指两侧岩块发生相对位移的断裂面，可以是直立的，乜可以是倾斜的，一般情况下均为倾斜状态，其产状可以通过断层面的走向、倾向和倾角来表示。规模大的断层，一般不是沿着一个简单的面发生，而往往是沿着一个错动带发生，称之为断层破碎带。其宽度从数厘米到数十米不等。断层的规模越大，破碎带也就越寇，越复杂。
B.断层线。是断层面与地面的交线，表示断层的延伸方向，其形状决定于断层面的形状和地面的起伏情况。
C.断盘。是断层面两侧相对位移的岩体。当断层面倾斜时，位于断层面上部的称为上盘;位于断层面下部的称为下盘9若断层面直立则无上下盘之分。
D.断距。是断层两盘相对错开的距离。岩层原来相连的两点，沿断层面错开的距离际为总断距，其水平分量称为水平断距，铅直分量称为铅直断距。
根据断层两盘相对位移的情况，可分为正断层、逆断层、平推断层。
正断层是上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升的断层。它一般是受水平张应力或垂直作用力使上盘相对向下滑动而形成的，所以在构造变动中多在垂直于张应力的方向上发生，但也有沿已有的剪节理发生。
逆断层是上盘沿断层面相对上升，下盘相对下降的断层。它二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。断层线的方向常和岩层
走向或褶皱轴的方向近于一致，和压应力作用的方向垂直。断层面从陡倾角至缓倾 角都有。
平推断层是由于岩体受水平扭应力作用，使两盘沿断层面发生相对水平位移的断层。 由于多系受剪(扭)应力形成，因此大多数与褶皱轴斜交，与“X’’节理平行或沿该节理 形成，其倾角一般是近于直立的。这种断层的破碎带一般较窄，沿断层面常有近水平的 擦痕。
(二)岩体结构特征
1.结构体特征
结构面在空间按不同组合，可将岩体切割成不同形状和大小的结构体。岩体中结构体 的形状和大小是多种多样的，根据其外形特征可大致归纳为柱状、板状、楔形、菱形和锥 形等六种基本形态。当岩体发生强烈变形破碎时，也可形成片状、碎块状、鳞片状等结构 体。结构体的形状与岩层产状之间有一定的关系，如平缓产状的层状岩体中，一般由层面 (或顺层裂隙)与平面上的“X’’型断裂组合，常将岩体切割成方块体、三角形柱体等。 在陡立的岩层地区，由层面(或顺层错动面)、断层与剖面上的“X"型断裂组合，往往 形成块体、锥形体和各种柱体。
2.岩体结构类型
岩体结构是指岩体中结构面与结构体的组合方式。岩体结构的类型可分为整体块状结 构、层状结构、碎裂结构和散体结构。
(1)整体块状结构。岩体结构面稀疏、延展性差、结构体块度大且常为硬质岩石，整 体强度高、变形特征接近于各向同性的均质弹性体，变形模量、承载能力与抗滑能力均较 高，抗风化能力一般也较强。因而，这类岩体具有良好的工程地质性质，往往是较理想的 各类工程建筑地基、边坡岩体及地下工程围岩。
(2)层状结构。，岩体中结构面以层面与不密集的节理为主，结构面多闭合或呈微张 状、一般风化微弱、结合力一般不强，结构体块度较大且保持着母岩岩块性质，故这类岩 体总体变形模量和承载能力均较高。作为工程建筑地基时，其变形模量和承载能力一般均 能满足要求。但当结构面结合力不强，有时又有层间错动面或软弱夹层存在，则其强度和 变形特性均具各向异性特点，一般沿层面方向的抗剪强度明显比垂直层面方向的更低，特 别是当有软弱结构面存在时，更为明显。这类岩体作为边坡岩体时，一般来说，当结构面 倾向坡外时要比倾向坡里时的工程地质性质差得多。
(3)碎裂结构。岩体中节理、裂隙发育、常有泥质充填物质，结合力不强，其中层状 岩体常有平行层面的软弱结构面发育，结构体块度不大，岩体完整性破坏较大。其中镶嵌 结构岩体结构体为硬质岩石，具有较高的变形模量和承载能力，工程地质性能尚好。而层 状碎裂结构和碎裂结构岩体变形模量、承载能力均不高，工程地质性质较差。
(4)散体结构。岩体节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，岩石手捏即碎，属于碎石 土类。
二、岩体的力学特性
