岩土体工程地质特性

岩土体工程地质特性第一页，共64页。应知应会的主要知识基础理论（公共基础、专业基础）——合格才能报考专业专业知识——岩土体工程地质特征，是工程地质从业的基础（第一天）技术标准——熟悉、会用常用标准工程实践——大部分案例来源于工程实践通过考试了解考生系统掌握专业知识和正确运用技术标准处理工程实际问题的能力第二页，共64页。考试复习的主要材料依据考试大纲，主要复习材料包括：技术标准——汇编和补充标准勘察设计协会主编的考试复习手册——第三页，共64页。水利水电工程地质1、岩土体工程地质特性2、水利水电工程地质勘察3、勘察技术方法4、区域构造稳定性5、水库工程地质6、水工建筑物工程地质7、边坡工程地质8、地下洞室工程地质9、天然建筑材料勘察10、特殊岩（土）体地质问题第四页，共64页。岩土体的工程地质特性—考试大纲【考试大纲】

土的工程分类及主要物理、力学性质岩石分类及主要物理、力学性质岩体结构类型、风化（卸荷）带及软弱夹层的工程地质特性岩（土）体渗透性特殊岩土体的工程地质特性第五页，共64页。土的基本概念

根据中国大百科全书：土是尚未固结成岩的松、软堆积物；主要为第四纪的产物；土与岩石的根本区别是土不具有刚性的联结，物理状态多变，力学强度低等；由各类岩石经风化作用而成；位于地壳的表层，是人类工程活动的主要地质环境。土一般由固态、液态、气态三相组成，土粒是土的固态相部份，存在于土粒之间孔隙中的水和空气是土的液态相和气态相部份。三者的不同比例决定了土的物理力学性质。第六页，共64页。土的三相图三相图第七页，共64页。土的工程分类标准辅导材料中列入3个分类标准：《土的工程分类标准》GB/T50145—2007《岩土工程勘察规范》GB50021—2001的分类《堤防工程地质勘察规程》SL188—2005中关于细粒土的分类第八页，共64页。土的工程分类2008年6月1日开始实施的《土的工程分类标准》（GB/T50145-2007）属于基本分类，即通用分类标准。它是以土的颗粒组成、塑性指标和土中有机质含量为分类依据SL237—001—1999与之基本一样第九页，共64页。复习重点——粗粒土各粒组的划分粒径（mm）：0.005、0.075、0.25、0.5、2、5、20、60、200巨粒类土（巨粒土、混合巨粒土、巨粒混合土）粗粒类土（砾类土、砂类土）细粒类土（粉质土、黏土）粗粒土颗粒级配同时满足Cu≥5和1≤Cc≤3时为级配良好土，否则为级配不良土第十页，共64页。第十一页，共64页。复习重点——有机质土有机质土——有机质含量小于10%且不小于5%的土有机土——有机质含量大于等于10%的土，其性质将大大不同于一般细粒土第十二页，共64页。《岩土工程勘察规范》的分类按时代划分为老沉积土——晚更新世Q3及其以前的土；新近沉积土——全新世中近期沉积的土。按土的成因划分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、淤积土、冰积土和风积土等。按颗粒级配和塑性指数划分为碎石土、砂土、粉土和黏性土四类。分类因子和指标第十三页，共64页。土的工程分类—基本分类土按颗粒级配和塑性指数可分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四类。土的名称颗粒级配或塑性指数（IP）碎石土粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量50%。砂土粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量的50%，大于0.075mm的颗粒质量超总质量的50%。粉土粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50%，且IP≤10粘性土IP≥10第十四页，共64页。碎石土——按颗粒形状和颗粒级配分

为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾、角砾等六类土的名称颗粒形状颗粒级配漂石圆形及亚圆形为主粒径大于200mm的颗粒质量超过总质量50%块石棱角形为主卵石圆形及亚圆形为主粒径大于20mm的颗粒质量超过总质量50%碎石棱角形为主圆砾圆形及亚圆形为主粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量50%角砾棱角形为主注：定名时，应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定第十五页，共64页。砂土——按颗粒级配可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂等五类。土的名称颗

粒

级

配砾砂粒径大于2mm的颗粒质量占总质量25%~50%粗砂粒径大于0.5mm的颗粒质量超过总质量50%中砂粒径大于0.25mm的颗粒质量超过总质量50%细砂粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量85%粉砂粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量50%第十六页，共64页。粉土——按粘粒含量（ρc）可分为粘质粉土和砂质粉土两类。土的名称粘粒含量ρc（%）粘质粉土10≤ρc<15砂质粉土3≤ρc<10第十七页，共64页。黏性土——按塑性指数（IP）可分为粉质黏土和黏土两类。土的名称塑性指数（IP）粉质黏土10<IP≤17黏土IP>17第十八页，共64页。土的三角坐标分类

