深部隧道圍巖的大變形中國科學(xué)院研究生院碩士課程.ppt

一、深部隧道圍巖的大變形,中國科學(xué)院研究生院碩士課程,什么是軟巖？ 什么是圍巖擠壓大變形？ 圍巖擠壓大變形的預(yù)測和分級 圍巖大變形的機(jī)理 蘭武二線烏鞘嶺隧道F7圍巖大變形 南山集團(tuán)柳海煤礦巷道大變形,長期以來，國內(nèi)對軟巖和弱巖的定義存在較大爭議： 軟巖一般指巖石(intact rock)，即單軸抗壓強(qiáng)度為0.520MPa的巖石（ISRM，國際巖石力學(xué)學(xué)會），或單軸抗壓強(qiáng)度小于17MPa的巖石，或飽和單軸抗壓強(qiáng)度小于30MPa的巖石（工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)-1994、巖土工程勘察規(guī)范-2004）。 Hoek & Marinos (2000)將完整巖塊（即巖石）單軸抗壓強(qiáng)度25MPa定義為弱巖(Weak rock)。 我國煤礦系統(tǒng)在1984年12月的昆明會議上將松軟巖層定義為“強(qiáng)度低，空隙大，膠結(jié)程度差，受構(gòu)造切割面及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹粘土礦物成分的松、散、軟、弱巖層”，顯然這里的軟巖是巖體，是松散軟弱巖層的簡稱。 E. Hoek (1998)對弱巖體進(jìn)行了如下定義 “弱巖體是由構(gòu)造運(yùn)動造成的，微觀表現(xiàn)為原巖受到了剪切和壓碎，原聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)受到了擾動，工程特點(diǎn)表現(xiàn)為巖體強(qiáng)度非常低、隧道或邊坡開挖很容易誘發(fā)失穩(wěn)破壞”。 顧寶和等(2006)將斷層破碎帶巖體歸為具有不良地質(zhì)特性并易引發(fā)工程事故的“劣質(zhì)巖”之一。,擠壓大變形隧道則主要出現(xiàn)在以泥巖、泥質(zhì)砂巖/粉砂巖、粘土巖、泥灰?guī)r、煤系地層、復(fù)理石為主的沉積巖，以頁巖、片巖、泥質(zhì)板巖、千枚巖、蛇紋巖、片麻巖等為主的變質(zhì)巖等這些傳統(tǒng)軟巖中。斷層破碎帶巖體與傳統(tǒng)軟巖相比，大變形本質(zhì)相同但影響因素和過程卻存在著顯著差別。,什么是擠壓性圍巖？國內(nèi)外學(xué)者從不同角度進(jìn)行了不同定義。國外對擠壓性圍巖的研究比較早也比較系統(tǒng)：,Terzaghi (1946)擠壓性巖石僅僅指那些含有相當(dāng)多粘土的巖石，粘土可能是原生的如頁巖內(nèi)的，也可以是蝕變產(chǎn)物。這類巖石可能主要是高嶺土類，或者蒙脫石類的。因此，擠壓性巖石范圍可能很寬。擠壓性巖石緩慢地向隧道內(nèi)移動，但并沒有明顯的體積增加。擠壓的首要條件是云母類礦物或粘土礦物含量高但膨脹能力卻很低。,2. Gioda(1982)擠壓意味著時間相依性的變形，是由開挖空間周圍的剪應(yīng)力集中造成的。偏應(yīng)變和體積變形都可能出現(xiàn)，后者與巖土介質(zhì)的膨脹有關(guān)。,3. Tanimoto(1984)則假設(shè)擠壓變形現(xiàn)象是圍巖的一種彈塑性行為，并認(rèn)為當(dāng)巖石應(yīng)變到其殘余塑性狀態(tài)時將發(fā)生擠壓變形,4. ORourke(1984)擠壓性地層是指因荷載強(qiáng)度超過其強(qiáng)度而在隧道附近出現(xiàn)時間相依性變形的地層。擠壓性地層的結(jié)果是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)將在數(shù)周甚至數(shù)月內(nèi)經(jīng)受比初始荷載高數(shù)倍的不斷增加的荷載。,5. Singh(1992)擠壓意味著巖體應(yīng)力過大引起的與體積膨脹有關(guān)的破壞。