(一)岩体的变形特征 岩体的变形通常包括结构面变形和结构体变形两个部分。就大多数岩体而言，一般建
筑物的荷载远达不到岩体的极限强度值。因此，设计人员所关心的主要是岩体的变形特 性。岩体变形参数是由变形模量或弹性模量来反映的。由于岩体中发育有各种结构面，所 以岩体变形的弹塑性特征较岩石更为显著。
不同岩体具有不同的流变特性。流变特性是岩体在外部条件不变的情况下，应力或变 形随时间而变化的性质，一般有蠕变和松弛两种表现形式。蠕变是指在应力一定的条件 下，变形随时间的持续而逐渐增加的现象。松弛是指在变形保持一定时，应力随时间的增 长而逐渐减小的现象。试验和工程实践表明，岩石和岩体均具有流变性。特别是软弱岩 石、软弱夹层、碎裂及散体结构岩体，其变形的时间效应明显，蠕变特征显著。有些工程 建筑的失事，往往不是因为荷载过高，而是在应力较低的情况下岩体产生了蠕变。
(二)岩体的强度性质
由于岩体是由结构面和各种形状岩石块体组成的，所以，其强度同时受二者性质的控 制。一般情况下，岩体的强度既不等于岩块岩石的强度，也不等于结构面的强度，而是二 者共同影响表现出来的强度。但在某些情况下，可以用岩石或结构面的强度来代替。如当 岩体中结构面不发育，呈完整结构时，岩石的强度可视为岩体强度。如果岩体沿某一结构 面产生整体滑动时，则岩体强度完全受结构面强度控制。
三、岩体的工程地质性质
岩体的工程地质性质有赖于岩石或土和结构面的性质，许多情况是结构面发育或规模 大或存在不利组合，对岩体的工程地质性质起主要或决定性的作用。
(一)岩石的工程地质性质
1.岩石的物理力学性质 (1)岩石的主要物理性质。 ①重量。岩石的重量是岩石最基本的物理性质之一，一般用比重和重度两个指标
表示。岩石的比重是岩石固体(不包括孔隙)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40℃时重量的比。常见的岩石的比重一般介于2.4～3.3之，间。岩石的比重决定于组成岩石的矿物的比重及其在岩石中的相对含量。
岩石的重度也称容重，是岩石单位体积的重量，在数值上等于岩石试件的总重量(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;孔隙全部被水充满时的重度，称为岩石的饱和重度。
一般来讲，组成岩石的矿物比重大，或岩石的孔隙性小，则岩石的重度就大。在相同 条件下的同一种岩石，重度大就说明岩石的结构致密、孔隙性小，岩石的强度和稳定性也 较高。
②孔隙性。岩石的孔隙性用孔隙度表示，反映岩石中各种孔隙的发育程度。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，以百分数计。孔隙性对岩石的强度和稳 定性产生重要的影响。岩石孔隙度的大小，主要取决于岩石的结构和构造，同时也受外力 因素的影响。未受风化或构造作用的侵入岩和某些变质岩，其孔隙度一般是很小的，而砾 岩、砂岩等一些沉积岩类的岩石，则经常具有较大的孔隙度。
③吸水性。岩石的吸水性一般用吸水率表示，反映岩石在一定条件下(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，也以百分数计。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。岩石的吸水率大，则水对岩石颗粒间结合物的浸润、软化作用就强，岩石强度和稳定性受水作用的影响也就显著。
④软化性。岩石的软化性是指岩石受水作用后，强度和稳定性发生变化的性质，主要取决于岩石的矿物成分、结构和构造特征。黏土矿物含量高、孔隙度大、吸水率高的岩石，与水作用容易软化而丧失其强度和稳定性。
用软化系数作为岩石软化性的指标，在数值上等于岩石饱和状态下的极限抗压强度与风干状态下极限抗压强度的比，其值越小，表示岩石的强度和稳定性受水作用的影响越大。未受风化作用的岩浆岩和某些变质岩，软化系数大都接近于1，是弱软化的岩石，其抗水、抗风化和抗冻性强。软化系数小于0.75的岩石，是软化性较强的岩石，工程性质比较差。
