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工程地质分析原理第一章 地壳岩体结构特征的工程地质分析 岩体（rockmass）：通常指地质体中与工程建设有关的那一部分岩石，它处于一定的地质环境、被各种结构面所分割。结构面：是指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）。如岩层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。工程地质之所以要将岩体的结构特征作为重要研究对象，意义如下： 岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。只有掌握岩体的结构特征，才有可能阐明岩体不同荷载下内部的应力分布和应力状况。 岩体的结构特征对岩体在一定荷载条件下的变形破坏方式和强度特征起着重要的控制作用。岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定性的控制面，各结构面分别为确定坝肩岩体抗滑稳定的分割面和滑移控制面。靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确定了外营力对岩体的改造进程。这是由于结构面往往是风化、地下水等各种外营力较活动的部位，也常常是这些营力的改造作用能深入岩体内部的重要通道，往往发展为重要的控制面。总之，对岩体的结构特征的研究，是分析评价区域稳定性和岩体稳定性的重要依据。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结构面的工程地质分级：断层型或充填型结构面、裂隙型或非充填型结构面、断续延伸的非贯通型岩体结构面，它们分别对应于级、级、级结构面岩体结构分类: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等类型。按岩体的改变程度可划分为完整的、块裂化或板裂化，碎裂化、散体化的等四个等级。第二章 地壳岩体的天然应力状态地壳岩体内的天然应力状态，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。研究岩体天然应力状态的意义：（1）岩体天然应力状态或地应力场是工程岩体存在的基本环境条件之一。（2）岩体地应力场是决定各类地下建筑物稳定性的主要因素。（3）修建大坝、大型水库和深大地下洞室等，常能在更大范围内破坏天然应力的原有平衡状态，引起一系列诸如断层复活、水库地震以及大规模岩爆等严重危害人民财产及施工人员安全的工程地质作用天然应力的形成原因:1、重力作用 2、地质构造运动 3、岩浆侵入天然应力类型：1、三向相等的静水应力式 2、竖直应力为主 3、水平应力为主第三章 岩体的变形与破坏变形：岩体承受应力，就会在体积、形状或宏观连续性上发生某种变化（解释）。宏观连续性无明显变化者称为变形（deformation )。破坏：如果宏观连续性发生了显著变化的称为破坏（failure)。岩体变形破坏的基本过程与阶段划分:（1）压密阶段：岩体中原有张开的结构面逐渐闭合，充填物被压密，压缩变形具有非线性特征，应力应变曲线呈缓坡下凹形。（2）弹性变形阶段：经压密后，岩体可由不连续介质转化为似连续介质，进入弹性变形阶段，过程长短主要视岩性坚硬程度而定。（3）稳定破裂发展阶段：超过弹性极限（屈服点）以后，岩体进入塑性变形阶段，体内开始出现微破裂，且随应力差的增大而发展，当应力保持不变时，破裂也停止发展，由于微破裂出现，岩体体积压缩速率减缓，而轴向应变速率和侧向应变速率均有所提高。（4）不稳定的破裂发展阶段，又称为累进性破坏阶段：进入本阶段以后，微破裂的发展出现了质的变化，由于破裂过程中所造成的应力集中效应显著，即使工作应力保持不变，破裂仍会不断的累进性发展，通常某些最薄弱环节首先破坏，应力重力分布的结果又引起次薄弱环节破坏，依次进行下去直至整体破坏。体积应变转为膨胀，孔隙水压力快速下降，轴应变速率和侧向应变速率加速增大。