巖土體的工程性質(zhì)詳解

第二章巖土體的工程性質(zhì)當(dāng)前第1頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)

第一節(jié)

巖土體的物質(zhì)組成與性質(zhì)

一、巖土體的物質(zhì)組成

1巖土體：是非均質(zhì)、各向異性、厚度不等，具有一定次序并含有一定結(jié)構(gòu)的多層巖土層，且存在于一定的地下水、溫度及應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境中的地質(zhì)體。

2巖體與土體共性：

a.都為礦物集合體;b.有固相、液相和氣相組成的多相體系;c.相互轉(zhuǎn)化：土---成巖作用---巖石;

巖石--風(fēng)化作用---土;

當(dāng)前第2頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)3巖體與土體差別：

a.

結(jié)構(gòu)形式

巖石--存在斷層、節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面;土一般是連續(xù);

b.

連結(jié)形式

巖石--結(jié)晶連結(jié)、膠結(jié)連結(jié)--硬連結(jié);

土--無(wú)連結(jié)、水連結(jié)或水膠連結(jié)等;

c.

力學(xué)性質(zhì)

巖石比土具有強(qiáng)度高、不易變形及整體性和抗水性好，但缺陷是存在斷層、節(jié)理等構(gòu)造面;

d.

地應(yīng)力

巖體--有較高地應(yīng)力;

土體--只有自重應(yīng)力存在;

當(dāng)前第3頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)二、工程地質(zhì)性質(zhì)

1土體：

不是各土層性質(zhì)的疊加而是相互影響，主要考慮薄弱環(huán)節(jié)2巖體：

結(jié)構(gòu)起控制作用當(dāng)前第4頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)

第二節(jié)工程地質(zhì)巖組巖土工程地質(zhì)類(lèi)型劃分--聯(lián)合國(guó)教科文組織（UNESCO）和國(guó)際工程地質(zhì)協(xié)會(huì)（IAEG）

1、劃分:

工程地質(zhì)單元

工程地質(zhì)類(lèi)型（ET）、巖石類(lèi)型（LT）、巖石綜合體（LC)、工程地質(zhì)巖組(LS)

a.ET--精度高，物理狀態(tài)和巖性均勻.

b.LT--包含不同ET,其成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造是均勻的,但物理狀態(tài)不均勻,存在一定范圍.

c.LC--一組發(fā)育在特定古地理和地質(zhì)構(gòu)造條件下的成因相關(guān)的LT組成,空間分布均一,物理狀態(tài)不同.

d.LS--在相似的古地理構(gòu)造條件下形成,具有共同的巖性性質(zhì)和一般的均勻性.當(dāng)前第5頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)2、目的:

研究對(duì)比和量化計(jì)算

3、原則:

A）精度有高到低

B)必須以實(shí)際資料為前提

當(dāng)前第6頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)4、依據(jù):

A)地層形成時(shí)代及順序

B)巖石成因類(lèi)型、巖性及巖相變化

C)巖石的物質(zhì)組成及組織結(jié)構(gòu)

D)成層條件及厚度變化

E)巖層的原生結(jié)構(gòu)面標(biāo)志

F)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)當(dāng)前第7頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)巖土體類(lèi)型及其工程地質(zhì)性質(zhì)煤礦中任何建筑工程(包括地表和地下)都脫離不開(kāi)巖體和土體。對(duì)工程建筑物的穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，巖體和土體的工程地質(zhì)性質(zhì)常常具有決定性作用。任何工程建筑的工程地質(zhì)條件，總少不了巖體和土體這個(gè)基本因素，所以在煤礦工程地質(zhì)工作中也總是從查明巖土體類(lèi)型和工程地質(zhì)性質(zhì)著手進(jìn)行工作的。

