工程地質(zhì)分析原理復(fù)習(xí)

工程地質(zhì)大綱一、名釋工程地質(zhì)問(wèn)題：當(dāng)工程地質(zhì)條件不能滿足工程建筑物穩(wěn)定、安全的要求時(shí)，工程地質(zhì)條件與工程建筑之間存在矛盾。工程地質(zhì)條件：土石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地貌、水文地質(zhì)條件、自然地質(zhì)現(xiàn)象和天然建筑材料。巖體結(jié)構(gòu)面:巖體：地質(zhì)體中與工程建設(shè)有關(guān)的那部分巖石，處于一定的應(yīng)力狀態(tài)、被各種結(jié)構(gòu)面所分割。結(jié)構(gòu)面:巖體中具有一定方向、力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低、兩向延伸（或具有一定厚度）的地質(zhì)界面（或帶）結(jié)構(gòu)體：結(jié)構(gòu)面在空間的分布和組合將巖體切割成形狀、大小不同的塊體，稱結(jié)構(gòu)體。天然應(yīng)力狀態(tài)，是指未經(jīng)人為擾動(dòng)的，主要是在重力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的綜合作用下，有時(shí)也在巖體的物理、化學(xué)變化及巖漿侵入等的作用下所形成的應(yīng)力狀態(tài)，常稱為天然應(yīng)力或初始應(yīng)力。在巖體天然應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)，因挖除或增加結(jié)構(gòu)物而引起的應(yīng)力，稱為感生應(yīng)力。在重力場(chǎng)作用下生成的應(yīng)力為自重應(yīng)力。變異應(yīng)力：物理、化學(xué)變化及巖漿的侵入等引起的應(yīng)力,可統(tǒng)稱為變異應(yīng)力。只具有局部意義。殘余應(yīng)力：遭受卸荷或部分卸荷時(shí)，膨脹回彈趨勢(shì)部分地受其它組分約束，形成拉、壓應(yīng)力自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)。活斷層：目前還在持續(xù)活動(dòng)的斷層，或在歷史時(shí)期或近期地質(zhì)時(shí)期活動(dòng)過(guò)、極可能在不遠(yuǎn)的將來(lái)重新活動(dòng)的斷層。后一種情況也可稱為潛在活斷層一般定義為晚更新世Ｑ３,全新地質(zhì)時(shí)期Ｑ４（１萬(wàn)年）有過(guò)地震活動(dòng)，或近期正在活動(dòng)，在將來(lái)（今后１００年）可能活動(dòng)的斷裂叫做全新活動(dòng)斷裂.水庫(kù)誘發(fā)地震:水庫(kù)蓄水而導(dǎo)致庫(kù)區(qū)地震活動(dòng)強(qiáng)度和頻次顯著增強(qiáng)的現(xiàn)象。砂土液化：對(duì)于飽和砂土,在振動(dòng)荷載的作用下，孔隙水壓力上升到使砂粒間有效正應(yīng)力降為零時(shí)，砂體就會(huì)懸浮于水中，砂體也就完全喪失了強(qiáng)度和承載能力，這就是砂土液化。滲流液化:飽水砂土在強(qiáng)烈地震作用下先產(chǎn)生振動(dòng)液化，使孔隙水壓力迅速上升，產(chǎn)生上下水頭差和孔隙水自下而上的運(yùn)動(dòng)，動(dòng)水壓力推動(dòng)砂粒向懸浮狀態(tài)轉(zhuǎn)化，形成滲流液化超孔隙水壓力：砂的滲透性不良，排水不通暢，前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙度再減小又產(chǎn)生了。孔隙水必然承受由孔隙度減小而產(chǎn)生的擠壓力，生了剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力.