矿大工程地质学基础.第二章岩土体的工程地质性质资源

中国矿业大学工程地质学基础,第二章岩土体的工程性质,第二章岩土体的工程性质,主要内容:一、岩土体的物质组成与性质二、土的物质组成与性质三、岩体结构及其工程性质四、风化岩体的工程地质性质,第一节岩土体的物质组成与性质,一、岩土体的物质组成矿物+颗粒联结1岩土体：是非均质、各向异性、厚度不等，具有一定次序并含有一定结构的多层岩土层，且存在于一定的地下水、温度及应力场环境中的地质体。2岩体与土体共性：a.都为矿物集合体;b.有固相、液相和气相组成的多相体系;c.相互转化：土-成岩作用-岩石；岩石-风化作用-土;,第一节岩土体的物质组成与性质,3岩体与土体差别：a.结构形式岩石存在断层、节理、裂隙等结构面;土一般是连续;b.连结形式岩石-结晶连结、胶结连结-硬连结;土-无连结、水连结或水胶连结等;c.力学性质岩石比土具有强度高、不易变形及整体性和抗水性好，但缺陷是存在断层、节理等构造面;d.地应力岩体-有较高地应力;土体自重应力状态;,第一节岩土体的物质组成与性质,二、工程地质性质1土体：不是各土层性质的叠加而是相互影响淤泥、砂土液化、欠固结、特殊土2岩体：结构起控制作用,第一节岩土体的物质组成与性质,三、工程地质岩组岩土工程地质类型划分-联合国教科文组织（UNESCO）和国际工程地质协会（IAEG）1划分:工程地质单元工程地质类型（ET）、岩石类型（LT）、岩石综合体（LC)、工程地质岩组(LS)a.ET-精度高，物理状态和岩性均匀.b.LT-包含不同ET其成分、结构和构造是均匀的,但物理状态不均匀,存在一定范围.c.LC-一组发育在特定古地理和地质构造条件下的成因相关的LT组成,空间分布均一,物理状态不同.d.LS-在相似的古地理构造条件下形成,具有共同的岩性性质和一般的均匀性.,第一节岩土体的物质组成与性质,2.目的:研究对比和量化计算3.原则:A)精度有高到低B)必须以实际资料为前提4依据:A)地层形成时代及顺序B)岩石成因类型、岩性及岩相变化C)岩石的物质组成及组织结构D)成层条件及厚度变化E)岩层的原生结构面标志F)岩石的物理力学性质,划分举例,第二节土的物质组成与性质,一、土的颗粒特征二、土的矿物成分三、土中的液体和气体四、土的结构构造五、土的物理性质六、粘性土的稠度和可塑性七、土的力学性质（本部分为煤层气专业补充内容）,一、土的颗粒特征,1、粒度、粒组和颗粒形状粒度：天然土是由大小不同的颗粒组成的，土颗粒的大小通常以其平均直径表示，称为粒径，又称为粒度。粒组：天然土的粒径一般是连续变化的，为了描述的方便，工程上把大小相近的土粒合并为组，称为粒组。颗粒形状：椭球状、针片状、棱角状。,一、土的颗粒特征,2、土粒粒组的划分由于土粒的形状是不规则的，很难直接测量颗粒的大小。间接的测量方法为筛分法（0.075mm）和沉降分析法（0.075mm）。粒组的划分，不同国家和行业部门规定不同。我国的规范标准中土的工程分类标准（GB/T50145-2007）、岩土工程勘察规范（GB50021-2001）、建筑地基基础设计规范，（GB50007-2002）,一、土的颗粒特征,一、土的颗粒特征,3、土粒组成的表示方法1）颗粒级配概念土的颗粒大小及其组成情况，通常用土中各个不同粒组的相对含量（各粒组干土质量的百分比）来表示，称为土的颗粒级配。