第二章岩土体的工程性质.ppt

第二章岩土体的工程性质,主要内容1.岩土体的物质组成与性质2.工程地质岩土层组3.岩体结构及其工程性质4.风化岩体的工程地质性质5.地形地貌,第一节岩土体的物质组成与性质一、岩土体的物质组成1岩土体是非均质、各向异性、厚度不等，具有一定次序并含有一定结构的多层岩土层，且存在于一定的地下水、温度及应力场环境中的地质体。2岩体与土体共性a.都为矿物集合体;b.有固相、液相和气相组成的多相体系;c.相互转化土---成岩作用---岩石;岩石--风化作用---土;,3岩体与土体差别a.结构形式岩石--存在断层、节理、裂隙等结构面;土一般是连续;b.连结形式岩石--结晶连结、胶结连结--硬连结;土--无连结、水连结或水胶连结等;c.力学性质岩石比土具有强度高、不易变形及整体性和抗水性好，但缺陷是存在断层、节理等构造面;d.地应力岩体--有较高地应力;土体--只有自重应力存在;,二、工程地质性质,1土体不是各土层性质的叠加而是相互影响，主要考虑薄弱环节2岩体结构起控制作用,第二节工程地质岩组,岩土工程地质类型划分--联合国教科文组织（UNESCO）和国际工程地质协会（IAEG）1划分工程地质单元工程地质类型（ET）、岩石类型（LT）、岩石综合体（LC、工程地质岩组LSa.ET--精度高，物理状态和岩性均匀.b.LT--包含不同ET其成分、结构和构造是均匀的,但物理状态不均匀,存在一定范围.c.LC--一组发育在特定古地理和地质构造条件下的成因相关的LT组成,空间分布均一,物理状态不同.d.LS--在相似的古地理构造条件下形成,具有共同的岩性性质和一般的均匀性.,2.目的研究对比和量化计算3.原则A）精度有高到低B必须以实际资料为前提,4依据A地层形成时代及顺序B岩石成因类型、岩性及岩相变化C岩石的物质组成及组织结构D成层条件及厚度变化E岩层的原生结构面标志F岩石的物理力学性质,第三节岩体结构及其工程性质,一、基本概念1结构面指发育于岩体中，具有一定方向和延伸性,有一定厚度的备种地质界面,如断层、节理、层理及不整合面等.由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面。2结构体结构面在空间的分布和组合可将岩体切割成形状、大小不同的块体,称结构体.,3岩体通常把在地质历史过程中形成的,具有一定的岩石成分和一定结构,并赋存于一定地应力状态的地质环境中的地质体。4岩体结构结构面和结构体的排列与组合形成。包括结构面和结构体两个要素。,二、岩体结构特征1结构面的特征及性质1类型结构面的成因分类原生结构面、构造结构面及次生结构面2特征a.结构面的产状结构面的产状与最大主应力作用线方向之间的关系控制着岩体的破坏机理，进而控制着岩体的强度。,如上图β-结构面与最大主应力的夹角aβ为锐角,岩体将沿结构面产生滑动破坏bβ为直角,表现为切过结构面，产生剪断、岩体破坏cβ为0度,平行结构而的劈裂拉张破坏,b.结构面连续性连续性反映结构面的贯通程度．常用线连续性系数和面连续性系数表示.线连续系数KKεa/εb;其中εa---各结构面长度之和;εb---完整岩石各段长度之和;K变化在01之间．K值愈大，说明结构而连续性愈好；当K＝1时．说明结构面完全贯通.,c.结构面的密度密度反映结构面发育的密集程度．常用间距、线密度等指标表示。线密度Kd是指结构面法线方向上单位测线长度交切结构面的条数条/m；间距d则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面之间的平均距离。两者互为倒数关系.即Kd1/d结构面的密度决定了岩体的完整性和岩块的块度。一般来说．结构面发育愈密集，岩体的完整性愈差，岩块块度愈小．进而导致岩体的力学性质变差．渗透性增强.,d.结构面的形态结构面的形态可从侧壁的起伏形态和粗糙度两方面来进行研究.