工程地質(zhì)學(xué)課件

1/49,第七章巖石和巖體的工程性質(zhì),第二節(jié)巖體及巖體結(jié)構(gòu),第三節(jié)巖體的主要力學(xué)性質(zhì),主要內(nèi)容,第五節(jié)巖體穩(wěn)定性分析,第一節(jié)巖石的工程性質(zhì),第四節(jié)巖石和巖體的工程分類,2/49,第一節(jié)巖石的工程性質(zhì),1.巖石工程性質(zhì)的常用指標(biāo)物理性質(zhì)(physicalproperties)重度（密度）(unitweight)：巖石單位體積的重力（質(zhì)量）。有干重度、濕重度和飽和重度之分。比重(相對(duì)密度)(specificgravity)：固體巖石的重力（質(zhì)量）與同體積水在4C時(shí)重力（質(zhì)量）的比值?？障堵?porosity)：巖石中空隙的體積與巖石總體積的比值。,3/49,吸水率：常壓條件下，巖石吸入水分的質(zhì)量與干燥巖石質(zhì)量之比。飽水率：高壓或真空條件下，巖石吸入水分的質(zhì)量與干燥巖石質(zhì)量之比。飽水系數(shù)：巖石的吸水率與飽水率的比值。其值越大，巖石的抗凍性越差。,水理性質(zhì),4/49,軟化性：指巖石在水的作用下強(qiáng)度降低的性質(zhì)。軟化系數(shù)(softeningcoefficient)為巖石在飽水狀態(tài)下的極限抗壓強(qiáng)度與風(fēng)干狀態(tài)下強(qiáng)度之比。0.75是強(qiáng)軟化的巖石，工程性質(zhì)較差。滲透性(permeability)：指巖石允許水透過(guò)的能力。溶解性(dissolubility)：指巖石溶解于水的性質(zhì)?？箖鲂?frostresistance)：指巖石抵抗冰劈作用的能力.抗壓強(qiáng)度降低率(2025)的巖石是抗凍的。崩解性(disintegration)：指黏土質(zhì)巖石吸水膨脹的性質(zhì)。,5/49,力學(xué)性質(zhì),強(qiáng)度指標(biāo)：抗壓強(qiáng)度(compressivestrength)：巖石單向受壓時(shí)抵抗破壞的能力?？估瓘?qiáng)度(tensilestrength)：巖石單向受拉時(shí)抵抗破壞的能力?？辜魪?qiáng)度(shearstrength)：巖石抵抗剪切破壞的能力。,6/49,抗剪強(qiáng)度可分為以下三種強(qiáng)度：(a)抗剪斷強(qiáng)度：在垂直壓力作用下的巖石剪切強(qiáng)度。(b)抗剪強(qiáng)度：沿著已有的破裂面發(fā)生剪切時(shí)的強(qiáng)度。(c)抗切強(qiáng)度：壓應(yīng)力等于零時(shí)的剪切強(qiáng)度。,圖71巖石的三種抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),7/49,變形指標(biāo)彈性模量(modulusofelasticity)：是應(yīng)力與彈性應(yīng)變的比值。變形模量(modulusofdeformation)：是應(yīng)力與總應(yīng)變的比值。泊松比(poissonratio)：是橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變比值。,8/49,2.影響巖石工程性質(zhì)的因素內(nèi)部因素（巖石的地質(zhì)特征）礦物成分結(jié)構(gòu)構(gòu)造外部因素水的作用風(fēng)化作用,9/49,3.巖石的工程性質(zhì)評(píng)述巖漿巖深成侵入巖具結(jié)晶結(jié)構(gòu)，晶粒粗大均勻，力學(xué)強(qiáng)度高。一般是良好的建筑地基和天然建筑石材。但由于多種礦物結(jié)晶組成，抗風(fēng)化能力較差。淺成侵入巖特別是脈狀巖體穿插于不同的巖石中，易蝕變風(fēng)化，使其強(qiáng)度降低、透水性增大。噴出巖若具有氣孔構(gòu)造、流紋構(gòu)造及發(fā)育有原生裂隙，透水性較大。多呈巖流狀產(chǎn)出，巖體厚度小，巖相變化大，對(duì)地基均一性和穩(wěn)定性影響大。,10/49,沉積巖火山碎屑巖由細(xì)小火山灰組成，水理性質(zhì)差。沉積碎屑巖受膠結(jié)物成分和膠結(jié)類型影響顯著。黏土巖浸水后易軟化和泥化，還可能有膨脹性。對(duì)工程極為不利，但可作隔水層和防滲層?；瘜W(xué)巖和生物化學(xué)巖具不同程度的可溶性，易滲漏。,11/49,變質(zhì)巖工程性質(zhì)與其原巖密切相關(guān)。動(dòng)力變質(zhì)巖的力學(xué)強(qiáng)度和抗水性均較差。片理構(gòu)造使巖石具有各向異性特征。