软岩和软土的工程地质研究

第3节、风化岩石的工程地质研究第2节、软弱夹层的工程地质研究第1节、软弱岩石的含义第5节、软土的工程地质研究第4节、构造岩石的工程地质研究第二章软岩和软土的工程地质研究第1节软弱岩石的涵义（岩性类别）成因粘土岩、页岩软质泥灰岩、凝灰岩大部分千枚岩、片岩膨胀岩、软弱夹层等1软质岩石（软岩）2构造、破碎岩类断层破碎带，侵入破碎带等机械热动变质产物3风化岩节理裂隙发育的物理力学特征低强度承载力低，富含泥质抗剪强度低，岩体易滑动变形模量小易产生较大沉降、不均匀变形水理性质差易软化崩解、膨胀收缩、管涌、潜蚀流变效应明显长期强度低：某些地下洞室因岩体强度随时间而降低，影响其长期稳定性水利水电工程地质勘察将岩石强度分为四级坚硬的层状岩层第2节软弱夹层的工程地质研究软弱夹层含义：夹有强度低、泥质或炭质含量高、遇水易软化、延伸较广和厚度较薄的软弱岩层强度和变形模量均低于上下硬岩层的1／5—1／50。一般软弱夹层的强度和变形参数如下：摩擦系数0．5饱和抗压强度≤10MPa变形模量≤1000MPa定量表达定义：一、软弱夹层的成因与分类1、原生型3、次生型2、构造型坚硬岩层中所夹粘粒含量多胶结差力学强度低层间错动面构造破碎带软弱夹层蚀变破碎带次生充填节理软弱夹层研究内容：成因类型产状规模分布范围数量空间变化原生型软弱夹层特点：成层条件好，层次多、有韵律、分布广、延伸远、产状稳定与岩层产状一致。构造型软弱夹层特点：厚度偏大，可通过几种岩，倾角变化大，有时可相交。次生型软弱夹层特点：产状不稳定，厚度变化大，成层条件不好，分布于风化卸载带地下水循环带内，向下逐渐变薄、消失。工程实践中的软弱夹层多属综合作用的结果，无统一标准葛洲坝工程4类：（1）软岩夹层坚硬岩石中的薄层软岩。（2）碎块夹层80％以上粒径大于2mm的粗碎屑组，粘粒含量少于10％。（3）碎屑夹层粒径为0．5～2mm的细碎屑约占30％。（4）泥化夹层粘粒含量高(一般30％)、强度低、变形大。二、泥化夹层的基本特性研究的原因：是软弱夹层中力性质最差的，强度最低的关键部位，稳定性起控制作用。(一)泥化夹层的结构特征构造影响带：节理带，劈理带，泥化带节理带1.受构造影响轻微（保持原岩结构特征）2.颗粒和微集合体物理化学活动性弱阳离子交换较少表面积和表面电荷密度都较小，具有较弱的亲水性。3.力学强度高，干密度较大。泥化带1.错动面附近，粘土岩泥化夹层则仅见劈理带和泥化带泥化错动带受构造影响强烈，原岩结构彻底改造。在较大剪切位移部位可形成颗粒和微集合定向排列区和收到牵引影响的非定向区。2.泥化光面（泥化带表面）平直或舒缓波状，粘粒含量高，分散度大，表面电荷密度增大，物理化学活性加强，结构连接弱。3.含水量高、干密度小、强度低，易于屈服的弹粘结构分散系具有一定的特殊工程性质。劈理带1.原岩结构受构造影响严重破坏，劈理发育并有波状揉皱。2.颗粒和集合体多呈松散紊乱排列，剪切位移较大处可定向排列，分散度和阳离子交换能力有所提高物理化学活性有所增强。3.力学强度、干密度明显降低。(二)泥化夹层矿物成分和化学成分鉴定方法：电子显微镜，x射线衍射，差热分析蒙脱石、高岭石、伊利石泥化夹层矿物成分影响因素：母岩性质+后期改造1.矿物成分2.化学成分：主要化学成分：次要化学成分：22323SiO,AlO,FeO,22CaO,MgO,KO,NaO泥化后：氧化钙含量比母岩偏低；氧化铝和氧化铁偏高(三)泥化夹层水理性质粘土成分微结构面发育程度膨胀量膨胀力决定1.伊利石+高岭石+微结构面不发育膨胀量1%2.蒙脱石+微结构面不发育膨胀量达8%3.钠蒙脱石钙蒙脱石4.夹层扰动后，膨胀量膨胀力增加1.膨胀性2.渗流各带的渗透系数相差大：A.泥化带:10-5—10-9cm/s为不透水B.劈理带:10-3—10-5cm/s为透水C.