10-地基工程地质课件

第二编岩土工程性质与工程勘察第一章岩石与矿物第二章岩土工程性质第三章原位测试第四章地下工程地质第五章地基工程地质第六章岩土工程勘察,土木工程地质讲义,第五章地基工程地质问题,第一节岩质地基的工程地质问题变形问题强度问题加固处理,第二节土质地基的工程地质问题,第一节岩质地基的工程地质问题,地基的定义：由于建筑物的兴建，导致岩土体中某一范围内原来的应力状态发生了变化，这部分由建筑物荷载引起应力变化的岩土体叫地基。,基础的定义：是建筑物在地面以下部分，它的作用是承受整个建筑物的重量及作用在建筑物上的所有荷载，并将荷载传给地基。,结构面：系指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸(或具一定厚度)的地质界面（带），例如岩层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称为不连续面(discontinulties)。结构面在空间的分布和组合可将岩体切割成不同形状的结构体。,软弱夹层：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。与周围岩体相比，软弱夹层具有高压缩性和低强度的特征。其中最常见、且危害较大的是泥化夹层。,一、影响岩石地基变形性质的因素：单个岩块受压变形分析岩体中结构面对受力变形的影响风化作用对岩体变形性质的影响岩质地基内的洞穴问题二、岩质地基的变形计算,岩质地基的变形问题,弹性(elasticity):在一定的应力范围内，物体受外力作用产生全部变形，去除外力(卸荷)后能够立即恢复原有形状和尺寸大小的性质，称为弹性。塑性(plasticity):物体受力后产生变形，在外力去除(卸荷)后不能完全恢复原状的性质，称为塑性。不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形、残余变形。粘性(viscosity):物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。脆性(brittle):物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质，称为脆性。延性(ductile):物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。,（一）单个岩块受压变形分析,（一）单个岩块受压变形分析：,（1）弹塑性变形型,弹塑性变形应力应变曲线,O-a段：弹性变形，为比例极限，是晶粒间细小孔隙的压密所致a-b段：塑性变形，称屈服阶段，为屈服极限，晶粒间错位所致。b-c:裂隙变形，晶粒间错位导致裂隙，细微裂隙连通到破损。为单轴极限抗压强度，简称抗压强度。c-d段:应变增加，强度降低，保持较小承载力。为残余强度。,思考题,安山岩、大理岩、石灰岩等较细的矿物晶粒组成的岩石,安山岩,弹塑性变形代表岩类：,（2）裂纹受压变形型,花岗岩、辉长岩、硅质石英砂岩、粗晶粒大理岩等一些粗晶粒结构的岩石,花岗岩（酸性深成岩）,辉长岩（基性深成岩）,O-a段：由张开裂纹受压闭合引起，应变量随应力增长逐渐变小。a-b段：线性变形，但并非全部弹性变形，包括闭合裂纹的相互滑动。b-c:裂纹稳定扩展阶段，微裂隙扩展，不断有新裂隙产生。c-d段:岩块破损阶段，部分位置裂纹迅速连通，向端部延伸，导致岩块破损。,裂纹受压变形应力应变曲线,（3）弹性变形为主的变形,玄武岩、辉绿岩、硅质灰岩、石英岩等一些具有微晶质(或玻璃质)组织、结构致密、岩性较坚硬(相对具有脆性)的岩石,玄武岩（基性喷出岩）,（4）塑性变形为主的变形,泥页岩、泥灰岩、泥岩、绢云母片岩、滑石片岩、泥质千枚岩等一些由粘土矿物固结而成的沉积岩及由其经变质作用而成的变质岩,EXIT,弹性变形为,塑性变形为主,特点：弹性变形范围较大，曲线斜率较陡，比例极限和屈服极限很靠近，且较快达到峰值破损。,特点：曲线呈上凹型，基本没有弹性变形阶段，也无明显比例极限和屈服极限。,（二）岩体中结构面对受力变形的影响（1）岩体的现场载荷试验：,根据压力P及其相应的总变形，计算所得的模量称为岩体变形模量E0，其定义为岩体在受压条件下应力与总应变之比，计算公式为,岩体弹性模量E，则根据P与弹性变形算出的模量，计算公式为,岩体现场承载板荷载试验p-w曲线,p承压板单位面积上的压力，MPab承压板的边长（或直径）u岩体的泊松比（横向应变与纵向应变比）w与承压板形状和刚度有关的系数w0相应于p的总变形量,其中：,直线型A型；上凹型B型；上凸型C型；复合型D型,（A）直线型A型,压力变形(p-w)曲线主要有以下四种：,AII型：当岩体是被多组节理裂隙切割时，结构疏松、破碎，但裂隙、分布比较均匀，属此类曲线。