巖土體工程地質(zhì)特性

注冊土木工程師（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設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司(水利部天津水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院)2011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）體滲透性特殊巖土體的工程地質(zhì)特性土的基本概念

根據(jù)中國大百科全書：土是尚未固結(jié)成巖的松、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標(biāo)準(zhǔn)輔導(dǎo)材料中列入3個(gè)分類標(biāo)準(zhǔn)：《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50145—2007《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021—2001的分類《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》SL188—2005中關(guān)于細(xì)粒土的分類土的工程分類2008年6月1日開始實(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)。它是以土的顆粒組成、塑性指標(biāo)和土中有機(jī)質(zhì)含量為分類依據(jù)SL237—001—1999與之基本一樣復(fù)習(xí)重點(diǎn)各粒組的劃分粒徑（mm）：0.005、0.075、0.025、0.5、2、5、20、60、200巨粒類土（巨粒土、混合巨粒土、巨?；旌贤粒罕?-2粗粒類土（礫類土、砂類土）：詳見表3-3~3-4粗粒土顆粒級配同時(shí)滿足Cu≥5和1≤Cc≤3時(shí)為級配良好土，否則為級配不良土細(xì)粒土的分類細(xì)粒土依據(jù)塑性圖進(jìn)行分類10020304050607080901001020304050液限wL(%)塑性指數(shù)IpBACHCHOMHMHOMLMLOCLOCL關(guān)于有機(jī)質(zhì)土《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》將有機(jī)質(zhì)含量小于10%且不小于5%土稱為有機(jī)質(zhì)土（小于5%時(shí)土的性質(zhì)與無機(jī)土差別不大）對于有機(jī)質(zhì)含量大于等于10%的土，其性質(zhì)將大大不同于一般細(xì)粒土，稱為有機(jī)土，本標(biāo)準(zhǔn)不再分類《巖土工程勘察規(guī)范》的分類按時(shí)代劃分為老沉積土——晚更新世Q3及其以前的土；新近沉積土——全新世中近期沉積的土。按土的成因劃分為殘積土、坡積土、洪積土、蟲積土、淤積土、冰積土和風(fēng)積土等。按顆粒級配和塑性指數(shù)劃分為碎石土、砂土、粉土和黏性土四類。碎石土分類（48表3-7）名稱顆粒形狀顆粒級配漂石塊石圓形及亞圓形為主棱角形為主d>200mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量的50%卵石碎石圓形及亞圓形為主棱角形為主d>20mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量的50%圓礫角礫圓形及亞圓形為主棱角形為主d>2mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量的50%砂土分類（P48表3-8）名稱顆粒級配礫砂d>2mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的25~50%粗砂d>0.5mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的50%中砂d>0.25mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的50%細(xì)砂d>0.075mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的85%粉砂d>0.075mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的50%粘性土分類名稱塑性指數(shù)Ip粉質(zhì)粘土10<Ip≤17粘土Ip>17土的三角坐標(biāo)分類

（《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》SL188—2005對細(xì)粒土的分類方法）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（ρ）含水率（ω）滲透系數(shù)（k）孔隙比（e）土的稠度與界限含水率孔隙率（n）各項(xiàng)指標(biāo)的物理意義詳見輔導(dǎo)材料土的主要物理水理性質(zhì)指標(biāo)土粒比重（Gs）是指土粒在105~110℃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（ρ），干密度（ρd）和飽和密度（ρszt）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（ω）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)都可通過這三個(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)。

