巖土工程教研室課件系列之工程地質(zhì)學

1、巖土工程教研室課件系列之工 程 地 質(zhì) 學天津城市建設學院土木工程系工程地質(zhì)學目錄1.緒論2.巖石的成因類型及其工程地質(zhì)特征3.地質(zhì)構造及其對工程的影響4.土的工程性質(zhì)與分類5.地下水6.不良地質(zhì)現(xiàn)象的工程地質(zhì)問題7.工程地質(zhì)原位測試8.工程地質(zhì)勘察7.工程地質(zhì)原位測試工程地質(zhì)試驗方法室內(nèi)實驗現(xiàn)場原位測試原位測試：在巖土體原有的位置上，在保持巖土的天然結構、天然含水量以及天然應力狀態(tài)條件下測定巖土性質(zhì)。土體原位測試：一般指的是在工程地質(zhì)勘察現(xiàn)場，在不擾動或基本不擾動土層的情況下對土層進行測試，以獲得所測土層的物理力學性質(zhì)指標及劃分土層一種土工勘察技術。7.工程地質(zhì)原位測試工程地質(zhì)試驗方法室內(nèi)實

2、驗現(xiàn)場原位測試室內(nèi)試驗有不足之處：飽和軟土層，受到不同程度的擾動；某一深度樣，應力狀態(tài)發(fā)生了很大的變化；試驗設備性能及操作上的誤差；飽和狀態(tài)的砂質(zhì)粉土和砂土根本取不上原狀試樣。 所以，為了取得準確可靠的力學計算指標，在工程地質(zhì)勘察中，必須進行一定的、相應數(shù)量的現(xiàn)場原位測試。7.工程地質(zhì)原位測試原位測試優(yōu)點：(1)可以測定難以取得不擾動土樣(如飽和砂土、粉土、流塑淤泥及淤泥質(zhì)土層等)的有關工程力學性質(zhì)；(2)可以避免取樣過程中應力釋放的影響，(3)原位測試的土體影響范圍遠比室內(nèi)試驗大(4)可大大縮短地基土層勘察周期。自鉆式旁壓儀7.工程地質(zhì)原位測試原位測試不足之處：各種原位測試都有其適用條件，使

3、用不當則會影響其效果；有些原位測試所得參數(shù)與土的工程力學性質(zhì)問的關系往往是建立在統(tǒng)計經(jīng)驗關系上；另外，影響原位測試成果的因素較為復雜，使得對測定位的準確判定造成一定的困難；還有，原位測試中的主應力方向往往與實際巖土工程中的主應力方向并不致等。 因此，土的室內(nèi)試驗與原位測試，兩者各有其獨到之處，在全面研究土的各項性狀中，兩者不能偏廢，而應相輔相成。7.工程地質(zhì)原位測試工程地質(zhì)原值測試的主要方法有：靜力載荷試驗、觸探試驗、剪切試驗、地基土動力特性試驗、現(xiàn)場滲透試驗等。 以實際結構物為對象在現(xiàn)場工程地質(zhì)條件下按初步設計的荷載條件進行試驗，稱之為原型試驗。7.工程地質(zhì)原位測試土體原位測試方法 可以歸納

4、為下列兩類： (1)土層剖面測試法：主要包括靜力觸探、動力觸探、扁鏟松脹儀試驗及波速法等。 土層剖面測試法具有可連續(xù)進行、快速經(jīng)濟的優(yōu)點。 (2)專門測試法：主要包括載荷試驗、旁壓試驗、標準貫入實驗、抽水和注水試驗、十字板剪切試驗等。 土的專門測試法可得到土層中關鍵部位土的各種工程性質(zhì)指標，精度高，測試成果可直接供設計部門使用。其精度超過室內(nèi)試驗的成果。7.工程地質(zhì)原位測試土體原位測試的應用根據(jù)不同的測試方法，其應用可歸納為：（1）土層土類劃分；（2）求天然地基承載力；（3）測定土的物理力學性質(zhì)指標；（4）在樁基勘察中的應用；（5）評價砂土和粉土的地震液化；（6）求解土的固結系數(shù)、滲透系數(shù)及不

