工程地质学基础（1-2章）汇编

1工程地质学基础2015、3六、工程地质学基础的学习内容和方法}关于《工程地质学基础》

2绪论

包括：3一、人类工程活动与地质环境的关系

人类所有的工程活动都是在一定的地质环境中进行的，如地基、围岩、边坡：

工程活动与地质环境两方面相互作用，相互制约：

1.地质环境影响工程建筑物的安全稳定、正常使用、造价工期

如典型案例：

⑴建筑地基失效

①巴西1958年建的某11层楼，刚竣工即倾倒在地上。原因：沼泽土地基，桩基础未达到坚实的土层上。②1999年武汉一栋18层住宅楼，因基础桩未穿透淤泥层，还未来得及装修即倾斜而成危房，最后在中央电视台直播下被爆破拆除。45③意大利的比萨斜塔：1173年动工，当建至24m高时发现开始倾斜，当即停建。约100年后续建至塔顶55m高。至今(加固前)：北侧下沉1.1m、南侧下沉3.0m，沉降差达1.9m，塔轴线倾斜6°。目前正在加固中。原因：S—N向地基不均匀→不均匀沉降。

④加拿大的特朗斯康谷仓：自重20000吨、容积36500m3，基础为筏板基础。当储谷至32000m3时，西侧突然下沉8.8m、东侧下沉1.5m，倾斜26°53′。补充勘察查明：地基为淤泥质土，极限承载力仅为245kPa，而当时的实际荷载(基底压力)已达300kPa(即安全系数已小于1.0)，终因地基剪切破坏而失稳。(国内地基基础设计规范规定取极限承载力的一半作地基承载力特征值，设计时不容许基底压力大于承载力特征值，即取安全系数为2.0)

6

⑤2009年6月27日，上海闵行区在建的“莲花河畔景苑”商品房小区内一幢13层楼房向南整体倾倒。

7⑵地质环境与地质灾害

①意大利的互依昂(Vaiont)大坝高261m，1963年10月9日左岸大滑坡，3亿m3的山体以28m/s(约合100km/h)滑向库区，激起浪高250m，挤出的5000万m3水溢过坝顶、冲向下游，死亡3000余人。

原因：北侧清理河道堆弃土近10m高(相当于10层楼的荷载)，南侧开挖地下室4.6m卸荷，压力差产生过大的剪力而导致地基破坏、建筑物倾倒。次要因素则是高强度预应力管桩(简称PHC)为抗压结构，其抗剪性能较差。责任：施工管理不善，主要责任应该是承建单位与现场监理。②1983年的甘肃省洒勒山黄土滑坡，气垫效应使滑体越过河谷、冲向对岸，造成水库与大量民房被埋，数十人死亡。③1985年6月12日，湖北省秭归县境内的长江新滩滑坡→

④原苏联在莫斯科市的地铁开挖中，使用冻结法处理饱和砂土。但由于局部冻结失效而导致大量砂水混合物突然涌入洞内，地面多栋建筑物受损。

⑤1976年的唐山7.8级大地震与2008年5月12日的四川汶川大地震，导致数十万人员死亡、大量建筑物损坏。前者因次生作用产生砂土液化而使大量农田被砂掩埋；后者导致多处巨大滑坡产生数十处巨型堰塞湖，进一步危及下游地区89的安全。这些均属次生地质灾害。

2013年4月20日8:02发生了四川芦山M7.0地震，属于龙门山断裂(北东走向)的东南端，与汶川大地震(于中部)属同一发震断层。那么，若地质环境满足不了工程建设的要求，为了安全，则需要采取必要的工程措施：102.人类工程活动影响地质环境

如：▲建筑物→地基

▲拦水坝→

▲过量抽取地下液体→

如上海、深圳等沿海城市，软弱地基与基坑工程，三、四十层的建筑物，±0.000(首层室内地面标高)以下的造价占1/5～1/3、工期占1/3～1/2。

如上海市1956～1958年的3年间，地面下沉达1.5m；矿产开采→地面沉陷，破坏地面建筑物与良田。▲水库库水荷载→库区、库底断层应力状态改变→诱发地震

如1962年3月18日，新丰江水库诱发M6.1地震，水坝开裂。全球的世纪工程—三峡水利枢纽对地质环境影响的深广度更是不可估量。有人认为，2008年5月12日的四川汶川M8.0大地震可能与水库蓄水有关，还有人推测其与云贵高原大旱也有关系。需要重点强调的是，随着人类工程活动规模与强度的扩大，其对地质环境的影响也将越来越深远。1112据统计，人类每年约消耗5×1010吨矿产资源，已超过了大洋中脊每年增生的岩石圈物质量(约3×1010吨)，更高于河流的每年搬运物质量(约1.65×1010吨)。地下开挖深度已超1000m。

1986年，联邦德国计划在黑森或巴伐利亚东北的上巴拉丁涅地区钻挖一口14km深的地质探井，目的是探测地壳厚度。钻挖工程计划于1988年开始，1995年完成，估计费用为4.5亿马克。但截至今日这口地质探井钻没有确切消息是否钻到14km深。世界上最深的工业钻井则可能要数美国俄克拉何马州--勃尔兹.罗杰斯1号油田的32号天然气井。该井于1974年4月3日钻成，井深9583m，费时503天。

