岩土体结构的工程地质研究.ppt

1、第四章 岩土体结构的工程地质研究,岩体：,第1节 岩土体结构的相关概念,是指工程影响范围内的岩石综合体。,组成岩体基本单元：结构体+结构面。,2.结构面 结构面是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸（或具有一定厚度）的地质界面（带）。如岩层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面。,3. 结构体：岩体中被结构面切割而成的岩石块体。,岩体结构特征的研究意义 岩体的结构特征是指岩体中结构面和结构体的形状、规模、性质及其组合关系的特征。 岩体结构特征常常决定岩体变形行为和破坏特征 岩体结构控制论 最关键的是研究各类结构面的分布规律、发育密度、

2、表面特征、连续特征以及它们的空间组合形式等。,不同类型的岩体结构单元在岩体内的排列、组合形式， 称为岩体结构,第2节 结构面成因类型及自然特征,一、结构面的基本类型,内动力 形成的,层理、 层面、 沉积间 断面、 沉积软 弱夹层,侵入体与围岩的接触面、 火山熔岩层面、 冷凝节理,变余层 理、 片理,构造节理、 断层、 劈理、 层间错动面,风化裂隙、 卸荷裂隙、 爆破裂隙、 次生充填软弱夹层,泥化夹层,二、结构面的特征与描述,1.方位：结构面的产状 2.密集程度：裂隙度K=n/L; d=1/K=L/n 线密度Kd=n/L； d=1/K=L/n 3.结构面形态：起伏形态，起伏角，粗糙度、结构面形态

3、类型：,粗糙度系数JRC的确定方法,4.连续性： a.线连续性系数K1 b.面连续性系数Xe （面切割度） c.迹长,5.结构面的充填物,a.胶结充填物成分对结构面力学性质的影响：,铁硅质胶结强度高； 钙质胶结强度较差； 黏土、泥质胶结强度最差。,薄膜充填：厚度小于1mm、受侧壁力学特征的控制； 断续充填：厚度小于起伏、强度与充填物和结构面有关； 连续充填：厚度稍大于起伏、强度取决于充填物。 厚层充填：厚度远大于起伏、强度取决于充填物、易滑移,b.胶结充填物厚度对结构面力学性质的影响：,6.结构面的张开度,7.块体大小： 它们的基本形状有块状、柱状、板状、菱形、楔形及锥形等六种。有时由于岩体强

4、烈变形和破坏，也可形成片状、碎块等形状。一般板状、柱状结构体的稳定性比块状结构体差，锥形、楔形结构体当具有临空条件时稳定性很差。,8.节理组数：节理组数的多少，决定了岩石块体的大小及岩体的结构类型。四等级：不发育，较发育，发育，很发育 9.结构面侧壁强度：它可以反映结构面经受风化的程度，可用施密特回弹仪或点荷载仪测定节理壁的强度。 10.结构面内的渗流：结构面内有无渗流及流量的大小，对结构面的力学性质、有效应力的大小及施工的难易程度均有重要的影响,三、结构面分级 发育程度和规模分级：,四、岩体的结构类型,划分依据 ： 岩体完整性、 结构体的形状、 结构面的发育程度、 间距大小 岩体划分类型：

5、整体、块状结构 层状结构 碎块状结构 散体状结构,整体结构,块状结构,层状结构,碎裂结构,散体结构,第3节 岩土体力学特性,二、岩体的变形特征,一、岩石的主要物理力学性质指标,五、岩体的强度特征,四、岩体破坏的方式与机制,三、岩体的流变特性,一、岩石的主要物理力学性质指标,1.密度和重度 密度：单位体积的质量（）（g/cm3） 重度：单位体积的重量（r）。（N/cm3） 2.相对密度（比重） 颗粒密度：单位体积固位颗粒的质量（ ）。（g/cm3） 比重（相对密度）：单位体积固体颗粒的重力与4时同体积水的重力之比（Gs）。,（一）岩石物理性质指标,一、岩石的主要物理力学性质指标,3.孔隙率 孔隙