,A型:一些较完整、坚硬、致密、均匀而裂隙稀少的岩体表现如此。,A型,AII型,思考题,（B）上凹型B型,B型:多发生在具有水平方向的层理和节理(即垂直于压力方向)的岩体中，一些夹层及层间空隙随压力增加而逐渐压密，由于岩体结构之间未发生错动，故卸载时具有较大的弹性变形。,B一1I型:这种情况往往发生在有23组高角度裂隙的岩体中，在压力作用下，各部岩块像楔子一样互相楔紧，卸载后变形自然难以恢复。卸载时可恢复变形小时，也可出现这种情况。,B型,B一1I型,（C）上凸型C型,出现这种类型的曲线，可能有以下几种情况：,A岩石(如泥岩、碳质页岩、绢云母片岩等)性质较软弱岩体，曲线变缓反映了岩体中微裂纹逐渐扩展。B节理裂隙很发育，并有较多泥质充填的岩体，曲线变缓反映了岩体结构随压力增大而逐渐松动，一些岩块向四周挤出。C岩体较深处埋藏有软弱岩层，其曲线变缓的原因是，在P增大时逐渐加力到下部软弱岩层，使之产生压缩的结果。,C型,（D）复合型D型,一般多发生在岩体裂隙较发育且不均匀的情况下,由于岩体受压时的力学行为相当复杂，它包括岩石的压密、节理裂隙的闭合、岩块沿节理的移动和转动，以及受压层深度随压力的增大而加深等，所以往往表现出较复杂形状的PW曲线。,（2）结构面对岩体变形的影响(教材171172页，及下页)结构面方向;结构面的性质;结构面发育的密度和数量;结构面组合关系。,结构面对岩体变形的影响结构面方向：岩体的变形因结构面与力作用之间角度的不同而不同，导致岩体变形的各项异性。在岩体中结构面组数较少时，表现更明显；结构面的性质：结构面类型（张、剪节理，断层面，破碎带等）、结构面张开程度、充填程度、充填物性质等。结构面发育的密度和数量：一般，裂隙发育越强，产生的变形相应越大，但密度到一定程度时，影响变弱。结构面组合关系：当存在两组以上的结构面时，各组结构面排列组合方式不同，对岩体变形影响也不同。,各类结构面对岩体变形影响的特征对垂直结构面的拉应力基本无阻抗力；在垂直结构面压应力作用下，结构面间容易闭合或压密，产生相应应力。结构面在沿其面方向上的切应力作用下，易产生剪切变形和滑动位移。沿结构面的剪切破坏或滑动，符合摩尔库仑法则。,EXIT,思考题,（三）风化作用对岩体变形性质的影响,(1)岩石抗风化能力；酸性岩(花岗岩（侵入岩）、正长岩),中性岩(闪长岩、安山岩),基性岩(玄武岩（喷出岩）、辉绿岩),超基性岩(橄榄岩)（强）？变质岩则为：浅变质岩，中等变质岩，深变质岩（弱）？而沉积岩的抗风化能力则比较复杂，一般石英砂岩、硅质石灰岩抗风化能力较强，而粘土质岩石(粘土岩、泥页岩及泥质砂岩)则较低。南方的红色粘土岩，开挖暴露几天后就会发生风化崩解。(2)地基岩体较深处的古风化壳；有些地方近期的风化深度不大，在几米深处岩石即呈未风化状态，可是再继续向深处钻探，却又发现有较厚的风化岩石，这就是所谓的古风化壳。(3)各种风化程度岩体分类及其对变形与强度的影响,不同风化程度岩石物理力学性质指标参考数据,EXIT,各种风化程度岩体分类及其对变形与强度的影响,（四）岩质地基内的洞穴问题：岩体洞穴的类型：(1)可溶性岩石(如石灰岩、石膏等)中的溶洞。(2)构造运动多发地区大型构造裂隙被淘空所成的洞穴。(3)人工洞穴如矿洞、隧洞、墓室等。,基底到洞顶的安全厚度Z0的简化估算方法见下页，公式中岩体的普氏坚固因数f值取值如下表,P0基底附加压力（荷载）Pzz深度处附加应力扩散角，一般取300，坚固完整岩体可取400。,按总应力相等导出p0*b=pz*b+2*z*pztan,基底至洞顶安全厚度计算图示,坚硬岩石，pz取0.2p0，软弱岩体，pz取0.1p0,例题,更多的计算请参考岩溶塌陷与土洞计算的习题专讲,一工程基础宽b2米，基地压力p0500kPa，地基为厚层长石砂岩，微风化，湿抗压强度Rc25MPa，属次坚硬岩石，一定深处存在洞穴，若地下洞穴跨度a为4米，计算安全厚度Z0。,解：依题意，f可按普氏坚固因数取值表取6（57之间），取300，pz=0.2p0压力拱高度,z深度处附加应力,EXIT,答：安全厚度是7.6米,二、岩质地基的变形计算（一）地基岩体变形性质试验,依靠在工程现场的原位静荷载试验，按此曲线：(1)了解在各级荷载压力下的岩体竖向变形量。