岩土工程1岩体和土体的工程性质及评价PPT课件

1 1岩体和土体的工程性质及评价 作为建筑物地基的岩土体是保证建筑物安全稳定 正常运行的基本要素 因此 充分了解岩土体的工程性质及其评价原则是非常必要的 2 1 1工程土体主要设计参数的确定 土体的主要设计参数主要包括 压缩性参数 渗透性参数 强度参数 1 1 1压缩性参数压缩 土在压力作用下 体积将缩小 这种现象称为压缩 固结 土的压缩随时间增长的过程称为固结 3 目前我们在研究土的压缩性 均认为土的压缩完全是由于孔隙中水和气体向外排出而引起的 饱和砂土 透水性强 在压力作用下 固结很快完成 饱和粘土 透水性弱 在压力作用下 固结需要很长时间完成 4 瞬时沉降 主固结沉降 次固结沉降 建筑物的总沉降由以下三部分组成 5 瞬时沉降指在加荷后立即发生的沉降饱和粘土在很短的时间内 孔隙中的水来不及排出 加之土体中的土粒和水是不可压缩的 因而瞬时沉降是在没有体积变形的条件下发生的 它主要是由于土体的侧向变形引起的瞬时沉降一般不予考虑 6 对于控制要求较高的建筑物 瞬时沉降可用弹性理论估算 对于饱和粘土在局部均布荷载作用下 地基地瞬时沉降可用下式计算 影响系数 7 主固结与主固结沉降在荷载作用下饱和土体中孔隙水的排除导致土体体积随时间逐渐减小 有效应力逐渐增加 这一过程称为主固结 随着时间的增加 孔隙水应力逐渐消散 有效应力逐渐增加并最终达到一个稳定值 此时孔隙水应力消散为零 主固结沉降完成 这一过程所产生的沉降为固结沉降 8 次固结沉降土体在主固结成将完成之后有效应力不变的情况下还会随时间的增长进一步产生沉降 称为次固结沉降次固结沉降对某些土如软粘土是比较重要的 对于坚硬土或超固结土 这一分量相对较小 9 为了研究土的压缩特性 通常需要进行试验 室内固结试验 现场原位试验 荷载试验 旁压试验 1 1 1 1压缩曲线和压缩性指标 10 室内固结试验与压缩曲线 11 室内固结试验与压缩曲线 用环刀切取扁园柱体 一般高2厘米 直径应大于高度2 5倍 面积为30cm2或50cm2 试样连同环刀一起装入护环内 上下有透水石以便试样在压力作用下排水 在透水石顶部放一加压上盖 所加压力通过加压支架作用在上盖 同时安装一只百分表用来量测试样的压缩 由于试样不可能产生侧向变形而只有竖向压缩 于是 我们把这种条件下的压缩试验称为单向压缩试验或侧限压缩试验 固结仪 12 室内固结试验与压缩曲线 假定试样土粒本身体积不变 土的压缩仅由于孔隙体积的减小 因此土的压缩变形常用孔隙比e的变化来表示 压力p与相应的稳定孔隙比的关系曲线称为压缩曲线 e p曲线 e logp曲线 13 室内固结试验与压缩曲线 a图 压力与加荷历时关系b图 各级压力下 试样孔隙比随时间的变化过程压缩快 压缩稳定 稳定的快慢和土的性质有关 14 压缩系数 用单位压力增量所引起的孔隙比的改变 即压缩曲线的割线坡度表征土的压缩性的高低 压缩系数 e p曲线 15 压缩系数 a是表征土压缩性的重要指标之一 e p曲线越陡 a就越大 土的压缩性越高 e p曲线越平缓 a就越小 土的压缩性越低 16 压缩系数 压缩曲线不是直线 即使是同一种土 其压缩系数也不是常量 工程上为了便于统一比较 习惯采用100kpa 200kpa范围的压缩系数来衡量土的压缩性的高低 我国 建筑地基基础设计规范 规定 17 压缩指数 在较高的压力范围内 压缩曲线近似为一直线 很明显 该直线越陡 意味着土的压缩性越高 压缩指数 e logp曲线 18 压缩指数 Cc与土的压缩性的关系 e lgp曲线越陡 Cc就越大 土的压缩性越高 e lgp曲线越平缓 Cc就越小 土的压缩性越低 19 1 1 1 2回弹再压缩指数 试样回弹不是沿初始压缩曲线 说明土体的变形是由可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形组成回滞环 非完全弹性回弹和再压缩曲线比初始曲线平缓 说明在回弹和再压缩范围内土的压缩性降低超过b点 再压缩曲线趋于初始压缩曲线的延长线 