工程地質(zhì)分析原理復(fù)習(xí)

1、工程地質(zhì)大綱一、名釋工程地質(zhì)問題：當(dāng)工程地質(zhì)條件不能滿足工程建筑物穩(wěn)定、安全的要求時，工程地質(zhì)條件與工程建筑之間存在矛盾。工程地質(zhì)條件：土石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地貌、水文地質(zhì)條件、自然地質(zhì)現(xiàn)象和天然建筑材料。 巖體結(jié)構(gòu)面：巖體：地質(zhì)體中與工程建設(shè)有關(guān)的那部分巖石，處于一定的應(yīng)力狀態(tài)、被各種結(jié)構(gòu)面所分割。結(jié)構(gòu)面：巖體中具有一定方向、力學(xué)強(qiáng)度相對較低、兩向延伸（或具有一定厚度）的地質(zhì)界 面（或帶）結(jié)構(gòu)體：結(jié)構(gòu)面在空間的分布和組合將巖體切割成形狀、大小不同的塊體，稱結(jié)構(gòu)體。天然應(yīng)力狀態(tài)，是指未經(jīng)人為擾動的，主要是在重力場和構(gòu)造應(yīng)力場的綜合作用下，有時也在巖體的物理、化學(xué)變化及巖漿侵入等的作用下所形成的應(yīng)

2、力狀態(tài),常稱為天然應(yīng)力或初始應(yīng)力。在巖體天然應(yīng)力場內(nèi)，因挖除或增加結(jié)構(gòu)物而引起的應(yīng)力，稱為感生應(yīng)力。在重力場作用下生成的應(yīng)力為自重應(yīng)力。變異應(yīng)力:物理、化學(xué)變化及巖漿的侵入等引起的應(yīng)力,可統(tǒng)稱為變異應(yīng)力。只具有局部意義。殘余應(yīng)力:遭受卸荷或部分卸荷時，膨脹回彈趨勢部分地受其它組分約束,形成拉、壓應(yīng)力自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)?；顢鄬樱耗壳斑€在持續(xù)活動的斷層，或在歷史時期或近期地質(zhì)時期活動過、極可能在不遠(yuǎn)的將來重新活動的斷層。后一種情況也可稱為潛在活斷層一般定義為晚更新世Q3 ，全新地質(zhì)時期Q4 （1萬年）有過地震活動，或近期正在活動， 在將來（今后10 0年）可能活動的斷裂叫做全新活動斷裂水庫誘發(fā)地震

3、：水庫蓄水而導(dǎo)致庫區(qū)地震活動強(qiáng)度和頻次顯著增強(qiáng)的現(xiàn)象。砂土液化：對于飽和砂土，在振動荷載的作用下，孔隙水壓力上升到使砂粒間有效正應(yīng)力降 為零時，砂體就會懸浮于水中，砂體也就完全喪失了強(qiáng)度和承載能力，這就是砂土液化。滲流液化：飽水砂土在強(qiáng)烈地震作用下先產(chǎn)生振動液化，使孔隙水壓力迅速上升， 產(chǎn)生上下水頭差和孔隙水自下而上的運(yùn)動，動水壓力推動砂粒向懸浮狀態(tài)轉(zhuǎn)化，形成滲流液化超孔隙水壓力：砂的滲透性不良，排水不通暢，前一周期的排水尚未完成， 下一周期的孔隙 度再減小又產(chǎn)生了。 孔隙水必然承受由孔隙度減小而產(chǎn)生的擠壓力，生了剩余孔隙水壓力或超孔隙水壓力地下洞室：是指人工開挖或天然存在于巖土中作為各種用途