⑤抗冻性。岩石孔隙中的水结冰时体积膨胀，会产生巨大的压力，岩石抵抗这种压力作用的能力，称为岩石的抗冻性。在高寒冰冻地区，抗冻性是评价岩石工程性质的一个重要指标。
岩石的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25%的岩石，认为是抗冻的;大于25%的岩石，认为是非抗冻的。
(2)岩石的主要力学性质。
①岩石的变形。岩石受力作用会产生变形，在弹性变形范围内用弹性模量和泊桑比两个指标表示。弹性模量是应力与应变之比，以“帕斯卡’’为单位，用符号Pa表示。相同受力条件下，岩石的弹性模量越大，变形越小，即弹性模量越大，岩石抵抗变形的能力越高。泊桑比是横向应变与纵向应变的比，泊桑比越大，表示岩石受力作用后的横向变形越大。
岩石并不是理想的弹性体，岩石变形特性的物理量也不是一个常数。通常所提供的弹性模量和泊松比，只是在一定条件下的平均值。
②岩石的强度。岩石的强度是岩石抵抗外力破坏的能力，也以“帕斯卡’’为单位，用符号Pa表示。.岩石受力的作用而致破坏，表现为压碎、拉断和剪断等，故有抗压强度、抗拉强度和抗剪强度等。
抗压强度是岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力，是岩石最基本最常用的力学指标，在数值上等于岩石受压达到破坏时的极限应力。抗压强度主要与岩石的结构、构造、风化程度和含水情况等有关，也受岩石的矿物成分和生成条件的影响。所以，岩石的抗压强度相差很大，胶结不良砾岩和软弱页岩的小于20MPa，坚硬岩浆岩的大于245IPao
抗拉强度是岩石抵抗拉伸破坏的能力，在数值上等于岩石单向拉伸被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，故当岩层受到挤压形成褶皱时，常在弯曲变形较大的部位受拉破坏，产生张性裂隙。
抗剪强度是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。岩石在一定压应力下剪断时，剪破面上的最大剪应力，称为抗剪断强度，其值一般都比较高。抗剪强度是沿岩石裂隙或软弱面等发生剪切滑动时的指标，其强度远远低于抗剪断强度。
三项强度中，岩石的抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。抗剪强度约为抗压强度的10%-40%，抗拉强度仅是抗压强度的2%～16%0岩石越坚硬，其值相差越大，软弱岩石的差别较小。岩石的抗压强度和抗剪强度，是评价岩石(岩体)稳定性的指标，是对岩石(岩体)的稳定性进行定量分析的依据。
2.岩石的分级
鉴于土和岩石的物理力学性质和开挖施工的难度，由松软至坚实共分为16级，分别以I-XⅥ表示，其中工～Ⅳ的4级为土，V～XⅥ的12级为岩石。土分为一、 .三、四类，岩石分为松石、次坚石、普坚石、特坚石四类。
(二)土体的工程地质性质 1.土的物理力学性质
(1)土的主要性能参数。
①土的含水量。是土中水的重量与土粒重量之比。含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标。一般而言，土的含水量增大时，其强度就降低。
②土的饱和度。是土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。饱和度S厂越大，表明土孔隙中充水愈多。工程实际中，按饱和度将土划分为如下三种含水状态：Sr<50%是稍湿状态;Sr =50%～80%是很湿状态;Sr>80%是饱水状态。
③土的孔隙比。是土中孔隙体积与土粒体积之比，用小数表示，它是一个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密实程度。一般孔隙比小于0..6的土是密实的低压缩性土，孔隙比大于1.0的土是疏松的高压缩性土。
④土的孔隙率。是土中孔隙体积与土的体积(三相)之比。