5、排水抗剪強度等；（7）檢驗壓實填土的質(zhì)量及強夯效果；（8）進行淺基礎的沉降計算；（9）其它。7.工程地質(zhì)原位測試靜力載荷試驗的基本原理和意義7.1靜力載荷試驗 靜力載荷試驗就是在擬建建筑場地上，在挖至設計的基礎埋置深度的平整坑底放置一定規(guī)格的方形或圓形承壓板，在其上逐級施加荷載，測定相應荷載作用下地基土的穩(wěn)定沉降量，分析研究地基土的強度與變形特性，求得地基土容許承載力與變形模量等力學數(shù)據(jù)。7.工程地質(zhì)原位測試靜力載荷試驗的基本原理和意義7.1靜力載荷試驗 靜力載荷試驗實際上是一種與建筑物基礎工作條件相似，而且直接對天然埋藏條件下的土體進行的現(xiàn)場模擬試驗。所以，對于建筑物地基承載力的確定，比其他

6、測試方法更接近實際；當試驗影響深度范圍內(nèi)土質(zhì)均勻時，用此法確定該深度范圍內(nèi)土的變形模量也比較可靠。7.工程地質(zhì)原位測試靜力載荷試驗的基本原理和意義7.1靜力載荷試驗p-s曲線，三個階段：第I階段，從p-s曲線的原點到比例界限壓力p0(臨塑壓力)。直線變形階段。也稱壓密階段。第II階段：從臨塑壓力p0到極限壓力pu，p一s曲線由直線關系轉變?yōu)榍€關系，局部剪切階段。第III階段：極限壓力pu以后，沉降急劇增加。破壞階段。0spp0puabc7.工程地質(zhì)原位測試靜力載荷試驗的基本原理和意義7.1靜力載荷試驗靜力載荷試驗可用于下列目的： 確定地基土的臨塑荷載p0、極限荷載pu，為評定地基土的承載力提

7、供依據(jù)； 估算地基土的變形模量Eo、不排水抗剪強度cu和基床反力系數(shù)K。百分表百分表千斤頂千斤頂堆重排鋼梁木垛載荷板載荷板鋼梁（各由兩個地錨錨?。┑劐^(a)堆重千斤頂式(b)地錨千斤頂式7.工程地質(zhì)原位測試靜力載荷試驗的裝置7.1靜力載荷試驗承壓板：方形或圓形；加荷裝置：壓力源（重物加荷、油壓千斤頂反壓加荷）、荷載臺架（反力架）；沉降觀測裝置：百分表、沉降傳感器、水準儀等。7.工程地質(zhì)原位測試7.1靜力載荷試驗1、地基土平板載荷試驗可適用于確定地基土層的承壓板下應力主要影響范圍內(nèi)的承載力。承壓板面積不應小于0.25m2，對于軟土不應小于0.5m2。2、試驗基坑寬度不應小于承壓板寬度或直徑的三倍

8、。應保持試驗土層的原狀結構和天然濕度。宜在擬試壓表面用粗砂或中砂層找平，其厚度不超過20mm。3、加荷等級不應少于8級。最大加載量不應小于設計要求的兩倍。4、每級加載后,按間隔10、10、10、15、15min，以后為每隔半小時測讀一次沉降量，當在連續(xù)兩小時內(nèi)，每小時的沉降量小于0.1mm時，則認為已趨穩(wěn)定,可加下一級荷載。5、當出現(xiàn)下列情況之一時，即可終止加載：（1）承壓板周圍的土明顯地側向擠出；（2）沉降S急驟增大，荷載-沉降(P-S)曲線出現(xiàn)現(xiàn)陡降段；（3）在某一級荷載下，24小時內(nèi)沉降速率不能達到穩(wěn)定；（4）沉降量與承壓板寬度或直徑之比大于或等于0.06。當滿足前四種情況之一時，其對應

