工程地质分析原理复习

工程地质大纲 一 名释一 名释 工程地质问题工程地质问题 当工程地质条件不能满足工程建筑物稳定 安全的要求时 工程地质条件 与工程建筑之间存在矛盾 工程地质条件工程地质条件 土石性质 地质构造 地貌 水文地质条件 自然地质现象和天然建筑材 料 岩体结构面岩体结构面 岩体 岩体 地质体中与工程建设有关的那部分岩石 处于一定的应力状态 被各种结构面所分 割 结构面结构面 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 或带 结构体结构体 结构面在空间的分布和组合将岩体切割成形状 大小不同的块体 称结构体 天然应力状态 天然应力状态 是指未经人为扰动的 主要是在重力场和构造应力场的综合作用下 有时 也在岩体的物理 化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态 常称为天然应力或 初始应力 在岩体天然应力场内 因挖除或增加结构物而引起的应力 称为感生应力 称为感生应力 在重力场作用下生成的应力为自重应力 为自重应力 变异应力变异应力 物理 化学变化及岩浆的侵入等引起的应力 可统称为变异应力 只具有局部 意义 残余应力残余应力 遭受卸荷或部分卸荷时 膨胀回弹趋势部分地受其它组分约束 形成拉 压应 力自相平衡的应力系统 活断层活断层 目前还在持续活动的断层 或在历史时期或近期地质时期活动过 极可能在不远 的将来重新活动的断层 后一种情况也可称为潜在活断层 一般定义为晚更新世 全新地质时期 万年 有过地震活动 或近期正在活 动 在将来 今后 年 可能活动的断裂叫做全新活动断裂 水库诱发地震水库诱发地震 水库蓄水而导致库区地震活动强度和频次强度和频次显著增强的现象 砂土液化 砂土液化 对于饱和砂土 在振动荷载的作用下 孔隙水压力上升到使砂粒间有效正应力降 为零时 砂体就会悬浮于水中 砂体也就完全丧失了强度和承载能力 这就是砂土液化 渗流液化渗流液化 饱水砂土在强烈地震作用下先产生振动液化 使孔隙水压力迅速上升 产生上 下水头差和孔隙水自下而上的运动 动水压力推动砂粒向悬浮状态转化 形成渗流液化 超孔隙水压力 超孔隙水压力 砂的渗透性不良 排水不通畅 前一周期的排水尚未完成 下一周期的孔 隙度再减小又产生了 孔隙水必然承受由孔隙度减小而产生的挤压力 生了剩余孔隙水压 力或超孔隙水压力 地下洞室地下洞室 是指人工开挖或天然存在于岩土中作为各种用途的构筑物 围岩围岩 隧道周围一定范围内 对洞身的稳定有影响的岩 土 体 大约为地下洞室横断面中最 大尺寸的 3 5 倍 20 0 5 rr 二 简答二 简答 结构面的成因分类 原生结构面 构造结构面及浅 表生结构面 表结构面的成因分类 原生结构面 构造结构面及浅 表生结构面 表 1 1 1 原生结构面原生结构面 沉积结构面 层理 层面 软弱夹层 不整合面 假整合面 古冲刷面等 火成结构面 侵入体与围岩接触面 岩脉 岩墙接触面 喷出岩的流线 流面 冷凝节理 面等 变质结构面 片理 片麻理 板劈理 片岩软弱夹层等 2 构造结构面构造结构面 节理 X 型节理 张节理 断层 正断层 逆断层 走滑断层 层间错动带 羽状裂隙 破劈理 3 浅表生结构面浅表生结构面 1 浅部结构面 浅部结构面 卸荷断裂 重力扩展变形破裂 2 表部结构面表部结构面 卸荷裂隙 风化裂隙 风化夹层 泥化夹层 次生夹泥 4 岩体结构分类岩体结构分类 1 按建造特征可将岩体划分为块体状 或整体状 结构 块状结构 层状结构 碎块状 结构和散体状结构 