土木工程地质

1、第1章 矿物和岩石 岩石岩石是由是由固体矿物聚合而成固体矿物聚合而成的集合体的集合体自然界自然界33003300多种矿物按一定的规律多种矿物按一定的规律聚集形成各种岩石聚集形成各种岩石其中由其中由一种矿物一种矿物组成的岩石称为组成的岩石称为单单矿岩矿岩，如石灰岩、石英岩；，如石灰岩、石英岩；多种矿物多种矿物组成的岩石称为组成的岩石称为多矿岩多矿岩，如粘土岩花岗岩如粘土岩花岗岩组成岩石的矿物称为组成岩石的矿物称为造岩矿物造岩矿物硅酸盐矿物硅酸盐矿物是主要的造岩矿物。是主要的造岩矿物。岩石岩石的概念岩石的概念地球表层为岩石构成的圈层，称为地球表层为岩石构成的圈层，称为岩石圈岩石圈，厚度，厚度303

2、08080公里公里岩石中分布最广泛的为八种元素，占地壳总重量的岩石中分布最广泛的为八种元素，占地壳总重量的98.5998.59岩石中能被开发利用的称为岩石中能被开发利用的称为矿石矿石岩石学岩石学研究岩石的一门学研究岩石的一门学科，它全面研究组成科，它全面研究组成地壳岩石地壳岩石的化学成分，的化学成分，矿物成分，结构构造矿物成分，结构构造及成因、变化规律及及成因、变化规律及实用意义的一门学科实用意义的一门学科。岩石的结构和构造 岩石的结构岩石的结构指表示岩石中矿物的指表示岩石中矿物的结晶程度、晶粒大小、形状特征结晶程度、晶粒大小、形状特征及及矿物晶粒之间的相互关系矿物晶粒之间的相互关系 岩石的构

3、造岩石的构造指表示岩石中矿物集合体的指表示岩石中矿物集合体的空间排列和充填方式空间排列和充填方式。如层。如层理构造、层面构造、块状构造、条带状构造等。理构造、层面构造、块状构造、条带状构造等。岩石的结构构造是岩石岩石的结构构造是岩石形成环境形成环境和和物理化学条件物理化学条件的记录的记录岩石的分类岩石按其形成原因分为三大类：岩浆岩、沉积岩、变质岩。各类岩石在地壳中的分布及数量极不均衡:地球表面的75为沉积岩所覆盖构成地壳的主要成分岩浆岩按体积计算占95。岩浆: 地下深处形成的富含挥发组分及金属硫化物和氧化物的硅 酸盐熔融体岩浆岩：岩浆经冷凝固结形成的岩石岩浆岩是地壳的主要组成部分，大部分为块状

4、，成分与结构都均一的结晶质岩石，极小部分为玻璃质3 岩浆岩3.1 岩浆岩成因侵入岩侵入岩喷出岩喷出岩深成岩深成岩浅成岩浅成岩火山碎屑岩火山碎屑岩熔熔 岩岩深度大于深度大于3km3km的侵入岩的侵入岩深度小于深度小于3km3km的侵入岩的侵入岩溢出地表的岩浆冷凝而成的岩石溢出地表的岩浆冷凝而成的岩石岩浆或它的碎屑物质被火山猛烈岩浆或它的碎屑物质被火山猛烈地喷发到空中，又从空中落到地地喷发到空中，又从空中落到地面堆积形成的岩石面堆积形成的岩石当岩浆沿地壳中薄弱地带上升当岩浆沿地壳中薄弱地带上升时逐渐冷凝所形成的岩石时逐渐冷凝所形成的岩石当岩浆沿构造裂隙上升时溢当岩浆沿构造裂隙上升时溢出地表或通过火

5、山喷出到地出地表或通过火山喷出到地表，所形成的岩石表，所形成的岩石3.2 岩浆岩的产状 指指岩浆体的形态、大小及其与围岩的关系岩浆体的形态、大小及其与围岩的关系 与岩浆的成分、物理化学条件及受冷凝地带的环境有关与岩浆的成分、物理化学条件及受冷凝地带的环境有关一 侵入岩的产状1 1 岩基岩基 是岩浆侵入到地壳内凝结形成的岩体中最大的一种。是岩浆侵入到地壳内凝结形成的岩体中最大的一种。 埋藏深、范围大、岩浆冷凝速度慢、晶粒粗大、岩性均埋藏深、范围大、岩浆冷凝速度慢、晶粒粗大、岩性均匀，是良好的建筑地基匀，是良好的建筑地基2 岩株 分布面积较小、形态不规则的侵入岩体，与围岩接触面分布面积较小、形态不

6、规则的侵入岩体，与围岩接触面较陡直较陡直 岩性均一、稳定性良好的地基岩性均一、稳定性良好的地基3 岩盘 中间厚度较大，呈伞形或透镜状的侵入体中间厚度较大，呈伞形或透镜状的侵入体 多是酸性或中性岩浆沿层状岩层面侵入后，因多是酸性或中性岩浆沿层状岩层面侵入后，因粘性大、粘性大、流动不远流动不远所致。所致。4 岩盆 中心下凹，形如碟或浅盆的中心下凹，形如碟或浅盆的层间侵入体层间侵入体 多以基性岩为主多以基性岩为主5 岩床 粘性较小、流动性较大粘性较小、流动性较大的基性岩浆岩沿层状的基性岩浆岩沿层状岩层面侵入岩层面侵入，充填在岩层中间，常常形成厚度不大、分布范围广的岩充填在岩层中间，常常形成厚度不大、

7、分布范围广的岩体体 多为多为基性浅成岩基性浅成岩6 岩墙和岩脉 岩浆沿围岩裂隙或断裂带侵入形成的狭长形岩体岩浆沿围岩裂隙或断裂带侵入形成的狭长形岩体 岩脉：岩脉：岩体窄小，长为岩体窄小，长为数厘米到数十米数厘米到数十米 岩墙：岩墙：岩体较宽厚且近于直立，长为岩体较宽厚且近于直立，长为数米至数千米数米至数千米，宽为数米至数十米宽为数米至数十米二 喷出岩的产状1 1 熔岩流熔岩流 沿一定方向的裂隙喷发到地表沿一定方向的裂隙喷发到地表 多为基性岩浆，多为基性岩浆，粘度小、易流动粘度小、易流动，形成厚度不大、面积，形成厚度不大、面积广大广大2 火山锥 粘性较大粘性较大的岩浆沿火山口喷出地表，的岩浆沿火

