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　　巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)

　　二、巖體的力學特性

　　(一)巖體的變形特征

　　巖體的變形通常包括結(jié)構(gòu)面變形和結(jié)構(gòu)體變形兩個部分。設(shè)計人員所關(guān)心的主要是巖體的變形特性。巖體變形參數(shù)是由變形模量或彈性模量來反映的。

　　不同巖體具有不同的流變特性。一般有蠕變和松弛兩種表現(xiàn)形式。試驗和工程實踐表明，巖石和巖體均具有流變性。

　　(二)巖體的強度性質(zhì)

　　由于巖體是由結(jié)構(gòu)面和各種形狀巖石塊體組成的，所以，其強度同時受二者性質(zhì)的控制。一般情況下，巖體的強度既不等于巖塊巖石的強度，也不等于結(jié)構(gòu)面的強度，而是二者共同影響表現(xiàn)出來的強度。但在某些情況下，可以用巖石或結(jié)構(gòu)面的強度來代替。如當巖體中結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，呈完整結(jié)構(gòu)時，巖石的強度可視為巖體強度。如果巖體沿某一結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生整體滑動時，則巖體強度完全受結(jié)構(gòu)面強度控制。

　　三、巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)

　　(一)巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)

　　1.巖石的物理力學性質(zhì)

　　(1)巖石的主要物理性質(zhì)

　　1)重量

　　巖石的重量是巖石最基本的物理性質(zhì)之一，一般用比重和重度兩個指標表示。

　　巖石重度的大小決定于巖石中礦物的比重、巖石的孔隙性及其含水情況。

　　一般來講，組成巖石的礦物比重大，或巖石的孔隙性小，則巖石的重度就大。在相同條件下的同一種巖石，重度大就說明巖石的結(jié)構(gòu)致密、孔隙性小，巖石的強度和穩(wěn)定性也較高。

　　2)孔隙性

　　巖石的孔隙性用孔隙度表示，反映巖石中各種孔隙的發(fā)育程度。未受風化或構(gòu)造作用的侵入巖和某些變質(zhì)巖，其孔隙度一般是很小的，而礫巖、砂巖等一些沉積巖類的巖石，則經(jīng)常具有較大的孔隙度。

　　3)吸水性

　　巖石的吸水率與巖石孔隙度的大小、孔隙張開程度等因素有關(guān)。巖石的吸水率大，則水對巖石顆粒間結(jié)合物的浸潤、軟化作用就強，巖石強度和穩(wěn)定性受水作用的影響也就越顯著。

　　4)軟化性

　　用軟化系數(shù)作為巖石軟化性的指標，在數(shù)值上等于巖石飽和狀態(tài)下的極限抗壓強度與風干狀態(tài)下極限抗壓強度的比。其值越小，表示巖石的強度和穩(wěn)定性受水作用的影響越大。

　　5)抗凍性

　　在高寒冰凍地區(qū)，抗凍性是評價巖石工程性質(zhì)的一個重要指標。

　　(2)巖石主要力學性質(zhì)

　　1)巖石的變形

　　巖石受力作用會產(chǎn)生變形，在彈性變形范圍內(nèi)用彈性模量和泊桑比兩個指標表示。

　　2)巖石的強度

　　巖石受力作用破壞，表現(xiàn)為壓碎、拉斷和剪切等，故有抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度等。

　　a.抗壓強度?？箟簭姸仁菐r石在單向壓力作用下抵抗壓碎破壞的能力，是巖石最基本最常用的力學指標。巖石的抗壓強度相差很大，膠結(jié)不良礫巖和軟弱頁巖的小于20MPa。堅硬巖漿巖的大于245MPa。

　　b.抗拉強度?？估瓘姸仁菐r石抵抗拉伸破壞的能力，在數(shù)值上等于巖石單向拉伸破壞時的最大張應力。

　　c.抗剪強度?？辜魪姸仁侵笌r石抵抗剪切破壞的能力，在數(shù)值上等于巖石受剪破壞時的極限剪應力。在一定壓應力下巖石剪斷時，剪切面上的最大剪應力，稱為抗剪斷強度，其值一般都比較高。抗剪強度是沿巖石裂隙或軟弱面等發(fā)生剪切滑動時的指標，其強度遠遠低于抗剪斷強度。

　　三項強度中，巖石的抗壓強度最高，抗剪強度居中，抗拉強度最小?？辜魪姸燃s為抗壓強度的10%～40%，抗拉強度僅是抗壓強度的2%～16%。巖石越堅硬，其值相差越大，軟弱巖石的差別較小。

　　巖石的抗壓強度和抗剪強度，是評價巖石(巖體)穩(wěn)定性的主要指標，是對巖石(巖體)的穩(wěn)定性進行定量分析的依據(jù)。

　　(二)土體的工程地質(zhì)性質(zhì)

　　1.土的物理力學性質(zhì)

