巖土體工程地質(zhì)特性課件

1、 注冊(cè)土木工程師（水利水電工程）考前培訓(xùn)水利水電工程地質(zhì)高玉生中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司(水利部天津水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院)2008年8月水利水電工程地質(zhì)1、巖土體工程地質(zhì)特性2、水利水電工程地質(zhì)勘察3、勘察技術(shù)方法4、區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性5、水庫(kù)工程地質(zhì)6、水工建筑物工程地質(zhì)7、邊坡工程地質(zhì)8、地下洞室工程地質(zhì)9、天然建筑材料勘察10、特殊巖（土）體地質(zhì)問(wèn)題11、題型特點(diǎn)與例題巖土體的工程地質(zhì)特性考試大綱【考試大綱】 土的工程分類及主要物理、力學(xué)性質(zhì)巖石分類及主要物理、力學(xué)性質(zhì)巖體結(jié)構(gòu)類型、風(fēng)化（卸荷）帶及軟弱夾層的工程地質(zhì)特性巖（土）體滲透性土的基本概念 根據(jù)中國(guó)大百科全書：土是尚未固結(jié)成

2、巖的松、軟堆積物；主要為第四紀(jì)的產(chǎn)物；土與巖石的根本區(qū)別是土不具有剛性的聯(lián)結(jié)，物理狀態(tài)多變，力學(xué)強(qiáng)度低等；由各類巖石經(jīng)風(fēng)化作用而成；位于地殼的表層，是人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的主要地質(zhì)環(huán)境。 土一般由固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三相組成，三者的不同比例決定了土的物理力學(xué)性質(zhì)。土的三相圖三相圖土的工程分類2008年6月1日開(kāi)始實(shí)施的土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50145-2007）屬于基本分類，即通用分類標(biāo)準(zhǔn)。它是以土的顆粒尺寸、水理性質(zhì)等為界定指標(biāo)的分類體系，較為原則與概括SL2370011999與之基本一樣粒組劃分（注意界限粒徑）粒組 顆粒名稱粒徑d的范圍（mm） 巨粒 漂石（塊石）d200卵石（碎石）60 d

3、200粗粒 礫粒 粗礫20 d 60中礫5 d 20細(xì)礫2d 5砂粒 粗砂0.5 d 2中砂0.25 d 0.5細(xì)砂0.075 d 0.25細(xì)粒 粉粒 0.005200mm的顆粒質(zhì)量超過(guò)總質(zhì)量的50%卵石碎石圓形及亞圓形為主棱角形為主d20mm的顆粒質(zhì)量超過(guò)總質(zhì)量的50%圓礫角礫圓形及亞圓形為主棱角形為主d2mm的顆粒質(zhì)量超過(guò)總質(zhì)量的50%砂土分類（P48表3-8）名稱顆粒級(jí)配礫砂d2mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的2550%粗砂d0.5mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的50%中砂d0.25mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的50%細(xì)砂d0.075mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的85%粉砂d0.075mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的50%

4、粘性土分類名稱塑性指數(shù)Ip粉質(zhì)粘土1017土的三角坐標(biāo)分類采用高100mm的等腰三角形，三角形的三個(gè)邊分別代表一個(gè)粒組，常用砂粒組、粉粒組和粘粒組逆時(shí)針由0至100%劃分為10等分顆粒分析成果表示在圖中命名土的三角坐標(biāo)分類三角坐標(biāo)圖010203040506070809010001020304050607080901000102030405060708090100361585粉粒含量（）粘粒含量（）砂粒含量（）輕粉質(zhì)砂壤土粉土輕砂壤土砂土重粘土粘土砂質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土重壤土重粉質(zhì)壤土中粉質(zhì)壤土輕壤土中壤土輕粉質(zhì)壤土重砂壤土重粉質(zhì)砂壤土土的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo)土粒比重（Gs ）天然密度（）含水率（）滲

