岩土工程教研室课件系列之工程地质学

1、岩土工程教研室课件系列之工 程 地 质 学天津城市建设学院土木工程系工程地质学目录1.绪论2.岩石的成因类型及其工程地质特征3.地质构造及其对工程的影响4.土的工程性质与分类5.地下水6.不良地质现象的工程地质问题7.工程地质原位测试8.工程地质勘察7.工程地质原位测试工程地质试验方法室内实验现场原位测试原位测试：在岩土体原有的位置上，在保持岩土的天然结构、天然含水量以及天然应力状态条件下测定岩土性质。土体原位测试：一般指的是在工程地质勘察现场，在不扰动或基本不扰动土层的情况下对土层进行测试，以获得所测土层的物理力学性质指标及划分土层一种土工勘察技术。7.工程地质原位测试工程地质试验方法室内实

2、验现场原位测试室内试验有不足之处：饱和软土层，受到不同程度的扰动；某一深度样，应力状态发生了很大的变化；试验设备性能及操作上的误差；饱和状态的砂质粉土和砂土根本取不上原状试样。 所以，为了取得准确可靠的力学计算指标，在工程地质勘察中，必须进行一定的、相应数量的现场原位测试。7.工程地质原位测试原位测试优点：(1)可以测定难以取得不扰动土样(如饱和砂土、粉土、流塑淤泥及淤泥质土层等)的有关工程力学性质；(2)可以避免取样过程中应力释放的影响，(3)原位测试的土体影响范围远比室内试验大(4)可大大缩短地基土层勘察周期。自钻式旁压仪7.工程地质原位测试原位测试不足之处：各种原位测试都有其适用条件，使

3、用不当则会影响其效果；有些原位测试所得参数与土的工程力学性质问的关系往往是建立在统计经验关系上；另外，影响原位测试成果的因素较为复杂，使得对测定位的准确判定造成一定的困难；还有，原位测试中的主应力方向往往与实际岩土工程中的主应力方向并不致等。 因此，土的室内试验与原位测试，两者各有其独到之处，在全面研究土的各项性状中，两者不能偏废，而应相辅相成。7.工程地质原位测试工程地质原值测试的主要方法有：静力载荷试验、触探试验、剪切试验、地基土动力特性试验、现场渗透试验等。 以实际结构物为对象在现场工程地质条件下按初步设计的荷载条件进行试验，称之为原型试验。7.工程地质原位测试土体原位测试方法 可以归纳

4、为下列两类： (1)土层剖面测试法：主要包括静力触探、动力触探、扁铲松胀仪试验及波速法等。 土层剖面测试法具有可连续进行、快速经济的优点。 (2)专门测试法：主要包括载荷试验、旁压试验、标准贯入实验、抽水和注水试验、十字板剪切试验等。 土的专门测试法可得到土层中关键部位土的各种工程性质指标，精度高，测试成果可直接供设计部门使用。其精度超过室内试验的成果。7.工程地质原位测试土体原位测试的应用根据不同的测试方法，其应用可归纳为：（1）土层土类划分；（2）求天然地基承载力；（3）测定土的物理力学性质指标；（4）在桩基勘察中的应用；（5）评价砂土和粉土的地震液化；（6）求解土的固结系数、渗透系数及不

5、排水抗剪强度等；（7）检验压实填土的质量及强夯效果；（8）进行浅基础的沉降计算；（9）其它。7.工程地质原位测试静力载荷试验的基本原理和意义7.1静力载荷试验 静力载荷试验就是在拟建建筑场地上，在挖至设计的基础埋置深度的平整坑底放置一定规格的方形或圆形承压板，在其上逐级施加荷载，测定相应荷载作用下地基土的稳定沉降量，分析研究地基土的强度与变形特性，求得地基土容许承载力与变形模量等力学数据。7.工程地质原位测试静力载荷试验的基本原理和意义7.1静力载荷试验 静力载荷试验实际上是一种与建筑物基础工作条件相似，而且直接对天然埋藏条件下的土体进行的现场模拟试验。所以，对于建筑物地基承载力的确定，比其他

