巖土體工程地質(zhì)特性

注冊土木工程師（水利水電工程）考前培訓水利水電工程地質(zhì)高玉生中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司(水利部天津水利水電勘測設(shè)計研究院)2011年8月水利水電工程地質(zhì)1、巖土體工程地質(zhì)特性2、水利水電工程地質(zhì)勘察3、勘察技術(shù)方法4、區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性5、水庫工程地質(zhì)6、水工建筑物工程地質(zhì)7、邊坡工程地質(zhì)8、地下洞室工程地質(zhì)9、天然建筑材料勘察10、特殊巖（土）體地質(zhì)問題11、題型特點與例題巖土體的工程地質(zhì)特性—考試大綱【考試大綱】

土的工程分類及主要物理、力學性質(zhì)巖石分類及主要物理、力學性質(zhì)巖體結(jié)構(gòu)類型、風化（卸荷）帶及軟弱夾層的工程地質(zhì)特性巖（土）體滲透性特殊巖土體的工程地質(zhì)特性土的基本概念

根據(jù)中國大百科全書：土是尚未固結(jié)成巖的松、軟堆積物；主要為第四紀的產(chǎn)物；土與巖石的根本區(qū)別是土不具有剛性的聯(lián)結(jié)，物理狀態(tài)多變，力學強度低等；由各類巖石經(jīng)風化作用而成；位于地殼的表層，是人類工程經(jīng)濟活動的主要地質(zhì)環(huán)境。土一般由固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三相組成，三者的不同比例決定了土的物理力學性質(zhì)。土的三相圖三相圖土的工程分類標準輔導材料中列入3個分類標準：《土的工程分類標準》GB/T50145—2007《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021—2001的分類《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》SL188—2005中關(guān)于細粒土的分類土的工程分類2008年6月1日開始實施的《土的工程分類標準》（GB/T50145-2007）屬于基本分類，即通用分類標準。它是以土的顆粒組成、塑性指標和土中有機質(zhì)含量為分類依據(jù)SL237—001—1999與之基本一樣復習重點各粒組的劃分粒徑（mm）：0.005、0.075、0.025、0.5、2、5、20、60、200巨粒類土（巨粒土、混合巨粒土、巨?；旌贤粒罕?-2粗粒類土（礫類土、砂類土）：詳見表3-3~3-4粗粒土顆粒級配同時滿足Cu≥5和1≤Cc≤3時為級配良好土，否則為級配不良土細粒土的分類細粒土依據(jù)塑性圖進行分類10020304050607080901001020304050液限wL(%)塑性指數(shù)IpBACHCHOMHMHOMLMLOCLOCL關(guān)于有機質(zhì)土《土的工程分類標準》將有機質(zhì)含量小于10%且不小于5%土稱為有機質(zhì)土（小于5%時土的性質(zhì)與無機土差別不大）對于有機質(zhì)含量大于等于10%的土，其性質(zhì)將大大不同于一般細粒土，稱為有機土，本標準不再分類《巖土工程勘察規(guī)范》的分類按時代劃分為老沉積土——晚更新世Q3及其以前的土；新近沉積土——全新世中近期沉積的土。按土的成因劃分為殘積土、坡積土、洪積土、蟲積土、淤積土、冰積土和風積土等。按顆粒級配和塑性指數(shù)劃分為碎石土、砂土、粉土和黏性土四類。碎石土分類（48表3-7）名稱顆粒形狀顆粒級配漂石塊石圓形及亞圓形為主棱角形為主d>200mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量的50%卵石碎石圓形及亞圓形為主棱角形為主d>20mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量的50%圓礫角礫圓形及亞圓形為主棱角形為主d>2mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量的50%砂土分類（P48表3-8）名稱顆粒級配礫砂d>2mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的25~50%粗砂d>0.5mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的50%中砂d>0.25mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的50%細砂d>0.075mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的85%粉砂d>0.075mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的50%粘性土分類名稱塑性指數(shù)Ip粉質(zhì)粘土10<Ip≤17粘土Ip>17土的三角坐標分類