擠壓條件下隧道收斂可能長期持續(xù)，有時超過1年。,7. Kovari(1998)巖石對開挖的擠壓響應(yīng)意味著：地層大變形造成隧道截面收縮，變形持續(xù)很長時間，如果變形收到抑制，地層壓力可能增大，有時導(dǎo)致支護(hù)系統(tǒng)破壞。并且指出，持續(xù)大變形通常不是膨脹的結(jié)果，在節(jié)理化巖體中發(fā)生的、因?yàn)橹ёo(hù)能力不足的、且局限于頂部和側(cè)墻的大變形不是擠壓變形，巖爆與擠壓不是同一類。,6. Einstein(1990)擠壓本質(zhì)上是因超過極限剪應(yīng)力而產(chǎn)生的蠕變，只要應(yīng)力和材料特性的特殊組合使隧道周圍的某些區(qū)域超過蠕變開始所需的臨界剪應(yīng)力，任何巖土介質(zhì)中均可發(fā)生擠壓現(xiàn)象。擠壓機(jī)制是巖土體中完整材料顆粒的蠕變或/和沿著完整材料顆粒邊界的蠕變，沿著大型不連續(xù)面如層面、片理面、節(jié)理和斷層的蠕變,8. 國際巖石力學(xué)協(xié)會(ISRM,1995)“Squeezing of rock is the time dependent large deformation which occurs around the tunnel and is essentially associated with creep caused by exceeding a limiting shear stress. Deformation may terminate during construction or continue over a long time period.”,喻渝（1998）認(rèn)為擠壓性圍巖就是指高地應(yīng)力下的軟弱圍巖（包括斷層破碎帶巖體），擠壓變形的發(fā)生的兩個必要條件是高地應(yīng)力和圍巖軟弱，充分條件是支護(hù)剛度不足。 趙旭峰（2007）提出擠壓現(xiàn)象是一種在隧道開挖過程中與時間有關(guān)的大變形，與巖體的彈粘塑性時效力學(xué)行為具有相當(dāng)程度的關(guān)聯(lián)性，表現(xiàn)為在工程擾動力作用下，當(dāng)巖體所承受的剪應(yīng)力超過某極限值時，所發(fā)生的隨時間發(fā)展的顯著粘彈塑性變形。,擠壓性圍巖應(yīng)具有下列特征： a-只要應(yīng)力和材料特性的特殊組合使隧道周圍的某些區(qū)域超過蠕變開始所需的臨界剪應(yīng)力，任何巖土介質(zhì)中均可發(fā)生擠壓現(xiàn)象； b-隧道擠壓收斂變形量、變形速率、洞周塑性區(qū)范圍，取決于地質(zhì)條件、強(qiáng)度應(yīng)力比、地下水流量、孔隙水壓力以及巖體性質(zhì)； c-在節(jié)理化巖體中可能發(fā)生因?yàn)橹ёo(hù)能力不足的、局限于頂部和側(cè)墻的大變形不包括在擠壓變形范疇內(nèi)； d-與時間相關(guān)的變形也可能發(fā)生在膨脹巖體中，擠壓變形通常不意味著體積增加； e-擠壓變形與隧道開挖和支護(hù)技術(shù)及步序密切相關(guān)，若支護(hù)滯后，巖體將向洞內(nèi)移動并造成應(yīng)力重分布，相反，若巖體變形被抑制，擠壓將導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)遭受長期加載。,如何進(jìn)行大變形的預(yù)測和程度分級？,從預(yù)測方法上：經(jīng)驗(yàn)方法和半定量半經(jīng)驗(yàn)方法。前者本質(zhì)上是基于巖石質(zhì)量分類來進(jìn)行的，后者則使用圓形隧道靜水壓力條件下的解析解及經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計分析，提出估計預(yù)期變形量的方法。,1）經(jīng)驗(yàn)方法 Singh等(1992)提出根據(jù)Q值預(yù)測擠壓變形的臨界隧道埋深的公式：,其中，H為隧道頂拱埋深(m)，Q為Barton的Q值。