9、的前一級荷載定為極限荷載。靜力載荷試驗的基本技術要求主要有以下四種應用：確定地基土的承載力根據(jù)p-s曲線，按下列方法綜合考慮。(1)強度控制法（拐點法）直線段的拐點所對應的壓力p在飽和軟土地基中p-s曲線拐點往往不明顯?？捎胠gp-lgs曲線或p- 曲線上的轉折點所對應的壓力即為比例界限壓力或臨塑壓力p0。7.工程地質(zhì)原位測試7.1靜力載荷試驗靜力載荷試驗資料的應用及其有關問題7.工程地質(zhì)原位測試7.1靜力載荷試驗靜力載荷試驗資料的應用及其有關問題7.工程地質(zhì)原位測試7.1靜力載荷試驗靜力載荷試驗資料的應用及其有關問題（2）相對沉降控制法 s/b=0.01-0.015，沙土；s/b=0.02，

10、高壓縮性土。（3）極限荷載法 若p0、pu接近，則地基承載力=pu/k7.工程地質(zhì)原位測試7.1靜力載荷試驗靜力載荷試驗資料的應用及其有關問題地基土的變形模量估算地基土的不排水抗剪強度（自己看書）估算地基土基床反力系數(shù)k（自己看書）7.工程地質(zhì)原位測試7.1靜力載荷試驗樁載荷試驗單樁水平載荷試驗地基土水平載荷試驗其它類型的載荷試驗7.工程地質(zhì)原位測試7.2靜力觸探試驗 通過機械裝置將一定規(guī)格的金屬探頭用靜力壓入土層中，同時量測土層對觸探頭的貫入阻力，判斷、分析、確定地基土的物理力學性質(zhì)。電傳感器，靜力觸探曲線優(yōu)點：連續(xù)、快速、準確缺點：不能直接觀察、鑒別土層； 因反力問題，測試深度不能超過80

11、m； 不適用于含碎石、礫石土層及密實砂。7.工程地質(zhì)原位測試7.2靜力觸探試驗靜力觸探試驗的主要技術要求 組成：貫入裝置（含反力裝置），可控制等速壓貫入；傳動系統(tǒng)（液壓、機械）；量測系統(tǒng)（探頭、電纜、電阻應變儀） 類型：電動機械式靜力觸探儀、液壓式靜力觸探儀、手搖輕型鏈式靜力觸探儀 靜力觸探探頭：單橋探頭、雙橋探頭、孔壓探頭7.工程地質(zhì)原位測試7.2靜力觸探試驗靜力觸探試驗的主要技術要求7.工程地質(zhì)原位測試7.2靜力觸探試驗靜力觸探試驗的主要技術要求7.工程地質(zhì)原位測試7.2靜力觸探試驗靜力觸探的貫入機理承載力理論分析孔穴擴張理論分析穩(wěn)定貫入流體理論分析7.工程地質(zhì)原位測試7.2靜力觸探試驗靜

12、力觸探試驗的目的和適用條件目的： （1）劃分土層； （2）估算土層的物理力學參數(shù)； （3）評定地基土的承載力； （4）選擇樁基持力層，估算單樁極限承載力，判斷沉樁可能性； （5）判定場地地震液化勢。適用條件： 粘性土、粉土和砂土，設備的貫入能力必須滿足測試土層性質(zhì)、深度等需要，反力必須大于貫入總阻力。7.工程地質(zhì)原位測試7.2靜力觸探試驗靜力觸探試驗成果的應用主要成果（1）比貫入阻力-深度曲線； （2）錐尖阻力-深度曲線； （3）側摩阻力深度關系曲線； （4）摩阻比-深度關系曲線。應用（1）劃分土層界線； （2）評定地基土的強度參數(shù)； （3）評定土的變形參數(shù)； （4）評定地基土的承載力； （5

13、）預估單樁承載力。7.工程地質(zhì)原位測試7.3圓錐動力觸探 利用錘擊功能，將一定規(guī)格的圓錐探頭打入土中，根據(jù)打入土中的阻力大小判別土層的變化，對土層進行力學分層，并確定土層的物理力學性質(zhì)，對地基土做出工程地質(zhì)評價。優(yōu)點：設備簡單、操作方便、工效較高，適應性廣，連續(xù)貫入，碎石、砂、粉土；缺點：不能直接描述土樣，誤差較大，再現(xiàn)性差。7.工程地質(zhì)原位測試7.3圓錐動力觸探動力觸探的類型和規(guī)格按錘擊能量分為輕型、重型、超重型（P222，表7-14）7.工程地質(zhì)原位測試7.3圓錐動力觸探動力觸探的技術要求應采用自動落錘裝置；觸探桿最大偏斜度不超過1- 2（5m）錘擊間歇時間，應做記錄；貫入15cm，且N1