20 回弹再压缩指数 Cs 0 1 0 2 Cc回弹再压缩土的压缩性减小土体如果承受到比现在大的压力 其压缩性将降低 也就是说土的应力历史对压缩性有很大影响 软土地基加固 21 其它压缩性指标 压缩模量 土体在无侧向变形条件下 竖直应力与竖向应变之比 其大小反映了土体在单向压缩条件下对压缩变形的抵抗能力 22 其它压缩性指标 体积压缩系数mv单位应力作用下单位体积的体积变化 初始孔隙比 23 1 1 1 3固结系数Cv定义 土的压缩随时间而增长的过程叫固结 固结系数Cv 表征土固结速率的一个特征系数 24 1 时间对数法 logt法 2 时间平方根法 25 1 1 1 4次固结系数Ca经验公式 次固结对大多数土可不考虑 但对软弱土不能忽略 次固结 26 1 1 2渗透性参数 土是具有连续孔隙的介质 当土作为建筑物的地基和直接用作建筑材料时 水就会在水位差的作用下 从水位较高的一侧透过土的孔隙流向水位较低的一侧 27 水在土体中的渗透 一方面会造成水量的损失 影响工程效益 另一方面将引起土体内部的应力状态的变化 从而改变水工建筑物或地基的稳定条件 严重时还会酿成破坏事故 土的渗透性的强弱 对土体的固结 强度以及工程施工都有非常重要的影响 28 关于防渗墙 防渗墙射水法施工 防渗墙 29 渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标 渗透系数的测定可以分为现场试验和室内试验两大类 一般 现场试验比室内试验得到的结果要准确可靠 因此 对于重要工程常需进行现场测定 室内测定土地渗透系数的仪器和方法很多 但就其原理来讲 可分为常水头试验和变水头试验两种 前者适用于透水性强的无粘性土 后者适用于透水性弱的粘性土 渗透性参数定义 水流通过土中孔隙的难易程度的性质 30 常水头法 常水头法就是在整个试验过程中 水头保持不变 试验装置如图用量筒和秒表测出某一时刻t内流经试样的水量V 即可求出流过土体的流量 再根据达西定律求解k 31 变水头法 粘性土 渗透系数小 流经水量少变水头法在整个试验过程中 水头是随着时间而变化的 试验装置如图 试样的一端与细玻璃管相接 在试验过程中测出某一时段内细玻璃管中水位的变化 就可根据达西定律求出水的渗透系数 32 变水头法 设玻璃管的内截面积为a 试验开始以后任一时刻t的水位差为h 经时段dt 细玻璃管中水位下落dh 则在时段dt内流经试样的水量 33 变水头法 34 无粘性土软土 35 土的渗透系数参考值 影响渗透系数的因素很多 诸如土的种类 级配 孔隙比及水的温度等 因此 为了准确地测定土的渗透系数 必须尽力保持土的原始状态并消除人为因素的影响 36 土的破坏主要是由于剪切引起的 剪切破坏是土体破坏的重要特点工程实践中与土的抗剪强度有关的工程主要有以下3类 1 土质土坝的稳定 2 土压力 3 地基的承载力问题 1 1 3土的抗剪强度参数 37 工程实例 土坡稳定问题 38 工程实例 土坡稳定问题 39 工程实例 地基承载力问题 40 工程实例 地基承载力问题 41 工程实例 地基承载力问题 加拿大特朗斯康谷仓 1911年动工1913年完工谷仓自重20000吨1913年10月17日发现1小时内竖向沉降达30 5厘米 结构物向西倾斜 并在24小时内倾倒 谷仓西端下沉7 32米 东端上抬1 52米产生原因 地基承载力不够 超载引发强度破坏而产生滑动 42 工程实例 地基承载力问题 美国纽约某水泥仓库 是近代世界上最严重的建筑物破坏之一位于纽约汉森河旁1940年水泥仓库装载水泥 使粘性土超载 引起地基土剪切破坏而滑动 倾斜45度 地基土被挤出达5 18米 23米外的办公楼也发生倾斜 43 工程实例 地基承载力问题 44 土的抗剪强度参数的确定是进行建筑物地基承载力 边坡稳定分析 挡土结构土压力计算 基坑支护等设计的基础 室内试验方法 直剪试验三轴压缩试验 45 直接剪切试验 46 直接剪切试验 47 直接剪切试验 48 直接剪切试验 49 直接剪切试验 50 直接剪切试验 