2020造價工程師《土建工程》教材精講：第一章第一節(jié)_第2頁

　　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構面變形和結構體變形兩個部分。設計人員所關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。流變特性是巖體在外部條件不變的情況下，應力或變形隨時間而變化的性質，一般有蠕變和松弛兩種表現(xiàn)形式。蠕變是指在應力一定的條件下，變形隨時間的持續(xù)而逐漸增加的現(xiàn)象。松弛是指在變形保持一定時，應力隨時間的增長而逐漸減小的現(xiàn)象。試驗和工程實踐表明，巖石和巖體均具有流變性。

　　特別是軟弱巖石、軟弱夾層、碎裂及散體結構巖體，其變形的時間效應明顯，蠕變特征顯著。有些工程建筑的失事，往往不是因為荷載過高，而是在應力較低的情況下巖體產(chǎn)生了蠕變。

　　(二)巖體的強度性質

　　由于巖體是由結構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，也不等于結構面的強度，而是二者共同影響表現(xiàn)出來的強度。但在某些情況下，可以用巖石或結構面的強度來代替。如當巖體中結構面不發(fā)育，呈完整結構時，巖石的強度可視為巖體強度。如果巖體沿某一結構面產(chǎn)生整體滑動時，則巖體強度完全受結構面強度控制。

　　三、巖體的工程地質性質

　　(一)巖石的工程地質性質

　　1.巖石的物理力學性質

　　(1)巖石的主要物理性質

　　1)重量

　　巖石的重量是巖石最基本的物理性質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構致密、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。未受風化或構造作用的侵入巖和某些變質巖，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。巖石的吸水率大，則水對巖石顆粒間結合物的浸潤、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的一個重要指標。

　　(2)巖石主要力學性質

　　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。抗剪強度是指巖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�？辜魪姸仁茄貛r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。

　　(二)土體的工程地質性質

　　1.土的物理力學性質

　　(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)是判定其工程性質的重要指標。顆粒小于粉砂的是黏性土，黏性土的工程性質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，土質愈軟。

　　(2)土的力學性質

　　土的力學性質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

　　(1)軟土。泛指淤泥及淤泥質土。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，或土的原狀結構被擾動時，土體會驟然強度降低、壓縮性增高。這顯然是由于土的內摩擦角和內聚力都相應減小及結構強度破壞的緣故。

　　(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)結構面的工程地質性質

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

　　延伸長度為 5～10m 的平直結構面，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。

　　結構面的規(guī)模是結構面影響工程建設的重要性質。結構面分為Ⅰ～Ⅴ級。

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

　�、跫壗Y構面又稱微結構面，常包含在巖塊內，主要影響巖塊的物理力學性質，控制巖塊的力學性質。

　　上述 5 級結構面中，Ⅱ、Ⅲ級結構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。

　　地震波通過地球內部介質傳播的稱為體波。體波分為縱波和橫波，縱波的質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。

　　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，還和震源深度、距震中距離以及地震波通過介質條件(巖石性質、地質構造、地下水埋深)等多種因素有關。

　　地震烈度又可分為基本烈度、建筑場地烈度和設計烈度。

　　(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，是建筑場地內因地質條件、地貌地形條件和水文地質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)設計烈度是抗震設計所采用的烈度，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整。設計烈度一般可采用國家批準的基本烈度，但遇不良地質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整作為設計烈度。

　　4.震級與烈度的關系

　　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。但因地質條件的差異，也可能出現(xiàn)偏大或偏小的烈度異常區(qū)。

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