地下洞室:是指人工開(kāi)挖或天然存在于巖土中作為各種用途的構(gòu)筑物。圍巖:隧道周圍一定范圍內(nèi)，對(duì)洞身的穩(wěn)定有影響的巖(土)體,大約為地下洞室橫斷面中最大尺寸的3-5倍。二、簡(jiǎn)答結(jié)構(gòu)面的成因分類：原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面及淺、表生結(jié)構(gòu)面（表1-1）。1.原生結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面：層理，層面，軟弱夾層，不整合面，假整合面，古沖刷面等?；鸪山Y(jié)構(gòu)面：侵入體與圍巖接觸面，巖脈、巖墻接觸面，噴出巖的流線、流面，冷凝節(jié)理面等。變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：片理，片麻理，板劈理，片巖軟弱夾層等。2.構(gòu)造結(jié)構(gòu)面節(jié)理（X型節(jié)理，張節(jié)理）斷層（正斷層，逆斷層，走滑斷層）層間錯(cuò)動(dòng)帶，羽狀裂隙，破劈理3.淺表生結(jié)構(gòu)面1）淺部結(jié)構(gòu)面：卸荷斷裂、重力擴(kuò)展變形破裂2)表部結(jié)構(gòu)面:卸荷裂隙、風(fēng)化裂隙\風(fēng)化夾層、泥化夾層、次生夾泥4巖體結(jié)構(gòu)分類按建造特征可將巖體劃分為塊體狀（或整體狀）結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎塊狀結(jié)構(gòu)和散體狀結(jié)構(gòu)--5類型。按巖體改造的程度可劃分為完整的、塊裂化或板裂化、碎裂化和散體化--4個(gè)等級(jí)。塊體狀結(jié)構(gòu)：無(wú)軟弱面的巖體，原生結(jié)構(gòu)面具有較強(qiáng)的結(jié)合力，間距大于1m。塊狀結(jié)構(gòu)：含有2～3組較發(fā)育的軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體，結(jié)構(gòu)面間距1～0.5m。層狀結(jié)構(gòu)：有一組連續(xù)性好，軟弱面的巖體，巖性不均一。（軟弱面間距50～30cm）碎塊狀結(jié)構(gòu)：多組密集結(jié)構(gòu)面的巖體，被分割成碎塊狀，以某些動(dòng)力變質(zhì)巖。散體結(jié)構(gòu)巖體：碎屑狀散體，結(jié)構(gòu)面無(wú)序，有角礫，中雜有泥質(zhì)；糜棱巖體5、巖體應(yīng)力的一些基本概念6.我國(guó)地應(yīng)力場(chǎng)的空間分布特點(diǎn)各地最大主應(yīng)力的發(fā)育呈明顯的規(guī)律性σ1方向：該點(diǎn)與察隅和伊斯蘭堡聯(lián)線夾角等分線方向近似，(以東經(jīng)105o為界，分為東西，東近水平向，西為近南北向。)僅在兩側(cè)邊緣地帶略有偏轉(zhuǎn)，即東側(cè)向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，西側(cè)向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)。7.巖芯餅化現(xiàn)象1）表面均為新鮮破裂面，邊緣部分粗糙，多數(shù)內(nèi)部隱約見(jiàn)有順槽，或沿一個(gè)方向的擦痕與之正常的拉裂坎。厚度、直徑關(guān)系，約為直徑的1/4-1/5，只要孔徑相同，巖餅的厚度就大致相近；2）餅狀巖芯的巖體力學(xué)條件a彈性高，儲(chǔ)能條件好的巖性條件，如火成巖；b整體塊狀的巖體結(jié)構(gòu)條件；c高地應(yīng)力條件，最大主應(yīng)力在30MPa以上8.巖體破壞的基本形式1)據(jù)破壞機(jī)制--剪切破壞和張性破壞（或拉斷破壞）兩類。