岩土工程讲义

1西南交通大学本科课程《岩土工程》教案简稿土木工程学院：邓荣贵2011年21.前言1.1岩土工程概念（1）岩土工程的概念包含的意义：1）土木工程的一个分支，一门技术性边缘学科；2）以水文地质学、工程地质学、岩体力学、土力学、材料力学、弹行力学、塑性力学、断裂力学、结构力学、建筑材料、钢筋混凝土结构学、地基基础工程学和力学试验分析等为理论与技术基础；3）解决与岩土体有关的工程技术问题，服务于工程建设和使用过程中的勘察与论证、设计与施工（监理）、监测与检测、营运维护与病害处理、加固与更新等。（2）岩土工程的服务领域1）工业与民用建筑和市政工程；2）交通运输工程；3）水利水电与能源工程；4）环境保护与地质灾害防治；5）其它。1.2岩土工程工作的特点1）工作对象的复杂性；2）工作成果的不可预见性；3）工作失误的难以弥补性；4）工作失误的严重性。1.3岩土工程涉及的具体工程问题1）土地利用的可行性研究；2）工程勘察设计；3）地基基础方案经济技术比较；4）地基、边坡与隧道围岩的利用与处理；5）海岸场地评价及方案设计；6）环境工程；7）地基土改良；8）监测和检测；39）工程抗震及地震工程等。1.4岩土工程建立的背景（1）国际背景（2）国内背景1）人口增加、耕地减少；2）各种工程规模越来越大；3）可选择场地地质条件变得复杂；4）因岩土工程工作不到位造成的工程事故占总事故的70％以上；5）技术经济发展的需要。1.5岩土工程专业（学科）在土木工程中的地位与作用（1）是土木工程的基础（2）是地质类学科与上部结构类学科的“桥梁”（3）不懂得岩土工程，不可能成为一名优秀的土木工程师（4）岩土工程典型事例。参考书1、参考教材：《岩土工程》，汤康民主编，武汉工业出版社；2、参考书：（1）《岩土工程勘察设计手册》；（2）《岩土工程试验监测手册》；（3）《岩土工程治理手册》；（4）《岩土工程监理手册》；（5）《国内外岩土工程案例分析》。452.岩土工程勘察2.1基本任务a)场地稳定性评价：对各类建筑物适宜性的技术论证；a)弄清场地地层结构及各岩土层单元的工程性状参数；b)弄清施工过程中可能存在的问题；c)地基加固方案和基础形式的建议与论证；d)弄清或预测环境变化对场地及建筑物的影响，反过来建筑对环境的影响，即相互作用特征论证；e)已有土木工程安全性评价；f)病害工程加固处理方案论证；g)指导岩土工程长期观测。2.2岩土工程勘察的基本程序工作前提和条件：（1）主管部门批文；（2）规划或设计部门的任务书。基本工作程序：（1）资料搜集，现场工程地质测绘，弄清工程地质条件及问题；（2）结合场地条件及工程特点分析，弄清存在的岩土工程问题；（3）采用必要的勘探测试手段进行勘测，获得岩土体技术参数；（4）岩土体最佳技术参数的估计；（5）对特定的岩土工程问题作出分析论证和评价，为设计提出建设及整治方案；（6）施工中，岩土工程条件的复检，必要时对设计变更提出建议；（7）工程运营过程中的长期观测。2.3岩土工程勘察重要性分级1）分级考虑的因素：（1）工程安全等级：一级、二级和三级。（2）场地复杂程度：一级、二级和三级。（3）地基复杂程度：一级、二级和三级。2）勘察等级6（1）一级岩土工程勘察：结构复杂、荷载大、要求特殊等。（2）二级岩土工程勘察：常规结构、标准基础形式。（3）三级岩土工程勘察：小型简单结构。2.4岩土工程勘察阶段（1）选址勘察（又叫可行性研究勘察）：场地稳定性及适宜性问题。（2）初步设计勘察：地层分布、岩土特征，不良岩土工程问题（布局）、基础类型等问题。（3）详勘：参数问题（4）施工勘察：符合性问题2.5岩土工程勘察的主要工作（1）勘察工作设计（即勘察大纲）：勘察大纲（设计）包括下列内容：①工程名称、地点及建设单位；②哪个勘察阶段及勘察的目的和任务；③场地自然地质条件及其过去研究程度简要说明；④勘察方法及工作量布置；⑤资料及报告内容要求；⑥勘察中可能出现的问题及采取的措施；⑦附件：技术要求、勘点布置图及进度计划。