, Goel等(1995)根據(jù)99個隧道的跨度(B)、巖體質(zhì)量數(shù)(N)和隧道埋深(H)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，提出的如下經(jīng)驗(yàn)公式：,2）半經(jīng)驗(yàn)半定量方法 可根據(jù)所設(shè)定的判定標(biāo)準(zhǔn)差異，分為3類：單純強(qiáng)度應(yīng)力比法，極限變形量/相對變形量法，及應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度等多指標(biāo)結(jié)合法。,強(qiáng)度應(yīng)力比法 Muirwood(1972)首先建議使用能力因子(Competency factor)即巖石單軸抗壓強(qiáng)度與垂直應(yīng)力的比值來評價隧道的穩(wěn)定性。Nakano (1979)利用該參數(shù)來認(rèn)識日本軟巖隧道的擠壓變形潛勢。其后，Jethwa等(1984)、Singh等(1992) 、Hoek (2000) 等學(xué)者均根據(jù)巖體強(qiáng)度與應(yīng)力的比值來量化隧道圍巖的“擠壓變形潛勢”。,Jethwa等(1984)提出擠壓變形分類的公式及劃分標(biāo)準(zhǔn),極限變形量/相對變形量法 Aydan等(1993)認(rèn)為，只要巖體沒有完全飽和，圍巖大變形不可能完全由礦物的膨脹引起，認(rèn)識到日本原來認(rèn)為是膨脹誘發(fā)的隧道圍巖大變形實(shí)際上大部分是擠壓變形。并根據(jù)巖土材料應(yīng)力應(yīng)變曲線中應(yīng)變硬化階段、屈服階段、應(yīng)變軟化階段的極限應(yīng)變與彈性極限應(yīng)變的比值作為預(yù)測擠壓變形嚴(yán)重程度的評判標(biāo)準(zhǔn)，與實(shí)際量測得到的洞周相對切向應(yīng)變比較。,Goel & Singh(1999) 根據(jù)相對變形對圍巖擠壓變形程度進(jìn)行了分級。,Singh等(2007)認(rèn)為極限應(yīng)變值的確定應(yīng)當(dāng)取決于巖塊和巖體的性質(zhì)，并將其定義為隧道周邊切向應(yīng)變的經(jīng)驗(yàn)值，可通過數(shù)值模擬或現(xiàn)場監(jiān)測分析得到，然后監(jiān)測得到的應(yīng)變值與極限應(yīng)變值之比可被用來量化擠壓變形潛勢和修改支護(hù)設(shè)計。,應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度等多指標(biāo)結(jié)合法,Hoek最初也使用巖體強(qiáng)度應(yīng)力比作為隧道潛在擠壓問題的預(yù)測因子，但是在Hoek & Marinos(2000) 吸收了Sakurai(1983)的思想，將強(qiáng)度應(yīng)力比與應(yīng)變率（即隧道側(cè)壁位移與隧道半徑之百分比）結(jié)合起來，隧道圍巖擠壓變形的嚴(yán)重程度初步預(yù)測。,Hoek & Marinos (2000)的擠壓變形分級和建議采用支護(hù)類型,Hoek(2000) 通過有限元分析，給出了隧道掌子面和側(cè)壁的應(yīng)變率與初始地應(yīng)力、支護(hù)阻力之間的近似關(guān)系式：,張祉道（2003）嚴(yán)重程度大變形等級分類,中鐵二局（2000）擠壓性隧道的大變形分級標(biāo)準(zhǔn),徐林生（2002）的公路隧道圍巖大變形分級劃分方案,劉志春等(2008)施工階段大變形分級標(biāo)準(zhǔn)的綜合指標(biāo)判定法,劉志春等(2008)設(shè)計階段的大變形分級標(biāo)準(zhǔn),巖體,雙線隧道初期支護(hù)極限相對位移（水平收斂和拱頂下沉）,鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范（TB10108-2002, J159-2002）,現(xiàn)有設(shè)計施工規(guī)范遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工程實(shí)踐研究的結(jié)果！