6、测试方法更接近实际；当试验影响深度范围内土质均匀时，用此法确定该深度范围内土的变形模量也比较可靠。7.工程地质原位测试静力载荷试验的基本原理和意义7.1静力载荷试验p-s曲线，三个阶段：第I阶段，从p-s曲线的原点到比例界限压力p0(临塑压力)。直线变形阶段。也称压密阶段。第II阶段：从临塑压力p0到极限压力pu，p一s曲线由直线关系转变为曲线关系，局部剪切阶段。第III阶段：极限压力pu以后，沉降急剧增加。破坏阶段。0spp0puabc7.工程地质原位测试静力载荷试验的基本原理和意义7.1静力载荷试验静力载荷试验可用于下列目的： 确定地基土的临塑荷载p0、极限荷载pu，为评定地基土的承载力提

7、供依据； 估算地基土的变形模量Eo、不排水抗剪强度cu和基床反力系数K。百分表百分表千斤顶千斤顶堆重排钢梁木垛载荷板载荷板钢梁（各由两个地锚锚住）地锚(a)堆重千斤顶式(b)地锚千斤顶式7.工程地质原位测试静力载荷试验的装置7.1静力载荷试验承压板：方形或圆形；加荷装置：压力源（重物加荷、油压千斤顶反压加荷）、荷载台架（反力架）；沉降观测装置：百分表、沉降传感器、水准仪等。7.工程地质原位测试7.1静力载荷试验1、地基土平板载荷试验可适用于确定地基土层的承压板下应力主要影响范围内的承载力。承压板面积不应小于0.25m2，对于软土不应小于0.5m2。2、试验基坑宽度不应小于承压板宽度或直径的三倍

8、。应保持试验土层的原状结构和天然湿度。宜在拟试压表面用粗砂或中砂层找平，其厚度不超过20mm。3、加荷等级不应少于8级。最大加载量不应小于设计要求的两倍。4、每级加载后,按间隔10、10、10、15、15min，以后为每隔半小时测读一次沉降量，当在连续两小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，则认为已趋稳定,可加下一级荷载。5、当出现下列情况之一时，即可终止加载：（1）承压板周围的土明显地侧向挤出；（2）沉降S急骤增大，荷载-沉降(P-S)曲线出现现陡降段；（3）在某一级荷载下，24小时内沉降速率不能达到稳定；（4）沉降量与承压板宽度或直径之比大于或等于0.06。当满足前四种情况之一时，其对应

9、的前一级荷载定为极限荷载。静力载荷试验的基本技术要求主要有以下四种应用：确定地基土的承载力根据p-s曲线，按下列方法综合考虑。(1)强度控制法（拐点法）直线段的拐点所对应的压力p在饱和软土地基中p-s曲线拐点往往不明显。可用lgp-lgs曲线或p- 曲线上的转折点所对应的压力即为比例界限压力或临塑压力p0。7.工程地质原位测试7.1静力载荷试验静力载荷试验资料的应用及其有关问题7.工程地质原位测试7.1静力载荷试验静力载荷试验资料的应用及其有关问题7.工程地质原位测试7.1静力载荷试验静力载荷试验资料的应用及其有关问题（2）相对沉降控制法 s/b=0.01-0.015，沙土；s/b=0.02，

10、高压缩性土。（3）极限荷载法 若p0、pu接近，则地基承载力=pu/k7.工程地质原位测试7.1静力载荷试验静力载荷试验资料的应用及其有关问题地基土的变形模量估算地基土的不排水抗剪强度（自己看书）估算地基土基床反力系数k（自己看书）7.工程地质原位测试7.1静力载荷试验桩载荷试验单桩水平载荷试验地基土水平载荷试验其它类型的载荷试验7.工程地质原位测试7.2静力触探试验 通过机械装置将一定规格的金属探头用静力压入土层中，同时量测土层对触探头的贯入阻力，判断、分析、确定地基土的物理力学性质。电传感器，静力触探曲线优点：连续、快速、准确缺点：不能直接观察、鉴别土层； 因反力问题，测试深度不能超过80

