1、工程地質大綱一、名釋工程地質問題：當工程地質條件不能滿足工程建筑物穩定、安全的要求時，工程地質條件與工程建筑之間存在矛盾。工程地質條件：土石性質、地質構造、地貌、水文地質條件、自然地質現象和天然建筑材料。 巖體結構面：巖體：地質體中與工程建設有關的那部分巖石，處于一定的應力狀態、被各種結構面所分割。結構面：巖體中具有一定方向、力學強度相對較低、兩向延伸（或具有一定厚度）的地質界 面（或帶）結構體：結構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，稱結構體。天然應力狀態，是指未經人為擾動的，主要是在重力場和構造應力場的綜合作用下，有時也在巖體的物理、化學變化及巖漿侵入等的作用下所形成的應

2、力狀態,常稱為天然應力或初始應力。在巖體天然應力場內，因挖除或增加結構物而引起的應力，稱為感生應力。在重力場作用下生成的應力為自重應力。變異應力:物理、化學變化及巖漿的侵入等引起的應力,可統稱為變異應力。只具有局部意義。殘余應力: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、壓應力自相平衡的應力系統。活斷層：目前還在持續活動的斷層，或在歷史時期或近期地質時期活動過、極可能在不遠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地震

3、：水庫蓄水而導致庫區地震活動強度和頻次顯著增強的現象。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力降 為零時，砂體就會懸浮于水中，砂體也就完全喪失了強度和承載能力，這就是砂土液化。滲流液化：飽水砂土在強烈地震作用下先產生振動液化，使孔隙水壓力迅速上升， 產生上下水頭差和孔隙水自下而上的運動，動水壓力推動砂粒向懸浮狀態轉化，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 度再減小又產生了。 孔隙水必然承受由孔隙度減小而產生的擠壓力，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、的構筑物。圍巖：隧道周圍一定范圍內， 對洞身的穩定有影響的巖（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、簡答結構面的成因分類：原生結構面、構造結構面及淺、表生結構面（表1-1 ）。原生結構面沉積結構面：層理，層面，軟弱夾層，不整合面，假整合面，古沖刷面等。火成結構面：侵入體與圍巖接觸面，巖脈、巖墻接觸面，噴出巖的流線、流面，冷凝節理面 等。變質結構面：片理，片麻理，板劈理，片巖軟弱夾層等。構造結構面節理（X型節理，張節理）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.淺表生結構面1）淺部結構面：卸荷斷裂、重力擴展變形破裂2）表部結構面：卸

5、荷裂隙、風化裂隙 風化夾層、泥化夾層、次生夾泥4巖體結構分類1）按建造特征可將巖體劃分為塊體狀（或整體狀）結構、塊狀結構、層狀結構、碎塊狀結 構和散體狀結構-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）塊體狀結構：無軟弱面的巖體，原生結構面具有較強的結合力，間距大于1m。4）塊狀結構：含有23組較發育的軟弱結構面的巖體，結構面間距10.5m。5）層狀結構：有一組連續性好，軟弱面的巖體，巖性不均一。（軟弱面間距5030cm）6）碎塊狀結構：多組密集結構面的巖體，被分割成碎塊狀，以某些動力變質巖。7）散體結構巖體：碎屑狀散體，結構面無序，有角礫，中雜有

6、泥質；糜棱巖體5、巖體應力的一些基本概念我國地應力場的空間分布特點 各地最大主應力的發育呈明顯的規律性d 1方向：該點與察隅和伊斯蘭堡聯線夾角等分線方向近似，（以東經105。為界,分為東西，東近水平向，西為近南北向。）僅在兩側邊緣地帶略有偏轉，即東側向順時針偏轉，西側向逆時針偏轉。巖芯餅化現象1）表面均為新鮮破裂面，邊緣部分粗糙，多數內部隱約見有順槽，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整體塊狀的巖體結構條件；c高地應力條件，最大主應力在 30MP