最高边坡已达600m。目前，全球已经建成的摩天大楼中位居“世界第一高楼”是阿联酋迪拜塔，有160层，总高828m。

13北京第一高楼“中国尊”(如图)将于2016年底封顶，总高度528m，预计总投资达240亿元。已于2014年12月10日地下结构全面封顶。14

规划中的西部第一高楼“重庆国际金融中心”，楼高约470m，总投资100亿元，预计2018年投入使用。自2009年开工的深圳“平安国际金融大厦”，主体高597m，算上塔顶共有660m高，总投资达到90亿元，拟于2016年竣工。2008年底开工的“上海中心大厦”，建筑主体为118层，总高为632m，建筑造价达到148亿元，拟于2015年竣工。

2009年上半年开工、目前正在施工中的“武汉绿地中心”高度也将达到606m，因其300亿元的投资额而成为世界第一“烧钱”的摩天大厦。拟于2016年3月18日竣工。我们的研究生参与了基桩试验。然而，长沙的“远望大厦”将以其高达838m，共有220层而一举成为“世界第一高楼”，比“迪拜塔”还高出10m。若按每层15kPa的荷载估算，基底压力高达3300kPa，约合330T/m2。甚至可能产生地壳稳定性或区域稳定性问题。2014年7月10日报道，远大集团世界第一高楼成大水坑，被疑是骗局。15

我国的锦屏一级水电站混凝土双曲拱坝坝高305m，为目前世界第一高拱坝，于2009年10月23日开始浇筑混凝土，于2014年7月12日正式投产运行。全球的世纪工程—三峡水利枢纽对地质环境影响的深广度更将更是举世瞩目。从孙中山的民国时期即开始筹划。立项论证时，反对派的九条反对理由中，就有五条有地质环境有关，其中主要内容包括水库淤积、塌岸、洄水等问题；担心诱发地震与崩、滑、流等多种地质灾害。三峡水库蓄水后对地质环境的影响深、广度不可估量，汶川地震到底是否与其有关也难以定论。所以有“那些反对三峡工程的人对三峡工程的贡献最大”的说法。(见2014，2，21的中央电视台对水利泰斗潘家铮的报道)1617可见，地质环境是十分可贵的，合理开发与妥善保护地质环境成了工程地质学的极其重要的课题之一，事关国家的可持续发展大局。并且，《环境地质学》、《环境工程地质学》、《地质工程学》与《环境岩土工程学》也因此应运而生。

二、工程地质学的研究对象、任务和分科1.定义

是研究工程建筑规划、选址、设计、施工、运营中的地质问题，以保证建筑物安全稳定、正常使用与经济合理，还要合理地利用和妥善地保护地质环境的地质学分科。

随着工程地质学的发展而不断完善。

182.对象

对象：人类工程活动与地质环境的关系，特别是二者之间的矛盾。(或工程地质条件和工程地质问题)工程地质条件：与工程建筑有关的地质因素的综合。包括6大要素：

①地形地貌；②地层岩性；③地质结构与构造；④不良地质现象；⑤水文地质条件；⑥天然建材(仅限于大型工程项目)。

工程地质问题：工程建筑与地质环境之间的矛盾。

如地基变形(过量变形或不均匀变形)与破坏、地下洞室围岩变形与破坏、边坡变形与破坏等。

3.任务

①选择建筑场地(从地质环境方面)；②查明场地工程地质条件；③评价场地存在的工程地质问题；④合理建议建筑结构设计、施工方案；⑤建议改善不利地质条件的措施。(如边坡支护、软基处理、基础防腐等)根本任务：保证建筑物安全稳定、正常使用、经济合理。

194.分科

可以从功能上和层次上划分。从功能上分，主要有三个分支：20①工程岩土学(Scienceofengineeringsoilandrockgeology)→研究地质环境的物质基础(岩土体)的工程性质。工程性质包括物理、水理、力学性质。内容包括“工程土质学”与“工程岩质学”两部分。

②工程地质分析原理(Analysisofengineeringgeology)→研究工程地质问题的成因、机制、分布与规模、发展演化规律，以便正确评价和有效地防治。

③工程地质勘察(Engineeringgeologyexploitation)→用一定的勘察方法、手段查明工程地质条件，将工程地质理论应用于工程建筑中。张倬元老先生将工程地质学与医学比较：①→生理学，②→病理学，③→诊断学。

从层次上分：勘察方法、手段包括：地质调查与测绘、工程地质勘探(物探、坑探与钻探)、工程地质测试(现场原位测试与实验室测试)。

①工程地质学基础：包括

②专门工程地质学：针对各类工程的勘察技术。与“勘察理论”共同构成“工程地质勘察”。下学期开出

不同类型的工程，其对应的工程地质问题各有侧重，如：拦水坝与水库工程：抗滑稳定、渗漏、岸边坍塌、库区淤积。房屋工程：基础沉降、地基承载力。

2122隧道工程：围岩稳定性。道路工程：路基与边坡稳定性。

此外还有

等边缘、交叉学科。

三、工程地质学的研究方法(4种方法)

1.地质历史分析法(属于地质学法)

用传统地质学的理论、方法来定性分析工程地质问题。手段上：调查、踏勘、测绘、轻型勘探等。

理论上，据

即从“面”到“点”、从“古”到“今”

232.试验(实验)法

人工使地质现象再现。包括：模型模拟法、实体试验法(如室内实验与现场原位试验)。3.数学力学分析法

用数学力学理论定量评价工程地质问题。(如岩、土力学)步骤：工程地质勘察获取地质资料；建立地质(或物理)模型；建立数学、力学模型；定量计算、评价。

4.工程地质类比法

在满足相似原理的前提下，将已有的工程经验用于拟建的工程中。24

相似原理要素

如：据建筑经验归纳出的手册、规范，可供查用。注意：综合运用，但必须基于①法(地质学法)。正如孙广忠先生所强调：若地质模型有问题，那么计算得再精确又有何用？四、工程地质学与其他学科的关系