2)特征粒径及应用,二、土的矿物成分,无机矿物,原生矿物：石英、长石、云母等,次生矿物,可溶的：岩盐、石膏、方解石等,不可溶的：粘土矿物、次生SI02、R2O3,有机质:腐殖质、泥炭,二、土的矿物成分,1、矿物成分与粒度成分的关系,二、土的矿物成分,3、粘土矿物的结晶结构及基本特征蒙脱石组（M-Montmorillonite）高岭石组（K-Kaolinite）伊利石组（I-Illite）,SI-O四面体示意图,四面体与八面体组成粘土矿物的层状结构,AL-O-OH八面体示意图,不同粘土矿物的特征,蒙脱石晶层构造示意图（M）T-O-TMontmorillonite,nH2O,晶间O连接活动性大、可以大量进入水分子、压缩性、膨胀性强,Montmorillonite,高岭石晶层构造示意图（K-KaoliniteT-O-T-O-T-O-）,晶间氢建连接、膨胀性小、压缩性小,Kaolinite,K+,K+,伊利石晶层构造示意图（I-Illite）,K+,K+,性质介于蒙脱石和高岭石之间,Illite,三、土中的液体和气体,1、土的液相土的液相指存在于土孔隙中的水。通常认为这个水是中性的，其实为电解质溶液。按照水土相互作用程度的强弱：结合水和自由水结合水，土颗粒表面的水膜中，不服从静水力学规律，冰点低于零度。分为强结合水和弱结合水。强结合水，靠近土颗粒表面；弱结合水，距离颗粒表面较远，可以迁移，不传递静水压力自由水，包括毛细水和重力水。毛细水受重力和表面张力的作用，上升到一定高度，形成毛细水带；重力水在土中渗流，对土颗粒有浮力。,三、土中的液体和气体,三、土中的液体和气体,2、土的气相土的气相为土未被水占据孔隙中的气体，与大气连通或不连通。与大气连通的气体在受挤压后排出，与大气不连通的气体在土压密过程中可溶于水。含有气体的土称为非饱和土。,四、土的结构构造,定义：土的结构是指土粒（或团粒）的大小、形状、互相排列及联结的特征。,土的成分,土的成因,土的年代,典型地质灾害：砂土的液化现象。（地震地基的重要危害之一）,单粒结构,碎石土和砂土（无粘性土）,特点：,土粒间没有联结存在，或非常微弱疏松状态会趋向密实密实状态会发生剪胀,矿物成分颗粒形状粒度成分级配的均匀程度。,紧密程度,四、土的结构构造,蜂窝状结构是以粉粒为主的土的结构。,四、土的结构构造,定义：絮状结构是粘土颗粒特有的结构特征,压缩性大、强度低、透水性弱、力扰动会显著降低其强度。,特点：,四、土的结构构造,土的构造,层状构造,分散构造,裂隙构造,四、土的结构构造,五、土的物理性质,土的物理性质是表征土的物理状态的一系列性质如:重量、含水性、孔隙性等土的物理性质指标是评价和判断土的工程性质的重要依据。,S,W,A,Soilasathree-phasematerial,ma(0),mw,ms,m,Va,Vw,Vs,Vv,V,土的三相图Threephasediagram,质量mass,体积volume,S,W,A,以质量计：空气质量ma0水质量mw土粒质量ms总质量m=mw+ms或以重量计：W=mg,以体积计：空气体积Va水体积Vw土粒体积Vs总体积V=Vv+Vs孔隙体积Vv,Masses（质量）,Volumes（体积）,ma(0),mw,ms,m,Va,Vw,Vs,Vv,V,土的三相图Threephasediagram,质量mass,体积volume,S,W,A,1、土的质量和重量,1）土粒的比重（specificgravity）,土粒质量与同体积4C水的质量之比无量纲,2）土的密度（1）质量密度（density）,（2）重力密度（重度、容重unitweight）,分析：密度和重度综合反映了土的物质组成与结构,ma(0),mw,ms,m,Va,Vw,Vs,Vv,V,质量mass,体积volume,S,W,A,ma(0),mw,ms,m,Va,Vw,Vs,Vv,V,干密度是表征结构松密程度的指标,质量mass,体积volume,S,W,A,（3）饱和重度