(1)巖組劃分。巖組是指巖石的工程地質(zhì)組合，每一巖組都有一定的巖石組合特征及相似的工程地質(zhì)特征，其中最重要的是力學(xué)性質(zhì)相似和水理性質(zhì)相似。巖組是反映巖體性質(zhì)的基本單元，在編繪工程地質(zhì)圖件時(shí)應(yīng)當(dāng)用巖組表示。在煤田勘探階段，將巖體劃分為以下七個(gè)巖組：石灰?guī)r巖組包括石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽類(lèi)巖石，這類(lèi)巖石水穩(wěn)性極好，單軸抗壓強(qiáng)度一般大于60MPa，為地下工程中較理想的巖體。砂巖巖組包括礫巖和砂巖類(lèi)巖石，水穩(wěn)定性好，單軸抗壓強(qiáng)度大于30MPa，分層厚度多大于20m，是穩(wěn)定性較好的巖體。當(dāng)前第8頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)泥巖巖組包括泥巖、頁(yè)巖，以及遇水泥化的砂巖粉砂巖等，水穩(wěn)性差，單軸抗壓強(qiáng)度小于20MPa，是穩(wěn)定性很差的巖體。砂頁(yè)巖巖組一般是指那些砂巖和頁(yè)巖互層產(chǎn)出的巖體，其分層厚度小于20m，水穩(wěn)性中等，其穩(wěn)定性介于砂巖巖組和泥巖巖組中間。巖漿巖組煤系中常見(jiàn)有巖漿巖的侵入，包括微晶閃長(zhǎng)巖、細(xì)晶巖、煌斑巖等，水穩(wěn)性好，單抽抗壓強(qiáng)度往往大于80MPa，穩(wěn)定性好。構(gòu)造破碎巖組指構(gòu)造變動(dòng)強(qiáng)烈地段的巖體。例如斷層破碎帶、扭曲緊閉的背斜和向斜軸部附近的巖體，往往水穩(wěn)性差，強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差。風(fēng)化巖組指強(qiáng)烈風(fēng)化帶的巖層，水穩(wěn)性差，強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差。當(dāng)前第9頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)(2)層組劃分。層組是指工程地質(zhì)性質(zhì)相近的松散土層的組合。松散土層的工程地質(zhì)性質(zhì)，一般與其粒度組成和含水量有著密切關(guān)系，根據(jù)煤礦工程的特點(diǎn)，可將松散土層劃分為以下九個(gè)層組：粘土層組包括粘土、亞粘土、含砂粘土等，不具濕陷性，自由膨脹率小于20％。膨脹粘土層組自由膨脹率大于20％的粘土層，液限常超過(guò)40％，主要礦物成分為蒙脫石，這種土層對(duì)建井和地面建筑影響極大。砂礫層組包括礫石層和砂層，含水豐富、承裁力高、凍土力學(xué)性質(zhì)好。凍結(jié)法施工土層穩(wěn)定。流砂層組包括部分細(xì)砂層、粉砂層和塑性指數(shù)小于3~5的亞砂土。當(dāng)此類(lèi)土中含有較多的親水粘土膠體顆粒時(shí)，在不大的水力坡度作用下即產(chǎn)生懸浮和流動(dòng)，稱(chēng)為真流砂層，在較大的水力坡度和水流速度時(shí)，沖動(dòng)了細(xì)小顆粒而產(chǎn)生流動(dòng)者稱(chēng)假流砂層。淤泥層組即淤泥狀土層，含水量高(40％~91％)，有機(jī)質(zhì)多（5％~9％），透水性差，具高壓縮性，抗剪強(qiáng)度很低(4＝2°~5°，c＝0~0.02MPa)。黃土層組以粉粒為主，黃色，塑性指數(shù)8~14，含水量低(10％~25％)，孔隙率高(45％~55％)；有些黃土具濕陷性，給工程建筑帶來(lái)不利影響。人工堆積層組指人工填土，力學(xué)性質(zhì)較差，一般厚度很小。劃分層組一般是在土層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時(shí)才應(yīng)用。通過(guò)把復(fù)雜的土層簡(jiǎn)化為幾個(gè)層組，可使人們對(duì)每個(gè)層段的宏觀工程地質(zhì)性質(zhì)有個(gè)清晰、明確的了解。如果土層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也可不劃分層組。當(dāng)前第10頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)

第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)

一、基本概念

1結(jié)構(gòu)面:指發(fā)育于巖體中，具有一定方向和延伸性,有一定厚度的各種地質(zhì)界面,如斷層、節(jié)理、層理及不整合面等.由于這種界面中斷了巖體的連續(xù)性，故又稱(chēng)不連續(xù)面。

2結(jié)構(gòu)體:結(jié)構(gòu)面在空間的分布和組合可將巖體切割成形狀、大小不同的塊體,稱(chēng)結(jié)構(gòu)體.

當(dāng)前第11頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)3巖體:通常把在地質(zhì)歷史過(guò)程中形成的,具有一定的巖石成分和一定結(jié)構(gòu),并賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境中（地應(yīng)力、地下不、地溫）的地質(zhì)體。

4巖體結(jié)構(gòu):結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的排列與組合形成。包括結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩個(gè)要素。當(dāng)前第12頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)二、巖體結(jié)構(gòu)特征1結(jié)構(gòu)面的特征及性質(zhì)(1)類(lèi)型結(jié)構(gòu)面的成因分類(lèi)：原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面及次生結(jié)構(gòu)面（見(jiàn)下表）(2)特征

a.結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與最大主應(yīng)力作用線方向之間的關(guān)系控制著巖體的破壞機(jī)理，進(jìn)而控制著巖體的強(qiáng)度。當(dāng)前第13頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)當(dāng)前第14頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)當(dāng)前第15頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)如上圖：

β-結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng)力的夾角

(a)β為銳角,巖體將沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動(dòng)破壞

(b)β為直角,表現(xiàn)為切過(guò)結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)生剪斷、巖體破壞

(c)β為0度,平行結(jié)構(gòu)而的劈裂拉張破壞

當(dāng)前第16頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)b.結(jié)構(gòu)面連續(xù)性連續(xù)性反映結(jié)構(gòu)面的貫通程度．常用線連續(xù)性系數(shù)和面連續(xù)性系數(shù)表示.