5、透系數(shù)（k）孔隙比（e）土的稠度與界限含水率孔隙率（n）土的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo)土粒比重（Gs）是指土粒在105110下烘至恒重時(shí)的質(zhì)量與土粒同體積4純水質(zhì)量的比值。 其試驗(yàn)方法有浮稱法、虹吸法和比重瓶法。土的密度是指土在某種狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，單位為g/cm3。 按照土的含水狀態(tài)，表示土的密度的指標(biāo)有天然密度（） ，干密度（d）和飽和密度（szt）等。 土的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo) 在工程上經(jīng)常用到重度的概念，如干重度、飽和重度等。其值等于相應(yīng)密度乘以重力加速度。 含水率（）是指土中所含水分的質(zhì)量與固體顆粒質(zhì)量之比。 通常用百分?jǐn)?shù)表示。 土的密度、比重和含水率均系直接試驗(yàn)參數(shù)。其它很多指標(biāo)都可

6、通過(guò)這三個(gè)指標(biāo)計(jì)算得到。土的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo)孔隙率（n）是指土中孔隙體積（Vv）與土的總體積(Vs)之比。通常用百分?jǐn)?shù)表示。孔隙比（e）是指土中孔隙體積（Vv）與土粒體積(V)之比。二者都是表示孔隙在土中所占相對(duì)體積的指標(biāo)，反映土的緊密程度。土的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo)土的稠度：細(xì)粒土因含水率的變化而表現(xiàn)出的各種不同物理狀態(tài)，稱為細(xì)粒土的稠度。 細(xì)粒土的稠度狀態(tài)主要有液態(tài)、塑態(tài)和固態(tài)三種。土的界限含水率：由一種稠度狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N稠度狀態(tài)時(shí)相應(yīng)于轉(zhuǎn)變點(diǎn)的含水率稱為界限含水率。液限（WL）是粘土處于可塑狀態(tài)的上限含水率，相當(dāng)于液態(tài)與可塑狀態(tài)之間的界限含水率。土的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo)塑限（WP）是

7、使粘性土成為可塑狀態(tài)的下限含水率；縮限（ws）相當(dāng)于從半固態(tài)轉(zhuǎn)入固態(tài)的界線含水率。塑性指數(shù)（IP）是表征土的塑性狀態(tài)的指標(biāo)，它反映粘性土具有可塑性的含水率變化范圍，間接表明土的強(qiáng)度隨含水率改變而變化。土的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo)液性指數(shù)：式中w是土的天然含水率液性指數(shù)（IL）是判斷粘土稠度狀態(tài)的重要指標(biāo)。 Il0 堅(jiān)硬； 0Il 0.25 硬塑； 0.25Il 0.75 可塑； 0.751.0 流塑土的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo)滲透系數(shù)（k）是指當(dāng)土中水滲流呈層流狀態(tài)時(shí)，其流速與作用水力梯度成正比關(guān)系的比例系數(shù)，單位為cm/s或m/d。（達(dá)西定律）是水文地質(zhì)中重要的指標(biāo)之一，通常由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或室內(nèi)試驗(yàn)獲得

8、。土的主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)壓縮系數(shù)（a）抗剪強(qiáng)度（）靈敏度（St）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（qu）土的壓縮性在壓力作用下，土體中的孔隙體積減小，而引起土體積變小的性質(zhì)。用壓縮系數(shù)表征。壓縮系數(shù)（a）是指在K0固結(jié)試驗(yàn)中，土試樣的孔隙比減小量與有效壓力增量的比值，即ep壓縮曲線上某壓力段的割線斜率，以絕對(duì)值表示，單位為Mpa-1。壓縮系數(shù)的應(yīng)用在工程實(shí)際中，常以壓力段為0.1Mpa至0.2Mpa的壓縮系數(shù)（1-2）作為判斷土的壓縮性高低的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)1-20.1Mpa-1時(shí)，為低壓縮性；當(dāng)0.1Mpa-11-20.5Mpa-1時(shí)，為中壓縮性；當(dāng)1-20.5Mpa-1時(shí)，為高壓縮性?？辜魪?qiáng)度（）土具有的抵抗剪切破壞

