岩土体工程地质特性

注册土木工程师（水利水电工程）考前培训水利水电工程地质高玉生中水北方勘测设计研究有限责任公司(水利部天津水利水电勘测设计研究院)2011年8月水利水电工程地质1、岩土体工程地质特性2、水利水电工程地质勘察3、勘察技术方法4、区域构造稳定性5、水库工程地质6、水工建筑物工程地质7、边坡工程地质8、地下洞室工程地质9、天然建筑材料勘察10、特殊岩（土）体地质问题11、题型特点与例题岩土体的工程地质特性—考试大纲【考试大纲】

土的工程分类及主要物理、力学性质岩石分类及主要物理、力学性质岩体结构类型、风化（卸荷）带及软弱夹层的工程地质特性岩（土）体渗透性特殊岩土体的工程地质特性土的基本概念

根据中国大百科全书：土是尚未固结成岩的松、软堆积物；主要为第四纪的产物；土与岩石的根本区别是土不具有刚性的联结，物理状态多变，力学强度低等；由各类岩石经风化作用而成；位于地壳的表层，是人类工程经济活动的主要地质环境。土一般由固态、液态、气态三相组成，三者的不同比例决定了土的物理力学性质。土的三相图三相图土的工程分类标准辅导材料中列入3个分类标准：《土的工程分类标准》GB/T50145—2007《岩土工程勘察规范》GB50021—2001的分类《堤防工程地质勘察规程》SL188—2005中关于细粒土的分类土的工程分类2008年6月1日开始实施的《土的工程分类标准》（GB/T50145-2007）属于基本分类，即通用分类标准。它是以土的颗粒组成、塑性指标和土中有机质含量为分类依据SL237—001—1999与之基本一样复习重点各粒组的划分粒径（mm）：0.005、0.075、0.025、0.5、2、5、20、60、200巨粒类土（巨粒土、混合巨粒土、巨粒混合土）：表3-2粗粒类土（砾类土、砂类土）：详见表3-3~3-4粗粒土颗粒级配同时满足Cu≥5和1≤Cc≤3时为级配良好土，否则为级配不良土细粒土的分类细粒土依据塑性图进行分类10020304050607080901001020304050液限wL(%)塑性指数IpBACHCHOMHMHOMLMLOCLOCL关于有机质土《土的工程分类标准》将有机质含量小于10%且不小于5%土称为有机质土（小于5%时土的性质与无机土差别不大）对于有机质含量大于等于10%的土，其性质将大大不同于一般细粒土，称为有机土，本标准不再分类《岩土工程勘察规范》的分类按时代划分为老沉积土——晚更新世Q3及其以前的土；新近沉积土——全新世中近期沉积的土。按土的成因划分为残积土、坡积土、洪积土、虫积土、淤积土、冰积土和风积土等。按颗粒级配和塑性指数划分为碎石土、砂土、粉土和黏性土四类。碎石土分类（48表3-7）名称颗粒形状颗粒级配漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主d>200mm的颗粒质量超过总质量的50%卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主d>20mm的颗粒质量超过总质量的50%圆砾角砾圆形及亚圆形为主棱角形为主d>2mm的颗粒质量超过总质量的50%砂土分类（P48表3-8）名称颗粒级配砾砂d>2mm的颗粒质量占总质量的25~50%粗砂d>0.5mm的颗粒质量占总质量的50%中砂d>0.25mm的颗粒质量占总质量的50%细砂d>0.075mm的颗粒质量占总质量的85%粉砂d>0.075mm的颗粒质量占总质量的50%粘性土分类名称塑性指数Ip粉质粘土10<Ip≤17粘土Ip>17土的三角坐标分类

（《堤防工程地质勘察规程》SL188—2005对细粒土的分类方法）采用高100mm的等腰三角形，三角形的三个边分别代表一个粒组，常用砂粒组、粉粒组和粘粒组逆时针由0至100%划分为10等分颗粒分析成果表示在图中—命名土的三角坐标分类三角坐标图010203040506070809010001020304050607080901000102030405060708090100361585粉粒含量（％）粘粒含量（％）砂粒含量（％）轻粉质砂壤土粉土轻砂壤土砂土重粘土粘土砂质粘土粉质粘土重壤土重粉质壤土中粉质壤土轻壤土中壤土轻粉质壤土重砂壤土重粉质砂壤土土的主要物理水理性质指标土粒比重（Gs