2)巖體變形破壞形式與受力狀態(tài)的關(guān)系?在負(fù)圍壓及低圍壓條件下巖石表現(xiàn)為拉斷破壞；?隨著圍壓增高將轉(zhuǎn)化為剪斷破壞；?當(dāng)圍壓升高到一定值以后，表現(xiàn)為塑性破壞。9.邊坡應(yīng)力“駝峰型”分布b..演變過(guò)程表層蠕滑：巖層向坡下彎曲，后緣產(chǎn)生拉應(yīng)力。后緣拉裂：后緣發(fā)育有陡傾坡內(nèi)的軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，拉裂更易發(fā)育，破裂也可能在地震或人工爆破的觸發(fā)下突然產(chǎn)生。2）滑移—壓致拉裂a(bǔ).形成條件：中等——陡的平緩層狀斜坡，坡體內(nèi)有水平向殘余應(yīng)力。b.坡體沿平緩結(jié)構(gòu)面向坡前臨空方向產(chǎn)生緩慢的蠕變性滑移?；泼娴逆i固點(diǎn)或錯(cuò)列點(diǎn)附近，因拉應(yīng)力集中生成與滑移面近于垂直的拉張裂隙，向上（個(gè)別向下）擴(kuò)展，且其方向漸轉(zhuǎn)成與最大主應(yīng)力方向趨于一致（大體平行坡面）并伴有局部滑移?；坪屠炎冃问怯尚逼聝?nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面處自下而上發(fā)展起來(lái)的。C演變過(guò)程卸荷回彈階段：坡體內(nèi)殘余應(yīng)力開(kāi)始釋放，巖層沿緩傾結(jié)構(gòu)面緩回彈滑移，坡面形成齒狀剪出。壓致拉裂面自下而上擴(kuò)展階段：在大致平行坡面的重壓應(yīng)力作用下，拉裂隙端部被壓致拉裂，擴(kuò)展方向逐漸趨向于主壓應(yīng)力方面一致?；泼尕炌A段：隨拉裂面的逐漸貫通，巖體轉(zhuǎn)動(dòng)，變形進(jìn)入破壞階段。陡傾的階狀裂面成為剪應(yīng)力集中帶，陡緩轉(zhuǎn)角處的嵌合體被逐個(gè)剪斷、壓碎、擴(kuò)容，待陡傾裂面與平緩滑移面構(gòu)成貫通性滑面時(shí)，滑坡發(fā)生。3)滑移—拉裂a(bǔ)層狀、塊狀巖體，斜坡中有一潛在傾向坡外滑移面，有效臨空。b演變過(guò)程巖體在重力作用下沿已有滑移面向臨空方向滑移，后部拉裂?；履芊裥纬桑Q于滑面產(chǎn)狀及后緣分隔條件。后緣分割條件成熟時(shí)，滑面的內(nèi)摩擦角小于斜坡角，則滑坡發(fā)生。4）滑移—彎曲a.形成條件中一陡傾外的層狀巖體或薄層狀碳酸鹽巖體斜坡，順層斜坡，滑面傾角大于峰值摩擦角?；泼嫖从行R空，下滑受阻，坡腳附近順層板梁承受縱向壓應(yīng)力，發(fā)生彎曲變形。c.層狀巖體在自重作用下沿外傾結(jié)構(gòu)面蠕變下滑，下部滑移面未臨空，造成坡腳附近順層板梁縱向受壓，在一定條件下彎曲隆起發(fā)展成滑坡。d.輕微彎曲階段：近坡腳部位巖層在縱向壓力下順層彎曲，局部出現(xiàn)壓碎，坡面輕微隆起，巖體松動(dòng)。強(qiáng)烈彎曲、隆起階段：彎曲顯著增強(qiáng)，出現(xiàn)剖面x型節(jié)理，部分巖體垮塌、充填虛脫部位。切出面貫通階段：切出面與滑移面貫通，切出回彈射拋出，形成滑坡。5)彎曲—拉裂(傾倒)a.陡立或陡傾內(nèi)層狀斜坡，坡度中——陡坡。b.變形過(guò)程前緣，巖體在重力作用下向臨空方向作懸臂梁彎曲，單梁的彎曲逐漸向深部發(fā)展。前部彎曲后為后部彎曲提供了空間，逐漸向斜坡后緣逐個(gè)懸臂梁地傳遞，導(dǎo)致斜坡巖體整體彎曲。c.演變過(guò)程卸荷回彈：陡傾面拉裂階段板梁彎曲、拉裂面：向深部擴(kuò)展并向坡后推移階段，如坡度很陡，大多伴有坡緣、坡面局部崩落。板梁根部折裂、壓碎階段：巖塊轉(zhuǎn)動(dòng)、傾倒，導(dǎo)致崩塌。6）塑流—拉裂a(bǔ).形成條件軟弱基座斜坡，上覆厚層堅(jiān)硬巖層。b.變形過(guò)程下伏軟弱基巖在上覆巖層重壓下產(chǎn)生塑性變形，并向臨空方向流動(dòng)而形成塑性擠出。