（《堤防工程地质勘察规程》SL188—2005对细粒土的分类方法）采用高100mm的等腰三角形，三角形的三个边分别代表一个粒组，常用砂粒组、粉粒组和粘粒组逆时针由0至100%划分为10等分颗粒分析成果表示在图中—命名三角坐标图第十九页，共64页。土的三角坐标分类第二十页，共64页。土的主要物理水理性质指标

第二十一页，共64页。土的主要物理水理性质指标土粒比重（Gs）是指土粒在105~110℃下烘至恒重时的质量与土粒同体积4℃纯水质量的比值。其试验方法有浮称法、虹吸法和比重瓶法。土的密度是指土在某种状态下单位体积的质量，单位为g/cm3。按照土的含水状态，表示土的密度的指标有天然密度（ρ），干密度（ρd）和饱和密度（ρszt）等。

第二十二页，共64页。土的主要物理水理性质指标

在工程上经常用到重度的概念，如干重度、饱和重度等。其值等于相应密度乘以重力加速度。含水率（w）是指土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比。通常用百分数表示。

土的密度、比重和含水率均系直接试验参数。其它很多指标都可通过这三个指标计算得到。第二十三页，共64页。土的主要物理水理性质指标孔隙率（n）是指土中孔隙体积（Vv）与土的总体积(Vs)之比。通常用百分数表示。孔隙比（e）是指土中孔隙体积（Vv）与土粒体积(V)之比。二者都是表示孔隙在土中所占相对体积的指标，反映土的紧密程度。第二十四页，共64页。土的主要物理水理性质指标土的稠度：细粒土因含水率的变化而表现出的各种不同物理状态，称为细粒土的稠度。细粒土的稠度状态主要有液态、塑态和固态三种。土的界限含水率：由一种稠度状态转变为另一种稠度状态时相应于转变点的含水率称为界限含水率。液限（WL）是黏土处于可塑状态的上限含水率，相当于液态与可塑状态之间的界限含水率。第二十五页，共64页。土的主要物理水理性质指标塑限（WP）是使粘性土成为可塑状态的下限含水率；缩限（ws）相当于从半固态转入固态的界线含水率。塑性指数（IP）是表征土的塑性状态的指标，它反映粘性土具有可塑性的含水率变化范围，间接表明土的强度随含水率改变而变化。第二十六页，共64页。土的主要物理水理性质指标液性指数：式中w—是土的天然含水率液性指数（IL）是判断黏土稠度状态的重要指标。

Il≤0坚硬；

0<Il≤0.25硬塑；

0.25<Il≤0.75可塑；

0.75<Il≤1.0软塑；

>1.0流塑第二十七页，共64页。土的主要物理水理性质指标渗透系数（k）是指当土中水渗流呈层流状态时，其流速与作用水力梯度成正比关系的比例系数，单位为cm/s或m/d。（达西定律）是水文地质中重要的指标之一，通常由现场试验或室内试验获得。第二十八页，共64页。土的主要力学性质指标压缩系数（a）抗剪强度（τ）灵敏度（St）无侧限抗压强度（qu）第二十九页，共64页。土的压缩性在压力作用下，土体中的孔隙体积减小，而引起土体积变小的性质。用压缩系数表征。压缩系数（a）是指在K0固结试验中，土试样的孔隙比减小量与有效压力增量的比值，即e~p压缩曲线上某压力段的割线斜率，以绝对值表示，单位为MPa-1。第三十页，共64页。压缩系数的应用在工程实际中，常以压力段为0.1MPa至0.2MPa的压缩系数（α1-2）作为判断土的压缩性高低的标准。当α1-2<0.1MPa-1时，为低压缩性；当0.1MPa-1≤α1-2<0.5MPa-1时，为中压缩性；当α1-2≥0.5MPa-1时，为高压缩性。第三十一页，共64页。抗剪强度（τ）土具有的抵抗剪切破坏的极限强度。抗剪强度参数用摩擦系数和凝聚力表示。土的剪切破坏可以看作是颗粒之间联结的破坏；颗粒之间的联结强度随剪切面上的有效应力大小而改变，这是土的抗剪强度的主要特征之一。土的抗剪试验包括直剪试验、三轴剪切试验及十字板剪切试验等，根据试验方法及排水状态有多种抗剪强度指标。一般根据工程需要和规程规范选用。第三十二页，共64页。无侧限抗压强度（qu）为土在侧面不受限制的条件下，抵抗垂向压力的极限强度。σ3=0；σ1=qu=2c×tg(450+0.5φ)qu—粘性土的无侧限抗压强度对于饱和软黏土，在不固结不排水的条件下φ=0；因此，饱和软黏土的抗剪强度tf=c=0.5×qu第三十三页，共64页。灵敏度（St）灵敏度（St）是指原状土的无侧限抗压强度与相同含水率的重塑土的无侧限抗压强度之比。根据灵敏度指标判断土的灵敏性。当St<2时为低灵敏，St=2~4时为一般灵敏；St=4~8时为灵敏；St>8时为高灵敏。第三十四页，共64页。岩石与岩体的定义

