1工程地質學基礎2015、3六、工程地質學基礎的學習內容和方法}關于《工程地質學基礎》

2緒論

包括：3一、人類工程活動與地質環境的關系

人類所有的工程活動都是在一定的地質環境中進行的，如地基、圍巖、邊坡：

工程活動與地質環境兩方面相互作用，相互制約：

1.地質環境影響工程建筑物的安全穩定、正常使用、造價工期

如典型案例：

⑴建筑地基失效

①巴西1958年建的某11層樓，剛竣工即傾倒在地上。原因：沼澤土地基，樁基礎未達到堅實的土層上。②1999年武漢一棟18層住宅樓，因基礎樁未穿透淤泥層，還未來得及裝修即傾斜而成危房，最后在中央電視臺直播下被爆破拆除。45③意大利的比薩斜塔：1173年動工，當建至24m高時發現開始傾斜，當即停建。約100年后續建至塔頂55m高。至今(加固前)：北側下沉1.1m、南側下沉3.0m，沉降差達1.9m，塔軸線傾斜6°。目前正在加固中。原因：S—N向地基不均勻→不均勻沉降。

④加拿大的特朗斯康谷倉：自重20000噸、容積36500m3，基礎為筏板基礎。當儲谷至32000m3時，西側突然下沉8.8m、東側下沉1.5m，傾斜26°53′。補充勘察查明：地基為淤泥質土，極限承載力僅為245kPa，而當時的實際荷載(基底壓力)已達300kPa(即安全系數已小于1.0)，終因地基剪切破壞而失穩。(國內地基基礎設計規范規定取極限承載力的一半作地基承載力特征值，設計時不容許基底壓力大于承載力特征值，即取安全系數為2.0)

6

⑤2009年6月27日，上海閔行區在建的“蓮花河畔景苑”商品房小區內一幢13層樓房向南整體傾倒。

7⑵地質環境與地質災害

①意大利的互依昂(Vaiont)大壩高261m，1963年10月9日左岸大滑坡，3億m3的山體以28m/s(約合100km/h)滑向庫區，激起浪高250m，擠出的5000萬m3水溢過壩頂、沖向下游，死亡3000余人。

原因：北側清理河道堆棄土近10m高(相當于10層樓的荷載)，南側開挖地下室4.6m卸荷，壓力差產生過大的剪力而導致地基破壞、建筑物傾倒。次要因素則是高強度預應力管樁(簡稱PHC)為抗壓結構，其抗剪性能較差。責任：施工管理不善，主要責任應該是承建單位與現場監理。②1983年的甘肅省灑勒山黃土滑坡，氣墊效應使滑體越過河谷、沖向對岸，造成水庫與大量民房被埋，數十人死亡。③1985年6月12日，湖北省秭歸縣境內的長江新灘滑坡→

④原蘇聯在莫斯科市的地鐵開挖中，使用凍結法處理飽和砂土。但由于局部凍結失效而導致大量砂水混合物突然涌入洞內，地面多棟建筑物受損。

⑤1976年的唐山7.8級大地震與2008年5月12日的四川汶川大地震，導致數十萬人員死亡、大量建筑物損壞。前者因次生作用產生砂土液化而使大量農田被砂掩埋；后者導致多處巨大滑坡產生數十處巨型堰塞湖，進一步危及下游地區89的安全。這些均屬次生地質災害。

2013年4月20日8:02發生了四川蘆山M7.0地震，屬于龍門山斷裂(北東走向)的東南端，與汶川大地震(于中部)屬同一發震斷層。那么，若地質環境滿足不了工程建設的要求，為了安全，則需要采取必要的工程措施：102.人類工程活動影響地質環境

如：▲建筑物→地基

▲攔水壩→

▲過量抽取地下液體→

如上海、深圳等沿海城市，軟弱地基與基坑工程，三、四十層的建筑物，±0.000(首層室內地面標高)以下的造價占1/5～1/3、工期占1/3～1/2。

如上海市1956～1958年的3年間，地面下沉達1.5m；礦產開采→地面沉陷，破壞地面建筑物與良田。▲水庫庫水荷載→庫區、庫底斷層應力狀態改變→誘發地震

如1962年3月18日，新豐江水庫誘發M6.1地震，水壩開裂。全球的世紀工程—三峽水利樞紐對地質環境影響的深廣度更是不可估量。有人認為，2008年5月12日的四川汶川M8.0大地震可能與水庫蓄水有關，還有人推測其與云貴高原大旱也有關系。需要重點強調的是，隨著人類工程活動規模與強度的擴大，其對地質環境的影響也將越來越深遠。1112據統計，人類每年約消耗5×1010噸礦產資源，已超過了大洋中脊每年增生的巖石圈物質量(約3×1010噸)，更高于河流的每年搬運物質量(約1.65×1010噸)。地下開挖深度已超1000m。

1986年，聯邦德國計劃在黑森或巴伐利亞東北的上巴拉丁涅地區鉆挖一口14km深的地質探井，目的是探測地殼厚度。鉆挖工程計劃于1988年開始，1995年完成，估計費用為4.5億馬克。但截至今日這口地質探井鉆沒有確切消息是否鉆到14km深。世界上最深的工業鉆井則可能要數美國俄克拉何馬州--勃爾茲.羅杰斯1號油田的32號天然氣井。該井于1974年4月3日鉆成，井深9583m，費時503天。