軟巖塑流擠出又導(dǎo)致上覆巖層拉裂。c.演變過(guò)程（1）軟弱基座（近水平），上覆硬巖的拉裂起始于軟弱層的接觸面，軟巖的水平變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)硬巖。前緣可出現(xiàn)局部墜落。隨著上覆坡體的拉斷解體，則發(fā)展為側(cè)向擴(kuò)離，或塊狀滑坡。（2）當(dāng)上覆巖層有一定塑性時(shí)，被下伏呈塑流狀的軟巖載馱的坡體可整體向臨空方向漂移，后緣某處產(chǎn)生拉裂造成陷落帶，形成整體式的側(cè)向擴(kuò)離。四、計(jì)算例題某圓形隧道埋深為450米，開(kāi)挖直徑為3米，巖體容重為26kN/m3,單軸抗壓強(qiáng)度級(jí)抗拉強(qiáng)度分別為60.0MPa和3.0MPa,，試分析下列兩種情況：N=0.3;N=2.5下，隧道開(kāi)挖邊界是否達(dá)到其強(qiáng)度值？如果在上述隧道旁邊再開(kāi)挖另一條隧道，該隧道開(kāi)挖直徑為6m,兩隧道中心線相距10m，中性線位于同一水平面，試評(píng)價(jià)前面兩種應(yīng)力條件下的巖體穩(wěn)定性。補(bǔ)充：1.采用水壓致裂法對(duì)花崗巖體中的應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量。在一個(gè)垂直鉆孔中進(jìn)行了一下兩次試驗(yàn)：一個(gè)實(shí)驗(yàn)深度為500m；另一個(gè)試驗(yàn)深度為1000m深度/m破裂壓力PB/MPa關(guān)閉壓力Ps/MPa50014.08.0100024.516.0假定巖石的抗拉強(qiáng)度為10Mpa，巖石的密度為27kN.m-3,估算并列出這兩個(gè)深度的的σ1、σ2、σ3的值。(提示：對(duì)于豎向裂紋，鉆孔應(yīng)力集中可以用Kirsch方程估算（巖石線彈性假設(shè)），圓孔應(yīng)力集中破裂壓力方程：水壓致裂法的假定：一個(gè)主應(yīng)力為垂直方向；垂直應(yīng)力由覆巖自重引起；裂紋在鉛垂面上形成；巖石不具有滲透性（快速實(shí)驗(yàn)）；鉆孔周圍的應(yīng)力集中可以用Kirsch方程估算（巖石線彈性的假定）。解：應(yīng)用柯西解求解平面應(yīng)變條件下圓形洞室的問(wèn)題，確定隧道邊界圍巖的穩(wěn)定性。該隧道無(wú)支護(hù)壓力、又無(wú)其它內(nèi)部壓力，開(kāi)挖邊坡邊界的巖體為單軸應(yīng)力狀態(tài)。即，，環(huán)向應(yīng)力的柯西解為：隧道邊界出代入上式，可得假定隧道垂直應(yīng)力等于上部巖體重量，（1）二次應(yīng)力的極值位置與原巖最大主應(yīng)力有關(guān)。計(jì)算隧道頂拱和仰拱的二次應(yīng)力，，側(cè)壁的二次應(yīng)力，N=0.3：環(huán)向應(yīng)力分別為-1.17MPa,和31.59MPaN=2.5，環(huán)向應(yīng)力分別為76.05MPa,和5.85MPa頂?shù)壮^(guò)巖體單軸抗壓強(qiáng)度為60.0Mpa在第二條隧道開(kāi)挖后，可多次利用柯西解來(lái)求解問(wèn)題的近似解。分析開(kāi)挖隧道是否在另一條隧道的影響區(qū)內(nèi)。求解問(wèn)題的近似解靜水式壓力影響區(qū)，第一隧道：1.5=6.7m，第二隧道：3.0=13.4m，兩隧道的中心距為10米，第一隧道在第二隧道的影響區(qū)域內(nèi)，第二條不在第一條的影響范圍內(nèi)，即第二隧道邊界上的二次應(yīng)力可直接求出，第一條隧道只能采用近似解。中心距10米，同一水平線上，r=10m,,第二隧道r=3m,N=0.3,MPa,MPa,剪應(yīng)力為0，對(duì)第一隧道MPa,.頂點(diǎn)應(yīng)力值：0.1MPa側(cè)壁應(yīng)