软岩和软土工程地质研究

软岩和软土工程地质研究第一页，共48页。第1节软弱岩石的涵义（岩性类别）成因粘土岩、页岩软质泥灰岩、凝灰岩大部分千枚岩、片岩膨胀岩、软弱夹层等1软质岩石（软岩）2构造、破碎岩类断层破碎带，侵入破碎带等机械热动变质产物3风化岩节理裂隙发育的物理力学特征低强度承载力低，富含泥质抗剪强度低，--岩体易滑动变形模量小易产生较大沉降、不均匀变形----失稳水理性质差易软化崩解、膨胀收缩、管涌、潜蚀流变效应明显长期强度低：某些地下洞室因岩体强度随时间而降低，影响其长期稳定性第二页，共48页。水利水电工程地质勘察将岩石强度分为四级

第三页，共48页。坚硬的层状岩层第2节软弱夹层的工程地质研究软弱夹层含义：夹有强度低、泥质或炭质含量高、遇水易软化、延伸较广和厚度较薄的软弱岩层其强度和变形模量均低于上下硬岩层的1／5—1／50。一般软弱夹层的强度和变形参数如下：摩擦系数<0．5

饱和抗压强度≤10MPa

变形模量≤1000MPa定量表达定义：第四页，共48页。形成一、软弱夹层的成因与分类

成因分类原生—次生—构造—地下水等构造成岩地质历史地质作用成岩过程坚硬岩层中粘粒含量多胶结差力学强度低形成构造作用层间错动面构造破碎带风化作用等形成风化夹层软弱夹层蚀变破碎带次生充填节理原生地质营力软弱夹层研究内容成因类型—产状—规模—分布—范围—数量—空间变化原生型软弱夹层特点：成层条件好，层次多、有韵律、分布广、延伸远、产状稳定与岩层产状一致第五页，共48页。次生型软弱夹层特点：

产状不稳定，厚度变化大，成层条件不好，分布于风化卸载带地下水循环带内，向下逐渐变薄—消失

构造型与原生型区别：构造型：厚度偏大，

可通过几种岩性

倾角变化大，有时可相交注意：工程实践中的软弱夹层-----综合作用的结果软弱夹层分类：葛洲坝工程4类：（1）软岩夹层常见的有粘土岩、疏松泥灰岩、石膏层、碳质条带、斑脱岩等。这类夹层易风化，浸水崩解、膨胀或溶解，其变形和强度的时间效应明显。（2）碎块夹层碎块夹层是由80％以上粒径大于2mm的粗碎屑组成。碎块间或上下界面有泥膜，粘粒含量少于10％，其他为砂粒。夹层的剪切破坏面一般不是平直的，其应力一位移关系曲线较复杂。先研究岩体风化特征、卸载带范围内地下水径流途径第六页，共48页。（3）碎屑夹层

碎屑夹层中粒径为0．5～2mm的细碎屑约占30％，大于2mm的粗碎屑含量约占30％～50％，粘粒占10％～30％左右。夹层的抗剪强度与碎屑的母岩性质、碎屑形状及泥质含量有关，一般峰值摩擦系数为0．30～0．45，变形模量只有0.05X103～0.2Xl03MPa（4）泥化夹层

粘土岩类岩石经一系列地质作用变成塑泥的过程称为泥化，泥化的标志是其天然含水量等于或大于塑限。因此，泥化夹层具有结构松散、密度小、含水量大、粘粒含量高(一般>30％)、强度低、变形大等特点，其峰值摩擦系数为0．15～0．30，多数为0．2，变形模量一般小于50MPa。是软弱夹层中性质最坏的一种。小浪底工程2大类：软岩夹层泥化夹层：泥化夹层粒度厚度全泥型厚度大于3mm，不含角砾的粘土、粉粘、粉土泥夹