结构面侧壁的起伏形态可分为平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的几种，见下图。而侧壁的起伏程度则可用起伏角i表示如下iarctg2σ/L,结构面的粗糙度可用粗糙度系数JRC表示它可以增加结构面的摩擦角．进而提高了岩体的强度。据结构面的粗糙程度可将粗糙度系数（JRC）分为10级。在实际工作中，可用剖面仪测出所研究结构面的粗糙剖面、然后与标准剖面进行比较，即可求得结构面的粗糙度系数JRC.,e.结构面的张开度结构面两壁之间，一般不是最紧密接触，而是点接触或局部接触.结构面的张开度是指结构面两壁间的平均距离．常以毫米为单位.,f.结构面的充填胶结特征结构面经胶结后，力学性质有所改善。改善的程度因胶结物成分不同而异，铁硅质胶结的强度最高，泥质及易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差.未胶结且具一定张开度的结构面，其力学性质取决于充填物成分、厚度、含水性及壁岩性质等。就充填物成分来说以砂质、角砾质性质最好．粘土质、易溶盐类性质最差.,g.结构面的分级及其特征按结构面的规模及其力学效应，可将结构面划分为5级,3软弱夹层a.定义指岩体中那些性质软弱、有一定厚度的软弱结构面或软弱带,具有高压缩性和低强度的特征.b.特征a由原岩的超固结胶结式结构．变成了泥质散题结构或泥质定向结构；b粘粒含量较原岩增多并达一定含量；c含水量接近或超过塑限．密度比原岩小；d常具一定的膨胀性；e力学强度比原岩大为降低．压缩性较大；f由于结构松散，因而抗冲刷能力低.在渗透水流作用下.愚易产生渗透变形.,2结构体特征及性质1特征可用其规模、形态及其产状进行描述a.按不同级别结构面对岩岩体的切割，可将结构体划分为4级。Ⅰ级结构体地质体或称断块体Ⅱ级结构体岩块Ⅲ级结构体块体Ⅳ级结构体山体,b.基本形状有柱状、块状、板状、楔形、锥形、菱形等。一般来说其稳定程度，板状结构体比柱状、块状的差。而楔状的比菱形及锥状的差.c.产状一般用结构体表面上最大结构面的长轴方向表示，平卧的板状结构体比竖直的板状结构体对岩体稳定性的影响要大些.,3岩体结构类型划分为了概括地反映岩体结构面和结构体的成因、特征及其排列组合关系．将岩体结构划分为4大类和8个亚类如下表所示,三、岩体工程性质,1岩体变形性质1结构面的变形特性a.法向变形特性在同一岩体中．取一块不含结构面的完整岩块试件和一块含结构面的岩石试件。然后，分别对这两块试件进行单向压缩试验，可得到如图。设不含结构面试件的法向变形为△Vr，含结构面试件的法向变形为△Vt，则结构面的闭合变形△Vj为△Vj△Vt-△Vr应力-应变曲线上某点的切线斜率定义为结构面的法向刚度（Kn），它是反映结构面法向变形性质的主要参数。,b.剪切变形特征结构面的剪切变形有两种基本类型一类为塑性变形型．如泥化夹层、光滑平直的破裂面等一般具这类变形特征；另类为脆性变形.σn-△Vj曲线有明显的峰值点和应力降。当应力降于定值后趋于稳定。不在随位移变化而变化。如粗糙结构面等常具这种变形特征。把剪力-应变曲线上某点的切线斜率定义为结构面的剪切刚度Ks．它是反映结构面剪切变形性质的主要参数。,2岩体变形参数的确定及变形曲线类型a.承压板法试验一般在平巷中进行。利用巷道顶板作反力，以油压千斤顶施加压力．通过刚性承压板将压力传至底部平直光滑的岩面上．用百分表测量岩体变形值。按下式计算．即Emw*1-μ2*p*D/W式中Em为岩体的变形模量MPa；W为岩体的变形量cm；P为承压板单位面积上的压力MPa；D为承压板直径或边长cm；μ为岩体的泊松比；ω为与承压板刚度和形状有关的系数，圆形板取0.79、方形板取0.88.,b.钻孔变形法利用钻孔膨胀计对一定长度的孔壁施加均匀压力，同时测量孔壁的径向变形。利用下式计算岩体的变形模量和弹性模量，即Eρ*1μ*d/δ式中Em为岩体的径向变形cm；p为计算压力，等于试验压力与初始压力之差MPa；d为实测点的钻孔直径cm；其余符号意义同前.,c.