高等工程地质学考试试题2(I)

高等工程地质学一、 简答题（共8个小题，每题5）（1） 岩石的物质成分，岩石结构，岩石构造三方面分析碎屑岩的工程地质特征。碎屑岩的物质成分取决于母岩的成分，主要由碎屑物质、杂基和胶结物构成。碎屑岩中碎屑含量达50以上，除此之外，还含有基质与胶结物。基质和胶结物胶结了碎屑，形成碎屑结构。碎屑岩的矿物成分以石英和长石为主，它们对储层物性的影响不同。 碎屑岩的结构包括碎屑颗粒的大小（粒径）、形状（圆度、球度）、分选性和胶结类型等。a表示立方体排列，堆积最疏松，孔隙度最大，其理论孔隙度为47.6%，孔径大，渗透率也大。b表示菱面体排列。排列最紧密，孔隙度小，其理论孔隙度为25.9%，孔径小，渗透率低。所以理论上的孔隙度介于46.7%-25.9%之间。这种理想情况在自然界是不存在的。自然界的实际情况比这种理想情况要复杂得多。碎屑岩的结构包括碎屑颗粒的大小（粒径）、形状（圆度、球度）、分选性和胶结类型等。（2） 节理野外观测的内容有哪些？ 答：节理野外观测的内容有： 观察地层岩性及地质构造，测量地层产状以及确定测点所在构造部位。所选定观 测点的数目，依据地质构造复杂程度而定，构造越复杂，测点数目越多。 观察节理性质及发育规律。首先区别非构造与构造节理，然后区分其力学性质是张节理还是剪节理。 测量与登记，包括测量节理的产状、粗糙度、节理密度、观察节理充填物和测量节理壁距以及测量节理的持续性。（3） 地基承载力指什么，必须满足哪两个要求？确定地基承载力有哪些方法？答：地基承载力是指地基所能承受由建筑物基础传递来的荷载的能力。满足条件：保证地基受荷后不发生强度地基破坏而丧失稳定性；地基变形不超过建（构）筑物对地基要求的容许变形值。方法： 现场原位测试法：是一种通过现场直接试验确定承载力的方法。包括（静）载荷试验、静力触探试验、标准贯入试验、旁压试验等，其中以载荷试验法为最可靠的基本的原位测试法。 理论公式法：是根据土的抗剪强度指标计算的理论公式确定承载力的方法。 规范表格法：是根据室内试验指标、现场测试指标或野外鉴别指标，通过查规范所列表格得到承载力的方法。 当地经验法：是一种基于地区的使用经验，进行类比判断确定承载力的方法，它是一种宏观辅助方法。（4） 什么是工程地质条件，工程地质问题包括的因素和内容有哪些？工程地质条件是指工程建筑物所在地区地质环境各项因素的综合。这些自然条件包括地层、岩性、地质构造、水文地质条件、地表地质作用、地形地貌和天然建筑材料等要素。工程地质问题是多样的，依据建筑物特点和地质条件，概括起来有两个方面：一是区域稳定问题；二是地基稳定问题。公路工程常遇到的工程地质问题有边坡稳定和路基（桥基）稳定问题；隧道工程中遇到的主要问题有围岩稳定和突然涌水问题；还有天然建筑材料的储量和质量问题等。（5） 从汶川地震发生的构造背景，诱发了哪些类型的地质灾害？答：汶川地震的发震断裂 汶川地震的发震断裂位于龙门山断裂带内。龙门山断裂带自西向东有三条主要断裂组成：汶川-茂县断裂、北川-映秀断裂和安县-灌县断裂。严重地震灾害包括房屋倒塌与部分坍塌、房屋平移、房屋倾斜变形、墙体破裂与结构破坏、桥梁垮塌等。地震触发严重地质灾害包括山体滑坡、山体滑塌、岩块崩塌，局部产生泥石流与沙土液化。地震引发地质灾害隐患包括潜在滑坡、不稳定边坡与滑塌隐患、危岩体与崩塌隐患及泥石流灾害隐患。泥石流、滑坡、崩塌、地裂缝、地面塌陷和地面沉降，不稳定斜坡（6） 岩土工程勘察规范中如何进行土的分类？1、 晚更新世Q3及其以前沉积的土，应定为老沉积土；第四系全新世中近期沉积的土，应定为新近沉积土。根据地质成因，可划分为残积土、坡积土、洪积土、冲积土、淤泥土、冰积土和风积土等。粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量的50%的土，应定名为碎石土，按表a进一步分类。表a 碎石土分类土的分类颗粒形状颗粒级配漂石圆形及亚圆形为主粒径大于200mm的颗粒质量超过总质量的20%块石棱角形为主卵石圆形及亚圆形为主粒径大于20mm的颗粒质量超过总质量的50%碎石棱角形为主圆砾圆形及亚圆形为主粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量的50%角砾棱角形为主注：定名时，应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定。