最高邊坡已達600m。目前，全球已經建成的摩天大樓中位居“世界第一高樓”是阿聯酋迪拜塔，有160層，總高828m。

13北京第一高樓“中國尊”(如圖)將于2016年底封頂，總高度528m，預計總投資達240億元。已于2014年12月10日地下結構全面封頂。14

規劃中的西部第一高樓“重慶國際金融中心”，樓高約470m，總投資100億元，預計2018年投入使用。自2009年開工的深圳“平安國際金融大廈”，主體高597m，算上塔頂共有660m高，總投資達到90億元，擬于2016年竣工。2008年底開工的“上海中心大廈”，建筑主體為118層，總高為632m，建筑造價達到148億元，擬于2015年竣工。

2009年上半年開工、目前正在施工中的“武漢綠地中心”高度也將達到606m，因其300億元的投資額而成為世界第一“燒錢”的摩天大廈。擬于2016年3月18日竣工。我們的研究生參與了基樁試驗。然而，長沙的“遠望大廈”將以其高達838m，共有220層而一舉成為“世界第一高樓”，比“迪拜塔”還高出10m。若按每層15kPa的荷載估算，基底壓力高達3300kPa，約合330T/m2。甚至可能產生地殼穩定性或區域穩定性問題。2014年7月10日報道，遠大集團世界第一高樓成大水坑，被疑是騙局。15

我國的錦屏一級水電站混凝土雙曲拱壩壩高305m，為目前世界第一高拱壩，于2009年10月23日開始澆筑混凝土，于2014年7月12日正式投產運行。全球的世紀工程—三峽水利樞紐對地質環境影響的深廣度更將更是舉世矚目。從孫中山的民國時期即開始籌劃。立項論證時，反對派的九條反對理由中，就有五條有地質環境有關，其中主要內容包括水庫淤積、塌岸、洄水等問題；擔心誘發地震與崩、滑、流等多種地質災害。三峽水庫蓄水后對地質環境的影響深、廣度不可估量，汶川地震到底是否與其有關也難以定論。所以有“那些反對三峽工程的人對三峽工程的貢獻最大”的說法。(見2014，2，21的中央電視臺對水利泰斗潘家錚的報道)1617可見，地質環境是十分可貴的，合理開發與妥善保護地質環境成了工程地質學的極其重要的課題之一，事關國家的可持續發展大局。并且，《環境地質學》、《環境工程地質學》、《地質工程學》與《環境巖土工程學》也因此應運而生。

二、工程地質學的研究對象、任務和分科1.定義

是研究工程建筑規劃、選址、設計、施工、運營中的地質問題，以保證建筑物安全穩定、正常使用與經濟合理，還要合理地利用和妥善地保護地質環境的地質學分科。

隨著工程地質學的發展而不斷完善。

182.對象

對象：人類工程活動與地質環境的關系，特別是二者之間的矛盾。(或工程地質條件和工程地質問題)工程地質條件：與工程建筑有關的地質因素的綜合。包括6大要素：

①地形地貌；②地層巖性；③地質結構與構造；④不良地質現象；⑤水文地質條件；⑥天然建材(僅限于大型工程項目)。

工程地質問題：工程建筑與地質環境之間的矛盾。

如地基變形(過量變形或不均勻變形)與破壞、地下洞室圍巖變形與破壞、邊坡變形與破壞等。

3.任務

①選擇建筑場地(從地質環境方面)；②查明場地工程地質條件；③評價場地存在的工程地質問題；④合理建議建筑結構設計、施工方案；⑤建議改善不利地質條件的措施。(如邊坡支護、軟基處理、基礎防腐等)根本任務：保證建筑物安全穩定、正常使用、經濟合理。

194.分科

可以從功能上和層次上劃分。從功能上分，主要有三個分支：20①工程巖土學(Scienceofengineeringsoilandrockgeology)→研究地質環境的物質基礎(巖土體)的工程性質。工程性質包括物理、水理、力學性質。內容包括“工程土質學”與“工程巖質學”兩部分。

②工程地質分析原理(Analysisofengineeringgeology)→研究工程地質問題的成因、機制、分布與規模、發展演化規律，以便正確評價和有效地防治。

③工程地質勘察(Engineeringgeologyexploitation)→用一定的勘察方法、手段查明工程地質條件，將工程地質理論應用于工程建筑中。張倬元老先生將工程地質學與醫學比較：①→生理學，②→病理學，③→診斷學。

從層次上分：勘察方法、手段包括：地質調查與測繪、工程地質勘探(物探、坑探與鉆探)、工程地質測試(現場原位測試與實驗室測試)。

①工程地質學基礎：包括

②專門工程地質學：針對各類工程的勘察技術。與“勘察理論”共同構成“工程地質勘察”。下學期開出

不同類型的工程，其對應的工程地質問題各有側重，如：攔水壩與水庫工程：抗滑穩定、滲漏、岸邊坍塌、庫區淤積。房屋工程：基礎沉降、地基承載力。

2122隧道工程：圍巖穩定性。道路工程：路基與邊坡穩定性。

此外還有

等邊緣、交叉學科。

三、工程地質學的研究方法(4種方法)

1.地質歷史分析法(屬于地質學法)

用傳統地質學的理論、方法來定性分析工程地質問題。手段上：調查、踏勘、測繪、輕型勘探等。

理論上，據

即從“面”到“點”、從“古”到“今”

232.試驗(實驗)法

人工使地質現象再現。包括：模型模擬法、實體試驗法(如室內實驗與現場原位試驗)。3.數學力學分析法

用數學力學理論定量評價工程地質問題。(如巖、土力學)步驟：工程地質勘察獲取地質資料；建立地質(或物理)模型；建立數學、力學模型；定量計算、評價。

4.工程地質類比法

在滿足相似原理的前提下，將已有的工程經驗用于擬建的工程中。24

相似原理要素

如：據建筑經驗歸納出的手冊、規范，可供查用。注意：綜合運用，但必須基于①法(地質學法)。正如孫廣忠先生所強調：若地質模型有問題，那么計算得再精確又有何用？四、工程地質學與其他學科的關系

