工程地质分析原理(教案电子版)

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2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）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①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。3②适用性原则：分类体系便于（工程）应用。③分类指标便于测定原则岩体分类的三大体系：①以岩石材料的力学性质指标为基础的分类。如Y轴抗压强度。②以岩体稳定性为基础的分类——专门性分类。如RMR、Q等。③以岩体结构为基础的分类。目前岩体分类的趋势：①考虑岩石的基本性质。（建造）②考虑岩体强度的改造。③考虑岩体所处的实际地质环境条件。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4b.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）按构造分类：厚皮构造、薄皮构造、接触扰动带a、厚皮构造带5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、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。1.5岩体结构特征的统计分析重点介绍路线精测法。迹线法和统计窗法、实习中已介绍。一、结构面现场测量和资料较正主要针对延伸数米或数十米结构面。方法：在掌子面上布置相互垂直的18条测线，组成测网。在网内，逐一测量每一条与测线相交的结构面位置、产状、延伸长度、张开度、充填情况、表面特征资料。实践证明，采用六条测线已能正确探明结构面的状况。资料较正：主要解决被测机率不等的问题。特别是与掌子面交角较小的节理，被子测机会大大减小。资料校正分长度校正和方位校正。a.长度校正以测线中最长线段Ln作为标准长度。，其它线段的应测结构面数量修改为：（按某组结6构面进行校正）nsSddSddLLNNb.方位校正即调整到结构面组法线方向上来确定结构面的数量。)()(LdLSddSddSSCosdCosNN二、岩体结构特征量化模式程序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7vNvh01亦有Vn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。2.2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、μ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hh0深度处的侵入岩应力场（静水应力状态）)(0hhrvh经地面剥蚀后，剥蚀厚度为h。则rhrhhhrv00)(001)(rhhhrv)121(rh水平应力与垂直应力的减小幅有很大不同。8思考题：岩体卸荷过程中能否造成岩体破坏（设h）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：①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。②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。③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。①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）1、2水平，3垂直②潜在走滑型应力状态区主要分布于中、西部广大地区。1、3水平2垂直③潜在正断型和张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9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。2.4地应力随时间变化与地壳岩体应变速率的关系a.地应力与应变速率的关系地壳岩体是粘弹性介质。伊腾等做的试验表明，当应力小于某临界值时，（不同材料的临界值不同）。变形初期，应力增高，但随时间推移，应力一旦达到某一极限值就会不再增长，而变形不断发展。前段表现出弹性介质特征，而后者表现出粘性特征。当应力大于临界值，则岩体表现弹性介质特征，直至破坏，断裂是岩体的薄弱环节，其变形较岩体更加容易。b.地应力随时间变化的一般规律从以上规律可得出应力随时间变化的一般规律。在岩体中地应力大于临界应变速率的地区，应力随时间呈线性递增。在岩体地应力低于其临界应变速率，但高于断裂的临界应变速率时，岩体中应变速率递增到一定程度后将稳定在与临界应变速率相适应的应力水平，而断裂的应力所属于递增型。当岩体中的应变速率和断裂应变速率均低于断裂临界应变速率时，岩体中的应力和断裂带内的应力都在初期递增至一定水平后，将稳定在与岩体和断裂应变速率相适应的水平。2.4地壳表层岩体应力状态的复杂性仅为经验总结，并无统一的认识。2.4.1岩体应力的若干规律a.垂直应力rhAv（岩体应力随深度增加，地表岩体卸荷尚未完成）b.水平应力①各方向上应力水平各异，并非如1h，最大值1h与最小值2h的关系为102h=(0.5~0.75)1h，且相互正交，②水平应力随深度变化分三种情况即hr（重力型）h=r少见（静水压力型）深部塑性区hr多见（构造应力型）或卸荷作用③浅部应力与深部应力状态差异明显由于浅部河谷临空面的影响，使近地表岩体中应力无论量值还是方向均发生重大变化。其次由于应力变化梯度不同，使浅部应力状态与深部应力状态发生了变化。2.5岩体应力场与区域应力场研究（主要研究方法）研究途径：①以地质、地貌方法研究构造应力场的演变历史和现今应力场的基本特征。（定性研究）②在此基础上进行应力场实测。③在应力实测基础上进行地应力场的数值模拟。2.5.1地质、地貌研究一、构造应力场演变历史的研究可采用地质力学的研究方法（构造体系配套）配合断层错动机制的