2、 粒径大于2mm的颗粒质量不超过总质量的50%，粒径大于0.075mm的颗粒质量超过总质量的50%的土，定名为砂土，并按表b进一步分类。表b 砂土分类土的名称颗粒级配砾砂粒径大于2mm的颗粒质量占总质量的25%50%粗砂粒径大于0.5mm的颗粒质量占总质量的50%中砂粒径大于0.25mm的颗粒质量占总质量的50%细砂粒径大于0.075mm的颗粒质量占总质量的80%粉砂粒径大于0.075mm的颗粒质量占总质量的50%注：定名时应根据颗粒级配由大到小以最先符合者确定。3、 粒径大于0.075mm的颗粒质量不超过总质量的50%，且塑性指数等于或小于10的土，应定名为粉土。4、 塑性指数大于10的土应定名为黏性土。 黏性土应根据塑性指数分为粉质黏土和黏土。塑性指数大于10，且小于或等于17的土，应定名为粉质黏土;塑性指数大于17的土定名为黏土。 注：塑性指数应由相应于76g圆锥仪沉入土中深度为10mm时测定的液限计算而得。（7）挡土墙上的土压力根据墙体位移方向分为哪三种？在相同的条件下相对大小如何？土力学P204 205 答：分为静止土压力（E0）、主动土压力（Ea）、被动土压力（Ep）。在相同条件下，主动土压力小于静止土压力，而静止土压力又小于被动土压力，即EaE0Ep。（8）工程地质勘察的目的，以及报告内容又有哪些？岩土工程勘察P1规范汇编1-52解：1)目的：是通过各种勘察手段和方法，调查研究和分析评价建筑场地和地基的工程地质条件为工程设计和施工提供可靠和所需的工程地质资料。从而提高设计和施工的质量。 2）内容： 勘察目的、任务要求、勘察工程概况及依据的技术标准； 拟建工程概况； 勘察方法和勘察工作布置； 场地地形、地貌、地层、地质构造、岩土性质及其均匀性、地下水、不良地质现象的描述与评价； 场地稳定性与适宜性的评价； 岩土参数的分析和选用； 提出地基基础方案的建议，工程施工和使用期间可能发生的岩土工程问题的预测及监控，预防措施的建议； 勘察成果表及所附图件。二、 论述题（共三个小题，每题20）（1） 土体直接剪切试验，三轴剪切试验确定抗剪强度的原理，试验方法 直接剪切试验a试验原理 直接试验中采用圆柱状试验，在竖直方向加法向力P，在预定剪切面上、下加一对剪切T使试样剪切，试验时，剪力T自零开始增加，剪切位移也自零增加。剪破时，剪力T达到最大值Tmax，对应剪破面上剪应力达到抗剪强度，即： 。式中，三剪破面上的法向应力：P、T代表法向力和剪力；fj剪破面上抗剪强度；Tmax试样受最大剪力；A剪破面面积。 当采用4个试样，用不同的1应力作用于竖直方向，剪切时得到不同的抗剪强度。将4组（，），在图中1的坐标系中，用最小二乘法作强度线，强度线在纵坐标上的截距为凝聚力c，与水平线的夹角为内摩擦角。图1 直接剪切试验强度曲线b试验方法剪切实验根据排水条件，法向力P和剪力T施加速度或作用时间长短的不同，可分为下述三种：1、不固结、不排水实验（）是在试样上施加垂直压力后，立即施加水平剪切力。在剪切过程中，不允许排水，俗称快剪。2、固结不排水剪实验（）是在试样上施加垂直压力，待排水固结稳定，施加水平剪切力。在剪切过程中，不允许排水俗称固结快剪。3、固结排水剪实验()是试样上施加垂直压力及水平剪应力的过程中，均应使试样排水，俗称慢剪。直接剪切实验是测定土的抗剪强度的常用方法，通常采用四个试样，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪切力进行剪切，获得破坏时的剪应力，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度系数，内摩擦角和内聚力。本实验采用固结快剪，适用于土颗粒小2mm的粘性土。 三轴剪切试验a试验原理一般认为，土体的破坏条件用莫尔库仑（Mohr-Coulomb）破坏准则：土体在各向主应力作用下，作用在某一应力面上的剪应力与法向应力之比达到某一比值，土体将沿该面发生剪切破坏。莫尔库仑破坏准则的表达式为：。大主应力，小主应力，C土的粘聚力，土的内摩擦角。