节理带:大于10-3cm/s为良好透水工程上主要是做好夹层上下接触部位的防渗和排水设施(四)泥化夹层物理力学性质三、泥弱夹层在长期渗水条件下的演变趋势水库蓄水后，地下水的坡降、渗径和循环条件夹层可能会有恶化工程的安全稳定性预测演变趋势研究泥化夹层在长期渗水的作用下，主要的物理化学作用1．化学成分的变化1）盐类的溶解2）阳离子交换3）游离氧化物的溶解4)胶溶和氧化还原反应2．渗透稳定的变化容易发生渗透变形和渗透破坏的部位--泥化错动面附近、裂隙发育的劈理带。泥化带与劈理带或岩石界面裂隙逐渐扩张有些细小颗粒被带出，透水性逐渐增大化学反应而降低夹层的抗渗性能渗透稳定性趋向恶化岩体裂隙发育，贯通性强，宽度稍大，透水性良好，而且渗径较短夹层就会产生渗透破坏3．抗剪强度的变化长期渗水的作用下总的趋势是降低以劈理带泥状、软化物比较明显劈理带裂隙、微裂隙异常发育对水的作用敏感，发生吸附效应①粘土岩夹层节理带，在原有结构不被扰动时，长期渗水作用，不会产生泥化、软化②劈理带具有“潜在泥化”特性，遇水后会产生泥化，抗剪强度明显降低；但泥化后的性状不会差于现存的泥化物；③泥化错动带的性状（包括抗剪强度）受渗压水的化学类型、交换阳离子的成分、碳酸盐的溶蚀和游离氧化物的溶解、胶溶等因素的影响，在漫长的地质历史时期，泥化物的性状已处于相对稳定之中，在水文地质条件不发生急剧变化时，泥化带的性状仍保持现有状态；④如在工程运行期间泥化夹层的结构不被破坏，坝基采取了有效的防渗措施，则泥化夹层的工程地质性质不会发生恶化。四、泥弱夹层在特定条件下的抗剪强度泥化夹层的抗剪强度是控制岩体抗滑稳定性的重要因素。在水库运行期间，泥化夹层还处于长期受力和反复受力的状态，其抗剪强度的变化，泥化夹层的流变特征和长期强度是人们所关注的问题。1．泥化夹层的流变特征、长期强度现场快剪屈服强度残余强度2．反复荷载作用下的强度3．动力强度反复荷载作用下强度降低反复强度残余强度≈五、软弱夹层的抗剪强度的取值问题更合理方法分析泥化夹层①矿物成分②几何形态③结构④泥化带厚度⑤夹层性状随空间时间的变化规律第3节风化岩石的工程地质研究岩石风化后物理力学性质发生显著变化，力学强度明显降低。各种工程建筑所遇到的岩石，绝大数是经受过不同风化程度的岩石。风化作用（weathering）分布在地表或地表附近的岩石，经受太阳辐射、大气、水溶液及生物等因素的侵袭，逐渐破碎、松散或矿物成分发生化学变化，甚至生成新的矿物的现象。一、风化作用的类型和影响因素1.风化作用的类型（1）物理风化作用岩石是不良的导热体，不同的矿物热膨胀系数也不同，所以当温度发生变化时。岩石的表面与内部，产生应力，致使发生裂隙，并可逐渐松散破碎。渗入岩石孔隙、裂隙中的水，使裂隙扩大延长，在冰融季节反复交替进行，最后可导致岩石崩裂、破碎。另外，水溶液中盐类物质的集聚结晶、植物根系的生长也可产生类似的情况。a）热胀冷缩(热力风化）b）冰劈作用（冻融作用）c)水溶液中盐类物质的集聚结晶膨胀（2）化学风化作用在氧、水溶液等因素作用下，岩石中的矿物成分发生化学变化，改变或破坏岩石的性状并可形成次生矿物的作用过程。（3）生物风化作用生物物理风化作用生物化学风化作用a.氧化作用(oxidation）b.溶解作用（solution）c.水化作用（hydration）d.水解作用（hydrolysis）e.软化和泥化作用2、影响岩体风化的因素(1)岩性岩石的矿物成分和化学成分影响着风化速度、程度和风化产物的类型、特性。a）化学成分：岩石的化学成分对风化的影响也是显著的。基性岩石比酸性岩石易风化。b）矿物成分：矿物的生成条件与地表的风化条件相差越大，则矿物抗风化稳定性越低，反之越高。最稳定的矿物：石英玉髓石榴子石磁铁矿较稳定的矿物：白云母正长石微斜长石酸性斜长石较不稳定的矿物：角闪石辉石白云石方解石绿泥石黑云母橄榄石黄铁矿最不稳定的矿物：石膏岩盐C）岩石的结构D）岩石的构造风化过程阶段划分：①破碎阶段；②富钙质阶段；③酸性硅铝化阶段；④铝化土阶段(2)．地质构造断层破碎带裂隙密集带层间错动带岩体的完整性差，容易风化形成较深的风化囊和风化槽。