4、的構(gòu)筑物。圍巖：隧道周圍一定范圍內(nèi)， 對洞身的穩(wěn)定有影響的巖（土）體，大約為地下洞室橫斷面中最大尺寸的 3-5 倍。r（5%）= r 20二、簡答結(jié)構(gòu)面的成因分類：原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面及淺、表生結(jié)構(gòu)面（表1-1 ）。原生結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面：層理，層面，軟弱夾層，不整合面，假整合面，古沖刷面等?；鸪山Y(jié)構(gòu)面：侵入體與圍巖接觸面，巖脈、巖墻接觸面，噴出巖的流線、流面，冷凝節(jié)理面 等。變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：片理，片麻理，板劈理，片巖軟弱夾層等。構(gòu)造結(jié)構(gòu)面節(jié)理（X型節(jié)理，張節(jié)理）斷層（正斷層，逆斷層，走滑斷層）層間錯動帶，羽狀裂隙，破劈理3.淺表生結(jié)構(gòu)面1）淺部結(jié)構(gòu)面：卸荷斷裂、重力擴(kuò)展變形破裂2）表部結(jié)構(gòu)面：卸

5、荷裂隙、風(fēng)化裂隙 風(fēng)化夾層、泥化夾層、次生夾泥4巖體結(jié)構(gòu)分類1）按建造特征可將巖體劃分為塊體狀（或整體狀）結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎塊狀結(jié) 構(gòu)和散體狀結(jié)構(gòu)-5類型。2）按巖體改造的程度可劃分為完整的、塊裂化或板裂化、碎裂化和散體化-4個等級。3）塊體狀結(jié)構(gòu)：無軟弱面的巖體，原生結(jié)構(gòu)面具有較強(qiáng)的結(jié)合力，間距大于1m。4）塊狀結(jié)構(gòu)：含有23組較發(fā)育的軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體，結(jié)構(gòu)面間距10.5m。5）層狀結(jié)構(gòu)：有一組連續(xù)性好，軟弱面的巖體，巖性不均一。（軟弱面間距5030cm）6）碎塊狀結(jié)構(gòu)：多組密集結(jié)構(gòu)面的巖體，被分割成碎塊狀，以某些動力變質(zhì)巖。7）散體結(jié)構(gòu)巖體：碎屑狀散體，結(jié)構(gòu)面無序，有角礫，中雜有

6、泥質(zhì)；糜棱巖體5、巖體應(yīng)力的一些基本概念我國地應(yīng)力場的空間分布特點(diǎn) 各地最大主應(yīng)力的發(fā)育呈明顯的規(guī)律性d 1方向：該點(diǎn)與察隅和伊斯蘭堡聯(lián)線夾角等分線方向近似，（以東經(jīng)105。為界,分為東西，東近水平向，西為近南北向。）僅在兩側(cè)邊緣地帶略有偏轉(zhuǎn)，即東側(cè)向順時針偏轉(zhuǎn)，西側(cè)向逆時針偏轉(zhuǎn)。巖芯餅化現(xiàn)象1）表面均為新鮮破裂面，邊緣部分粗糙，多數(shù)內(nèi)部隱約見有順槽，或沿一個方向的擦痕與之正常的拉裂坎。厚度、直徑關(guān)系，約為直徑的1/4-1/5，只要孔徑相同，巖餅的厚度就大致相近；2）餅狀巖芯的巖體力學(xué)條件a彈性高，儲能條件好的巖性條件，如火成巖；b整體塊狀的巖體結(jié)構(gòu)條件；c高地應(yīng)力條件，最大主應(yīng)力在 30MP

7、a以上巖體破壞的基本形式1）據(jù)破壞機(jī)制-剪切破壞和張性破壞（或拉斷破壞）兩類。2）巖體變形破壞形式與受力狀態(tài)的關(guān)系在負(fù)圍壓及低圍壓條件下巖石表現(xiàn)為拉斷破壞； 隨著圍壓增高將轉(zhuǎn)化為剪斷破壞； 當(dāng)圍壓升高到一定值以后，表現(xiàn)為塑性破壞。邊坡應(yīng)力駝峰型”分布河谷底部高應(yīng)力包”現(xiàn)象淺部應(yīng)力釋放區(qū)：0-25米（30米）高應(yīng)力區(qū)：150-200米， 巖芯餅化” d 1 =25MPa空隙水壓力在巖體變形破壞中的作用有效應(yīng)力原理，AB面上的應(yīng)力可用圖（c）的莫爾圓表示?？障端畨毫Φ淖饔檬拐麄€莫爾 圓向左側(cè)移動，AB面上有效正應(yīng)力（d s）降低，等于總正應(yīng)力（d）減去空隙水壓力（pw），即:d S= d Pw含空