51 直接剪切试验 52 直接剪切试验 53 直接剪切试验 在直剪试验过程中 不能量测孔隙水应力 也不能控制排水 所以只能以总应力法来表示土的抗剪强度 计算公式 库仑公式 54 直接剪切试验 直剪试验的缺点1 剪切破坏面固定为上下盒之间的水平面2 试验中试验的排水程度靠试验速的快慢控制3 由于上下土盒的错动 剪切过程中试样的有效面积减小 使试样中的应力分布不均匀 主应力方向发生变化 当剪切变形较大时这一缺陷表现更为突出 55 三轴压缩试验 三轴压缩试验直接量测的是试样在不同恒定周围压力下的抗压强度 然后利用莫尔 库仑破坏理论间接推求土的抗剪强度 56 三轴压缩试验 57 三轴压缩试验 58 三轴压缩试验 59 三轴压缩试验 优点 受力状态明确 大小主应力可以控制 剪切面不固定 排水条件能控制 能测孔隙水及体积的变化 计算公式 库仑公式 60 1 1 4影响土的工程性质的主要因素 1 土的粒度组成 2 土的密实度 3 粘性土的稠度 4 粘性土的结构性指土体经扰动后 土体的天然结构受到破坏 土的强度降低 压缩性提高 5 应力历史指土体在历史上曾经受过的应力状态 61 1 2工程岩体参数的确定及质量评价 岩体的主要设计参数主要包括 强度参数 变形参数 流变参数 强度参数 单轴抗压强度 三轴抗压强度 抗剪强度 抗拉强度 变形参数 弹性模量 变形模量 动泊松比 动弹性模量流变 蠕变 就是指在应力不变的情况下岩石变形 或应变 随着时间t而增长的现象 62 概念 岩石 块 矿物的集合体 岩体 岩块 弱面 结构面 不连续面 弱面 层面节理 裂隙 原生 构造 次生 风 外力 断层 岩块 63 岩体 64 65 1 2 1岩体强度参数的确定 包括 单轴 三轴抗压强度及抗剪强度 66 67 钻孔取出的岩石试样 68 岩石试验成果表 69 1 2 1 1岩体单轴抗压强度试件 正圆柱体 D 50mm H 100mm 录像 应力 应变 70 岩体抗压强度式中 完整岩体 0 75 块状岩体 0 4 0 75碎裂状岩体 0 4 岩体声波速 折减系数 岩块强度 岩体强度 岩块声波速 71 1 2 1 2岩体三轴抗压强度预定的围压p p0 p1 p2 p3 测出的强度对数据回归分析得线性公式 上式两边同乘折减系数 岩体强度公式为 参考数值计算教材 72 73 74 1 2 1 3岩体抗剪强度参数根据实验结果可得 剪切破坏面上的应力 75 76 1 2 2岩体变形参数的确定 录像 变形参数有 弹性模量 变形模量 动泊松比 动弹性模量1 2 2 1弹性模量Ee和变形模量E0 77 现场刚性承压板实验求模量 78 79 1 2 2 2岩体动泊松比和动弹性模量用声波仪测出纵波和横波波速后按下式求 或静动弹模的关系 一般来说 岩体越坚硬越完整 则差值越小 否则 差值就越大 80 81 1 2 3工程岩体质量评价设计前对岩体质量作出评价 有助于深入认识岩体力学特性和合理选取参数 有助于岩体工程设计和施工 也有助于采取合理的工程处理措施 1 2 3 1岩体裂隙度和切割度岩体裂隙度K 取样线上单位长度上的节理数 K 0 1 m疏节理按密集程度分类K 1 10 m密节理K 10 100 m很密节理K 100 1000 m糜棱节理 82 岩体切割度Xe 岩体被裂隙切割分离面积所占比重 83 84 1 2 3 2岩体质量指标和声波速度比 岩石质量指标RQD RockQualityDesignation RQD是选用坚固完整的 其长度大于等于10mm的岩芯总长度与钻孔长度的比 百分数表示为 工程实践说明 RQD是一种比岩芯采取率更好的指标 85 钻孔取出的岩石试样 86 例某钻孔的长度为250cm 其中岩芯采取总长度为200cm 而大于10cm的岩芯总长度为157cm 图 则岩芯采取率 200 250 80 RQD 157 250 63 87 用RQD值来描述岩石的质量 分级 表5 4 88 弹性波 纵波 速度依据 弹性波变化能反映岩体结构特性和完整性 波速越大质量越好 中科院地质所根据他们对岩体结构的分类 