岩土体工程地质特性.ppt

注册土木工程师（水利水电工程）考前培训,水利水电工程地质 高玉生 中水北方勘测设计研究有限责任公司 (水利部天津水利水电勘测设计研究院) 2008年8月,水利水电工程地质,1、岩土体工程地质特性 2、水利水电工程地质勘察 3、勘察技术方法 4、区域构造稳定性 5、水库工程地质 6、水工建筑物工程地质,7、边坡工程地质 8、地下洞室工程地质 9、天然建筑材料勘察 10、特殊岩（土）体地质问题 11、题型特点与例题,岩土体的工程地质特性考试大纲,【考试大纲】 土的工程分类及主要物理、力学性质 岩石分类及主要物理、力学性质 岩体结构类型、风化（卸荷）带及软弱夹层的工程地质特性 岩（土）体渗透性,土的基本概念,根据中国大百科全书：土是尚未固结成岩的松、软堆积物；主要为第四纪的产物；土与岩石的根本区别是土不具有刚性的联结，物理状态多变，力学强度低等；由各类岩石经风化作用而成；位于地壳的表层，是人类工程经济活动的主要地质环境。 土一般由固态、液态、气态三相组成，三者的不同比例决定了土的物理力学性质。,土的三相图,三相图,土的工程分类,2008年6月1日开始实施的土的工程分类标准（GB/T50145-2007）属于基本分类，即通用分类标准。它是以土的颗粒尺寸、水理性质等为界定指标的分类体系，较为原则与概括 SL2370011999与之基本一样,粒组划分（注意界限粒径）,巨粒类土的分类,巨粒土：土中巨粒组含量（质量计）大于75%时，它们在土中所占体积已超过2/3，形成了骨架，对土的性状起控制作用。 混合巨粒土：巨粒组质量大于50%但不大于75%，巨粒在土中已起骨架作用，决定着土的主要性状。 巨粒混合土：巨粒组质量大于15%不大于50%，巨粒部分起骨架作用，部分起充填作用，即含巨粒的土。 详见P45表3-2,砾类土的分类,粗粒组含量大于50%、砾粒组大于砂粒组的土称为砾类土，否则称为砂类土。 砾类土按其中所含细粒组的多少区分为三档：当细粒组质量小于总质量的5%时，细粒对砾类土性质无甚影响，此时其级配对土性质有明显影响，应予考虑。同时满足Cu5和1Cc3时级配良好。,砾类土的分类,当砾类土中细粒组质量总质量的15%且总质量的50%时，区分细粒组类别可以更好的反映土的性质。分为粘土质砾（细粒组中粉粒含量不大于50%）和粉土质砾 砾类土中细粒组含量5%, 15%时,称为含细粒土砾。 详见P45 表3-3,砂类土的分类,按照细粒组含量分为砂、含细粒土砂和细粒土质砂 砂（细粒含量5% ）：同时满足Cu5和1Cc3时级配良好砂，否则为级配不良砂 当细粒含量15%，且50% 时，细粒类型决定了土的性质，分为粘土质砂和粉土质砂（细粒组中粉粒大于50%） 详见P45 表3-4,细粒土的分类,细粒土依据塑性图进行分类,关于有机质土,土的工程分类标准将有机质含量小于10%且不小于5%土称为有机质土（小于5%时土的性质与无机土差别不大） 对于有机质含量大于等于10%的土，其性质将大大不同于一般细粒土，称为有机土，本标准不再分类,GB50021-2001岩土工程勘察规范的分类,碎石土分类（48表3-7）,砂土分类（P48表3-8）,粘性土分类,土的三角坐标分类,采用高100mm的等腰三角形，三角形的三个边分别代表一个粒组， 常用砂粒组、粉粒组和粘粒组 逆时针由0至100%划分为10等分 颗粒分析成果表示在图中命名,土的三角坐标分类,三角坐标图,土的主要物理水理性质指标,土粒比重（Gs ） 天然密度（） 含水率（） 渗透系数（k） 孔隙比（e） 土的稠度与界限含水率 孔隙率（n）,土的主要物理水理性质指标,土粒比重（Gs）是指土粒在105110下烘至恒重时的质量与土粒同体积4纯水质量的比值。 其试验方法有浮称法、虹吸法和比重瓶法。 土的密度是指土在某种状态下单位体积的质量，单位为g/cm3。 