8、山口喷出地表，流动性较小流动性较小，常和，常和火山碎屑物粘结在一起，形成以火山口为中心的锥状或火山碎屑物粘结在一起，形成以火山口为中心的锥状或钟状的山体钟状的山体3 熔岩台地 当岩浆的当岩浆的粘性较小粘性较小时，岩浆较缓慢地溢出地表，形成台时，岩浆较缓慢地溢出地表，形成台状高地状高地按按SiOSiO2 2的含量的含量可将岩浆岩划分为四类：可将岩浆岩划分为四类： 酸酸 性性 岩岩 SiOSiO2 265%65% 中中 性性 岩岩 SiOSiO2 2=52=5265%65% 基基 性性 岩岩 SiOSiO2 2=45=4552%52% 超超 基基 性性 岩岩 SiOSiO2 245%0.75,0.

9、75,岩石软化性弱，抗水、抗风化能力强；岩石软化性弱，抗水、抗风化能力强；K KR R 0.75 0.75，岩石的工程地质性质较差。，岩石的工程地质性质较差。2.5 岩石的膨胀性 指岩石吸水后体积增大，引起岩石结构破坏的性能 岩石的膨胀性大小一般用岩石的膨胀性大小一般用膨胀力膨胀力和和膨胀率膨胀率指标表示。指标表示。其测定方法是其测定方法是平衡加压法平衡加压法。 试验中不断加压，并保持体试验中不断加压，并保持体积不变，所测得的最大压力即为积不变，所测得的最大压力即为岩石的岩石的最大膨胀力最大膨胀力；然后逐级减；然后逐级减压，直至荷载为压，直至荷载为0 0，测定其最大，测定其最大膨胀变形量，膨胀

10、变形量，膨胀变形量与试件膨胀变形量与试件原始厚度的比值原始厚度的比值即为即为膨胀率膨胀率。VVP 2.6 岩石的崩解性 岩石被水浸泡后，由于吸水膨胀、胶结物被溶解等原因，造成岩石结构破坏、岩石崩裂、岩石碎块和结合体散落的性能 常用崩解系数表示式中式中 为岩石的崩解系数为岩石的崩解系数 V VP P为岩石破碎后的体积为岩石破碎后的体积 V V为岩石的原体积为岩石的原体积 碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。2.7 岩石的抗冻性 岩石的孔隙、裂隙中有水存在时，水一结冰，体积膨胀，从而产生很大的膨胀压力，使岩石的构造等遭破坏，岩石抵抗这种冰冻作用的能力

11、%100 ccfcfC 岩石的抗冻性用岩石的抗冻性用抗冻系数抗冻系数Cf表示，指岩石试样在表示，指岩石试样在250C的温度期间内，反复的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温降温、冻结、融解、升温，然后测量，然后测量其抗压强度的下降值（其抗压强度的下降值（c-cf）,以此强度下降值与融冻试以此强度下降值与融冻试验前的抗压强度验前的抗压强度c之比的百分比代表之比的百分比代表抗冻系数抗冻系数Cf抗冻系数抗冻系数C Cf f 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。3 岩石的力学性质3.1 岩石的变形指标（1）弹性模量 应力与弹性应变的比值eeaaEE式中 为弹性模量，P 为

12、应力，P 为弹性应变 相同受力条件下，岩石的弹性模量越大，变形越小。相同受力条件下，岩石的弹性模量越大，变形越小。即弹性模量越大，岩石抵抗变形的能力越强。即弹性模量越大，岩石抵抗变形的能力越强。 （2）变形模量 应力与总应变的比值epepaaEE式中 为弹性模量，P 为应力，P 为弹性应变 为塑性应变（3）泊松比 岩石在轴向压力作用下，发生纵向压缩外，还会发生横向膨胀。把横向应变与纵向应变的比值，称为泊松比11式中 为泊松比 为横向应变 为纵向应变 泊松比越大，表示岩石受力作用后的横向变形越大3.2 岩石的强度指标（1）抗压强度 指岩石在单向压力作用下，抵抗压碎破坏的能力uu2ammPAPA式

13、中 为岩石抗压强度，MP 为岩石破坏时的压力，N 为岩石受压面面积，（2） 抗剪强度 指岩石抵抗剪切破坏的能力，即表示岩石被剪切破坏时的极限应力 抗剪断强度 在垂直应力作用下的岩石剪断强度bbtancaatanca式中 为岩石抗剪断强度，MP 为破裂面上的法向应力，MP 为岩石的内摩擦角 为岩石的摩擦因数 为岩石的内聚力，MP 抗剪强度 沿已有的破裂面发生剪切滑动时的指标cbtanaatan式中 为岩石抗剪断强度，MP 为破裂面上的法向应力，MP 为岩石的内摩擦角 为岩石的摩擦因数 抗切强度 压应力等于零时的抗剪断强度cbcaca式中 为岩石抗剪断强度，MP 为岩石的内聚力，MP（3）抗拉强度

14、 是岩石单向拉伸时抵抗拉断破坏的能力，以拉断破坏时的最大张应力表示实例实例【例【例1 1】某饱和土样重】某饱和土样重0.4N 0.4N ，体积为，体积为21.5 cm21.5 cm3 3。放入烘箱内。放入烘箱内烘干一天后，称得其重量为烘干一天后，称得其重量为0.33N0.33N，体积减小至，体积减小至15.7 cm15.7 cm3 3 。试求该土样烘烤前的吸水率试求该土样烘烤前的吸水率、孔隙比、孔隙比 e e 及干容重及干容重 d d 。【例【例2 2】 某土样在天然状态下的孔隙比为某土样在天然状态下的孔隙比为 e=0.8e=0.8，土粒相对，土粒相对密度（比重）为密度（比重）为 G=2.68