,圍巖大變形的機(jī)理,何滿潮教授提出的軟巖大變形的力學(xué)機(jī)制,修建于18961906年、連接瑞士和意大利的辛普倫1#隧道是世界上最早出現(xiàn)嚴(yán)重擠壓變形的交通隧道。此后，世界范圍內(nèi)先后出現(xiàn)了奧地利Tauern隧道和Arlberg隧道、瑞士Furka隧道、日本Enasan隧道、中國家竹菁隧道、中國烏鞘嶺隧道、印度隧道Maneri隧道、伊朗Taloun隧道、土耳其Bolu隧道、委內(nèi)瑞拉Yacambu隧道等一系列典型擠壓性隧道。,圍巖擠壓大變形工程實(shí)例,在我國水電、交通等工程領(lǐng)域，近年來有越來多的深埋長大隧道進(jìn)入施工期，地下洞室“長、大、深、群”的特點(diǎn)也將愈加明顯，帶來許多深部巖石力學(xué)問題，其中尤以巖爆最為突出。巖爆不僅破壞地下工程結(jié)構(gòu)，損壞生產(chǎn)設(shè)備，而且嚴(yán)重威脅人身安全，已成為我國未來深部或深埋地下工程中的一大技術(shù)瓶頸問題（譚以安，1989、1991；Jenkins, Williams, Wideman，1990；謝和平、Pariseau ，1993；Young，1993；費(fèi)鴻祿，1993；周愛民，1996；康德安，1996；馮夏庭、王泳嘉，1998；唐春安，2004）。,二、深部隧道圍巖的巖爆,巖爆是高應(yīng)力地區(qū)地下洞室中圍巖脆性破壞時應(yīng)變能突然釋放造成的一種動力失穩(wěn)現(xiàn)象, 屬于高應(yīng)力地區(qū)洞室開挖中常見的一種地質(zhì)問題（教科書）。 通過巖爆室內(nèi)實(shí)驗(yàn)資料分析，巖爆是高能量巖體在開挖形成的臨空條件下能量突然釋放的地球物理現(xiàn)象（何滿潮）。 巖爆通常被定義為能夠?qū)е碌叵露词覈?yán)重?fù)p壞的微震事件(P. Kaiser)。 由于開挖洞室，使原有的地應(yīng)力平衡被打破,不僅地應(yīng)力將重新分布，而且往往造成局部圍巖應(yīng)力躍升及能量進(jìn)一步集中，并可能導(dǎo)致圍巖變形局部化現(xiàn)象,誘發(fā)巖石中的微破裂，使圍巖由靜態(tài)平衡向動態(tài)失穩(wěn)發(fā)展，釋放大量彈性能，形成巖爆（唐春安）。 巖爆是宏觀上處于低應(yīng)力、小變形狀態(tài)(相對于靜力破壞極限)的硬質(zhì)脆性圍巖中初始損傷的漸進(jìn)性擴(kuò)展，引起裂紋周圍(尤其是尖端)局部應(yīng)力環(huán)境惡化，并最終導(dǎo)致裂紋大規(guī)?？焖賱恿U(kuò)展的結(jié)果（徐林生）。,巖爆的定義,因此，巖爆是一種由漸進(jìn)破壞誘發(fā)突變的過程，其力學(xué)機(jī)制極其復(fù)雜，目前有關(guān)它的研究還多停留在假說和經(jīng)驗(yàn)階段。 Brown（1988）曾指出：“甚至在巖爆定義上達(dá)到一致意見都是困難的，巖爆這個問題的成功答案，目前正在全世界很多研究中心進(jìn)行著研究，它的進(jìn)展將代表著巖石力學(xué)這門學(xué)科的發(fā)展和重大突破”。 Hoek和Brown（1986）也曾指出：“目前對這種漸進(jìn)破壞過程還很不清楚，它是巖石力學(xué)研究工作者所面臨的一個挑戰(zhàn)性難題”。,依據(jù)巖爆發(fā)生的原因，巖爆可分為斷層滑動、礦柱破壞和應(yīng)變型巖爆。,根據(jù)巖爆發(fā)生的時間，巖爆可分為瞬時巖爆和滯后巖爆。