線連續(xù)系數(shù)(K):K=εa/εb;

其中:εa---各結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)度之和;εb---測(cè)段長(zhǎng)度之和;

K變化在0—1之間．K值愈大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)而連續(xù)性愈好；當(dāng)K＝1時(shí)．說(shuō)明結(jié)構(gòu)面完全貫通.

當(dāng)前第17頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)c.結(jié)構(gòu)面的密度密度反映結(jié)構(gòu)面發(fā)育的密集程度．常用間距、線密度等指標(biāo)表示。線密度(Kd)是指結(jié)構(gòu)面法線方向上單位測(cè)線長(zhǎng)度交切結(jié)構(gòu)面的條數(shù)(條/m)；間距(d)則是指同一組結(jié)構(gòu)面法線方向上兩相鄰結(jié)構(gòu)面之間的平均距離。兩者互為倒數(shù)關(guān)系.即

Kd=1/d

結(jié)構(gòu)面的密度決定了巖體的完整性和巖塊的塊度。一般來(lái)說(shuō)．結(jié)構(gòu)面發(fā)育愈密集，巖體的完整性愈差，巖塊塊度愈小．進(jìn)而導(dǎo)致巖體的力學(xué)性質(zhì)變差．滲透性增強(qiáng).當(dāng)前第18頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)d.結(jié)構(gòu)面的形態(tài)

結(jié)構(gòu)面的形態(tài)可從側(cè)壁的起伏形態(tài)和粗糙度兩方面來(lái)進(jìn)行研究.

結(jié)構(gòu)面?zhèn)缺诘钠鸱螒B(tài)可分為：平直的、波狀的、鋸齒狀的、臺(tái)階狀的和不規(guī)則狀幾種，見(jiàn)下圖。而側(cè)壁的起伏程度則可用起伏角(i)表示如下:

i=arctg(2σ/L)

當(dāng)前第19頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)當(dāng)前第20頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)當(dāng)前第21頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)

結(jié)構(gòu)面的粗糙度可用粗糙度系數(shù)(JRC)表示:

它可以增加結(jié)構(gòu)面的摩擦角，進(jìn)而提高了巖體的強(qiáng)度。據(jù)結(jié)構(gòu)面的粗糙程度可將粗糙度系數(shù)（JRC）分為10級(jí)。在實(shí)際工作中，可用剖面儀測(cè)出所研究結(jié)構(gòu)面的粗糙剖面、然后與標(biāo)準(zhǔn)剖面進(jìn)行比較，即可求得結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)(JRC).當(dāng)前第22頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)e.結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)度

結(jié)構(gòu)面兩壁之間，一般不是最緊密接觸，而是點(diǎn)接觸或局部接觸.

結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)度是指結(jié)構(gòu)面兩壁間的平均距離．常以毫米為單位.

當(dāng)前第23頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)f.結(jié)構(gòu)面的充填膠結(jié)特征

結(jié)構(gòu)面經(jīng)膠結(jié)后，力學(xué)性質(zhì)有所改善。改善的程度因膠結(jié)物成分不同而異，鐵硅質(zhì)膠結(jié)的強(qiáng)度最高，泥質(zhì)及易溶鹽類(lèi)膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度最低，且抗水性差.

未膠結(jié)且具一定張開(kāi)度的結(jié)構(gòu)面，其力學(xué)性質(zhì)取決于充填物成分、厚度、含水性及壁巖性質(zhì)等。就充填物成分來(lái)說(shuō)以砂質(zhì)、角礫質(zhì)性質(zhì)最好．粘土質(zhì)、易溶鹽類(lèi)性質(zhì)最差。當(dāng)前第24頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)g.結(jié)構(gòu)面的分級(jí)及其特征

按結(jié)構(gòu)面的規(guī)模及其力學(xué)效應(yīng)，可將結(jié)構(gòu)面劃分為5級(jí)當(dāng)前第25頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)3)軟弱夾層

a.定義:指巖體中那些性質(zhì)軟弱、有一定厚度的軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱帶,具有高壓縮性和低強(qiáng)度的特征.

b.特征:(a)由原巖的超固結(jié)膠結(jié)式結(jié)構(gòu)．變成了泥質(zhì)散體結(jié)構(gòu)或泥質(zhì)定向結(jié)構(gòu)；

(b)粘粒含量較原巖增多并達(dá)一定含量；

(c)含水量接近或超過(guò)塑限．密度比原巖??；

(d)常具一定的膨脹性；

(e)力學(xué)強(qiáng)度比原巖大為降低．壓縮性較大；

(f)由于結(jié)構(gòu)松散，因而抗沖刷能力低.在滲透水流作用下.愚易產(chǎn)生滲透變形.