14、050時，停止試驗；當N63.550擊時，停止試驗，改用超重型；N10和N63.5正常范圍為3-50擊，N120的正常范圍為3-40擊。7.工程地質(zhì)原位測試7.3圓錐動力觸探動力觸探試驗的適用范圍和目的適用條件：強風化、全風化硬質(zhì)巖石，各類軟質(zhì)巖石和土目的： 定性評價：場地土層均勻性；查明土洞、滑動面和軟硬土層界面；確定軟硬或堅硬土層的分布；檢驗、評估地基土加固、改良的效果。 定量評價：確定砂土的孔隙比、相對密實度、粉土和粘性土的狀態(tài)、土的強度和變形參數(shù)，評定天然地基土承載力或單樁承載力。7.工程地質(zhì)原位測試7.3圓錐動力觸探動力觸探試驗成果的應用1.確定砂土和碎石土的密實度；2.確定地基土的

15、承載力和變形模量；3.確定單樁承載力標準值Rk7.工程地質(zhì)原位測試7.4標準貫入試驗 實質(zhì)上仍屬于動力觸探類型。其探頭為由兩個半圓管合成的取土器貫入器。 貫入阻力用貫入土層30cm的錘擊數(shù)N63.5表示標貫擊數(shù)。 本試驗對不易取樣的砂土和砂質(zhì)粉土物理力學性質(zhì)評價具有獨特意義。7.工程地質(zhì)原位測試7.4標準貫入試驗 實質(zhì)上仍屬于動力觸探類型。其探頭為由兩個半圓管合成的取土器貫入器。 貫入阻力用貫入土層30cm的錘擊數(shù)N63.5表示標貫擊數(shù)。 本試驗對不易取樣的砂土和砂質(zhì)粉土物理力學性質(zhì)評價具有獨特意義。7.工程地質(zhì)原位測試7.4標準貫入試驗標準貫入試驗設備規(guī)格（P226，表7-20）7.工程地質(zhì)

16、原位測試7.4標準貫入試驗標準貫入試驗的技術要求（P226）7.工程地質(zhì)原位測試7.4標準貫入試驗標準貫入試驗的目的和范圍目的：1）采取擾動土樣，鑒別和描述土類，按顆粒分析結果定名； 2）根據(jù)標貫擊數(shù)N，利用地區(qū)經(jīng)驗，為砂土的密實度和粉土、粘性土的狀態(tài)，土的強度參數(shù)，變形模量，地基承載力等作出評價； 3）估算單樁極限承載力和判定沉樁可能性； 4）判定飽和粉沙、砂質(zhì)粉土的地震液化可能性及液化等級。適用范圍： 砂土、粉土和一般性粘土，最適用于N=2-50擊的土層。7.工程地質(zhì)原位測試7.4標準貫入試驗標準貫入試驗成果的應用1.評定砂土的 密實度和相對密度Dr；2.評定粘性土的狀態(tài)；3.評定砂土抗剪

17、強度指標4.評定粘性土的不排水抗剪強度Cu（kPa）；5.評定土的變形模量E0和壓縮模量Es；6.確定地基承載力；7.估算單樁承載力8.評定飽和砂土的地震液化問題。7.工程地質(zhì)原位測試7.5十字板剪切試驗 十字板剪切試驗是快速測定飽和軟粘土層快剪強度的一種簡易而可靠的原位測試方法。測得的抗剪強度值相當于試驗深度處天然土層的不排水抗剪強度 理論上，相當于三軸不排水剪的總強度，或無側限抗壓強度的一半。 7.工程地質(zhì)原位測試7.5十字板剪切試驗主要用于測定飽水軟粘土的不排水抗剪強度。具有下列優(yōu)點：(1)不用取樣，特別是對難以取樣的靈敏度高的粘性土，可以在現(xiàn)場對基本上處于天然應力狀態(tài)下的土層進行扭剪。