按照土的含水状态，表示土的密度的指标有天然密度（） ，干密度（d）和饱和密度（szt）等。,土的主要物理水理性质指标,在工程上经常用到重度的概念，如干重度、饱和重度等。其值等于相应密度乘以重力加速度。 含水率（）是指土中所含水分的质量与固体颗粒质量之比。 通常用百分数表示。 土的密度、比重和含水率均系直接试验参数。其它很多指标都可通过这三个指标计算得到。,土的主要物理水理性质指标,孔隙率（n）是指土中孔隙体积（Vv）与土的总体积(Vs)之比。通常用百分数表示。 孔隙比（e）是指土中孔隙体积（Vv）与土粒体积(V)之比。 二者都是表示孔隙在土中所占相对体积的指标，反映土的紧密程度。,土的主要物理水理性质指标,土的稠度：细粒土因含水率的变化而表现出的各种不同物理状态，称为细粒土的稠度。 细粒土的稠度状态主要有液态、塑态和固态三种。 土的界限含水率：由一种稠度状态转变为另一种稠度状态时相应于转变点的含水率称为界限含水率。 液限（WL）是粘土处于可塑状态的上限含水率，相当于液态与可塑状态之间的界限含水率。,土的主要物理水理性质指标,塑限（WP）是使粘性土成为可塑状态的下限含水率； 缩限（ws）相当于从半固态转入固态的界线含水率。 塑性指数（IP）是表征土的塑性状态的指标，它反映粘性土具有可塑性的含水率变化范围，间接表明土的强度随含水率改变而变化。,土的主要物理水理性质指标,液性指数： 式中w是土的天然含水率 液性指数（IL）是判断粘土稠度状态的重要指标。 Il0 坚硬； 01.0 流塑,土的主要物理水理性质指标,渗透系数（k）是指当土中水渗流呈层流状态时，其流速与作用水力梯度成正比关系的比例系数，单位为cm/s或m/d。（达西定律） 是水文地质中重要的指标之一，通常由现场试验或室内试验获得。,土的主要力学性质指标,压缩系数（a） 抗剪强度（） 灵敏度（St） 无侧限抗压强度（qu）,土的压缩性,在压力作用下，土体中的孔隙体积减小，而引起土体积变小的性质。用压缩系数表征。 压缩系数（a）是指在K0固结试验中，土试样的孔隙比减小量与有效压力增量的比值，即ep压缩曲线上某压力段的割线斜率，以绝对值表示，单位为Mpa-1。,压缩系数的应用,在工程实际中，常以压力段为0.1Mpa至0.2Mpa的压缩系数（1-2）作为判断土的压缩性高低的标准。 当1-20.1Mpa-1时，为低压缩性； 当0.1Mpa-11-20.5Mpa-1时，为中压缩性； 当1-20.5Mpa-1时，为高压缩性。,抗剪强度（）,土具有的抵抗剪切破坏的极限强度。抗剪强度参数用摩擦系数和凝聚力表示。 土的剪切破坏可以看作是颗粒之间联结的破坏；颗粒之间的联结强度随剪切面上的有效应力大小而改变，这是土的抗剪强度的主要特征之一。 土的抗剪试验包括直剪试验、三轴剪切试验及十字板剪切试验等，根据试验方法及排水状态有多种抗剪强度指标。一般根据工程需要和规程规范选用。,无侧限抗压强度（qu）,为土在侧面不受限制的条件下，抵抗垂向压力的极限强度。 3=0；1=qu=2ctg(450+0.5) qu粘性土的无侧限抗压强度 对于饱和软粘土，在不固结不排水的条件下=0；因此，饱和软粘土的抗剪强度tf=c=0.5qu,灵敏度（St）,灵敏度（St）是指原状土的无侧限抗压强度与相同含水率的重塑土的无侧限抗压强度之比。 根据灵敏度指标判断土的灵敏性。 当St8时为高灵敏。,岩石与岩体的定义,根据中国大百科全书： 岩石：是矿物的天然集合体。由一种或多种矿物按一定方式结合而成。部分为火山玻璃、胶体物质或生物遗体组成。是地球演化过程中经过各种地质作用形成的固态物质，构成地壳和地幔的主要成分。 岩体：在地质作用过程中经受过变形和破坏的，由一定岩石成分组成，并具有一定结构的、赋存于一定地质环境中的地质体。岩体是岩石的集合体，由结构面网络及其所围限的岩石组成。