三轴剪切试验就是根据莫尔库仑破坏准则测定土的强度参数粘聚力C和内摩擦角。b试验方法根据加载类型的不同，三轴剪切试验可分为三种试验方法：1、不固结不排水剪（）实验是在施加周围压力和增加轴向压力直至破坏过程中均不允许试件排水。本实验可以测得总抗剪强度参数、，通常称为快剪。2、固结不排水剪（或）实验是使试样先在某一周围压力作用下排水固结，然后在保持水的情况下，增加轴向压力直至破坏。本实验可测得总抗剪强度参数、或有效抗剪或度参数、和孔隙压力系数，常称固结快剪。3、固结排水剪（）实验是使度样先在某一周围压力作用下排水固结，然后在允许度样充分排水情况下增加轴向压力直至破坏，可测得抗剪或率参数、常称慢剪。（2） 解释建立在GSI基础上的Hoek-Brown经验准则，如何确定岩体抗剪强度指标五章确定边坡岩体综合抗剪强度指标的经验方法里面对基于国标BQ值得方法，HoekBrown经验准则，建立在GSI基础上的HoekBrown经验准则都有非常详细的论述建立在RMR基础上的Hoek-Brown准则(Hoek and Brown, 1985) 如前所述，在使用式(5.1)时，岩体材料常数m,s需通过试验资料得到，在工程可行性研究阶段或几乎没有试验资料时，给使用上述公式带来了一定的困难。因此，1998年Hoek和Brown对原始的Hoek-Brown经验公式，进行了修正。修正的内容主要包括两部分:(1)明确公式(5.1)中的和用有效应力来表示。(2)提出了确定岩体材料常数m,s以及等效凝聚力c和摩擦角的方法。 对于岩体材料常数m,，在本次修正中，提出了用岩体质量分类指标的经验方法。根据南非岩体质量分类指标RMR (Bieniawski,1976)，m、s可由表5.4或通过下面的公式确对于未扰动岩体： （5.2） （5.3） 对于受扰动岩体： （5.4） （5.5） 式中：RMR是1976版的Bieniawski的岩体分类评分值，具体评分原则见第2. 7节；mi为完整岩石的m值，可根据岩石的三轴试验资料求取，当无试验资料可利用时，也可按不同岩性取表5. 4中第1行“完整岩石试样”的数值。Hoek要求，在应用上述公式确定岩体抗剪强度参数时，RMR评分系统中对地下水的评分一律采用10分，相当于完全干燥状态。而在稳定分析时，根据实际情况，输人相应的孔隙水压力值。 当m,s和单轴抗压强度已知后，任意给定一组值，由式(5. 1)可计算出相应的，由这组和值，根据Mohr-Coulomb破坏准则： (5 .6) 可反求出相应的。但实际应用该法时十分不方便。在使用摩尔-库伦强度准则的边坡稳定分析计算中，通常采用下面的步骤将抗剪强度表达为的形式。相应某一有效法向应力，抗剪强度可表示为 (5 .7)其中：（5.85.10）通过式(5. 7)首先计算不同法向应力对应的剪应力，然后通过线性回归的方法，确定一定应力水平范围内线性化后的和值。RMR值和变形模量E的经验公式如下:当RMR58时， （5.11）当RMR58时， （5.12）上式中E的单位为GPa。5. 3. 4建立在GSI基础上的Hoek-Brown经验准则 近期Hoek和Brown针对已有经验公式存在的不足发展了一种新的方法，即地质强度指标(GSI)法，GSI为Geological Strength Index的简称(Hoek, 1994; Hoek et al.，1995; Hoek and Brwon, 1997; Hoek et al.，1998)。这一体系是Hoek教授多年来与世界各地与之合作的地质工程师共同发展起来的一种方法，特别适用于风化岩体及非均质岩体(Marinos and Hvek，2000)。 GSI法中GSI指标的确定主要基于岩体的岩性、结构和不连续面的条件等，对路堑、洞脸及钻孔岩芯等表面开挖或暴露的岩体进行肉眼观察来评价确定的。与岩体结构和结构面特征的关系见表5. 7，在第5. 3. 7节中还将详细讨论这一问题。是通过GSI值5. 3. 4建立在GSI基础上的Hoek-Brown经验准则 近期Hoek和Brown针对已有经验公式存在的不足发展了一种新的方法，即地质强度指标(GSI)法，GSI为Geological Strength Index的简称(Hoek, 1994; Hoek et al.，1995; Hoek and Brvron, 1997; Hoek et al.