當(dāng)前第26頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)2結(jié)構(gòu)體特征及性質(zhì)

(1)特征

可用其規(guī)模、形態(tài)及其產(chǎn)狀進(jìn)行描述

a.按不同級(jí)別結(jié)構(gòu)面對(duì)巖巖體的切割，可將結(jié)構(gòu)體劃分為4級(jí)。

Ⅰ級(jí)結(jié)構(gòu)體——地質(zhì)體或稱(chēng)斷塊體

Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)體——山體

Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)體——塊體

Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)體——巖塊當(dāng)前第27頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)b.基本形狀有柱狀、塊狀、板狀、楔形、錐形、菱形等。一般來(lái)說(shuō)其穩(wěn)定程度，板狀結(jié)構(gòu)體比柱狀、塊狀的差。而楔狀的比菱形及錐狀的差.

c.產(chǎn)狀一般用結(jié)構(gòu)體表面上最大結(jié)構(gòu)面的長(zhǎng)軸方向表示，平臥的板狀結(jié)構(gòu)體比豎直的板狀結(jié)構(gòu)體對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響要大—些.

當(dāng)前第28頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)3巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型劃分

為了概括地反映巖體結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的成因、特征及其排列組合關(guān)系．將巖體結(jié)構(gòu)劃分為4大類(lèi)和8個(gè)亞類(lèi)如下表所示：當(dāng)前第29頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)當(dāng)前第30頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)三、巖體工程性質(zhì)

1巖體變形性質(zhì)

(1)結(jié)構(gòu)面的變形特性

a.法向變形特性

在同一巖體中．取一塊不含結(jié)構(gòu)面的完整巖塊試件和一塊含結(jié)構(gòu)面的巖石試件。然后，分別對(duì)這兩塊試件進(jìn)行單向壓縮試驗(yàn)，可得到如圖。設(shè)不含結(jié)構(gòu)面試件的法向變形為△Vr，含結(jié)構(gòu)面試件的法向變形為△Vt，則結(jié)構(gòu)面的閉合變形△Vj為：

△Vj=△Vt-△Vr

應(yīng)力-應(yīng)變曲線上某點(diǎn)的切線斜率定義為結(jié)構(gòu)面的法向剛度（Kn），它是反映結(jié)構(gòu)面法向變形性質(zhì)的主要參數(shù)。當(dāng)前第31頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)當(dāng)前第32頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)b.剪切變形特征

結(jié)構(gòu)面的剪切變形有兩種基本類(lèi)型：

一類(lèi)為塑性變形型．如泥化夾層、光滑平直的破裂面等一般具這類(lèi)變形特征；

另—類(lèi)為脆性變形.σn-△Vj曲線有明顯的峰值點(diǎn)和應(yīng)力降。當(dāng)應(yīng)力降于—定值后趨于穩(wěn)定。不在隨位移變化而變化。如粗糙結(jié)構(gòu)面等常具這種變形特征。

把剪力-應(yīng)變曲線上某點(diǎn)的切線斜率定義為結(jié)構(gòu)面的剪切剛度(Ks)．它是反映結(jié)構(gòu)面剪切變形性質(zhì)的主要參數(shù)。當(dāng)前第33頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)當(dāng)前第34頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)(2)巖體變形參數(shù)的確定及變形曲線類(lèi)型

a.承壓板法

試驗(yàn)一般在平巷中進(jìn)行。利用巷道頂板作反力，以油壓千斤頂施加壓力．通過(guò)剛性承壓板將壓力傳至底部平直光滑的巖面上．用百分表測(cè)量巖體變形值。按下式計(jì)算．即

Em=

w*(1-μ^2)*p*D/W

式中：Em為巖體的變形模量(MPa)；

W為巖體的變形量(cm)；

P為承壓板單位面積上的壓力(MPa)；

D為承壓板直徑或邊長(zhǎng)(cm)；

μ為巖體的泊松比；

ω為與承壓板剛度和形狀有關(guān)的系數(shù)，圓形板取0.79、方形板取0.88.當(dāng)前第35頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)b.鉆孔變形法

利用鉆孔膨脹計(jì)對(duì)一定長(zhǎng)度的孔壁施加均勻壓力，同時(shí)測(cè)量孔壁的徑向變形。利用下式計(jì)算巖體的變形模量和彈性模量，即

E=ρ*(1+μ)*d/δ

式中：Em為巖體的徑向變形(cm)；

p為計(jì)算壓力，等于試驗(yàn)壓力與初始?jí)毫χ?MPa)；

d為實(shí)測(cè)點(diǎn)的鉆孔直徑(cm)；其余符號(hào)意義同前.當(dāng)前第36頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)c.聲波法

通過(guò)測(cè)量巖體中縱波和橫波的傳播速度，來(lái)確定其變形參數(shù)，即

Emd=ρ*Vp^2(1+μd)(1+2μd)/(1-μd);

或

Emd=2ρ*Vs^2(1+μd);

Gmd=ρ*Vs^2;

μd=(Vp^2-2*Vs^2)/(2*(Vp^2-Vs^2));