,12/49,巖石（Rock）:具一定結(jié)構(gòu)構(gòu)造的礦物集合體。巖體（Rockmass）：包含各種結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)體。巖體的工程性質(zhì)首先取決于結(jié)構(gòu)面的性質(zhì),其次才是組成巖體的巖石性質(zhì)。,第二節(jié)巖體及巖體結(jié)構(gòu),13/49,巖體結(jié)構(gòu)(rockmassstructure)=結(jié)構(gòu)面(structuralplane)+結(jié)構(gòu)體(structuralelement),14/49,結(jié)構(gòu)面：存在于巖體中的各種地質(zhì)界面。分為：,15/49,巖體中的軟弱夾層,16/49,結(jié)構(gòu)面特征形態(tài)、平整光滑度張開度和充填程度連通性密集程度產(chǎn)狀和組數(shù)規(guī)模,17/49,結(jié)構(gòu)體類型,圖72結(jié)構(gòu)體的類型(a)方柱（塊）體；(b)菱形柱體；(c）三棱柱體；(d)楔形體；(e)錐形體;(f)板狀體;(g)多角柱體;(h)菱形塊體,18/49,巖體結(jié)構(gòu)類型及工程性質(zhì)整體結(jié)構(gòu)：整體強(qiáng)度高,完整性好。塊狀結(jié)構(gòu)：整體強(qiáng)度高。層狀結(jié)構(gòu)：強(qiáng)度和變形特性具各向異性特點(diǎn)。碎裂結(jié)構(gòu)：巖體完整性破壞大。散體結(jié)構(gòu)：工程性質(zhì)差。,19/49,第三節(jié)巖體的主要力學(xué)性質(zhì),變形特性,變形模量,彈性模量,圖75應(yīng)力應(yīng)變曲線,圖76巖石的彈性變形,20/49,蠕變(creep):在一定應(yīng)力下,變形隨時(shí)間持續(xù)增長(zhǎng)。松弛(relaxation):在變形保持一定時(shí),應(yīng)力隨時(shí)間逐漸減小。,流變性:指在恒定條件下，應(yīng)力或變形隨時(shí)間而變化的特性。,圖78不同應(yīng)力條件下巖體的蠕變曲線,21/49,強(qiáng)度特性,最主要是抗剪強(qiáng)度,圖712巖體抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線1結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度線；2巖塊強(qiáng)度線；3巖體強(qiáng)度包絡(luò)線變化范圍,22/49,第四節(jié)巖石和巖體的工程分類,1.巖土工程勘察規(guī)范(GB500212001)根據(jù)巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Rc劃分巖石的堅(jiān)硬程度:,5,15,30,60,Rc,極軟巖,軟巖,較軟巖,較堅(jiān)硬巖,堅(jiān)硬巖,23/49,2.巖土工程勘察規(guī)范(GB500212001)根據(jù)巖體的完整性指數(shù)劃分巖石的完整程度:,0.15,0.35,0.55,0.75,完整性指數(shù),極破碎,破碎,較破碎,較完整,完整,巖體壓縮波速度與巖塊壓縮波速度之比的平方,24/49,3.巖土工程勘察規(guī)范(GB500212001)根據(jù)巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度綜合分五個(gè)巖體基本質(zhì)量等級(jí):,25/49,4.巖土工程勘察規(guī)范(GB500212001)根據(jù)巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD分類：,RQD值是用直徑為75mm的金剛石鉆頭和雙層巖芯管在巖石中鉆進(jìn)，連續(xù)取芯，回次鉆進(jìn)所取巖芯中，長(zhǎng)度大于10cm的巖芯段長(zhǎng)度之和與該回次進(jìn)尺的比值，以百分?jǐn)?shù)表示。,26/49,巖體穩(wěn)定分析方法地質(zhì)分析類比法巖體結(jié)構(gòu)分析法巖體穩(wěn)定分類法數(shù)值模擬計(jì)算法地質(zhì)模擬試驗(yàn)法,第五節(jié)巖體穩(wěn)定性分析,27/49,巖體穩(wěn)定性與分析,主要影響因素：區(qū)域穩(wěn)定性巖體結(jié)構(gòu)邊界條件（臨空面、滑動(dòng)面、切割面）荷載類型、大小和方向工程類別,28/49,主要影響因素：剪切滑移破壞張拉破壞壓縮破壞彎折破壞,巖體破壞方式,29/49,邊坡巖體穩(wěn)定性分析力學(xué)計(jì)算法單平面滑動(dòng)：1)無(wú)滲流時(shí)2)有滲流時(shí)折線滑面:滑坡推力法2.