）天然密度（ρ）含水率（ω）渗透系数（k）孔隙比（e）土的稠度与界限含水率孔隙率（n）各项指标的物理意义详见辅导材料土的主要物理水理性质指标土粒比重（Gs）是指土粒在105~110℃下烘至恒重时的质量与土粒同体积4℃纯水质量的比值。其试验方法有浮称法、虹吸法和比重瓶法。土的密度是指土在某种状态下单位体积的质量，单位为g/cm3。按照土的含水状态，表示土的密度的指标有天然密度（ρ），干密度（ρd）和饱和密度（ρszt）等。

土的主要物理水理性质指标

在工程上经常用到重度的概念，如干重度、饱和重度等。其值等于相应密度乘以重力加速度。含水率（ω）是指土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比。通常用百分数表示。

土的密度、比重和含水率均系直接试验参数。其它很多指标都可通过这三个指标计算得到。土的主要物理水理性质指标孔隙率（n）是指土中孔隙体积（Vv）与土的总体积(Vs)之比。通常用百分数表示。孔隙比（e）是指土中孔隙体积（Vv）与土粒体积(V)之比。二者都是表示孔隙在土中所占相对体积的指标，反映土的紧密程度。土的主要物理水理性质指标土的稠度：细粒土因含水率的变化而表现出的各种不同物理状态，称为细粒土的稠度。细粒土的稠度状态主要有液态、塑态和固态三种。土的界限含水率：由一种稠度状态转变为另一种稠度状态时相应于转变点的含水率称为界限含水率。液限（WL）是粘土处于可塑状态的上限含水率，相当于液态与可塑状态之间的界限含水率。土的主要物理水理性质指标塑限（WP）是使粘性土成为可塑状态的下限含水率；缩限（ws）相当于从半固态转入固态的界线含水率。塑性指数（IP）是表征土的塑性状态的指标，它反映粘性土具有可塑性的含水率变化范围，间接表明土的强度随含水率改变而变化。土的主要物理水理性质指标液性指数：式中w—是土的天然含水率液性指数（IL）是判断粘土稠度状态的重要指标。

Il≤0坚硬；

0<Il≤0.25硬塑；

0.25<Il≤0.75可塑；

0.75<Il≤1.0软塑；

>1.0流塑土的主要物理水理性质指标渗透系数（k）是指当土中水渗流呈层流状态时，其流速与作用水力梯度成正比关系的比例系数，单位为cm/s或m/d。（达西定律）是水文地质中重要的指标之一，通常由现场试验或室内试验获得。土的主要力学性质指标压缩系数（a）抗剪强度（τ）灵敏度（St）无侧限抗压强度（qu）土的压缩性在压力作用下，土体中的孔隙体积减小，而引起土体积变小的性质。用压缩系数表征。压缩系数（a）是指在K0固结试验中，土试样的孔隙比减小量与有效压力增量的比值，即e~p压缩曲线上某压力段的割线斜率，以绝对值表示，单位为Mpa-1。压缩系数的应用在工程实际中，常以压力段为0.1Mpa至0.2Mpa的压缩系数（α1-2）作为判断土的压缩性高低的标准。当α1-2<0.1Mpa-1时，为低压缩性；当0.1Mpa-1≤α1-2<0.5Mpa-1时，为中压缩性；当α1-2≥0.5Mpa-1时，为高压缩性。抗剪强度（τ）土具有的抵抗剪切破坏的极限强度。抗剪强度参数用摩擦系数和凝聚力表示。土的剪切破坏可以看作是颗粒之间联结的破坏；颗粒之间的联结强度随剪切面上的有效应力大小而改变，这是土的抗剪强度的主要特征之一。土的抗剪试验包括直剪试验、三轴剪切试验及十字板剪切试验等，根据试验方法及排水状态有多种抗剪强度指标。一般根据工程需要和规程规范选用。无侧限抗压强度（qu）为土在侧面不受限制的条件下，抵抗垂向压力的极限强度。σ3=0；σ1=qu=2c×tg(450+0.5φ)qu—粘性土的无侧限抗压强度对于饱和软粘土，在不固结不排水的条件下φ=0；因此，饱和软粘土的抗剪强度tf=c=0.5×qu灵敏度（St）灵敏度（St）是指原状土的无侧限抗压强度与相同含水率的重塑土的无侧限抗压强度之比。根据灵敏度指标判断土的灵敏性。当St<2时为低灵敏，St=2~4时为一般灵敏；St=4~8时为灵敏；St>8时为高灵敏。岩石与岩体的定义

