第1、2章緒論,巖石、巖體及工程性質(zhì)

1、第1、2章緒論,巖石、巖體及工程性質(zhì)第一頁，共86頁。巖土工程勘察 根據(jù)建設(shè)工程的要求，查明、分析、評價建設(shè)場地的地質(zhì)地理環(huán)境特征和巖土工程條件，編制建設(shè)工程勘察文件的活動。 巖土工程勘察是一項綜合性的地質(zhì)調(diào)查活動。建筑場地和地基的工程地質(zhì)條件不同，擬建建筑物的類別不同，勘察的任務(wù)、內(nèi)容及詳細(xì)程度就不同?？辈靸?nèi)容的增減還取決于對場地、地基條件的已有了解程度和當(dāng)?shù)氐慕ㄖ?jīng)驗等。巖土工程勘探 巖土工程勘察的一種手段，包括鉆探、井探、槽探、坑探、洞探以及物探、觸探等。第二頁，共86頁。巖土工程勘察的目的： 建筑場地巖土工程勘察是工程建設(shè)的先行工作，目的在于以各種勘察手段和方法，調(diào)查研究和分析評價建筑

2、場地和地基的工程地質(zhì)條件，為工程建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計和施工提供所需的工程地質(zhì)依據(jù)。以充分利用有利的自然地質(zhì)條件，避開或改造不利的地質(zhì)，保證建筑物安全和正常使用。 建筑場地的工程地質(zhì)條件：一般包括巖土的類型及其工程性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)現(xiàn)象和可資利用的天然建筑材料等。第三頁，共86頁。 巖土工程勘寨的主要任務(wù)巖土工程勘察的主要任務(wù)是應(yīng)按照工程建設(shè)的要求，正確反映工程地質(zhì)條件，查明不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害，提出資料完整、評價正確的勘察報告。1.查明與場地的穩(wěn)定性和適宜性有關(guān)的不良地質(zhì)現(xiàn)象，如強震區(qū)的重大工程場地的斷裂類型，尤其是斷裂的活動性及其地震效應(yīng)；巖溶及其伴生土洞的發(fā)育規(guī)律

3、和發(fā)育程度，預(yù)測其危害性；滑坡的范圍、規(guī)模、穩(wěn)定程度，進(jìn)而預(yù)測其發(fā)展趨勢和危害程度；崩塌的產(chǎn)生條件、范圍、規(guī)模與危害性；泥石流的產(chǎn)生及其類型、規(guī)模、發(fā)育程度和活動規(guī)律以及地下采空區(qū)、大面積地面沉降、河岸沖刷、沼澤相沉積等； 2.查明場地的地層類別、成分、厚度和坡度變化等，特別是基礎(chǔ)下持力層和軟弱下臥層的工程地質(zhì)性質(zhì)；3.查明場地的水文地質(zhì)條件：河流水位及其變化、地表徑流條件、地下水的埋藏類型、蓄存方式、補給來源、排泄途徑、水力特征、化學(xué)成分及污染程度等；第四頁，共86頁。4.提供滿足設(shè)計、施工所需的土的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)等； 5.在地震設(shè)防區(qū)劃分場地土類型和場地類別，并進(jìn)行場地和地基的地震

4、效應(yīng)評價；6.推薦承載力和變形計算參數(shù)，提出地基基礎(chǔ)設(shè)計和施工的建議，尤其是不良地質(zhì)現(xiàn)象的處理對策。 巖土工程勘察工作具體內(nèi)容、工作量、工作方法等應(yīng)以巖土勘察等級為依據(jù)，即應(yīng)根據(jù)工程重要性等級、場地復(fù)雜程度等級和地基復(fù)雜程度等級綜合確定。第五頁，共86頁。巖土工程勘察的基本程序包括擬定勘測大綱，編制勘察任務(wù)書，執(zhí)行測繪與調(diào)查、勘探和土工測試等工作，編寫巖土工程勘察報告等。 巖土工程勘寨的基本程序 本課程的主要內(nèi)容巖土類型及其工程性質(zhì)巖土工程勘察方法巖土工程勘察、分析評價、成果報告第六頁，共86頁。 礦物、巖石的概念礦物(mineral): 是由地質(zhì)作用或宇宙作用所形成的、具有一定的化學(xué)成分和內(nèi)