（2）工程地质测绘与调查比例尺不小于1：50000（选址），1：2000～1：5000（初勘），1：500～1：1000（详勘）工程地质测绘与调查方法有：①穿越法；②追索法；③综合法及布点法（特殊部位）。（3）勘探工作包括掘探、钻探、触探和物探①掘探：探井及探槽；多用于厚度小于3.0m的情况②钻探：有小孔钻和大孔钻③触探：静力触探和动力触探7④物探：（4）测试：变形测试、强度测试和承载力测试等（5）长期观测：变形位移及应变，应力及压力观测等（6）岩土工程分析评价与成果报告①岩土工程资料（方法及工作量）；②岩土工程测试及勘探资料评价；③结论与建议。83.土体和岩体的工程性质3.1工程土体主要设计参数3.1.1压缩性参数1）压缩曲线和压缩性指标（1）压缩曲线（2）压缩性指标①压缩系数2121ppeea（2-1）压缩指数1221loglogppeecc（2-2）12~11.0MPaa12~15.0~1.0MPaa②变形模量E0及压缩模量Es（MPa或kPa）zzE000aEzzs1e1(＋侧限条件）＝（2-3）③体积压缩系数Mv（1/kPa）111eaEsMv（2-4）④回弹系数Cs：（土体卸载特性）减压曲线及再压曲线：iiiiPPeeCsloglog11（2－5）⑤固结系数Cv（固结快剪特性）cm2/s或m2/年waekCv)1(（2－6）确定Cv的方法：A、时间对数法5.025.0)(tHTvCv（2－6’）式中，（Tv）0.5及t0.5为ut＝0.5的时间因素及时间，H～排水距离B、时间平方根法（t法）9.025.0)(tHTvCv（2－7）9式中，符号意义同上。⑥次固结系数Ca次固结变形与时间半对数坐标上直线的斜率Ca1logloglog21221ttetteeCa（2－8）一般情况下：0018.0Ca0－含水量系数（3）渗透性参数①无粘性土测定毛细管上升高度计算：2)(2snnk（2－9）其中，gThsn（2－10）式中，h－毛细管上升高度n－孔隙率s－单位体积毛细管表面积η－液体粘滞系数T－液体表面张力ρ－土的密度g－重力加速度②软土及粘土测定固结指数Cv计算eaCvk1（2－11）式中，a－压缩系数e－孔隙比Cv－固结系数（4）土的抗剪强度参数或tgctgcff（2-12）测定土体强度参数时，分UU、CU和CD三种试验。3.1.2影响土体工程性质的主要因素10①土的粒径组成；②土的密实度；③土的稠度，用IL来表示；④粘性土的结构性；⑤应力历史；3.1.3工程土体的分类见有关书籍。3.2工程岩体参数的确定及质量评价3.2.1岩体的天然性及组成（1）岩体的天然属性①形成的复杂性②形成的久远性③成分及结构的多样性和复杂性（2）组成力学及几何上讲：岩体＝岩石＋结构面①岩石②结构面（3）岩体所处的工作环境①地下水及地表水环境②地热（温）及大气热环境③地壳构造作用力及相邻岩体重力作用环境④人类生活和生产活动环境。3.2.2岩体的变形参数确定（1）岩石变形参数的确定方法①初始弹性模量E0②切线模量Et③割线模量E50（2）结构面的切向和法向刚度确定uGt，vGn（2－13）11（3）岩体变形参数的确定①确定方法：现场刚性承压板试验（狭缝法和环形试验法），得到加～卸变形曲线，由变形曲线确定岩体变形参数。②弹性模量EeeEe（2－14）③变形模量E0epEo（2－15）④承压板试验)(2)(4)1(eoeoupdE（2－16）式中，)(eou为荷载p作用方向的总位移或弹性位移。