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当前位置:首页 > 建筑/环境 > 工程监理 > 工程地质07第七章岩体
1/49第七章岩石和岩体的工程性质第二节岩体及岩体结构第三节岩体的主要力学性质主要内容第五节岩体稳定性分析第一节岩石的工程性质第四节岩石和岩体的工程分类2/49第一节岩石的工程性质1.岩石工程性质的常用指标物理性质(physicalproperties)重度(密度)(unitweight):岩石单位体积的重力(质量)。有干重度、湿重度和饱和重度之分。比重(相对密度)(specificgravity):固体岩石的重力(质量)与同体积水在4ºC时重力(质量)的比值。空隙率(porosity):岩石中空隙的体积与岩石总体积的比值。3/49吸水率:常压条件下,岩石吸入水分的质量与干燥岩石质量之比。饱水率:高压或真空条件下,岩石吸入水分的质量与干燥岩石质量之比。饱水系数:岩石的吸水率与饱水率的比值。其值越大,岩石的抗冻性越差。水理性质4/49软化性:指岩石在水的作用下强度降低的性质。软化系数(softeningcoefficient)为岩石在饱水状态下的极限抗压强度与风干状态下强度之比。0.75是强软化的岩石,工程性质较差。渗透性(permeability):指岩石允许水透过的能力。溶解性(dissolubility):指岩石溶解于水的性质。抗冻性(frostresistance):指岩石抵抗冰劈作用的能力.抗压强度降低率(20%~25%)的岩石是抗冻的。崩解性(disintegration):指黏土质岩石吸水膨胀的性质。5/49力学性质强度指标:抗压强度(compressivestrength):岩石单向受压时抵抗破坏的能力。抗拉强度(tensilestrength):岩石单向受拉时抵抗破坏的能力。抗剪强度(shearstrength):岩石抵抗剪切破坏的能力。6/49抗剪强度可分为以下三种强度:(a)抗剪断强度:在垂直压力作用下的岩石剪切强度。(b)抗剪强度:沿着已有的破裂面发生剪切时的强度。(c)抗切强度:压应力等于零时的剪切强度。图7—1岩石的三种抗剪强度试验7/49变形指标弹性模量(modulusofelasticity):是应力与弹性应变的比值。变形模量(modulusofdeformation):是应力与总应变的比值。泊松比(poisson’ratio):是横向应变与纵向应变比值。8/492.影响岩石工程性质的因素内部因素(岩石的地质特征)•矿物成分•结构•构造外部因素•水的作用•风化作用9/493.岩石的工程性质评述岩浆岩•深成侵入岩具结晶结构,晶粒粗大均匀,力学强度高。一般是良好的建筑地基和天然建筑石材。但由于多种矿物结晶组成,抗风化能力较差。•浅成侵入岩特别是脉状岩体穿插于不同的岩石中,易蚀变风化,使其强度降低、透水性增大。•喷出岩若具有气孔构造、流纹构造及发育有原生裂隙,透水性较大。多呈岩流状产出,岩体厚度小,岩相变化大,对地基均一性和稳定性影响大。10/49沉积岩•火山碎屑岩由细小火山灰组成,水理性质差。•沉积碎屑岩受胶结物成分和胶结类型影响显著。•黏土岩浸水后易软化和泥化,还可能有膨胀性。对工程极为不利,但可作隔水层和防渗层。•化学岩和生物化学岩具不同程度的可溶性,易渗漏。11/49变质岩工程性质与其原岩密切相关。•动力变质岩的力学强度和抗水性均较差。•片理构造使岩石具有各向异性特征。12/49岩石(Rock):具一定结构构造的矿物集合体。岩体(Rockmass):包含各种结构面的地质体。岩体的工程性质首先取决于结构面的性质,其次才是组成岩体的岩石性质。第二节岩体及岩体结构13/49岩体结构(rockmassstructure)=结构面(structuralplane)+结构体(structuralelement)14/49结构面:存在于岩体中的各种地质界面。