定性基础课：地质学原理(基础)、矿物学、岩石学、构造地质学、地貌与第四纪地质学、水文地质学。定量基础课：数学、力学、化学等。了解服务对象：工程建筑概论。交叉学科：

25

工程地质学+土木工程学→

边缘学科：地震、环境、矿山、山地、城市工程地质学等。

◆相关学科简介◆

1.土力学与岩体力学均属于工程力学范畴，前者属于连续介质力学，后者属于不连续介质力学。同为工程地质学、岩土工程学与地质工程学的重要专业基础课。2.岩土工程学与地质工程学均属于工程地质学+建筑工程学所形成，为工程地质学向建筑工程学的延伸，但属于工程学范畴。

26

地质工程学：强调改善工程地质条件(地质环境)措施。

⑴岩土工程学(Geotechnicalengineering)(来自西方)

岩土工程学是将土力学及基础工程学、工程地质学、岩体力学三者结合为一体，并应用于土木工程实际而形成的一门应用性新学科。隶属于土木工程学范畴。包括岩土工程勘察、岩土工程设计、岩土工程施工与岩土工程测试(检测、试验、监测)等环节。它涉及土木工程建设中岩土的利用、整治或改造，其基本问题是岩土体的稳定、变形和渗流问题。主管部门：住房建设部。

岩土工程学：强调采用结构措施处理问题；注册职别：岩土工程师。2002年9月25日首次全国考试。

⑵地质工程学(Geo-engineering)“地质工程”的定义：狭义：以地质体作建筑材料、以地质体作建筑结构、以地质环境作建筑环境而建筑起来的一种特殊工程。

广义：大地改造工程或地质环境改造工程。2728包括隧道工程、采矿工程、坝基工程、边坡治理工程、崩滑流等地质灾害治理工程等。地质工程的基础理论是地质控制论。地质控制论包括：地质构造控制论、岩体结构控制论、土体结构控制论与地质体赋存环境因素(地应力、地下水、地温与改造环境)控制论。地质工程学面对的是正在变形破坏中的复杂地质体。地质工程学弥补了“岩土工程学”对山体稳定性和区域地壳稳定性评价、控制与改造的不足。主管部门：国土资源部。注册职别：地质工程师。

29五、工程地质学发展过程、现状与展望1.工程地质学的发展过程

国际上，可分为三个阶段：①上世纪30年代，苏联首创；②上世纪60年代，学科完善；③上世纪80年代以来，飞速、纵深发展。国内，上世纪50年代从苏联引进。苏联专家在中国带的首批研究生有王思敬、孙广忠、张倬元、唐大雄等知名学者。上世纪60年代，中科院地质所谷德振老先生创建了工程地质力学。近60年来，我国的三代工程地质工作者为祖国的建设付出了艰辛努力、立下了汗马功劳。

目前，中科院、地矿(地质工程)、煤炭、冶金、石油化工、水利水电、交通、国防、航天等部门都设有工程地质或岩土工程方面的机构，因而你们可以就业于祖国四面八方的各行各业!2.工程地质学的发展现状

我国的工程建设步骤依次为：①可行性研究、立项；②工程地质勘察；③设计；④施工；⑤检测、验收。即工程地质勘察先于设计、施工，因此，素有“工程建设尖兵”之美誉。

就煤炭行业而言，工程地质工作起步较晚：①煤炭勘察设计院侧重于工业民用建筑勘察、设计；3031②矿山边坡与巷道围岩稳定性评价与支护设计实际上多由矿山建设人员主持；③地面沉陷治理则主要由矿山测量人员主持。因他们不了解地质环境与地质条件，致使“三下采煤”(水下、道路下、建筑物下)中的高边坡、深部采煤等难题迟迟不能解决。随着国土资源部的成立，地矿系统与煤炭系统的一部分归属于同一主管单位，给基于工程地质学的延伸发展起来的“地质工程学”发展提供了动力—-得以在矿山环境治理中大展身手!一句话，有工程建设，就需要工程地质!

3.工程地质学的发展展望

工程建设纵深发展的需要为工程地质学的发展提供了空前的动力和给养：

空间上：

复杂程度上：工程地质条件简单→复杂；

工程规模上：不断扩大，如三峡工程。要求上：定量化、精确化、动态化。多学科交叉发展：国内知名学者钱伟长、马伟民、孙钧等(主要从事力学研究)多年前开始招收工程地质方面的博士生。

六、工程地质学基础的学习内容与方法

本学期仅讲授工程地质学基础中的核心内容—工程地质分析原理中的前四篇。

32

最近得知，吉林大学申报成功了国家自然基金----珊瑚礁的工程地质条件研究(为了在南海争端海域的基建！)

331.区域稳定与岩体稳定分析中的三个基本问题⑴岩体结构★★⑵岩体天然应力★★⑶岩体变形和破坏★★

2.与区域稳定性有关的问题分析

⑷活断层★★⑸地震与诱发地震★★⑹砂土液化★★⑺地面沉降★★

3.与岩土体稳定性有关的问题分析

⑻斜坡稳定性★★⑼地下硐室围岩稳定性★★⑽地基稳定性

344.与地下水渗流有关的问题分析

⑾岩溶及岩溶渗漏有关的问题分析⑿渗透变形分析★★

学习方法：叙述性为主(与岩土力学截然相反)，要求做笔记，学习、考试范围均在讲授范围之内；内容多、涉及面广，要求及时学习、当堂或当天消化；作业量小。每周三19:30在四教401答疑。