（密度）（saturatedunitweight）,（4）干重度（密度）（dryunitweight）,ma(0),mw,ms,m,Va,Vw,Vs,Vv,V,土的三相图Threephasediagram,质量mass,体积volume,S,W,A,（5）水下重度（浮重度）（submergedunitweight，buoyantunitweight）,ma(0),mw,ms,m,Va,Vw,Vs,Vv,V,质量mass,体积volume,S,W,A,2、土的含水性及其指标,1）土的含水量（watercontent）,ma(0),mw,ms,m,Va,Vw,Vs,Vv,V,土的饱和度反映土中孔隙的充水程度,质量mass,体积volume,S,W,A,2）土的饱和度（degreeofsaturation,saturationratio）,Va,Vw,Vs,Vv,V,体积volume,S,W,A,1）孔隙度(porosity),3、土的孔隙性及其指标,2）孔隙比(voidratio),3）砂土的相对密度Dr(relativedensity),e增大,最紧密,最松散,天然,4、指标的测定与计算,土的基本物理性质指标：Gs、（）、w、e、n、Sr、d（d）三个基本实测指标：Gs、（）、w四个基本导出指标：e、n、Sr、d（d）,土颗粒的比重试验,测量原理,瓶+水+土瓶+水土排开水的体积土排开水的质量=两瓶水的质量差,土的含水量试验,土的含水量试验,5取代表性土样,土的含水量试验,7用两个铝盒平行测试,土的含水量试验,8盖好铝盒盖,土的含水量试验,9称铝盒加湿土重,土的含水量试验,10放入可控温度100105C烘箱中烘干,土的含水量试验,11测铝盒加烘干土重,土的重度试验,土的重度试验,4轻轻向下压环刀,土的重度试验,6切直土样上下高出环刀,土的重度试验,8均匀地削平环刀一侧的土样,土的重度试验,11平行测定,需制备2个土样,利用三相图推导物理指标之间的关系,ma(0),mw,ms,m,Va,Vw,Vs,Vv,质量mass,体积volume,S,W,A,Masses（质量）,Volumes（体积）,稠度：粘性土由于含水量变化而表现出的稀稠程度。阿太堡界限（阿太堡稠度界限）粘性土从一种状态转变为另一种状态，可用其自身的某一个界限含水量有关。,六、粘性土的稠度和可塑性,Vs,wL,wP,ws,液限,Vs+Va,气体,缩限,塑限,阿太堡界限(Atterberglimit),六、粘性土的稠度和可塑性,固态,半固态,可塑态,液态,V,Vs,0,Ws,Wp,WL,W,A,B,C,Ip,wL(liquidlimit),流动状态与可塑状态间的分界含水量,Wp(plasticlimit),可塑状态与半固体状态间的分界含水量,半固体状态与固体状态间的分界含水量,Ws(shrinkagelimit),六、粘性土的稠度和可塑性,六、粘性土的稠度和可塑性,Ip塑性指数（plasticityindex）-描述粘土的可塑性,IL液性指数（liquidityindex）-粘土的状态,六、粘性土的稠度和可塑性,塑限wp,用搓条法,液限wL,平衡锥式液限仪测定,碟式液限仪测定,液塑限联合测定法,六、粘性土的稠度和可塑性,七、土的力学性质,土的压缩性土的抗剪性土的击实性,上海展览馆,650mm,e=1.8,w=60%Es=1.45MPa,521mm,比萨斜塔,Transcona谷仓地基,1、土的压缩性,定义：土的压缩性是指在压力作用下体积压缩变小的性能压缩变形的本质土的三相组成决定了土的压缩变形由三部分组成土粒本身的压缩变形孔隙中水和气的压缩变形孔隙中水和气被挤出，土颗粒相互靠拢，孔隙体积缩小土的压缩主要原因是由于孔隙中水和气被挤出，土颗粒相互靠拢，致使孔隙体积减小而引起的。