工程地质学-第七章

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作图求极限稳定坡角 v
某一不稳定结构面AB的倾 角为 ,需要开挖的深 度为H,在不稳定面AB上选 C点作垂线CD,恰好使CD等 于滑动体极限高度hv,联 结AD,即为所求的开挖边
坡线,它与水平线的夹
角 v ,即为求得的极限
稳定坡角。
图 7—26 作图求稳定坡角
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(二)二组结构面的分析
内部因素(岩石的地质特征)
• 矿物成分 • 结构 • 构造
外部因素
• 水的作用 • 风化作用
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3.岩石的工程性质评述
岩浆岩
• 深成侵入岩具结晶结构,晶粒粗大均匀,力学强 度高。一般是良好的建筑地基和天然建筑石材。但由 于多种矿物结晶组成,抗风化能力较差。 • 浅成侵入岩特别是脉状岩体穿插于不同的岩石中, 易蚀变风化,使其强度降低、透水性增大。 • 喷出岩若具有气孔构造、流纹构造及发育有原生 裂隙,透水性较大。多呈岩流状产出,岩体厚度小, 岩相变化大,对地基均一性和稳定性影响大。
第七章 岩石和岩体的工程性质
主要内容
第一节 岩石的工程性质 第二节 岩体及岩体结构 第三节 岩体的主要力学性质 第四节 岩石和岩体的工程分类 第五节 岩体稳定性分析
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第一节 岩石的工程性质
1.岩石工程性质的常用指标
物理性质(physical properties)
重度(密度)(unit weight):岩石单位体积的重力(质量)。 有干重度、湿重度和饱和重度之分。 比重(相对密度)(specific gravity):固体岩石的重力(质量) 与同体积水在4ºC时重力(质量)的比值。 空隙率( porosity):岩石中空隙的体积与岩石总体积的比值。
的作用。
图 7—30 楔形滑移体滑动方向分析
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复习思考题 1. 什么是岩石饱水系数? 2. 说明岩石软化系数的物理意义。 3. 岩石的抗剪强度可分为哪几种? 4. 说明影响岩石工程性质的因素有哪些? 5.何谓岩体?试说明岩体与岩石的区别。 6.什么叫结构面?结构面的主要特征有哪些? 7.按成因,结构面可划分为哪几种类型?研究结构面有何
完整程度 坚硬程度 坚硬岩 较硬岩 较软岩 软岩 极软岩
完整
I II III IV V
较完整
II III IV IV V
较破碎
III IV IV V V
破碎
IV IV V V V
极破碎
V V V V V
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4.《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001) 根据岩石质量指标RQD分类:
RQD值是用直径为 75mm的金刚石钻 头和双层岩芯管 在岩石中钻进, 连续取芯,回次 钻进所取岩芯中, 长度大于10cm的 岩芯段长度之和 与该回次进尺的 比值,以百分数
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力学性质
强度指标: 抗压强度(compressive strength): 岩石单向受压时抵抗破坏的能力。 抗拉强度(tensile strength): 岩石单向受拉时抵抗破坏的能力。 抗剪强度(shear strength): 岩石抵抗剪切破坏的能力。
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抗剪强度可分为以下三种强度: ( a ) 抗剪断强度:在垂直压力作用下的岩石剪切强度。 ( b ) 抗剪强度:沿着已有的破裂面发生剪切时的强度。 ( c ) 抗切强度:压应力等于零时的剪切强度。
这时两组结构面都是滑动面。
若结构面的交线和一根倾向线重合,
(图b)中CO与AO重合,则倾向线AO就
是滑动时的滑动方向。这时,结构面
M1是主要滑动面,而结构面M2则为稳
定结构体滑动时摩阻力较小的依附面。
若结构面的交线CO在两个倾向线之外,
则其中一条倾向线为滑动方向。(图c)
中AO是滑动线,即沿结构面M1的倾向 线滑动,这时,结构面M2仅起切割面
1.结构分析
a 属最稳定结构 b 属稳定结构 c 属较稳定结构 d 属较不稳定结构 e 属于不稳定结构
图 7—27 用赤平投影分析边坡稳定条件 ns—天然边坡;cs—人工开挖边坡
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两组结构面组成的边坡的稳定坡角的推断:
图 7—28
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2. 力学讨论
楔形体的体积
VABCG

