工程地质分析原理(教案电子版).doc
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1、绪 论一、工程地质的基本任务人类工程活动 地质环境的相互作用研究对象:工程地质条件 工程活动的地质环境 工程地质学的基本任务:研究人类工程活动与地质环境(工程地质条件)之间的相互作用,以便正确评价、合理利用、有效改造和完善保护地质环境。二、工程地质分析的基本方法研究对象:工程地质问题:即:人类工程活动与地质环境相互制约的主要形式。例:区域稳定问题 岩土体稳定问题 围岩稳定问题 地基稳定问题 边坡稳定问题变形 程度 时间效应研究内容:工程地质问题产生的地质条件、形成机制、发展演化趋势研究方法:地质分析、地质模拟分析、试验分析、力学分析第一章 地壳岩体结构的工程地质分析1.1 基本概念岩体:指与工
2、程建设有关的那一部分地质体。它处于一定的地质环境中,被各种结构面所分割。注意:与岩石、岩块的区别。结构面:岩体中具有一定方向、力学强度相对(上下岩层)相对较低而延伸(或具一定厚度)的地质界面。结构体:由结构面分割、围成的岩石块体(相对完整)。岩体结构:由岩体中含有的不同结构面和结构体在空间的排列分布和组合状态所决定。(8类)。为什么要研究岩体结构。a. 结构面是岩体中力学强度相对较薄弱的部位,导致岩体的不连续性、不均一性和各面异性。b. 岩体结构特征对岩体的变形、破坏方式和强度特征起重要的控制作用。c. 在地表的岩体,其结构特征在很大程度上决定了外营力对岩体的改造程程。风化、地下水等。1.2
3、岩体结构的主要类型与特征1.2.1 结构面的主要类型及其特征从成因角度:原生结构面构造结构面表生结构面:层向错动、泥化夹层、表生夹泥1.2.2 岩体结构类型一、岩体分类a. 分类目的和原则目的:对工程地质条件优劣不同的岩体进行分类,便于深入评价岩体的工程地质性质和特征,以达到合理利用和有效治理的目的。b. 原则差异性原则:不同类别的岩体的工程地质性质有明显的差异。适用性原则:分类体系便于(工程)应用。分类指标便于测定原则二、岩体结构类型划分以中科院地质所方案为代表,重点考虑岩体的改造,并应用地质力学观点对岩体结构类型进行详细划分。这种分类方案首先考虑建造特征。分为块体(整体)状块状层状散体状松
4、散堆积其次考虑岩体的改造特征如完整的、块裂化的(或板裂化的),碎裂化的散体化的。1.3 岩体原生结构特征的岩相分析原生结构体系对岩体的性能及其变形破坏起着重要的控制作用,因此对原生结构体系特征的研究显得极其重要。以河流沉积主要相模式的研究为例。一、河流沉积主要相模式及其工程地质特征a. 高弯度河流沉积相模式。河流特点:河床比降小、弯度大、水深但流态较稳定,单向环流。其沉积物分:底部滞留相(河床);中部边滩相(粉砂岩);顶部:天然堤相和洪积相(砂堤、决口肩、滨岸沼泽沉积等)特征:自下而上由粗变细岩体具软硬相间的互层状结构特征砂岩抗风化能力弱,自下而上强度由高变低顶部边滩相松散沉积物易发生砂土液化
5、b. 瓣状河流沉积相模式(游荡型)河流特点:河谷纵坡降大,河床不稳定、弯度小、水浅、流态不稳定,具复杂环流特征。沉积物分:底部(滞留相)中部心滩相(上部,小型槽状交错层;下部,大型单斜交错层)顶部,边滩相、洪流相(细砂、中砂、泥岩,具水平层理或包卷层理)特征:具层状或块状结构特征滞留相岩泥岩砾石层成为主要软弱层顶部相不发育中部心滩相砂岩(砾岩)具较高的强度(抗风化能力强)二、岩体原生结构特征的亚相、微相分析a. 软弱夹层的亚相、微相分析河流相沉积中的软弱夹层按亚相、微相特征见表1-4。(P20)注意洪泛平原砂岩层与天然堤粉砂质泥岩层的展布特征。在亚相、微相分析中注意准同生变形作用。b. 砂岩体
