1 绪论

1.1 工程地质问题的提出

为什么要学习工程地质学？如何学习工程地质学？工程中会遇到什么地质问题？如何解决工程中遇到的地质问题？本书将介绍工程地质学的内容、研究方法和相应问题的处理措施。

▶ 1.1.1 典型工程地质事故分析

工程地质事故层出不穷，涉及人类生活的方方面面，下面介绍几个典型的事故。

1）山体崩塌事故

图1.1是2004年12月浙江甬台温高速公路某地段大面积山体崩塌的情况。山体为方斗岩，此次山体崩塌形成了约长65 m、高20 m、宽40 m，总方量超过1.5万m3的锥形堆积体，崩塌物中岩石最大块径达15 m以上，单体方量达800 m3以上，崩塌后的边坡形成了高30～40 m的陡直临空面，致使温州大桥白鹭屿至乐成镇一段的高速公路双向车道全部瘫痪，经过32 d的清障工作才恢复通车。山体崩塌往往发生在雨季或台风季节，但事故发生前温州已多日未降雨。分析认为，事故发生的主要原因是路堑边坡高陡，此处方斗岩存在三组不良结构面组合，尤其是缓倾外倾结构面的存在导致边坡不稳定，不稳定边坡在长期雨水渗透和行车震动等作用下造成此次崩塌。同时，由于陡直临空面的形成，仍有可能再次发生崩塌。应对办法是先对发生事故的南侧山体采用挖土机将崩塌体挖除并进行边坡削坡整治，同时进行锚杆注浆加固。

图1.1 浙江甬台温高速公路大面积山体崩塌事故

2）泥石流灾害

2004年8月，台风登陆后经过浙江乐清市，带来12级以上大风和特大暴雨，8 h降雨量达730 mm，引发特大山洪，导致温州乐清市某村庄的一座山岭塌方，造成了特大泥石流灾害（见图1.2）。几万立方米的巨石在雨水的夹带下沿溪而下，把沿溪而建的20多间民房全部夷为平地，原来宽一两米的小溪，被泥石流冲刷成一条宽20多米的乱石滩，几百块重达数吨的巨石横卧在乱石滩上。此次泥石流灾害共造成39人死亡，8人失踪。所以在建筑物规划设计前，要先进行不良地质条件的岩土工程勘察与评价以避免此类事故的发生。

图1.2 温州乐清市某村庄山岭塌方引起泥石流灾害

3）地震诱发的地质灾害

2008年5月12日14时28分，在四川省汶川县（震中位于北纬31°、东经103.4°，震源深度为14 km）发生里氏8.0级地震，这次地震是中华人民共和国成立以来破坏性最强、波及范围最广、救灾难度最大的一次地震（见图1.3）。汶川地震导致映秀镇92%的房屋倒塌，北川县城80%的房屋倒塌，共造成69 227人遇难，17 923人失踪，造成了连接青藏高原东部山脉和四川盆地之间长大约275 km的断层，同时地震还触发了大量的次生地质灾害。此次地震是印度洋板块向亚欧板块俯冲，造成青藏高原快速隆升，在高原东缘沿龙门山构造带向东挤压，构造应力能量的长期积累，最终在龙门山北川—映秀地区突然释放而发生。

图1.3 四川汶川8.0级地震灾害

4）建筑物地基事故

比萨斜塔是意大利比萨大教堂的一座钟楼，塔高55 m共8层。斜塔在1173年9月8日破土动工，建到第4层时出现倾斜，1178年被迫停工，1272年重新开工，1278年又停工，1360年再次复工，直到1370年全塔竣工，建塔前后历时近两百年，可谓世界建筑史上一奇。

斜塔呈圆柱形，塔身1至6层由优质大理石砌成，塔顶7至8层由轻石料和砖砌成，全塔总荷重为145 MN，地基承受接触压力高达500 kPa，斜塔自北向南倾斜，倾角约5.5°，塔顶离开竖向中心线的水平距离5 m多，倾斜已达极危险状态（见图1.4），所以2003年对其进行了加固处理。