　　(1)土的主要性能參數(shù)

　　1)土的含水量。

　　2)土的飽和度。土的飽和度是土中被水充滿的孔隙體積與孔隙總體積之比，飽和度Sr越大，表明土孔隙中充水愈多。Sr<50%是稍濕狀態(tài)，Sr在50%～80%之間是很濕狀態(tài)，Sr>80%是飽水狀態(tài)。

　　3)土的孔隙比。是土中孔隙體積與土粒體積之比，反映天然土層的密實程度，一般孔隙比小于0.6的土是密實的低壓縮性土，大于1.0的土是疏松的高壓縮性土。

　　4)土的孔隙率

　　5)土的塑性指數(shù)和液性指數(shù)

　　碎石土和砂土為無黏性土，緊密狀態(tài)是判定其工程性質(zhì)的重要指標。顆粒小于粉砂的是黏性土，黏性土的工程性質(zhì)受含水量的影響特別大。

　　黏性土的界限含水量，有縮限、塑限和液限。液限和塑限的差值稱為塑性指數(shù)，它表示黏性土處在可塑狀態(tài)的含水量變化范圍。塑性指數(shù)愈大，可塑性就愈強。黏性土的天然含水量和塑限的差值與塑性指數(shù)之比，稱為液限指數(shù)。液限指數(shù)愈大，土質(zhì)愈軟。

　　(2)土的力學性質(zhì)

　　土的力學性質(zhì)主要是壓縮性和抗剪強度。土的壓縮性是土在壓力作用下體積縮小的特性。在土的自重或外荷載作用下，土體中某一個曲面上產(chǎn)生的剪應力值達到了土對剪切破壞的極限抗力時，土體就會沿著該曲面發(fā)生相對滑移而失穩(wěn)。土對剪切破壞的極限抗力稱為土的抗剪強度。

　　2.特殊土的工程性質(zhì)

　　(1)軟土。泛指淤泥及淤泥質(zhì)土。天然孔隙比e大于或等于1.0.具有高含水量、高孔隙性、低滲透性、高壓縮性、低抗剪強度、較顯著的觸變性和蠕變性等特性。

　　(2)濕陷性黃土。在天然含水量時一般呈堅硬或硬塑狀態(tài)，具有較高的強度和低的或中等偏低的壓縮性，但遇水浸濕后，強度迅速降低，有時即使在其自重作用下也會發(fā)生劇烈的沉陷。濕陷性黃土受水浸濕后，在其自重壓力下發(fā)生濕陷的，稱為自重濕陷性黃土。而在其自重壓力與附加壓力共同作用下才發(fā)生濕陷的，稱為非自重濕陷性黃土。在自重濕陷性黃土地區(qū)修筑渠道，初次放水時就可能產(chǎn)生地面下沉，兩岸出現(xiàn)與渠道平行的裂縫。

　　管道漏水后由于自重濕陷可能導致管道折斷。路基受水后由于自重濕陷而發(fā)生局部嚴重坍塌。地基土的自重濕陷往往使建筑物發(fā)生很大的裂縫或使磚墻傾斜，甚至使一些很輕的建筑物也受到破壞。

　　(3)紅黏土。天然含水量高、密度小、塑性高，通常呈現(xiàn)較高的強度和較低的壓縮性，不具有濕陷性。由于塑限很高，所以盡管天然含水量高，一般仍處于堅硬或硬可塑狀態(tài)，甚至飽水的紅黏土也是堅硬狀態(tài)的。

　　(4)膨脹土。含有大量的強親水性黏土礦物成分，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮，且脹縮變形往復可逆。在天然條件下一般處于硬塑或堅硬狀態(tài)，強度較高，壓縮性較低易被誤認為是工程性能較好的土，但一旦地表水浸入或地下水位上升使含水量劇烈增大，或土的原狀結(jié)構(gòu)被擾動時，土體會驟然強度降低、壓縮性增高。這顯然是由于土的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力都相應減小及結(jié)構(gòu)強度破壞的緣故。

　　(5)填土。

　　1)素填土。素填土是由碎石、砂土、粉土或黏性土等一種或幾種材料組成的填土。一般密實度較差，但若堆積時間較長，由于土的自重壓密作用，也能達到一定密實度。如堆填時間超過10年的黏性土、超過5年的粉土、超過2年的砂土，均具有一定的密實度和強度，可以作為一般建筑物的天然地基。

　　2)雜填土。雜填土是含有大量雜物的填土。試驗證明，以生活垃圾和腐蝕性及易變性工業(yè)廢料為主要成分的雜填土，一般不宜作為建筑物地基。主要以建筑垃圾或一般工業(yè)廢料組成的雜填土，采用適當?shù)拇胧┻M行處理后可作為一般建筑物地基。