⑤土的塑性指数和液性指数。土可分为无黏性土和黏性土。无黏性土一般指碎石土和砂土。粉土属于砂土和黏性土的过渡类型，其物质组成、结构及物理力学性质主要接近砂土。无黏性土的紧密状态是判定工程性质的重要指标，它综合反映了无黏性土颗粒的岩石和矿物组成、粒度组成(级配)、颗粒形状和排列等对其工程性质的影响。颗粒小于粉砂的是黏性土，其工程性质受含水量的影响特别大。随着含水量的变化，黏性土由一种稠度状态转变为另一种状态，相应于转变点的含水量称为界限含水量，也称为稠度界限，是黏性土的重要特性指标，对黏性土的工程性质评价及分类等有重要意义。黏性土的界限含水量有缩限、塑限和液限。
缩限。半固态黏性土随水分蒸发体积逐渐缩小，直到体积不再缩小时的界限含水量叫缩限，体积不再随水分蒸发而缩小的状态为固态。
塑限。半固态黏性土随含水量增加转到可塑状态的界限含水量叫塑限，也称塑性下限。
液限。由可塑状态转到流塑、流动状态的界限含水量叫液限。
塑性指数。液性和塑限的差值称为塑性指数，它表示黏性土处在可塑状态的含水量变化范围。塑性指数愈大，可塑性就愈强。
液性指数。黏性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，称为液性指数。液性
指数愈大，土质愈软。 (2)土的力学性质。 ①土的压缩性。是土在压力作用下体积缩小的特性。在荷载作用下，透水性大的饱和
.无黏性土，其压缩过程在短时间内就可以结束。然而，黏性土的透水性低，饱和黏性土中的水分只能慢慢排出，因此其压缩稳定所需的时间要比砂土长得多，其固结变形往往需要几年甚至几十年时间才能完成，，因此必须考虑变形与时间的关系，以便控制施工加荷速率，确定建筑物的使用安全措施。有时地基各点由于土质不同或荷载差异，还需考虑地基的不均匀沉降。所以，对于饱和软黏性土而言，土的固结问题是十分重要的。计算地基沉降量时，必须取得土的压缩性指标，无论用室内试验或原位试验来测定它，都应该力求试验条件与土的天然状态及其在外荷作用下的实际应力条件相适应。
②土的抗剪强度。是在土的自重或外荷载作用下，土体中某一个曲面上产生的剪应力值达到了土对剪切破坏的极限抗力，此时，土体会沿着该曲面发生相对滑移而失稳。土对剪切破坏的极限抗力称为土的抗剪强度。在工程实践中，土的强度涉及地基承载力、路堤等工程边坡、天然土坡的稳定性，以及土作为工程结构物的环境时作用于结构物上的土压力和山岩压力等问题。
2.特殊土的主要工程性质
(1)软土。泛指淤泥及淤泥质土，它富含有机质，天然含水量叫大于液限叫Z，天然孔隙比e大于或等于1.00软土的组成成分和状态特征是由其生成环境决定的，主要由黏粒和粉粒等细小颗粒组成，其黏土矿物和有机质颗粒表面带有大量负电荷，与水分子作用非常强烈，因而在其颗粒外围形成很厚的结合水膜，且在沉积过程中由于粒间静电引力和分子引力作用，形成絮状和蜂窝状结构。所以，软土含大量的结合水，并由于存在一定强度的粒间连结而具有显著的结构性。由于软土的生成环境及上述粒度、矿物组成和结构特征，结构性显著且处于形成初期，故具有高含水量、高孔隙性、低渗透性、高压缩性、低一抗剪强度、较显著的触变性和蠕变性等特性。
(2)湿陷性黄土。是干旱和半干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物，颜色多呈黄色、淡灰黄色或褐黄色，颗粒组成以粉土粒(其中尤以粗粉土粒，粒径为0.05～0. Olmm)为主，约占60%t70%，粒度大小均匀，黏粒含量较少，一般仅占10%～20%0黄土含水量小，一般仅8%-20%;孔隙比大，一般在1.O左右，且具有肉眼可见的大孔隙。具有垂直节理，常呈现直立的天然边坡。黄土按其成因可分为原生黄土和次生黄土。
黄土和黄土状土(以下统称黄土)在天然含水量时一般呈坚硬或硬塑状态，具有较高 的强度和低的或中等偏低的压缩性，但遇水浸湿后，有的即使在其自重作用下也会发生剧 烈而大量的沉陷(称为湿陷性)，强度也随之迅速降低。然而，并非所有的黄土都发生湿 陷。凡天然黄土在上覆土的自重压力作用下，或在上覆土的自重压力与附加压力共同作用 下，受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生显著下沉的，称为湿陷性黄土，否则，称为非湿 陷性黄土。因此，分析、判别黄土是否属于湿陷性的、其湿陷性强弱程度以及地基湿陷类 型和湿陷等级，是黄土地区工程勘察与评价的核心问题。黄土形成年代愈久，由于盐分溶 滤较充分，固结成岩程度大，大孔结构退化，土质愈趋密实，强度高而压缩性小，湿陷性 减弱甚至不具湿陷性。形成年代愈短，其特性相反。