8、隙水壓時，AB平面上的抗剪強(qiáng)度：S = （d pw）tan+ c活斷層蠕滑一持續(xù)不斷緩慢蠕動（穩(wěn)滑）；粘滑-間斷地、周期性突然錯斷，伴地震平移斷層斷層面傾向大（近于垂直）斷層的地表出露線平直地貌上常形成陡直的斷崖以水平運(yùn)動為主，相對垂直升降量很小分支斷裂較少，斷層帶寬度小水平錯動量往往很大，易于識別，易于發(fā)生強(qiáng)震逆斷層斷層面兩側(cè)的點(diǎn)之間的距離總是由于位移而縮短。上盤除上升外還往往伴以多個分支或次級斷層的錯動正斷層斷層活動的變形（下沉）和分支斷層錯動，主要集中于下降盤斷層面傾角介于逆斷層與平移斷層之間，一般6080o之間。上盤下降并發(fā)育分支斷層。正斷層可以引發(fā)中強(qiáng)震。各種天然應(yīng)力狀態(tài)下的水庫誘發(fā)

9、機(jī)制1）正斷型：d v與垂直方向的最大主應(yīng)力迭加，水平的最小主應(yīng)力增值僅為0.43 d v ,莫爾圓加大并稍向右移，結(jié)果是更接近于包絡(luò)線，即穩(wěn)定條件有所惡化。空隙水壓力效應(yīng)同時使最大最小主應(yīng)力減小一個空隙水壓力增值d v。使莫爾圓大為左移J0a-K2)潛在走向滑動型：c v迭加于垂直的中間主應(yīng)力之上，莫爾圓大小沒有變化，水平的最大、最小主應(yīng)力同時都增加了 0.43 d v ,致使莫爾圓右移，使穩(wěn)定狀況稍有改善空 隙水壓力效應(yīng)同時使最大最小主應(yīng)力減小一個空隙水壓力增值 d v。使莫爾圓大為左移荷載 效應(yīng)使莫爾圓離開包絡(luò)線的距離小于空隙水壓力效應(yīng)使之接近包絡(luò)線的距離潛在逆沖型：d v與垂向的最小主

10、應(yīng)力迭加, 果是莫爾圓減小并右移， 穩(wěn)定狀況大為改善。水平的最大主應(yīng)力的增量僅為0.43 d v ,結(jié)空隙水壓力效應(yīng)同時使最大最小主應(yīng)力減小一個空隙水壓力增值 dv。莫爾圓大為左移因荷載效應(yīng)使之離開包絡(luò)線的距離大致等于空隙水壓力效應(yīng)使之接近包絡(luò)線的距離,荷載效應(yīng)使改變了的莫爾圓小于原始莫爾圓,所以最終穩(wěn)定程度稍有改善-蓄水前的應(yīng)力狀態(tài)迭加了荷載皴應(yīng)f黔時的)的應(yīng)力帕袪加了荷載和空蹴術(shù)壓力數(shù)應(yīng)后的應(yīng)力狀東睡終狀胡(1)振動液化：超孔隙水壓力不斷累積增大飽水砂體的抗剪強(qiáng)度：t = ( d n-pw) tg $ = d Otg 0,振動前：砂的抗剪強(qiáng)度為：t = ( d -pw0) tan $ ,振