式中：Emd為巖體的動(dòng)彈性模量(GPa)；μd為巖體的動(dòng)泊松比;

Gmd為巖體的動(dòng)剪切模量(GPa)為巖體的密度(g／cm2);vp為縱波速度(m／s);vs為橫波速度(m／s).當(dāng)前第37頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)(3)節(jié)理化巖體變形模量的估算

比尼衛(wèi)斯基根據(jù)巖體變形模量實(shí)測(cè)資料，并用CSIR分類(lèi)法（南非科學(xué)工作研究會(huì)）對(duì)巖體進(jìn)行了分類(lèi)．建立了如下的統(tǒng)計(jì)關(guān)系：

當(dāng)RMR≥55時(shí)，

Em=2RME-100

當(dāng)RME<55時(shí)，

Em=10^((RME-100)/40)

式中:Em為巖體的變形模量(GPa)；

RMR為CSIR分類(lèi)求得的巖體質(zhì)量評(píng)分值.當(dāng)前第38頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)四、巖體的強(qiáng)度性質(zhì)

巖體是由各種不同形態(tài)的巖塊和結(jié)構(gòu)面組成的地質(zhì)體．因此其強(qiáng)度必然受到巖塊和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度及其組合形式的控制。一般情況下．巖體的強(qiáng)度既不等于巖塊的強(qiáng)度，也不等于結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，而是兩者共同影響表現(xiàn)出來(lái)的強(qiáng)度。本節(jié)主要討論結(jié)構(gòu)面與巖體的剪切強(qiáng)度及巖體的抗壓強(qiáng)度.當(dāng)前第39頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)1結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度

根據(jù)結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、連續(xù)性、充填情況及力學(xué)性質(zhì)，可將結(jié)構(gòu)面分為平直光滑無(wú)充填的、粗糙起伏無(wú)充填的、非貫通斷續(xù)的及軟弱充填的等4類(lèi)。各類(lèi)結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度分述如下:

a.平直光滑無(wú)充填結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度

這類(lèi)結(jié)構(gòu)面以光滑破裂面及磨光面為代表，是摩擦剪切作用的產(chǎn)物，其剪切強(qiáng)度接近于人工磨光面的摩擦強(qiáng)度。設(shè)剪切強(qiáng)度為τ，則

τ=σ*tgФi

式中：σ為法向應(yīng)力；Фi為結(jié)構(gòu)面的摩擦角.當(dāng)前第40頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)B粗糙起伏無(wú)充填結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度

這類(lèi)結(jié)構(gòu)面的基本持點(diǎn)是具有起伏度．當(dāng)法向應(yīng)力較小時(shí)．剪切過(guò)程中可引起上滑效應(yīng)(又稱(chēng)剪脹效應(yīng))；當(dāng)法向應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，凸起面被剪斷。當(dāng)前第41頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)

帕頓(Patton，1966)理想化石膏模型試驗(yàn)：

假定結(jié)構(gòu)面為規(guī)則的鋸齒形，起伏角為i．起伏差為δ，受法向應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ作用，則

當(dāng)法向應(yīng)力較低時(shí)，剪切應(yīng)力為：τ=σ*tg(Фi+i);

當(dāng)法向應(yīng)力較高時(shí)，剪切應(yīng)力為：

τ=Cb+tgФb;

其中，Cb和Фb分別為結(jié)構(gòu)面凸起部分巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。當(dāng)前第42頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)當(dāng)前第43頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)當(dāng)前第44頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)

由以上兩式可以得出剪斷結(jié)構(gòu)面凸起部分的條件

σT=Cb/(tg(Фj+i)-tgФb);

結(jié)構(gòu)面起伏形態(tài)不規(guī)則的粗糙面，巴頓(Barton，1977)根據(jù)大量試驗(yàn)資料得出：

τ=σtg(JRC*log(JCS/σ)+Фb);

其中，JRC為粗糙度系數(shù),可通過(guò)實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)同粗糙剖面與標(biāo)準(zhǔn)剖面對(duì)比求得；JCS為結(jié)構(gòu)面壁巖的抗壓強(qiáng)度,可用回彈儀測(cè)定；Фb為結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角；σ為法向應(yīng)力.當(dāng)前第45頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)C非貫通斷續(xù)結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度這類(lèi)結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度由各段結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度和非貫通段(巖橋)巖石的剪斷強(qiáng)度兩部分

組成。因此，整個(gè)結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度取決于結(jié)構(gòu)面和巖塊性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性，即

τ=(k1Cj+(1-k1)*Cm)+σ(k1tgФj+(1－k1)*tgФm);

式中：Cj、Cm分別為結(jié)構(gòu)面和巖石的內(nèi)聚力；Фj、Фm分別為結(jié)構(gòu)面和巖石的內(nèi)摩擦角；K1為結(jié)構(gòu)面的線連續(xù)性系數(shù).當(dāng)前第46頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)D具充填的軟弱結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度