湿陷性黄土一般分为自重湿陷性和非自重湿陷性黄土两种类型，湿陷性黄土受水浸湿后，在其自重压力下发生湿陷的，称为自重湿陷性黄土。而在其自重压力与附加压力共同.作用下才发生湿陷的，称为非自重湿陷性黄土。在自重湿陷性黄土地区修筑渠道，初次放水时就可能产生地面下沉，两岸出现与渠道平行的裂缝。管道漏水后由于自重湿陷可能导致管道折断。路基受水后由于自重湿陷而发生局部严重坍塌。地基土的自重湿陷往往使建筑物发生很大的裂缝或使砖墙倾斜，甚至使一些很轻的建筑物也受到破坏。而在非自重湿陷性黄土地区，这类现象极为少见。所以在这两种不同湿陷性黄土地区的建筑房屋，采取的地基设计、地基处理、防护措施及施工要求等方面均应有较大差别。
(3)红黏土。是指在亚热带湿热气候条件下，碳酸盐类岩石及其间夹的其他岩石，经红土化作用形成的高塑性黏土。红黏土一般呈褐色、棕红等颜色，液限大于50%0经流水再搬运后仍保留其基本特征，液限大于45%的坡、洪积黏土，称为次生红黏土，在相同物理指标情况下，其力学性能低于红黏土。红黏土和次生红黏土广泛分布于我国的云贵高原、四川东部、广西、粤北及鄂西、湘西等地区的低山、丘陵地带顶部和山间盆地、洼地、缓坡及坡脚地段。黔、桂、滇等地古溶蚀地面上堆积的红黏土层，由于基岩起伏变化及风化程度的不同，造成其厚度变化极不均匀，常见有5～8m，最薄为0.5m，最厚为20mo在水平方向常见咫尺之隔，厚度相差达10m之巨。土层中常有石芽、溶洞或土洞分布其间，给地质勘察、设计工作造成困难。
红黏土系碳酸盐类及其他类岩石的风化后期产物，其矿物成分除仍含一定数量的石英颗粒外，大量的黏土颗粒主要由多水高岭石、水云母类、胶体Si02及赤铁矿、三水铝土矿等组成，不含或极少含有有机质。红黏土的一般特点是天然含水量高，一般为40%一60%，最高达90%;密度小，天然孔隙比一般为1.4～1.7，最高为2.0，具有大孔性;高塑性，塑限一般为40%.～60%，最高达90%，塑性指数一般为20～50;一般呈现较高的强度和较低的压缩性;不具有湿陷性。由于塑性很高，所以尽管天然含水量高，一般仍处于坚硬或硬可塑状态。甚至饱水的红黏土也是坚硬状态的。
(4)膨胀土。是指含有大量的强亲水性黏土矿物成分，具有显著的吸水膨胀和失水收缩，且胀缩变形往复可逆的高塑性黏土。膨胀土多分布于Ⅱ级以上的河谷阶地或山前丘陵地区，个别处于I级阶地，呈黄、黄褐、灰白、花斑(杂色)和棕红等色，多为高分散的黏土颗粒组成，常有铁锰质及钙质结核等零星包含物。膨胀土结构致密细腻，一般呈坚硬至硬塑状态，但雨天浸水剧烈变软。近地表部位常有不规则的网状裂隙，裂隙面光滑，呈蜡状或油脂光泽，时有擦痕或水迹，并有灰白色黏土(主要为蒙脱石或伊里石矿物)充填，在地表部位常因失水而张开，雨季又会因浸水而重新闭合。
膨胀土黏粒含量多达35%-85%0其中粒径<0.002mm的胶粒含量一般也占30%一40%0塑性指数多在22～35之间，天然含水量接近或略小于塑限，常年不同季节变化幅度为3%～6%，故一般呈坚硬或硬塑状态。天然孔隙比小，通常在0.50～0.80之间。同时，其天然孔隙比随土体湿度的增减而变化，即土体增湿膨胀，孔隙比变大。土体失水收缩，孔隙比变小。自由膨胀量一般超过40%，也有超过100%的。在天然条件下，一般处于硬塑或坚硬状态，强度较高，压缩性较低，一般易被误认为工程性能较好的土。由于具有膨胀和收缩等特性，在膨胀土地区进行工程建设，如果不采取必要的设计和施工措施，会导致大批建筑物的开裂和损坏，并往往是造成坡地建筑场地崩塌、滑坡、地裂等的严重