6、率（度） ：孔隙体积与岩石总体积之比（n）。 孔隙比：孔隙体积与岩石中固体颗粒体积之比（e）。 孔隙率越大-力学性质越差 实际的颗粒细孔隙率大-吸附电荷有关 4.吸水率和饱和吸水率 吸水性：指岩石吸收水的性能。其吸水程度用吸水率表示。 吸水率:（常压条件下）吸入水量与干燥岩石重量之 比。反映孔隙和细裂隙的多少及其连通性 抗冻性和风化程度指标 饱水率：（150个大气压下或真空）吸入水量与干燥 岩石重量之比。抗冻性 饱水系数：岩石吸水率与饱水率之比。,一、岩石的主要物理力学性质指标,1.抗压强度（烘干、垂直结构面受压、单轴） 试样尺寸： 吸水后岩石强度降低 软化系数0.75 强软化，抗水、风化、冻

7、低 2.抗剪强度 （1）抗剪断强度 （2）摩擦强度 （3）抗切强度,（二）岩石力学性质指标,一、岩石的主要物理力学性质指标,一、岩石的主要物理力学性质指标,3.岩石的变形参数 变形：岩石受力后发生形状改变的现象。主要由变形和泊松比 表示。 2. 泊松比：横向应变 与纵向应变 之比,返回,.过C点-产生应力降-岩体进入 全面的破坏阶段。,二、岩体的变形特征,岩体变形=坚硬岩石+软弱结构面变形 下图：应力应变曲线，,岩体,o,四个阶段：,.OA段-凹状缓坡-节理 压密闭合造成的,.AB段-结构面压密后的弹性变形 阶段；,.BC段-曲线形-岩体已产生 微破裂或塑性变形,C点的应力值就是岩体的峰值强度

8、,变形模量和弹性模量：,应力-变形的关系曲线通常有下列四种类型： 直线型 上凹型 上凸型 复合型,应力大小-岩体的蠕变曲线特征不同：,三、岩体的流变特性,应力（变形）时间变化的性质,外 部 条 件 不 变,流变性：,蠕变、松弛,两种表现形式：,1松弛 变形恒定； 应力-时间 2蠕变 应力恒定； 变形-时间,变形,变形速率!,最后趋于稳定,2）,1）.,变形,最后趋于破坏,可分为三个阶段：,初始蠕变阶段 等速蠕变阶段 加速蠕变阶段,3. 影响因素： 应力温度加载速率湿度,（1）初始蠕变阶段 （2）等速蠕变阶段 （3）加速蠕变阶段,4长期强度 岩体收到长期应力作用超过某一临界值才经过发展蠕变至破坏

9、,四 、岩体破坏的方式与机制,3-4阶段：,1.线性阶段-比例极限强度,2.微裂隙出现 屈服极限,3.加速位移 极限强度（峰值强度）,4.残余强度,脆性破坏、塑性破坏型：,剪应力剪位移曲线,重点介绍结构面的抗剪强度,五、岩体的强度特征,完全剪断岩石时,岩体沿结构面产生剪切滑动,强度最低，,强度最高，,岩体的抗剪强度,一般情况: 岩体的抗剪强度的包络线不是一条简单的曲线， 而是有一定上下限的曲线族。,（一）平直光滑 无充填结构面的抗剪强度,帕顿(FDpatton，1966)、 理想化石膏模型试验： 在法向应力()+剪应力()， 锯齿凸起面上：法向应力( ) 剪应力（ ）为：,2）较大时，将限制试

10、块沿齿向上滑动，使锯齿在剪应力作用下被剪断。这时，结构面的抗剪强度不单取决于剪切面的摩擦阻力，而主要是由锯齿的岩石强度决定,1）设产生滑动时，服从库伦强度条件， 较小时，则可推导出结构面的抗剪强度为,（二）粗糙起伏无充填结构面的抗剪强度,式中： -结构面上的正应力； -岩石的基本摩擦角； JCS(JointCompressineStrength)-结构面两壁岩石的抗压强度； JRC(JointRoughnessCoefficient)-结构面的粗糙系数；,（三）粗糙起伏无充填结构面的抗剪强度巴顿公式,峰值抗剪强度,1973,巴顿(Barton),大量试验资料,（四）有充填结构面的抗剪强度,影响