3.2.3岩体强度参数的确定（1）岩石的单轴压缩强度①屈服强度②峰值强度③残余强度（2）岩石的三轴压缩强度①屈服强度②峰值强度③残余强度（3）岩石的抗剪强度参数，C，φ不同的围压σ3下测出σ1c，得到：ccRm31(2-17)利用m及Rc可求出C，φ值，即：11tan1mmcRccos2sin1(2-18)12不同法向应力作用下的直接剪切试验测出σv～τf，得到：cmvf(2-19)m1tan,C=c（4）含一组结构面岩体强度，经推导：2sin)tan1()(2)(331ffc(2-20)当)0(21时，（σ1－σ3）→∞，结构面没有影响，当时，（σ1－σ3）→∞，结构面影响较大，当2145时，])1)[((2)(2123min31fffc(2-21)将（2-20）式绘成曲线，则为)]sintan(sin[2111mmc)]sintan(sin[2112mmc(2-22))(2131m)(2131m（5）有两组及多组结构面时的强度利用迭加的方法，确定不同外力及结构面组合下的岩体强度，但事实上岩体中含有三组及以上结构面时，岩体的强度则由结构面控制，结构面方向的影响减弱。（6）实际岩体强度参数确定岩体结构复杂，若进行现场大尺寸试验测试，无论从时间、财力、物力上均是不可取的，因此常用经验性折减方法进行处理，即用（2－23）式计算cmc(2-23)σmc及σc分别为岩体和岩块的强度，σc由试验测得，β为折减系数，也称为岩体的完整性系数。13β由（2－24）确定2)(rpmpvv(2-24)式中，Vmp为现场岩体中的纵波速度，Vrp为室内岩石块体中的纵波速度。在水电行业中，常取岩块强度的10％，特殊情况下根据岩体特征适当提高。3.2.4岩体的地温环境根据大地测试，地壳的地温梯度为3℃/100m，但在地壳构造边缘区，常有地热异常带存在。（1）地热使岩体膨胀，在其内部形成因温度产生的膨胀应力。但在浅部岩体工程中，温度变化不大，产生的膨胀应力很小，常忽略不计。而深部岩体工程，核电站及其它特殊工程，则需要考虑。（2）地热的增加，会使暴露在大气中的岩体加速风化。3.2.5岩体的水环境工程岩体要么在水中工作，要么其内容充满了水，水对岩体的作用有三个方面：（1）物理作用：加速岩体物理风化和软化岩土，工程性质变差。（2）化学作用：加速岩体风化和劣化。（3）力学作用：改变岩体内部应力状态，降低岩体整体工程性质。（4）岩体渗透系数：lhAQk22/(m/s)(2-25)l－渗流距离（m）h－水头变化A－渗透断面Q－渗流流量（m3/s）地下水对岩体工程性质的影响取决于岩体的透水特性（k）及排水条件及水头差。3.2.6岩体的地应力环境位于地表附近的工程岩体除工程附加应力外，岩体中天然的原始应力较小，一般可以忽略不计。而位于深部的工程岩体，如隧道、矿山坑道、地下厂房等围岩就是在较大的天然地应力环境中。修建工程，对岩体往往有加载，也有卸载。14因此，在进行岩体工程设计前需要了解岩体所处的天然地应力场条件，岩体地应力主要由构造应力和自重应力构成。（1）研究岩体天然地应力场的方法①地质构造形迹及大地构造分析法②现场实测法：如解除法、恢复法、水压致裂法③室内测试法：如Kaiser效应法、岩石变形曲线分析法④室内模拟法：如物理模拟、数值模拟计算（2）主要方法的基本原理①地质构造分析法主要是研究岩体中的构造应力，其基本要点是根据地质构造应力作用在岩体中留下的变形痕迹和断裂现象，反过来分析岩体中当初和目前的应力状态（利用板块大地构造举例说明）。②现场实测法A、孔径变形法：利用钻孔在岩体应力解除后直径的变化量u分析地应力，通过一个钻孔和弹性力学相关原理建立的公式：]2cos)(2[)1(21212Eduu(2-26)将传感器置入孔中，解除应力（用套孔）后测得某三个方向的u，代入（2-26）式，得到σ1，σ2与三个方向孔径变化量u1、u2及u3的关系，以及与θ的关系，求σ1，σ2和θ；利用平面弹性力学理论求出θ方向的正应力及剪应力σxi，σyi，τxyi；再利用空间弹性力学