11、動時：t = d- (pw0+ pw) tan $,振動過程中的剩余下滑孔隙水壓力pw,隨 pw累積性增大，pw0+ pw= d，砂土的抗剪強(qiáng)度降為零，完全不能承受外荷載而達(dá)到液 化狀態(tài)滲流液化：振動液化形成剩余孔隙水壓力以后，不同深度處的側(cè)壓水位就不在相等，產(chǎn)生上下水頭差，隨著深度增加側(cè)壓水位增高。若水力梯度 恰好等于滲流液化的 臨界梯度，處于這個水力梯度， 砂粒就在自下而上的滲流中失去重量，動水壓力 推動砂粒向懸浮狀態(tài)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生滲流液化使砂層變松。斜坡變形破壞的三個不同演化階段:斜坡變形、 破壞、破壞后的繼續(xù)運(yùn)動。斜坡變形的主要方式：卸荷回彈、蠕變斜坡應(yīng)力場的一般特征最大主應(yīng)力近于平行臨空

12、面，最小主應(yīng)力近于與坡面正交。坡腳剪應(yīng)力集中形成剪應(yīng)力增高帶，坡頂附近出現(xiàn)拉應(yīng)力。最大剪應(yīng)力跡線由原來的直線變?yōu)榻茍A弧線，并凹向臨空面 坡面的實(shí)際徑向壓力為零。遠(yuǎn)離斜坡面的巖體內(nèi)，地應(yīng)力逐漸恢復(fù)狀態(tài)。19:.斜坡破壞基本類型按運(yùn)動方式劃分：崩落（塌）（falls ）、傾倒、 滑動（落）、側(cè)向擴(kuò)離、流動三種基本破壞方式：崩落（塌）（falls）、拉斷破壞為主、 滑落（坡卜（側(cè)向）擴(kuò)離 20.圍巖應(yīng)力重分布的一般特點(diǎn) TOC o 1-5 h z 224PvPhoPv - Ph4o3o=()(1 J )(1 一 +Hcos2日2r2r r*24；二才)(1 ro2)(PPh)(1 3r4 )cos

13、2二2r2r24+ mh)d ,2r _3ro )sin22r r徑向應(yīng)力隨著向自由表面的接近而逐漸減小，至洞壁處變?yōu)榱恪Ｇ邢驊?yīng)力在一些部位愈接近自由表面切向應(yīng)力愈大，并于洞壁達(dá)最高值，壓應(yīng)力集 中，另部分，愈接近自由表面切向應(yīng)力愈低，有時甚至于洞壁附近出現(xiàn)目拉應(yīng)力，拉應(yīng) 力集中。三、分析21.熟悉6種破壞類型、形成條件和過程：蠕滑-拉裂式，滑移-壓致拉裂式，滑移-拉裂式,滑移-彎曲式，彎曲-拉裂式，塑流-拉裂式。1）變形破壞模式變形導(dǎo)致斜坡巖體向坡前臨空方向發(fā)生剪切蠕變，后緣發(fā)育自坡面向深部發(fā)展的拉裂。形成條件主要發(fā)育在均質(zhì)或似均質(zhì)體斜坡中，傾內(nèi)薄層狀層狀體坡中也 可發(fā)生。中等坡度（3 40

14、）斜坡中。變形發(fā)展過程中，坡內(nèi)有一可能發(fā)展為破壞面的潛在滑移面, 它受最大剪應(yīng)力面分布狀況的控制。自坡面向下遞減的剪切蠕變帶.演變過程表層蠕滑：巖層向坡下彎曲，后緣產(chǎn)生拉應(yīng)力。后緣拉裂：后緣發(fā)育有陡傾坡內(nèi)的軟弱結(jié)構(gòu)面時，拉裂更易發(fā)育，破裂也可能在 地震或人工爆破的觸發(fā)下突然產(chǎn)生。2）滑移一壓致拉裂形成條件：中等一一陡的平緩層狀斜坡，坡體內(nèi)有水平向殘余應(yīng)力。坡體沿平緩結(jié)構(gòu)面向坡前臨空方向產(chǎn)生緩慢的蠕變性滑移?；泼娴逆i固點(diǎn)或錯列點(diǎn)附近，因拉應(yīng)力集中生成與滑移面近于垂直的拉張裂隙，向上（個別向下）擴(kuò)展，且其方向漸轉(zhuǎn)成與最大主應(yīng)力方向趨于一致（大體平行坡面）并伴有局部滑移?；坪屠炎冃问怯尚逼聝?nèi)軟