6、中原生结构面的微相分析流水沉积的层理类型与泥砂粒度、水流状态、水流强度相关。由此追溯和判断沉积环境和古水流特征。高弯度河流边滩相,下部为大型槽状交错层,向上递变为平行层理,小型波状交错层理,向上与堤岸相过渡。而瓣状河流则主要由大型楔状交错层理,楔型错层理、逆行沙波为特征。变质岩自己看。1.4 岩体构造结构特征的地质力学分析1.4.1 构造断裂的基本组合模式解决两大问题:区域构造稳定和岩体稳定性 追溯应力演变历史根据现代构造地质学研究,构造断裂的形成,表现为两种或多种机制的组合。纵向上分为上层构造(表现为剪切或拉裂)、中层构造(表现为弯曲)和下层构造(表现为压扁、流动)一、 聚合带(大型推服构造
7、)按构造分类:厚皮构造、薄皮构造、接触扰动带a、厚皮构造带发育高角度逆冲断层。由中、下构造层的物质组成。以塑性、韧性变形破裂为主,并沿推覆方向逐渐减弱。后期叠加脆性破裂,沿推覆方向逐渐增强。b. 薄皮构造带以弯曲和剪切造成的浅部褶皱断裂为主,伴随表部的重力滑动构造滑覆体。层间错动方式尤为突出。c. 接触振动带以地表条件的弯曲 、剪切为主,形成正错叠瓦式断裂。二、裂谷带(伸展带)一般认为是区域隆起背景上以断陷谷为特征的大型复杂地堑系。a. 深部形成一系列拉张断裂或正断层。b. 盖层盖层随裂谷的扩展,在地幔中隆起轴附近形成受深部断裂控制的拉张断裂。或随裂谷的拉张,形成侧缘拉裂,不受深部断裂控制。三
8、、走滑断裂主要发育于相对稳定的地块中,属拉性剪切破裂。地质力学对走滑断裂的研究较深入。插图现在的研究表明,最大主压应力在断层错动面附近发生偏转,偏转方向向错动方向。第二章 地壳岩体天然应力状态2.1 基本概念及研究意义天然应力:指未经人为扰动,主要是在重力场、构造应力场综合作用下,所形成的应力状态,亦称初始应力(物理、化学、变化,岩浆侵入等)由人为活动而引起的应力场变化原生应力。a. 自重应力场亦有 b. 构造应力场由地壳的构造运动所引起,活动的、剩余的。c. 变异应力与残余应力变异应力:为物理、化学变化及岩浆侵入形成的应力场。残余应力:岩体卸荷或部分卸荷所形成的拉压应力自相平衡的应力场。2.
9、2 影响岩体天然应力状态的主要因素一、主要因素天然应力场的形成取决于地质条件和岩体所经历的地质历史。地质条件:岩性 R、E、 岩体结构 不连续性、各向异性、应力集中地质历史:构造作用及其演变历史(主要因素) 区域卸荷作用a. 构造作用分活动构造应力,即现今还在形成,累积的应力场。剩余构造应力,即地质历史时期构造作用形成的应力至今尚未完全卸除。活动构造应力所形成的应力场,其最大主应力比较一致或呈规律变化而剩余应力则各地不一,比较杂乱。b. 区域卸荷作用指区域性的面剥蚀。例:岩体内 深度处的侵入岩应力场(静水应力状态)经地面剥蚀后,剥蚀厚度为h。则 水平应力与垂直应力的减小幅有很大不同。思考题:岩
10、体卸荷过程中能否造成岩体破坏(设)二、自由临空面附近的应力重分布以河谷为例:河谷下切,形成地表的自由临空面,由此引起临空面附近岩体卸荷回弹,形成临空面附近岩体内应力重分布。重分布应力大小和特点受原始地应力水平、岩性特征、临空面形态特征的影响。重分布应力的主要特征:主应力方向在临空面附近发生明显变化最大重应力与临空面近于平行,而最小主应力与临空面近于垂直。最大主应力由内向外逐渐增大,而最小主应力由内向外逐渐减小,至临空面上为零,甚至出现拉应力。 应力在坡脚附近显著增大。应力增大现象称应力集中。集中程度用应力集中系数表示。三、岩体切割面附近的残余应力效应由于岩体是由多种力学性质不同的材料(元件)组
11、成,在加载条件和卸载条件下,不同力学性质的材料表现出不同的变形特征,以达到岩体内部应力和变形的总体平衡。特征:以达到岩体内部应力和变形的总体平衡。约束紧密的不同材料卸载的残余应力效应。2.3 我国地应力场的空间分布随时间变化的一般规律2.3.1 我国地应力场的空间分布特点a. 各地的最大重应力方向呈明显规律性大致与察隅和伊斯兰堡连线的夹角平分线方向一致。仅伊斯兰堡外侧和察隅外侧不同。b. 三向应力状态与由此决定的现代构造活动呈规律分布。潜在逆断型应力状态主重要分布于喜马拉雅山前缘一带。(与印度板块碰撞有关)、水平, 垂直潜在走滑型应力状态区主要分布于中、西部广大地区。、水平 垂直潜在正断型和张