18、所求軟土抗剪強度指標比其他方法都可靠。(2)野外測試設備輕便，操作容易。(3)測試速度較快，效率高，成果整理簡單。 其缺點是僅適用于江河湖海的沿岸地帶的軟土，適應范圍有限，對硬塑粘性土和含有礫石雜物的土不宜采用，否則會損傷十字板頭。7.工程地質(zhì)原位測試7.5十字板剪切試驗十字板剪切試驗的基本技術要求1.十字板尺寸：高徑比（H/D）=2（100/50或150/75），厚度2-3mm；2.鉆孔十字板剪切試驗，十字板插入孔底以下深度大于5倍鉆孔直徑；3.十字板插入土中與開始扭剪的間歇時間小于5min；4.控制好扭剪速率：過慢，排水導致強度增長；過快，飽和軟粘土凝滯效應導致強度增長； 一般1-2/s。

19、測記扭轉1的扭矩。 出現(xiàn)峰值或穩(wěn)定值后，要繼續(xù)測讀1min，以確定峰值扭矩或穩(wěn)定扭矩。7.工程地質(zhì)原位測試7.5十字板剪切試驗十字板剪切試驗的基本技術要求5.重塑土的不排水抗剪強度，應在峰值強度或穩(wěn)定值強度出現(xiàn)后，順剪切扭轉方向連續(xù)轉動6圈后測定；6.測定精度應達到1-2kPa；7.測定軟粘土不排水抗剪強度隨深度的變化，試驗點豎向間距取1m，或根據(jù)靜力觸探等資料布置試驗點。7.工程地質(zhì)原位測試7.5十字板剪切試驗十字板剪切試驗的基本原理十字板剪切試驗鉆孔十字板剪切試驗貫入電測十字板剪切試驗基本原理：施加一定的扭轉力矩，將土體剪壞，測定土體對抵抗扭剪的最大力矩，通過換算得到土體抗剪強度值（假定=

20、0，飽和粘性土）。 7.工程地質(zhì)原位測試7.5十字板剪切試驗十字板剪切試驗的基本原理影響因素：1） 技術因素加以控制：十字板厚度、間歇時間、扭轉速率；2） 非人為控制因素：土的各向異性、剪切面剪應力的非均勻分布、應變軟化、剪切破壞圓柱直徑大于十字板直徑等。 尤其是高塑性靈敏粘土，對十字板剪切試驗的結果，應作慎重分析。7.工程地質(zhì)原位測試7.5十字板剪切試驗十字板剪切試驗的適用范圍和目的適用于： 靈敏度St10，固結系數(shù)Cv 100m2/年的均質(zhì)飽和軟粘土目的： 1）測定原位壓力條件下，軟粘土的不排水抗剪強度Cu； 2）估算軟粘性土的靈敏度St。7.工程地質(zhì)原位測試7.5十字板剪切試驗十字板剪切

21、試驗成果的應用 成果： 十字板不排水抗剪強度Cu隨深度的變化曲線，Cuh曲線。一般偏高。 修正公式 ：（Cu）f=（Cu）fv 十字板修正系數(shù) 應用： 評定軟土地基承載力標準值： fk=2（Cu）f+D 估算軟土的液性指數(shù) 7.工程地質(zhì)原位測試7.6扁鏟側脹試驗 定義：用靜力（或錘擊動力）把一扁鏟形探頭貫入土中，達試驗深度后，利用氣壓使扁鏟側面的圓形鋼膜向外擴張進行試驗特殊的旁壓試驗。 優(yōu)點：簡單、快速、重復性好、成本低。應用廣泛。 適用于：一般粘性土、粉土、中密以下砂土、黃土等（不適用于含碎石的土、風化巖等）7.工程地質(zhì)原位測試7.6扁鏟側脹試驗扁脹試驗的基本原理 扁脹試驗時，膜向外擴張，可