角砾型角砾含量<10%;的粘性土层第七页，共48页。泥夹粉砂、

和粉砂夹泥角砾含量<10%的粉土层泥膜型大多数为不含角砾%的薄粘土层角砾夹泥型角砾含量>10%<50%的粘性土层泥化夹层粒度厚度泥化夹层研究意义：1.研究的原因：是软弱夹层中力性质最差的，强度最低的关键部位，稳定性起控制作用2.不容易被准确勘察，需配合特殊设备：双层单动岩心管，结合内电视、摄影等综合方法二、泥化夹层的基本特性明显错动面和分带性构造影响带：节理带，劈理带，泥化带(一)泥化夹层的结构特征第八页，共48页。泥化带1.错动面附近，粘土岩泥化夹层则仅见劈理带和泥化带泥化错动带受构造影响强烈，原岩结构彻底改造。在较大剪切位移部位可形成颗粒和微集合定向排列区和收到牵引影响的非定向区2.泥化光面（泥化带表面）平直或舒缓波状，粘粒含量高，分散度大，表面电荷密度增大，物理化学活性加强，结构连接弱3.含水量高、干密度小、强度低，易于屈服的弹粘结构分散系具有一定的特殊工程性质节理带1.受构造影响轻微（保持原岩结构特征）2.颗粒和微集合体物理化学活动性弱阳离子交换较少表面积和表面电荷密度都较小，具有较弱的亲水性3.力学强度高，干密度较大劈理带1.原岩结构受构造影响严重破坏，劈理发育并有波状揉皱2.颗粒和集合体多呈松散紊乱排列，剪切位移较大处可定向排列，分散度和阳离子交换能力有所提高物理化学活性有所增强3.力学强度、干密度明显降低第九页，共48页。(二)泥化夹层矿物成分和化学成分复杂高分散体系（多种矿物）电子显微镜，x射线衍射，差热分析伊利石高岭土排水条件不好的环境中蒙脱石MgOCaOMgOCaO金属氧化物（碱性环境）格架活跃，浸水膨胀排水条件好、溶滤作用强—酸性环境矿物稳定膨胀性弱介于以上2者之间泥化夹层矿物成分影响因素：母岩性质+后期改造实例：葛洲坝202泥化夹层；凤滩水电站坝基泥化夹层；桓仁水电站坝基泥化夹层；青山水电站坝基泥化夹层1.矿物成分第十页，共48页。2.化学成分：主要化学成分：次要化学成分：泥化后：氧化钙含量比母岩偏低；氧化铝和氧化铁偏高钙的流失游离氧化物凝聚(三)泥化夹层水理性质粘土成分微结构面发育程度膨胀量

膨胀力决定1.伊利石+高岭石+微结构面不发育膨胀量<1%2.蒙脱石+微结构面不发育膨胀量达8%3.钠蒙脱石>钙蒙脱石4.夹层扰动后，膨胀量膨胀力增加围压+未扰动指标可靠1.膨胀性第十一页，共48页。2.渗流分带渗流集中各带的渗透系数相差大：A.泥化带较小:10-5—10-9cm/s为不透水B.劈理带:10-3—10-5cm/s为透水C.节理带:大于10-3cm/s为良好透水劈理带

岩石泥化带渗透破坏部位工程上主要是做好夹层上下接触部位的防渗和排水设施☆

亲水性指标

（液限含水量/粘粒含量）：夹层好坏较好较差中等亲水性大于1.250.75—1.25小于0.75第十二页，共48页。(四)泥化夹层物理力学性质1.决定因素：地区差异性特点：粘粒含量较高.一般大于30%母岩不同而变化成分以伊利石为主的以蒙脱石为主的天然含水量塑限流限干密度峰值抗剪强度大大大小小小小小大大国内分泥化夹层的抗剪强度与物理性质参看教材表2-3第十三页，共48页。三、泥弱夹层在长期渗水条件下的演变趋势