定性基礎課：地質學原理(基礎)、礦物學、巖石學、構造地質學、地貌與第四紀地質學、水文地質學。定量基礎課：數學、力學、化學等。了解服務對象：工程建筑概論。交叉學科：

25

工程地質學+土木工程學→

邊緣學科：地震、環境、礦山、山地、城市工程地質學等。

◆相關學科簡介◆

1.土力學與巖體力學均屬于工程力學范疇，前者屬于連續介質力學，后者屬于不連續介質力學。同為工程地質學、巖土工程學與地質工程學的重要專業基礎課。2.巖土工程學與地質工程學均屬于工程地質學+建筑工程學所形成，為工程地質學向建筑工程學的延伸，但屬于工程學范疇。

26

地質工程學：強調改善工程地質條件(地質環境)措施。

⑴巖土工程學(Geotechnicalengineering)(來自西方)

巖土工程學是將土力學及基礎工程學、工程地質學、巖體力學三者結合為一體，并應用于土木工程實際而形成的一門應用性新學科。隸屬于土木工程學范疇。包括巖土工程勘察、巖土工程設計、巖土工程施工與巖土工程測試(檢測、試驗、監測)等環節。它涉及土木工程建設中巖土的利用、整治或改造，其基本問題是巖土體的穩定、變形和滲流問題。主管部門：住房建設部。

巖土工程學：強調采用結構措施處理問題；注冊職別：巖土工程師。2002年9月25日首次全國考試。

⑵地質工程學(Geo-engineering)“地質工程”的定義：狹義：以地質體作建筑材料、以地質體作建筑結構、以地質環境作建筑環境而建筑起來的一種特殊工程。

廣義：大地改造工程或地質環境改造工程。2728包括隧道工程、采礦工程、壩基工程、邊坡治理工程、崩滑流等地質災害治理工程等。地質工程的基礎理論是地質控制論。地質控制論包括：地質構造控制論、巖體結構控制論、土體結構控制論與地質體賦存環境因素(地應力、地下水、地溫與改造環境)控制論。地質工程學面對的是正在變形破壞中的復雜地質體。地質工程學彌補了“巖土工程學”對山體穩定性和區域地殼穩定性評價、控制與改造的不足。主管部門：國土資源部。注冊職別：地質工程師。

29五、工程地質學發展過程、現狀與展望1.工程地質學的發展過程

國際上，可分為三個階段：①上世紀30年代，蘇聯首創；②上世紀60年代，學科完善；③上世紀80年代以來，飛速、縱深發展。國內，上世紀50年代從蘇聯引進。蘇聯專家在中國帶的首批研究生有王思敬、孫廣忠、張倬元、唐大雄等知名學者。上世紀60年代，中科院地質所谷德振老先生創建了工程地質力學。近60年來，我國的三代工程地質工作者為祖國的建設付出了艱辛努力、立下了汗馬功勞。

目前，中科院、地礦(地質工程)、煤炭、冶金、石油化工、水利水電、交通、國防、航天等部門都設有工程地質或巖土工程方面的機構，因而你們可以就業于祖國四面八方的各行各業!2.工程地質學的發展現狀

我國的工程建設步驟依次為：①可行性研究、立項；②工程地質勘察；③設計；④施工；⑤檢測、驗收。即工程地質勘察先于設計、施工，因此，素有“工程建設尖兵”之美譽。

就煤炭行業而言，工程地質工作起步較晚：①煤炭勘察設計院側重于工業民用建筑勘察、設計；3031②礦山邊坡與巷道圍巖穩定性評價與支護設計實際上多由礦山建設人員主持；③地面沉陷治理則主要由礦山測量人員主持。因他們不了解地質環境與地質條件，致使“三下采煤”(水下、道路下、建筑物下)中的高邊坡、深部采煤等難題遲遲不能解決。隨著國土資源部的成立，地礦系統與煤炭系統的一部分歸屬于同一主管單位，給基于工程地質學的延伸發展起來的“地質工程學”發展提供了動力—-得以在礦山環境治理中大展身手!一句話，有工程建設，就需要工程地質!

3.工程地質學的發展展望

工程建設縱深發展的需要為工程地質學的發展提供了空前的動力和給養：

空間上：

復雜程度上：工程地質條件簡單→復雜；

工程規模上：不斷擴大，如三峽工程。要求上：定量化、精確化、動態化。多學科交叉發展：國內知名學者錢偉長、馬偉民、孫鈞等(主要從事力學研究)多年前開始招收工程地質方面的博士生。

六、工程地質學基礎的學習內容與方法

本學期僅講授工程地質學基礎中的核心內容—工程地質分析原理中的前四篇。

32

最近得知，吉林大學申報成功了國家自然基金----珊瑚礁的工程地質條件研究(為了在南海爭端海域的基建！)

331.區域穩定與巖體穩定分析中的三個基本問題⑴巖體結構★★⑵巖體天然應力★★⑶巖體變形和破壞★★

2.與區域穩定性有關的問題分析

⑷活斷層★★⑸地震與誘發地震★★⑹砂土液化★★⑺地面沉降★★

3.與巖土體穩定性有關的問題分析

⑻斜坡穩定性★★⑼地下硐室圍巖穩定性★★⑽地基穩定性

344.與地下水滲流有關的問題分析

⑾巖溶及巖溶滲漏有關的問題分析⑿滲透變形分析★★

學習方法：敘述性為主(與巖土力學截然相反)，要求做筆記，學習、考試范圍均在講授范圍之內；內容多、涉及面廣，要求及時學習、當堂或當天消化；作業量小。每周三19:30在四教401答疑。