12、剪性走滑型应力状态区,主要分布于西藏高原(正断型)、东北、华北地区,汾渭地堑(张剪走滑型)。2.3.2 断裂带附近局部构造应力集中作用a. 一般规律岩体受力变形时,其内所含的结构面会出现应力集中,使岩体内应力状态复杂化。易于发生应力集中的部位往往是裂隙、断裂的端点、交汇点、错裂段、拐点、锁固段、分支点等。b. 局部应力集中区与活动断层的关系上述应力集中的特殊部位往往形成与之相适应的构造带。局部压力集中区,形成局部隆起和挤压型构造,伴强震。反之,局部拉应力集中区形成拗陷和拉裂型构造,伴正断型地震。第三章 岩体的变形与破坏3.1 基本概念及研究意义变形:岩体的宏观连续性无明显变化者。破坏:岩体的宏
13、观连续性已发生明显变化。岩体破坏的基本形式:(机制)剪切破坏和拉断(张性)破坏。一、岩体破坏形式与受力状态的关系岩体破坏形式与围岩大小有明显关系。注意:岩全破坏机制的转化随围压条件的变化而变化。破坏机制转化的界限围压称破坏机制转化围压。一般认为,1/51/4不可拉断转化为剪切。 1/32/3可由剪切转化为塑性破坏。有人认为(纳达),可用偏向的程度来划分应力状态类型。应力状态类型参数 (1,即21; 1,即23)二、岩体破坏形式与岩体结构的关系低围压条件下岩石三 轴试验表明。坚硬的完整岩体主要表现为张性破坏。含软弱结构面的块状岩体,当结构面与最大主应力夹角合适时,则表现为沿结构面的剪切。碎裂岩体
14、的破坏方式介于二者之间。碎块状或散体状岩体主要为塑性破坏。对第一种情况,某破坏判据已经介绍很多了。第二种情况,可采用三向应力状态莫尔圆图解简单判断。三、岩体的强度特征单轴应力状态时,结构与方向决定了岩体的破坏形式。复杂应力状态时,含一组结构面的岩体破坏形式与岩体性质、结构面产状,应力状态关系很大。3.2 岩体在加荷过程中的变形与破坏3.2.1 拉断破坏机制与过程一、拉应力条件下的拉断破坏当时,拉应力对岩石破坏起主导作用。二、压应力条件下的拉断破坏压应力条件下裂缝尖端拉应力集中最强的部位位于与主压应力是地方向上,并逐渐向与平行地方向扩展。当时,破坏准则为: =0时为单轴压拉断。3.2.2 剪切变
15、形破坏机制与过程一、潜在剪切面剪断机制与过程A滑移段B锁固段进入稳定破裂阶段后,岩体内部应力状态变化复杂。产生一系列破裂。(1)拉张分支裂隙的形成,原理同前。(2)不稳定破裂阶段法向压碎带的形成,削弱锁固段岩石。(3)潜在剪切面贯通。剪胀,压碎带剪坏,锁固段变薄弱,最终全面贯通。剪切破坏过程中岩石销固段被各个击破,所以整个剪切过程中剪切位段具有脉动的特征。二、单剪应力条件下变形破坏机制与过程即力偶作用于有一定厚度的剪切带中。这种应力条件下可出现的两种破坏,张性雁裂和压扭性雁裂。其中张性雁裂对软弱带的强度削弱最大。三、沿已有结构面剪切机制及过程(略)生向临空面方向的滑脱,甚至核部挤出。(地面剥蚀
16、)3.3 岩体在卸荷过程中的变形与破坏3.3.1 基本类型拉裂面:拉应力集中部位压致拉裂面:平行临空面的拉裂面剪裂面:层间剪切滑段基坑底板弯曲隆起等。3.3.2 差异性卸荷回弹造成的破裂一、张性破裂面a. 材料性质不同造成b. 应力历史不同造成颗粒受压变形,后期胶结,胶结物未经压缩,卸荷面导致颗粒与胶结物接触界面上的拉裂。裂纹之高部受压亦相同。二、剪切破裂以 状岩芯为典型其本质也是差异性卸荷回弹,所不同的是其差异性卸荷回弹是由受限面引起的。3.3.3 卸荷造成的变形、破裂空间组合模式3.4动荷载(略)3.5 岩体变形破坏过程中的时间效应分两种类型:蠕变、松驰3.5.1 岩石变形时间效应介质模型
17、经典的描述介质流变性能的本构模型为马克斯韦尔模型和开尔文模型。这种模型仅考虑了粘性和弹性性质,而没有考虑岩石介质的塑性性质。经过这些单元的不同组合,可形成各种各样岩体的流变本构模型。岩体力学这已介绍。3.5.2 岩体的累进性破坏和加速蠕变累进性破坏,即应力变化不大,微裂及扩张地不断进行扩张、转移直至整体破坏。流变试验已经证实,只有应力水平达到或超过其长期强度,加速蠕变阶段才能出现(累进性破坏)。3.5.3 粘滑和嵌入蠕变粘滑:指剪切破坏过程中,由于动、静摩擦角的差异或由于凸起体剪断、翻越,或由于转动磨擦中的翻转所造成的剪切位移突跃现象。粘滑现象可能与剪切上的凸起体嵌入蠕变机制有关。嵌入时,静磨
