工程地质分析原理

工程地质分析原理 第一章 地壳岩体结构特征的工程地质分析 岩体（rockmass）：通常指地质体中与工程建设有关的那一部分岩石，它处于一定的地质环境、被各种结构面所分割。 结构面：是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸（或具有一定厚度）的地质界面（或带）。如岩层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。 工程地质之所以要将岩体的结构特征作为重要研究对象，意义如下： ⑴岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。只有掌握岩体的结构特征，才有可能阐明岩体不同荷载下内部的应力分布和应力状况。 ⑵岩体的结构特征对岩体在一定荷载条件下的变形破坏方式和强度特征起着重要的控制作用。岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定性的控制面，各结构面分别为确定坝肩岩体抗滑稳定的分割面和滑移控制面。 ⑶靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确定了外营力对岩体的改造进程。这是由于结构面往往是风化、地下水等各种外营力较活动的部位，也常常是这些营力的改造作用能深入岩体内部的重要通道，往往发展为重要的控制面。 总之，对岩体的结构特征的研究，是分析评价区域稳定性和岩体稳定性的重要依据。 结构面的成因分类：原生结构面、构造结构面及浅表生结构面 结构面的工程地质分级：断层型或充填型结构面、裂隙型或非充填型结构面、断续延伸的非贯通型岩体结构面，它们分别对应于Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级结构面 岩体结构分类: 按建造特征可将岩体划分为块体状（或整体状）结构、块状结构、层状结构、碎块状结构和散体状结构等类型。 按岩体的改变程度可划分为完整的、块裂化或板裂化，碎裂化、散体化的等四个等级。 第二章 地壳岩体的天然应力状态 地壳岩体内的天然应力状态，是指未经人为扰动的，主要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状态，常称为天然应力或初始应力。 研究岩体天然应力状态的意义： （1）岩体天然应力状态或地应力场是工程岩体存在的基本环境条件之一。 （2）岩体地应力场是决定各类地下建筑物稳定性的主要因素。 （3）修建大坝、大型水库和深大地下洞室等，常能在更大范围内破坏天然应力的原有平衡状态，引起一系列诸如断层复活、水库地震以及大规模岩爆等严重危害人民财产及施工人员安全的工程地质作用 天然应力的形成原因: 1、重力作用 2、地质构造运动 3、岩浆侵入 天然应力类型： 1、三向相等的静水应力式 2、竖直应力为主 3、水平应力为主 第三章 岩体的变形与破坏 变形：岩体承受应力，就会在体积、形状或宏观连续性上发生某种变化（解释）。宏观连续性无明显变化者称为变形（deformation )。 破坏：如果宏观连续性发生了显著变化的称为破坏（failure)。 岩体变形破坏的基本过程与阶段划分: （1）压密阶段：岩体中原有张开的结构面逐渐闭合，充填物被压密，压缩变形具有非线性特征，应力—应变曲线呈缓坡下凹形。 （2）弹性变形阶段：经压密后，岩体可由不连续介质转化为似连续介质，进入弹性变形阶段，过程长短主要视岩性坚硬程度而定。 （3）稳定破裂发展阶段：超过弹性极限（屈服点）以后，岩体进入塑性变形阶段，体内开始出现微破裂，且随应力差的增大而发展，当应力保持不变时，破裂也停止发展，由于微破裂出现，岩体体积压缩速率减缓，而轴向应变速率和侧向应变速率均有所提高。 （4）不稳定的破裂发展阶段，又称为累进性破坏阶段：进入本阶段以后，微破裂的发展出现了质的变化，由于破裂过程中所造成的应力集中效应显著，即使工作应力保持不变，破裂仍会不断的累进性发展，通常某些最薄弱环节首先破坏，应力重力分布的结果又引起次薄弱环节破坏，依次进行下去直至整体破坏。体积应变转为膨胀，孔隙水压力快速下降，轴应变速率和侧向应变速率加速增大。 （5）强度丧失和完全破坏阶段：岩体内部的微破裂面发展为贯通性破坏面。岩体强度迅速减弱，变形继续发展，直至岩体被分成相互脱离的块体而完全破坏。岩体破坏的基本形式: 根据岩体破坏机制可将岩体破坏划分为剪性破坏和张性破坏两类。 剪切破坏分为剪断破坏、剪切滑动破坏、塑性破坏 岩体由弹性变形阶段进入塑性变形阶段的临界应 力称为岩体的屈服强度 岩体遭受最终破坏以后仍然保存有一定的强度，称为残余强度。 岩体变形破坏过程中的时间效应: 岩体变形破坏过程中的时间效应表现为两方面：其一，在应力恒定的情况下岩石变形随时间而发展，称为蠕变(creep)；其二，庄变形恒定的情况下岩石内应力随时间而降低，称为松弛(relaxation)。 空隙水压力在岩体变形破坏中的作用: 地下水普遍赋存于岩体之中，它与岩体间的相互作用主要可归为两个方画：一是地下水与岩体间发生机械的、物理的或化学的相互作用．使岩体和地下水的性质或状态发生不断的变化，二是地下水与岩体间发生的力学方面的相互作朋．它不断地改变着作用双方的力学状态和特性． 岩体的变形破坏模式: (1)蠕滑(滑移)－拉裂可发生在各类岩体中，但以块状，层状和散体状岩体中多见．表现为一定形状的岩体沿岩体中原有的软弱面或潜在剪切面的蠕滑，井伴有向滑移面方向逐渐收敛的拉裂．斜坡体中的这类变形往往可于变形体的后缘直接观测到拉裂缝，它是判断变形的发生和进展情况的重要标志，发生在坝基的这类变形．可使坝址部位岩体拉裂，从而造成防渗帷幕失效．洞室边墙或顶拱围岩中的这类变形，将增高围岩对支撑的压力，这类变形的进展主要由蠕滑的发展所控制，一旦使滑移面贯通或剪断潜在剪切面．即发展为剪切破坏． (2)滑移－压致拉裂，大多数发生在块状或层状岩体中．表现为一定形状的岩体沿软弱面的滑移，并伴以起源于i滑移面的分枝拉裂面。这类变形的发展可使岩体碎裂化，散体化，也可因拉裂画与滑移面的交接郎位压碎扩容，使两者连成贯通牲滑动面而发展为剪切破坏， (3)弯曲－拉裂：主要发生在层状．尤其是在薄层状岩体中．表现为层状或板状岩体的悬臂梁弯曲．横弯曲和纵弯曲，井伴以层间拉裂所示．斜坡岩体中陡立的层状岩体经卸荷回弹扑在自重应力作用下发生向临空方向的弯曲，于后缘造成拉裂，坝基陡立层状岩件在坝体水平剪应力作用下发生弯曲，于坝踵部位产生拉裂，同样可导致防渗帷幕破裂失效．洞室层状围岩的这裂类变形可引起顶拱下陷、边缘突出．底板隆起，变形的进展可使一曲的尾(板)状岩体被折断，导救拉断破坏． (4)塑流～拉裂，主要见于硬软相间互层状岩体中．通过下伏软弱县(或破碎带。压碎带等)的塑性流动导致上覆岩体弯折拉裂，变形发展可使上覆岩件解体或造成剪切破坏． (5)滑移—弯曲；主要见于层状岩体．表现为层状岩体顺层滑移并伴以纵弯曲，弯曲部位内部可出现层间拉裂．变形的发展往往因弯曲部位被剪断成压碎而导致剪切破坏， 此外，岩体变形形式还可由两种或两种以上基本组合模式复合而咸，并且某些组合模式在发展演变过程中也可转化为另一种组合模式． 应该指出．当今构造地质学研究中，也倾向采用变形破裂机制对构造形迹进行分类(Mattauer等，1984)．划分出剪忉—拉裂。弯曲-拉裂等多种类型