15、G=2.68，吸水率为，吸水率为=24%=24%，求：，求：(a) (a) 天然状态下的重度、干重度；天然状态下的重度、干重度；(b)(b)若该土样加水后，达到饱和状态，计算饱和时的吸水率若该土样加水后，达到饱和状态，计算饱和时的吸水率及饱和重度及饱和重度( (假定土的孔隙比保持不变假定土的孔隙比保持不变) )。【例【例2 2】 某土样在天然状态下的孔隙比为某土样在天然状态下的孔隙比为 e=0.8e=0.8，土粒相对，土粒相对密度（比重）为密度（比重）为 G=2.68G=2.68，吸水率为，吸水率为=24%=24%，求：，求：(a) (a) 天然状态下的重度、干重度；天然状态下的重度、干重度；

16、(b)(b)若该土样加水后，达到饱和状态，计算饱和时的吸水率若该土样加水后，达到饱和状态，计算饱和时的吸水率及饱和重度及饱和重度( (假定土的孔隙比保持不变假定土的孔隙比保持不变) )。【例【例3 3】某一块试样在天然状态下的体积为】某一块试样在天然状态下的体积为60cm60cm3 3，称得其，称得其质量为质量为108g108g，将其烘干后称得质量为，将其烘干后称得质量为96.43g96.43g，根据试验得，根据试验得到的土粒比重到的土粒比重G G为为2.72.7，试求试样的密度、干密度、饱和密，试求试样的密度、干密度、饱和密度、吸水率、孔隙比、孔隙率。度、吸水率、孔隙比、孔隙率。作业 写出以

17、下3个公式的推导过程wwddweGGnGe1111第六章 地下工程地质问题1 岩体及地应力的概念1.1 岩体的概念 岩体岩体 地质时代相同或不同的岩石经地质时代相同或不同的岩石经成岩作用、构造运动以及风化、成岩作用、构造运动以及风化、地下水等次生作用地下水等次生作用而产生于岩石中的与结构面组合而成的整体而产生于岩石中的与结构面组合而成的整体 结构面结构面 岩体中的岩体中的不连续面不连续面，主要指岩体中的，主要指岩体中的各种破裂面、夹层、充填各种破裂面、夹层、充填矿脉矿脉等，通常没有或只有等，通常没有或只有较低的抗拉强度较低的抗拉强度 软弱结构面软弱结构面 工程上把工程上把力学强度力学强度明显低

18、于围岩的结构面明显低于围岩的结构面 结构体结构体 岩体内不同产状的各种结构面把岩石切割成的岩体内不同产状的各种结构面把岩石切割成的单元块体单元块体（1）结构面）结构面 结构面类型存在于岩体中的各种地质界面（结构面），包括各种破结构面类型存在于岩体中的各种地质界面（结构面），包括各种破裂面（如劈理、节理、断层面、顺层裂隙或错动面、卸荷裂隙、风化裂裂面（如劈理、节理、断层面、顺层裂隙或错动面、卸荷裂隙、风化裂隙等）、物质分异面（如层理、层面、沉积间断面、片理等）以及软弱隙等）、物质分异面（如层理、层面、沉积间断面、片理等）以及软弱夹层或软弱带、构造岩、泥化夹层、充填夹泥（层）等。夹层或软弱带、构造

19、岩、泥化夹层、充填夹泥（层）等。按地质成因按地质成因，结构面可分为原生的、构造的、次生的三大类。结构面可分为原生的、构造的、次生的三大类。 原生结构面是成岩时形成的，分为沉积的、火成的和变质的三种类型原生结构面是成岩时形成的，分为沉积的、火成的和变质的三种类型 A. 原生结构面原生结构面 构造结构面指在构造应力作用下，在岩体中形成的断裂面、错动面（构造结构面指在构造应力作用下，在岩体中形成的断裂面、错动面（带）、破碎带的统称，其中劈理、节理、断层面、层间错动面等属于带）、破碎带的统称，其中劈理、节理、断层面、层间错动面等属于破破裂结构面裂结构面。断层破碎带、层间错动破碎带等均易软化、风化，其力

20、学性。断层破碎带、层间错动破碎带等均易软化、风化，其力学性质较差，属于质较差，属于构造软弱带构造软弱带B. 构造结构面构造结构面1.1.1 结构面的类型 次生结构面指在风化、卸荷、地下水等作用下形成的次生结构面指在风化、卸荷、地下水等作用下形成的风化裂隙、破碎带、卸荷裂隙、泥化夹层、夹泥层风化裂隙、破碎带、卸荷裂隙、泥化夹层、夹泥层等等 风化带上部的风化裂隙发育，往深部逐渐减少风化带上部的风化裂隙发育，往深部逐渐减少 泥化夹层是某些软弱夹层（如泥岩、页岩、千枚岩、泥化夹层是某些软弱夹层（如泥岩、页岩、千枚岩、凝灰岩、绿泥石片岩、层间错动带等）在地下水作用凝灰岩、绿泥石片岩、层间错动带等）在地下

21、水作用下形成的可塑粘土，其抗剪强度指标低下形成的可塑粘土，其抗剪强度指标低C. 次生结构面次生结构面(1)(1)结构面的规模结构面的规模 不同类型的结构面，其规模可大可小，对工程的影响要具体工程具体分析不同类型的结构面，其规模可大可小，对工程的影响要具体工程具体分析(2)(2)结构面的形态结构面的形态 指各种结构面的平整度、光滑度，有平直的（如层理、片理、劈理）、波指各种结构面的平整度、光滑度，有平直的（如层理、片理、劈理）、波状起伏的（如波痕的层面、揉曲片理、冷凝形成的舒缓结构面）、锯齿状或状起伏的（如波痕的层面、揉曲片理、冷凝形成的舒缓结构面）、锯齿状或不规则的结构面不规则的结构面(3)(