结构岩性均一、夹层上下层面较平直其厚度较大现场实验==室内实验（抗剪强度）岩性不均一、夹层中有角砾、岩屑室内实验（抗剪强度>现场实验水库蓄水后，地下水的坡降、渗径和循环条件夹层可能会有恶化工程的安全稳定性预测演变趋势研究泥化夹层在长期渗水的作用下，主要的物理化学作用1．化学成分的变化1）盐类的溶解：钙、镁碳酸盐溶解--粒间结合力下降—分散性增强防水防渗易溶性岩类含量低于5%安全影响不大第十四页，共48页。2．渗透稳定的变化容易发生渗透变形和渗透破坏的部位--泥化错动面附近、裂隙发育的劈理带。2）阳离子交换：渗水的类型泥化物的矿物成分夹层的透水性速度发展趋势因素3）游离氧化物的溶解4)胶溶和氧化还原反应在酸性水环境中，氧化铝或氧化铁被析出在碱性水环境中，氧化硅被溶出长期渗水作用下的泥化部位的无定形游离氧化物（通常以溶胶和饱水凝胶状态存在）的含量常高泥化带与劈理带或岩石界面裂隙逐渐扩张有些细小颗粒被带出，透水性逐渐增大化学反应而降低夹层的抗渗性能渗透稳定性趋向恶化岩体裂隙发育，贯通性强，宽度稍大，透水性良好，而且渗径较短

夹层就会产生渗透破坏第十五页，共48页。3．抗剪强度的变化shearstrength成分影响：碎屑泥化夹层，由较粗的构造碎屑组成孔隙较大，透水性强，易于产生渗流集中，渗透稳定性比较差板岩、页岩、粘土质粉砂岩等长期渗水的作用下总的趋势是降低以劈理带泥状、软化物比较明显劈理带裂隙、微裂隙异常发育对水的作用敏感，发生吸附效应

如下结论：①.粘土岩夹层节理带，在原有结构不被扰动时，长期渗水作用，不会产生泥化、软化②劈理带具有“潜在泥化”特性，遇水后会产生泥化，抗剪强度明显降低；但泥化后的性状不会差于现存的泥化物；③泥化错动带的性状（包括抗剪强度）受渗压水的化学类型、交换阳离子的成分、碳酸盐的溶蚀和游离氧化物的溶解、胶溶等因素的影响，在漫长的地质历史时期，泥化物的性状已处于相对稳定之中，在水文地质条件不发生急剧变化时，泥化带的性状仍保持现有状态；第十六页，共48页。④如在工程运行期间泥化夹层的结构不被破坏，坝基采取了有效的防渗措施，则泥化夹层的工程地质性质不会发生恶化。四、泥弱夹层在特定条件下的抗剪强度泥化夹层的抗剪强度是控制岩体抗滑稳定性的重要因素。在水库运行期间，泥化夹层还处于长期受力和反复受力的状态，其抗剪强度的变化，泥化夹层的流变特征和长期强度是人们所关注的问题。1．泥化夹层的流变特征fiowdeformability和长期强度flowstrength作用时间长-----流变试验，时间效应~变形、强度第十七页，共48页。现场快剪屈服强度残余强度2．反复荷载作用下的强度3．动力强度反复荷载作用下强度降低反复强度残余强度≈五、软弱夹层的抗剪强度的取值问题更合理方法分析泥化夹层结构、矿物成分，几何形态、泥化带厚度，夹层性状随空间和时间的变化规律第十八页，共48页。第3节风化岩石的工程地质研究

岩石风化后物理力学性质发生显著变化，力学强度明显降低。各种工程建筑所遇到的岩石，绝大数是经受过不同风化程度的岩石风化作用weathering

分布在地表或地表附近的岩石，经受太阳辐射、大气、水溶液及生物等因素的侵袭，逐渐破碎、松散或矿物成分发生化学变化，甚至生成新的矿物的现象一、风化作用的类型和影响因素1.风化作用的类型第十九页，共48页。（1）．物理风化作用physicalweathering