（《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》SL188—2005對細粒土的分類方法）采用高100mm的等腰三角形，三角形的三個邊分別代表一個粒組，常用砂粒組、粉粒組和粘粒組逆時針由0至100%劃分為10等分顆粒分析成果表示在圖中—命名土的三角坐標分類三角坐標圖010203040506070809010001020304050607080901000102030405060708090100361585粉粒含量（％）粘粒含量（％）砂粒含量（％）輕粉質(zhì)砂壤土粉土輕砂壤土砂土重粘土粘土砂質(zhì)粘土粉質(zhì)粘土重壤土重粉質(zhì)壤土中粉質(zhì)壤土輕壤土中壤土輕粉質(zhì)壤土重砂壤土重粉質(zhì)砂壤土土的主要物理水理性質(zhì)指標土粒比重（Gs

）天然密度（ρ）含水率（ω）滲透系數(shù)（k）孔隙比（e）土的稠度與界限含水率孔隙率（n）各項指標的物理意義詳見輔導材料土的主要物理水理性質(zhì)指標土粒比重（Gs）是指土粒在105~110℃下烘至恒重時的質(zhì)量與土粒同體積4℃純水質(zhì)量的比值。其試驗方法有浮稱法、虹吸法和比重瓶法。土的密度是指土在某種狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，單位為g/cm3。按照土的含水狀態(tài)，表示土的密度的指標有天然密度（ρ），干密度（ρd）和飽和密度（ρszt）等。

土的主要物理水理性質(zhì)指標

在工程上經(jīng)常用到重度的概念，如干重度、飽和重度等。其值等于相應密度乘以重力加速度。含水率（ω）是指土中所含水分的質(zhì)量與固體顆粒質(zhì)量之比。通常用百分數(shù)表示。

土的密度、比重和含水率均系直接試驗參數(shù)。其它很多指標都可通過這三個指標計算得到。土的主要物理水理性質(zhì)指標孔隙率（n）是指土中孔隙體積（Vv）與土的總體積(Vs)之比。通常用百分數(shù)表示。孔隙比（e）是指土中孔隙體積（Vv）與土粒體積(V)之比。二者都是表示孔隙在土中所占相對體積的指標，反映土的緊密程度。土的主要物理水理性質(zhì)指標土的稠度：細粒土因含水率的變化而表現(xiàn)出的各種不同物理狀態(tài)，稱為細粒土的稠度。細粒土的稠度狀態(tài)主要有液態(tài)、塑態(tài)和固態(tài)三種。土的界限含水率：由一種稠度狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N稠度狀態(tài)時相應于轉(zhuǎn)變點的含水率稱為界限含水率。液限（WL）是粘土處于可塑狀態(tài)的上限含水率，相當于液態(tài)與可塑狀態(tài)之間的界限含水率。土的主要物理水理性質(zhì)指標塑限（WP）是使粘性土成為可塑狀態(tài)的下限含水率；縮限（ws）相當于從半固態(tài)轉(zhuǎn)入固態(tài)的界線含水率。塑性指數(shù)（IP）是表征土的塑性狀態(tài)的指標，它反映粘性土具有可塑性的含水率變化范圍，間接表明土的強度隨含水率改變而變化。土的主要物理水理性質(zhì)指標液性指數(shù)：式中w—是土的天然含水率液性指數(shù)（IL）是判斷粘土稠度狀態(tài)的重要指標。