,室内压缩试验与压缩定律,压缩仪ELE公司,WG型系列单杠杆固结仪(南京土壤仪器厂),K0固结仪、气压固结仪固结仪(南京土壤仪器厂),室内压缩试验与压缩定律,P1,.,室内压缩试验与压缩定律,p2,室内压缩试验与压缩定律,p3,.,h,测量土样高度的变化，并转变成孔隙比的变化,p1，p2，p3，h1，h2，h3，e1，e2，e3，.,e,e1,e2,p1,p2,p,a称为压缩系数（coefficienntofcompression），单位1/kPa，或1/MPa,压缩定律：在压力不大的情况下，孔隙比的变化与压力的变化成正比。,压缩模量、变形模量,压缩模量（有侧限）,变形模量（无侧限）,体积压缩系数：土压缩时竖向应变增量与竖向应力增量之比,侧压力系数、泊松比,泊松比无侧限条件下，侧向膨胀应变与竖向压缩应变之比,侧压力系数侧限条件下侧向压力与竖向压力之比,先期固结压力pc,土在历史上曾经经受过的最大固结压力成为先期固结压力。,超固结比OCR,OCROverConsolidationRatio先期固结压力和现有土层上覆压力之比,2、土的抗剪性,材料的强度理论最大正应力理论最大正应变理论最大拉应力理论最大剪应力理论,最大剪应力理论认为，材料破坏的原因是材料中的最大剪应力造成的,大地的局部化开裂,多之形,雁形,锯齿形,桥梁支敦中出现的局部化剪切破坏,地基承载力问题,Op（kPa）abS（mm）,基础地面pp基础地面psa,土的抗剪强度试验,1）直剪试验（直接剪切试验,Directsheartest),直剪仪,水平力T,p垂直压力,水平力T,p垂直压力,直剪仪,土的抗剪强度试验,1）直剪试验（直接剪切试验,Directsheartest),水平力T,p垂直压力,正应力（NormalStress）,剪应力（ShearStress）,F,例1.对某砂土样做的直剪试验结果如下，试样的抗剪强度。,粘性土,c,C称为土的粘聚力(Cohension)称为土的内摩擦角(Angleofinternalfriction),库仑定律,在一定载荷范围内，土的抗剪强度与法向应力之间呈直线关系。其中C、被称为土的抗剪强度指标。,2）剪切试验方法,直剪快剪（Q）固结快剪（CQ）慢剪（S）三轴剪切不固结不排水剪（UU-test）固结不排水剪（CU）固结排水剪（CD）无侧限抗压强度试验十字板剪切试验,3、土的击实性,工程意义土的击实试验压实土的压缩性和强度,重锤法:采用80400kN的重锤，从很高处(820m)自由落下，对土体进行强力夯实的方法。这是在的基础上发展起来的一项技术。强夯法是用很大的冲击能，使土体中出现冲击波和很大的应力，致使孔隙被压缩，土体局部液化，夯实点周围产生裂隙，形成良好排水通道，土体迅速固结。最大加固深度可达1112m或更大。此法不仅能加固陆上土层，也能加固水中土层；适用于多种土类：粗粒土、低饱和度的细粒土、杂填土、素填土、湿陷性黄土；不仅能提高地基承载力，也可防止地基液化。对于饱和细粒土，要慎用。,青藏铁路压实路基,广州白云机场扩建工程,京福高速公路,电动击实仪,手提式击实仪,取样设备,第三节岩体结构及其工程性质,一、基本概念1结构面:指发育于岩体中，具有一定方向和延伸性,有一定厚度的各种地质界面,如断层、节理、层理及不整合面等.由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面。2结构体:结构面在空间的分布和组合可将岩体切割成形状、大小不同的块体,称结构体.,第三节岩体结构及其工程性质,3岩体在地质历史过程中形成的,具有一定的岩石成分和一定结构,并赋存于一定地应力状态的地质环境中的地质体。