兩者的形成機(jī)理有所不同： 瞬時巖爆的最大應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖體強(qiáng)度，當(dāng)開挖形成臨空面?zhèn)认迚毫獬龝r，應(yīng)力不能及時調(diào)整，切向應(yīng)力來不及增加的情況下發(fā)生了巖爆的現(xiàn)象。 滯后巖爆的最大應(yīng)力水平接近于巖體強(qiáng)度，當(dāng)開挖形成臨空面?zhèn)认迚毫獬龝r，應(yīng)力能夠調(diào)整，切向應(yīng)力迅速增加的情況下發(fā)生了巖爆的現(xiàn)象。,巖爆的分類,無論是瞬時巖爆，還是滯后巖爆，都要經(jīng)歷巖爆應(yīng)力演化過程和巖爆板裂結(jié)構(gòu)演化過程。,巖爆應(yīng)力演化過程,巖爆板裂結(jié)構(gòu)演化過程,瞬時巖爆的應(yīng)力路徑,滯后巖爆的應(yīng)力路徑,瞬時巖爆和滯后巖爆的應(yīng)力路徑差異,巖石剝落是一種可以在開挖面附近顯著看到的巖石漸進(jìn)破壞過程，包括延伸或張拉破壞（裂紋擴(kuò)展圖a）以及剪切破壞過程（明顯沿著既存弱結(jié)構(gòu)面b）。剝落破壞可能是逐步發(fā)展，也可能以應(yīng)變型巖爆的方式突然出現(xiàn)。,延伸型剝離,沿弱面剪切破壞,片麻巖中應(yīng)力導(dǎo)致的破壞,巖石剝落和巖石碎脹,巖體碎脹是由于大塊或中等塊度節(jié)理巖體破壞而導(dǎo)致的體積增長過程。由于側(cè)向收縮，巖體破碎成塊狀并沿徑向朝洞內(nèi)移動。 這種情況會大大增加支護(hù)的變形量。如果沒有支護(hù)的話，碎脹系數(shù)可以達(dá)到35%。而如果設(shè)置適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)體系，碎脹系數(shù)可以降低到5-10%(Kaiser et al. 1996)。,巖爆彈射現(xiàn)象,巖爆從洞壁彈射出的巖塊及靠近巖爆裂面殘留下來的斷塊多為棱塊狀、透鏡狀、磷片狀、片狀, 少數(shù)為板狀。,經(jīng)過長期研究，人們發(fā)現(xiàn)巖爆一般僅發(fā)生于堅硬的脆性巖石中，隧道橫斷面上的應(yīng)力分量的和( 1+3)的量級一般較高。 有研究者指出，應(yīng)力接近巖體強(qiáng)度的高儲能體的存在，是巖爆產(chǎn)生的內(nèi)因，某些附加荷載的觸發(fā)是其產(chǎn)生的外因。 目前被廣泛采用的巖爆預(yù)測判據(jù)：切應(yīng)力()與單軸抗壓強(qiáng)度( c )之比，強(qiáng)調(diào)的主要是“荷載接近強(qiáng)度”，這被稱為巖爆發(fā)生機(jī)制的靜荷載理論。,巖爆發(fā)生機(jī)制,大多數(shù)巖爆都是在 低于甚至遠(yuǎn)低于c的情況下發(fā)生的；盡管隧道開挖誘發(fā)的應(yīng)力重分布可以使開挖輪廓面附近的q s 有所增大，但根據(jù)摩爾-庫侖準(zhǔn)則，增大的幅度還不足以將圍巖壓爆。,在大塊或中等塊度的節(jié)理脆性巖體中，破壞深度起自于開挖處最大應(yīng)力超過由完整巖芯獲得的UCS值大約40%時。,如果試驗(yàn)所得的UCS值低于實(shí)際巖石的真實(shí)強(qiáng)度（可能是來自于破壞了的鉆孔巖芯），這將造成對巖爆深度的誤判。,巖爆的烈度分級,水力水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(50287-2006),巖爆的烈度分級,水力水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(50287-2006),從小的巖塊剝落到嚴(yán)重的破碎巖體剝離，圍巖破壞在劇烈程度或嚴(yán)重程度上有所不同。 巖爆破壞的動力特性意味著在破壞過程中存在著潛在的有可能導(dǎo)致已支護(hù)和未支護(hù)洞室嚴(yán)重破壞或完全垮塌的能量釋放。 