，1998)。这一体系是Hoek教授多年来与世界各地与之合作的地质工程师共同发展起来的一种方法，特别适用于风化岩体及非均质岩体(Marinos and Hvek，2000)。 GSI法中GSI指标的确定主要基于岩体的岩性、结构和不连续面的条件等，对路堑、洞脸及钻孔岩芯等表面开挖或暴露的岩体进行肉眼观察来评价确定的。与岩体结构和结构面特征的关系见表5. 7，在第5. 3. 7节中还将详细讨论这一问题。延续上面的符号定义，建立在GSI基础上的Hoek-Brown经验公式可表示为(5 .14)式(5. 14)中、和三个参数与GSI指标的关系在下面将做进一步的说明。对于完整岩石（=1，），式(5. 14)可变为(5 .15)注意到式(5. 14)是以大、小主应力的形式出现的。在边坡稳定分析中，通常需要将强度准则表达成法向应力和剪应力的关系，为此，Hoek建立了以下关系式 (5 .16)式中：A和B为材料参数，具体确定方法参见附录5.8；为有效法向应力；为节理岩体的“抗拉强度”，可由下式确定 （5.17）式(5. 14)式(5.17)各式中相关参数的确定方法分述于下。1.完整岩石单轴杭压强度的确定在实际工程应用中，完整岩石的单轴抗压强度。是在大量实验数据的基础上通过第4章公式（4.23）获得的。但是在很多情况下(比如工程可行性研究阶段)大量的强度试验尚没有开展或者还没有完成，此时，为了确定岩石的单轴抗压强度，GSI系统提出了在现场估算值的表格，如表5. 8所示。依据Brown(1981)进行等级分化。点荷载试验对应的单轴抗压强度小于25MPa时，其结果的准确性很差。2.岩石材料常数的确定与岩石单轴抗压强度类似，岩石的材料常数也是在试验资料的基础上，根据式（4.24）计算得到，在缺少或没有试验资料的情况下，GSI系统提出了确定完整岩石常数的表格，如表5.9所示。砾岩、角砾岩的取值范围很宽，取决于胶结成分的性质和胶结程度，其值变化范围可从相当于砂岩至细粒沉积物（甚至可能小于10）。 该值是在完整岩石试样上垂直于层面或片理面试验得到，若沿弱面破坏，则值将与点荷载试验值有明显不同。3.经验公式中参数、和的确定建立在GSI基础上得Hoek-Brown经验公式中的、和的值，可通过下述的公式确定。（5.18）当GSI25（非扰动岩体）（5.195.20）当GSI25（非扰动岩体）（5.215.22）上述各式中的GSI类似于RMR，针对各类岩体确定GSI的方法将在第节专门讨论。4.岩体杭剪强度指标的确定 在确定了和GSI值以后，下一步就是估算岩体的力学参数。通过式（5.14）可计算出主应力和的关系，如图5.3（a）所示，此即为岩体的强度包线。当然也可以按式（5.16）直接计算正应力与剪应力的关系，如图5.3（b）所示。应当指出的是，Hoek-Brown经验准则是非线性的，为方便工程应用，在一定的应力水平范围内，可以按线性关系进行拟合，以获得工程的岩体强度指标和。Hoek认为，根据确定的值比传统的摩尔-库伦准则的值越高25%。因此，Hoek强调，对拟合成果的值应降低25%（Hoek，2002）。（3） 解释赤平投影的原理及其岩质边坡稳定性分析中的应用。答：极射赤平投影的基本原理1、一切通过球心的面和线，延伸后均会与球面相交，并在球面上形成大圆和点。以球顶或叫球极为发射点，将空间任意产状的线、平面与设想的空心球（投影球）的交点、交线投影到赤道面上，这种投影称为极射赤平投影。投影的办法可以用上半球的极点作为发射点，投影到下半球，也可以用下半球的极点作为发射点，投影到上半球。采用上半球投影，即只投影上半球的大圆弧和点。图2为一球体，AC为垂直轴线，BD时水平的东西轴线，FP是水平的南北轴线，BFDP为过球心的水平面，即赤平面。图2 平面的投影方法2、岩质边坡稳定性分析中的应用各种结构面的组合关系，是岩质边坡分析中的重要因素。2.1一组结构面的分析 分布有一组结构面的边坡稳定性，分为三种情况：（1）当结构面走向与边坡的走向一致而倾向相反（图3a）,边坡M与结构面J1投影弧相对，属于稳定结构图3 一组结构面赤平投影图 图4 两组结构面赤平投影图参考教材：岩体力学、土力学、工程勘察、工程地质考试时间：2011年12月12号 第十六周 星期一