Il≤0堅硬；

0<Il≤0.25硬塑；

0.25<Il≤0.75可塑；

0.75<Il≤1.0軟塑；

>1.0流塑土的主要物理水理性質(zhì)指標滲透系數(shù)（k）是指當土中水滲流呈層流狀態(tài)時，其流速與作用水力梯度成正比關(guān)系的比例系數(shù)，單位為cm/s或m/d。（達西定律）是水文地質(zhì)中重要的指標之一，通常由現(xiàn)場試驗或室內(nèi)試驗獲得。土的主要力學性質(zhì)指標壓縮系數(shù)（a）抗剪強度（τ）靈敏度（St）無側(cè)限抗壓強度（qu）土的壓縮性在壓力作用下，土體中的孔隙體積減小，而引起土體積變小的性質(zhì)。用壓縮系數(shù)表征。壓縮系數(shù)（a）是指在K0固結(jié)試驗中，土試樣的孔隙比減小量與有效壓力增量的比值，即e~p壓縮曲線上某壓力段的割線斜率，以絕對值表示，單位為Mpa-1。壓縮系數(shù)的應用在工程實際中，常以壓力段為0.1Mpa至0.2Mpa的壓縮系數(shù)（α1-2）作為判斷土的壓縮性高低的標準。當α1-2<0.1Mpa-1時，為低壓縮性；當0.1Mpa-1≤α1-2<0.5Mpa-1時，為中壓縮性；當α1-2≥0.5Mpa-1時，為高壓縮性。抗剪強度（τ）土具有的抵抗剪切破壞的極限強度。抗剪強度參數(shù)用摩擦系數(shù)和凝聚力表示。土的剪切破壞可以看作是顆粒之間聯(lián)結(jié)的破壞；顆粒之間的聯(lián)結(jié)強度隨剪切面上的有效應力大小而改變，這是土的抗剪強度的主要特征之一。土的抗剪試驗包括直剪試驗、三軸剪切試驗及十字板剪切試驗等，根據(jù)試驗方法及排水狀態(tài)有多種抗剪強度指標。一般根據(jù)工程需要和規(guī)程規(guī)范選用。無側(cè)限抗壓強度（qu）為土在側(cè)面不受限制的條件下，抵抗垂向壓力的極限強度。σ3=0；σ1=qu=2c×tg(450+0.5φ)qu—粘性土的無側(cè)限抗壓強度對于飽和軟粘土，在不固結(jié)不排水的條件下φ=0；因此，飽和軟粘土的抗剪強度tf=c=0.5×qu靈敏度（St）靈敏度（St）是指原狀土的無側(cè)限抗壓強度與相同含水率的重塑土的無側(cè)限抗壓強度之比。根據(jù)靈敏度指標判斷土的靈敏性。當St<2時為低靈敏，St=2~4時為一般靈敏；St=4~8時為靈敏；St>8時為高靈敏。巖石與巖體的定義

根據(jù)中國大百科全書：巖石：是礦物的天然集合體。由一種或多種礦物按一定方式結(jié)合而成。部分為火山玻璃、膠體物質(zhì)或生物遺體組成。是地球演化過程中經(jīng)過各種地質(zhì)作用形成的固態(tài)物質(zhì)，構(gòu)成地殼和地幔的主要成分。巖體：在地質(zhì)作用過程中經(jīng)受過變形和破壞的，由一定巖石成分組成，并具有一定結(jié)構(gòu)的、賦存于一定地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。巖體是巖石的集合體，由結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)及其所圍限的巖石組成。巖石的成因分類—一級分類巖漿巖（火成巖）是上地?；虻貧ど畈慨a(chǎn)生的熾熱粘稠的巖漿冷凝固結(jié)形成的巖石。如花崗巖、玄武巖等。沉積巖是成層堆積的松散沉積物固結(jié)而成的巖石。在地殼表層，母巖經(jīng)風化作用、生物作用、火山噴發(fā)作用而成的松散碎屑物及少量宇宙物質(zhì)經(jīng)過介質(zhì)（主要是水）的搬運、沉積、成巖作用形成沉積巖。如灰?guī)r、砂巖等。巖石的成因分類—一級分類變質(zhì)巖由于地質(zhì)環(huán)境和物理化學條件的改變，使原先已形成的巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造甚至化學成分發(fā)生改變所形成的巖石。如片麻巖、大理巖等。巖石的二級分類巖漿巖（火成巖）見P51表3-9沉積巖見P52表3-10變質(zhì)巖見P52表3-11巖石的主要物理水理性質(zhì)指標巖石顆粒密度（ρP）巖石塊體密度（ρ0