根据中国大百科全书：岩石：是矿物的天然集合体。由一种或多种矿物按一定方式结合而成。部分为火山玻璃、胶体物质或生物遗体组成。是地球演化过程中经过各种地质作用形成的固态物质，构成地壳和地幔的主要成分。岩体：在地质作用过程中经受过变形和破坏的，由一定岩石成分组成，并具有一定结构的、赋存于一定地质环境中的地质体。岩体是岩石的集合体，由结构面网络及其所围限的岩石组成。岩石的成因分类—一级分类岩浆岩（火成岩）是上地幔或地壳深部产生的炽热粘稠的岩浆冷凝固结形成的岩石。如花岗岩、玄武岩等。沉积岩是成层堆积的松散沉积物固结而成的岩石。在地壳表层，母岩经风化作用、生物作用、火山喷发作用而成的松散碎屑物及少量宇宙物质经过介质（主要是水）的搬运、沉积、成岩作用形成沉积岩。如灰岩、砂岩等。岩石的成因分类—一级分类变质岩由于地质环境和物理化学条件的改变，使原先已形成的岩石的矿物成分、结构构造甚至化学成分发生改变所形成的岩石。如片麻岩、大理岩等。岩石的二级分类岩浆岩（火成岩）见P51表3-9沉积岩见P52表3-10变质岩见P52表3-11岩石的主要物理水理性质指标岩石颗粒密度（ρP）岩石块体密度（ρ0

）软化系数（η）吸水率（ω）渗透系数（K）孔隙率（n）岩石的主要物理水理性质指标岩石颗粒密度（ρP）是指岩石的固体部分质量与其体积之比，g/cm3。岩石块体密度（ρо）是指岩块质量与其体积之比，g/cm3。按岩块的含水状态，分为干密度（ρd），饱和密度（ρsat）等。孔隙率（n）是指岩石中孔隙的体积与岩石的体积的比值。岩石的主要物理水理性质指标自由吸水率（ωa）：是指岩石试件在一个大气压和室温条件下自由吸入水的质量与岩石干质量的比值。饱和吸水率（ωs）：是指岩石试件强制饱和（煮沸法或真空抽气法）后吸入水的质量与岩石干质量的比值。饱水系数：自由吸水率（ωa）与饱和吸水率（ωs）之比。岩石的主要物理水理性质指标岩石的吸水率和饱水系数是表征岩石水理性质的重要指标。岩石吸水率的多少，取决于岩石所含空隙的数量、大小及其张开程度。根据饱水系数的大小可以判断岩石的抗冻性能，饱水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙少，抗冻性能差。岩石的主要物理水理性质指标

在工程实践中，岩石（岩体）的透水性有两种表达方式：渗透系数（k）是指水力坡度为1时，水在岩石中流动的速度。单位为cm/s，也有用m/d

。透水率的单位为吕荣（Lu），即当试验压力为1MPa时每米试段的压入水流量（L/min）。岩石的主要物理水理性质指标

软化系数是指岩石浸水饱和后的抗压强度与干燥状态下抗压强度的比值。

表示岩石遇水软化的性能，越大软化性能越弱，其抗冻性和抗风化能力强；反之亦然。岩石的主要力学性质指标单轴抗压强度（R）抗拉强度（σt）抗剪强度（τ）泊松比（μ）变形模量（E0）岩石的主要力学性质指标