不良的导热体，不同的矿物热膨胀系数也不同，所以当温度发生变化时。岩石的表面与内部，产生应力，致使发生裂隙，并可逐渐松散破碎。渗入岩石孔隙、裂隙中的水，使裂隙扩大延长，在冰融季节反复交替进行，最后可导致岩石崩裂、破碎。另外，水溶液中盐类物质的集聚结晶、植物根系的生长也可产生类似的情况。

物理风化作用的结果，最初是使岩石发生大小不等、方向无序的裂隙，裂隙继续发展、增多，最后可形成大小不等的岩屑堆积。物理风化都是在靠近地表进行的，一般情况下深度不超过5m。a）热胀冷缩(热力风化thermalweathering)b）冰劈作用（冻融作用freeze-thawweathering）第二十页，共48页。c）植物根系的生长也可产生根劈作用。d）水溶液中盐类物质的集聚结晶膨胀；（2）．化学风化作用chemicalweathering

在氧、水溶液等风化因素侵袭下，岩石中的矿物成分发生化学变化，改变或破坏岩石的性状并可形成次生矿物的作用过程。（3）．生物风化biologicalweathering

氧化作用oxidation溶解作用solutiondissolution（分解）水化作用hydration（水合）（相反：脱水作用dehydration）水解作用hydrolysis还原作用reduction软化和泥化作用。第二十一页，共48页。2、影响岩体风化的因素(1)．岩性

岩石的矿物成分和化学成分影响着风化速度、程度和风化产物的类型、特性。a化学成分chemicalcomposition：

岩石的化学成分对风化的影响也是显著的。基性岩石比酸性岩石易风化。b矿物成分mineralcomposition：

矿物的生成条件与地表的风化条件相差越大，则矿物抗风化稳定性越低，反之越高。

第二十二页，共48页。最稳定的矿物：石英quartz玉髓石榴子石garnet磁铁矿较稳定的矿物：白云母muscovite正长石orthoclase微斜长石酸性斜长石较不稳定的矿物：角闪石amphibole辉石phroxene白云石dolomite

方解石calcite绿泥石chlorit最不稳定的矿物：黑云母biotite橄榄石olivine黄铁矿pyrite

石膏gypsum岩盐第二十三页，共48页。C岩石的结构textureD岩石的构造structure风化过程阶段划分：①破碎阶段；②富钙质阶段；③酸性硅铝化阶段；④铝化土阶段第二十四页，共48页。(2)．地质构造geologicstructure

断层破碎带、裂隙密集带、层间错动带，岩体的完整性差，容易风化形成较深的风化囊和风化槽。第二十五页，共48页。(3)．气候

气温、雨量和湿度对岩体的风化有很大的影响。A寒冷气候带：岩屑型风化壳或机械风化壳mechanicalresiduumB干旱气候带：硅铝碳酸盐型风化壳residuumofcarbonatetype第二十六页，共48页。C温湿气候带：

硅铝黏土型风化壳（高龄土型风化壳）residuumofkaolintypeD湿热气候带：

砖红土型风化壳residuumoflateritetype第二十七页，共48页。(4)．地貌landformA在坡度较陡的微地貌单元上，

风化作用强烈，但风化产物不容易保存，风化壳厚度薄。B在坡度较缓的微地貌单元上，

风化产物容易保存，风化壳厚度较厚。(5)．地下水subsurfacewater

地下水的化学成分及其循环条件，对风化速度和程度的影响也很大。地下水可以促使岩石溶滤、水化、水解，地下水循环良好的地区，往往形成较厚的风化壳。

第二十八页，共48页。

二、风化壳的结构textureofsiduum1．风化夹层或夹层状风化2．球状风化spheroidalweathering3．风化程度不同的带在垂直剖面上发生突变（缺失或重复）4．风化囊和风化槽岩体按风化程度分带：我国各工程生产部门从上到下共分6个带：（各个带的性质参见表）1.残积土eluvium2.全风化带completelyweatheredzone3.强风化带interselyweatheredzone三、岩体风化程度的工程地质研究第二十九页，共48页。4.弱风化带mederatelyweatheredzone5.微风化带slightlyweatheredzone6.未风化带（新鲜岩石）freshrock