根据中国大百科全书：岩石：是矿物的天然集合体。由一种或多种矿物按一定方式结合而成。部分为火山玻璃、胶体物质或生物遗体组成。是地球演化过程中经过各种地质作用形成的固态物质，构成地壳和地幔的主要成分。岩体：在地质作用过程中经受过变形和破坏的，由一定岩石成分组成，并具有一定结构的、赋存于一定地质环境中的地质体。岩体是岩石的集合体，由结构面网络及其所围限的岩石组成。第三十五页，共64页。岩石的成因分类—一级分类岩浆岩（火成岩）是上地幔或地壳深部产生的炽热粘稠的岩浆冷凝固结形成的岩石。如花岗岩、玄武岩等。沉积岩是成层堆积的松散沉积物固结而成的岩石。在地壳表层，母岩经风化作用、生物作用、火山喷发作用而成的松散碎屑物及少量宇宙物质经过介质（主要是水）的搬运、沉积、成岩作用形成沉积岩。如灰岩、砂岩等。第三十六页，共64页。岩石的成因分类—一级分类变质岩由于地质环境和物理化学条件的改变，使原先已形成的岩石的矿物成分、结构构造甚至化学成分发生改变所形成的岩石。如片麻岩、大理岩等。第三十七页，共64页。岩石的二级分类岩浆岩（火成岩）见P51表3-9沉积岩见P52表3-10变质岩见P52表3-11第三十八页，共64页。岩石的主要物理水理性质指标岩石颗粒密度（ρP）岩石块体密度（ρ0

）软化系数（η）吸水率（ω）渗透系数（K）孔隙率（n）第三十九页，共64页。岩石的主要物理水理性质指标岩石颗粒密度（ρP）是指岩石的固体部分质量与其体积之比，g/cm3。岩石块体密度（ρо）是指岩块质量与其体积之比，g/cm3。按岩块的含水状态，分为干密度（ρd），饱和密度（ρsat）等。孔隙率（n）是指岩石中孔隙的体积与岩石的体积的比值。第四十页，共64页。岩石的主要物理水理性质指标自由吸水率（ωa）：是指岩石试件在一个大气压和室温条件下自由吸入水的质量与岩石干质量的比值。饱和吸水率（ωs）：是指岩石试件强制饱和（煮沸法或真空抽气法）后吸入水的质量与岩石干质量的比值。饱水系数：自由吸水率（ωa）与饱和吸水率（ωs）之比。第四十一页，共64页。岩石的主要物理水理性质指标岩石的吸水率和饱水系数是表征岩石水理性质的重要指标。岩石吸水率的多少，取决于岩石所含空隙的数量、大小及其张开程度。根据饱水系数的大小可以判断岩石的抗冻性能，饱水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙少，抗冻性能差。第四十二页，共64页。岩石的主要物理水理性质指标

在工程实践中，岩石（岩体）的透水性有两种表达方式：渗透系数（k）是指水力坡度为1时，水在岩石中流动的速度。单位为cm/s，也有用m/d

。透水率的单位为吕荣（Lu），即当试验压力为1MPa时每米试段的压入水流量（L/min）。第四十三页，共64页。岩石的主要物理水理性质指标

软化系数是指岩石浸水饱和后的抗压强度与干燥状态下抗压强度的比值。

表示岩石遇水软化的性能，越大软化性能越弱，其抗冻性和抗风化能力强；反之亦然。第四十四页，共64页。岩石的主要力学性质指标单轴抗压强度（R）抗拉强度（σt）抗剪强度（τ）泊松比（μ）变形模量（E0）第四十五页，共64页。岩石的主要力学性质指标