11、m； 不适用于含碎石、砾石土层及密实砂。7.工程地质原位测试7.2静力触探试验静力触探试验的主要技术要求 组成：贯入装置（含反力装置），可控制等速压贯入；传动系统（液压、机械）；量测系统（探头、电缆、电阻应变仪） 类型：电动机械式静力触探仪、液压式静力触探仪、手摇轻型链式静力触探仪 静力触探探头：单桥探头、双桥探头、孔压探头7.工程地质原位测试7.2静力触探试验静力触探试验的主要技术要求7.工程地质原位测试7.2静力触探试验静力触探试验的主要技术要求7.工程地质原位测试7.2静力触探试验静力触探的贯入机理承载力理论分析孔穴扩张理论分析稳定贯入流体理论分析7.工程地质原位测试7.2静力触探试验静

12、力触探试验的目的和适用条件目的： （1）划分土层； （2）估算土层的物理力学参数； （3）评定地基土的承载力； （4）选择桩基持力层，估算单桩极限承载力，判断沉桩可能性； （5）判定场地地震液化势。适用条件： 粘性土、粉土和砂土，设备的贯入能力必须满足测试土层性质、深度等需要，反力必须大于贯入总阻力。7.工程地质原位测试7.2静力触探试验静力触探试验成果的应用主要成果（1）比贯入阻力-深度曲线； （2）锥尖阻力-深度曲线； （3）侧摩阻力深度关系曲线； （4）摩阻比-深度关系曲线。应用（1）划分土层界线； （2）评定地基土的强度参数； （3）评定土的变形参数； （4）评定地基土的承载力； （5

13、）预估单桩承载力。7.工程地质原位测试7.3圆锥动力触探 利用锤击功能，将一定规格的圆锥探头打入土中，根据打入土中的阻力大小判别土层的变化，对土层进行力学分层，并确定土层的物理力学性质，对地基土做出工程地质评价。优点：设备简单、操作方便、工效较高，适应性广，连续贯入，碎石、砂、粉土；缺点：不能直接描述土样，误差较大，再现性差。7.工程地质原位测试7.3圆锥动力触探动力触探的类型和规格按锤击能量分为轻型、重型、超重型（P222，表7-14）7.工程地质原位测试7.3圆锥动力触探动力触探的技术要求应采用自动落锤装置；触探杆最大偏斜度不超过1- 2（5m）锤击间歇时间，应做记录；贯入15cm，且N1

14、050时，停止试验；当N63.550击时，停止试验，改用超重型；N10和N63.5正常范围为3-50击，N120的正常范围为3-40击。7.工程地质原位测试7.3圆锥动力触探动力触探试验的适用范围和目的适用条件：强风化、全风化硬质岩石，各类软质岩石和土目的： 定性评价：场地土层均匀性；查明土洞、滑动面和软硬土层界面；确定软硬或坚硬土层的分布；检验、评估地基土加固、改良的效果。 定量评价：确定砂土的孔隙比、相对密实度、粉土和粘性土的状态、土的强度和变形参数，评定天然地基土承载力或单桩承载力。7.工程地质原位测试7.3圆锥动力触探动力触探试验成果的应用1.确定砂土和碎石土的密实度；2.确定地基土的

15、承载力和变形模量；3.确定单桩承载力标准值Rk7.工程地质原位测试7.4标准贯入试验 实质上仍属于动力触探类型。其探头为由两个半圆管合成的取土器贯入器。 贯入阻力用贯入土层30cm的锤击数N63.5表示标贯击数。 本试验对不易取样的砂土和砂质粉土物理力学性质评价具有独特意义。7.工程地质原位测试7.4标准贯入试验 实质上仍属于动力触探类型。其探头为由两个半圆管合成的取土器贯入器。 贯入阻力用贯入土层30cm的锤击数N63.5表示标贯击数。 本试验对不易取样的砂土和砂质粉土物理力学性质评价具有独特意义。7.工程地质原位测试7.4标准贯入试验标准贯入试验设备规格（P226，表7-20）7.工程地质

16、原位测试7.4标准贯入试验标准贯入试验的技术要求（P226）7.工程地质原位测试7.4标准贯入试验标准贯入试验的目的和范围目的：1）采取扰动土样，鉴别和描述土类，按颗粒分析结果定名； 2）根据标贯击数N，利用地区经验，为砂土的密实度和粉土、粘性土的状态，土的强度参数，变形模量，地基承载力等作出评价； 3）估算单桩极限承载力和判定沉桩可能性； 4）判定饱和粉沙、砂质粉土的地震液化可能性及液化等级。适用范围： 砂土、粉土和一般性粘土，最适用于N=2-50击的土层。7.工程地质原位测试7.4标准贯入试验标准贯入试验成果的应用1.评定砂土的 密实度和相对密度Dr；2.评定粘性土的状态；3.评定砂土抗剪