（5）强度丧失和完全破坏阶段：岩体内部的微破裂面发展为贯通性破坏面。岩体强度迅速减弱，变形继续发展，直至岩体被分成相互脱离的块体而完全破坏。岩体破坏的基本形式: 根据岩体破坏机制可将岩体破坏划分为剪性破坏和张性破坏两类。剪切破坏分为剪断破坏、剪切滑动破坏、塑性破坏岩体由弹性变形阶段进入塑性变形阶段的临界应 力称为岩体的屈服强度岩体遭受最终破坏以后仍然保存有一定的强度，称为残余强度。岩体变形破坏过程中的时间效应: 岩体变形破坏过程中的时间效应表现为两方面：其一，在应力恒定的情况下岩石变形随时间而发展，称为蠕变(creep)；其二，庄变形恒定的情况下岩石内应力随时间而降低，称为松弛(relaxation)。空隙水压力在岩体变形破坏中的作用: 地下水普遍赋存于岩体之中，它与岩体间的相互作用主要可归为两个方画：一是地下水与岩体间发生机械的、物理的或化学的相互作用使岩体和地下水的性质或状态发生不断的变化，二是地下水与岩体间发生的力学方面的相互作朋它不断地改变着作用双方的力学状态和特性岩体的变形破坏模式: (1)蠕滑(滑移)拉裂可发生在各类岩体中，但以块状，层状和散体状岩体中多见表现为一定形状的岩体沿岩体中原有的软弱面或潜在剪切面的蠕滑，井伴有向滑移面方向逐渐收敛的拉裂斜坡体中的这类变形往往可于变形体的后缘直接观测到拉裂缝，它是判断变形的发生和进展情况的重要标志，发生在坝基的这类变形可使坝址部位岩体拉裂，从而造成防渗帷幕失效洞室边墙或顶拱围岩中的这类变形，将增高围岩对支撑的压力，这类变形的进展主要由蠕滑的发展所控制，一旦使滑移面贯通或剪断潜在剪切面即发展为剪切破坏 (2)滑移压致拉裂，大多数发生在块状或层状岩体中表现为一定形状的岩体沿软弱面的滑移，并伴以起源于i滑移面的分枝拉裂面。这类变形的发展可使岩体碎裂化，散体化，也可因拉裂画与滑移面的交接郎位压碎扩容，使两者连成贯通牲滑动面而发展为剪切破坏， (3)弯曲拉裂：主要发生在层状尤其是在薄层状岩体中表现为层状或板状岩体的悬臂梁弯曲横弯曲和纵弯曲，井伴以层间拉裂所示斜坡岩体中陡立的层状岩体经卸荷回弹扑在自重应力作用下发生向临空方向的弯曲，于后缘造成拉裂，坝基陡立层状岩件在坝体水平剪应力作用下发生弯曲，于坝踵部位产生拉裂，同样可导致防渗帷幕破裂失效洞室层状围岩的这裂类变形可引起顶拱下陷、边缘突出底板隆起，变形的进展可使一曲的尾(板)状岩体被折断，导救拉断破坏 (4)塑流拉裂，主要见于硬软相间互层状岩体中通过下伏软弱县(或破碎带。压碎带等)的塑性流动导致上覆岩体弯折拉裂，变形发展可使上覆岩件解体或造成剪切破坏 (5)滑移弯曲；主要见于层状岩体表现为层状岩体顺层滑移并伴以纵弯曲，弯曲部位内部可出现层间拉裂变形的发展往往因弯曲部位被剪断成压碎而导致剪切破坏， 此外，岩体变形形式还可由两种或两种以上基本组合模式复合而咸，并且某些组合模式在发展演变过程中也可转化为另一种组合模式 应该指出当今构造地质学研究中，也倾向采用变形破裂机制对构造形迹进行分类(Mattauer等，1984)划分出剪忉拉裂。弯曲-拉裂等多种类型第四章 活断层的工程地质研究活断层：是指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。活断层的类型:1、按构造应力状态及两盘相对位移划分（1）走向滑动或平移断层 （2）逆侵滑或逆断层 （3）正侵滑或正断层2、按断裂的主次关系划分主断层、分支断层、次级断层活断层活动方式（粘滑，稳（蠕）滑，蠕滑与粘滑相伴生）活断层区规划设计建筑物的原则:一、规划选场要对几个相互比较的场址进行断层相对活动性评价。(1)有低级别的活断层的场地优于有高级别的，有活动时期老的断层的场地优于有活动时期新的，有全新世(11000 a)内无活动的断层的场地优于有全新世内有活动的断层的场地等；(2)尽可能避开主断层带；(3)如为逆断层或正断层类型，尽可能避开有强烈地表变形和分支、次生断裂发育的断层上盘(逆断层的上升盘、正断层下降盘)。如有较大的正、逆断层，场地往往需要选在距主断面数千米之外。