岩体风化程度划分方法有（一）定性分析方法

这种分析方法从风化岩的地质特征和工程性质出发，用经验判断，以定性分析为主。（二）定性—定量综合分析发法

1．岩石风化程度系数

1978年水利电力部成都勘测设计院提出。按岩石风化程度系数进行分类如表2-10。

2．裂缝系数和坚固度

1962年日本学者工藤提出。用声波法测定同一岩石的室内外动弹模量来计算。对岩体风化程度按表2-11进行分级。第三十页，共48页。3．岩石风化系数

1966年保加利亚学者伊利耶夫根据室内大量岩石的超声波速度测定值提出。4．用点荷载试验研究岩石的风化程度

点荷载强度指数2-5式：

点荷载试验计算的抗拉强度2-6式：

风化抗拉强度指标2-7式：相对值风化折减系数2-8式：5．矿物风化指数

1965年伦布提出。用表征岩石中矿物风化变异的指标分析岩体的风化程度。第三十一页，共48页。6．根据岩体的纵波波速和波速衰减速度划分风化带采用的风化程度划分标准参见表2-157．对于花岗岩类岩体可用标准贯入试验击数划分残积土和全、强风花带，参见2-15。8．风化程度指标

1970年由俄罗斯学者提出。9．岩心采取率

风化岩体的勘探掘进技术特征，随风化程度有明显的差异。四、岩体风化速度的工程地质研究第三十二页，共48页。第4节构造岩的工程地质研究一、构造岩的分类及其特征tectonic由被碾碎成均匀细小的粉末碎屑胶结而成，以<o。05mm的颗粒为主，只有在显微镜下才能看出颗粒的成分和结构特征，外观致密，类似硅质岩。矿物有重结晶、重组合现象。除含有石英、长石等原岩矿物外，常含有一些变质矿物。风化后常呈岩粉或泥状。

在断层破碎带中常可见到厚度不等的泥状物质，脱水干燥后呈硬块状，它们是糜棱岩、碎裂岩或岩粉等经浸水风化而成。大多由亲水性较强的粘土矿物及石英等组成。断层泥压缩变形大，强度低，常给工程带来很大的危害。1、断层泥（gouge）2、糜棱岩（mylonite）第三十三页，共48页。主是由>2mm被搓碎的棱角状碎块及岩粉等经胶结形成，角砾仍保持原岩的矿物成分和结构。3.片状岩母岩多为软弱岩层经过强烈的挤压与剪切错动，形成劈理和片粒，再结晶的矿物及细小的碎屑常成定向排列而构成片状岩。4.断层角砾岩brecciation主要由<2mm的原岩碎粒并杂以岩粉经胶结形成。能用放大镜分辨原岩成分。5.压碎岩6.碎块岩第三十四页，共48页。(2)压碎岩：中等透水；(3）断层角砾岩brecciation(crushing)：弱透水至不透水；(4）片状岩：不透水；(5)糜棱岩mylonite：不透水；(6)断层泥gouge：不透水；2．构造岩的强度变形特征strengthdeformation

随破碎程度的加剧而降低，与母岩相比，均有不同程度的降低。第三十五页，共48页。一、粘性土的类型和软土的定义第5节软土的工程地质研究二、特殊土的类型（淤泥类土、黄土loess、膨胀土和红粘土）及工程特征1.淤泥类土的类型及工程特征1.粘性土的类型(1)老粘性土；(2)一般粘性土；(3)新近沉积粘性土2.软土的定义第三十六页，共48页。(1)成因类型a.分布于沿海的软土泻湖相沉积；溺谷相沉积滨海相沉积；三角洲相沉积b.分布于内陆平原区和山区的软土湖相沉积；河漫滩相与废河道相沉积；坡积洪积相沉积(2)成分和结构第三十七页，共48页。高含水量和高孔隙性；渗透性弱；压缩性高；抗剪强度低触变性：由于饱水而结构疏松，强烈扰动（振动）时，强度会迅速降低，由原来的软塑状态变成流态，甚至液化为悬液，这种现象称触变性。其定量指标为灵敏度Stf.蠕变性：显著，必须考虑长期强度。