9、的極限強(qiáng)度。抗剪強(qiáng)度參數(shù)用摩擦系數(shù)和凝聚力表示。土的剪切破壞可以看作是顆粒之間聯(lián)結(jié)的破壞；顆粒之間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度隨剪切面上的有效應(yīng)力大小而改變，這是土的抗剪強(qiáng)度的主要特征之一。土的抗剪試驗(yàn)包括直剪試驗(yàn)、三軸剪切試驗(yàn)及十字板剪切試驗(yàn)等，根據(jù)試驗(yàn)方法及排水狀態(tài)有多種抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。一般根據(jù)工程需要和規(guī)程規(guī)范選用。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（qu）為土在側(cè)面不受限制的條件下，抵抗垂向壓力的極限強(qiáng)度。3=0；1=qu=2ctg(450+0.5)qu粘性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)于飽和軟粘土，在不固結(jié)不排水的條件下=0；因此，飽和軟粘土的抗剪強(qiáng)度tf=c=0.5qu靈敏度（St）靈敏度（St）是指原狀土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與相同含

10、水率的重塑土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比。根據(jù)靈敏度指標(biāo)判斷土的靈敏性。當(dāng)St8時(shí)為高靈敏。巖石與巖體的定義 根據(jù)中國(guó)大百科全書：巖石：是礦物的天然集合體。由一種或多種礦物按一定方式結(jié)合而成。部分為火山玻璃、膠體物質(zhì)或生物遺體組成。是地球演化過(guò)程中經(jīng)過(guò)各種地質(zhì)作用形成的固態(tài)物質(zhì)，構(gòu)成地殼和地幔的主要成分。巖體：在地質(zhì)作用過(guò)程中經(jīng)受過(guò)變形和破壞的，由一定巖石成分組成，并具有一定結(jié)構(gòu)的、賦存于一定地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。巖體是巖石的集合體，由結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)及其所圍限的巖石組成。巖石的成因分類一級(jí)分類巖漿巖（火成巖）是上地?；虻貧ど畈慨a(chǎn)生的熾熱粘稠的巖漿冷凝固結(jié)形成的巖石。如花崗巖、玄武巖等。沉積巖是成層堆積的松散

11、沉積物固結(jié)而成的巖石。在地殼表層，母巖經(jīng)風(fēng)化作用、生物作用、火山噴發(fā)作用而成的松散碎屑物及少量宇宙物質(zhì)經(jīng)過(guò)介質(zhì)（主要是水）的搬運(yùn)、沉積、成巖作用形成沉積巖。如灰?guī)r、砂巖等。巖石的成因分類一級(jí)分類變質(zhì)巖由于地質(zhì)環(huán)境和物理化學(xué)條件的改變，使原先已形成的巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造甚至化學(xué)成分發(fā)生改變所形成的巖石。如片麻巖、大理巖等。巖石的二級(jí)分類巖漿巖（火成巖）見(jiàn)P51表3-9沉積巖見(jiàn)P52表3-10變質(zhì)巖見(jiàn)P52表3-11 巖石的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo)巖石顆粒密度（P）巖石塊體密度（ 0 ）軟化系數(shù)（）吸水率（）滲透系數(shù)（K）孔隙率（n）巖石的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo)巖石顆粒密度（P）是指巖石的固體部分質(zhì)

12、量與其體積之比，g/cm3。巖石塊體密度（）是指巖塊質(zhì)量與其體積之比，g/cm3。按巖塊的含水狀態(tài)，分為干密度（d），飽和密度（sat）等?？紫堵剩╪）是指巖石中孔隙的體積與巖石的體積的比值。巖石的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo)自由吸水率（a）：是指巖石試件在一個(gè)大氣壓和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量與巖石干質(zhì)量的比值。飽和吸水率（s）：是指巖石試件強(qiáng)制飽和（煮沸法或真空抽氣法）后吸入水的質(zhì)量與巖石干質(zhì)量的比值。飽水系數(shù)：自由吸水率（a）與飽和吸水率（s）之比。巖石的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo)巖石的吸水率和飽水系數(shù)是表征巖石水理性質(zhì)的重要指標(biāo)。巖石吸水率的多少，取決于巖石所含空隙的數(shù)量、大小及其張開(kāi)程度。根據(jù)飽水