二、建筑物类型选择三、建筑物结构设计1、土坝结构设计原则（1）保证错动后不残存深大开口裂缝（2）能安全控制大的渗流量2、其它类型建筑物的结构措施实例第五章 地震的工程地质研究接近地球表面的岩层中弹性波传播所引起的震动称为地震。研究多个地震台的地质谱，可以确定出地震发生的物理过程或 震源物理过程，一般称为震源机制衡量地震本身大小和震动强烈程度的两个尺度，这就是震级和烈度场地地震效应及地震小区划类型:（一）场地破坏效应1、地面破裂效应2、地基失效3、斜坡破坏效应（二）强烈地震动1、振幅2、频谱3、持续时间地震区划抗震设计原则:一、选择场地和地基(1)尽可能避开产生强烈地基失效及其它加重震害地面效应的场地或地基，用于这类场地或地基的主要有：活断层带可能产生地震液化的砂层或强烈沉降的淤泥层，厚填土层，可能产生不均匀沉降的地基以及可能受地震引起的崩塌、滑坡等斜坡效应影响的地区，如陡山坡、斜坡及河坎旁。(2)考虑到地基土石的卓越周期和建筑物的自振周期，尽可能避免结构与地基土石之间产生共振。也就是自振周期长的建筑物尽可能不建在深厚松软沉积之上，而刚性建筑物则不建于卓越周期短的地基上。(3)岩溶地区地下不深处有大溶洞，地震时可能塌陷的地区不宜作为场地。(4)避免以加重震害的孤立突出地形作为建筑场地。二、选探适宜的持力层和基础方案三、建筑物合理布置和结构选型1、工业民用建筑物（1）选择有利抗震的平面和立面是抗震设计的重要环节，尽量使建筑物的质量中心和刚度中心重合，平面上选择矩形、方形、圆形或其它没有凸出凹进的形状，立面上各部分层数尽量一致，以避免各个部分之间振型不同，受力不同，使平面转折或立面上层数不同的两部分连接处受扭转而断裂、倒塌。（2）减轻重量、降低重心，加强整体性使各部分、各构件之间有足够的刚度和强度。2、水工建筑物（1）选择坝型 （2）工程措施第六章 水库诱发地震活动的工程地质分析水库诱发地震的诱发机制:水库诱发地震的确切诱因现在尚未完全查明，但已有震例已经以充分资料证明，这类地震不是由于水库荷载直接造成的而是水库的某种作用间接诱发的(indirectly induced)。亦即水库的某种作用迭加于已有的天然应力场之上，使水库蓄水前由于自然作用积累起来的应变能较早地以地震的方式释放出来。这方面的证据最主要的有以下两点： (1)根据水库诱发地震震源机制解得出的应力场与该区天然地震应力场或根据近期活动构造所得出的区域应力场完全一致说明产生地震的应力场并非是由于水库荷载产生的，而是近期构造活动天然形成的。(2)震源区由于水库荷载而产生的应力增量一般是很小的，单独不足以使岩体破坏或使岩体中已有断裂面的两侧产生相互错动。水库蓄水对库底岩体的各种效应:概括说来，水库蓄水以后对库底岩体可以产生以下三方面的效应。1 水的物理化学效应这种效应使岩体断裂面及其充填物软化和泥化，从而降低了它的抗剪强度。只有当水库蓄水前库底岩体是干的才会出现这种效应，而天然情况下河谷下的断裂面上一般是含水的可见这类效应并非是经常部起作用的。2水库的荷载效应水库对库底岩石的荷裁效应是最易理解的并可根据水深计算共压强。这个荷载会在岩体内造成附加应力，从而恶化断裂面的应力条件。3 空隙水压力效应丹佛废液处理并的诱发地震是空隙水压力效应的极好实例。在这里没有荷裁效应，而只是因水的注入使裂隙中的空隙水压力增加了120x105Pa，相应地降低了作用在裂隙面上的有效正应力，从而按下式降低抗剪强度C十(n一pw)tg (6-3）式中： 为抗简强度；c为内聚力； n为正应 力；pw为空隙水压力， 为内内摩擦角。产生水库诱发地震的地质条件:1 大地构造条件（1)板块俯冲、碰撞带届于潜在逆冲型的应力状态，产生诱发地震的可能性很小。例如环太平洋地震带除美国西海岸一带及新西兰的一大部分外均属于板块俯冲带，在这带内水库诱发地层的震例极少。(2)转换断层及大的平移断层，诸如美国加州圣安德烈期断层、新西兰阿尔卑斯断层、土耳其安纳托利亚断层等的附近地带，由于属潜在走向滑动型应力状态，有产生诱发地震的可能性。(3)潜在正断型应力场产生水库诱发地震的可能性最大但在大陆上属于此种应力状态者限于东非断裂谷型地堑带或其它大断陷盆地，典型震例为卡里巴。