考研者注意：本課程講授的內容范圍有限，特別是針對考成都理工大學、地質大學的，幾乎每年均有第四、五篇的考試內容。教材：工程地質分析原理，主編張倬元等，地質出版社，2009版。參考文獻：有關的工程地質學均可，內容大同小異。

第一篇區域穩定與巖體穩定分析中的三個基本問題

包括地殼巖體的

區域穩定與巖體穩定，即本課程的通論。

35第1章地殼巖體的結構特征第1章地殼巖體的結構特征36第1章地殼巖體的結構特征內容提要1.1概述31.2結構面的類型與特征81.3巖體結構的類型及其特征171.4巖體結構特征的統計分析22第1章地殼巖體的結構特征1.1概述一、概念1.巖體(Rockmass)—工程巖體

與工程建設有關、處在一定地質環境中、由各種“顯性”結構面和被其分割的巖塊共同組成的地質集合體。(巖體=結構面+巖塊)解釋：①工程建設影響范圍之外的不算；②地質環境：構造、地應力、地溫、地下水等；③“顯性”結構面：不連續面、肉眼可見④巖塊(結構體)：俗稱巖石、巖石材料，可包含有“微觀”結構面；

第1章地殼巖體的結構特征

1.1

37

⑤“巖體”與巖石學中的“變質巖體”、“巖漿巖體”含義不同。

第1章地殼巖體的結構特征

1.1

2.結構面(不連續面)(Thefabricfaceofrockmass)

巖體中有一定方向、一定延伸、力學強度相對較低的地質界面(地質帶)。3.巖體結構(Thefabricofrockmass)(構造：Structure)

結構面與巖塊的組合方式。

內容

含38

①結構特征→巖體結構類型，如結構面較少時為完整結構巖體。②巖塊：存在微觀(micro-)結構面，但與宏觀工程尺度相比，可視為連續、均質、各向同性體。巖體：存在顯性(macro-)結構面，與宏觀工程尺度相比，可視為不連續、非均質、各向異性體。

第1章地殼巖體的結構特征

1.1

二、研究意義

1.

巖體結構→巖體工程穩定性第1章地殼巖體的結構特征39

③結構面越發育(越破碎)，力學強度越低。

④結構面→破壞方式→穩定性：如剪斷破壞(切層滑坡)和剪滑破壞(順層滑坡)。第1章地殼巖體的結構特征

1.1

剪斷破壞-切層滑坡剪滑破壞-順層滑坡圖1-1切層、順層滑坡

402.結構面往往是巖體工程穩定性的控制面(∵強度低+應力集中)。3.結構面往往是風化營力的通道，風化活躍，可預測巖體強度的變化。4.結構→巖體的力學介質類型→評價計算理論(力學模型)，如：

第1章地殼巖體的結構特征

中科院地質所孫廣忠等提出了巖體力學性質及其穩定性的“巖體結構控制論”。

第1章地殼巖體的結構特征第1章地殼巖體的結構特征

1.1

41

分類方案，據第1章地殼巖體的結構特征

1.21.2結構面的類型與特征

其中地質成因分類是最基本的方案。在此僅簡單介紹地質成因類型與規模類型。

一、地質成因類型

結構面←建造+改造

42第1章地殼巖體的結構特征

1.2

建造

㈠原生結構面(用巖相學理論)成巖時形成，未經改造。按照成因分三類：1.沉積結構面:包括層理、層面、夾層、成巖裂隙(如泥裂)、沉積間斷面、古風化面等。特點：產狀與巖層一致，連通好、延伸長，易成滑動面。2.巖漿結構面:包括侵入接觸面、冷凝節理、流面、流線等。特點：產狀受巖漿流向及邊界面控制。3.變質結構面:包括片理、片麻理、片巖夾層、殘留結構面等。特點：產狀受構造線+原巖層面控制。43

成巖后構造作用形成，包括節理、斷層破碎帶、層間錯動帶等。特點：產狀受構造線控制，節理短而小、斷層長而大，且特點與力學成因密切相關。第1章地殼巖體的結構特征

1.2㈡構造結構面(用構造地質學、地質力學理論)力學成因規模，如圖

44第1章地殼巖體的結構特征

1.2圖1-2失穩體形狀與構造結構面的關系

㈢淺生、表生結構面

成巖后淺生、表生作用所致。

淺生、表生作用包括：

45第1章地殼巖體的結構特征

1.21.風化裂隙特點：地表處與原生構造結構面附近較發育，由表及里，由強變弱；多組交叉處多成風化囊；易風化層常成風化夾層，如深圳的“風化球”、邯鄲的“土巖互層”。2.卸荷裂隙

形成機理：剝蝕、切割

若

46第1章地殼巖體的結構特征

1.2圖1-3卸荷、差異性回彈引起的裂隙特點：張性多充填；臨空面附近發育，深處變弱；產狀(受控于)與臨空面或層面一致。

47第1章地殼巖體的結構特征

1.23.泥化夾層

軟硬相間的巖層在構造變動中，沿軟弱層產生多次錯動，其原生結構破壞成破碎帶。后經地下水長期物理化學作用，顆粒變細、礦物成分變化(粘土礦物化)而變成性質極差的夾層。特點：產狀受控于原生軟弱層，延伸長，有礦物定向帶；粘粒與粘土礦物含量高；易軟化，強度低，有明顯的流變性(蠕變與松弛)，是最為軟弱的結構面。4.次生夾泥