分为:15/49岩体中的软弱夹层16/49结构面特征形态、平整光滑度张开度和充填程度连通性密集程度产状和组数规模17/49结构体类型(d)(a)(c)(f)(g)(b)(e)(h)图7—2结构体的类型(a)方柱(块)体;(b)菱形柱体;(c)三棱柱体;(d)楔形体;(e)锥形体;(f)板状体;(g)多角柱体;(h)菱形块体18/49岩体结构类型及工程性质整体块状结构:整体强度高。层状结构:强度和变形特性具各向异性特点。碎裂结构:岩体完整性破坏大。散体结构:工程性质差。19/49第三节岩体的主要力学性质变形特性epE0变形模量弹性模量eeE图7—5应力——应变曲线图7—6岩石的弹性变形20/49蠕变(creep):在一定应力下,变形随时间持续增长。松弛(relaxation):在变形保持一定时,应力随时间逐渐减小。流变性:指在恒定条件下,应力或变形随时间而变化的特性。图7—8不同应力条件下岩体的蠕变曲线21/49强度特性最主要是抗剪强度mcm图7—12岩体抗剪强度包络线1-结构面强度线;2-岩块强度线;3-岩体强度包络线变化范围22/49第四节岩石和岩体的工程分类1.《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)根据岩块的饱和单轴抗压强度标准值Rc划分岩石的坚硬程度:5153060Rc极软岩软岩较软岩较坚硬岩坚硬岩23/492.《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)根据岩体的完整性指数划分岩石的完整程度:0.150.350.550.75完整性指数极破碎破碎较破碎较完整完整岩体压缩波速度与岩块压缩波速度之比的平方24/493.《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)根据岩石坚硬程度和岩体完整程度综合分五个岩体基本质量等级:完整程度坚硬程度完整较完整较破碎破碎极破碎坚硬岩IIIIIIIVV较硬岩IIIIIIVIVV较软岩IIIIVIVVV软岩IVIVVVV极软岩VVVVV25/494.《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)根据岩石质量指标RQD分类:RQD分类类别RQD(%)岩石质量1234590~10075~9050~7525~5025好较好较差差极差RQD值是用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进,连续取芯,回次钻进所取岩芯中,长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值,以百分数表示。26/49岩体稳定分析方法•地质分析类比法•岩体结构分析法•岩体稳定分类法•数值模拟计算法•地质模拟试验法第五节岩体稳定性分析27/49岩体稳定性与分析主要影响因素:1.区域稳定性2.岩体结构3.边界条件(临空面、滑动面、切割面)4.荷载类型、大小和方向5.工程类别28/49主要影响因素:剪切滑移破坏张拉破坏压缩破坏弯折破坏岩体破坏方式29/49边坡岩体稳定性分析1.力学计算法单平面滑动:1)无渗流时2)有渗流时折线滑面:滑坡推力法2.图解法(赤平投影法)30/49一、高层建筑岩基稳定性分析HhOPRFOEKt215.0倾覆力矩抗倾覆力矩HhGMOROIFOEKMt225.0沿基底面:沿砂层面OI:1、在风荷载下的抗倾覆计算图7—13岩体结构剖面及稳定性计算示意31/492、岩体(ABC)的稳定性计算ABcfHGFGFHTT1111sincossin)(cos'sinsin)coscos(2222TBCCGfGTK滑动力阻滑力图7—14隔离体ABD和BCD受力图32/49二、边坡岩体稳定性分析结构分析图解法——赤平极射投影图7—15赤平极射投影原理图7—16图7—1733/49图7—18吴尔夫投影网图7—19表7—1234/49(一)一组结构面的分析1.结构分析①当岩层(结构面)的走向与边坡的走向一致时:边坡的投影为弧AMCJ1与坡面AC倾向相反,边坡稳定。J2与坡面AC倾向相同,但其倾角大于边坡倾角,边坡基本稳定。J3与坡面AC倾向相同,但其倾角小于边坡倾角,边坡不稳定。