考研者注意：本课程讲授的内容范围有限，特别是针对考成都理工大学、地质大学的，几乎每年均有第四、五篇的考试内容。教材：工程地质分析原理，主编张倬元等，地质出版社，2009版。参考文献：有关的工程地质学均可，内容大同小异。

第一篇区域稳定与岩体稳定分析中的三个基本问题

包括地壳岩体的

区域稳定与岩体稳定，即本课程的通论。

35第1章地壳岩体的结构特征第1章地壳岩体的结构特征36第1章地壳岩体的结构特征内容提要1.1概述31.2结构面的类型与特征81.3岩体结构的类型及其特征171.4岩体结构特征的统计分析22第1章地壳岩体的结构特征1.1概述一、概念1.岩体(Rockmass)—工程岩体

与工程建设有关、处在一定地质环境中、由各种“显性”结构面和被其分割的岩块共同组成的地质集合体。(岩体=结构面+岩块)解释：①工程建设影响范围之外的不算；②地质环境：构造、地应力、地温、地下水等；③“显性”结构面：不连续面、肉眼可见④岩块(结构体)：俗称岩石、岩石材料，可包含有“微观”结构面；

第1章地壳岩体的结构特征

1.1

37

⑤“岩体”与岩石学中的“变质岩体”、“岩浆岩体”含义不同。

第1章地壳岩体的结构特征

1.1

2.结构面(不连续面)(Thefabricfaceofrockmass)

岩体中有一定方向、一定延伸、力学强度相对较低的地质界面(地质带)。3.岩体结构(Thefabricofrockmass)(构造：Structure)

结构面与岩块的组合方式。

内容

含38

①结构特征→岩体结构类型，如结构面较少时为完整结构岩体。②岩块：存在微观(micro-)结构面，但与宏观工程尺度相比，可视为连续、均质、各向同性体。岩体：存在显性(macro-)结构面，与宏观工程尺度相比，可视为不连续、非均质、各向异性体。

第1章地壳岩体的结构特征

1.1

二、研究意义

1.

岩体结构→岩体工程稳定性第1章地壳岩体的结构特征39

③结构面越发育(越破碎)，力学强度越低。

④结构面→破坏方式→稳定性：如剪断破坏(切层滑坡)和剪滑破坏(顺层滑坡)。第1章地壳岩体的结构特征

1.1

剪断破坏-切层滑坡剪滑破坏-顺层滑坡图1-1切层、顺层滑坡

402.结构面往往是岩体工程稳定性的控制面(∵强度低+应力集中)。3.结构面往往是风化营力的通道，风化活跃，可预测岩体强度的变化。4.结构→岩体的力学介质类型→评价计算理论(力学模型)，如：

第1章地壳岩体的结构特征

中科院地质所孙广忠等提出了岩体力学性质及其稳定性的“岩体结构控制论”。

第1章地壳岩体的结构特征第1章地壳岩体的结构特征

1.1

41

分类方案，据第1章地壳岩体的结构特征

1.21.2结构面的类型与特征

其中地质成因分类是最基本的方案。在此仅简单介绍地质成因类型与规模类型。

一、地质成因类型

结构面←建造+改造

42第1章地壳岩体的结构特征

1.2

建造

㈠原生结构面(用岩相学理论)成岩时形成，未经改造。按照成因分三类：1.沉积结构面:包括层理、层面、夹层、成岩裂隙(如泥裂)、沉积间断面、古风化面等。特点：产状与岩层一致，连通好、延伸长，易成滑动面。2.岩浆结构面:包括侵入接触面、冷凝节理、流面、流线等。特点：产状受岩浆流向及边界面控制。3.变质结构面:包括片理、片麻理、片岩夹层、残留结构面等。特点：产状受构造线+原岩层面控制。43

成岩后构造作用形成，包括节理、断层破碎带、层间错动带等。特点：产状受构造线控制，节理短而小、断层长而大，且特点与力学成因密切相关。第1章地壳岩体的结构特征

1.2㈡构造结构面(用构造地质学、地质力学理论)力学成因规模，如图

44第1章地壳岩体的结构特征

1.2图1-2失稳体形状与构造结构面的关系

㈢浅生、表生结构面

成岩后浅生、表生作用所致。

浅生、表生作用包括：

45第1章地壳岩体的结构特征

1.21.风化裂隙特点：地表处与原生构造结构面附近较发育，由表及里，由强变弱；多组交叉处多成风化囊；易风化层常成风化夹层，如深圳的“风化球”、邯郸的“土岩互层”。2.卸荷裂隙

形成机理：剥蚀、切割

若

46第1章地壳岩体的结构特征

1.2图1-3卸荷、差异性回弹引起的裂隙特点：张性多充填；临空面附近发育，深处变弱；产状(受控于)与临空面或层面一致。

47第1章地壳岩体的结构特征

1.23.泥化夹层

软硬相间的岩层在构造变动中，沿软弱层产生多次错动，其原生结构破坏成破碎带。后经地下水长期物理化学作用，颗粒变细、矿物成分变化(粘土矿物化)而变成性质极差的夹层。特点：产状受控于原生软弱层，延伸长，有矿物定向带；粘粒与粘土矿物含量高；易软化，强度低，有明显的流变性(蠕变与松弛)，是最为软弱的结构面。4.次生夹泥