地下水攜帶物在原張開的裂隙充填而成。總之，

48第1章地殼巖體的結構特征

1.2二、規模等級劃分表1-1結構面規模等級劃分(P10表1-2)49第1章地殼巖體的結構特征

1.2

依據規模分三級如此劃分并不完善，

，如：

因為

圖1-4巖體的尺寸效應所以，結構面規模分級必須考慮工程的尺度才有其實用性。

50第1章地殼巖體的結構特征

1.31.3巖體結構類型及其特征一、巖體結構類型的劃分1.劃分依據因為巖體結構是地質建造與地質改造的共同產物，所以應考慮建造與改造兩方面因素。巖體結構類型分析圖解如下圖。

據孫廣忠，較完整的巖體改造成板狀體—板裂化。51第1章地殼巖體的結構特征

1.3圖1-5巖體結構類型分析圖解(P11圖1-4)52第1章地殼巖體的結構特征

1.32.劃分方案組合成P11圖1-4的四類巖體結構類型，如下表。表1-2巖體結構類型劃分及其工程特征差強差復雜結構類型力學介質類型評價理論力學性質與水作用工程穩定性施工處理措施Ⅰ完整塊體狀連續彈力、材力、流變學等(連續介質力學)好弱好簡單Ⅱ塊狀、層狀、板狀不連續剛體平衡、結構力學(不連續介質力學)Ⅲ碎裂狀不連續、似連續碎塊體力學Ⅴ散體狀似連續土力學、彈塑性力學(連續介質力學)53第1章地殼巖體的結構特征

1.3二、巖體的定量化分類(工程應用分類)

前述的分類屬半定量分類，應用不方便。方案應基于：

P13表1-3列出了四種巖體質量分類方案：據各因子的重要性分別給出比重不同的分數，然后相加(并聯法)或相乘(串聯法)，得出一個綜合指標，據此指標進行分級，以反映巖體的質量。巖體質量分級一般需考慮下列因素：54第1章地殼巖體的結構特征

1.3

其中有兩個重要指標：①RQD—巖石質量指標：每100cm長的巖芯中長度超過10cm巖芯段總長度所占的百分比(0～100%)。②巖體完整性系數：I=Vpm2/Vpr2

其中Vpm—巖體的Vp，Vpr—巖塊的Vp。結構面越密，則RQD、I越小，說明巖體質量越差。各國的各行各業均有各自的分類方案。55第1章地殼巖體的結構特征

1.4

方案優或劣的關鍵在于：①考慮因素的全面性與因子取值的客觀性；②計算公式的合理性(并聯？串聯？串并聯？)；③分組原則與應用問題。盡管還未統一，也永遠不可能統一，但定量分類與定量評價是必然的發展方向。1.4巖體結構特征的統計分析

按照地質力學、構造地質學理論，區域性結構面的分布是有規律的。但因地層巖性不均勻與地應力分布的復雜性，導致小范圍(相對于工程建筑尺度)內結構面的隨機分布。所以可以采用統計學理論進行研究。56第1章地殼巖體的結構特征

1.4

指導思想：通過調查測量、統計計算，將隨機分布的結構面定量化(規律化)。

過程：

步驟：①現場測量，獲得原始資料；②確定優勢方向，結構面分組；(產狀)③結構面分組校正(長度、方位)；④統計指標分組計算；(幾何參數)⑤巖體結構模式化；⑥用于工程計算、評價。下面分步介紹：

57第1章地殼巖體的結構特征

1.4一、結構面測量常用路線精測法：選擇代表性露頭(工作面)，設置兩組相互垂直且等間距的測線構成均勻測網，使測網中心盡量位于工作面形心。編錄內容：①建立測網坐標，測記工作面的方位、位置與各測線的編號、方位、位置、長度；②結構面的產狀、長度、位置(與測線的交點)等；③結構面的表面特征，如充填、張開度、粗糙度等。

二、確定優勢方向與結構面分組(產狀)

優勢方向：空間上，結構面法線較密集的方向，為一組結構面的代表性產狀。58第1章地殼巖體的結構特征

1.4

可有多個優勢方向，即可有多組結構面。如何確定？1.作圖法①在半徑為R的赤平網上投影所有結構面的極點(代表法線)；②以R/10的間隔，將赤平網劃分成方格網，交點(節點)作計測點；③以節點為圓心、R/10為半徑畫小圓—計數圓；④統計每個小圓內的極點數，并標在相應的節點上；或將各小圓內的極點數換算成密度值，并標在相應的節點上。密度值=(計數圓中極點數/總極點數)×100%

如圖所示。59第1章地殼巖體的結構特征

1.4圖1-6結構面密度等值線圖(P28圖1-16)60第1章地殼巖體的結構特征

1.4

密度中心→優勢方向；幾個密度中心→幾個優勢方向→幾組結構面。⑤最終計算每組結構面平均方位角(d)與平均傾角(d)。2.計算機法(有專業軟件)

用計算機代替人工計算。在球坐標上，球半徑R、計測點P，規定：計測圓的面積=半球表面積/100：→

計測圓半徑

r=

/10

結構面極點為Q(θ,δ)，計算每個極點至各計測點的間距L＝

61第1章地殼巖體的結構特征

1.4

判定：若L＞r，不計入；L≤r，計入。便獲得各計測圓內的極點數。高密度中心→優勢方向→、(某組結構面的平均方位角與平均傾角)。

三、分組校正

，需校正。如圖所示。

62第1章地殼巖體的結構特征

1.4圖1-7結構面被測幾率與測線長度、方位有關(P27圖1-14)63第1章地殼巖體的結構特征

1.41.測線長度校正

測線越長，結構面被測幾率越大；反之則反。所以在布置測網時，應盡量使測線等長，但實際上難以實現。

若測線不等長，則需校正。以測線中最長者Ls為標準長度，設擬校正測線長為Ln

，該測線上測得某組結構面的條數為，對該組結構面進行校正：(P27式1-3)