5、部結(jié)構(gòu)、在一定的物理化學(xué)條件下相對穩(wěn)定的天然結(jié)晶態(tài)的單質(zhì)或化合物，它們是巖石和礦石的基本組成單位。要素：天然產(chǎn)出 有化學(xué)式 具晶體結(jié)構(gòu) 無機物質(zhì)巖石(rock): 是礦物或類似礦物（mineraloids）的物質(zhì)（如有機質(zhì)、玻璃、非晶質(zhì)等）組成的固體集合體，多數(shù)巖石是由不同礦物組成，單礦物的巖石相對較少。自然界的巖石可以劃分為三大類：巖漿巖（火成巖）、沉積巖和變質(zhì)巖。 要素：由礦物組成 固體集合體 第一章 巖石、巖體及其工程性質(zhì)第七頁，共86頁。方解石(calcite)水 晶(crystal)石棉(asbestos)礦物：第八頁，共86頁。金剛石(diamond)綠柱石(beryl)孔雀石(m

6、alachite)第九頁，共86頁。 取決于礦物本身的化學(xué)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是鑒定礦物的主要依據(jù)，也是礦物資源開發(fā)利用的著眼點。 光學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)礦物的物理性質(zhì)礦物的光學(xué)性質(zhì) 礦物的光學(xué)性質(zhì)：礦物對可見光的反射、折射、吸 收等所表現(xiàn)出來的各種性質(zhì)。 光學(xué)性質(zhì)：顏色 Color 條痕 Streak 透明度 Transparence 光澤 Luster第十頁，共86頁。顏色（Color） 礦物對入射的白色可見光（390770nm）中不同波長的光波吸收后，透射和反射的各種波長可見光的混合色。是鑒定礦物時最直觀的感性認(rèn)識。注意：1）當(dāng)?shù)V物對各色光同等程度地均勻吸收時，其所

7、呈顏色取決于吸收程度； 第十一頁，共86頁。例如，吸收紅光，則呈現(xiàn)紅光對角的補色綠色。2）當(dāng)?shù)V物選擇性地吸收某種波 長的色光時，礦物呈現(xiàn)被吸收的色光的補色。第十二頁，共86頁。第十三頁，共86頁。 條痕（streak） 是礦物粉末的顏色。一般是指礦物在白色無釉磁板（white unglazes porcelain）上劃擦?xí)r所留下的粉末的顏色。條痕突出表現(xiàn)了礦物的自色，因而是鑒定礦物的可靠依據(jù)。 透明度（ Transparence ）礦物透過可見光的程度。分為透明、半透明、不透明。 1）透明（transparent）： 能透過絕大部分光，條痕為無色、白色或淺色。如，石英、方解石、普通角閃石 2）

8、半透明（translucent）：可允許部分光透過，條痕呈紅、褐等各種彩色。如，辰砂、雄黃 3）不透明（opaque）：基本不允許光透過，條痕呈黑色或金屬色。 如，磁鐵礦、石墨第十四頁，共86頁。 光澤（Luster）指礦物表面對光的反射能力。礦物反光的強弱主要取決于礦物對光的折射和吸收的程度。礦物對光的折射越強，光澤也就越強。光澤與透明度、條痕有關(guān)，在肉眼鑒定時，常配合條痕、透明度來判斷光澤等級。分為4個等級：1）金屬光澤：反光很強，似平滑金屬磨光面的反光。礦物具金屬色，條痕呈黑色或金屬色，不透明。第十五頁，共86頁。方鉛礦和石英晶體第十六頁，共86頁。 2）半金屬光澤：反光較強，似未經(jīng)磨光