7、a以上巖體破壞的基本形式1）據破壞機制-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的關系在負圍壓及低圍壓條件下巖石表現為拉斷破壞； 隨著圍壓增高將轉化為剪斷破壞； 當圍壓升高到一定值以后，表現為塑性破壞。邊坡應力駝峰型”分布河谷底部高應力包”現象淺部應力釋放區：0-25米（30米）高應力區：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力原理，AB面上的應力可用圖（c）的莫爾圓表示。空隙水壓力的作用使整個莫爾 圓向左側移動，AB面上有效正應力（d s）降低，等于總正應力（d）減去空隙水壓力（pw），即:d S= d Pw含空

8、隙水壓時，AB平面上的抗剪強度：S = （d pw）tan+ c活斷層蠕滑一持續不斷緩慢蠕動（穩滑）；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，易于發生強震逆斷層斷層面兩側的點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。上盤下降并發育分支斷層。正斷層可以引發中強震。各種天然應力狀態下的水庫誘發

9、機制1）正斷型：d v與垂直方向的最大主應力迭加，水平的最小主應力增值僅為0.43 d v ,莫爾圓加大并稍向右移，結果是更接近于包絡線，即穩定條件有所惡化。空隙水壓力效應同時使最大最小主應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力之上，莫爾圓大小沒有變化，水平的最大、最小主應力同時都增加了 0.43 d v ,致使莫爾圓右移，使穩定狀況稍有改善空 隙水壓力效應同時使最大最小主應力減小一個空隙水壓力增值 d v。使莫爾圓大為左移荷載 效應使莫爾圓離開包絡線的距離小于空隙水壓力效應使之接近包絡線的距離潛在逆沖型：d v與垂向的最小主

10、應力迭加, 果是莫爾圓減小并右移， 穩定狀況大為改善。水平的最大主應力的增量僅為0.43 d v ,結空隙水壓力效應同時使最大最小主應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使之離開包絡線的距離大致等于空隙水壓力效應使之接近包絡線的距離,荷載效應使改變了的莫爾圓小于原始莫爾圓,所以最終穩定程度稍有改善-蓄水前的應力狀態迭加了荷載皴應f黔時的)的應力帕袪加了荷載和空蹴術壓力數應后的應力狀東睡終狀胡(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度：t = ( d n-pw) tg $ = d Otg 0,振動前：砂的抗剪強度為：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，砂土的抗剪強度降為零，完全不能承受外荷載而達到液 化狀態滲流液化：振動液化形成剩余孔隙水壓力以后，不同深度處的側壓水位就不在相等，產生上下水頭差，隨著深度增加側壓水位增高。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轉化，產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、破壞后的繼續運動。斜坡變形的主要方式：卸荷回彈、蠕變斜坡應力場的一般特征最大主應力近于平行臨空

12、面，最小主應力近于與坡面正交。坡腳剪應力集中形成剪應力增高帶，坡頂附近出現拉應力。最大剪應力跡線由原來的直線變為近似圓弧線，并凹向臨空面 坡面的實際徑向壓力為零。遠離斜坡面的巖體內，地應力逐漸恢復狀態。19:.斜坡破壞基本類型按運動方式劃分：崩落（塌）（falls ）、傾倒、 滑動（落）、側向擴離、流動三種基本破壞方式：崩落（塌）（falls）、拉斷破壞為主、 滑落（坡卜（側向）擴離 20.圍巖應力重分布的一般特點 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徑向應力隨著向自由表面的接近而逐漸減小，至洞壁處變為零。切向應力在一些部位愈接近自由表面切向應力愈大，并于洞壁達最高值，壓應力集 中，另部分，愈接近自由表面切向應力愈低，有時甚至于洞壁附近出現目拉應力，拉應 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致斜坡巖體向坡前臨空方向發生剪切蠕變，后緣發育自坡面向深部發展的拉裂。形成條件主要發育在均質或似均質體斜坡中，傾內薄層狀層狀體坡中也 可發生。中等坡度（3 40