(2)可依据弹性力学理论计算出岩体的E值，即：,节理裂隙均匀的次坚硬岩体试验的pw曲线,均布荷载作用下,（二）岩质地基内的附加应力Pz的分布,竖向附加应力分布,附加应力Pz的等值线如右图所示，可以看出，同一深度，基础中心线上附加应力最大，向两侧逐渐降低；沿中心线，Pz随深度增加而减弱。,三角形分布荷载作用下地基内竖向附加应力分布,三角形分布荷载作用下,（三）岩质地基变形(沉降)计算方法的主要依据为：地基岩体的应力一变形指标E；上部荷载压力P。在岩体内产生的附加应力Pz值。计算原理为：,所以,当已知地基的受压层范围，一般取Pz=0.1Po的深度范围，依据岩体各层的Ei值，分层厚度hi，以及各层平均附加应力pzi，则变形量为：,例题：一工程基底压力p。=1MPa，地基岩体剖面及地基内附加应力分布如左图示，岩基第一层为弱风化的石英砂岩，厚h1=5m，E。=2103MPa，第二层为碳质砂、页岩互层，h2=5m，E2=1103MPa，试计算其沉降值。,EXIT,可见，一般工程荷载作用下一般岩石的变形量很小，只在下述情况下计算变形量：（1）超重工程建筑（p01MPa）（2）地基受压层内存在较厚的E值较低岩石，如古风化壳，软弱岩石夹层，断裂破碎带等。,地基强度是指地基在建筑物荷重作用下抵抗破坏的能力。一、岩石强度试验及破坏机制受力破坏形式大致分为三种类型，（1）脆性张破裂,（2）剪切破裂,（3）剪切塑性破裂。如右图,（1）脆性张破裂岩性较硬而脆，在围压较小、温度较低、竖(轴)向压力远大于围压时，四周发生拉张变形，由于岩石的抗拉强度远小于抗压强度，横向的拉应力较快地超过抗拉强度，从而发生纵向的张裂隙，继续扩张就会导致岩石破裂。,岩质地基的强度问题,（3）剪切塑性破裂较软弱的岩石，在较高围压下岩石延性较强，受压后呈现一定的流塑性，产生较多细微裂隙。最后才达到裂隙扩展破坏。抗剪强度为抗压强度的1/10l/15，抗拉强度为抗压强度的1/201/30，抗弯强度为抗压强度的1/81/14。,（2）剪切破裂一般坚硬的岩石，在竖向压力增大到一定量时，矿物粒间发生错动，继而发生剪切裂隙，最后扩张而破坏。,二、岩体中结构面的抗剪强度：（1）破裂结构面；其抗剪强度主要取决于结构面的起伏性和粗糙度。（2）破碎结构面；其抗剪强度主要取决于充填物的组成和胶结程度。（3）层状结构面；其抗剪强度取决于结构面的胶结程度及软岩层本身的抗剪强度。（4）泥化结构面；其抗剪强度取决于泥质物质的粘土矿物成分、含水量及固结程度。,三、影响地基岩体强度的因素：（1）岩石自身的强度；（2）结构面的影响；（3）风化程度的影响。,四、岩质地基承载力确定,EXIT,（1）现场静载荷试验；对于房屋建筑的一级建筑物，大、中型水坝工程，大中型桥梁工程、重型设备工程等重要工程，从现场荷载试验得到的压力变形（pw）曲线上，截取要求变形量对应的压力值作为岩体的地基承载力。（2）经验参数法；依据风化破碎程度和岩石强度，依据承载力表估算，表参见教材179页。,不良岩质地基加固处理措施：（1）表层风化破碎带：若风化破碎层厚度不大，一般采取清基，即将破碎岩块清除掉。（2）节理裂隙带发育较深的岩基体：一般可采用钻孔后，灌注水泥砂浆(或水玻璃浆)进入节理裂隙中，把碎裂岩石胶结起来，加固并提高其力学指标。（3）当地基岩体中发现有控制岩体滑移条件的软弱结构面时，为保证地基岩体的稳定，一般可用锚固的方法，即用钻孔穿过软弱结构面，深入至完整岩体一定深度，插入预应力钢筋或钢缆。,思考题,（4）当地基岩体中存在着倾角较大、埋藏较深或厚度较大的断裂破碎带和软弱夹层：若彻底清除，开挖量将很大。一般采用井或槽开挖方式，将破碎物质挖除，然后回填混凝土。（5）若基岩受压层范围内存在有地下洞穴：应探明洞穴的发育情况，即深度、宽度等。再用探井(或大口径钻孔)下入，对洞穴作填塞加固。,EXIT,第二节土质地基的工程地质问题,一、土质地基破坏的形式:通过现场静荷载试验，分为三种破坏形式。,整体剪切破坏常发生在浅埋基础下的密砂或硬粘土等坚实地基中，局部剪切破坏常发生在中等密实砂土中，而刺入破坏常发生在松砂及软土中。在密实的地基中，一般会出现整体剪切破坏，但当基础埋置深度很深时，密砂在很大荷载作用下也会产生压缩变形，从而出现刺入剪切破坏；在软粘土中，当加荷速度较慢时会产生压缩变形，从而出现刺入剪切破坏，但当加荷很快时，由于土体不能产生压缩