9、的金屬表面的反光。礦物呈金屬色，條痕為棕色、褐色等深彩色，不透明半透明。 3）金剛光澤：反光較強，似金剛石般明亮耀眼的反光。顏色和條痕均呈淺色（如淺黃、桔紅、淺綠等）、白色或無色，半透明透明。金剛石晶體第十七頁，共86頁。光線在金剛石晶體中傳播示意第十八頁，共86頁。4）玻璃光澤：反光較弱，呈普通平板玻璃表面的反光。礦物為無色、白色或淺色，條痕呈無色或白色，透明。石英晶簇第十九頁，共86頁。注意：礦物不平坦的表面或礦物集合體的表面上的特殊變異光澤：1）油脂光澤（greasy luster）：某些解理不發(fā)育的淺色透明礦物的不平坦斷口上呈現(xiàn)的似油脂般的光澤。2）樹脂光澤（resinous lust

10、er）：某些具金剛光澤的黃、褐或棕色透明礦物的不平坦斷口上的似松香般的光澤。3）瀝青光澤（pitchy luster）：解理不發(fā)育的半透明或不透明黑色礦物的不平坦斷口上烏亮瀝青狀光澤。第二十頁，共86頁。4）珍珠光澤（pearly luster）：淺色透明礦物的極完全解理面上的如珍珠表面或蚌殼內(nèi)壁柔和而多彩的光澤。5）絲絹光澤（silky luster）：具玻璃光澤的無色或淺色透明礦物的纖維狀集合體表面常呈蠶絲或絲織品狀的光亮。6）蠟狀光澤（waxy luster）：某些透明礦物的隱晶質(zhì)或非晶質(zhì)致密塊體上的似蠟燭表面的光澤。 7）土狀光澤（earthy luster）：呈土狀、粉末狀或疏松多孔

11、狀集合體的礦物表面如土塊般暗淡無光。第二十一頁，共86頁。石英的油脂光澤第二十二頁，共86頁。閃鋅礦的樹脂光澤第二十三頁，共86頁。珍珠光澤層解石白云母第二十四頁，共86頁。蛇紋石石棉的絲絹光澤第二十五頁，共86頁。蠟狀光澤蛇紋石滑石第二十六頁，共86頁。高嶺石土狀光澤第二十七頁，共86頁。鋁土礦的土狀光澤具假象赤鐵礦的褐鐵礦第二十八頁，共86頁。礦物透明度、光澤、顏色和條痕的關(guān)系礦物光澤、顏色和條痕是礦物鑒定的重要依據(jù)，透明度、光澤和顏色還是評價寶石的重要指標(biāo)。第二十九頁，共86頁。特殊光學(xué)效應(yīng) 由于礦物內(nèi)部具有包裹體、雙晶、 微細(xì)球狀結(jié)構(gòu)等特殊內(nèi)在因素，當(dāng)被加工成寶石時，導(dǎo)致光的干涉、散射

12、、衍射等現(xiàn)象，使寶石顯現(xiàn)出特殊的光學(xué)效應(yīng)。 常見的有：貓眼效應(yīng)、星光效應(yīng)、變色效應(yīng)、變彩效應(yīng)、暈色效應(yīng) 等。 第三十頁，共86頁。1貓眼效應(yīng)（貓眼光，chatoyance）第三十一頁，共86頁。紫翠玉貓眼綠柱石貓眼第三十二頁，共86頁。2星光效應(yīng)（ 星光，asterism ）星光藍(lán)寶石星光紅寶石戒面第三十三頁，共86頁。 礦物在外力（如敲打、擠壓、拉引、刻劃等）作用下所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。力學(xué)性質(zhì)： 硬度 Hardness 解理 Cleavage 斷口 Fracture 礦物的力學(xué)性質(zhì)（mechanical properties）第三十四頁，共86頁。硬度（Hardness） 礦物硬度是指礦物抵抗

13、外力刻劃等機械作用的能力 。 1. 摩氏硬度計 （1）Talc滑石 （2）gypsum石膏（3）calcite 方解石 （4）fluorite螢石（5）apatite磷灰石 （6）orthoclase正長石（7）quartz石英 （8）topaz黃玉（9）corundum 剛玉 （10）diamond金剛石 測試時，應(yīng)先以高硬度的標(biāo)準(zhǔn)礦物的棱角刻劃待測礦物，再依次換用硬度較低的標(biāo)準(zhǔn)礦物刻劃，當(dāng)兩礦物硬度相近時，則用標(biāo)準(zhǔn)礦物與待測礦物相互刻劃，以確定其硬度的相對大小。第三十五頁，共86頁。 2. 確定礦物硬度的簡便方法 用指甲和/或小刀刻劃來確定硬度范圍。 注意： 1）實際鑒定時，常代之以指甲（