4岩体结构结构面和结构体的排列与组合形成。包括结构面和结构体两个要素。,第三节岩体结构及其工程性质,二、岩体结构特征1结构面的特征及性质(1)类型结构面的成因分类：原生结构面、构造结构面、次生结构面（解释）(2)特征a.结构面的产状结构面的产状与最大主应力作用线方向之间的关系控制着岩体的破坏机理，进而控制着岩体的强度。,第三节岩体结构及其工程性质,如上图：-结构面与最大主应力的夹角(a)为锐角,岩体将沿结构面产生滑动破坏(b)为直角,表现为切过结构面，产生剪断、岩体破坏(c)为0度,平行结构而的劈裂拉张破坏,第三节岩体结构及其工程性质,b.结构面连续性连续性反映结构面的贯通程度常用线连续性系数和面连续性系数表示.线连续系数(K):K=a/b;其中:a-各结构面长度之和;b-完整岩石各段长度之和;K变化在01之间K值愈大，说明结构面连续性愈好；当K1时说明结构面完全贯通.,第三节岩体结构及其工程性质,c.结构面的密度密度反映结构面发育的密集程度常用间距、线密度等指标表示。线密度(Kd)是指结构面法线方向上单位测线长度交切结构面的条数(条/m)；间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面之间的平均距离。两者互为倒数关系.即Kd=1/d结构面的密度决定了岩体的完整性和岩块的块度。一般来说结构面发育愈密集，岩体的完整性愈差，岩块块度愈小进而导致岩体的力学性质变差渗透性增强.,第三节岩体结构及其工程性质,d.结构面的形态结构面的形态可从侧壁的起伏形态和粗糙度两方面来进行研究.结构面侧壁的起伏形态可分为：平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的几种，见下图。而侧壁的起伏程度则可用起伏角(i)表示如下:i=arctg(2/L),结构面侧壁的起伏形态,侧壁的起伏程度,结构面粗糙度,结构面的粗糙度可用粗糙度系数(JRC)表示:它可以增加结构面的摩擦角进而提高了岩体的强度。据结构面的粗糙程度可将粗糙度系数（JRC）分为10级。在实际工作中，可用剖面仪测出所研究结构面的粗糙剖面、然后与标准剖面进行比较，即可求得结构面的粗糙度系数(JRC).,第三节岩体结构及其工程性质,e.结构面的张开度结构面两壁之间，一般不是最紧密接触，而是点接触或局部接触.结构面的张开度是指结构面两壁间的平均距离常以毫米为单位.,第三节岩体结构及其工程性质,f.结构面的充填胶结特征结构面经胶结后，力学性质有所改善。改善的程度因胶结物成分不同而异，铁硅质胶结的强度最高，泥质及易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差.未胶结且具一定张开度的结构面，其力学性质取决于充填物成分、厚度、含水性及壁岩性质等。就充填物成分来说以砂质、角砾质力学性质最好粘土质、易溶盐类性质最差.,g.结构面的分级及其特征按结构面的规模及其力学效应，可将结构面划分为5级,第三节岩体结构及其工程性质,（3)软弱夹层a.定义:指岩体中那些性质软弱、有一定厚度的软弱结构面或软弱带,具有高压缩性和低强度的特征.b.特征:(a)由原岩的超固结胶结式结构，变成了泥质散体结构或泥质定向结构；(b)粘粒含量较原岩增多并达一定含量；(c)含水量接近或超过塑限密度比原岩小；(d)常具一定的膨胀性；(e)力学强度比原岩大为降低压缩性较大；(f)由于结构松散，因而抗冲刷能力低.在渗透水流作用下，易产生渗透变形.,第三节岩体结构及其工程性质,2结构体特征及性质(1)特征可用其规模、形态及其产状进行描述a.