這類(lèi)結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度，主要取決于充填物成分、結(jié)構(gòu)、厚度及充填度等情況.當(dāng)前第47頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)

由上表可知，結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度隨充填物碎屑含量增加及顆粒變粗而增高，隨粘較含量增加而降低。結(jié)構(gòu)面的充填度常用充填物厚度(d)與結(jié)構(gòu)面的起伏差(δ)之比來(lái)表示。它對(duì)結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度的影響表現(xiàn)在強(qiáng)度隨充填度(d／δ)增大而降低.當(dāng)前第48頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)2巖體的剪切強(qiáng)度

巖體的剪切強(qiáng)度：巖體中任一方向的剪切面，在一定的法向應(yīng)力作用下所能抵抗的最大剪應(yīng)力。巖體的剪切強(qiáng)度也分為剪斷強(qiáng)度、摩擦強(qiáng)度和抗切強(qiáng)度3種.

當(dāng)前第49頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)

試驗(yàn)和理論研究都表明：巖體的剪切強(qiáng)度主要受結(jié)構(gòu)面、應(yīng)力狀態(tài)、巖性及風(fēng)化程度等因素控制。在高應(yīng)力條件下，巖體的剪切強(qiáng)度接近于巖塊強(qiáng)度．在低應(yīng)力條件下，巖體的剪切強(qiáng)度主要受結(jié)構(gòu)面控制。

一般情況下，巖體的剪切強(qiáng)度包絡(luò)線不一條簡(jiǎn)單的曲線，而是有一定上、下限的曲線族。下限是結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度，上限是巖塊的剪斷強(qiáng)度。當(dāng)前第50頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)3節(jié)理化巖體強(qiáng)度的估算

由于原位巖體實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高周期長(zhǎng)，一般情況難以普遍采用。在工程中常對(duì)巖體作出合理的估算。下面介紹兩種節(jié)理化巖體強(qiáng)度的估算方法:

(1)利用單結(jié)構(gòu)面理論估算巖體強(qiáng)度

為了研究節(jié)理化巖體的強(qiáng)度，耶格（Jaeger，1960）發(fā)展了的單結(jié)構(gòu)面理論，具體如下：若巖體中發(fā)育有—組結(jié)構(gòu)面AB，結(jié)構(gòu)面的內(nèi)聚力為Cj，內(nèi)摩擦角為ψj，則巖體沿結(jié)構(gòu)面AB發(fā)生滑動(dòng)破壞的條件，根據(jù)莫爾強(qiáng)度理論為：

當(dāng)前第51頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)當(dāng)前第52頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)

由上式可知：巖體的強(qiáng)度(σ1-σ3)隨β角的變化而變化，當(dāng)β→90度時(shí)或β→Фj時(shí)，巖體不可能沿結(jié)構(gòu)面破壞，而只能產(chǎn)生剪斷巖塊破壞。圖中（b）給出這兩種破壞的強(qiáng)度包絡(luò)線。

如果巖體中含有二組以上結(jié)構(gòu)面，且假定各組結(jié)構(gòu)面只有相同的性質(zhì)時(shí)．巖體強(qiáng)度的確定方法是分步運(yùn)用單結(jié)構(gòu)面理論．分別繪出每一組結(jié)構(gòu)面單獨(dú)存在時(shí)的強(qiáng)度包絡(luò)線，這些曲線的最小包絡(luò)線即為含多組結(jié)構(gòu)面巖體的強(qiáng)度包絡(luò)線。右圖為含二組和三組結(jié)構(gòu)面的巖體，在不同條件下的強(qiáng)度包絡(luò)線。當(dāng)前第53頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)當(dāng)前第54頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)2)利用霍克-布朗經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度方程估算巖體強(qiáng)度霍克和布朗于1980年根據(jù)巖體性態(tài)方面的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了巖塊和巖體破壞時(shí)的判據(jù)為σ1=σ3

+(mσc+sσc^2)^(1/2)

（2）

式中：σ1、σ3分別為破壞時(shí)最大、最小主應(yīng)力；σc為巖塊的單軸抗壓強(qiáng)；m、s為與巖石性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)面待征有關(guān)的系數(shù)，其值可查表求得:當(dāng)前第55頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)當(dāng)前第56頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)

由上式，分別令σ1＝0和σ3＝0時(shí)，則巖體的單軸抗壓強(qiáng)度(σmc)和單軸抗拉強(qiáng)度(σmt)分別為

σmc=(sσc^2)(1/2)

(3)

σmt=(m-(m^2+4*s))/2

(4)

通過(guò)有關(guān)資料調(diào)查后，可以用（2）、（3）、（4）式對(duì)巖體強(qiáng)度進(jìn)行估算.當(dāng)前第57頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)五、巖體的工程分類(lèi)