图7—20一组结构面与赤平极射投影图的对应关系35/49②当岩层(结构面)的走向与边坡的走向斜交时,若边坡的稳定性发生破坏,从岩体结构的观点来看,必须同时具备两个条件:第一.边坡稳定件的破坏一定是沿着结构面发生的;第二.必须有一个直立的并垂直于结构面的最小抗切面(=c)DEK,结构面与最小抗切面就组合成不稳定体ADEK。图7—21最小抗切面DEK36/49如已知结构面走向为NW280°,倾向SW,倾角50°,与边坡斜交。边坡走向为NW310°,倾向SW。求稳定坡角。图7—22用赤平投影求边坡坡角37/49当结构面走向与边坡走向成直交时,稳定坡角最大,可达90°;当结构面走向与边坡走向平行时,稳定坡角最小,即等于结构面的倾角。图7—23结构面走向与边坡走向成直交图7—24结构面走向与边坡走向平行38/492.力学讨论sincosGcLtgGTcLNtgTFK岩体稳定安全系数滑动面上岩体的粘聚力滑动面上岩体的内摩擦角K=1时,滑动体高度hv为)(cos22tgtgchv图7—25一组滑动面的力学分析39/49作图求极限稳定坡角v某一不稳定结构面AB的倾角为,需要开挖的深度为H,在不稳定面AB上选C点作垂线CD,恰好使CD等于滑动体极限高度hv,联结AD,即为所求的开挖边坡线,它与水平线的夹角,即为求得的极限稳定坡角。v图7—26作图求稳定坡角40/49(二)二组结构面的分析1.结构分析a属最稳定结构b属稳定结构c属较稳定结构d属较不稳定结构e属于不稳定结构图7—27用赤平投影分析边坡稳定条件ns—天然边坡;cs—人工开挖边坡41/49两组结构面组成的边坡的稳定坡角的推断:图7—2842/492.力学讨论sin)(3sincos0221121hACHhchcLtgtgGBCDcABDctgGK楔形体的体积hABCVABCG31021hACABC楔形体的重力06hAChG两个结构面的面积121hBDABD221hBDBCD令LBD稳定系数极限滑动体高度为)(cos)(302211tgtghAChchcLhv图7—2943/493.岩体滑动方向的分析若结构面的交线CO在两倾向线之间(图a),则组合交线CO为滑动方向。这时两组结构面都是滑动面。若结构面的交线和一根倾向线重合,(图b)中CO与AO重合,则倾向线AO就是滑动时的滑动方向。这时,结构面M1是主要滑动面,而结构面M2则为稳定结构体滑动时摩阻力较小的依附面。若结构面的交线CO在两个倾向线之外,则其中一条倾向线为滑动方向。(图c)中AO是滑动线,即沿结构面M1的倾向线滑动,这时,结构面M2仅起切割面的作用。图7—30楔形滑移体滑动方向分析44/49复习思考题1.什么是岩石饱水系数?2.说明岩石软化系数的物理意义。3.岩石的抗剪强度可分为哪几种?4.说明影响岩石工程性质的因素有哪些?5.何谓岩体?试说明岩体与岩石的区别。6.什么叫结构面?结构面的主要特征有哪些?7.按成因,结构面可划分为哪几种类型?研究结构面有何工程意义?8.什么叫结构体?常见的结构体的形状有哪几种?9.何谓岩体结构?岩体结构有哪些主要类型?它们的特征如何?研究岩体结构有何工程意义?45/4910.岩体的变形有何特点?何谓岩体的流变性?11.岩体的强度受什么控制?岩体的剪切破坏有几种情况?12.岩石和岩体按《岩土工程勘察规范》有几种分类方法?如何进行分类?13.岩体的稳定性分析主要有哪些方法?各自有何特点?14.高层建筑地基岩体稳定性分析的内容是什么?15.岩体稳定性破坏必备的边界条件是什么?16.试说明岩体稳定的结构分析的基本步骤。17.如何根据赤平极射投影对具有一组结构面和两组结构面的边坡岩体进行稳定性分析?46/491.已知两结构面J1和J2的产状如下表所示试作此两结构面的赤平极射投影,并求其交线的倾向和倾角。作业题2.坡角为45°,坡面走向为NW315°,倾向NE的闪长岩高岸坡。坡体内发育两组断层。一组断层走向NW345°,倾向NE,倾角30°。另一组
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