列出了弹性波在各类岩体中传播特性 如表5 5 89 水在岩土体孔隙中的流动过程称为渗透 岩土体具有渗透的性质称为岩土体的渗透性 1 2 3 3岩体的渗透特性 由水的渗透引起岩土体边坡失稳 边坡变形 地基变形 岩溶渗透塌陷等均属于岩土体的渗透稳定问题 水在孔隙介质中的渗透问题 目前的研究在试验及理论上都有一定的水平 在解决实际问题方面也能够较好地反映水在孔隙介质中的渗流的运动规律 90 在一定的水力梯度或压力作用下 岩石能被水透过的性质 称为透水性 对孔隙介质岩体 一般认为 水在岩石中的流动 如同水在土中流动一样 也服从于线性渗流规律 达西定律 渗透系数是表征岩石透水性的重要指标 其大小取决于岩石中空隙 裂隙的数量 规模及连通情况等 并可在室内根据达西定律测定 岩石的渗透性一般都很小 远小于相应岩体的透水性 新鲜致密岩石的渗透系数一般均小于10 7cm s量级 同一种岩石 有裂隙发育时 渗透系数急剧增大 一般比新鲜岩石大4 6个数量级 甚至更大 说明空隙性对岩石透水性的影响是很大的 岩石的透水性 91 岩体的渗透性是一个复杂的问题 根据目前的研究 岩体的渗流大体可划分为准均匀介质渗流 裂隙性介质渗流和岩溶性介质渗流三种 1 准均匀介质渗流 属于这一类型的有全 强风化带及弱风化带的中上部的多孔隙砂岩 在该渗流场中 达西定律基本上适用 2 裂隙性介质渗流 裂隙性介质渗流是岩体渗流的基本形式 水的渗流主要受裂隙的类型 裂隙的大小 裂隙的产状及裂隙充填情况所控制 岩体的渗透性 92 3 岩溶介质渗流 岩溶介质渗流是岩体渗流最复杂的一种形式 由于受岩溶的发育规律所控制 岩溶的渗流具有间歇性 隐伏性 封闭性和地下水系等特点 岩体的渗透性 93 岩体渗透系数达西定律 岩石渗透性通过室内岩块试件测定 岩体渗透性通过现场试验测定 94 95 96 97 1 3岩体天然应力及其测量 原岩 未受工程影响而又处于自然平衡状态的岩体 原岩应力 亦称初始应力或地应力 定义之一 原岩中存在的应力 定义之二 岩体在天然状态下所存在的内应力 一般习惯把原岩应力分为自重应力场和构造应力场 由上覆岩体的自重所引起的应力称为自重应力 地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的应力 地质作用残存的应力统称为构造应力 98 研究岩体初始应力状态的工程意义 1 正确确定开挖岩体过程中的岩体内部应力变化2 合理设计地下工程的支护尺寸岩体应力现场量测方法概述目的 了解岩体中存在的应力大小和方向 从而为分析岩体工程的受力状态以及为支护及岩体加固提供依据 岩体应力量测按目的可分为 岩体初始应力量测和地下工程应力分布量测岩体应力量测常用方法 应力解除法 应力恢复法和水压致裂法 工程中某种应力量测方法的精确度能控制误差在0 4MPa以内 其结果通常被认为是令人满意的 99 岩体的初始应力 自重应力海姆公式 瑞士 Haim 1878 静水压力假定 无剪应力 静止侧压力系数 100 构造应力在漫长的地质年代里 由于地壳的构造运动 不仅在岩层或岩体中引起构造应力 同时也在岩层和岩体中引起相应的变形 这种变形表现为各种岩层和岩体以不同产状 形状和一定的几何形态有规律地分布于地壳中 构造应力尚无法用数学力学的方法进行分析计算 而只能采用现场应力量测的方法来求得 但是构造应力的方向可以根据地质力学的方法加以判断 101 1 3 1应力解除法 基本原理 释放应力 量测变形 弹性求解按探测深度可分 表面应力解除法 浅孔应力解除及深孔应力解除 按测试应变的方法不同可分 孔径变形测试 孔壁应变测试及钻孔应力解除法等 目前常用 孔径变形法 孔壁应变法 102 1 3 1 2孔径变形法 如图1 13在作用下孔周边A点的径向位移u为 解除应力 径向变形u就会恢复 如图1 14虚线所示 103 若孔径变形计互成60度角布置 即则若成45度角布置 即则式中 对浅孔k d E 深孔 u测得的径向变形 1主应力 1与径向变形u1的夹角 注意 算出的应力仅是垂直于钻孔轴线平面内的应力 