13、系數(shù)的大小可以判斷巖石的抗凍性能，飽水系數(shù)大，說(shuō)明常壓下吸水后余留的空隙少，抗凍性能差。巖石的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo) 在工程實(shí)踐中，巖石（巖體）的透水性有兩種表達(dá)方式：滲透系數(shù)（k）是指水力坡度為1時(shí)，水在巖石中流動(dòng)的速度。單位為cm/s，也有用m/d 。透水率的單位為呂榮（Lu），即當(dāng)試驗(yàn)壓力為1MPa時(shí)每米試段的壓入水流量（L/min）。巖石的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo) 軟化系數(shù)是指巖石浸水飽和后的抗壓強(qiáng)度與干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度的比值。 表示巖石遇水軟化的性能，越大軟化性能越弱，其抗凍性和抗風(fēng)化能力強(qiáng)；反之亦然。巖石的主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)單軸抗壓強(qiáng)度（R）抗拉強(qiáng)度（t）抗剪強(qiáng)度（）泊松比（）變形模量（E

14、0）巖石的主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo) 單軸抗壓強(qiáng)度（R）是指巖石試件在單向受力破壞時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力，單位為MPa。 根據(jù)巖石的含水狀態(tài)，表征巖石抗壓強(qiáng)度的指標(biāo)還有干抗壓（RC）、飽和抗壓（Rs） 等。 抗拉強(qiáng)度（t）是指巖石試件在單向受拉條件下所承受的最大拉應(yīng)力，單位為MPa。 常用的試驗(yàn)方法有軸向拉伸法和劈裂法，其中采用劈裂法的較多。 巖石的主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)抗剪強(qiáng)度（）是指巖石試件受剪力作用時(shí)能抵抗剪切破壞的最大剪應(yīng)力。由內(nèi)聚力（c）和內(nèi)摩擦阻力tg兩部份組成。一般表達(dá)式為=tg+c，單位為MPa。 抗剪強(qiáng)度按試驗(yàn)方法不同，通常分為三種抗剪強(qiáng)度。巖石的主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)抗剪斷強(qiáng)度是指在一定的法向應(yīng)

15、力作用下，沿預(yù)定剪切面剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力。反映了巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦阻力之和?？辜簦Σ粒?qiáng)度是指在一定的法向應(yīng)力作用下，沿已有破裂面剪壞時(shí)最大剪應(yīng)力。抗切強(qiáng)度是指法向應(yīng)力為零時(shí)沿預(yù)定剪切面剪斷時(shí)的最大剪應(yīng)力。巖石的主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)變形模量（E0）是指在單向壓縮條件下，巖石試件的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比，單位為Mpa。 當(dāng)巖石的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)橹本€關(guān)系時(shí)，變形模量為一常量，稱為彈性模量（E）。泊松比（）是指在單向壓縮條件下，巖石試件的橫向應(yīng)變與軸向應(yīng)變之比。巖體的工程地質(zhì)特性巖體中的結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體稱為巖體的結(jié)構(gòu)單元，不同類型的結(jié)構(gòu)單元在巖體內(nèi)的組合和排列形式稱為巖體結(jié)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)類型是評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量的重

16、要基礎(chǔ)水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范將巖體結(jié)構(gòu)分為5類13亞類。詳見(jiàn)P54 表3-13巖體結(jié)構(gòu)及分類類型亞類巖體結(jié)構(gòu)特征塊狀結(jié)構(gòu) 整體狀巖體完整，呈巨塊狀，結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，間距大于100cm 塊狀巖體較完整，呈塊狀，結(jié)構(gòu)面輕度發(fā)育，間距一般10050cm 次塊狀巖體較完整，呈次塊狀，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，間距一般5030cm 層狀結(jié)構(gòu) 巨厚層狀巖體完整，呈巨厚層狀，結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，間距大于100cm 厚層狀巖體較完整，呈厚層狀，結(jié)構(gòu)面輕度發(fā)育，間距一般10050cm 中厚層狀巖體較完整，呈中厚層狀，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，間距一般5030cm 互層狀巖體較完整或完整性差，呈互層狀，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育或發(fā)育，間距一般3010