17、强度指标4.评定粘性土的不排水抗剪强度Cu（kPa）；5.评定土的变形模量E0和压缩模量Es；6.确定地基承载力；7.估算单桩承载力8.评定饱和砂土的地震液化问题。7.工程地质原位测试7.5十字板剪切试验 十字板剪切试验是快速测定饱和软粘土层快剪强度的一种简易而可靠的原位测试方法。测得的抗剪强度值相当于试验深度处天然土层的不排水抗剪强度 理论上，相当于三轴不排水剪的总强度，或无侧限抗压强度的一半。 7.工程地质原位测试7.5十字板剪切试验主要用于测定饱水软粘土的不排水抗剪强度。具有下列优点：(1)不用取样，特别是对难以取样的灵敏度高的粘性土，可以在现场对基本上处于天然应力状态下的土层进行扭剪。

18、所求软土抗剪强度指标比其他方法都可靠。(2)野外测试设备轻便，操作容易。(3)测试速度较快，效率高，成果整理简单。 其缺点是仅适用于江河湖海的沿岸地带的软土，适应范围有限，对硬塑粘性土和含有砾石杂物的土不宜采用，否则会损伤十字板头。7.工程地质原位测试7.5十字板剪切试验十字板剪切试验的基本技术要求1.十字板尺寸：高径比（H/D）=2（100/50或150/75），厚度2-3mm；2.钻孔十字板剪切试验，十字板插入孔底以下深度大于5倍钻孔直径；3.十字板插入土中与开始扭剪的间歇时间小于5min；4.控制好扭剪速率：过慢，排水导致强度增长；过快，饱和软粘土凝滞效应导致强度增长； 一般1-2/s。

19、测记扭转1的扭矩。 出现峰值或稳定值后，要继续测读1min，以确定峰值扭矩或稳定扭矩。7.工程地质原位测试7.5十字板剪切试验十字板剪切试验的基本技术要求5.重塑土的不排水抗剪强度，应在峰值强度或稳定值强度出现后，顺剪切扭转方向连续转动6圈后测定；6.测定精度应达到1-2kPa；7.测定软粘土不排水抗剪强度随深度的变化，试验点竖向间距取1m，或根据静力触探等资料布置试验点。7.工程地质原位测试7.5十字板剪切试验十字板剪切试验的基本原理十字板剪切试验钻孔十字板剪切试验贯入电测十字板剪切试验基本原理：施加一定的扭转力矩，将土体剪坏，测定土体对抵抗扭剪的最大力矩，通过换算得到土体抗剪强度值（假定=

20、0，饱和粘性土）。 7.工程地质原位测试7.5十字板剪切试验十字板剪切试验的基本原理影响因素：1） 技术因素加以控制：十字板厚度、间歇时间、扭转速率；2） 非人为控制因素：土的各向异性、剪切面剪应力的非均匀分布、应变软化、剪切破坏圆柱直径大于十字板直径等。 尤其是高塑性灵敏粘土，对十字板剪切试验的结果，应作慎重分析。7.工程地质原位测试7.5十字板剪切试验十字板剪切试验的适用范围和目的适用于： 灵敏度St10，固结系数Cv 100m2/年的均质饱和软粘土目的： 1）测定原位压力条件下，软粘土的不排水抗剪强度Cu； 2）估算软粘性土的灵敏度St。7.工程地质原位测试7.5十字板剪切试验十字板剪切