Kaiser et al. (1996) 采用破壞深度(Depth of Failure)和沿巷道周界的側(cè)向破壞長度定義巖爆的嚴(yán)重程度。,巖爆的烈度分級,巖體強(qiáng)度 巖體結(jié)構(gòu) 巖性 工程斷面尺寸效應(yīng)、形狀效應(yīng) 開挖方式與開挖速度 支護(hù)類型與施工質(zhì)量,巖爆影響因素,地應(yīng)力條件，包括重力、構(gòu)造應(yīng)力、工程擾動應(yīng)力等,巖爆是否可以預(yù)測呢？兩個部分：（1）巖爆的破壞位置能夠預(yù)測嗎？（2）巖爆發(fā)生的時間能夠預(yù)測嗎？,Kaiser認(rèn)為，精確預(yù)測隧道巖爆發(fā)生的時間或者位置以便有選擇地設(shè)置防巖爆支護(hù)幾乎是不可能的。然而基于大量數(shù)據(jù)的收集，在掘進(jìn)循環(huán)中建立巖爆發(fā)生時間的判斷準(zhǔn)則是有可能的。,巖爆的預(yù)測,改善巖爆條件: 采用超前徑向鉆孔減壓。在產(chǎn)生巖爆位，打風(fēng)鉆孔或放小炮震裂，并可同時在風(fēng)鉆孔內(nèi)灌水，人為造成應(yīng)力擴(kuò)敬，改變應(yīng)力集中狀態(tài)。 改善巖爆發(fā)生的爆破振動誘因: 在巖爆易發(fā)生洞段，采用短進(jìn)尺，多循環(huán)的開挖方式，控制一次爆破用藥量，有利于應(yīng)力的逐步釋放，減輕爆破展動對圍巖極限應(yīng)力狀態(tài)的破壞。 加強(qiáng)支護(hù): 對需要永久襯砌的地段，巖爆部位可增設(shè)錨桿，同時掛網(wǎng)噴混凝土;對不需要永久襯砌的地段，采用臨時鋼木排架支護(hù)，聽到爆裂聲，立即進(jìn)行支護(hù)。 回避的方法: 對強(qiáng)巖爆洞段，各種處理辦法都來不及用上或難以用上時，等待圍巖應(yīng)力自行調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定，有時也不失為一種方法。,巖爆的防治,紅粘土：碳酸鹽巖系出露區(qū)的巖石，經(jīng)紅土化作用形成的棕紅或褐黃等色的高塑性粘土稱為原生紅粘土。經(jīng)再搬運(yùn)、沉積后仍保留紅粘土基本特征，液限大于45%的粘土稱為次生紅粘土。,紅黏土的定義,中國科學(xué)院研究生院工程地質(zhì)學(xué)碩士課程,1977年版工業(yè)與民用建筑和地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范:紅粘土是碳酸鹽類巖石經(jīng)風(fēng)化后殘積、坡積形成的褐紅色、棕紅色、黃褐色粘土。,玄武巖、花崗巖、碎屑巖、粉砂巖及某些黏土巖都有可能風(fēng)化形成紅粘土,紅粘土主要分布在北緯30與南緯30之間的熱帶、亞熱帶地區(qū)。 我國紅粘土分布廣泛, 主要分布區(qū)在我國南方各省區(qū), 總出露面積達(dá)20余萬平方公里。 如云貴高原、四川東部、廣西、粵北及鄂西、湘西等地區(qū)的低山、丘陵地帶頂部和山間盆地、洼地、緩坡及坡腳地段。,紅黏土分布,中國科學(xué)院研究生院工程地質(zhì)學(xué)碩士課程,黔、桂、滇等地古溶蝕地面上堆積的紅粘土層，由于基巖起伏變化及風(fēng)化深度的不同，造成其厚度變化極不均勾常見為58m，最薄為0.5m，最厚為20m。在水平方向常見咫尺之隔，厚度相差達(dá)10m之巨。上層中常有石芽、溶洞或土洞分布其間，給地基勘察、設(shè)計工作造成困難。,中國科學(xué)院研究生院工程地質(zhì)學(xué)碩士課程,對紅粘土的成因: 紅粘土化過程基本上是一個化學(xué)、物理化學(xué)的變化或母巖中礦物的遷移、過渡、交代、沉淀的過程, 并歸納為下列三個發(fā)展階段: 第一階段: (最初風(fēng)化) 原始礦物部分地或完全地物理或化學(xué)的風(fēng)化, 基本元素、倍半氧化物膠體的“釋放”。 第二階段: (次生風(fēng)化或紅粘土化) 母巖部分地或完全地淋濾。一些礦物分解、遷移、礦物間部分的重新組合。