2.測線方位校正

測線與結構面交角越小，則該結構面被測幾率越小。平行時為0，垂直時最大。所以應盡量使每組測線與每組結構面垂直。但實際根本做不到，即均需校正。64第1章地殼巖體的結構特征

1.4

校正目的：求每組結構面與各組測線相垂直時的條數。經過推導得：(P27式1-4)

四、統計指標的分組計算(幾何參數)

各組結構面按校正后的指標計算(簡寫為)。

1.平均方向(、為校正后的)

65常以平均方向作為某組結構面的優勢方向(綜合性方向)。，綜合平均密度第1章地殼巖體的結構特征

1.42.平均間距(m)

某組結構面(θ,δ)在第I條測線上的平均間距：為I測線的長度(m)。綜合平均間距：，n為測線總根數。

3.平均密度

，n為間斷個數、Bi為第i條間斷長度；，n為結構面條數；

66)

平均延續率()、

平均間斷長()、

4.平均長度(面積延續率；。線延續率、比較難得。第1章地殼巖體的結構特征

1.4圖1-8巖體結構特征量化模型建立過程(P25圖1-12)

由于兩端閉合、隱性裂隙的Li難以確定，所以上述準確數據五、巖體結構模式化

、67第1章地殼巖體的結構特征

1.4

從左到右依次為：

a、原型(原始資料)；

b、分組，取平均方向；

c、分組定量化(幾何參數平均值)；

d、定量化模式。

68第一篇區域穩定與巖體穩定分析中的三個基本問題

包括地殼巖體的

1區域穩定與巖體穩定。

2.1概述3

2.2影響巖體天然應力狀態的主要因素162.3天然應力隨時間的變化規律282.4天然應力場的空間分布規律(簡介)362.5地表高水平應力的地質地貌標志412.6巖體天然應力狀態的研究方法51

第2章地殼巖體天然應力狀態2第2章地殼巖體天然應力狀態2.1概述一、巖體天然應力的組成

地應力分類如人為開挖、加荷等。

巖體天然應力(狀態)(場)：指巖體中未經人為擾動的應力(狀態)(場)。包括：

第2章地殼巖體天然應力狀態2.132.11.自重應力(場)

—由巖體自重引起的應力(重力場)。

若為彈性巖體，因泊松效應：

式中μ—泊松比，取0~0.50；

N0—側壓力系數，0≤N0≤1，即0≤σH≤σV。如圖：第2章地殼巖體天然應力狀態42.1圖2-1自重應力場

2.構造應力(場)

由地殼的構造運動所致。

第2章地殼巖體天然應力狀態52.1第2章地殼巖體天然應力狀態3.變異應力

由所致，具局部性。

4.殘余應力

殘余應力：承載巖體卸荷時，若各組分的回彈存在差異，造成約束組分與回彈組分(被約束組分)系統內部形成的應力。

62.1第2章地殼巖體天然應力狀態

感生應力：因人類工程活動而引起變化后的應力，不屬于天然應力。

二、巖體天然應力狀態的類型

巖體天然應力狀態是由各種天然應力以一定的方式組合而成。其中有三種典型的類型：

㈠三種應力狀態類型

1.靜水壓力式(海姆假說)

特點：巖體中任一點，σ1=σ2=σ3或σv=σH1=σH2=γH，即N0=1。基于流變學理論。

地質條件：地殼深部的高塑性巖體。瑞士地質學家“海姆”在考察了大量越嶺隧洞圍巖情況后，于1878年提出。72.1第2章地殼巖體天然應力狀態2.鉛直應力為主

特點：以自重應力為主，泊松效應導致σH≤σv。基于彈性理論。

地質條件：強切割地段。

1925年金尼克、1952年太沙基提出。3.水平應力為主

特點：σ1近水平，σH1、σH2(兩個水平向主應力)具有方向性，或可表示為：，且具有方向性。

σH1=σ1，

原因：水平方向構造運動所致。

82.1第2章地殼巖體天然應力狀態1951年，瑞典的Dr·哈斯特在“斯堪的納維亞半島”進行了首次地應力實測。后來許多國家相繼進行了大量的實測工作，結果證實了大部分地區都存在上述“水平應力為主”的現象。這一觀點證實了李四光早在上世紀30年代便提出的“地殼運動以水平向為主”的觀點。

㈡現代天然應力場的類型

按σ1、σ2、σ3的方向劃分為潛在走滑型、潛在逆斷型、潛在正斷型三種類型。①潛在走滑型(以水平應力為主)—σ1、σ3水平，σ2直立；②潛在逆斷型(以水平應力為主)—σ1、σ2水平，σ3直立；③潛在正斷型(以鉛直應力為主)—σ2、σ3水平，σ1直立；若σ1、σ2、σ3傾斜，屬過渡類型。92.1第2章地殼巖體天然應力狀態三、研究巖體天然應力狀態的意義(三方面)