单轴抗压强度（R）是指岩石试件在单向受力破坏时所能承受的最大压应力，单位为MPa。

根据岩石的含水状态，表征岩石抗压强度的指标还有干抗压（RC）、饱和抗压（Rs）等。抗拉强度（σt）是指岩石试件在单向受拉条件下所承受的最大拉应力，单位为MPa。常用的试验方法有轴向拉伸法和劈裂法，其中采用劈裂法的较多。第四十六页，共64页。岩石的主要力学性质指标抗剪强度（τ）是指岩石试件受剪力作用时能抵抗剪切破坏的最大剪应力。由内聚力（c）和内摩擦阻力σ•tgø两部份组成。一般表达式为τ=σ•tgø+c，单位为MPa。抗剪强度按试验方法不同，通常分为三种抗剪强度。第四十七页，共64页。岩石的主要力学性质指标抗剪断强度是指在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。反映了岩石的内聚力和内摩擦阻力之和。抗剪（摩擦）强度是指在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面剪坏时最大剪应力。抗切强度是指法向应力为零时沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。第四十八页，共64页。岩石的主要力学性质指标变形模量（E0）是指在单向压缩条件下，岩石试件的轴向应力与轴向应变之比，单位为MPa。当岩石的应力—应变为直线关系时，变形模量为一常量，称为弹性模量（E）。泊松比（μ）是指在单向压缩条件下，岩石试件的横向应变与轴向应变之比。第四十九页，共64页。岩体的工程地质特性岩体中的结构面和结构体称为岩体的结构单元，不同类型的结构单元在岩体内的组合和排列形式称为岩体结构。岩体结构类型是评价岩体质量的重要基础《水利水电工程地质勘察规范》将岩体结构分为5类13亚类。注意：结构面发育程度的划分标准第五十页，共64页。岩体结构及分类类型亚类岩体结构特征块状结构

整体状岩体完整，呈巨块状，结构面不发育，间距大于100cm

块状岩体较完整，呈块状，结构面轻度发育，间距一般100~50cm

次块状岩体较完整，呈次块状，结构面中等发育，间距一般50~30cm

层状结构

巨厚层状岩体完整，呈巨厚层状，结构面不发育，间距大于100cm

厚层状岩体较完整，呈厚层状，结构面轻度发育，间距一般100~50cm

中厚层状岩体较完整，呈中厚层状，结构面中等发育，间距一般50~30cm

互层状岩体较完整或完整性差，呈互层状，结构面较发育或发育，间距一般30~10cm

薄层状岩体完整性差，呈薄层状，结构面发育，间距一般小于10cm第五十一页，共64页。岩体结构及分类类型亚类岩体结构特征碎裂结构

镶嵌碎裂结构岩体完整性差，岩块镶嵌紧密，结构面较发育到很发育，间距一般30~10cm

碎裂结构岩体较破碎，结构面很发育，间距一般小于10cm

散体结构

碎块状结构岩体破碎，岩块夹岩屑或泥质物

碎屑状结构岩体破碎，岩屑或泥质物夹岩块

第五十二页，共64页。单项指标—岩石的强度分级按岩石的饱和单轴抗压强度进行划分Rb>60MPa，坚硬岩60≥Rb>30MPa，中硬岩或较坚硬岩30≥Rb>15MPa，较软岩15≥Rb>5MPa，软岩Rb＜5MPa，极软岩第五十三页，共64页。单项指标—岩体质量指标RQD分级岩体质量评价RQD（%）Ⅰ—完整很好90~100Ⅱ—较完整好75~90Ⅲ—中等完整中等50~75Ⅳ—较破碎差25~50Ⅴ—破碎很差0~25第五十四页，共64页。单项指标—岩体完整性及分级岩体与相应岩块的弹性波速比值的平方称为岩体稳定性系数（Kv）。据此将岩体分为5级：完整：Kv＞0.75；Jv＜3较完整：0.55＜Kv≤0.75，Jv：3~10完整性差：0.35＜Kv≤0.55，Jv：10~20较破碎：0.15＜Kv≤0.35，Jv：20~35破碎：Kv≤0.15，Jv≥35RQD与体积节理数Jv的关系：

RQD=115-3.3Jv第五十五页，共64页。单项指标—岩土体渗透性分级GB50478-2008将岩土体的渗透性分六级极微透水K＜10-6cm/sq＜0.1Lu微透水10-6≤K＜10-50.1≤q＜1弱透水10-5≤K＜10-41≤q＜10中等透水10-4≤K＜10-210≤q＜100强透水10-2≤K＜100q≥

100Lu极强透水K≥100cm/sq≥

100Lu第五十六页，共64页。岩体风化带划分岩体风化是指地表岩体在太阳辐射、温度变化、水、气体、生物等因素的综合作用下，组织结构、矿物化学成分和物理性状等发生变化的过程和现象。岩体的风化程度不同决定了岩体的强度、变形及渗透特性的不同，因此水利水电工程中岩体风化带划分十分重要。第五十七页，共64页。岩体风化带划分水利水电工程地质勘察工作中按全、强、弱、微、新分为