5 类型 2 按岩体改造的程度可划分为完整的 块裂化或板裂化 碎裂化和散体化 4 个等级 3 块体状结构 无软弱面的岩体 原生结构面具有较强的结合力 间距大于 1m 4 块状结构 含有 2 3 组较发育的软弱结构面的岩体 结构面间距 1 0 5m 5 层状结构 有一组连续性好 软弱面的岩体 岩性不均一 软弱面间距 50 30cm 6 碎块状结构 多组密集结构面的岩体 被分割成碎块状 以某些动力变质岩 7 散体结构岩体 碎屑状散体 结构面无序 有角砾 中杂有泥质 糜棱岩体 5 岩体应力的一些基本概念 岩体应力的一些基本概念 天然应力或初始应力 virginal stress 岩岩体体应应力力 感生应力 induced stress 自重应力 gravitational stress 构造应力 tectonic stress 变异及残余应力 altered and residual stress 活动的 active tectonic stress 剩余的 residual tectonic stress 6 我国地应力场的空间分布特点我国地应力场的空间分布特点 各地最大主应力的发育呈明显的规律性各地最大主应力的发育呈明显的规律性 1 方向 该点与察隅和伊斯兰堡联线夹角等分线方向近似 以东经 105o 为 界 分为东西 东近水平向 西为近南北向 仅在两侧边缘地带略有偏转 即东侧向顺时针偏转 西侧向逆时针偏转 7 岩芯饼化现象岩芯饼化现象 1 表面均为新鲜破裂面 边缘部分粗糙 多数内部隐约见有顺槽 或沿一个方向的擦 痕与之正常的拉裂坎 厚度 直径关系 约为直径的 1 4 1 5 只要孔径相同 岩饼的厚度 就大致相近 2 饼状岩芯的岩体力学条件 饼状岩芯的岩体力学条件 a 弹性高 储能条件好的岩性条件 如火成岩 b 整体块状的岩体结构条件 c 高地应力条 件 最大主应力在 30MPa 以上 8 岩体破坏的基本形式岩体破坏的基本形式 1 据破坏机制据破坏机制 剪切破坏和张性破坏 或拉断破坏 两类 剪切破坏和张性破坏 或拉断破坏 两类 2 岩体变形破坏形式与受力状态的关系岩体变形破坏形式与受力状态的关系 在负围压及低围压条件下岩石表现为拉断破坏 随着围压增高将转化为剪断破坏 当围压升高到一定值以后 表现为塑性破坏 9 边坡应力边坡应力 驼峰型驼峰型 分布分布 河谷底部河谷底部 高应力包高应力包 现象现象 浅部应力释放区浅部应力释放区 0 25 米 30 米 高应力区高应力区 150 200 米 岩芯饼化岩芯饼化 1 25MPa 10 空隙水压力在岩体变形破坏中的作用空隙水压力在岩体变形破坏中的作用 有效应力原理 AB 面上的应力可用图 c 的莫尔圆表示 空隙水压力的作用使整个莫尔 圆向左侧移动 AB 面上有效正应力 s 降低 等于总正应力 减去空隙水压力 pw 即 s Pw 含空隙水压时 AB 平面上的抗剪强度 S pw tan c 11 活断层活断层 蠕滑蠕滑 持续不断缓慢蠕动 稳滑 持续不断缓慢蠕动 稳滑 粘滑粘滑 间断地 周期性突然错断 伴地震间断地 周期性突然错断 伴地震 12 平移断层平移断层 断层面倾向大 近于垂直 断层的地表出露线平直 地貌上常形成陡直的断崖 以水平运动为主 相对垂直升降量很小 分支断裂较少 断层带宽度小 水平错动量往往很大 易于识别 易于发生强震 13 逆断层逆断层 断层面两侧的点之间的距离总是由于位移而缩短 上盘除上升外还往往伴以多个分支 或次级断层的错动 14 正断层正断层 断层活动的变形断层活动的变形 下沉下沉 和分支断层错动 