22、3)结构面的密集程度结构面的密集程度 反映岩体完整的情况，通常以线密度（条反映岩体完整的情况，通常以线密度（条m）或结构面的间距表示）或结构面的间距表示(4)(4)结构面的连通性结构面的连通性 指在某一定空间范围内的岩体中，结构面在走向、倾向方向的连通程度，指在某一定空间范围内的岩体中，结构面在走向、倾向方向的连通程度，一般通过勘探平硐、岩芯、地面开挖面的统计做出判断一般通过勘探平硐、岩芯、地面开挖面的统计做出判断(5)(5)结构面的张开度和充填情况结构面的张开度和充填情况 指结构面的两壁离开的距离，可分为闭合的、微张的、张开的和宽张的指结构面的两壁离开的距离，可分为闭合的、微张的、张开的和宽

23、张的4级级1.1.2 结构面的特征1.2.1 1.2.1 岩体的结构的概念及分类岩体的结构的概念及分类 是指岩体中结构面和结构体的形态和组合特征。是指岩体中结构面和结构体的形态和组合特征。 按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩体结构划分为以下几种基本类型：体结构划分为以下几种基本类型：岩体结构岩体结构整体结构整体结构 层状结构层状结构 块状结构块状结构 碎裂结构碎裂结构散体结构散体结构镶嵌结构镶嵌结构层状碎裂结构层状碎裂结构碎裂结构碎裂结构1.2 岩体结构（1）整体块状结构岩体）整体块状结构岩体 结构面稀疏、延展性差、结构体块度大

24、且常为硬质岩结构面稀疏、延展性差、结构体块度大且常为硬质岩石，故整体强度高、变形特征接近于各向同性的均质弹性石，故整体强度高、变形特征接近于各向同性的均质弹性体，体，变形模量、承载能力与抗滑能力均较高，抗风化能力变形模量、承载能力与抗滑能力均较高，抗风化能力一般也较强，故这类岩体具有良好的工程地质性质一般也较强，故这类岩体具有良好的工程地质性质，是较，是较理想的各类工程建筑地基、边坡岩体及洞室围岩。理想的各类工程建筑地基、边坡岩体及洞室围岩。（2）层状结构岩体）层状结构岩体 结构面以层面与不密集的节理为主，结构面多闭合结构面以层面与不密集的节理为主，结构面多闭合微张状、一般风化微弱、结合力一般

25、不强，结构体块度较微张状、一般风化微弱、结合力一般不强，结构体块度较大且保持着母岩岩块性质，故这类大且保持着母岩岩块性质，故这类岩体总体变形模量和承岩体总体变形模量和承载能力均较高载能力均较高，可作为工程建筑地基，但应注意结构面结，可作为工程建筑地基，但应注意结构面结合力不强的情况。合力不强的情况。不同结构类型的工程地质性质 节理、裂隙发育、常有泥质充填物质，结合力不强，节理、裂隙发育、常有泥质充填物质，结合力不强，其中层状岩体常有平行层面的软弱结构面发育，其中层状岩体常有平行层面的软弱结构面发育，结构体块结构体块度不大，岩体完整性破坏较大度不大，岩体完整性破坏较大，其中，其中镶嵌结构岩体因其

26、结镶嵌结构岩体因其结构体为硬质岩石，尚具较高的变形模量和承载能力，工程构体为硬质岩石，尚具较高的变形模量和承载能力，工程地质性能尚好地质性能尚好；而；而层状碎裂结构和碎裂结构岩体则变形模层状碎裂结构和碎裂结构岩体则变形模量、承载能力均不高，工程地质性质较差量、承载能力均不高，工程地质性质较差。 节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，岩石手捏即碎岩石手捏即碎，属于碎石土类，可按碎石土类研究。属于碎石土类，可按碎石土类研究。（3）碎裂结构岩体：）碎裂结构岩体：（4）散体结构岩体）散体结构岩体1.3 地应力的概念 地应力 指地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力

27、，包括自重应力、地质构造应力、地下水压力以及由于地温、矿物结晶、变质等作用引起的应力地壳浅部（3km以内）地应力分布的主要规律 （1 1）地应力）地应力是一个具有相是一个具有相对稳定性的对稳定性的非非稳定应力场稳定应力场，它是时间和空它是时间和空间的函数。间的函数。（2）在地壳浅部，地应力的垂直分量 接近于岩体自重应力，地应力的水平分量 与垂直分量 关系如下式VVH0.25 0.401HV 式中 天然应力比值因数，或称为侧压力系数 仅与泊松比有关，一般为 20世纪50年代N.Hast实测发现存在于地壳上部的最大主应力方向接近水平的，而且最大水平主应力一般为垂直应力的12倍，甚至更多。HV垂直应

28、力平均水平应力K3.0100KZ5.01500KZ 水平应力普遍大水平应力普遍大于垂直应力；于垂直应力； 平均水平应力与平均水平应力与垂直应力之比垂直应力之比（侧压力系数）（侧压力系数）随深度增加而减随深度增加而减小，且趋近于小，且趋近于1 1侧压力系数的变化规律27VHkPa（3 3）垂直应力随深度）垂直应力随深度的变化规律的变化规律垂直应垂直应力力 随深度随深度线性增线性增加。平加。平均密度均密度约为约为27KN/m27KN/m3 3（4 4）最大水平主应力）最大水平主应力与最小水平主应力随与最小水平主应力随深度增加线性增长深度增加线性增长（5 5）最大水平主应力）最大水平主应力与最小水平

29、主应力之与最小水平主应力之差随深度增加而增大差随深度增加而增大709011013015017019021023025003691215应力值 (MPa)深度 (m)最大水平主应力最小水平主应力（6）地形、地表剥蚀对地应力影响2 洞室围岩变形及破坏的主要类型影响围岩稳定性的因素l地质因素 岩石及岩体的物理力学性质 岩体结构特征、结构面性质、含水状况 地应力状态l工程因素 工程类型 工程尺寸 施工方法2.1 围岩应力的变化规律围岩：洞室周围的岩土体。洞室周围受到开挖影响的内部岩层，大体相当于地下洞室宽度或直径的56倍范围内的岩体原岩：保持原始应力状态的、未经扰动的岩层应力重分布：由于地下开挖后，由