1、目的：

a.對(duì)巖體進(jìn)行歸類(lèi)

b.定性或定量地評(píng)價(jià)各類(lèi)巖體質(zhì)量、工程建筑條件,為工程設(shè)計(jì)和施工提供地質(zhì)依據(jù)。2、主要考慮因素：主要考慮三方面因素的指標(biāo)：即與巖石工程性質(zhì)有關(guān)的指標(biāo)（力學(xué)性質(zhì)）、巖體后期改造有關(guān)的指標(biāo)(巖體結(jié)構(gòu))和巖體賦存條件方面的指標(biāo)（地下水或地應(yīng)力）。當(dāng)前第58頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)3典型分類(lèi)主要有RQD、RMR(比尼衛(wèi)斯基分類(lèi)，Bieniawski)、巴頓的Q分類(lèi)?，F(xiàn)介紹：

a.RQD分類(lèi)

根據(jù)金剛石鉆進(jìn)的巖芯采取率，提出用RQD值來(lái)評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量的優(yōu)劣。RQD值為大于10cM的巖芯累計(jì)長(zhǎng)度與鉆孔進(jìn)尺長(zhǎng)度之比的百分率。據(jù)RQD值將巖體分為5類(lèi):當(dāng)前第59頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)b.RMR分類(lèi)（T.Bieniawski,1973)巖體質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算公式及方法：

RMR=A+B+C+D+E+F

為和差綜合法（并聯(lián)系統(tǒng)）

A—巖石強(qiáng)度（點(diǎn)荷載.單軸壓)分?jǐn)?shù)15—0

B—RQD(巖石質(zhì)量指標(biāo)）分?jǐn)?shù)20—3

C—不連續(xù)面間距（>2m—<3m)分?jǐn)?shù)20—5

D—不連續(xù)面性狀（粗糙-夾泥)分?jǐn)?shù)30—0

E—地下水（干燥—流動(dòng)）分?jǐn)?shù)15—0

F—不連續(xù)面產(chǎn)狀條件（很好—很差）

分?jǐn)?shù)0—-12當(dāng)前第60頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)當(dāng)前第61頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)c.巴頓巖體質(zhì)量（Q）分類(lèi)巖體質(zhì)量指標(biāo)計(jì)算公式及方法：

Q=(RQD/Jn)*(Jr/Jn)*(Jw/SWF)

式中：

RQD─巖石質(zhì)量指標(biāo)；

Jn0─節(jié)理組數(shù)，無(wú)裂—破裂，0.5-20；

Jr─節(jié)理粗糙度系數(shù)粗糙—鏡面，4-0.5

Ja─節(jié)理蝕變系數(shù)，新鮮—蝕變夾泥，0.75-20；

Jw─節(jié)理水折減系數(shù)，干燥—特大水流，1-0.05；

SRF─應(yīng)力折減系數(shù)。當(dāng)前第62頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)當(dāng)前第63頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)

第四節(jié)

風(fēng)化巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)

一、巖體風(fēng)化作用

巖體在各種風(fēng)化營(yíng)力，如太陽(yáng)能、大氣、水及動(dòng)植物有機(jī)體等的作用下，發(fā)生物理化學(xué)變化的過(guò)程，稱(chēng)為巖體風(fēng)化作用。巖體風(fēng)化的程度、深度、速度及風(fēng)化殼厚度，除與風(fēng)化營(yíng)力的強(qiáng)弱有關(guān)外．還與地區(qū)的氣候、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地貌、水文地質(zhì)條件以及人類(lèi)活動(dòng)等因素有關(guān).當(dāng)前第64頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)二、風(fēng)化作用改變巖體性質(zhì)實(shí)質(zhì)

1.巖體完整性進(jìn)一步遭到破壞。風(fēng)化不僅使巖體原有裂隙擴(kuò)大，還產(chǎn)生了新的風(fēng)化裂隙，使巖體逐漸破碎，分裂成碎炔、碎片，進(jìn)而分解成砂粒、粉粒甚至粘粒。

2.巖石的礦物成分和化學(xué)成分發(fā)生變化。在化學(xué)風(fēng)化作用下，巖石中原生礦物經(jīng)水解、溶解及氧化等反應(yīng)．形成新的次生礦物。

3.巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化。巖體經(jīng)風(fēng)化后,巖石的抗水性降低而親水性增高，其次．透水性增強(qiáng)。以上兩方面的變化，使巖體力學(xué)強(qiáng)度降低，壓縮性加大。

當(dāng)前第65頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)三、風(fēng)化巖體性質(zhì)概述

1.巖體風(fēng)化后,一般巖石的抗水性降低而親水性增高,透水性增強(qiáng),壓縮性加大。

2.主要表現(xiàn)：巖體風(fēng)化具有垂直分帶性，即巖體風(fēng)化總是由地表向巖體內(nèi)部不斷深入的，而風(fēng)化程度也是地表最為強(qiáng)烈，向巖體深部則逐漸輕微直至新鮮巖石.當(dāng)前第66頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)四、巖體風(fēng)化綜述