）軟化系數(shù)（η）吸水率（ω）滲透系數(shù)（K）孔隙率（n）巖石的主要物理水理性質(zhì)指標巖石顆粒密度（ρP）是指巖石的固體部分質(zhì)量與其體積之比，g/cm3。巖石塊體密度（ρо）是指巖塊質(zhì)量與其體積之比，g/cm3。按巖塊的含水狀態(tài)，分為干密度（ρd），飽和密度（ρsat）等?？紫堵剩╪）是指巖石中孔隙的體積與巖石的體積的比值。巖石的主要物理水理性質(zhì)指標自由吸水率（ωa）：是指巖石試件在一個大氣壓和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量與巖石干質(zhì)量的比值。飽和吸水率（ωs）：是指巖石試件強制飽和（煮沸法或真空抽氣法）后吸入水的質(zhì)量與巖石干質(zhì)量的比值。飽水系數(shù)：自由吸水率（ωa）與飽和吸水率（ωs）之比。巖石的主要物理水理性質(zhì)指標巖石的吸水率和飽水系數(shù)是表征巖石水理性質(zhì)的重要指標。巖石吸水率的多少，取決于巖石所含空隙的數(shù)量、大小及其張開程度。根據(jù)飽水系數(shù)的大小可以判斷巖石的抗凍性能，飽水系數(shù)大，說明常壓下吸水后余留的空隙少，抗凍性能差。巖石的主要物理水理性質(zhì)指標

在工程實踐中，巖石（巖體）的透水性有兩種表達方式：滲透系數(shù)（k）是指水力坡度為1時，水在巖石中流動的速度。單位為cm/s，也有用m/d

。透水率的單位為呂榮（Lu），即當試驗壓力為1MPa時每米試段的壓入水流量（L/min）。巖石的主要物理水理性質(zhì)指標

軟化系數(shù)是指巖石浸水飽和后的抗壓強度與干燥狀態(tài)下抗壓強度的比值。

表示巖石遇水軟化的性能，越大軟化性能越弱，其抗凍性和抗風化能力強；反之亦然。巖石的主要力學性質(zhì)指標單軸抗壓強度（R）抗拉強度（σt）抗剪強度（τ）泊松比（μ）變形模量（E0）巖石的主要力學性質(zhì)指標

單軸抗壓強度（R）是指巖石試件在單向受力破壞時所能承受的最大壓應力，單位為MPa。

根據(jù)巖石的含水狀態(tài)，表征巖石抗壓強度的指標還有干抗壓（RC）、飽和抗壓（Rs）等?？估瓘姸龋é襱）是指巖石試件在單向受拉條件下所承受的最大拉應力，單位為MPa。常用的試驗方法有軸向拉伸法和劈裂法，其中采用劈裂法的較多。巖石的主要力學性質(zhì)指標抗剪強度（τ）是指巖石試件受剪力作用時能抵抗剪切破壞的最大剪應力。由內(nèi)聚力（c）和內(nèi)摩擦阻力σ?tg?兩部份組成。一般表達式為τ=σ?tg?+c，單位為MPa?？辜魪姸劝丛囼灧椒ú煌?，通常分為三種抗剪強度。巖石的主要力學性質(zhì)指標抗剪斷強度是指在一定的法向應力作用下，沿預定剪切面剪斷時的最大剪應力。反映了巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦阻力之和。抗剪（摩擦）強度是指在一定的法向應力作用下，沿已有破裂面剪壞時最大剪應力?？骨袕姸仁侵阜ㄏ驊榱銜r沿預定剪切面剪斷時的最大剪應力。巖石的主要力學性質(zhì)指標變形模量（E0）是指在單向壓縮條件下，巖石試件的軸向應力與軸向應變之比，單位為Mpa。當巖石的應力—應變?yōu)橹本€關(guān)系時，變形模量為一常量，稱為彈性模量（E）。泊松比（μ）是指在單向壓縮條件下，巖石試件的橫向應變與軸向應變之比。巖體的工程地質(zhì)特性巖體中的結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體稱為巖體的結(jié)構(gòu)單元，不同類型的結(jié)構(gòu)單元在巖體內(nèi)的組合和排列形式稱為巖體結(jié)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)類型是評價巖體質(zhì)量的重要基礎(chǔ)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》將巖體結(jié)構(gòu)分為5類13亞類。詳見P54表3-13注意：結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度的劃分標準巖體結(jié)構(gòu)及分類類型亞類巖體結(jié)構(gòu)特征塊狀結(jié)構(gòu)