21、试验成果的应用 成果： 十字板不排水抗剪强度Cu随深度的变化曲线，Cuh曲线。一般偏高。 修正公式 ：（Cu）f=（Cu）fv 十字板修正系数 应用： 评定软土地基承载力标准值： fk=2（Cu）f+D 估算软土的液性指数 7.工程地质原位测试7.6扁铲侧胀试验 定义：用静力（或锤击动力）把一扁铲形探头贯入土中，达试验深度后，利用气压使扁铲侧面的圆形钢膜向外扩张进行试验特殊的旁压试验。 优点：简单、快速、重复性好、成本低。应用广泛。 适用于：一般粘性土、粉土、中密以下砂土、黄土等（不适用于含碎石的土、风化岩等）7.工程地质原位测试7.6扁铲侧胀试验扁胀试验的基本原理 扁胀试验时，膜向外扩张，可

22、假设为在无限弹性介质中，在圆形面积上施加均布荷载p，如弹性介质的弹性模量为E，泊松比为，膜中心的外移为s，则若定义E/（1- 2）为扁胀模量ED，则：水平应力指数KD，扁胀指数ID，扁胀孔压指数UD，7.工程地质原位测试7.6扁铲侧胀试验扁胀试验设备探头的尺寸：长230-240mm宽94-96mm厚14-16mm钢膜直径60mm探杆要求同静力触探探杆。7.工程地质原位测试7.6扁铲侧胀试验扁胀试验技术要求 1. 测定钢膜三个位置的压力A，B，C； 2. A，B的重复标定，修正的p1，p0，p2值； 3. 推力超过5t（或标贯超过15击），建议先钻孔，在孔底下压探头至少15cm； 4. 试验点在

23、垂直方向上的间距为15-30cm，建议20cm； 5. 试验全部结束，应重新检验A，B值； 6. 若要估算原位的水平固结系数Ch，可进行扁胀消散试验。7.工程地质原位测试7.6扁铲侧胀试验扁胀试验的资料整理 1. 根据A，B，C压力及A，B，计算p0，p1和p2，并绘制p0，p1，p2与深度变化h的关系； 2. 绘制ED，ID，KD和UD与深度h的变化曲线。水平侧向压力 、 、 随深度h的变化曲线扁铲土性指数 水平应力指数 扁铲侧胀模量 、 、 随深度变化曲线 7.工程地质原位测试7.6扁铲侧胀试验扁胀试验的应用1. 划分土类；2. 静止侧压力系数K0；3. 应力历史；4. 不排水抗剪强度Cu

24、；5. 土的变形参数；6. 水平固结系数Ch；7. 侧向受荷桩的设计。7.工程地质原位测试7.7旁压试验 将圆柱形旁压器竖直地放入土中，通过旁压器在竖直的孔内加压，使旁压膜（或护套将压力传给土体），使土体或岩层变形直至破坏 ，通过量测施加的压力和土变形之间的关系，即可得到地基土在水平方向上的应力应变关系。 分类：预钻式旁压仪、自钻式旁压仪、压入式旁压仪。 特点：与静载荷试验相比，旁压试验精度高、设备轻便、测试时间短等；精度受成孔质量的影响较大。7.工程地质原位测试7.7旁压试验剑桥自钻式旁压仪系统7.工程地质原位测试7.7旁压试验旁压试验的适用范围和目的 旁压试验适用于测定粘性土、粉土、砂土、

25、碎石土、软质岩石和风化岩的承载力、旁压模量、应力应变关系等。7.工程地质原位测试7.7旁压试验旁压试验的基本技术要求 1. 在具有代表性的位置和深度进行量测，旁压仪量测腔应在同一土层内，试验点的间距不宜小于1m，每层土测点不应少于1个，厚度大于3m的土层测点不应少于2个； 2. 保证成孔质量，不宜在软弱地基中使用； 3. 加荷等级可采用预计极限压力的1/81/12； 4. 每级压力应持续13min，再施加下一级压力，读数时间15，30，60，120，180s； 5. 加荷接近极限压力，或量测腔的扩张体积相当于量测腔的固有体积时，应停止旁压试验； 6. 需对旁压试验进行率定，包括弹性膜约束力、仪器综合变形、旁压仪精度等。7.工程地质原位测试7.7旁压试验旁压试验成果的应用 结果：压力扩张体积（p-V）曲线；压力半径增量（p-r）曲线 三个阶段：初步阶段、似弹性阶段、塑性阶段。1）P0初始水平应力确定：将直线段延长与V轴相交于V0，过V0作平行于p轴的直线，该直线与旁压曲