30、于围岩质点应力，应变调整而引起天然应力大小、方向、性质改变的作用。2.2 洞室围岩变形和破坏的主要类型 地下开挖后，岩体中形成一个自由变形空间，使原来处于挤压状态的围岩，由于失去了支撑而发生向洞内松胀变形；如果这种变形超过了围岩本身所能承受的能力，则围岩就要发生破坏，并从母岩中脱落形成坍塌、滑动或岩爆，称前者为变形，后者为破坏。1 错动松弛 在多组结构面发育的硬岩岩体，当洞室开挖后，如果围岩应力超过围岩的屈服强度，围岩就会沿已有的多组节理发生剪切错动而松弛，在洞室周边的围岩中形成一个松动圈 这种松动圈在地下水的参与下，极易导致拱顶坍塌和边墙失稳 厚度也会随着时间的推移而逐渐增大l 开挖后及时支

31、护加固2 剪切滑移 厚层状或块状结构的硬岩围岩，当有倾向洞内的大型结构面存在时，在结构面控制下主要以沿结构面向洞内剪切滑移为主坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图1.1.层面；层面；2.2.断裂；断裂；3.3.裂隙裂隙3 张裂塌落 在厚层状或块状围岩的洞室拱顶部位，当产生拉应力集中，其值超过围岩抗拉强度时，拱顶围岩将发生竖直张裂破坏 当垂直节理发育时，拱顶张拉裂缝易沿垂直节理发展，使被裂缝切割的岩体在自重作用下变得不稳定，常常造成拱顶塌落4 劈裂剥落 过大的切向压应力可使厚层或块体状围岩表部发生平行洞室周边的破裂。一些平行破裂将围岩切割成几厘米到几十厘米厚的薄板

32、，这些薄板常沿壁面剥落 当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯强度时，这些破裂岩板可能被压弯、折断，并造成塌方。5 弯折内鼓 在薄层脆性围岩中，当岩层平行洞身时，岩体变形、破坏主要表现为层状岩层以弯折内鼓的方式破坏 当洞室侧壁有平行断层通过时，将加强洞壁与断层之间薄层岩体内的应力集中，从而更易产生弯折内鼓6 岩爆岩爆高地应力的弹脆性岩体地下开挖工程开挖卸荷及特殊的地质构造作用周边岩体中应力高度集中，积聚于较高的弹性应变能当开挖体围岩中应力超过岩体的容许极限状态6.1 岩爆的产生条件1)围岩应力条件 判断岩爆发生的应力条件有两种方法： 一是用洞壁的最大环向应力与围岩单轴抗压强度c之比值作为岩爆产生的应力

33、条件； 一是用天然应力中的最大主应力1与岩块单轴抗压强度c之比进行判断。 经验公式c)2 . 015. 0(11 1c c大于大于0.1650.1650.350.35的脆性岩体最易发生岩爆。的脆性岩体最易发生岩爆。2) 岩性条件 弹性变形能系数：加载到0.7c后再卸载至0.05c时，卸载释放的弹性变形能与加载吸收的变形能之比的百分数。%100OABCABFF当当7070时，会产生岩时，会产生岩爆，爆，越大发生岩爆的可越大发生岩爆的可能性越大。能性越大。 应变能消耗比n ：岩石单向压缩时，达到强度极限前积累于岩石内的应变能与强度极限后消耗于岩石破坏的应变能之比OABBACFnF式中：式中：F F

34、OABOAB为曲线为曲线OABOAB包围的面积；包围的面积； F FBACBAC为曲线为曲线BACBAC包围的面积。包围的面积。n n1 1时，不会发生岩爆；时，不会发生岩爆；n n1 1时，可能发生岩爆。时，可能发生岩爆。6.2 影响岩爆的因素1)地质构造 岩爆大都发生在褶皱构造中。岩爆与断层、节理构造密切相关。当掌子面与断裂或节理走向平行时，容易触发岩爆。岩体中节理密度和张开度对岩爆有明显的影响。据南非金矿观测表明，节理间距小于40cm，且张开的岩体中，一般不发生岩爆。掌子面岩体中有大量岩脉穿插时，也将发生岩爆。2)洞室埋深 随着洞室埋深增加，岩爆次数增多，强度也增大。发生岩爆的临界深度H

35、可按下式估算：221313)1 ()1)(21 (,21,73. 1CBgCBHc6.3 岩爆的特点 岩爆是岩石内部弹性应变能积聚后而突然释放的结果，高地应力区较完整的硬岩最易出现。软岩因在弹性应变还不太大时，便产生塑性变形，不能形成岩爆 岩爆发生时，常伴有声音 岩爆的发生有一个过程l 施工过程中主要采用超前钻孔、超前支撑及紧跟衬砌、喷雾洒水或钻孔压水等方法防治岩爆岩爆发育的阶段1)劈裂成板阶段（岩爆孕育） 垂直洞壁方向受张应力作用而产生平行于最大环向应力的板状劈裂。 仅在洞壁表部，部分板裂岩体脱离 母岩而剥落，而无岩块弹射出现。2)剪切成块阶段(岩爆的酝酿) 劈裂岩板向洞内弯曲，发生张剪复

36、合破坏。 处于爆裂弹射的临界状态。3)块、片弹射阶段 劈裂、剪断岩板，产生响声和震动。 岩块发生弹射，岩爆形成。7 塑性挤出 指洞室开挖后，当围岩应力超过软岩岩体的屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向自由空间挤出的现象 塑性挤出的围岩主要有泥质粉砂岩、泥岩、页岩、泥灰岩等软弱岩体 挤出变形的发展有一个过程，一般要几周至几个月后才达到稳定8 膨胀内鼓 洞室开挖后，由于围岩松动圈的存在，形成围岩低应力区，地下水往往由围岩高应力区向围岩低应力区转移，当围岩内含大量膨胀矿物时，易于吸水膨胀的岩体发生强烈的膨胀并导致围岩内鼓变形。 当洞室设计空间不足时，围岩表部膨胀开裂3 地下洞室特殊地质