图1.4 比萨斜塔

经过后来的分析发现，造成比萨塔倾斜的主要原因是塔身基础面积较小，其基础的集中荷载大于淤泥质黏土和砂土地基的承载力，且地基略有不均，所以形成塔身偏心荷载，导致塔身倾斜，而地基的后期塑性变形则使倾斜不断加剧。其实，比萨斜塔旁边还建造有主教堂（始建于1063年，到1092年建成）和洗礼堂（始建于1153年，到13世纪末建成），地质条件相似。由于主教堂和洗礼堂基础底面积大，总高度相对较低，对地基的单位面积荷载相对较小，因此主教堂和洗礼堂虽有沉降，但沉降基本均匀，一直正常使用。

5）高速公路路基及桥梁事故

图1.5为2004年福建罗长高速公路亭江长柄高架桥发生的路基特大坍塌，左幅长70余米的路基断裂后，从中央分隔带直立整体侧向滑移，横向推移影响距离约100 m，坍塌深度约10 m，形成一个巨大的U形断裂，未坍塌的高速公路右幅发生纵向裂缝，并有扩大趋势。该路段地基处于沿海山区沟壑地形海相沉积的复杂地质状况地段，在地表水和短时间集中暴雨渗入路基后，地基和填土路基强度降低，在高路堤的重力作用下，导致地基失稳，产生整体滑移。该软土路基工程设计中没有采用桩基础及边坡加固是一大欠缺。图1.6为浙江某桥梁溶洞桩基塌陷事故。

6）建筑物桩基础事故

温州某商厦位于温州车站大道，该工程原设计为9层，共布桩186根X形预制桩，施工时增加3层，共12层，增补5根钻孔桩，框架结构，标准层的平面面积为569.5 m2，有地下室一层。该建筑采用桩筏基础，筏板厚2 m，基础平面尺寸为33.2 m×17.8 m，基础埋深5 m。于1995年打桩，采用X形预制桩，260 t压桩机施工。桩截面尺寸为500 mm×500 mm且为X形截面，桩侧土为高含水量、高灵敏度的淤泥和淤泥质土，桩端设计为粉质黏土。最初压桩施工以压桩力主控，桩长为辅控，设计桩长为37 m，实际桩长由于压桩力控制不一定达到设计桩长。1996年商厦竣工时运行正常。2003年12月21日突然发生沉降，沉降速率最大为7 mm/d，累计沉降最大达131 mm，且发生倾斜达8.6‰（见图1.7）。

图1.5 福建罗长高速公路路基坍塌

图1.6 浙江某桥梁溶洞桩基塌陷

经过分析，事故的原因主要为：一是建筑物使用期间，二次装修增加了上部荷载，且荷载分布不均匀；二是设计时布桩选型和布置不合理，楼房的重心与基础反力中心有一定量的偏离，结构选型不合理，抗侧向刚度弱，设计安全度低，加层后布桩亦不合理；三是在桩基实际施工时由压桩力控制桩端可能未达到持力层，预制桩打桩挤土严重，使桩成为摩擦桩，在外因作用下因侧阻软化造成刺入破坏；四是黎明立交桥、车站大道的汽车震动使土体产生振动蠕变而引发沉降，同时，较大的振动荷载导致了桩侧摩阻力和桩端阻力的下降。本工程后来通过静压锚杆桩加固，最后控制了房屋基础沉降并交付使用。

图1.7 温州某商厦及事故时沉降实测值

7）大坝溃坝

Malpasset双曲拱坝位于法国南部 Rayran 河上，坝高66 m，水库总库容5.1 × 107m3。Malpasset拱坝于1954年末建成并蓄水，库水位上升缓慢，至1959年11月中旬，库水位才达到95.2 m。此时坝址下游20 m、高程80 m处有水自岩石中流出。因一场大雨，到12月2日晨，库水位猛增到100 m。当日下午，工程师们到大坝视察，因未发现大坝有任何异常，决定18:00开闸放水，以降低库水位。开闸后未发现任何震动现象，管理人员晚间对大坝进行了反复巡视，亦未见任何异常现象，于近21:00离开大坝。21:20大坝突然溃决，当时库水位为100.12 m。据坝下游1.5 km这一灾难的少数目击者叙述，他们首先感到大坝剧烈颤动，随之听到类似动物吼叫的突发巨响，感到强烈空气波的冲击，接着看到巨大的水墙顺河谷奔腾而下，电力供应中断。洪水出峡谷后流速仍达20 km/h，下游12 km处Frejus城镇部分被毁，死亡421人，财产损失达300亿法郎（见图1.8）。