不稳定因素。同时，当膨胀土的含水量剧烈增大(例如，由于地表浸水或地下水位上升) 或土的原状结构被扰动时，土体强度会骤然降低，压缩性增高，这显然是由于土的内摩擦 角和内聚力都相应减小及结构强度破坏的缘故。
膨胀土建筑场地与地基的评价，应根据场地的地形地貌条件、膨胀土的分布及其胀缩 性能、等级地表水和地下水的分布、集聚和排泄条件，并按建筑物的特点、级别和荷载情 况，分析和计算膨胀土建筑场地和地基的胀缩变形量、强度和稳定性，为地基基础、上部 结构及其他工程设施的设计与施工提供依据。
(5)填土。是一定的地质、地貌和社会历史条件下，由于人类活动而堆填的土。由于 我国幅员广大，历史悠久，因此在我国大多数古老城市的地表面，广泛覆盖着各种类别的 填土层，从堆填方式、组成成分、分布特征及其工程性质等方面，均表现出一定的复杂 性。根据填土的组成物质和堆填方式形成的工程性质的差异，划分为以下三类：
①素填土。素填土是由碎石、砂土、粉土或黏性土等一种或几种材料组成的填土，其 中不含杂质或杂质很少，按其组成物质不同划分为碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土 和黏性素填土。素填土经分层压实者，称为压实填土。素填土的工程性质取决于它的密实 性和均匀性，在堆填过程中，未经人工压实者，一般密实度较差，但堆积时间较长，由于 土的自重压密作用，也能达到一定密实度。如堆填时间超过10年的黏性土、超过5年的 粉土、超过2年的砂土.，.均具有一定的密实度和强度，可以作为一般建筑物的天然地基。 素填土地基具有不均匀性，防止建筑物不均匀沉降是填土地基的关键。对于压实填土应保 证压实质量，保证密实度。
②杂填土。杂填土是含有大量杂物的填土，按其组成物质成分和特征分为建筑垃圾 土、工业废料土、生活垃圾等。试验证明，以生活垃圾和腐蚀性及易变性工业废料为主要 成分的杂填土，一般不宜作为建筑物地基;对主要以建筑垃圾或一般工业废料组成的杂填 土，采用适当(简单、易行、收效好)的措施进行处理后可作为一般建筑物地基。在利用 杂填土作为地基时，应注意其不均匀性、工程性质随堆填时间而变化、含腐殖质及水化物 等问题。
③冲填土。冲填土系由水力冲填泥砂形成的沉积土，即在整理和疏浚江河航道时，有 计划地用挖泥船通过泥浆泵将泥砂夹大量水分吹送至江河两岸而形成的一种填土。冲填土 的颗粒组成和成分规律与所冲填泥砂的来源及冲填时的水力条件有着密切的关系，其含水 量大，透水性较弱，排水固结差，一般呈软塑或流塑状态，比同类自然沉积饱和土的强度 低、压缩性高。
(三)结构面的工程地质性质
岩体的完整性、渗透性、稳定.降祠l强度等物理力学性质取决于岩石和结构面的物理力 学性质，很多情况是结构面的比岩石的影响大。对岩体影响较大的结构面的物理力学性质 主要是结构面的产状、延续性和抗剪强度。延伸长度为5～10m的平直结构面‘，对地下工 程围岩的稳定就有很大的影响，对边坡的稳定影响一般不大。
结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的强度与破坏机理，结构面展布方向与受力 方向不同，岩石的强度与破坏方式不同。
结构面的规模是结构面影响工程建设的重要性质。结构面分为工～V级：
工级指大断层或区域性断层，控制工程建设地区的稳定性，直接影响工程岩体稳
定性。
Ⅱ级指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。
Ⅲ级指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。
Ⅳ级指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等，构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态;Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律具统计规律，需用统计方法进行研究，在此基础上进行岩体结构面网络模拟。
V级结构面又称微结构面，常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。