1 ABC h 3
图 7—5 应力——应变曲线
图 7—6 岩石的弹性变形
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流变性:
指在恒定条件下,应力或变形随时间而变化的特性。 蠕变(creep):
在一定应力下,变形随时间 持续增长。 松弛(relaxation):
在变形保持一定时,应力随 时间逐渐减小。
图 7—8 不同应力条件下岩体的蠕变曲线
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如已知结构面走向为NW280°,倾向SW,倾角50°,与边 坡斜交。边坡走向为NW310°,倾向SW。求稳定坡角。
图 7—22 用赤平投影求边坡坡角
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当结构面走向与边坡走向成直交时,稳定坡角最大,可 达90°;当结构面走向与边坡走向平行时,稳定坡角最 小,即等于结构面的倾角。
图 7—23 结构面走向与边坡走向成直交
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②当岩层(结构面)的走向与边坡的走向斜交时,若边坡 的稳定性发生破坏,从岩体结构的观点来看,必须同时 具备两个条件:
第一.边坡稳定件的破坏一定是沿着结构面发生的;
第二.必须有一个直立的并垂直于结构面的最小抗切面
( =c)DEK,结构面与最小抗切面就组合成不稳 定体ADEK。
图 7—21 最小抗切面 DEK
图 7—19
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(一) 一组结构面的分析
1.结构分析
①当岩层(结构面)的走向与边 坡的走向一致时:
边坡的投影为弧AMC
J1与坡面AC倾向相反 ,边坡稳定。 J2与坡面AC倾向相同 ,但其倾角
大于边坡倾角,边坡基本稳定 。
J3与坡面AC倾向相同 ,但其倾角
小于边坡倾角,边坡不稳定。
图 7—20 一组结构面与赤平极射投影图的对应关系
K
阻滑力 滑动力
(T
cos
G2
cos ) f 2 G2 T sin
sin
C2
BC
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二、边坡岩体稳定性分析
结构分析图解法——赤平极射投影
图 7—15 赤平极射投影原理
图 7—16
图 7—17
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表 7—12
图 7—18 吴尔夫投影网
强度特性
最主要是抗剪强度

m
cm

图 7—12 岩体抗剪强度包络线 1-结构面强度线;2-岩块强度线;3-岩体强度包络线变化范围
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第四节 岩石和岩体的工程分类
1.《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)
根据岩块的饱和单轴抗压强度标准值 的坚硬程度:
Rc划分岩石
5 15
极软岩
软岩
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岩体破坏方式
主要影响因素:
剪切滑移破坏 张拉破坏 压缩破坏 弯折破坏
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边坡岩体稳定性分析
1. 力学计算法 单平面滑动:1)无渗流时
2)有渗流时
折线滑面:滑坡推力法 2.图解法(赤平投影法)
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一、高层建筑岩基稳定性分析
图 7—13 岩体结构剖面及稳定性计算示意
1、在风荷载下的抗倾覆计算
G sin
tg H AC h0 sin
极限滑动体高度为
hv


3L(c1h1 c2h2 )
AC h0 cos (tg tg )
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3.岩体滑动方向的分析
若 结 构 面 的 交 线 CO 在 两 倾 向 线 之 间 (图a),则组合交线CO为滑动方向。
图 7—1 岩石的三种抗剪强度试验
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变形指标 弹性模量(modulus of elasticity): 是应力与弹性应变的比值。 变形模量(modulus of deformation): 是应力与总应变的比值。 泊松比(poisson’ratio): 是横向应变与纵向应变比值。
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2.影响岩石工程性质的因素
表示。
RQD分类
类别 RQD(%) 岩石质量
1
90~100

2
75~90
较好
3
50~75
较差
4
25~50

5
<25
极差
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第五节 岩体稳定性分析
岩体稳定分析方法
•地质分析类比法 •岩体结构分析法 •岩体稳定分类法 •数值模拟计算法 •地质模拟试验法
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岩体稳定性与分析
主要影响因素:
1. 区域稳定性 2. 岩体结构 3. 边界条件(临空面、滑动面、切割面) 4. 荷载类型、大小和方向 5. 工程类别
图 7—24 结构面走向与边坡走向平行
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2. 力学讨论
滑动面上岩体的内摩擦角
滑动面上岩体的粘聚力
K F Ntg cL G costg cL
T
T
G sin
岩体稳定安全系数
K=1时,滑动体高度hv为
hv