声波法通过测量岩体中纵波和横波的传播速度，来确定其变形参数，即Emdρ*Vp21μd12μd/1-μd;或Emd2ρ*Vs21μd;Gmdρ*Vs2;μdVp2-2*Vs2/2*Vp2-Vs2;式中Emd为岩体的动弹性模量GPa；μd为岩体的动泊松比;Gmd为岩体的动剪切模量GPa为岩体的密度g／cm2;vp为纵波速度m／s;vs为横波速度m／s.,3节理化岩体变形模量的估算比尼卫斯基根据岩体变形模量实测资料，并用CSIR分类法对岩体进行了分类．建立了如下的统计关系当RMR≥55时，Em2RME-100当RME2m隆起区－大陆、高原、山岭;沉降区海洋、平原、盆地;（2）外力作用（风化、流水、冰川、风力、波浪及海流作用等）--削高补底，力图将地表夷平.（3）地貌特征平原地下水,暗河,承载力,不均匀沉降,软土......山区边坡,岩溶,构造......岸边河沟侧向位移,入侵......,3研究意义及研究内容1）研究意义工程地质学的地貌学研究主要是探讨不同地形地貌的工程地质特征及改造方法,为工程建设服务.2）研究内容1山区重力地貌,风成地貌,流水地貌;2平原流水地貌,湖泊地貌;3海岸海岸地貌;,二、山地工程地质条件1山地地貌特征-----地表高低起伏大（有高差）、河谷切割山地山岭、谷地山岭组成山顶、山坡、山麓（山坡与平原交线地带）;山坡发育原始状态陡崖----动态变缓;,2山地地貌的形成与发展火山与地壳运动1地壳A.上升初始阶段－崎岖,陡峭B.继续上升－高山、深谷,山坡不稳定C.上升减缓－平缓,河谷变宽,相对高度下降,2山地地貌特点A.分带性1）水平分带山脊地带、斜坡地带、山前地带2）垂直分带5000m以上（终年积雪带）、4000m雪线以下、3000－4000m流水侵蚀带、3000m以下干旱流水侵蚀作用带。B．成层性阶梯状,3岩性构造对地貌影响A.岩性1花岗岩浑圆、峭壁2）石英岩悬崖尖锐、坝基好3）砂岩胶结物质4）石灰岩岩溶地貌,B.构造1）水平构造平原、高原2）单斜构造又称单面山，其两坡一般不对称，与岩层倾向相反的一坡短而陡，称为前坡它多是由外力的剥蚀作用所形成；与岩层倾向一致的一坡长而缓，称后坡。前坡陡峻，裂隙发育，风化强烈，易崩塌；后坡一般较稳定，但应注意有软弱岩层时易发生顺层滑坡。3）褶曲一般背斜山，向斜谷,称顺地形；逆地形也有。4）断层断层面、断层三角面,4山地分类1）按高程,2按成因构造与火山内动力和外动力,5山地工程地质问题边坡泥石流遂洞沟谷、桥冻土构造水,三、平原工程地质条件1概念平原它是在地壳升降运动微弱或长期稳定的条件下，经长期外力作用的夷平或补偿沉积而形成的。其特点是地势开阔平缓，地面起伏不大。2划分1.按高度分,2.按形态分倾斜平原、凹状平原、波状平原3.按成因分构造平原、剥蚀平原、堆积平原、剥蚀－堆积平原,3工程地质问题a地下水b软土c黄土d膨胀土e边坡f沉降,四、岸边工程地质问题海岸、湖岸、河岸,1海岸地貌1.定义在海洋动力,构造运动及气候,生物等因素作用下形成.2.分类1海岸地貌20km,海洋与陆地相互作用,分为海岸带,潮间带,水下岸边;2海蚀地貌海蚀穴,海蚀崖,海蚀柱,海蚀拱桥,海蚀台;3海积地貌4海成阶地,3.工程地质问题a.地基悬空b.路基中断c.垮坝,2湖岸工程地质问题1.分带沿岸地带、岸边浅滩、水下斜坡2.工程地质条件a.由湖岸向湖心，沉积物由粗到细b.由湖岸向湖心，粘土矿物逐渐增多c.由湖岸向湖心，碎屑中矿物稳定性成分逐渐增多d.由湖岸向湖心，有机物逐渐增多e.由湖岸向湖心，磨圆度增高，倾斜度降低f.湖积物含有化石,3河岸工程地质条件1.分类河漫滩河流阶地河岸边坡2.工程地质条件a.以杂碎沉积物为主,其次是粘土,偶夹有沼泽层,缺少化学沉积物b.分选度,磨圆度,层理发育度比其它陆相沉积要好c.砾石常呈叠瓦状排列,扁平面倾向上游d.水平层理,斜层理,波状层理发育e.化石少f.厚度大,具有明显韵律构造,