上述5级结构面中，Ⅱ、Ⅲ级结构面往往是对工程岩体力学和对岩体破坏方式有控制意义的边界条件，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性。
工程建设要注意软弱结构面。软弱结构面是岩体中具有一定厚度的软弱带(层)，与两盘岩体相比具有高压缩和低强度等特征，在产状上多属缓倾角结构面，主要包括原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其他夹泥层等。软弱结构面多为原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构或泥质定向结构，黏粒含量很高，含水量接近或超过塑限，密度比原岩小，常具有一定的胀缩性，力学性质比原岩差，强度低，压缩性高，易产生渗透变形。
(四)地震的震级与烈度
地震是一种地质现象，主要是由于地球的内力作用而产生的一种地壳震动，其中绝大多数伴随岩层断裂错动。火山爆发、洞穴陷落、山崩等也可引起地震，但其所占比例很小，且强度低、影响范围小。此外，还有由人类活动直接造成的地震，如爆破引起的地震。由人类活动导致断层错动而产生的诱发地震，如水库诱发地震等。目前，世界上有两个地震活动频繁的地震带，即阿尔卑斯一喜马拉雅地震带和环太平洋地震带。前者约占地震总数的15%，后者约占80%，这两个地震带都延伸到我国境内，所以我国是个多地震的国家，尤其西南、西北、华北、东南沿海及台湾等地区，强烈地震经常发生。
1.地震震源
震源是深部岩石破裂产生地壳震动的发源地。震源在地面上的垂直投影称为震中。地震所引起的震动以弹性波的形式向各个方向传播，其强度随距离的增加而减小。地震波首先传达到震中，震中区受破坏最大，距震中越远破坏程度越小。地面上受震动破坏程度相同点的外包线称为等震线。地震波通过地球内部介质传播的称为体波。体波分为纵波和横波，纵波的质点振动方向与震波传播方向一致，周期短、振幅小、传播速度快;横波的质点振动方向与震波传播方向垂直，周期长、振幅大、传播速度较慢。体波经过反射、折射而沿地面附近传播的波称为面波，面波的传播速度最慢。
2.地震震级
地震是依据地震释放出来的能量多少来划分震级的，释放出来的能量越多，震级就越大。中国科学院将地震震级分为五级：微震、轻震、强震、烈震和大灾震。地震释放的能量与仪器测定的震级划分见表1.1.5。
目前国际通用的李希特一古登堡震级是以距震中l00km的标准地震仪所记录的最大振幅的um数的对数表示。如记录的最大振幅是10mm，即10000Um，取其对数等于4，则为4级地震。
3.地震烈度
地震烈度是指某一地区的地面和建筑物遭受一次地震破坏的程度。地震烈度不仅与震级有关，还和震源深度、距震中距离以及地震波通过介质条件(岩石性质、地质构造、地下水埋深).等多种因素有关。目前，我国已制定出地震烈度表，见表1.1.60
地震烈度又可分为基本烈度、建筑场地烈度和设计烈度。基本烈度代表一个地区的最大地震烈度，如表1.1.6所列;建筑场地烈度也称小区域烈度，是建筑场地内因地质条件、地貌地形条件和水文地质条件的不同而引起的相对基本烈度有所降低或提高的烈度，一般降低或提高半度至一度;设计烈度是抗震设计所采用的烈度，是根据建筑物的重要性、永久性、抗震性以及工程的经济性等条件对基本烈度的调整。设计烈度一般可采用国家批准的基本烈度，但遇不良地质条件或有特殊重要意义的建筑物，经主管部门批准，可对基本烈度加以调整作为设计烈度。在工程建筑设计中，鉴定、划分建筑区的地震烈度是很重要的，因为一个工程从建筑场地的选择到工程建筑的抗震措施等都与地震烈度有密切的关系。
4.震级与烈度的关系
震级与地震烈度既有区别，又相互联系。一般情况下，震级越高、震源越浅、距震中越近，地震烈度就越高，见表1.1.60一次地震只有一个震级，但震中周围地区的破坏程度随距震中距离的加大而逐渐减小，形成多个不同的地震烈度区，它们由大到小依次分布.o但因地质条件的差异，可能出现偏大或偏小的烈度异常区。