17、cm 薄層狀巖體完整性差，呈薄層狀，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，間距一般小于10cm 巖體結(jié)構(gòu)及分類類型亞類巖體結(jié)構(gòu)特征碎裂結(jié)構(gòu) 鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)巖體完整性差，巖塊鑲嵌緊密，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育到很發(fā)育，間距一般3010cm 碎裂結(jié)構(gòu)巖體較破碎，結(jié)構(gòu)面很發(fā)育，間距一般小于10cm 散體結(jié)構(gòu) 碎塊狀結(jié)構(gòu)巖體破碎，巖塊夾巖屑或泥質(zhì)物 碎屑狀結(jié)構(gòu)巖體破碎，巖屑或泥質(zhì)物夾巖塊 單項(xiàng)指標(biāo)巖石的強(qiáng)度分級(jí)按巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行劃分Rb60 Mpa ，堅(jiān)硬巖60Rb30 Mpa，中硬巖或較堅(jiān)硬巖30Rb15 Mpa，較軟巖 15Rb5 Mpa，軟巖 Rb 5Mpa，極軟巖單項(xiàng)指標(biāo)巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD分級(jí)巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)RQD（%）完整很

18、好90100 較完整好7590 中等完整中等5075 較破碎差2550 破碎很差025單項(xiàng)指標(biāo)巖體完整性及分級(jí)巖體與相應(yīng)巖塊的彈性波速比值的平方稱為巖體穩(wěn)定性系數(shù)（Kv）。據(jù)此將巖體分為5級(jí)：完整：Kv0.75； Jv 3較完整：0.55 Kv0.75， Jv：310完整性差： 0.35 Kv0.55， Jv：1020較破碎： 0.15 Kv0.35， Jv：2035破碎： Kv0.15， Jv35RQD與體積節(jié)理數(shù)Jv的關(guān)系： RQD=115-3.3 Jv單項(xiàng)指標(biāo)巖土體滲透性分級(jí)GB50278-99將巖土體的滲透性分六級(jí)（見(jiàn)P58表3-17 ）極微透水 K10-6cm/s q 0.1Lu微透

19、水 10-6K10-5 0.1 q 1弱透水 10-5 K 10-4 1 q 10中等透水 10-4 K 10-2 10 q 100強(qiáng)透水 10-2 K 100 q 100Lu極強(qiáng)透水 K100cm/s q 100Lu巖體風(fēng)化帶劃分巖體風(fēng)化是指地表巖體在太陽(yáng)輻射、溫度變化、水、氣體、生物等因素的綜合作用下，組織結(jié)構(gòu)、礦物化學(xué)成分和物理性狀等發(fā)生變化的過(guò)程和現(xiàn)象。巖體的風(fēng)化程度不同決定了巖體的強(qiáng)度、變形及滲透特性的不同，因此水利水電工程中巖體風(fēng)化帶劃分十分重要。巖體風(fēng)化帶劃分水利水電工程地質(zhì)勘察工作中按全、強(qiáng)、弱、微、新分為五個(gè)風(fēng)化帶。巖土工程勘察規(guī)范按殘積土、全、強(qiáng)、中等、微、未風(fēng)化分為六個(gè)風(fēng)化帶。詳見(jiàn)知識(shí)手冊(cè)P56 表316、案例手冊(cè)P725731修訂GB50287-99時(shí)增加了灰?guī)r風(fēng)化帶劃分標(biāo)準(zhǔn)。軟弱夾層的工程地質(zhì)特性軟弱夾層的分類 軟弱夾層的形成與成巖條件、構(gòu)造作用和地下水活動(dòng)等密切相關(guān)。按其成因一般可分為： 原生型 次生型 構(gòu)造型泥化夾層的工程地質(zhì)特性1、泥化夾層的礦物成份主要是蒙脫石、伊利石和高嶺石等粘土礦物；其