第二階段的風(fēng)化程度與原始礦物的化學(xué)風(fēng)化程度及本質(zhì)有關(guān)。 第三階段: 部分的或完全的水合膠體, 氧化鐵、鋁的脫水。,紅黏土成因,紅粘土的一般特點(diǎn)是含水量高、孔隙比大，塑性強(qiáng)，卻具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和較低的壓縮性。 紅粘土的含水量高、孔隙比大，塑性強(qiáng)等物理指標(biāo)與軟黏土相似，但是其較高的力學(xué)強(qiáng)度和低壓縮性，與軟粘土差別巨大。,中國科學(xué)院研究生院工程地質(zhì)學(xué)碩士課程,紅黏土基本物理力學(xué)性質(zhì),中國科學(xué)院研究生院工程地質(zhì)學(xué)碩士課程,紅黏土基本物理力學(xué)性質(zhì),在液限孔隙比散點(diǎn)圖上，可看出紅粘土的液限比軟土液限上限大很多。,中國科學(xué)院研究生院工程地質(zhì)學(xué)碩士課程,紅黏土與軟土工程力學(xué)特性比較,在壓縮系數(shù)孔隙比散點(diǎn)圖上，可看出相同孔隙比條件下，紅粘土的壓縮系數(shù)比軟土壓縮系數(shù)下限低很多。,中國科學(xué)院研究生院工程地質(zhì)學(xué)碩士課程,在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度孔隙比散點(diǎn)圖上，可看出紅粘土的抗壓強(qiáng)度比軟土抗壓強(qiáng)度的上限大很多。,紅黏土與軟土工程力學(xué)特性比較,中國科學(xué)院研究生院工程地質(zhì)學(xué)碩士課程,在剪應(yīng)力孔隙比散點(diǎn)圖上，可看出紅粘土的抗剪強(qiáng)度比軟土抗剪強(qiáng)度上限要大。,紅黏土與軟土工程力學(xué)特性比較,雖然紅粘土的含水量高、孔隙比大，塑性強(qiáng)等物理指標(biāo)比軟黏土差，但是其工程性能卻遠(yuǎn)比軟土要好。這一特性是紅粘土被視為特殊土的主要原因。,紅粘土的組成成分 紅粘土的一般物理力學(xué)特征 紅粘土的物理力學(xué)性質(zhì)變化范圍及其規(guī)律性 裂隙對紅粘土強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響,紅粘土的成分、物理力學(xué)特征及其變化規(guī)律,紅粘土的主要工程性質(zhì)與評價,中國科學(xué)院研究生院工程地質(zhì)學(xué)碩士課程,由于紅粘土系碳酸鹽類及其他類巖石的風(fēng)化后期產(chǎn)物，母巖中的較活動性的成分SO2-4、Ca2+、Na+、K+經(jīng)長期風(fēng)化淋濾作用相繼流失，SiO2部分流失，此時地表則多集聚含水鐵鋁氧化物及硅酸鹽礦物，并繼而脫水變?yōu)檠趸F鋁，使土染成褐紅至磚紅色。 因此，紅土化過程同時也是脫硅富鋁鐵的地球化學(xué)過程。,紅粘土的組成成分,中國科學(xué)院研究生院工程地質(zhì)學(xué)碩士課程,紅粘土的礦物成分除仍含有一定數(shù)量的石英顆粒外，大量的粘土顆粒則主要為多水高嶺石、水云母類、膠體二氧化硅及赤鐵礦、三水鋁土礦等組成，不含或極少含有機(jī)質(zhì)。 紅粘土的主要礦物有: 高嶺石、伊利石、針鐵礦、褐鐵礦、蒙脫石、石英、綠泥石和水鋁英石等。,中國科學(xué)院研究生院工程地質(zhì)學(xué)碩士課程,紅粘土顆粒周圍的吸附陽離子成分也以水化程度很弱的三價鐵、鋁為主。 紅粘土的粒度較均勻，呈高分散性。粘粒含量一般為6070，最大達(dá)80。,1、天然含水量高，一般為4060，高達(dá)90。,紅粘土的一般物理力學(xué)特征,2、密度小，天然孔隙比一般為1.4-1.7，最高2.0，具有大孔性。,5、一般呈現(xiàn)較高的強(qiáng)度和較低的壓縮性，固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角為8。18。，內(nèi)聚力4090kPa。