　　3)沖填土。其含水量大，透水性較弱，排水固結(jié)差，一般呈軟塑或流塑狀態(tài)，比同類自然沉積飽和土的強度低、壓縮性高。

　　(三)結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)性質(zhì)

　　巖體的完整性、滲透性、穩(wěn)定性和強度等物理力學性質(zhì)取決于巖石和結(jié)構(gòu)面的物理力學性質(zhì)，很多情況是結(jié)構(gòu)面的比巖石的影響大。對巖體影響較大的結(jié)構(gòu)面的物理力學性質(zhì)，主要是結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、延續(xù)性和抗剪強度。

　　延伸長度為5～10m的平直結(jié)構(gòu)面，對地下工程圍巖的穩(wěn)定就有很大的影響，對邊坡的穩(wěn)定影響一般不大。

　　結(jié)構(gòu)面的規(guī)模是結(jié)構(gòu)面影響工程建設(shè)的重要性質(zhì)。結(jié)構(gòu)面分為Ⅰ～Ⅴ級。

　?、窦壙刂乒こ探ㄔO(shè)地區(qū)的穩(wěn)定性，直接影響工程巖體穩(wěn)定性。

　?、艚Y(jié)構(gòu)面主要控制著巖體的結(jié)構(gòu)、完整性和物理力學性質(zhì)。

　?、跫壗Y(jié)構(gòu)面又稱微結(jié)構(gòu)面，常包含在巖塊內(nèi)，主要影響巖塊的物理力學性質(zhì)，控制巖塊的力學性質(zhì)。

　?、?、Ⅲ級結(jié)構(gòu)面往往是對工程巖體力學和對巖體破壞方式有控制意義的邊界條件，它們的組合往往構(gòu)成可能滑移巖體的邊界面，直接威脅工程安全穩(wěn)定性。

　　(四)地震的震級與烈度

　　1.地震震源

　　震源是深部巖石破裂產(chǎn)生地殼震動的發(fā)源地。震源在地面上的垂直投影稱為震中。地震所引起的震動以彈性波的形式向各個方向傳播，其強度隨距離的增加而減小。地震波首先傳達到震中，震中區(qū)受破壞最大，距震中越遠破壞程度越小。地面上受震動破壞程度相同點的外包線稱為等震線。

　　地震波通過地球內(nèi)部介質(zhì)傳播的稱為體波。體波分為縱波和橫波，縱波的質(zhì)點振動方向與震波傳播方向一致，周期短、振幅小、傳播速度快;橫波的質(zhì)點振動方向與震波傳播方向垂直，周期長、振幅大、傳播速度較慢。

　　體波經(jīng)過反射、折射而沿地面附近傳播的波稱為面波，面波的傳播速度最慢。

　　2.地震震級

　　地震是依據(jù)所釋放出來的能量多少來劃分震級的。釋放出來的能量越多，震級就越大。中國科學院將地震震級分為五級：微震、輕震、強震、烈震和大災震。目前國際通用的李希特—古登堡震級是以距震中100km的標準地震儀所記錄的最大振幅的μm的對數(shù)表示。如記錄的最大振幅是10mm，即10000μm，取其對數(shù)等于4.則為4級地震。

　　表1.1.4　　　　　　　地震震級劃分表

　　3.地震烈度

　　地震烈度，是指某一地區(qū)的地面和建筑物遭受一次地震破壞的程度。地震烈度不僅與震級有關(guān)，還和震源深度、距震中距離以及地震波通過介質(zhì)條件(巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水埋深)等多種因素有關(guān)。

　　地震烈度又可分為基本烈度、建筑場地烈度和設(shè)計烈度。

　　(1)基本烈度代表一個地區(qū)的最大地震烈度。

　　(2)建筑場地烈度也稱小區(qū)域烈度，是建筑場地內(nèi)因地質(zhì)條件、地貌地形條件和水文地質(zhì)條件的不同而引起的相對基本烈度有所降低或提高的烈度。一般降低或提高半度至一度。

　　(3)設(shè)計烈度是抗震設(shè)計所采用的烈度，是根據(jù)建筑物的重要性、永久性、抗震性以及工程的經(jīng)濟性等條件對基本烈度的調(diào)整。設(shè)計烈度一般可采用國家批準的基本烈度，但遇不良地質(zhì)條件或有特殊重要意義的建筑物，經(jīng)主管部門批準，可對基本烈度加以調(diào)整作為設(shè)計烈度。

　　4.震級與烈度的關(guān)系

　　震級與地震烈度既有區(qū)別，又相互聯(lián)系。一般情況下，震級越高、震源越淺，距震中越近，地震烈度就越高，一次地震只有一個震級，但震中周圍地區(qū)的破壞程度，隨距震中距離的加大而逐漸減小，形成多個不同的地震烈度區(qū)，它們由大到小依次分布。但因地質(zhì)條件的差異，也可能出現(xiàn)偏大或偏小的烈度異常區(qū)。