单轴抗压强度（R）是指岩石试件在单向受力破坏时所能承受的最大压应力，单位为MPa。

根据岩石的含水状态，表征岩石抗压强度的指标还有干抗压（RC）、饱和抗压（Rs）等。抗拉强度（σt）是指岩石试件在单向受拉条件下所承受的最大拉应力，单位为MPa。常用的试验方法有轴向拉伸法和劈裂法，其中采用劈裂法的较多。岩石的主要力学性质指标抗剪强度（τ）是指岩石试件受剪力作用时能抵抗剪切破坏的最大剪应力。由内聚力（c）和内摩擦阻力σ•tgø两部份组成。一般表达式为τ=σ•tgø+c，单位为MPa。抗剪强度按试验方法不同，通常分为三种抗剪强度。岩石的主要力学性质指标抗剪断强度是指在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。反映了岩石的内聚力和内摩擦阻力之和。抗剪（摩擦）强度是指在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面剪坏时最大剪应力。抗切强度是指法向应力为零时沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。岩石的主要力学性质指标变形模量（E0）是指在单向压缩条件下，岩石试件的轴向应力与轴向应变之比，单位为Mpa。当岩石的应力—应变为直线关系时，变形模量为一常量，称为弹性模量（E）。泊松比（μ）是指在单向压缩条件下，岩石试件的横向应变与轴向应变之比。岩体的工程地质特性岩体中的结构面和结构体称为岩体的结构单元，不同类型的结构单元在岩体内的组合和排列形式称为岩体结构。岩体结构类型是评价岩体质量的重要基础《水利水电工程地质勘察规范》将岩体结构分为5类13亚类。详见P54表3-13注意：结构面发育程度的划分标准岩体结构及分类类型亚类岩体结构特征块状结构

整体状岩体完整，呈巨块状，结构面不发育，间距大于100cm

块状岩体较完整，呈块状，结构面轻度发育，间距一般100~50cm

次块状岩体较完整，呈次块状，结构面中等发育，间距一般50~30cm

层状结构

巨厚层状岩体完整，呈巨厚层状，结构面不发育，间距大于100cm

厚层状岩体较完整，呈厚层状，结构面轻度发育，间距一般100~50cm

中厚层状岩体较完整，呈中厚层状，结构面中等发育，间距一般50~30cm

互层状岩体较完整或完整性差，呈互层状，结构面较发育或发育，间距一般30~10cm

薄层状岩体完整性差，呈薄层状，结构面发育，间距一般小于10cm岩体结构及分类类型亚类岩体结构特征碎裂结构

镶嵌碎裂结构岩体完整性差，岩块镶嵌紧密，结构面较发育到很发育，间距一般30~10cm

碎裂结构岩体较破碎，结构面很发育，间距一般小于10cm

散体结构

碎块状结构岩体破碎，岩块夹岩屑或泥质物

碎屑状结构岩体破碎，岩屑或泥质物夹岩块

单项指标—岩石的强度分级按岩石的饱和单轴抗压强度进行划分Rb>60Mpa，坚硬岩60≥Rb>30Mpa，中硬岩或较坚硬岩30≥Rb>15Mpa，较软岩15≥Rb>5Mpa，软岩Rb＜5Mpa，极软岩单项指标—岩体质量指标RQD分级岩体质量评价RQD（%）Ⅰ—完整很好90~100Ⅱ—较完整好75~90Ⅲ—中等完整中等50~75Ⅳ—较破碎差25~50Ⅴ—破碎很差0~25单项指标—岩体完整性及分级岩体与相应岩块的弹性波速比值的平方称为岩体稳定性系数（Kv）。据此将岩体分为5级：完整：Kv＞0.75；Jv＜3较完整：0.55＜Kv≤0.75，Jv：3~10完整性差：0.35＜Kv≤0.55，Jv：10~20较破碎：0.15＜Kv≤0.35，Jv：20~35破碎：Kv≤0.15，Jv≥35RQD与体积节理数Jv的关系：

RQD=115-3.3Jv单项指标—岩土体渗透性分级GB50278-99将岩土体的渗透性分六级（见P58表3-17

）极微透水K＜10-6cm/sq＜0.1Lu微透水10-6≤K＜10-50.1≤q＜1弱透水10-5≤K＜10-41≤q＜10中等透水10-4≤K＜10-210≤q＜100强透水10-2≤K＜100q≥

100Lu极强透水K≥100cm/sq≥

100Lu岩体风化带划分岩体风化是指地表岩体在太阳辐射、温度变化、水、气体、生物等因素的综合作用下，组织结构、矿物化学成分和物理性状等发生变化的过程和现象。岩体的风化程度不同决定了岩体的强度、变形及渗透特性的不同，因此水利水电工程中岩体风化带划分十分重要。岩体风化带划分水利水电工程地质勘察工作中按全、强、弱、微、新分为五个风化带。岩土工程勘察规范按残积土、全、强、中等、微、未风化分为六个风化带。详见知识手册P56表3—16、案例手册P725~731修订GB50287-99时增加了灰岩风化带划分标准。软弱夹层的工程地质特性软弱夹层的分类

软弱夹层的形成与成岩条件、构造作用