2c
cos2 (tg
tg )
图 7—25 一组滑动面的力学分析
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第二节 岩体及岩体结构
岩石(Rock): 具一定结构构造的矿物集合体。
岩体(Rock mass): 包含各种结构面的地质体。岩体的工程性质
首先取决于结构面的性质,其次才是组成岩体的 岩石性质。
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岩体结构(rock mass structure) = 结构面 (structural plane) +结构体(structural element)
30 较软岩
60 Rc
较坚硬岩 坚硬岩
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2.《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001) 根据岩体的完整性指数划分岩石的完整程度:
0.15 0.35
极破碎
破碎
岩体压缩波速度与岩块压缩波 速度之比的平方
0.55
0.75
完整性指数
较破碎
较完整
完整
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3.《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001) 根据岩石坚硬程度和岩体完整程度综合分五个岩 体基本质量等级 :
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水理性质
吸水率:常压条件下,岩石吸入水分的质量与干燥 岩石质量之比。 饱水率:高压或真空条件下,岩石吸入水分的质量 与干燥岩石质量之比。 饱水系数:岩石的吸水率与饱水率的比值。其值越 大,岩石的抗冻性越差。
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软化性:指岩石在水的作用下强度降低的性质。软化系 数(softening coefficient)为岩石在饱水状态下的极限抗压强 度与风干状态下强度之比。<0.75是强软化的岩石,工程 性质较差。 渗透性(permeability):指岩石允许水透过的能力。 溶解性(dissolubility):指岩石溶解于水的性质。 抗冻性(frost resistance):指岩石抵抗冰劈作用的能力.抗 压强度降低率<(20%~25%)的岩石是抗冻的。 崩解性(disintegration):指黏土质岩石吸水膨胀的性质。
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结构面: 存在于岩体中的各种地质界面。分为:
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岩体中的软弱夹层
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结构面特征
形态、平整光滑度 张开度和充填程度 连通性 密集程度 产状和组数 规模
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结构体类型
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
图 7—2 结构体的类型 (a)方柱(块)体; (b)菱形柱体;(c)三棱柱体 ;(d)楔形体;(e)锥形体;(f)板状体;(g)多角柱体;(h)菱形块体
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岩体结构类型及工程性质
整体结构:整体强度高,完整性好。 块状结构:整体强度高。 层状结构:强度和变形特性具各向异性特点。 碎裂结构:岩体完整性破坏大。 散体结构:工程性质差。
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第三节 岩体的主要力学性质
变形特性
变形模量 弹性模量
E0 p e
Ee e
楔形体的重力
ABC

1 2

AC
h0
G

h
6

AC

h0
两个结构面的面积
1 ABD 2 BD h1
1 BCD 2 BD h2
令 BD L
图 7—29
稳定系数
K G costg c1ABD c2BCD tg 3L(c1h1 c2h2 )
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沉积岩
• 火山碎屑岩由细小火山灰组成,水理性质差。 • 沉积碎屑岩受胶结物成分和胶结类型影响显著。 • 黏土岩浸水后易软化和泥化,还可能有膨胀性。对
工程极为不利,但可作隔水层和防渗层。 • 化学岩和生物化学岩具不同程度的可溶性,易渗漏。
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变质岩 工程性质与其原岩密切相关。
• 动力变质岩的力学强度和抗水性均较差。 • 片理构造使岩石具有各向异性特征。
沿基底面:
抗倾覆力矩 OE K 倾覆力矩
F 0.5Rt1 OP2 h H
沿砂层面OI:
OE
K
F 0.5 OI 2 Rt 2 MO GM
h H
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2、岩体(ABC)的稳定性计算
图百度文库7—14 隔离体 ABD 和 BCD 受力图
T T' H cos (F G1) sin F G1 cos H sin f1 c1 AB
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