Il≤0堅(jiān)硬；

0<Il≤0.25硬塑；

0.25<Il≤0.75可塑；

0.75<Il≤1.0軟塑；

>1.0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)場試驗(yàn)或室內(nèi)試驗(yàn)獲得。土的主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)壓縮系數(shù)（a）抗剪強(qiáng)度（τ）靈敏度（St）無側(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e~p壓縮曲線上某壓力段的割線斜率，以絕對值表示，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)（α1-2）作為判斷土的壓縮性高低的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)α1-2<0.1Mpa-1時(shí)，為低壓縮性；當(dāng)0.1Mpa-1≤α1-2<0.5Mpa-1時(shí)，為中壓縮性；當(dāng)α1-2≥0.5Mpa-1時(shí)，為高壓縮性。抗剪強(qiáng)度（τ）土具有的抵抗剪切破壞的極限強(qiáng)度?？辜魪?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。σ3=0；σ1=qu=2c×tg(450+0.5φ)qu—粘性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對于飽和軟粘土，在不固結(jié)不排水的條件下φ=0；因此，飽和軟粘土的抗剪強(qiáng)度tf=c=0.5×qu靈敏度（St）靈敏度（St）是指原狀土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與相同含水率的重塑土的無側(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)St<2時(shí)為低靈敏，St=2~4時(shí)為一般靈敏；St=4~8時(shí)為靈敏；St>8時(shí)為高靈敏。巖石與巖體的定義

根據(jù)中國大百科全書：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。是地球演化過程中經(jīng)過各種地質(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)作用過程中經(jīng)受過變形和破壞的，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。巖石的二級分類巖漿巖（火成巖）見P51表3-9沉積巖見P52表3-10變質(zhì)巖見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（ρP）巖石塊體密度（ρ0

）軟化系數(shù)（η）吸水率（ω）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（ρP）是指巖石的固體部分質(zhì)量與其體積之比，g/cm3。巖石塊體密度（ρо）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（ρd），飽和密度（ρsat）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（ωa）：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（ωs）：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（ωa）與飽和吸水率（ωs）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、大小及其張開程度。根據(jù)飽水系數(shù)的大小可以判斷巖石的抗凍性能，飽水系數(shù)大，說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（σt）抗剪強(qiáng)度（τ）泊松比（μ）變形模量（E0）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?？估瓘?qiáng)度（σt）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（τ）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σ?tg?兩部份組成。一般表達(dá)式為τ=σ?tg?+c，單位為MPa?？辜魪?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)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?？骨袕?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（μ）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)類型是評價(jià)巖體質(zhì)量的重要基礎(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P54表3-13注意：結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)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100~50cm

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50~30cm

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100~50cm

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50~30cm

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30~10cm

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30~10cm

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)度分級按巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行劃分Rb>60Mpa，堅(jiān)硬巖60≥Rb>30Mpa，中硬巖或較堅(jiān)硬巖30≥Rb>15Mpa，較軟巖15≥Rb>5Mpa，軟巖Rb＜5Mpa，極軟巖單項(xiàng)指標(biāo)—巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD分級巖體質(zhì)量評價(jià)RQD（%）Ⅰ—完整很好90~100Ⅱ—較完整好75~90Ⅲ—中等完整中等50~75Ⅳ—較破碎差25~50Ⅴ—破碎很差0~25單項(xiàng)指標(biāo)—巖體完整性及分級巖體與相應(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：完整：Kv＞0.75；Jv＜3較完整：0.55＜Kv≤0.75，Jv：3~10完整性差：0.35＜Kv≤0.55，Jv：10~20較破碎：0.15＜Kv≤0.35，Jv：20~35破碎：Kv≤0.15，Jv≥35RQD與體積節(jié)理數(shù)Jv的關(guān)系：

RQD=115-3.3Jv單項(xiàng)指標(biāo)—巖土體滲透性分級GB50278-99將巖土體的滲透性分六級（見P58表3-17

）極微透水K＜10-6cm/sq＜0.1Lu微透水10-6≤K＜10-50.1≤q＜1弱透水10-5≤K＜10-41≤q＜10中等透水10-4≤K＜10-210≤q＜100強(qiáng)透水10-2≤K＜100q≥

100Lu極強(qiáng)透水K≥100cm/sq≥

100Lu巖體風(fēng)化帶劃分巖體風(fēng)化是指地表巖體在太陽輻射、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。詳見知識手冊P56表3—16、案例手冊P725~731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