14、2.02.5）、小鋼刀（56）和玻璃（5.56.0）等來粗略地確定礦物的硬度; 2）待測礦物須選擇新鮮、致密、純凈的單礦物，最好是具良好的棱角、晶面或解理面的單晶體。有些礦物的硬度具對稱性和各向異性。如，藍(lán)晶石（100）面上的硬度，沿延長方向硬度為4.5，垂直延長方向硬度6.5,被稱為二硬石。第三十六頁，共86頁。解理 Cleavages 礦物在外力作用（敲打或擠壓）下， 嚴(yán)格沿著一定結(jié)晶學(xué)方向破裂、并裂成光滑平面的性質(zhì)稱為解理。這些平面稱為解理面cleavage plane. 解理是鑒別礦物的可靠依據(jù)之一。第三十七頁，共86頁。 分為五個等級：（1）極完全解理：礦物在外力作用下極易裂成簿片。

15、解理面光滑、平整。如云母、石墨、石膏等。第三十八頁，共86頁。 完全解理： 礦物受力后易裂成光滑的平面或 規(guī)則的解理塊，解理面顯著而平滑， 常見解理面的階梯。如方解石、螢石第三十九頁，共86頁。 中等解理： 礦物受力后常破裂成 較小的不很平滑的平面， 解理面不太連續(xù)，常呈 階梯狀，且閃閃發(fā)亮， 清晰可見。第四十頁，共86頁。 不完全解理： 礦物受力后不易裂出 解理面，僅斷續(xù)可見 小而不平滑的解理面。 如磷灰石第四十一頁，共86頁。 極不完全解理：即無解理。 礦物受力后很難出現(xiàn)解理面， 僅在顯微鏡下偶爾可見零星的 解理縫。 第四十二頁，共86頁。 觀察解理的注意事項： (1）解理只能在晶質(zhì)礦物中

16、出現(xiàn)，非晶質(zhì)或膠體礦物中不能出現(xiàn)解理。肉眼能夠在較大的礦物晶體上看見解理。（2）必須對同種礦物的多個顆粒進(jìn)行觀察。（3）一個礦物可有一種級別的解理，也可有兩種級別的解理；可有一個方向的解理，也可有多個方向的解理。第四十三頁，共86頁。（4）觀察解理組數(shù)和夾角必須在同一單體上進(jìn)行。要盡量找到自由面多的單體，對著光線轉(zhuǎn)動標(biāo)本，觀察解理組數(shù)和夾角；也可在解理面上觀察解理紋的方向來確定解理組數(shù)。方解石第四十四頁，共86頁。第四十五頁，共86頁。(5）注意區(qū)分晶面與解理面第四十六頁，共86頁。 礦物受力作用后不依一定結(jié)晶方向裂開，而是在任意方向上呈各種不平整的斷面，此種斷面稱為斷口。礦物的解理與斷口出現(xiàn)

17、的難易程度是互為消長的。在晶體、非晶質(zhì)礦物中都可見斷口。斷口（ Fracture ）第四十七頁，共86頁。依據(jù)其所呈現(xiàn)的形態(tài)來描述礦物的斷口，常見： 貝殼狀斷口（conchoidal fracture）：呈圓形或橢圓形的光滑曲面，形似貝殼。 鋸齒狀斷口（hackly fracture）：呈尖銳鋸齒狀，見于強延展性的自然金屬元素礦物。 參差狀斷口（uneven fracture）：呈參差不平狀，見于大多數(shù)脆性礦物及塊狀或粒狀集合體。 平坦?fàn)顢嗫冢╡ven fracture）：斷面較平坦，見于塊狀礦物。 土狀斷口（earthy fracture）：斷面粗糙、呈細(xì)粉狀，為土狀礦物特有。 纖維狀斷口（