15、弱結(jié)構(gòu)面處自下而上發(fā)展起來的。C演變過程卸荷回彈階段：坡體內(nèi)殘余應(yīng)力開始釋放，巖層沿緩傾結(jié)構(gòu)面緩回彈滑移，坡面形 成齒狀剪出。壓致拉裂面自下而上擴(kuò)展階段：在大致平行坡面的重壓應(yīng)力作用下，拉 裂隙端部被壓致拉裂，擴(kuò)展方向逐漸趨向于主壓應(yīng)力方面一致?；泼尕炌A段：隨拉裂面的逐漸貫通，巖體轉(zhuǎn)動，變形進(jìn)入破壞階段。陡傾的階狀裂面成為剪應(yīng)力集中帶，陡緩轉(zhuǎn)角處的嵌合體被逐個剪斷、壓碎、擴(kuò)容,待陡傾裂面與平緩滑移面構(gòu)成貫通性滑面時，滑坡發(fā)生。3）滑移一拉裂a(bǔ)層狀、塊狀巖體，斜坡中有一潛在傾向坡外滑移面，有效臨空。b演變過程巖體在重力作用下沿已有滑移面向臨空方向滑移，后部拉裂。滑坡能否形成，取決于滑面產(chǎn)狀及

16、后緣分隔條件。后緣分割條件成熟時， 滑面的內(nèi)摩擦角小于斜坡角，則滑坡發(fā)生。4）滑移一彎曲a.形成條件中一陡傾外的層狀巖體或薄層狀碳酸鹽巖體斜坡，順層斜坡，滑面傾角大于峰值摩擦角?；泼嫖从行R空，下滑受阻，坡腳附近順層板梁承受縱向壓應(yīng)力，發(fā)生彎曲變形。層狀巖體在自重作用下沿外傾結(jié)構(gòu)面蠕變下滑，下部滑移面未臨空，造成坡腳附近順層板 梁縱向受壓，在一定條件下彎曲隆起發(fā)展成滑坡。輕微彎曲階段：近坡腳部位巖層在縱向壓力下順層彎曲，局部出現(xiàn)壓碎，坡面輕微隆起，巖體松動。強(qiáng)烈彎曲、隆起階段：彎曲顯著增強(qiáng)，出現(xiàn)剖面x型節(jié)理，部分巖體垮塌、充填虛脫部位。切出面貫通階段：切出面與滑移面貫通，切出回彈射拋出，形成

17、滑坡。5）彎曲一拉裂（傾倒）陡立或陡傾內(nèi)層狀斜坡，坡度中 陡坡。變形過程前緣，巖體在重力作用下向臨空方向作懸臂梁彎曲，單梁的彎曲逐漸向深部發(fā)展。前部彎 曲后為后部彎曲提供了空間，逐漸向斜坡后緣逐個懸臂梁地傳遞，導(dǎo)致斜坡巖體整體彎曲。演變過程卸荷回彈：陡傾面拉裂階段板梁彎曲、拉裂面：向深部擴(kuò)展并向坡后推移階段，如坡度很陡，大多伴有坡緣、 坡面局部崩落。板梁根部折裂、壓碎階段：巖塊轉(zhuǎn)動、傾倒，導(dǎo)致崩塌。6）塑流一拉裂形成條件軟弱基座斜坡，上覆厚層堅硬巖層。變形過程下伏軟弱基巖在上覆巖層重壓下產(chǎn)生塑性變形，并向臨空方向流動而形成塑性擠出。軟巖塑流擠出又導(dǎo)致上覆巖層拉裂。演變過程（1） 軟弱基座（近水