圖解法(赤平投影法),30/49,一、高層建筑巖基穩(wěn)定性分析,沿基底面：,沿砂層面OI：,1、在風(fēng)荷載下的抗傾覆計(jì)算,圖713巖體結(jié)構(gòu)剖面及穩(wěn)定性計(jì)算示意,31/49,2、巖體(ABC)的穩(wěn)定性計(jì)算,圖714隔離體ABD和BCD受力圖,32/49,二、邊坡巖體穩(wěn)定性分析,結(jié)構(gòu)分析圖解法赤平極射投影,圖715赤平極射投影原理,圖716,圖717,33/49,表712,34/49,(一)一組結(jié)構(gòu)面的分析1.結(jié)構(gòu)分析當(dāng)巖層（結(jié)構(gòu)面）的走向與邊坡的走向一致時(shí)：邊坡的投影為弧AMCJ1與坡面AC傾向相反，邊坡穩(wěn)定。J2與坡面AC傾向相同，但其傾角大于邊坡傾角，邊坡基本穩(wěn)定。J3與坡面AC傾向相同，但其傾角小于邊坡傾角，邊坡不穩(wěn)定。,圖720一組結(jié)構(gòu)面與赤平極射投影圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系,35/49,當(dāng)巖層(結(jié)構(gòu)面)的走向與邊坡的走向斜交時(shí)，若邊坡的穩(wěn)定性發(fā)生破壞，從巖體結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)來(lái)看，必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：第一邊坡穩(wěn)定件的破壞一定是沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生的；第二必須有一個(gè)直立的并垂直于結(jié)構(gòu)面的最小抗切面(c)DEK，結(jié)構(gòu)面與最小抗切面就組合成不穩(wěn)定體ADEK。,圖721最小抗切面DEK,36/49,如已知結(jié)構(gòu)面走向?yàn)镹W280，傾向SW，傾角50，與邊坡斜交。邊坡走向?yàn)镹W310，傾向SW。求穩(wěn)定坡角。,圖722用赤平投影求邊坡坡角,37/49,當(dāng)結(jié)構(gòu)面走向與邊坡走向成直交時(shí)，穩(wěn)定坡角最大，可達(dá)90；當(dāng)結(jié)構(gòu)面走向與邊坡走向平行時(shí)，穩(wěn)定坡角最小，即等于結(jié)構(gòu)面的傾角。,圖723結(jié)構(gòu)面走向與邊坡走向成直交,圖724結(jié)構(gòu)面走向與邊坡走向平行,38/49,2.力學(xué)討論,巖體穩(wěn)定安全系數(shù),滑動(dòng)面上巖體的粘聚力,滑動(dòng)面上巖體的內(nèi)摩擦角,K1時(shí)，滑動(dòng)體高度hv為,圖725一組滑動(dòng)面的力學(xué)分析,39/49,作圖求極限穩(wěn)定坡角,某一不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面AB的傾角為，需要開挖的深度為H，在不穩(wěn)定面AB上選C點(diǎn)作垂線CD，恰好使CD等于滑動(dòng)體極限高度hv，聯(lián)結(jié)AD，即為所求的開挖邊坡線，它與水平線的夾角，即為求得的極限穩(wěn)定坡角。,圖726作圖求穩(wěn)定坡角,40/49,（二）二組結(jié)構(gòu)面的分析,1.結(jié)構(gòu)分析a屬最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)b屬穩(wěn)定結(jié)構(gòu)c屬較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)d屬較不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)e屬于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu),圖727用赤平投影分析邊坡穩(wěn)定條件ns天然邊坡；cs人工開挖邊坡,41/49,兩組結(jié)構(gòu)面組成的邊坡的穩(wěn)定坡角的推斷：,圖728,42/49,2.力學(xué)討論,楔形體的體積,楔形體的重力,兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的面積,令,穩(wěn)定系數(shù),極限滑動(dòng)體高度為,圖729,43/49,3.巖體滑動(dòng)方向的分析,若結(jié)構(gòu)面的交線CO在兩傾向線之間（圖a），則組合交線CO為滑動(dòng)方向。