37、问题3.1 突水突泥 指隧道开挖过程中，突然产生大量的水或泥涌入隧道的现象 造成地下洞室大量突水的条件 洞室通过溶洞发育的石灰岩地段，当遇到地下暗河系统时，可能有大量的突水 洞室通过厚层的含水砂砾石层，其图水量很大 遇到富水的断层破碎带，特别是又与地表水连通时，会发生大量的突水地下洞室中地下水的影响 以静水压力的形式作用于洞室衬砌 使岩石和结构面软化，使其强度降低 促使围岩中的软弱夹层泥化，减少层间阻力，造成岩体易于滑动 以蒙脱石为主的粘土岩类，在地下水的作用下将易发生剧烈的溶解或膨胀，随着膨胀的产生，将会出现附加的山岩压力 地下水中的有些化学成分，将对衬砌产生其实作用 洞室里出现突水突泥现象

38、时，造成停工和人员伤亡事故3.2 腐蚀 指水、土、大气中的化学成分和气温变化对洞室混凝土及其它建筑材料的腐蚀 地下洞室的腐蚀性对洞室衬砌造成严重破坏，从而影响洞室稳定性3.3 地温 常温带 地表下一定深度处的低温常年不变的地带 地热梯度（地热增温率） 常温带以下，低温随深度增加，深度每增加100m时低温的增加值00()TTHhGTTHhG式中 隧道埋深处的地温 常温带温度 洞室埋深 常温带深度 地热梯度0.05Gk地热梯度 m（单位为 C/）3.4 有害气体 主要包括甲烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫和氮气等，其中以甲烷为主 一般指甲烷或甲烷与少量其他有害气体的混合体 甲烷 有毒、易燃

39、易爆 比空气轻，具有流动性，顺着岩体中的张开性结构面漂移到很远的地方，在相对封闭的环境聚集起来 含煤地层越深、每层厚度越大、每层碳化程度越高，甲烷含量越大；地下水越少，甲烷含量也越大 岩体分类岩体分类 是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护的各是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评价，划分种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评价，划分出不同的的级别或类别。出不同的的级别或类别。 分类的目的分类的目的 为岩体工程建设的勘察、设计、施工提供必要的基本依为岩体工程建设的勘察、设计、施工提供必要的基本依据。据。 按分类目的，可分为按分类

40、目的，可分为综合性和专题性两种综合性和专题性两种； 按其所涉及的因素多少，可分为按其所涉及的因素多少，可分为单因素分类法和多因素单因素分类法和多因素分类法两种分类法两种。4 围岩工程分级及其应用4.1 工程岩体分类的参考影响因素（1 1）岩石的质量）岩石的质量。主要表现在。主要表现在岩石的强度和变形性质岩石的强度和变形性质方面。方面。（2 2）岩体的完整性）岩体的完整性。岩体完整性取决于。岩体完整性取决于不连续面的组数和不连续面的组数和密度密度。可用结构面频率。可用结构面频率( (裂隙度）、间距、岩心采取率、岩裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标石质量指标RQDRQD以及完整性系数作为定量

41、指标进行描述。这以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。（3 3）结构面条件）结构面条件。包括。包括结构面产状、粗糙度和充填情况结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。其间的充填物性质。（4 4）岩体及结构面的风化程度）岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体越。风化程度越高，岩体越破碎，强度越低破碎，强度越低 。（5 5）地下水的影响）地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动。渗流，软化，膨胀，崩解，静

42、、动水压力等。水压力等。（6 6）地应力）地应力。地应力难于测定，它对工程的影响程度也。地应力难于测定，它对工程的影响程度也难于确定，因此，难于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映其影响一般在综合因素中反映。 4.2.1 按岩石质量指标 RQD 分类 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： %10010钻孔总长LcmlRQDi 工程实践说明，工程实践说明，RQDRQD是一种比岩芯采取率更好的反映是一种比岩芯采取率更好的反映岩石性质的指标。岩石性质的指标。 4.2 几种有代表性的工程岩体分类方法例：例：某钻孔的长度为某钻孔的长度为250cm2

43、50cm，其中岩芯采取，其中岩芯采取总长度为总长度为200cm,200cm,而大而大于于10cm10cm的岩芯总长度的岩芯总长度为为157cm157cm，则，则岩芯采取岩芯采取率率：200/250=80% RQDRQD=157/250=63%=157/250=63%用RQD值来描述岩石的质量4.2.2 岩体质量（Q）系统分类 挪威巴顿（挪威巴顿（B Bartonarton）等人于等人于19741974年根据隧道工程的调查，提出一年根据隧道工程的调查，提出一个用个用6 6个参数表达的岩体质量指标个参数表达的岩体质量指标Q Q，作为岩体质量分类的依据。作为岩体质量分类的依据。SRFJJJJRQDQ

44、warn 式中：式中：RQDRQD岩石质量指标；岩石质量指标；J Jn n节理组数评分；节理组数评分；J Jr r节理面粗糙节理面粗糙度评分；度评分；J Jw w按裂隙水条件评分；按裂隙水条件评分；J Ja a节理蚀变程度评分；节理蚀变程度评分；SRFSRF按地应力影响评分（应力折减系数）。按地应力影响评分（应力折减系数）。Q Q反映了岩体质量的三个方面：反映了岩体质量的三个方面：nJRQD为岩体的完整性；为岩体的完整性；arJJ表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度；表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度； SRFJw表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。表示水与其他应力存在时对岩

45、体质量的影响。 （1）节理组数影响（Jn)（2）节理粗糙度影响（Jr)（3）节理蚀变程度影响（Ja)（4）裂隙水影响（Ja)（5）地应力影响（SRF)SRFSRF应力折减系数应力折减系数 表示洞室开挖中岩性和地应力对围岩抗变形能力的折减，高者可达20（高应力状态 岩石趋于流动），低者2.5（接近地表的坚硬岩石）地下开挖当量直径：地下开挖当量直径：ESRDr巷巷道道支支护护比比跨跨度度、直直径径或或高高度度 根据根据Q Q值，可将岩体分为值，可将岩体分为9 9类类 Q Q分类法考虑的地质因素较全面，而且把定性分分类法考虑的地质因素较全面，而且把定性分析与定量评价结合起来了，软硬岩均适用，在处理极