在水、大氣、溫度和生物等營(yíng)力的作用下，地殼上部巖體的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變巖體力學(xué)性質(zhì)的過(guò)程和現(xiàn)象。風(fēng)化了的巖體工程地質(zhì)性能發(fā)生惡化，給建筑工程帶來(lái)不良影響。

一般情況下，巖體的風(fēng)化程度呈現(xiàn)出由表及里逐漸減弱的規(guī)律。但由于巖體中巖性并不均一，且有斷裂存在，所以巖體風(fēng)化的情況并不一定完全符合一般規(guī)律。巖體風(fēng)化厚度一般為數(shù)米至數(shù)十米，沿?cái)嗔哑扑閹Ш鸵罪L(fēng)化巖層，可形成風(fēng)化較劇的巖層。斷層交會(huì)處還可形成風(fēng)化囊。在這兩種情況下深度可超過(guò)百米。

根據(jù)風(fēng)化程度，一般將巖體的風(fēng)化部分劃分為3個(gè)或4個(gè)風(fēng)化帶。分帶多少視建筑物類(lèi)型、規(guī)模，以及各部門(mén)的習(xí)慣而有所不同。當(dāng)前第67頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)劃分風(fēng)化帶的方法大致有3種：

①現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)巖石顏色、礦物晶面光澤和粗礦物顆粒的變化、裂隙發(fā)育程度、錘擊反應(yīng)和手控易碎程度用肉眼鑒定。

②用化學(xué)或礦物成分分析方法鑒定活動(dòng)金屬元素的遷移程度或易風(fēng)化礦物的變異比率。

③用簡(jiǎn)易的物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試方法測(cè)試風(fēng)化巖石與新鮮巖石單軸抗壓強(qiáng)度的對(duì)比、回彈狀況和點(diǎn)荷載變化。

劃分風(fēng)化帶的目的在于建筑施工時(shí)，充分利用可利用的部分，挖除不能滿足施工要求的部分以確保工程安全，并減少施工量和工程費(fèi)用。當(dāng)前第68頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)第五節(jié)地形地貌一、地形地貌概念1地形地貌概念

地形:是指地球表面起伏形態(tài)的外部特征。

地貌：由于內(nèi)、外力地質(zhì)作用的長(zhǎng)期影響，在地殼表面形成的各種不同成因、不同類(lèi)型、不同規(guī)模的起伏形態(tài).

地貌學(xué)：專(zhuān)門(mén)研究地表形態(tài)及其發(fā)生、發(fā)展和分布規(guī)律的科學(xué)。

注意：地貌不同于地形，地形是指地球表面起伏形態(tài)的外部特征。當(dāng)前第69頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)2地貌形成（1）內(nèi)力作用（地殼的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿運(yùn)動(dòng)）-->隆起區(qū)－大陸、高原、山嶺;沉降區(qū)—海洋、平原、盆地;

（2）外力作用（風(fēng)化、流水、冰川、風(fēng)力、波浪及海流作用等）-->削高補(bǔ)底，力圖將地表夷平.

（3）地貌特征:平原

地下水,暗河,承載力,不均勻沉降,軟土......

山區(qū)

邊坡,巖溶,構(gòu)造......

岸邊

河溝側(cè)向位移,入侵......當(dāng)前第70頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)3研究意義及研究?jī)?nèi)容

1）研究意義:工程地質(zhì)學(xué)的地貌學(xué)研究主要是探討不同地形地貌的工程地質(zhì)特征及改造方法,為工程建設(shè)服務(wù).

2）研究?jī)?nèi)容:

(1)山區(qū):重力地貌,風(fēng)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;當(dāng)前第71頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)二、山地工程地質(zhì)條件

1山地地貌特征

-----地表高低起伏大（有高差）、河谷切割

山地：山嶺、谷地

山嶺組成：山頂、山坡、山麓（山坡與平原交線地帶）;

山坡發(fā)育：原始狀態(tài)陡崖---->動(dòng)態(tài)變緩;當(dāng)前第72頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)2山地地貌的形成與發(fā)展

火山與地殼運(yùn)動(dòng)

(1)地殼：A.上升初始階段－崎嶇,陡峭

B.繼續(xù)上升－高山、深谷,山坡不穩(wěn)定

C.上升減緩－平緩,河谷變寬,相對(duì)高度下降

當(dāng)前第73頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)(2)山地地貌特點(diǎn)：

A.分帶性

1）水平分帶:山脊地帶、斜坡地帶、山前地帶

2）垂直分帶:5000m以上（終年積雪帶）、>4000m雪線以下、3000－4000m流水侵蝕帶、3000m以下干旱流水侵蝕作用帶。

B．成層性：階梯狀當(dāng)前第74頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)3巖性構(gòu)造對(duì)地貌影響

A.巖性

1)花崗巖：渾圓、峭壁

2）石英巖：懸崖尖銳、壩基好

3）砂巖：膠結(jié)物質(zhì)

4）石灰?guī)r：巖溶地貌當(dāng)前第75頁(yè)\共有86頁(yè)\編于星期日\(chéng)0點(diǎn)