18、fibrous fracture）：呈纖維絲狀，見于纖維狀礦物集合體上。 第四十八頁，共86頁。貝殼狀斷口：返回土狀斷口第四十九頁，共86頁。參差狀斷口纖維狀斷口第五十頁，共86頁。橄欖石輝石第五十一頁，共86頁。角閃石黑云母第五十二頁，共86頁。長石石英第五十三頁，共86頁。三大巖概念巖漿巖（火成巖）：是由地?；虻貧さ膸r石經(jīng)熔融或部分熔融形成巖漿冷卻固結(jié)的產(chǎn)物。沉積巖：是在地表條件下，原先形成的各種巖石在風(fēng)化、剝蝕、搬運、沉積、成巖過程中形成的巖石。變質(zhì)巖：是由巖漿巖和沉積巖經(jīng)過變質(zhì)作用形成的。第五十四頁，共86頁。黃鐵礦(pyrite)自然金(gold)第五十五頁，共86頁。第五十六頁，共

19、86頁。巖漿巖（igneous rock）第五十七頁，共86頁?；鹕浇堑[巖 （Lava breccia）黑云母花崗巖（Biotite granite）第五十八頁，共86頁。沉積巖（sedimentary rocks）第五十九頁，共86頁。純大理巖 (Pure marble)板巖 (slate)變質(zhì)巖第六十頁，共86頁。巖體結(jié)構(gòu)和工程地質(zhì)特性巖體的結(jié)構(gòu)特征巖體的基本概念：巖體通常指工程影響范圍內(nèi)的地質(zhì)體，它由處于一定應(yīng)力狀態(tài)、被各種結(jié)構(gòu)面切割的巖石所組成。巖體(rock mass)結(jié)構(gòu)面(discontinuities)+巖石(rocks)工程巖體：地基巖體、邊坡巖體、地下洞室圍巖結(jié)構(gòu)面：指巖體

20、中具有一定方向、力學(xué)特性相對較差、兩向延伸（或具有一定厚度）的各種地質(zhì)界面的總稱。由于中斷了巖體的連續(xù)性，故又稱不連續(xù)面，如層面、節(jié)理、斷層、軟弱夾層等。第六十一頁，共86頁。結(jié)構(gòu)面的成因類型原生結(jié)構(gòu)面：巖石成巖過程中形成的結(jié)構(gòu)面。沉積結(jié)構(gòu)面：層理、層面、沉積不整合面、沉積軟弱夾層?；鸪山Y(jié)構(gòu)面：巖漿侵入、噴溢及冷凝過程中形成的結(jié)構(gòu)面。變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：包括殘余的變余結(jié)構(gòu)面和變成的重結(jié)晶結(jié)構(gòu)面。次生結(jié)構(gòu)面內(nèi)動力成因型結(jié)構(gòu)面（構(gòu)造結(jié)構(gòu)面）：受構(gòu)造應(yīng)力作用。外動力成因型結(jié)構(gòu)面（表生結(jié)構(gòu)面）：如卸荷裂隙（長江鏈子崖危巖體）、泥化夾層及表生夾泥。第六十二頁，共86頁。 結(jié)構(gòu)面的特征1978年ISRM實驗室和野

21、外試驗標(biāo)準(zhǔn)委員會制定的巖體不連續(xù)面定量描述的建議方法方位：結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀（走向、傾向、傾角）間距：反映巖體完整程度和塊體大小延續(xù)性：反映結(jié)構(gòu)面的連通率粗糙度：反映結(jié)構(gòu)面的起伏狀況結(jié)構(gòu)面?zhèn)缺趶姸龋悍从辰Y(jié)構(gòu)面受風(fēng)化影響的程度張開度：又稱隙寬，即裂隙的寬度充填物：不同物質(zhì)充填對力學(xué)特性有顯著影響滲流：反映地下水的活動狀況節(jié)理組數(shù)：反映巖體被切割的狀況塊體大?。嚎捎脡K度和體積節(jié)理數(shù)反映第六十三頁，共86頁。巖體的結(jié)構(gòu)類型整體塊狀層狀結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)散體結(jié)構(gòu)第六十四頁，共86頁。巖體的主要物理力學(xué)特性巖石的主要物理性質(zhì)密度和重度相對密度（比重）孔隙度（孔隙率）吸水率和飽和吸水率第六十五頁，共86頁。巖石的主要