不是岩体内真的主应力 104 现场实测步骤 105 空间应力量测共面三孔交汇法确定三维应力 106 用前面方法求出主应力 则用下面公式可求任意面的应力分量 式中 107 108 109 1 3 1 3孔壁应变测试法 工序同前 但小孔不是装孔径变形计 而是装三轴应变计 贴在孔壁上 测出孔壁的应变就可求岩体的六个应变分量 三个正应力和三个剪应力 110 应力恢复法 利用应力恢复法量测岩体表面应力时 应在岩体表面沿不同方向安置三个应变计 以便能够测出岩体沿这三个不同方向的伸缩变形 先读出应变计的初始读数 然后 沿着与所测应力相垂直的方向开挖一狭长槽 如图所示 111 1 3 2水压致裂法 比较常用 常用于测深层岩体应力 最大深度可达几千米 目前国内最深2000m 大港油田 1 3 2 1水压致裂法量测的基本原理水压致裂法地应力测量是利用一对可膨胀的橡胶封隔器 在预定的测量深度上下封隔一段钻孔 然后泵入液体对这段个别孔施压 直至压裂 根据压裂参数计算地应力 水压致裂法地应力测量以下列3个假设条件为前提 围岩是线性 均匀 各向同性的弹性体 围岩为多孔介质时 注入的流体按达西定律在岩石孔隙中流动 岩体中地应力的一个主应力方向与钻孔轴向平行 112 113 应力计算 测出压裂参数 按右式近似计算应力 114 水压致裂法量测程序 1 座封 2 注液施压 3 岩壁致裂 致裂压力 4 关泵 5 放液卸压 关闭压力 6 解封 7 破裂缝记录 115 1 4土的工程分类 2002020 050 005分界粒径漂石卵石园砾砂粒粉粒粘粒块石碎石 1 4 1无粘性土的分类 无粘性土的特点 1 颗粒肉眼可见 2 无粘性 3 具有单粒结构 4 压缩性和抗剪强度主要取决于其密度 5 现场原状土样极难取得 116 无粘性土的分类 117 1 4 2粘性土的分类粘性土的特征 1 具有粘性和可塑性 2 具有胀缩性 3 压缩性和抗剪强度与土的含水量有着密切的关系 4 具有结构性 118 粘性土的分类砂质粉土粉土粘质粉土粉质粘土细粒土粘土 119 1 5工程岩体分类 分类的目的 1 为岩石工程建设的勘察 设计 施工和编制定额提供必要的基本依据 2 便于施工方法的总结 交流 推广 3 为便于行业内技术改革和管理 岩体复杂 理论不完善 靠经验 从定性和定量两个方面来评价岩体的工程性质 根据工程类型及使用目的对岩体进行分类 这也是岩体力学中最基本的研究课题 120 分类原则 1 有明确的类级和适用对象 2 有定量的指标 3 类级一般分五级为宜 4 分类方法简单明了 数字便于记忆和应用 5 根据适用对象 选择考虑因素 趋势 综合特征值 分类法 121 分类的独立因素在分类中起主导和控制作用的有如下几方面因素 1 岩石材料的质量 强度指标 2 岩体的完整性 结构面产状 密度 声波等 3 水汶状态 软化 冲蚀 弱化 4 地应力 5 其它因素 自稳时间 位移率 其中 岩性是最重要因素 122 1 5 1几种典型分类 1 按岩石的单轴抗压强度RC分类用岩块单轴抗压强度进行分类 简单 早期 因此在工程上采用了较长的时间 普氏系数 1 岩石单轴抗压强度分类 表5 1 123 由于岩石点荷载试验可在现场测定 数量多而简便 所以用点荷载强度指标分类得到重视 由伦敦地质学会与Franklin等人提出 见图5 1 录像 2 以点荷载强度指标分类 124 2 按巷道岩石稳定性分类 1 斯梯尼 Stini 分类根据巷道围岩的稳定性进行分类 如表5 2所示 125 根据岩石抗压强度 工程地质条件和开挖时岩体稳定破坏现象 分四类 并有相应的施工措施 见表5 3 2 前苏联巴库地铁分类 126 3 按岩体综合指标分类 127 4 岩体的岩土力学分类由毕昂斯基 Bieniaski1974 提出 综合特征值 RMR值分类0 RMR 100 在欧美流行 式中的6个指标的相关因素分别为 R1 岩石抗压强度R2 RQDR3 节理间距R4 节理状态R5 地下水状态R6 修正系数 节理的方向对工程的影响这6个指标分别由如下各表来确定 128