46、析与定量评价结合起来了，软硬岩均适用，在处理极软弱的岩层中推荐采用此分类法。软弱的岩层中推荐采用此分类法。 宾尼奥夫斯基（宾尼奥夫斯基（ Bieniawski Bieniawski，1976)1976)在大量实测在大量实测统计的基础上，发现统计的基础上，发现Q Q值与值与RMRRMR值之间具有如下条件关值之间具有如下条件关系：系：44ln9 QRMR4.2.3 4.2.3 我国铁路隧道围岩分类我国铁路隧道围岩分类基本质量级别岩体基本质量定性特征坚硬岩，岩体完整坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，

47、岩体较破碎破碎较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整较破碎软岩，岩体完整较完整4.2.4 岩体基本质量分级5 围岩稳定性评价方法土体洞室岩体洞室土层类型、固结程度、地下水状态、洞室断面尺寸和形态、洞室埋深岩体质量、地下水状态、地应力状态、洞室断面尺寸、洞室埋深 围岩稳定性评价 根据不同的岩体结构、不同的受力性质，简化成不同的力学模型，应用相应的分析评价方法，研究围岩的变形破坏过程围岩压力的划分 围岩压力 围岩作用在支护（衬砌）上的压力，是确定衬砌设计荷载大小的依据。主要包括松动压力、变形压力和膨胀压力 松动压力 由于洞室开挖造成围岩松动而可能塌落的岩体，以重力形式直接作用在支护上的压力

48、影响因素 地质方面：岩体破碎程度、软弱结构面与临空面的组合关系 施工方面：爆破、支护时间和回填密实度l 变形压力 围岩变形受到支护限制后，围岩对支护形成的压力l 影响因素 岩体的初始地应力、岩体的力学性质、洞室形状、支护结构的刚度和支护时间l 膨胀压力 围岩吸水后，岩体发生膨胀崩解而引起围岩体积膨胀变形对支护形成的压力l 影响因素 受地下水的控制5.1 围岩工程分级法l 普通的小型洞室 一般仅采用围岩工程分级评价l 大中型洞室 在围岩工程分级的基础上进行岩体稳定性理论计算l 大型洞室或重点工程 在围岩工程分级的基础上进行岩体稳定性理论计算，并进行各种模型试验5.2 理论计算法一 连续介质力学计

49、算方法 假设围岩为连续均值体，利用弹性理论和弹塑性理论等，评价围岩的稳定性 适用于结构面不发育的岩体或各向均值的岩体二 极限平衡分析方法 主要计算力学性质不连续的结构面控制下的围岩变形和破坏l当软弱结构面穿过洞室时 验算洞壁围岩沿结构面剪切滑移或在结构面附近脱落l当多组节理将围岩切割成分离块体时 通过计算结构面处岩块重力在结构面上的各个分量和结构面的抗剪强度及抗拉强度，判断结构面处岩块的稳定性三 散体围岩稳定性计算法 散体结构围岩 主要指由断层破碎带、节理密集带、风化破碎带、第四纪沉积物组成的围岩 1 普式压力拱理论由俄国学者普罗托吉亚科诺夫于1907年提出的由于应力重分布，洞顶破碎岩体随时间

50、增长而逐步坍塌，直至形成一个自然拱后围岩才稳定下来。自然平衡拱承受了洞顶的山岩压力，才使坍塌不再发展围岩压力就是压力拱与衬砌之间松动岩体的重量2 太沙基理论 作用在洞顶上的压力等于滑动岩体的重量减去滑移面上摩擦力的垂直分量5.3 图解法u采用赤平极射投影分析法 通过将洞壁和围岩中各组结构面的产状投影到赤平极射图上，通过结构面产状和洞壁产状在赤平极射图上的组合形态，分析洞室不稳定岩块的位置和滑动方向，从而确定洞室延伸部位和方向5.4 模型试验法一 数值模型模拟法 指采用一些大型土木工程数值分析软件（ANSYS 、FLANC软件），对隧道围岩稳定性进行数值模型模拟二 物理模型试验法 光弹法利用某些

51、透明的光学敏感材料，在受力变形时产生光学各向异性特点，根据偏振方向不同的光线的光程差，确定主应力差值；利用反映出来的等色线和等倾线，确定模型中应力分布状态 相似材料法用重晶石粉、钢砂、石膏等材料按一定相似比例制作成模型，在模型架上施加双向或三向荷载，模拟洞室的平面应力状态和平面应变状态 离心模型法采用原型材料，接原型密度和几何比例制作模型，在模型中埋置各种传感器，放入离心机中，用增加离心加速度的方法增加离心力，用离心力代替围岩压力，从而达到模型与原型几何相似和盈利相似，模拟一定时间内原型的变形和破坏现象第七章 地基工程地质问题1 地基变形及破坏的基本类型1.1 地基变形的概念 基础 建筑物下部

52、直接与土层、岩层接触的部位 作用是将建筑物的荷载安全可靠地传递给下面的岩土层 地基 建筑物的荷载会引起基础以下一定深度内的岩土层改变它们原始的应力状态，这部分土层成为地基 影响深度基础宽度（基础底面尺寸的短边）的1.55倍； 影响宽度基础宽度的1.53倍 地基变形 地基在上覆荷载作用下的屈服变形 地基的破坏 指上覆荷载超过地基强度时，地基发生的失稳破坏 地基需满足以下要求 地基应有足够的强度，在上覆荷载作用下不发生失稳破坏，并有一定的安全储备 地基的沉降量、沉降差、倾斜或局部倾斜不能大于地基变形的允许值和建筑物安全的允许值1.2 地基变形破坏的基本类型（1）地基不均匀沉降和变形过大 是地基基础

53、工程中最常见的两种地基变形。地基土强度低、压缩性大是地基产生下沉的重要原因 膨胀土具有遇水膨胀、失水收缩的特性，重要地基土中水分发生变化，膨胀土地基就会产生胀缩变形，从而导致建筑物的变形甚至破坏 湿陷性黄土，浸水后土质结构迅速破坏而发生湿陷 饱水的粉砂地基在地震的作用下发生液化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。原因：地基承载力不够，超载引发强度破坏而产生滑动。加拿大特朗斯康谷仓加拿大特朗斯康谷仓（2）地基滑移、挤出 其问题的实质是地基强度不足，