22、物理性質(zhì)密度和重度巖石密度（g/cm3）：試樣質(zhì)量m（g）與試樣體積V（cm3）的比值天然密度干密度d含水量w（）重度（kN/m3） ：單位體積巖石受到的重力，與密度的關(guān)系為第六十六頁，共86頁。巖石的主要物理性質(zhì)相對密度（比重）Gs干試樣質(zhì)量m（g）與4時同體積純水質(zhì)量（巖石固體體積與水的密度之積）的比值第六十七頁，共86頁。巖石的主要物理性質(zhì)孔隙度（孔隙率）n試樣中孔隙（包括微裂隙）的體積Vv（cm3）與試樣總體積V（cm3）的百分比孔隙比e孔隙度n與孔隙比e之間的關(guān)系第六十八頁，共86頁。巖石的主要物理性質(zhì)吸水率Wa和飽和吸水率Wsa飽水系數(shù)kw第六十九頁，共86頁。巖石的主要物理性質(zhì)巖

23、石的耐凍性巖石的飽水系數(shù)kw可以作為巖石耐凍性判別的指標(biāo)。飽水系數(shù)越大的巖石，耐凍性越差。第七十頁，共86頁。巖體的主要物理力學(xué)特性巖石的力學(xué)指標(biāo)：強度和變形巖石強度抗壓強度：干抗壓、飽和抗壓、軟化系數(shù)抗拉強度：劈裂試驗，點荷載試驗抗剪強度：中型剪、雙面剪巖石變形彈性模量變形模量泊松比第七十一頁，共86頁。 巖體的主要力學(xué)特性巖石力學(xué)指標(biāo)的用途劃分巖石工程類型、巖體工程評價利用巖石飽和抗壓強度劃分巖石工程類型第七十二頁，共86頁。巖體的主要力學(xué)特性巖石力學(xué)指標(biāo)的用途巖體質(zhì)量分類或洞室圍巖類型劃分RMR分類：地質(zhì)力學(xué)分類，南非Q分類：隧道圍巖質(zhì)量分類，歐洲國內(nèi)：如水利水電規(guī)范、巖土工程規(guī)范，其他

24、部們?nèi)玷F道、公路、總參、建設(shè)部，個人方面有王思敬、陶振宇、楊子文。評價巖體強度利用結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬、蒙特卡洛法等第七十三頁，共86頁。巖體變形測試技術(shù)、變形特性及參數(shù)取值巖體變形參數(shù)泊松比u的取值第七十四頁，共86頁。巖體變形參數(shù)的用途利用波速比Vpm/Vr劃分巖體風(fēng)化帶新鮮巖石的波速Vr可以用壩址區(qū)（或場址區(qū)）新鮮巖體中測得最高波速來代替；Vpm為不同風(fēng)化帶中測試的巖體波速；水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范（1999）劃分標(biāo)準(zhǔn)見表第七十五頁，共86頁。巖體變形參數(shù)的用途巖體分類巖體分類中把用變形模量E0作為一個非常重要的參考指標(biāo)第七十六頁，共86頁。巖體變形參數(shù)的用途利用V2pm/V2r劃分巖體完整性完整性系數(shù)的定義：第七十七頁，共86頁。 巖體變形參數(shù)的用途利用波速Vp劃分巖體結(jié)構(gòu)第七十八頁，共86頁。巖體變形參數(shù)的用途利用波速Vp或完整性系數(shù)Kv了解巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD。完整性系數(shù)Kv與巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 的關(guān)系：波速Vp與巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD 的關(guān)系可以利用KvVp的關(guān)系，并結(jié)合KvRQD關(guān)系。第七十九頁，共86頁。巖體的流變特性流變性：材料在外部條件不變的情況下，應(yīng)力或應(yīng)變（變形）