14、）斜坡中。變形發展過程中，坡內有一可能發展為破壞面的潛在滑移面, 它受最大剪應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，后緣產生拉應力。后緣拉裂：后緣發育有陡傾坡內的軟弱結構面時，拉裂更易發育，破裂也可能在 地震或人工爆破的觸發下突然產生。2）滑移一壓致拉裂形成條件：中等一一陡的平緩層狀斜坡，坡體內有水平向殘余應力。坡體沿平緩結構面向坡前臨空方向產生緩慢的蠕變性滑移。滑移面的鎖固點或錯列點附近，因拉應力集中生成與滑移面近于垂直的拉張裂隙，向上（個別向下）擴展，且其方向漸轉成與最大主應力方向趨于一致（大體平行坡面）并伴有局部滑移。滑移和拉裂變形是由斜坡內軟

15、弱結構面處自下而上發展起來的。C演變過程卸荷回彈階段：坡體內殘余應力開始釋放，巖層沿緩傾結構面緩回彈滑移，坡面形 成齒狀剪出。壓致拉裂面自下而上擴展階段：在大致平行坡面的重壓應力作用下，拉 裂隙端部被壓致拉裂，擴展方向逐漸趨向于主壓應力方面一致。滑移面貫通階段：隨拉裂面的逐漸貫通，巖體轉動，變形進入破壞階段。陡傾的階狀裂面成為剪應力集中帶，陡緩轉角處的嵌合體被逐個剪斷、壓碎、擴容,待陡傾裂面與平緩滑移面構成貫通性滑面時，滑坡發生。3）滑移一拉裂a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，取決于滑面產狀及

16、后緣分隔條件。后緣分割條件成熟時， 滑面的內摩擦角小于斜坡角，則滑坡發生。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。滑移面未有效臨空，下滑受阻，坡腳附近順層板梁承受縱向壓應力，發生彎曲變形。層狀巖體在自重作用下沿外傾結構面蠕變下滑，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，局部出現壓碎，坡面輕微隆起，巖體松動。強烈彎曲、隆起階段：彎曲顯著增強，出現剖面x型節理，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：巖塊轉動、傾倒，導致崩塌。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，軟巖的水平變形遠遠超 過硬巖。前緣可出現局部墜落。隨著上覆坡體的拉斷解體，則發展為側向擴離，或塊狀滑坡。（2） 當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， 后緣某處產生拉裂造成陷落帶，形成整體式的側向擴離。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,單軸抗壓強度級抗拉強 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到其強度值？（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，試評價前面兩種應力條件下的巖體穩定性。補充：1.采用水壓致裂法對花崗巖體中的應力進行了測量。在一個垂直鉆孔中進行了一下 兩次試驗：一個實驗深度為500 m；另一個試驗深度為 1000 m.試驗結果如下表所示。深度/m破裂壓力Pp/MPa關閉壓力Ps/MPa50014.08.0100024.516.0假定巖石的抗拉強度為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，鉆孔應力集中可以用Kirsch方程估算（巖石線彈性假設），圓孔應力集中破裂壓力方程：P 3BhHt水壓致裂法的假定：（1）一個主應力為垂

20、直方向；（2）垂直應力由覆巖自重引起；（3）裂紋在鉛垂面上形成；（4）巖石不具有滲透性（快速實驗）；（5）鉆孔周圍的應力集中可以用Kirsch方程估算（巖石線彈性的假定）。解：應用柯西解求解平面應變條件下圓形洞室的問題，確定隧道邊界圍巖的穩定性。該隧道無支護壓力、又無其它內部壓力，開挖邊坡邊界的巖體為單軸應力狀態。即1環向應力的柯西解為： 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刃假定隧道垂直應力等于上部巖體重量，仃 嚴吃=0.026* 450 = 11.7(MPa)(1 )二次應力的極值位置與原巖最大主應力有關。計算隧道頂拱和仰拱的二次應力，v - 900，側壁的二次應力，- 00N=0.3 :環向應力分別為 -1.17MPa,和31.59MPaN=2.5，環向應力分別為 76.05 MPa,和5.85 MPa頂底超過巖體單軸抗壓強度為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內。求解問題的近似解靜水式壓力影響區，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