地下水携带物在原张开的裂隙充填而成。总之，

48第1章地壳岩体的结构特征

1.2二、规模等级划分表1-1结构面规模等级划分(P10表1-2)49第1章地壳岩体的结构特征

1.2

依据规模分三级如此划分并不完善，

，如：

因为

图1-4岩体的尺寸效应所以，结构面规模分级必须考虑工程的尺度才有其实用性。

50第1章地壳岩体的结构特征

1.31.3岩体结构类型及其特征一、岩体结构类型的划分1.划分依据因为岩体结构是地质建造与地质改造的共同产物，所以应考虑建造与改造两方面因素。岩体结构类型分析图解如下图。

据孙广忠，较完整的岩体改造成板状体—板裂化。51第1章地壳岩体的结构特征

1.3图1-5岩体结构类型分析图解(P11图1-4)52第1章地壳岩体的结构特征

1.32.划分方案组合成P11图1-4的四类岩体结构类型，如下表。表1-2岩体结构类型划分及其工程特征差强差复杂结构类型力学介质类型评价理论力学性质与水作用工程稳定性施工处理措施Ⅰ完整块体状连续弹力、材力、流变学等(连续介质力学)好弱好简单Ⅱ块状、层状、板状不连续刚体平衡、结构力学(不连续介质力学)Ⅲ碎裂状不连续、似连续碎块体力学Ⅴ散体状似连续土力学、弹塑性力学(连续介质力学)53第1章地壳岩体的结构特征

1.3二、岩体的定量化分类(工程应用分类)

前述的分类属半定量分类，应用不方便。方案应基于：

P13表1-3列出了四种岩体质量分类方案：据各因子的重要性分别给出比重不同的分数，然后相加(并联法)或相乘(串联法)，得出一个综合指标，据此指标进行分级，以反映岩体的质量。岩体质量分级一般需考虑下列因素：54第1章地壳岩体的结构特征

1.3

其中有两个重要指标：①RQD—岩石质量指标：每100cm长的岩芯中长度超过10cm岩芯段总长度所占的百分比(0～100%)。②岩体完整性系数：I=Vpm2/Vpr2

其中Vpm—岩体的Vp，Vpr—岩块的Vp。结构面越密，则RQD、I越小，说明岩体质量越差。各国的各行各业均有各自的分类方案。55第1章地壳岩体的结构特征

1.4

方案优或劣的关键在于：①考虑因素的全面性与因子取值的客观性；②计算公式的合理性(并联？串联？串并联？)；③分组原则与应用问题。尽管还未统一，也永远不可能统一，但定量分类与定量评价是必然的发展方向。1.4岩体结构特征的统计分析

按照地质力学、构造地质学理论，区域性结构面的分布是有规律的。但因地层岩性不均匀与地应力分布的复杂性，导致小范围(相对于工程建筑尺度)内结构面的随机分布。所以可以采用统计学理论进行研究。56第1章地壳岩体的结构特征

1.4

指导思想：通过调查测量、统计计算，将随机分布的结构面定量化(规律化)。

过程：

步骤：①现场测量，获得原始资料；②确定优势方向，结构面分组；(产状)③结构面分组校正(长度、方位)；④统计指标分组计算；(几何参数)⑤岩体结构模式化；⑥用于工程计算、评价。下面分步介绍：

57第1章地壳岩体的结构特征

1.4一、结构面测量常用路线精测法：选择代表性露头(工作面)，设置两组相互垂直且等间距的测线构成均匀测网，使测网中心尽量位于工作面形心。编录内容：①建立测网坐标，测记工作面的方位、位置与各测线的编号、方位、位置、长度；②结构面的产状、长度、位置(与测线的交点)等；③结构面的表面特征，如充填、张开度、粗糙度等。

二、确定优势方向与结构面分组(产状)

优势方向：空间上，结构面法线较密集的方向，为一组结构面的代表性产状。58第1章地壳岩体的结构特征

1.4

可有多个优势方向，即可有多组结构面。如何确定？1.作图法①在半径为R的赤平网上投影所有结构面的极点(代表法线)；②以R/10的间隔，将赤平网划分成方格网，交点(节点)作计测点；③以节点为圆心、R/10为半径画小圆—计数圆；④统计每个小圆内的极点数，并标在相应的节点上；或将各小圆内的极点数换算成密度值，并标在相应的节点上。密度值=(计数圆中极点数/总极点数)×100%

如图所示。59第1章地壳岩体的结构特征

1.4图1-6结构面密度等值线图(P28图1-16)60第1章地壳岩体的结构特征

1.4

密度中心→优势方向；几个密度中心→几个优势方向→几组结构面。⑤最终计算每组结构面平均方位角(d)与平均倾角(d)。2.计算机法(有专业软件)

用计算机代替人工计算。在球坐标上，球半径R、计测点P，规定：计测圆的面积=半球表面积/100：→

计测圆半径

r=

/10

结构面极点为Q(θ,δ)，计算每个极点至各计测点的间距L＝

61第1章地壳岩体的结构特征

1.4

判定：若L＞r，不计入；L≤r，计入。便获得各计测圆内的极点数。高密度中心→优势方向→、(某组结构面的平均方位角与平均倾角)。

三、分组校正

，需校正。如图所示。

62第1章地壳岩体的结构特征

1.4图1-7结构面被测几率与测线长度、方位有关(P27图1-14)63第1章地壳岩体的结构特征

1.41.测线长度校正

测线越长，结构面被测几率越大；反之则反。所以在布置测网时，应尽量使测线等长，但实际上难以实现。

若测线不等长，则需校正。以测线中最长者Ls为标准长度，设拟校正测线长为Ln

，该测线上测得某组结构面的条数为，对该组结构面进行校正：(P27式1-3)