這時(shí)兩組結(jié)構(gòu)面都是滑動(dòng)面。若結(jié)構(gòu)面的交線和一根傾向線重合，(圖b）中CO與AO重合，則傾向線AO就是滑動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)方向。這時(shí)，結(jié)構(gòu)面M1是主要滑動(dòng)面，而結(jié)構(gòu)面M2則為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體滑動(dòng)時(shí)摩阻力較小的依附面。若結(jié)構(gòu)面的交線CO在兩個(gè)傾向線之外，則其中一條傾向線為滑動(dòng)方向。(圖c）中AO是滑動(dòng)線，即沿結(jié)構(gòu)面M1的傾向線滑動(dòng)，這時(shí)，結(jié)構(gòu)面M2僅起切割面的作用。,圖730楔形滑移體滑動(dòng)方向分析,44/49,復(fù)習(xí)思考題1.什么是巖石飽水系數(shù)？2.說(shuō)明巖石軟化系數(shù)的物理意義。3.巖石的抗剪強(qiáng)度可分為哪幾種？4.說(shuō)明影響巖石工程性質(zhì)的因素有哪些？5何謂巖體？試說(shuō)明巖體與巖石的區(qū)別。6什么叫結(jié)構(gòu)面？結(jié)構(gòu)面的主要特征有哪些？7按成因，結(jié)構(gòu)面可劃分為哪幾種類型？研究結(jié)構(gòu)面有何工程意義？8.什么叫結(jié)構(gòu)體？常見的結(jié)構(gòu)體的形狀有哪幾種？9何謂巖體結(jié)構(gòu)？巖體結(jié)構(gòu)有哪些主要類型？它們的特征如何？研究巖體結(jié)構(gòu)有何工程意義？,45/49,10.巖體的變形有何特點(diǎn)？何謂巖體的流變性？11.巖體的強(qiáng)度受什么控制？巖體的剪切破壞有幾種情況？12.巖石和巖體按巖土工程勘察規(guī)范有幾種分類方法？如何進(jìn)行分類？13.巖體的穩(wěn)定性分析主要有哪些方法？各自有何特點(diǎn)？14高層建筑地基巖體穩(wěn)定性分析的內(nèi)容是什么？15.巖體穩(wěn)定性破壞必備的邊界條件是什么？16試說(shuō)明巖體穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)分析的基本步驟。17如何根據(jù)赤平極射投影對(duì)具有一組結(jié)構(gòu)面和兩組結(jié)構(gòu)面的邊坡巖體進(jìn)行穩(wěn)定性分析?,46/49,1已知兩結(jié)構(gòu)面J1和J2的產(chǎn)狀如下表所示,試作此兩結(jié)構(gòu)面的赤平極射投影，并求其交線的傾向和傾角。,作業(yè)題,2.坡角為45，坡面走向?yàn)镹W315，傾向NE的閃長(zhǎng)巖高岸坡。坡體內(nèi)發(fā)育兩組斷層。一組斷層走向NW345，傾向NE，傾角30。另一組斷層走向EW，傾向N，傾角25。要求：（1）作赤平極射投影圖表示兩組斷層與岸坡的關(guān)系。（2）分析岸坡的穩(wěn)定性。,47/49,3.已知兩結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和設(shè)計(jì)邊坡的走向、傾向見表。用赤平極射投影法求邊坡穩(wěn)定坡角。,4.某路段輝長(zhǎng)巖體岸坡處有一順坡向傾斜的斷層AC，其傾斜角度為32，斷層面以上坡高h(yuǎn)15米。斷層帶中夾泥層。有關(guān)力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表所列。試求：（1）邊坡在天然情況下和飽和情況下的穩(wěn)定性；（2）考慮地震作用和其它地質(zhì)條件改變等因素，取用安全系數(shù)為1.25時(shí)，邊坡的極限穩(wěn)定高度是多少？,作業(yè)4附圖,48/49,5.已測(cè)得某邊坡上，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀見表,請(qǐng)用赤平極射投影法求：（1）結(jié)構(gòu)面走向線與組合交線的夾角。（2）結(jié)構(gòu)面走向與邊坡走向線的夾角。,若路塹開挖深度H20米，兩個(gè)結(jié)構(gòu)面在邊坡上的出露寬度AC25米，此兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的摩擦角分別為22和17，粘聚力分別為8kPa和10kPa，巖石容重為25kN/m3。試求滑動(dòng)體的穩(wěn)定安全系數(shù)。,作業(yè)5附圖,49/49,6.有一