主要集中于和分支断层错动 主要集中于下降盘下降盘 断层面倾角介于逆断层与平移断层之间 一般断层面倾角介于逆断层与平移断层之间 一般 60 80 之间 之间 上盘下降并发育分支断层 上盘下降并发育分支断层 正断层可以引发中强震 正断层可以引发中强震 15 各种天然应力状态下的水库诱发机制各种天然应力状态下的水库诱发机制 1 正断型 v 与垂直方向的最大主应力迭加 水平的最小主应力增值仅为 0 43 v 莫 尔圆加大并稍向右移 结果是更接近于包络线 即稳定条件有所恶化 空隙水压力效应同时使最大最小主应力减小一个空隙水压力增值 v 使莫尔圆大为左移 2 潜在走向滑动型 v 迭加于垂直的中间主应力之上 莫尔圆大小没有变化 水平的最大 最小主应力同时都增加了 0 43 v 致使莫尔圆右移 使稳定状况稍有改善 空隙水压力效应同时使最大最小主应力减小一个空隙水压力增值 v 使莫尔圆大为左移 荷载效应使莫尔圆离开包络线的距离小于空隙水压力效应使之接近包络线的距离 3 潜在逆冲型 v 与垂向的最小主应力迭加 水平的最大主应力的增量仅为 0 43 v 结果是莫尔圆减小并右移 稳定状况大为改善 空隙水压力效应同时使最大最小主应力减 小一个空隙水压力增值 v 莫尔圆大为左移 因荷载效应使之离开包络线的距离大致等于 空隙水压力效应使之接近包络线的距离 荷载效应使改变了的莫尔圆小于原始莫尔圆 所 以最终稳定程度稍有改善 16 1 振动液化 振动液化 超孔隙水压力不断累积增大 饱水砂体的抗剪强度 n pw tg 0tg 振动前振动前 砂的抗剪强度为 pw0 tan 振动时振动时 pw0 pw tan 振动过程中的剩余下滑孔隙水压力为 pw 随 pw 累积性增大 pw0 pw 砂土的抗剪强度降为零 完全不能承受外荷载而达到 液化状态 2 渗流液化 渗流液化 振动液化形成剩余孔隙水压力以后 不同深度处的侧压水位就不在相 等 产生上下水头差水头差 随着深度增加侧压水位增高 若水力梯度水力梯度恰好等于渗流液化的临界临界 梯梯度 处于这个水力梯度 砂粒就在自下而上的渗流中失去重量 动水压力动水压力推动砂粒向悬 浮状态转化 产生渗流液化使砂层变松 17 斜坡变形破坏的三个不同演化阶段 斜坡变形破坏的三个不同演化阶段 斜坡变形 斜坡变形 破坏 破坏后的继续运动 破坏 破坏后的继续运动 斜坡变形的主要方式 卸荷回弹 蠕斜坡变形的主要方式 卸荷回弹 蠕 变变 18 斜坡应力场的一般特征斜坡应力场的一般特征 最大主应力近于平行临空面 最小主应力近于与坡面正交 坡脚剪应力集中形成剪应力增高带 坡顶附近出现拉应力 最大剪应力迹线由原来的直线变为近似圆弧线 并凹向临空面 坡面的实际径向压力为零 远离斜坡面的岩体内 地应力逐渐恢复状态 19 斜坡破坏基本类型斜坡破坏基本类型 按运动方式划分 崩落 塌 按运动方式划分 崩落 塌 faIls 倾倒 倾倒 滑动 落 滑动 落 侧向扩离 侧向扩离 流动 流动 三种基本破坏方式 崩落三种基本破坏方式 崩落 塌塌 falls 拉断破坏为主 拉断破坏为主 滑落滑落 坡坡 侧向侧向 扩离扩离 20 围岩应力重分布的一般特点围岩应力重分布的一般特点 2sin 32 1 2 2cos 3 1 2 1 2 2cos 34 1 2 1 2 4 4 0 2 2 0 4 4 0 2 2 0 4 4 0 2 2 0 2 2 0 r r r rpp r rpp r r pp r r r rpp r r pp hv hv v hv v r h h 径向应力随着向自由表面的接近而逐渐减小 至洞壁处径向应力随着向自由表面的接近而逐渐减小 