(3)气候气温、雨量和湿度对岩体的风化有很大的影响。a.寒冷气候带岩屑型风化壳或机械风化壳b.干旱气候带：硅铝碳酸盐型风化壳C.温湿气候带：硅铝黏土型风化壳（高岭土型风化壳）d.湿热气候带：砖红土型风化壳(4)地貌在坡度较陡的微地貌单元上，风化作用强烈，但风化产物不容易保存，风化壳厚度薄。在坡度较缓的微地貌单元上，风化产物容易保存，风化壳厚度较厚。(5)地下水地下水的化学成分及其循环条件，对风化速度和程度的影响也很大。地下水可以促使岩石溶滤、水化、水解，地下水循环良好的地区，往往形成较厚的风化壳。二、风化壳的结构1．风化夹层或夹层状风化2．球状风化3．风化程度不同的带在垂直剖面上发生突变（缺失或重复）4．风化囊和风化槽岩体按风化程度分带：1.全风化带2.强风化带三、岩体风化程度的工程地质研究3.弱风化带4.微风化带5.未风化带岩体风化程度划分方法（一）定性分析方法这种分析方法从风化岩的地质特征和工程性质出发，用经验判断，以定性分析为主。（二）定性—定量综合分析法1．岩石风化程度系数1978年水利电力部成都勘测设计院提出。按岩石风化程度系数进行分类。2．裂缝系数和坚固度1962年日本学者工藤提出。用声波法测定同一岩石的室内外动弹模量来计算,对岩体风化程度进行分级。3．岩石风化系数1966年保加利亚学者伊利耶夫根据室内大量岩石的超声波速度测定值提出。4．用点荷载试验研究岩石的风化程度5．矿物风化指数1965年伦布提出。用表征岩石中矿物风化变异的指标分析岩体的风化程度。6．根据岩体的纵波波速和波速衰减速度划分风化带7．对于花岗岩类岩体可用标准贯入试验击数划分残积土和全、强风花带。8．风化程度指标1970年由俄罗斯学者提出。9．岩心采取率风化岩体的勘探掘进技术特征，随风化程度有明显的差异。第4节构造岩的工程地质研究一、构造岩的分类及其特征由被碾碎成均匀细小的粉末碎屑胶结而成，以o.05mm的颗粒为主，只有在显微镜下才能看出颗粒的成分和结构特征，外观致密，类似硅质岩。矿物有重结晶、重组合现象。除含有石英、长石等原岩矿物外，常含有一些变质矿物。风化后常呈岩粉或泥状。在断层破碎带中常可见到厚度不等的泥状物质，脱水干燥后呈硬块状，它们是糜棱岩、碎裂岩或岩粉等经浸水风化而成。大多由亲水性较强的粘土矿物及石英等组成。断层泥压缩变形大，强度低，常给工程带来很大的危害。1、断层泥2、糜棱岩主要是由2mm被搓碎的棱角状碎块及岩粉等经胶结形成，角砾仍保持原岩的矿物成分和结构。3.片状岩母岩多为软弱岩层经过强烈的挤压与剪切错动，形成劈理和片粒,再结晶的矿物及细小的碎屑常成定向排列而构成片状岩。4.断层角砾岩主要由2mm的原岩碎粒并杂以岩粉经胶结形成。能用放大镜分辨原岩成分。5.压碎岩6.碎块岩一、粘性土的类型和软土的定义第5节软土的工程地质研究二、特殊土的类型（淤泥类土、黄土、膨胀土和红粘土）及工程特征1.粘性土的类型(1)老粘性土；(2)一般粘性土；(3)新近沉积粘性土2.软土的定义(1)成因类型a.分布于沿海的软土①泻湖相沉积；②溺谷相沉积③滨海相沉积；④三角洲相沉积b.分布于内陆平原区和山区的软土①湖相沉积；②河漫滩相与废河道相沉积；③坡积洪积相沉积(2)成分和结构1.淤泥类土的类型及工程特征a.高含水量和高孔隙性b.渗透性弱c.压缩性高d.抗剪强度低e.触变性：由于饱水而结构疏松，强烈扰动时，强度会迅速降低，由原来的软塑状态变成流态，甚至液化为悬液，这种现象称触变性。其定量指标为灵敏度St。f.蠕变性显著，必须考虑长期强度。(3)软土的工程地质性质2.黄土的类型及工程特征（1）是一种特殊的第四纪松散堆积物。具有以下特征：a.黄土的颜色：黄色或黄褐色；b.以粉粒组为主；c.富含碳酸钙；d.具有肉眼可见的大孔隙；e.天然剖面上垂直节理发育；f.显著的湿陷性。（2）黄土的成因、分布和分类a.成因：风成（积）、水成（积）、风化-残坡积b.分布：我国分布面积6.4x105km2主要在西北、华北、东北等干旱少雨地区；