2.测线方位校正

测线与结构面交角越小，则该结构面被测几率越小。平行时为0，垂直时最大。所以应尽量使每组测线与每组结构面垂直。但实际根本做不到，即均需校正。64第1章地壳岩体的结构特征

1.4

校正目的：求每组结构面与各组测线相垂直时的条数。经过推导得：(P27式1-4)

四、统计指标的分组计算(几何参数)

各组结构面按校正后的指标计算(简写为)。

1.平均方向(、为校正后的)

65常以平均方向作为某组结构面的优势方向(综合性方向)。，综合平均密度第1章地壳岩体的结构特征

1.42.平均间距(m)

某组结构面(θ,δ)在第I条测线上的平均间距：为I测线的长度(m)。综合平均间距：，n为测线总根数。

3.平均密度

，n为间断个数、Bi为第i条间断长度；，n为结构面条数；

66)

平均延续率()、

平均间断长()、

4.平均长度(面积延续率；。线延续率、比较难得。第1章地壳岩体的结构特征

1.4图1-8岩体结构特征量化模型建立过程(P25图1-12)

由于两端闭合、隐性裂隙的Li难以确定，所以上述准确数据五、岩体结构模式化

、67第1章地壳岩体的结构特征

1.4

从左到右依次为：

a、原型(原始资料)；

b、分组，取平均方向；

c、分组定量化(几何参数平均值)；

d、定量化模式。

68第一篇区域稳定与岩体稳定分析中的三个基本问题

包括地壳岩体的

1区域稳定与岩体稳定。

2.1概述3

2.2影响岩体天然应力状态的主要因素162.3天然应力随时间的变化规律282.4天然应力场的空间分布规律(简介)362.5地表高水平应力的地质地貌标志412.6岩体天然应力状态的研究方法51

第2章地壳岩体天然应力状态2第2章地壳岩体天然应力状态2.1概述一、岩体天然应力的组成

地应力分类如人为开挖、加荷等。

岩体天然应力(状态)(场)：指岩体中未经人为扰动的应力(状态)(场)。包括：

第2章地壳岩体天然应力状态2.132.11.自重应力(场)

—由岩体自重引起的应力(重力场)。

若为弹性岩体，因泊松效应：

式中μ—泊松比，取0~0.50；

N0—侧压力系数，0≤N0≤1，即0≤σH≤σV。如图：第2章地壳岩体天然应力状态42.1图2-1自重应力场

2.构造应力(场)

由地壳的构造运动所致。

第2章地壳岩体天然应力状态52.1第2章地壳岩体天然应力状态3.变异应力

由所致，具局部性。

4.残余应力

残余应力：承载岩体卸荷时，若各组分的回弹存在差异，造成约束组分与回弹组分(被约束组分)系统内部形成的应力。

62.1第2章地壳岩体天然应力状态

感生应力：因人类工程活动而引起变化后的应力，不属于天然应力。

二、岩体天然应力状态的类型

岩体天然应力状态是由各种天然应力以一定的方式组合而成。其中有三种典型的类型：

㈠三种应力状态类型

1.静水压力式(海姆假说)

特点：岩体中任一点，σ1=σ2=σ3或σv=σH1=σH2=γH，即N0=1。基于流变学理论。

地质条件：地壳深部的高塑性岩体。瑞士地质学家“海姆”在考察了大量越岭隧洞围岩情况后，于1878年提出。72.1第2章地壳岩体天然应力状态2.铅直应力为主

特点：以自重应力为主，泊松效应导致σH≤σv。基于弹性理论。

地质条件：强切割地段。

1925年金尼克、1952年太沙基提出。3.水平应力为主

特点：σ1近水平，σH1、σH2(两个水平向主应力)具有方向性，或可表示为：，且具有方向性。

σH1=σ1，

原因：水平方向构造运动所致。

82.1第2章地壳岩体天然应力状态1951年，瑞典的Dr·哈斯特在“斯堪的纳维亚半岛”进行了首次地应力实测。后来许多国家相继进行了大量的实测工作，结果证实了大部分地区都存在上述“水平应力为主”的现象。这一观点证实了李四光早在上世纪30年代便提出的“地壳运动以水平向为主”的观点。

㈡现代天然应力场的类型

按σ1、σ2、σ3的方向划分为潜在走滑型、潜在逆断型、潜在正断型三种类型。①潜在走滑型(以水平应力为主)—σ1、σ3水平，σ2直立；②潜在逆断型(以水平应力为主)—σ1、σ2水平，σ3直立；③潜在正断型(以铅直应力为主)—σ2、σ3水平，σ1直立；若σ1、σ2、σ3倾斜，属过渡类型。92.1第2章地壳岩体天然应力状态三、研究岩体天然应力状态的意义(三方面)