整體狀巖體完整，呈巨塊狀，結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，間距大于100cm

塊狀巖體較完整，呈塊狀，結(jié)構(gòu)面輕度發(fā)育，間距一般100~50cm

次塊狀巖體較完整，呈次塊狀，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，間距一般50~30cm

層狀結(jié)構(gòu)

巨厚層狀巖體完整，呈巨厚層狀，結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，間距大于100cm

厚層狀巖體較完整，呈厚層狀，結(jié)構(gòu)面輕度發(fā)育，間距一般100~50cm

中厚層狀巖體較完整，呈中厚層狀，結(jié)構(gòu)面中等發(fā)育，間距一般50~30cm

互層狀巖體較完整或完整性差，呈互層狀，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育或發(fā)育，間距一般30~10cm

薄層狀巖體完整性差，呈薄層狀，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，間距一般小于10cm巖體結(jié)構(gòu)及分類類型亞類巖體結(jié)構(gòu)特征碎裂結(jié)構(gòu)

鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)巖體完整性差，巖塊鑲嵌緊密，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育到很發(fā)育，間距一般30~10cm

碎裂結(jié)構(gòu)巖體較破碎，結(jié)構(gòu)面很發(fā)育，間距一般小于10cm

散體結(jié)構(gòu)

碎塊狀結(jié)構(gòu)巖體破碎，巖塊夾巖屑或泥質(zhì)物

碎屑狀結(jié)構(gòu)巖體破碎，巖屑或泥質(zhì)物夾巖塊

單項指標—巖石的強度分級按巖石的飽和單軸抗壓強度進行劃分Rb>60Mpa，堅硬巖60≥Rb>30Mpa，中硬巖或較堅硬巖30≥Rb>15Mpa，較軟巖15≥Rb>5Mpa，軟巖Rb＜5Mpa，極軟巖單項指標—巖體質(zhì)量指標RQD分級巖體質(zhì)量評價RQD（%）Ⅰ—完整很好90~100Ⅱ—較完整好75~90Ⅲ—中等完整中等50~75Ⅳ—較破碎差25~50Ⅴ—破碎很差0~25單項指標—巖體完整性及分級巖體與相應巖塊的彈性波速比值的平方稱為巖體穩(wěn)定性系數(shù)（Kv）。據(jù)此將巖體分為5級：完整：Kv＞0.75；Jv＜3較完整：0.55＜Kv≤0.75，Jv：3~10完整性差：0.35＜Kv≤0.55，Jv：10~20較破碎：0.15＜Kv≤0.35，Jv：20~35破碎：Kv≤0.15，Jv≥35RQD與體積節(jié)理數(shù)Jv的關(guān)系：

RQD=115-3.3Jv單項指標—巖土體滲透性分級GB50278-99將巖土體的滲透性分六級（見P58表3-17

）極微透水K＜10-6cm/sq＜0.1Lu微透水10-6≤K＜10-50.1≤q＜1弱透水10-5≤K＜10-41≤q＜10中等透水10-4≤K＜10-210≤q＜100強透水10-2≤K＜100q≥

100Lu極強透水K≥100cm/sq≥

100Lu巖體風化帶劃分巖體風化是指地表巖體在太陽輻射、溫度變化、水、氣體、生物等因素的綜合作用下，組織結(jié)構(gòu)、礦物化學成分和物理性狀等發(fā)生變化的過程和現(xiàn)象。巖體的風化程度不同決定了巖體的強度、變形及滲透特性的不同，因此水利水電工程中巖體風化帶劃分十分重要。巖體風化帶劃分水利水電工程地質(zhì)勘察工作中按全、強、弱、微、新分為五個風化帶。巖土工程勘察規(guī)范按殘積土、全、強、中等、微、未風化分為六個風化帶。詳見知識手冊P56表3—16、案例手冊P725~731修訂GB50287-99時增加了灰?guī)r風化帶劃分標準。軟弱夾層的工程地質(zhì)特性軟弱夾層的分類

軟弱夾層的形成與成巖條件、構(gòu)造作用