54、出现剪切破坏 通常发生在软弱的地基土或具有滑移条件、产状不利的软弱岩层中（3）地基剪切破坏机制 地基承载力不足而使地基破坏的根本原因是由于荷载地基承载力不足而使地基破坏的根本原因是由于荷载过大，使地基中的剪应力达到或超过了地基土的抗剪强度过大，使地基中的剪应力达到或超过了地基土的抗剪强度整体剪切破坏 局部剪切破坏 冲剪破坏 地基中剪切破坏的形式有地基中剪切破坏的形式有 地基承载力不足而使地基破坏的实质地基承载力不足而使地基破坏的实质是基础下持力层是基础下持力层土的剪切破坏土的剪切破坏整体剪切破坏 整体剪切破坏型式的整体剪切破坏型式的压力压力沉降关系曲线沉降关系曲线sp0线性变形阶段线性变形阶段

55、弹塑性变形阶段弹塑性变形阶段塑性破坏阶段塑性破坏阶段线性变形阶段：线性变形阶段：主要产生压缩变主要产生压缩变形，荷载与沉降关系接近于直线形，荷载与沉降关系接近于直线, ,地基处于弹性平衡状态地基处于弹性平衡状态弹塑性变形阶段弹塑性变形阶段: :荷载与沉降关荷载与沉降关系呈曲线，地基中局部产生剪切系呈曲线，地基中局部产生剪切破坏，出现塑性变形区。破坏，出现塑性变形区。破坏阶段：破坏阶段：塑性区扩大，发展成塑性区扩大，发展成连续滑动面，荷载增加，沉降急连续滑动面，荷载增加，沉降急剧变化。剧变化。局部剪切破坏 局部剪切破坏型式的局部剪切破坏型式的压力压力沉降关系曲线沉降关系曲线sp0压力和沉降关系压

56、力和沉降关系曲线从一开始就曲线从一开始就呈现呈现非线性关系非线性关系 静荷载曲线没有静荷载曲线没有明显的直线明显的直线段段，地基破坏的曲线也不呈，地基破坏的曲线也不呈现整体剪切破坏那样的明显现整体剪切破坏那样的明显的陡降。的陡降。 当基底压力达到一定数值即当基底压力达到一定数值即相应的极限荷载时，基础两相应的极限荷载时，基础两侧微微隆起，然而剪切破坏侧微微隆起，然而剪切破坏区仅仅被限制在地基内部的区仅仅被限制在地基内部的某一区域，未形成延伸至底某一区域，未形成延伸至底面的连续滑动面。面的连续滑动面。冲剪破坏p冲剪破坏型式的冲剪破坏型式的压力压力- -沉降关系曲线沉降关系曲线s0无明显的转折现象

57、无明显的转折现象随着荷载的增加，基础出现随着荷载的增加，基础出现持续下沉，主要因为地基土持续下沉，主要因为地基土的较大压缩以至于基础呈现的较大压缩以至于基础呈现连续刺入。地基不出现连续连续刺入。地基不出现连续滑动面，基础侧面地面不出滑动面，基础侧面地面不出现隆起，因而基础边缘下的现隆起，因而基础边缘下的地基垂直剪切破坏地基垂直剪切破坏地基剪切破坏的型式，主要与土的压缩性质有关。坚硬坚硬或或密实密实的土的土松软松软土土整体剪切破坏整体剪切破坏局部剪切破坏局部剪切破坏冲剪破坏冲剪破坏2 地基承载力2.1 地基承载力的基本概念 地基极限承载力 单位面积上地基能承受的最大极限荷载 地基允许承载力 为了

58、建筑物的安全，限定地基的变形不至于过大而影响建筑物的正常使用时的承载能力 地基的地基的容许承载力容许承载力不仅取决于地基的性质，基础宽度、不仅取决于地基的性质，基础宽度、基础埋深，而且取决于建筑物的容许沉降量。基础埋深，而且取决于建筑物的容许沉降量。按地基规范承载力表确定地基容许承载力按地基规范承载力表确定地基容许承载力根据室内试验指标查表f0v 承载力基本值（承载力基本值（f f0 0）：）：是指按有关是指按有关规范规定规范规定的一定的基的一定的基础宽度和埋深条件下的地基承载能力，按有关规范查础宽度和埋深条件下的地基承载能力，按有关规范查表确定表确定v 承载力标准值（承载力标准值（f fk

59、k）：）：是指按有关规范规定的标准方法是指按有关规范规定的标准方法试验并经试验并经统计处理统计处理后得到的地基承载能力后得到的地基承载能力v 承载力设计值（承载力设计值（f f）：）：地基承载力标准值经过地基承载力标准值经过深宽修正深宽修正后的地基承载力后的地基承载力统计处理后得fk深宽修正得f容许承载力R2.2 地基承载力的确定方法2.2.1 原位测试方法确定地基承载力 目前确定地基承载力最可靠的方法 在现场对地基土进行直接试验，通常称为原位测试方法载荷试验载荷试验 浅层平板载荷试验可适用于确定浅部地基土层的承压板下应浅层平板载荷试验可适用于确定浅部地基土层的承压板下应力主要影响范围内的承载

60、力。承压板面积不应小于力主要影响范围内的承载力。承压板面积不应小于0.25m0.25m2 2，对于软土不应小于对于软土不应小于0.5m0.5m2 2。 深层平板载荷试验可适用于确定确定深部地基土层（埋深大深层平板载荷试验可适用于确定确定深部地基土层（埋深大于等于于等于3m3m和地下水位以上）及大直径桩桩端土层在承压板下和地下水位以上）及大直径桩桩端土层在承压板下应力主要影响范围内的承载力。应力主要影响范围内的承载力。 螺旋板载荷试验可适用于确定确定深部地基或地下水位以下螺旋板载荷试验可适用于确定确定深部地基或地下水位以下的地基土承载力。的地基土承载力。定义平板静力载荷试验平板静力载荷试验(PL