11、因素：充填物的成分、粒度、结构、厚度、充填程度,基本规律：反比于粘粒含量增加，粒度小 ，充填度增加 当充填度=200% 结构面摩擦系数稳定,充填度=t/h,第4节 土结构和构造的工程地质研究,岩石风化未经搬运而残留在原来位置的松散物。 （一）其特点： 位置： 基岩风化壳的上部， 则渐变为半风化的半坚硬岩石 成分、颜色：和下覆基岩有一定关系 粒度： 上部颗粒一般较细，多为黏性土、粉土等 向下逐步过渡为砂和角砾。 分选磨圆： 未经磨损，大小混杂，无层理， 界线： 与下伏基岩没有明显界线， 是逐渐过渡变化的。,土不同成因,特定的结构构造,工程地质特征不同,一、残积层(Qel),总体上来说，残积层的工

12、程地质性质变化较大，加之地形影响，工程中少有大面积用作天然地基。,不同的气候区不同的残积层具有不同的工程地质性质,（二）影响因素,物质成分、风化作用：,气候条件,密切关系,干旱地区：,物理风化为主,粗碎屑土和砂土-具有砂类土的特征,半干旱地区：,气候潮湿：,物理+化学风化,硅铝酸盐-次生黏土矿物,雨量少，蒸发大，水溶液呈碱性,含可溶盐， 形成蒙脱石矿物,易形成水云母，,（三）力学特征,气候条件、基岩性质密切相关,成分和性质变化很大,工程性能差别也很大,* 勘察时要查明其厚度和物理力学性质,斜坡浅表部坡积松散碎石，有一定的分选,（一）形成：,二、坡积层(Qdl),水和重力作用将山坡的物质 (风化

13、残积物)搬运或崩塌在 斜坡下部较低洼地带堆积而成。,（二）其特点是：,在陡坡的坡”麓形成上部细粒、 下部粗粒的半圆锥体地形,稍具分选，从坡顶到坡角颗粒有逐渐变细的规律；,颗粒无磨圆，略呈层理或无层理结构疏松;,由重力作用发生崩塌而堆积在陡坡卞的物质，称为崩积物(Qcol)。,岩堆,体积大或容重大的滚得远，,体积小或容重小的滚得近，,当机场位于坡积层时，应查明其厚度及物理力学性质； 正确评价建筑物的稳定性问题。,（三）影响因素：,自然环境不同,其厚度、物质成分和结构变化很大,工程地质性质变化也大,常具较高的孔隙度，容重小,（四）特征,潮湿时具有较大的压缩性和崩解性，透水性小， 抗剪强度较其他成因

14、的低；,同时坡积物易沿斜坡发生滑动，尤其是在坡积物中 开挖路堑和基坑时，常发生滑坡。,三、洪积层(QPl),（一）成因：,（二）洪积物的特点是：,（三）其工程地质性质： 近山口：粗巨粒土的孔隙度和透水性都很大，压缩性小，承载力大 远离山口：砂、粉土和黏性土，其透水性小，压缩性大。,山麓坡积洪积裙 山前洪积冲积倾斜平原,山区暴雨后,洪水携带大量碎屑在山间河谷或山前平原地带形成的堆积物,常发育在干旱、半干旱地区，,形成环境：,形成地貌：,形成地点：,多在山间河谷形成洪积扇，与坡积物交互沉积在一起,近山区,分选不好的巨粒、粗粒土,远处,分选性较好的细碎屑和黏性土,其磨圆度与搬运距离有关 有斜交层理或透镜体。,四、冲积层(Qal),（一）形成,由河流所携带的物