1.岩体天然应力状态→区域稳定性，如

102.岩体天然应力状态→工程岩体稳定性在高应力区⑴地下开挖

①若洞轴线垂直于σ1

，不利于稳定。a.σ1∥层面时，卸荷回弹+压弯→

2.1a.如水平洞，σ1∥层面时

第2章地壳岩体天然应力状态b.σ1⊥层面时，卸荷回弹+压弯→112.1第2章地壳岩体天然应力状态b.如水平洞，σ1⊥层面时

若为塑性岩体：严重缩颈。如峰矿集团通二矿-550m水平塑性+膨胀性变形致严重缩颈！

②若洞轴线∥σ1，影响不大、有利于稳定。

⑵地表开挖①若坑道走向⊥σ1，不利于稳定。122.1第2章地壳岩体天然应力状态a.塑性岩体，底鼓

b.块裂状岩体，斜向剪切13坑底：a.塑性岩体，底鼓；b.块裂状岩体，斜向剪切；c.完整岩体，岩爆。c.完整岩体，岩爆坑壁：差异性回弹，导致近水平向剪切。2.1第2章地壳岩体天然应力状态

②若坑道走向∥σ1，有利于稳定。⑶边坡

①若边坡走向⊥σ1，坡脚剪应力集中；对陡倾岩层，倾倒。②若边坡走向∥σ1，有利于稳定。3.高应力区的大型工程→诱发区域稳定性问题

14

可见，岩体天然应力状态是重要的工程地质要素，特别是高应力区的重大工程和线状工程(走向与σ1方位的关系)。如，2.2第2章地壳岩体天然应力状态2.2影响岩体天然应力状态的主要因素

对于某个特定的地区，岩体的天然应力状态是由前述的各种应力因素(自重应力、构造应力、变异应力、残余应力)以特定的方式组合而成，并受下列三方面因素所影响：地区历史地质条件、临空面附近的应力分异效应、切割面附近的残余应力效应。一、地区历史地质条件

地区历史地质条件包括四方面：岩性与结构特征、不连续面附近的应力集中效应、构造作用及其演变历史、区域卸荷作用。1.岩性与结构特征152.2第2章地壳岩体天然应力状态2.不连续面附近的应力集中效应

(1)曲率大处应力集中强烈如走滑型断裂：(右旋式为例)

走滑型断裂两端的应力集中效应

两端：拉、压应力集中(四象限分布)；面上：剪应力集中；16

(2)拐点处

反向梯坎：压应力集中→Tf增大→锁固力增强、积累高应变能→隆起、强震孕震区；

顺向梯坎：拉应力集中→沉降、弱(无)震区；2.2第2章地壳岩体天然应力状态17反向梯坎顺向梯坎

⑶交汇处：集中更强烈。

2.2第2章地壳岩体天然应力状态183.构造作用及其演变历史(主要因素)

构造作用→构造应力场(σ1、σ2、σ3大小与方向)；演变历史→剩余应力场(σ1、σ2、σ3大小与方向)。4.区域卸荷作用→表层岩体的天然应力状态

如侵入岩体，侵入时呈静水压力式(σh=σv)。经冷凝后剥蚀，由于泊松效应，水平与铅直向应力不同步降低。

深度处的应力场(静水应力状态)：

2.2第2章地壳岩体天然应力状态19例：侵入时，侵入岩内

冷凝、并经地面剥蚀厚度h0后：，

，

可见，水平应力的减小幅度小于铅直应力的降幅。

作业1-1.试推导说明区域卸荷作用导致侵入岩体表面处高水平向应力状态的原因。(老教材P50)

2.2第2章地壳岩体天然应力状态20二、临空面附近的应力分异效应

应力分异

1.侧向临空面

如河流自然切割而成等。

2.内部临空面(如洞穴)

内部卸荷→内部回弹→应力分异。特点：①从围岩内部向洞壁2.2第2章地壳岩体天然应力状态21

特点：(详见岩体力学)①主应力轴明显转向：σ1∥坡面、σ3⊥坡面；②从坡内向坡面方向：σ1增大、σ3减小至0；③从坡顶向坡脚：

④远离坡面：回归切割前的状态。

；

②远离洞壁，原始状态。

2.2第2章地壳岩体天然应力状态22三、切割面附近的残余应力效应

切割、卸荷→应力释放、回弹。若为差异性回弹，则形成残余应力。

引起差异性回弹有以下三种情况：(要求掌握)1.非均质承载岩体(组分力学性质不同，如Ee不同)

切割、卸荷→回弹：

当残余拉应力≥抗拉强度σt时，约束元件拉裂；当残余剪应力≥界面抗剪强度τf时，弹胀元件与约束元件之间剪损。(不存在弹胀元件被残余压应力压坏问题)模型如图：

2.2第2章地壳岩体天然应力状态23屈服极限σay＞σby，弹性模量Eae＞Ebe

加荷至σay≥σ≥σby时，a、b同步变形，且b产生了塑变。此时卸荷：

①若两者不连结，则a恢复、b永久变形；

2.2第2章地壳岩体天然应力状态24

②若两者牢固连结，则之间残剪，最终平衡；

a、b两者牢固连结

③若b的σ残拉≥σt，则b被拉裂，残余应力全部释放。

b的σ残拉≥σt时b被拉裂2.2第2章地壳岩体天然应力状态252.各组分受荷不均匀

切割、卸荷→回弹：

若σ残拉≥约束元件的σt，则拉裂。

如沉积颗粒在荷载作用下被充填、胶结后，再经剥蚀、卸荷，形成拉裂的情况。

作业1-2：试分析沉积颗粒在荷载作用下被充填胶结后，经剥蚀、卸荷而形成的拉裂过程或机理。(老教材P54)