,岩石的成因分类一级分类,岩浆岩（火成岩）是上地幔或地壳深部产生的炽热粘稠的岩浆冷凝固结形成的岩石。如花岗岩、玄武岩等。 沉积岩是成层堆积的松散沉积物固结而成的岩石。在地壳表层，母岩经风化作用、生物作用、火山喷发作用而成的松散碎屑物及少量宇宙物质经过介质（主要是水）的搬运、沉积、成岩作用形成沉积岩。如灰岩、砂岩等。,岩石的成因分类一级分类,变质岩由于地质环境和物理化学条件的改变，使原先已形成的岩石的矿物成分、结构构造甚至化学成分发生改变所形成的岩石。如片麻岩、大理岩等。,岩石的二级分类,岩浆岩（火成岩）见P51表3-9 沉积岩见P52表3-10 变质岩见P52表3-11,岩石的主要物理水理性质指标,岩石颗粒密度（P） 岩石块体密度（ 0 ） 软化系数（） 吸水率（） 渗透系数（K） 孔隙率（n）,岩石的主要物理水理性质指标,岩石颗粒密度（P）是指岩石的固体部分质量与其体积之比，g/cm3。 岩石块体密度（）是指岩块质量与其体积之比，g/cm3。按岩块的含水状态，分为干密度（d），饱和密度（sat）等。 孔隙率（n）是指岩石中孔隙的体积与岩石的体积的比值。,岩石的主要物理水理性质指标,自由吸水率（a）：是指岩石试件在一个大气压和室温条件下自由吸入水的质量与岩石干质量的比值。 饱和吸水率（s）：是指岩石试件强制饱和（煮沸法或真空抽气法）后吸入水的质量与岩石干质量的比值。 饱水系数：自由吸水率（a）与饱和吸水率（s）之比。,岩石的主要物理水理性质指标,岩石的吸水率和饱水系数是表征岩石水理性质的重要指标。岩石吸水率的多少，取决于岩石所含空隙的数量、大小及其张开程度。 根据饱水系数的大小可以判断岩石的抗冻性能，饱水系数大，说明常压下吸水后余留的空隙少，抗冻性能差。,岩石的主要物理水理性质指标,在工程实践中，岩石（岩体）的透水性有两种表达方式： 渗透系数（k）是指水力坡度为1时，水在岩石中流动的速度。单位为cm/s，也有用m/d 。 透水率的单位为吕荣（Lu），即当试验压力为1MPa时每米试段的压入水流量（L/min）。,岩石的主要物理水理性质指标,软化系数是指岩石浸水饱和后的抗压强度与干燥状态下抗压强度的比值。 表示岩石遇水软化的性能，越大软化性能越弱，其抗冻性和抗风化能力强；反之亦然。,岩石的主要力学性质指标,单轴抗压强度（R） 抗拉强度（t） 抗剪强度（） 泊松比（） 变形模量（E0）,岩石的主要力学性质指标,单轴抗压强度（R）是指岩石试件在单向受力破坏时所能承受的最大压应力，单位为MPa。 根据岩石的含水状态，表征岩石抗压强度的指标还有干抗压（RC）、饱和抗压（Rs） 等。 抗拉强度（t）是指岩石试件在单向受拉条件下所承受的最大拉应力，单位为MPa。 常用的试验方法有轴向拉伸法和劈裂法，其中采用劈裂法的较多。,岩石的主要力学性质指标,抗剪强度（）是指岩石试件受剪力作用时能抵抗剪切破坏的最大剪应力。由内聚力（c）和内摩擦阻力tg两部份组成。一般表达式为=tg+c，单位为MPa。 抗剪强度按试验方法不同，通常分为三种抗剪强度。,岩石的主要力学性质指标,抗剪断强度是指在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。反映了岩石的内聚力和内摩擦阻力之和。 抗剪（摩擦）强度是指在一定的法向应力作用下，沿已有破裂面剪坏时最大剪应力。 抗切强度是指法向应力为零时沿预定剪切面剪断时的最大剪应力。,岩石的主要力学性质指标,变形模量（E0）是指在单向压缩条件下，岩石试件的轴向应力与轴向应变之比，单位为Mpa。 当岩石的应力应变为直线关系时，变形模量为一常量，称为弹性模量（E）。 泊松比（）是指在单向压缩条件下，岩石试件的横向应变与轴向应变之比。,岩体的工程地质特性,岩体中的结构面和结构体称为岩体的结构单元，不同类型的结构单元在岩体内的组合和排列形式称为岩体结构。 