(3)软土的工程地质性质第三十八页，共48页。第五节软土的工程地质研究；二、特殊土的类型（淤泥类土、黄土loess、膨胀土和红粘土）及工程特征2.黄土的类型及工程特征（1）是一种特殊的第四纪陆相松散堆积物。它具有以下六个特征：黄土的颜色：黄色或黄褐色；以粉粒组为主；富含碳酸钙；具有肉眼可见的大孔隙；天然剖面上垂直节理发育；显著的湿陷性collapsibility（2）黄土的成因、分布和分类成因：风成（积）、水成（积）、风化-残坡积分布：我国分布面积6.4x105km2主要在西北、华北、东北等干旱少雨地区；分类：据地层时代及其基本特征可分为三类新近堆积的黄土Q42浅至深褐色、暗黄或灰黄第三十九页，共48页。新黄土：次生黄土Q41

褐黄至黄褐色马兰黄土Q3

浅黄至灰黄老黄土：离石黄土Q2

深黄、棕黄、微红午城黄土Q1

微红及橙红新近堆积的黄土及新黄土具有大孔隙，垂直节理发育，结构较疏松，具湿陷性。老黄土一般不具大孔隙（少量有），块状节理，结构较密实，无collapsibility。（3）黄土的成分、结构特征

粒度成分：粒径<0.25mm，且主要是0.1-0.01mm其中：粗粉粒：含量>50%

粉砂粒：含量<20%

粘粒：含量5~35%，一般15~25%第四十页，共48页。矿物成分

碎屑矿物rubbishmineral（75%以上）：主要quartzfeldsparcarbonatite

粘土矿物claymineral（10—25%）：主要为水云母hydromica(伊利石grandite少量为高岭石smalite(kaolinite)和蒙脱石askanite(montmorillonite)结构：为非均质的骨架式架空结构，由粗粒构成基本骨架，粗颗粒互相不接触；由细粒构成填料，聚集在粗骨架颗粒的接触点之间；由粗粒和吸附的水膜及部分水溶岩构成胶结物质，依附在上述颗粒的周围，将其胶结起来，形成大孔和多孔的结构形式。

第四十一页，共48页。黄土的工程地质特征密度小，孔隙率大，孔隙较大，孔隙比e为0.8~1.1含水较少，含水率低（10~25%），常处于半固态或硬塑状态；塑性较弱:Ip8~10,wp15~20%,wl23~33%（粘粒含量少）渗透性较强k可达1m/d（与大孔隙和垂直节理有关）压缩性中等，抗剪强度较高（老黄土和新黄土不同）抗水性弱：遇水强烈崩解，膨胀量较小，但失水收缩较明显。湿陷性：第四十二页，共48页。间接方法：低塑性(Ip<12)，低含水率（w/wp<1.0），高孔隙比（e>1.0），低密度（ρd<1.5g/cm3）的黄土常具有湿陷性。自重湿陷：非自重湿陷：黄土遇水后，在其本身的自重作用下产生的沉陷现象（兰州的黄土）；黄土遇水后，在附加荷载作用下产生的附加沉陷现象（西安、太原）黄土的湿陷性评价：直接方法：黄土的湿陷性试验黄土湿陷性指标（湿陷系数δs，自重湿陷系数δzs）第四十三页，共48页。3.膨胀土（胀缩土或裂隙土）的类型及工程特征

膨胀土在世界上分布很广，在我国分布也很广，主要在云南、广西、贵州和湖北。一般分布在二级及二级以上的阶地上或盆地边缘，大多数是晚更新世及