承载颗粒为弹胀元件受残压，未承载的填充胶结物为约束元件受残拉。当到达填充胶结物的σt时，则形成一系列垂直于剥蚀卸荷方向的水平向拉裂。(由表及里，由密至疏)2.2

第2章地壳岩体天然应力状态263.各组分卸荷不均匀

如河谷逐渐向下切割、卸荷→

随着切割深度增大，残余剪应力增大。当τ残≥τf时，即近水平向剪裂。又如后述的“岩芯裂饼”。

岩体为粘弹性体，既可以表现为弹性，又可以表现为粘性。

理论上已证明，由较大τ(构造应力)决定的越大，则弹性越明显。反之，则粘性越明显。2.3第2章地壳岩体天然应力状态272.3天然应力随时间的变化规律一、岩体应力—应变性能与应变速率的关系

为了研究天然应力的演化，有必要先讨论一下岩体应力—应变性能与应变速率之间的关系。

理论与实践均证明：

构造应力的积累←

很小→缓慢蠕变(粘性明显)。

若τ很小→2.3γ增大，最终突然破坏(地震)，为弹性型。第2章地壳岩体天然应力状态28①当实际的②当实际的增大，后来不再增大，为粘性型；，即较大时，τ—γ为Ⅰ类：τ增大，则＞，即较小时，τ—γ为Ⅱ类：τ随γ缓慢＜

日本的伊藤、熊谷针对花岗岩的长期流变试验结果表明，一定的岩体存在一个特定的临界应变速率。均处于弹性状态，两者都可能突然破坏而发震—历史上遭受强烈构造变动区的情况。则按构造力的大小，会有下列三种组合情况：

①构造力较大时，使破坏所需的时间越短(地震周期越短)；反之则反。

③同一地区在同一构造力作用下，岩体内部的＜(断裂带的)(∵沿断裂带应力集中)。越大(外力越大)，则弹性越明显、极限应力越大(M越大)、

且2.3第2章地壳岩体天然应力状态(＞)＞，则岩体内部及断裂带

②若构造力中等，使

＞，而

＜断层，现代地震区)的情况。—构造新活动区(活则292.3

第2章地壳岩体天然应力状态③若构造力较小，使

(＜)＜，

则岩体内部与断裂带均处于粘性态，不会积累高应变能、不会突然破坏—现代构造稳定区(无震区)。30二、天然应力随时间的变化

由上述可见，地应力的积累过程与实际的2.3第2章地壳岩体天然应力状态密切相关，它随时间的变化也可分成相应的三种情况：①当(＞)＞时，岩体内部与断裂带均可能突然破坏而发震。其中

且越大，越大、而越小；反之则反。下图①

②当(＞)＞时：

岩体内：粘性；断裂带：弹性，会突然破坏而发震—老断裂复活发震。下图②

31时：2.3第2章地壳岩体天然应力状态③当＜(岩体与断裂带均为粘性，均不会突然破坏而发震。下图③

①②＜)32的变化→2.3第2章地壳岩体天然应力状态本节小结：

①→τ—γ关系→τ—t关系；②构造力的变化→、的变化。构造力的突发性变化是地震的重要诱发因素。

③332.3第2章地壳岩体天然应力状态总之，天然应力的变化包括1.积累过程2.释放过程342.4第2章地壳岩体天然应力状态2.4天然应力场的空间分布规律(简介)一、我国区域应力场的分布特点(与区域稳定相关)

据地震地质、地应力与地形变资料分析，我国天然应力场的分布有如下规律。1.最大主应力方向具有明显的规律性(P46图2-8)

某地与巴基斯坦的伊斯兰堡和西藏西南部的察隅连成的夹角的平分线，即为该地的σ1方向。这是统计规律，机理尚不清楚。

352.4第2章地壳岩体天然应力状态我国区域主应力迹线分布图36

④东部、东北部——潜在正断型带及张剪性走滑型带

成因：受控于

与欧亚板块联合碰撞作用。

2.4第2章地壳岩体天然应力状态2.三向应力状态类型分带性明显(P47图2-9)

从西南→东北，可分为四个带：①喜马拉雅山前缘——潜在逆断型带②西藏高原——潜在正断型带③中西部——潜在走滑型带

其中以印度洋板块作用为主(5cm/y)。

372.4第2章地壳岩体天然应力状态我国区域应力状态分区图38·h(kPa)(

·h，这可能与剩余应力、地形地貌、地表地质作用和岩体各向异性等有关。2.4第2章地壳岩体天然应力状态二、表层岩体应力的分布规律(与岩体稳定相关)

在地壳表层，由于受区域剥蚀卸荷、沟谷切割卸荷、地形等多因素的影响，导致表层岩体的应力分布有其特殊规律。1.铅直应力

=27.0kN/m3)

全世界25-2700m深度内σv=2.水平应力普遍大于铅直应力，水平应力具有方向性，且σH1≠σH2。3.σH1、σH2也与h近似成正比。

·h(MPa)，但500m深度内σv稍大于

国内σv=0.0271·h=392.5第2章地壳岩体天然应力状态2.5地表高水平向应力的地质地貌标志

当地应力≥岩体强度时，破坏、应力释放，形成一些现象(标志)。意义：通过“标志”初步认识高应力区的分布

主要标志有隆爆、蓆状裂隙、谷底水平卸载裂隙、应力释放型拉张变形带、岩芯裂饼、钻孔崩落等六种。

1.隆爆(