1.巖體天然應力狀態→區域穩定性，如

102.巖體天然應力狀態→工程巖體穩定性在高應力區⑴地下開挖

①若洞軸線垂直于σ1

，不利于穩定。a.σ1∥層面時，卸荷回彈+壓彎→

2.1a.如水平洞，σ1∥層面時

第2章地殼巖體天然應力狀態b.σ1⊥層面時，卸荷回彈+壓彎→112.1第2章地殼巖體天然應力狀態b.如水平洞，σ1⊥層面時

若為塑性巖體：嚴重縮頸。如峰礦集團通二礦-550m水平塑性+膨脹性變形致嚴重縮頸！

②若洞軸線∥σ1，影響不大、有利于穩定。

⑵地表開挖①若坑道走向⊥σ1，不利于穩定。122.1第2章地殼巖體天然應力狀態a.塑性巖體，底鼓

b.塊裂狀巖體，斜向剪切13坑底：a.塑性巖體，底鼓；b.塊裂狀巖體，斜向剪切；c.完整巖體，巖爆。c.完整巖體，巖爆坑壁：差異性回彈，導致近水平向剪切。2.1第2章地殼巖體天然應力狀態

②若坑道走向∥σ1，有利于穩定。⑶邊坡

①若邊坡走向⊥σ1，坡腳剪應力集中；對陡傾巖層，傾倒。②若邊坡走向∥σ1，有利于穩定。3.高應力區的大型工程→誘發區域穩定性問題

14

可見，巖體天然應力狀態是重要的工程地質要素，特別是高應力區的重大工程和線狀工程(走向與σ1方位的關系)。如，2.2第2章地殼巖體天然應力狀態2.2影響巖體天然應力狀態的主要因素

對于某個特定的地區，巖體的天然應力狀態是由前述的各種應力因素(自重應力、構造應力、變異應力、殘余應力)以特定的方式組合而成，并受下列三方面因素所影響：地區歷史地質條件、臨空面附近的應力分異效應、切割面附近的殘余應力效應。一、地區歷史地質條件

地區歷史地質條件包括四方面：巖性與結構特征、不連續面附近的應力集中效應、構造作用及其演變歷史、區域卸荷作用。1.巖性與結構特征152.2第2章地殼巖體天然應力狀態2.不連續面附近的應力集中效應

(1)曲率大處應力集中強烈如走滑型斷裂：(右旋式為例)

走滑型斷裂兩端的應力集中效應

兩端：拉、壓應力集中(四象限分布)；面上：剪應力集中；16

(2)拐點處

反向梯坎：壓應力集中→Tf增大→鎖固力增強、積累高應變能→隆起、強震孕震區；

順向梯坎：拉應力集中→沉降、弱(無)震區；2.2第2章地殼巖體天然應力狀態17反向梯坎順向梯坎

⑶交匯處：集中更強烈。

2.2第2章地殼巖體天然應力狀態183.構造作用及其演變歷史(主要因素)

構造作用→構造應力場(σ1、σ2、σ3大小與方向)；演變歷史→剩余應力場(σ1、σ2、σ3大小與方向)。4.區域卸荷作用→表層巖體的天然應力狀態

如侵入巖體，侵入時呈靜水壓力式(σh=σv)。經冷凝后剝蝕，由于泊松效應，水平與鉛直向應力不同步降低。

深度處的應力場(靜水應力狀態)：

2.2第2章地殼巖體天然應力狀態19例：侵入時，侵入巖內

冷凝、并經地面剝蝕厚度h0后：，

，

可見，水平應力的減小幅度小于鉛直應力的降幅。

作業1-1.試推導說明區域卸荷作用導致侵入巖體表面處高水平向應力狀態的原因。(老教材P50)

2.2第2章地殼巖體天然應力狀態20二、臨空面附近的應力分異效應

應力分異

1.側向臨空面

如河流自然切割而成等。

2.內部臨空面(如洞穴)

內部卸荷→內部回彈→應力分異。特點：①從圍巖內部向洞壁2.2第2章地殼巖體天然應力狀態21

特點：(詳見巖體力學)①主應力軸明顯轉向：σ1∥坡面、σ3⊥坡面；②從坡內向坡面方向：σ1增大、σ3減小至0；③從坡頂向坡腳：

④遠離坡面：回歸切割前的狀態。

；

②遠離洞壁，原始狀態。

2.2第2章地殼巖體天然應力狀態22三、切割面附近的殘余應力效應

切割、卸荷→應力釋放、回彈。若為差異性回彈，則形成殘余應力。

引起差異性回彈有以下三種情況：(要求掌握)1.非均質承載巖體(組分力學性質不同，如Ee不同)

切割、卸荷→回彈：

當殘余拉應力≥抗拉強度σt時，約束元件拉裂；當殘余剪應力≥界面抗剪強度τf時，彈脹元件與約束元件之間剪損。(不存在彈脹元件被殘余壓應力壓壞問題)模型如圖：

2.2第2章地殼巖體天然應力狀態23屈服極限σay＞σby，彈性模量Eae＞Ebe

加荷至σay≥σ≥σby時，a、b同步變形，且b產生了塑變。此時卸荷：

①若兩者不連結，則a恢復、b永久變形；

2.2第2章地殼巖體天然應力狀態24

②若兩者牢固連結，則之間殘剪，最終平衡；

a、b兩者牢固連結

③若b的σ殘拉≥σt，則b被拉裂，殘余應力全部釋放。

b的σ殘拉≥σt時b被拉裂2.2第2章地殼巖體天然應力狀態252.各組分受荷不均勻

切割、卸荷→回彈：

若σ殘拉≥約束元件的σt，則拉裂。

如沉積顆粒在荷載作用下被充填、膠結后，再經剝蝕、卸荷，形成拉裂的情況。

作業1-2：試分析沉積顆粒在荷載作用下被充填膠結后，經剝蝕、卸荷而形成的拉裂過程或機理。(老教材P54)