18、擦系数将提高。结论:按运动特征,沿结构面的滑移分稳滑和粘滑面种基本类型。稳滑状态的产生条件:结构面平堤或有足够厚的夹泥。匀速滑动粘滑时释放的能量大小不仅与粘滑机制有关,对某一特定剪切滑移,停止活动承受法向应力时间愈长,则粘滑时释放的能量也就愈高。3.6 空隙水压力在岩体变形破坏中的作用一、有效应力原理在岩体中的适用性完全适用注意:其对岩体强度的影响。 显然,。即存在时,岩体强度降低。二、空隙水压力变化对岩体变形破坏的影响,。反之变然。空隙水压力变化原因:地下水补排条件变化(略)岩体受荷状态变化形成超孔隙水压力如地震,土力学介绍很多。岩体变形、破裂封闭水体,破裂形成使空隙水压力降低甚至形成负压,
19、形成膨胀强化现象。非封闭水体,破裂扩容超过地下水补给,亦可形成膨胀强化现象。“水击”现象。3.7 岩体变形、破坏的地质模式岩体变形的基本单元拉裂 含压致拉裂 脱性蠕滑 剪切弯曲 悬臂梁弯曲、纵、横弯剪流 塑性流动上述各变形单元往往不是单独产生,往往相伴另外的变形单元,且互为因果的变形单元对变形、破坏起主导作用。基本组合地质模式:蠕滑拉裂滑移压致拉裂弯曲拉裂塑流拉裂滑移弯曲第四章 活断层的工程地质研究4.1 基本要领及研究意义活断层:目前还在持续活动,或在近期地质历史时期活动过,极可能在不远的将来重新活动的断层10000年以来活动过的断层称全新活动断层。活断层的活动特征:蠕滑、粘滑。意义(工程意
20、义):规避重大破坏性地震对建筑群的破坏,防止因活断层位错坏建筑物(无破坏性地震)。4.2 活断层的特性包括:活断层的类型、活动方式、规模、错动速率及基本分级、活动周期、古地震事件。4.2.1 活断层的类型和活动方式按构造应力状态,活断层可划分为三类:走向滑动型(平移断层)、逆断层、正断层。由于三类活断层的几何特征及运动特性各不相同,因而对工程场地的影响也不同。一、走向滑动断层应力状态为垂直,、水平。特征:断层面倾向大(近于垂直) 断层的地表出露线平直 地貌上常形成陡直的断崖 以水平运动为主,相对垂直升降量很小 分支断裂较少,断层带宽度小这类断层的水平错动量往往很大,因而易于识别,易于发生强震。
21、二、正断层应力状态为垂直,、水平。特征:断层面倾角介于逆断层与平移断层之间,一般6080之间。上盘下降并发育分支断层近断层可以引发中强震。由于地应力场的复杂性,因此,实际发育的断层往往既有水平运动分量亦有垂直运动分量。因为形成走滑逆冲断层或走滑正断层等。活断层活动的两种基本方式:粘滑和稳滑。易发生同期强地震。4.2.2 活断层的长度和断距对活断层,其长度和断距是表征活断层的重要数据,通常用:强度导致地面破裂的长度(L)和一次错段的最大位移(D)来表示。一般地震地表错段长度从由百米至数百公里,最大位移自几十厘米至十余米。地震愈大,震源愈浅,则地表错段就愈长。我国的经验公式为:或: 统计分析是一种
22、常用的研究方法。然而,断裂面长度与震级之间的关系并非如此简单,还受许多因素的影响。如断裂面的形状,剪切模量、断层性质、大地构造环境等因素有关。但若采用地震面波震级Ms与或进行相关分析,则有较好的关系,见图4-12和4-13。(P147)分支断裂的错断位移则随主断层的距离加大而减少。4.2.3 活断层的错动速率和重复周期错动速率与地震重现周期是地震预报的重要数据。一般活断层错动的速率愈大,则两次错断的时间间隔就愈短。根据断层速率,我国将其分为四级。ABCD100RR11R0.1R8.077.966.96以下对断层错动速率的研究,可以采用跨断层重复测量,但对于获取平均错动速率有时较难。另一种研究方
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