至洞壁处 变为零 变为零 切向应力在一些部位愈接近自由表面切向应力愈大 并于洞壁达最高值 压应力集切向应力在一些部位愈接近自由表面切向应力愈大 并于洞壁达最高值 压应力集 中 中 另部分 愈接近自由表面切向应力愈低 有时甚至于洞壁附近出现目拉应力 拉应另部分 愈接近自由表面切向应力愈低 有时甚至于洞壁附近出现目拉应力 拉应 力集中 力集中 三 分析三 分析 21 熟悉熟悉 6 种破坏类型 形成条件和过程 种破坏类型 形成条件和过程 蠕滑 拉裂式 滑移 压致拉裂式 滑移 拉裂式 滑移 弯曲式 弯曲 拉裂式 塑流 拉裂式 1 变形破坏模式变形破坏模式 变形导致斜坡岩体向坡前临空方向发生剪切蠕变 后缘发育自坡面向深部发展的拉裂 变形导致斜坡岩体向坡前临空方向发生剪切蠕变 后缘发育自坡面向深部发展的拉裂 a 形成条件形成条件 主要发育在均质或似均质体斜坡中 倾内薄层状层状体坡中也 可发生 中等坡度 40 斜坡中 变形发展过程中 坡内有一可能发展为破坏面的潜在滑移面 它受最大剪应力面分布状况的控制 自坡面向下递减的剪切蠕变带 b 演变过程演变过程 表层蠕滑 岩层向坡下弯曲 后缘产生拉应力 后缘拉裂 后缘发育有陡倾坡内的软弱结构面时 拉裂更易发育 破裂也可能在 地震或人工爆破的触发下突然产生 2 滑移 滑移 压致拉裂压致拉裂 a 形成条件 形成条件 中等 陡的平缓层状斜坡 坡体内有水平向残余应力 b 坡体沿平缓结构面向坡前临空方向产生缓慢的蠕变性滑移 滑移面的锁固点或错列点附近 因拉应力集中生成与滑移面近于垂直的拉张裂隙 向上 个别向下 扩展 且其方向渐转成与最大主应力方向 趋于一致 大体平行坡面 并伴 有局部滑移 滑移和拉裂变形是由斜坡内软弱结构 面处自下而上发展起来的 C 演变过程演变过程 卸荷回弹阶段 坡体内残余应力开始释放 岩层沿缓倾结构面缓回弹滑移 坡面形 成齿状剪出 压致拉裂面自下而上扩展阶段 在大致平行坡面的重压应力作用下 拉 裂隙端部被压致拉裂 扩展方向逐渐趋向于主压应力方面一致 滑移面贯通阶段 随拉裂面的逐渐贯通 岩体转动 变形进入破坏阶段 陡倾的阶状裂面成为剪应力集中带 陡缓转角处的嵌合体被逐个剪断 压碎 扩 容 待陡倾裂面与平缓滑移面构成贯通性滑面时 滑 坡发生 3 滑移滑移 拉裂拉裂 a 层状 块状岩体 斜坡中有一潜在倾向坡外滑移面 有效临空 层状 块状岩体 斜坡中有一潜在倾向坡外滑移面 有效临空 b 演变过程演变过程 岩体在重力作用下沿已有滑移面向临空方向滑移 后部拉裂 滑坡能否形成 取决于滑面产状及后缘分隔条件 后缘分割条件成熟时 滑面的内摩擦角 小于斜坡角 则滑坡发生 4 滑移 滑移 弯曲弯曲 a 形成条件形成条件 中一陡倾外的层状岩体或薄层状碳酸盐岩体斜坡 顺层斜坡 滑面倾角大于峰值摩擦角 滑移面未有效临空 下滑受阻 坡脚附近顺层板梁承受纵向压应力 发生弯曲变形 c 层状岩体在自重作用下沿外倾结构面蠕变下滑 下部滑移面未临空 造成坡脚附近顺层 板梁纵向受压 在一定条件下弯曲隆起发展成滑坡 d 轻微弯曲阶段 近坡脚部位岩层在纵向压力下顺层弯曲 局部出现压 碎 坡面轻微隆起 岩体松动 强烈弯曲 隆起阶段 弯曲显著增强 出现剖面 x 型节理 部分岩体垮塌 充填虚 脱部位 切出面贯通阶段 切出面与滑移面贯通 切出回弹射抛出 形成滑坡 5 弯曲弯曲 拉裂拉裂 倾倒倾倒 a 陡立或陡倾内层状斜坡 坡度中陡立或陡倾内层状斜坡 坡度中 陡坡 陡坡 b 变形过程变形过程 前缘 岩体在重力作用下向临空方向作悬臂梁弯曲 单梁的弯曲逐渐向深部发展 前部弯 