壓縮系數(shù)a0.2-0.3=0.1-0.4MPA-1，變形模量10-30MPa，最高可達(dá)50MPA，荷載試驗(yàn)比例界限200300kPa。,3、高塑性。液限一般為6080，高達(dá)110；塑限一般為4060，高達(dá)90；塑性指數(shù)一般為2050。,4、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)，液性指數(shù)一般小于0.25。但是其飽和度一般在90以上，因此，甚至堅硬粘土也處于飽水狀態(tài)。,6、不具有濕陷性，其濕陷系數(shù)0.00040.00080.015。原狀土浸水后膨脹量很小(2)，但失水后收縮劇烈，原狀土體積收縮率25，而擾動土可達(dá)4050。,紅粘土：雖然天然含水量高，孔隙比很大，但卻具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和較低的壓縮性,生成環(huán)境及其相應(yīng)的組成物質(zhì)和堅固的粒間連結(jié)特性。,中國科學(xué)院研究生院工程地質(zhì)學(xué)碩士課程,紅粘土呈現(xiàn)高孔隙性首先在于其顆粒組成的高分散性，是粘粒含量特別多和組成這些細(xì)小粘粒的含水鐵鋁硅氧化物在地表高溫條件下很快失水而相互凝聚膠結(jié)，從而較好地保存了它的絮狀結(jié)構(gòu)的結(jié)果。 因此，紅粘土有較高的強(qiáng)度，主要是因?yàn)檫@些鐵、鋁、硅氧化物顆粒本身性質(zhì)穩(wěn)定及互相膠結(jié)所造成的。特別是在風(fēng)化后期，有些氧化物的膠體顆粒會變成結(jié)晶的鐵、鋁、硅氧化物，粒間連結(jié)強(qiáng)度大。 另外，由于紅粘土顆粒周圍吸附陽離子成分主要為三價鐵和鋁，這些鐵、鋁化的顆粒外圍的結(jié)合水膜很薄，也加強(qiáng)了其粒間的連結(jié)強(qiáng)度。,中國科學(xué)院研究生院工程地質(zhì)學(xué)碩士課程,紅粘土的高天然含水量的原因： 顆粒高分散性，表面能很大，吸附了大量水分子。 紅粘土的高塑限值的原因： 土中孔隙是被強(qiáng)結(jié)合水(吸著水)所充填，而強(qiáng)結(jié)合水由于受土顆粒的吸附力很大，分子排列很密，具有很大的粘滯性和抗剪強(qiáng)度。 由于分布地區(qū)環(huán)境地表溫度高，分布在山坡、山嶺或坡腳地勢較高地段的紅粘土，其地表水和地下水的排泄條件好，使土的天然含水量也只接近于塑限，使土體處于堅硬或硬可塑狀態(tài)。 這些紅粘土的組成成分及其粒間連結(jié)和含水特性，也是它所以呈現(xiàn)高孔隙性和大孔性，而又不具有浸水濕陷性的主要原因。,已有資料分析知，紅粘土本身的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)又有相當(dāng)大的變化范圍。以貴州省的紅粘土為例： 天然含水量2588； 天然孔隙比0.72.4；液限36l25； 塑性指數(shù)1875；液性指數(shù)0.451.4； 內(nèi)摩擦角231度，內(nèi)聚力10140kPa，變形模量436MPa。 其物理力學(xué)性質(zhì)變化如此之大，承載力自然會有顯著的差別。貌似均勻的紅粘土，其工程性能的變化卻十分復(fù)雜，這也是紅粘土的一個重要特點(diǎn)。,紅粘土的物理力學(xué)性質(zhì)變化范圍及其規(guī)律性,中國科學(xué)院研究生院工程地質(zhì)學(xué)碩士課程,1）在深度方向，隨著深度的加大，其天然含水量、孔隙比和壓縮性都有較大的增高，狀態(tài)由堅硬、硬塑可變?yōu)榭伤?、軟塑以至流塑狀態(tài)，因而強(qiáng)度則大幅度降低。1m處的內(nèi)聚力為190kPa，到11m則降為9kPa，只及1m處的120。上硬下軟。 2）在水平方向，隨著地形地貌及下伏基巖的起伏變化，紅粘土的物理力學(xué)指標(biāo)也有明顯的差別。在地勢較高的部位，由