除了应力状态的类型而外，水库诱发地震还需要有相当高的天然地应力和一定的应变速率条件。这也可从大地构造条件反映出来。(1)在应变积累速度很高的天然地震区，水库诱导所产生的应力变化，相对于天然应力变化要小得多。所以，水库诱发作用也就小得多。现有的高震级的水库诱发地震，一般均不位于天然高地震区。 (2)在应变积累速度中等到较高的地区，也就是天然强地震区的外围，特别是蓄能条件良好、应力集中程度较高的地区，最有利于水库诱发地震的产生。我国的新丰江就是很好的例证。(3)在应变积累速度很低的稳定地块内部，如俄罗斯地台、西伯利亚地台、加拿大地盾、非洲地盾等地，产生诱发地震的可能性很低，在这些地方有很多高坝、大库，均无明显的水库诱发地震。 2、区域地质条件 区域地质条件中能够用以判定诱发地震潜在可能性的，有近期构造活动迹象、地热流特征、介质品质及有利于空隙水压力活动的水文地质条件等方面。 明显的新构造活动迹象是天然地震也是水库诱发地震的必要条件，有关活动迹象于前面章节有所论述。这里值得特别强调的是要判定对诱发地震产生有决定意义的近期地应力状态。 地热流高是已有水库地震震例一般都具有的条件。它表明新构造活动影响到地壳深部或达到地幔。反映地热流高的现象是近期火山活动和温泉。地温异常可加速库水向深部渗入。岩体强度高反比较完整有利于积蓄应变能，如其它条件有利会产生高震级的诱发地震如我国新丰江水库，印度的科因纳水库。岩体强度低或比较破碎则不能积蓄高应变如有诱发地震多属低震级的频繁小震，如果部川第四库。 原始地下水位低以及蓄水后具有利于库水向深部渗入的通道，是有利于空隙水压力效应的良好水文地质条件。地面上和掩埋的喀期特地貌有利于库水的入渗和扩散，是易于发生水库地震的条件，高渗透性岩石、可渗水的垂直裂隙、产状较陡的活动断层等都可促进浅层库水渗入深部。第七章 地震导致的区域性砂土液化当空隙水压力上升到使砂粒间有效正应力降为零时，砂钦就会悬浮于水中，砂体也就完全丧失了强度和承载能力，这就是砂土液化砂土液化引起的破坏主要有以下四种：(1)涌砂：涌出的砂掩盖农田，压死作物，使沃土盐碱化、砂质化，同时造成河床、渠道、径井筒等淤塞，使农业灌溉设施受到严重损害。(2)地基失效：随粒间有效正应力的降低，地基土层的承裁能力也迅速下降，甚至砂体呈悬浮状态时地基的承栽能力完全丧失。建于这类地基上的建筑物就会产生强烈沉陷、倾倒以至倒塌。(3)滑塌：由于下伏砂层或敏感粘土层震动液化和流动，可引起大规模滑坡(4)地面沉降及地面塌陷：饱水疏松砂因振动而变密，地面也随之而下沉，低平的滨海湖平原可因下沉而受到海湖及洪水的浸淹，使之不适于作为建筑物地基。砂土地震液化的判别:一 地震液化初判的限界指标1 地震条件（1）液化最大震中距分析我国1955年以前近900 a间历次地震喷水冒砂资料得出震级(M)与液化最大震中距(Dmax)有如下关系： Dmax0.82100.862(M-5)由上式可以判定，如M5则液化范围限于震中附近1km之内。（2）液化最低地震烈度我国地震文献中没有地震震级小于5级的喷水冒砂记录。震级5级震中烈度为VI度，故液化最低烈度为VI度。2 地质条件 近年来历次地震震后调查发现，发生液化处所多为全新世乃至近代海相及河湖相沉积平原，河口三角洲，特别是洼地、河流的泛滥地带、河漫滩、古河道、滨海地带及人工填土地带等。 3 埋藏条件（1）最大液化深度一般认为液化判别应在地下15m深度范围内进行。最大液化深度可达20m，但对一般浅基础而言，即使15m以下液化，对建筑物影响也极轻微。（2）最大地下水位深度 喷砂冒水严重的地区，地下水埋深一般不超过3m，甚至不足1m，深为34m时喷砂冒水现象少见，超过5m没有喷砂冒水实例。二、 现场测试法1 标贯判别法2 剪切波速判别三、理论计算判别四、液化程度判别砂土地震液化的防护措施建筑类地基液化等级别轻微中等严重甲类特殊考虑乙类B或CA或B+CA丙类C或DC或其它更高措施A或B+C丁类DDC或其它更经济措施注：A.为全部消除地基液化沉陷的措施，为采用桩基、深基础、深层处理至液化深度以下或挖除全部液化层； B.