承載顆粒為彈脹元件受殘壓，未承載的填充膠結物為約束元件受殘拉。當到達填充膠結物的σt時，則形成一系列垂直于剝蝕卸荷方向的水平向拉裂。(由表及里，由密至疏)2.2

第2章地殼巖體天然應力狀態263.各組分卸荷不均勻

如河谷逐漸向下切割、卸荷→

隨著切割深度增大，殘余剪應力增大。當τ殘≥τf時，即近水平向剪裂。又如后述的“巖芯裂餅”。

巖體為粘彈性體，既可以表現為彈性，又可以表現為粘性。

理論上已證明，由較大τ(構造應力)決定的越大，則彈性越明顯。反之，則粘性越明顯。2.3第2章地殼巖體天然應力狀態272.3天然應力隨時間的變化規律一、巖體應力—應變性能與應變速率的關系

為了研究天然應力的演化，有必要先討論一下巖體應力—應變性能與應變速率之間的關系。

理論與實踐均證明：

構造應力的積累←

很小→緩慢蠕變(粘性明顯)。

若τ很小→2.3γ增大，最終突然破壞(地震)，為彈性型。第2章地殼巖體天然應力狀態28①當實際的②當實際的增大，后來不再增大，為粘性型；，即較大時，τ—γ為Ⅰ類：τ增大，則＞，即較小時，τ—γ為Ⅱ類：τ隨γ緩慢＜

日本的伊藤、熊谷針對花崗巖的長期流變試驗結果表明，一定的巖體存在一個特定的臨界應變速率。均處于彈性狀態，兩者都可能突然破壞而發震—歷史上遭受強烈構造變動區的情況。則按構造力的大小，會有下列三種組合情況：

①構造力較大時，使破壞所需的時間越短(地震周期越短)；反之則反。

③同一地區在同一構造力作用下，巖體內部的＜(斷裂帶的)(∵沿斷裂帶應力集中)。越大(外力越大)，則彈性越明顯、極限應力越大(M越大)、

且2.3第2章地殼巖體天然應力狀態(＞)＞，則巖體內部及斷裂帶

②若構造力中等，使

＞，而

＜斷層，現代地震區)的情況。—構造新活動區(活則292.3

第2章地殼巖體天然應力狀態③若構造力較小，使

(＜)＜，

則巖體內部與斷裂帶均處于粘性態，不會積累高應變能、不會突然破壞—現代構造穩定區(無震區)。30二、天然應力隨時間的變化

由上述可見，地應力的積累過程與實際的2.3第2章地殼巖體天然應力狀態密切相關，它隨時間的變化也可分成相應的三種情況：①當(＞)＞時，巖體內部與斷裂帶均可能突然破壞而發震。其中

且越大，越大、而越小；反之則反。下圖①

②當(＞)＞時：

巖體內：粘性；斷裂帶：彈性，會突然破壞而發震—老斷裂復活發震。下圖②

31時：2.3第2章地殼巖體天然應力狀態③當＜(巖體與斷裂帶均為粘性，均不會突然破壞而發震。下圖③

①②＜)32的變化→2.3第2章地殼巖體天然應力狀態本節小結：

①→τ—γ關系→τ—t關系；②構造力的變化→、的變化。構造力的突發性變化是地震的重要誘發因素。

③332.3第2章地殼巖體天然應力狀態總之，天然應力的變化包括1.積累過程2.釋放過程342.4第2章地殼巖體天然應力狀態2.4天然應力場的空間分布規律(簡介)一、我國區域應力場的分布特點(與區域穩定相關)

據地震地質、地應力與地形變資料分析，我國天然應力場的分布有如下規律。1.最大主應力方向具有明顯的規律性(P46圖2-8)

某地與巴基斯坦的伊斯蘭堡和西藏西南部的察隅連成的夾角的平分線，即為該地的σ1方向。這是統計規律，機理尚不清楚。

352.4第2章地殼巖體天然應力狀態我國區域主應力跡線分布圖36

④東部、東北部——潛在正斷型帶及張剪性走滑型帶

成因：受控于

與歐亞板塊聯合碰撞作用。

2.4第2章地殼巖體天然應力狀態2.三向應力狀態類型分帶性明顯(P47圖2-9)

從西南→東北，可分為四個帶：①喜馬拉雅山前緣——潛在逆斷型帶②西藏高原——潛在正斷型帶③中西部——潛在走滑型帶

其中以印度洋板塊作用為主(5cm/y)。

372.4第2章地殼巖體天然應力狀態我國區域應力狀態分區圖38·h(kPa)(

·h，這可能與剩余應力、地形地貌、地表地質作用和巖體各向異性等有關。2.4第2章地殼巖體天然應力狀態二、表層巖體應力的分布規律(與巖體穩定相關)

在地殼表層，由于受區域剝蝕卸荷、溝谷切割卸荷、地形等多因素的影響，導致表層巖體的應力分布有其特殊規律。1.鉛直應力

=27.0kN/m3)

全世界25-2700m深度內σv=2.水平應力普遍大于鉛直應力，水平應力具有方向性，且σH1≠σH2。3.σH1、σH2也與h近似成正比。

·h(MPa)，但500m深度內σv稍大于

國內σv=0.0271·h=392.5第2章地殼巖體天然應力狀態2.5地表高水平向應力的地質地貌標志

當地應力≥巖體強度時，破壞、應力釋放，形成一些現象(標志)。意義：通過“標志”初步認識高應力區的分布

主要標志有隆爆、蓆狀裂隙、谷底水平卸載裂隙、應力釋放型拉張變形帶、巖芯裂餅、鉆孔崩落等六種。

1.隆爆(