岩体结构类型是评价岩体质量的重要基础 水利水电工程地质勘察规范将岩体结构分为5类13亚类。详见P54 表3-13,岩体结构及分类,岩体结构及分类,单项指标岩石的强度分级,按岩石的饱和单轴抗压强度进行划分 Rb60 Mpa ，坚硬岩 60Rb30 Mpa，中硬岩或较坚硬岩 30Rb15 Mpa，较软岩 15Rb5 Mpa，软岩 Rb 5Mpa，极软岩,单项指标岩体质量指标RQD,单项指标岩体完整性及分级,岩体与相应岩块的弹性波速比值的平方称为岩体稳定性系数（Kv）。据此将岩体分为5级： 完整：Kv0.75； Jv 3 较完整：0.55 Kv0.75， Jv：310 完整性差： 0.35 Kv0.55， Jv：1020 较破碎： 0.15 Kv0.35， Jv：2035 破碎： Kv0.15， Jv35 RQD与体积节理数Jv的关系： RQD=115-3.3 Jv,单项指标岩土体渗透性分级,GB50278-99将岩土体的渗透性分六级（见P58表3-17 ） 极微透水 K10-6cm/s q 0.1Lu 微透水 10-6K10-5 0.1 q 1 弱透水 10-5 K 10-4 1 q 10 中等透水 10-4 K 10-2 10 q 100 强透水 10-2 K 100 q 100Lu 极强透水 K100cm/s q 100Lu,岩体风化带划分,岩体风化是指地表岩体在太阳辐射、温度变化、水、气体、生物等因素的综合作用下，组织结构、矿物化学成分和物理性状等发生变化的过程和现象。 岩体的风化程度不同决定了岩体的强度、变形及渗透特性的不同，因此水利水电工程中岩体风化带划分十分重要。,岩体风化带划分,水利水电工程地质勘察工作中按全、强、弱、微、新分为五个风化带。岩土工程勘察规范按残积土、全、强、中等、微、未风化分为六个风化带。详见知识手册P56 表316、案例手册P725731 修订GB50287-99时增加了灰岩风化带划分标准。,软弱夹层的工程地质特性,软弱夹层的分类 软弱夹层的形成与成岩条件、构造作用和地下水活动等密切相关。按其成因一般可分为： 原生型 次生型 构造型,泥化夹层的工程地质特性,1、泥化夹层的矿物成份主要是蒙脱石、伊利石和高岭石等粘土矿物；其化学成份主要为SiO2、Al2O3、Fe2O3，其次为CaO、MgO、K2O、Na2O等。 2、泥化夹层的物理力学性质主要表现为粘粒含量高（一般大于30% ）、天然含水量高（常大于塑限 ）、干密度低、抗剪强度低（0.2左右 ）、高压缩性以及膨胀性、亲水性、渗流分带和渗流集中等方面。,泥化夹层的工程地质特性,3、泥化夹层具有较强的亲水性。亲水性指标（液限含水量与粘粒含量之比）可用来判断泥化夹层性质的好坏，大于1.25者为较差，0.75-1.25者为中等，小于0.75者为较好。,泥化夹层的分类（据粘粒含量）,GB50287-99根据颗粒组分以粘粒（粒径小于0.005mm）百分含量分为四类： 粘粒含量少或无岩块岩屑型 粘粒含量小于10%岩屑夹泥型 粘粒含量10-30%泥夹岩屑型 粘粒含量大于30%泥型,软弱夹层抗剪断强度的取值原则,按GB50287-99附录D的规定，软弱夹层抗剪断强度的取值应遵循如下原则： 1、软弱夹层应根据岩块岩屑型、岩屑夹泥型、泥夹岩屑型和泥型四类分别取值。 2、当试件呈塑性破坏时，应采用屈服强度或流变强度作为标准值。 3、当试件粘粒含量大于30%或有泥化镜面或粘土矿物以蒙脱石为主时，应采用流变强度作为标准值。,软弱夹层抗剪断强度的取值原则,5、当软弱夹层有一定厚度时，应考虑充填度的影响。当厚度大于起伏差时，应采用充填物的抗剪强度作为标准值；当厚度小于起伏差时，还应采用起伏差的最小爬坡角，提高充填物抗剪强度试验值作为标准值。 6、根据软弱夹层的类型和厚度的总体地质特征进行调整，提出地质建议值。,