图1.8 Malpasset双曲拱坝溃坝破坏

Malpasset 拱坝失事至今已50多年，对其失事的原因至今尚未取得完全一致的认识。但绝大多数专家都认为，坝基内过大的孔隙水压力是造成失事的主要原因。

西德Aachen 大学Wittke 教授在1984年秋考察了Malpasset 拱坝遗址后，随即开展了对该坝失事原因的研究。Wittke根据岩体渗流的增量荷载理论，用有限元方法分析坝与坝基在水压力、自重及渗流荷载作用下的变形和应力。结果表明，拱坝坝踵处岩体在垂直片理方向产生拉应力，该处片理产生张裂缝。库水进入裂缝并将裂缝劈开至下部断层处，在裂缝内形成全水头压力，使左坝肩至断层的岩块失稳，导致了大坝溃决。

▶ 1.1.2 工程地质问题

由上面这些实例可见，工程地质问题是指与人类工程活动有关的地质问题。如建筑物所处地质环境的区域构造稳定问题、地基岩体稳定问题、地下硐室围岩稳定问题、边坡岩体稳定问题、水库渗漏问题、淤积问题、边岸再造及坝下游冲刷问题，以及与上述问题相联系的建筑场地的规划、设计和施工条件等方面的问题。它们都会影响建筑物修建的技术可行性、经济合理性和安全可靠性。工程地质问题是工程建筑与工程地质条件（地质环境）相互作用、相互制约而引起的，而研究两者之间的相互制约关系，促使矛盾转化和解决，既保证工程安全、经济、正常使用，又合理开发和利用地质环境，就成了工程地质学的基本任务。

由于工程地质条件复杂多变，不同类型的工程对工程地质条件的要求又不尽相同，所以工程地质问题是多种多样的，工程地质问题概括起来主要有以下5个方面：

（1）地质灾害问题

包括崩塌、滑坡、泥石流、采空区等带来的地质灾害问题。

（2）区域稳定性问题

区域稳定性研究主要涉及影响稳定性的各种因素和标志分析，包括区域地质环境、地壳结构、构造活动、地应力场、地震活动、液化以及活断层等对工程稳定性的影响。区域稳定性问题越来越引起土木工程界的注意，对于大型水电工程、地下工程以及建筑群密布的城市地区的影响，已成为需要首先论证的问题。

（3）地基沉降变形问题

地基在上部结构的荷载作用下将产生大小不同的沉降变形。若产生过量的或不均匀的沉降变形，就会使建筑物发生裂缝、倾斜、塌陷，影响正常运用，甚至毁坏。

（4）地基、斜坡或硐室围岩的稳定性问题

例如，水坝地基的承载能力或抗滑强度过小，便会发生坝基滑移，危及坝体的安全和稳定。边坡开挖太缓，将大大增加开挖工程量，增加投资；过陡，又可能失稳破坏。隧道、地下厂房等工程，在开挖过程中或开挖后，破坏了地下岩体的原始平衡条件，有时也能增加新的荷载，其围岩便会出现一系列不稳定现象。对此，不给予可靠防治，便难以保障建筑物的正常使用。

（5）渗漏问题

如水库、渠道及坝基的渗漏会造成水量的大量损失，使水库或输水建筑物不能达到预期的目的。这种渗漏，有时还会影响地基、斜坡及围岩的稳定性。

此外，还有环境工程地质问题、天然建筑材料的储量和质量以及其他一些问题，也是与工程建筑密切相关的问题。