第四章 活断层的工程地质研究 活断层：是指目前还在持续活动的断层，或在历史时期或近期地质时期活动过、极可能在不远的将来重新活动的断层。 活断层的类型: 1、按构造应力状态及两盘相对位移划分 （1）走向滑动或平移断层 （2）逆侵滑或逆断层 （3）正侵滑或正断层 2、按断裂的主次关系划分 主断层、分支断层、次级断层 活断层活动方式（粘滑，稳（蠕）滑，蠕滑与粘滑相伴生） 活断层区规划设计建筑物的原则: 一、规划选场 要对几个相互比较的场址进行断层相对活动性评价。 (1)有低级别的活断层的场地优于有高级别的，有活动时期老的断层的场地优于有活动时期新的，有全新世(11000 a)内无活动的断层的场地优于有全新世内有活动的断层的场地等； (2)尽可能避开主断层带； (3)如为逆断层或正断层类型，尽可能避开有强烈地表变形和分支、次生断裂发育的断层上盘(逆断层的上升盘、正断层下降盘)。如有较大的正、逆断层，场地往往需要选在距主断面数千米之外。 二、建筑物类型选择 三、建筑物结构设计 1、土坝结构设计原则 （1）保证错动后不残存深大开口裂缝 （2）能安全控制大的渗流量 2、其它类型建筑物的结构措施实例 第五章 地震的工程地质研究 接近地球表面的岩层中弹性波传播所引起的震动称为地震。 研究多个地震台的地质谱，可以确定出地震发生的物理过程或 震源物理过程，一般称为震源机制 衡量地震本身大小和震动强烈程度的两个尺度，这就是震级和烈度 场地地震效应及地震小区划类型: （一）场地破坏效应 1、地面破裂效应 2、地基失效 3、斜坡破坏效应 （二）强烈地震动 1、振幅 2、频谱 3、持续时间 地震区划抗震设计原则: 一、选择场地和地基 (1)尽可能避开产生强烈地基失效及其它加重震害地面效应的场地或地基，用于这类场地或地基的主要有：活断层带．可能产生地震液化的砂层或强烈沉降的淤泥层，厚填土层，可能产生不均匀沉降的地基以及可能受地震引起的崩塌、滑坡等斜坡效应影响的地区，如陡山坡、斜坡及河坎旁。 (2)考虑到地基土石的卓越周期和建筑物的自振周期，尽可能避免结构与地基土石之间产生共振。也就是自振周期长的建筑物尽可能不建在深厚松软沉积之上，而刚性建筑物则不建于卓越周期短的地基上。 (3)岩溶地区地下不深处有大溶洞，地震时可能塌陷的地区不宜作为场地。 (4)避免以加重震害的孤立突出地形作为建筑场地。 二、选探适宜的持力层和基础方案 三、建筑物合理布置和结构选型 1、工业民用建筑物 （1）选择有利抗震的平面和立面是抗震设计的重要环节，尽量使建筑物的质量中心和刚度中心重合，平面上选择矩形、方形、圆形或其它没有凸出凹进的形状，立面上各部分层数尽量一致，以避免各个部分之间振型不同，受力不同，使平面转折或立面上层数不同的两部分连接处受扭转而断裂、倒塌。 （2）减轻重量、降低重心，加强整体性使各部分、各构件之间有足够的刚度和强度。 2、水工建筑物 （1）选择坝型 （2）工程措施 第六章 水库诱发地震活动的工程地质分析 水库诱发地震的诱发机制: 水库诱发地震的确切诱因现在尚未完全查明，但已有震例已经以充分资料证明，这类地震不是由于水库荷载直接造成的．而是水库的某种作用间接诱发的(indirectly induced)。亦即水库的某种作用迭加于已有的天然应力场之上，使水库蓄水前由于自然作用积累起来的应变能较早地以地震的方式释放出来。 这方面的证据最主要的有以下两点： (1)根据水库诱发地震震源机制解得出的应力场与该区天然地震应力场或根据近期活动构造所得出的区域应力场完全一致．说明产生地震的应力场并非是由于水库荷载产生的，而是近期构造活动天然形成的。 (2)震源区由于水库荷载而产生的应力增量一般是很小的，单独不足以使岩体破坏或使岩体中已有断裂面的两侧产生相互错动。