曲后为后部弯曲提供了空间 逐渐向斜坡后缘逐个悬臂梁地传递 导致斜坡岩体整体弯曲 c 演变过程演变过程 卸荷回弹 陡倾面拉裂阶段 板梁弯曲 拉裂面 向深部扩展并向坡后推移阶段 如坡度很陡 大多伴有坡缘 坡面局部崩落 板梁根部折裂 压碎阶段 岩块转动 倾倒 导致崩塌 6 塑流 塑流 拉裂拉裂 a 形成条件形成条件 软弱基座斜坡 上覆厚层坚硬岩层 b 变形过程变形过程 下伏软弱基岩在上覆岩层重压下产生塑性变形 并向临空方向流动而形成塑性挤出 软岩塑流挤出又导致上覆岩层拉裂 c 演变过程演变过程 1 软弱基座 近水平 上覆硬岩的拉裂起始于软弱层的接触面 软岩的水平变形远远 超过硬岩 前缘可出现局部坠落 随着上覆坡体的拉断解体 则发展为侧向扩离 或块状 滑坡 2 当上覆岩层有一定塑性时 被下伏呈塑流状的软岩载驮的坡体可整体向临空方向漂移 后缘某处产生拉裂造成陷落带 形成整体式的侧向扩离 四 计算四 计算 例题例题 某圆形圆形隧道埋深为 450 米 开挖直径为 3 米 岩体容重为 26kN m3 单轴抗压强度级抗拉强 度分别为 60 0MPa 和 3 0 MPa 试分析下列两种情况 1 N 0 3 N 2 5 下 隧道开挖边界是否达到其强度值 2 如果在上述隧道旁边再开挖另一条隧道 该隧道开挖直径为 6m 两隧道中心线相距 10 m 中性线位于同一水平面 试评价前面两种应力条件下的岩体稳定性 补充 1 1 采用水压致裂法对花岗岩体中的应力进行了测量 在一个垂直钻孔中进行了一下采用水压致裂法对花岗岩体中的应力进行了测量 在一个垂直钻孔中进行了一下 两次试验 一个实验深度为两次试验 一个实验深度为 500500 m 另一个试验深度为 另一个试验深度为 10001000 m 试验结果如下表所示 试验结果如下表所示 深度深度 m破裂压力破裂压力 PB MPa关闭压力关闭压力 Ps MPa 50014 08 0 100024 516 0 假定岩石的抗拉强度为假定岩石的抗拉强度为 10Mpa 岩石的密度为 岩石的密度为 27kN m 3 估算并列出这两个深度的的估算并列出这两个深度的的 1 2 3的值 的值 提示 对于竖向裂纹 钻孔应力集中可以用 Kirsch 方程估算 岩石线弹性假设 圆孔应 力集中破裂压力方程 tHhB P 3 水压致裂法的假定 1 一个主应力为垂直方向 2 垂直应力由覆岩自重引起 3 裂纹在铅垂面上形成 4 岩石不具有渗透性 快速实验 5 钻孔周围的应力集中可以用 Kirsch 方程估算 岩石线弹性的假定 解 应用柯西解求解柯西解求解平面应变条件下圆形洞室的问题 确定隧道边界围岩的稳定性 该隧 道无支护压力 又无其它内部压力 开挖边坡边界的岩体为单轴应力状态 即 r 3 1 环向应力的柯西解为 环向应力的柯西解为 2cos 31 1 1 1 2 1 4 0 4 2 2 0 r r r N r N v 隧道边界出代入上式 可得 r r 0 2cos 1 2 1 NN v 假定隧道垂直应力等于上部岩体重量 7 11450 026 0 MPaz v 1 二次应力的极值位置与原岩最大主应力有关 计算隧道顶拱和仰拱的二次应力 侧壁的二次应力 0 90 0 0 N 0 3 环向应力分别为 1 17MPa 和和 31 59MPa N 2 5 环向应力分别为 76 05 MPa 和和 5 85 MPa 顶底超过岩体单轴抗压强度为 60 0Mpa 3 在第二条隧道开挖后在第二条隧道开挖后 可多次利用柯西解来求解问题的近似解近似解 分析开挖隧道是否在另一条隧道的影响区内 求解问题的近似解 静水式