为部分消除地基液化沉陷措施，如处理或挖除部分液化土层等； C.为基础结构和上部结构的构造措施，一般包括减少或适应不均匀沉陷的各项构造措施； D.为可不采取措施。一、良好场地选择二、人工改良地基1、增加盖重2、换土3、改良饱水砂层的密实程度（1）爆炸振密法（2）强夯与碾压（3）水冲振捣回填碎石桩法（振冲法）4、消散剩余孔隙水压5、围封法三、基础形式选择第八章 地面沉降问题的工程地质分析地裂缝的成因机制类型（1）地震引发的地面沉降和地裂缝（2）构造活动英法的地面沉降和地裂缝（3）地下水开采引发的地面沉降与地裂缝以上3类机制类型在某一地区，可以不同方式复合。第九章 斜坡岩(土)体稳定性的工程地质分析斜坡变形的主要方式斜坡变形实际上在其形成过程中即已发生，表现为卸荷回弹和蠕变两种主要方式。斜坡破坏基本类型采用瓦思斯的滑坡分类。按物质组成分为岩质和土质斜坡；按运动方式划分为崩落(塌)、倾倒、滑动(落)、侧向扩离和流动等5种基本类型。还可组合成多种复合类型，如崩塌碎屑流、滑坡泥石流等。斜坡失稳过程的基本方式：崩落(塌)、滑落（坡）、（侧向）扩离（1）崩塌（2）滑坡（3）扩离（4）海底斜坡破坏（失稳）斜坡变形破坏机制模式（一）蠕滑拉裂这类变形导致斜坡岩体向坡前临空方向发生剪切蠕变，其后缘发育自坡面向深部发展的拉裂。主要发育在均质或似均质体斜坡中，侵内薄层状层状体坡中也可发生。一般发生在中等坡度(40。)斜坡中。这类变形，以图9-14为例，演变过程可划分为三个阶段。(1)表层蠕滑。岩层向坡下弯曲，后缘产生拉应力(2)后缘拉裂。通常造成反坡台阶(3)潜在剪切面剪切扰动。（二）滑移压致拉裂1 形成条件与演变过程这类变形主要发育在坡度中等至陡的平缓层状体斜按中。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(个别情况向下)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。这种拉裂面的形成机制与压应力作用下格里菲斯裂纹的形成扩展规律近似，所以它应属压致拉裂。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。据实例分析和模拟研究，这类变形演变过程可分为三个阶段。 (1)卸荷回弹阶段(2)压致拉裂面自下而上扩展阶段随着变形的发展，裂面可扩展至地面。(3)滑移面贯通阶段变形进入累进性破坏阶段2 起动机制及判据（1）变形起动判据（2）嵌合带剪断压碎机制（三）滑移拉裂1、形成条件与演变过程2、起动判据（四）滑移弯曲1、形成条件与演变过程（1）轻微弯曲阶段（2）强烈弯曲、隆起阶段（3）切出面贯通阶段2、起动机制与判据（1）应变速率判别（2）抗变形稳度系数判别（3）多层板梁屈曲失稳判据（五）弯曲拉裂1、形成条件与演变过程（1）卸荷回弹（2）板梁弯曲（3）板梁根部折裂、压碎阶段。2、起动机制与判据（1）悬臂梁弯曲流变判据（2）板梁根部破坏导致失稳的判据（3）滚动摩擦起动机制与判据（六）塑流拉裂（1）卸荷回弹陡立裂缝的形成（2）前缘塑流拉裂变形（3）深部塑流拉裂变形第十章 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析围岩变形的破坏类型一、脆性围岩1、弯折内鼓 2、张裂塌落 3、劈裂4、剪切滑动或剪切破坏 5、岩爆二、塑性围岩的变形破坏1、挤出 2、膨胀 3、涌流和坍塌影响围岩稳定性的因素分析影响围岩稳定性的因素是多方面的，但其中最主要的有地质构造、岩体的特性及结构，地下水以及构造应力等。（1）褶曲和断裂构造变动的强烈程度是衡量围岩稳定状况的一个主要因素（2）岩体的特性及结构岩体强度是反映岩体的特性及其结构特征的综合指标，通常用岩体完整性系数与岩石单轴饱和抗压强度的乘积，即准抗压强度来表示（3）地下水地下水常是造成围岩失稳的重要因素之一，在破碎软弱的围岩中其影响尤为显著。（4）原岩应力原岩应力，特别是构造应力的方向及大小是控制地下工程围岩变形破坏的重要因素维护地下洞室围岩