22、假設為在無限彈性介質(zhì)中，在圓形面積上施加均布荷載p，如彈性介質(zhì)的彈性模量為E，泊松比為，膜中心的外移為s，則若定義E/（1- 2）為扁脹模量ED，則：水平應力指數(shù)KD，扁脹指數(shù)ID，扁脹孔壓指數(shù)UD，7.工程地質(zhì)原位測試7.6扁鏟側脹試驗扁脹試驗設備探頭的尺寸：長230-240mm寬94-96mm厚14-16mm鋼膜直徑60mm探桿要求同靜力觸探探桿。7.工程地質(zhì)原位測試7.6扁鏟側脹試驗扁脹試驗技術要求 1. 測定鋼膜三個位置的壓力A，B，C； 2. A，B的重復標定，修正的p1，p0，p2值； 3. 推力超過5t（或標貫超過15擊），建議先鉆孔，在孔底下壓探頭至少15cm； 4. 試驗點在

23、垂直方向上的間距為15-30cm，建議20cm； 5. 試驗全部結束，應重新檢驗A，B值； 6. 若要估算原位的水平固結系數(shù)Ch，可進行扁脹消散試驗。7.工程地質(zhì)原位測試7.6扁鏟側脹試驗扁脹試驗的資料整理 1. 根據(jù)A，B，C壓力及A，B，計算p0，p1和p2，并繪制p0，p1，p2與深度變化h的關系； 2. 繪制ED，ID，KD和UD與深度h的變化曲線。水平側向壓力 、 、 隨深度h的變化曲線扁鏟土性指數(shù) 水平應力指數(shù) 扁鏟側脹模量 、 、 隨深度變化曲線 7.工程地質(zhì)原位測試7.6扁鏟側脹試驗扁脹試驗的應用1. 劃分土類；2. 靜止側壓力系數(shù)K0；3. 應力歷史；4. 不排水抗剪強度Cu

24、；5. 土的變形參數(shù)；6. 水平固結系數(shù)Ch；7. 側向受荷樁的設計。7.工程地質(zhì)原位測試7.7旁壓試驗 將圓柱形旁壓器豎直地放入土中，通過旁壓器在豎直的孔內(nèi)加壓，使旁壓膜（或護套將壓力傳給土體），使土體或巖層變形直至破壞 ，通過量測施加的壓力和土變形之間的關系，即可得到地基土在水平方向上的應力應變關系。 分類：預鉆式旁壓儀、自鉆式旁壓儀、壓入式旁壓儀。 特點：與靜載荷試驗相比，旁壓試驗精度高、設備輕便、測試時間短等；精度受成孔質(zhì)量的影響較大。7.工程地質(zhì)原位測試7.7旁壓試驗劍橋自鉆式旁壓儀系統(tǒng)7.工程地質(zhì)原位測試7.7旁壓試驗旁壓試驗的適用范圍和目的 旁壓試驗適用于測定粘性土、粉土、砂土、

25、碎石土、軟質(zhì)巖石和風化巖的承載力、旁壓模量、應力應變關系等。7.工程地質(zhì)原位測試7.7旁壓試驗旁壓試驗的基本技術要求 1. 在具有代表性的位置和深度進行量測，旁壓儀量測腔應在同一土層內(nèi)，試驗點的間距不宜小于1m，每層土測點不應少于1個，厚度大于3m的土層測點不應少于2個； 2. 保證成孔質(zhì)量，不宜在軟弱地基中使用； 3. 加荷等級可采用預計極限壓力的1/81/12； 4. 每級壓力應持續(xù)13min，再施加下一級壓力，讀數(shù)時間15，30，60，120，180s； 5. 加荷接近極限壓力，或量測腔的擴張體積相當于量測腔的固有體積時，應停止旁壓試驗； 6. 需對旁壓試驗進行率定，包括彈性膜約束力、儀器綜合變形、旁壓儀精度等。7.工程地質(zhì)原位測試7.7旁壓試驗旁壓試驗成果的應用 結果：壓力擴張體積（p-V）曲線；壓力半徑增量（p-r）曲線 三個階段：初步階段、似彈性階段、塑性階段。1）P0初始水平應力確定：將直線段延長與V軸相交于V0，過V0作平行于p軸的直線，該直線與旁壓曲