按不同级别结构面对岩岩体的切割，可将结构体划分为4级。级结构体地质体或称断块体级结构体岩块级结构体块体级结构体山体,第三节岩体结构及其工程性质,b.基本形状有柱状、块状、板状、楔形、锥形、菱形等。一般来说其稳定程度，板状结构体比柱状、块状的差。而楔状的比菱形及锥状的差.c.产状一般用结构体表面上最大结构面的长轴方向表示，平卧的板状结构体比竖直的板状结构体对岩体稳定性的影响要大些.,第三节岩体结构及其工程性质,3岩体结构类型划分为了概括地反映岩体结构面和结构体的成因、特征及其排列组合关系将岩体结构划分为4大类和8个亚类如下表所示：,第三节岩体结构及其工程性质,三、岩体工程性质1岩体变形性质(1)结构面的变形特性a.法向变形特性（对比试验）在同一岩体中取一块不含结构面的完整岩块试件和一块含结构面的岩石试件。然后，分别对这两块试件进行单向压缩试验，可得到如图。设不含结构面试件的法向变形为Vr，含结构面试件的法向变形为Vt，则结构面的闭合变形Vj为：Vj=Vt-Vr应力-应变曲线上某点的切线斜率定义为结构面的法向刚度（Kn），它是反映结构面法向变形性质的主要参数。,第三节岩体结构及其工程性质,b.剪切变形特征结构面的剪切变形有两种基本类型：一类为塑性变形型如泥化夹层、光滑平直的破裂面等一般具这类变形特征；另类为脆性变形.n-Vj曲线有明显的峰值点和应力降。当应力降于定值后趋于稳定。不再随位移变化而变化。如粗糙结构面等常具这种变形特征。把剪力-应变曲线上某点的切线斜率定义为结构面的剪切刚度(Ks)它是反映结构面剪切变形性质的主要参数。,第三节岩体结构及其工程性质,(2)岩体变形参数的确定及变形曲线类型a.承压板法试验一般在平巷中进行。利用巷道顶板作反力，以油压千斤顶施加压力通过刚性承压板将压力传至底部平直光滑的岩面上用百分表测量岩体变形值。按下式计算即式中：Em为岩体的变形模量(MPa)；W为岩体的变形量(cm)；P为承压板单位面积上的压力(MPa)；D为承压板直径或边长(cm)；为岩体的泊松比；为与承压板刚度和形状有关的系数，圆形板取0.79、方形板取0.88.,第三节岩体结构及其工程性质,b.钻孔变形法利用钻孔膨胀计对一定长度的孔壁施加均匀压力，同时测量孔壁的径向变形。利用下式计算岩体的变形模量和弹性模量，即式中：为岩体的径向变形(cm)；p为计算压力，等于试验压力与初始压力之差(MPa)；d为实测点的钻孔直径(cm)；其余符号意义同前.,第三节岩体结构及其工程性质,c.声波法通过测量岩体中纵波和横波的传播速度，来确定其变形参数，即或式中：Emd为岩体的动弹性模量(GPa)；d为岩体的动泊松比;Gmd为岩体的动剪切模量(GPa)为岩体的密度(gcm2);vp为纵波速度(ms);vs为横波速度(ms).,第三节岩体结构及其工程性质,(3)节理化岩体变形模量的估算比尼卫斯基根据岩体变形模量实测资料，并用CSIR分类法对岩体进行了分类建立了如下的统计关系：当RMR55时，Em=2RMR-100当RMR2m3m)205D不连续面性状（粗糙-夹泥)300E地下水（干燥流动）150F不连续面产状条件（很好很差）012,第三节岩体结构及其工程性质,c.巴顿岩体质量（Q）分类岩体质量指标计算公式及方法：Q=(RQD/JR)*(Jr/Ja)*(Jw/SRF)式中：RQD岩石质量指标；JR节理组数，无裂破裂，0.520；Jr节理粗糙度系数粗糙镜面，40.5Ja节理蚀变系数，新鲜蚀变夹泥，0.7520；Jw节理水折减系数，干燥特大水流，10.05；SRF应力折减系数。,第四节风化岩体的工程地质性质,一、岩体