18、平），上覆硬巖的拉裂起始于軟弱層的接觸面，軟巖的水平變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)超 過硬巖。前緣可出現(xiàn)局部墜落。隨著上覆坡體的拉斷解體，則發(fā)展為側(cè)向擴(kuò)離，或塊狀滑坡。（2） 當(dāng)上覆巖層有一定塑性時，被下伏呈塑流狀的軟巖載馱的坡體可整體向臨空方向漂移， 后緣某處產(chǎn)生拉裂造成陷落帶，形成整體式的側(cè)向擴(kuò)離。四、計算例題某圓形隧道埋深為450米，開挖直徑為 3米，巖體容重為 26kN/m3,單軸抗壓強(qiáng)度級抗拉強(qiáng) 度分別為60.0MPa和3.0 MPa,，試分析下列兩種情況：（1）N=0.3;N=2.5下，隧道開挖邊界是否達(dá)到其強(qiáng)度值？（2）如果在上述隧道旁邊再開挖另一條隧道，該隧道開挖直徑為6m,兩隧道中心線相距10 m

19、,中性線位于同一水平面，試評價前面兩種應(yīng)力條件下的巖體穩(wěn)定性。補(bǔ)充：1.采用水壓致裂法對花崗巖體中的應(yīng)力進(jìn)行了測量。在一個垂直鉆孔中進(jìn)行了一下 兩次試驗(yàn)：一個實(shí)驗(yàn)深度為500 m；另一個試驗(yàn)深度為 1000 m.試驗(yàn)結(jié)果如下表所示。深度/m破裂壓力Pp/MPa關(guān)閉壓力Ps/MPa50014.08.0100024.516.0假定巖石的抗拉強(qiáng)度為10Mpa，巖石的密度為 27kN.m-3,估算并列出這兩個深度的的1、（T 2、 b 3 的值。（提示：對于豎向裂紋，鉆孔應(yīng)力集中可以用Kirsch方程估算（巖石線彈性假設(shè)），圓孔應(yīng)力集中破裂壓力方程：P 3BhHt水壓致裂法的假定：（1）一個主應(yīng)力為垂

20、直方向；（2）垂直應(yīng)力由覆巖自重引起；（3）裂紋在鉛垂面上形成；（4）巖石不具有滲透性（快速實(shí)驗(yàn)）；（5）鉆孔周圍的應(yīng)力集中可以用Kirsch方程估算（巖石線彈性的假定）。解：應(yīng)用柯西解求解平面應(yīng)變條件下圓形洞室的問題，確定隧道邊界圍巖的穩(wěn)定性。該隧道無支護(hù)壓力、又無其它內(nèi)部壓力，開挖邊坡邊界的巖體為單軸應(yīng)力狀態(tài)。即1環(huán)向應(yīng)力的柯西解為： TOC o 1-5 h z 24r;-.d-Cv(1 N)(1 0T) -(1 _N)(1 3L4)cos2Trr隧道邊界出r二代入上式，可得:v(1 N) 2(1 - N)cos2刃假定隧道垂直應(yīng)力等于上部巖體重量，仃 嚴(yán)吃=0.026* 450 = 11.7(MPa)(1 )二次應(yīng)力的極值位置與原巖最大主應(yīng)力有關(guān)。計算隧道頂拱和仰拱的二次應(yīng)力，v - 900，側(cè)壁的二次應(yīng)力，- 00N=0.3 :環(huán)向應(yīng)力分別為 -1.17MPa,和31.59MPaN=2.5，環(huán)向應(yīng)力分別為 76.05 MPa,和5.85 MPa頂?shù)壮^巖體單軸抗壓強(qiáng)度為60.0Mpa在第二條隧道開挖后，可多次利用柯西解來求解問題的近似解。分析開挖隧道是否在另一條隧道的影響區(qū)內(nèi)。求解問題的近似解靜水式壓力影響區(qū)，Z =20r第一隧道：1.5 20 =6.7m，第二隧道：3.0 . 20=13.4m，兩隧道的中心