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1、绪论一、工程地质的基本任务人类工程活动地质环境的互相作用研究对象：工程地质条件工程活动的地质环境工程地质学的基本任务：研究人类工程活动与地质环境（工程地质条件）之间的互相作用，以便正确评论、合理利用、有效改造和完美保护地质环境。二、工程地质剖析的基本方法研究对象：工程地责问题：即：人类工程活动与地质环境互相限制的主要形式。例：地区稳固问题岩土体稳固问题围岩稳固问题地基稳固问题边坡稳固问题变形程度时间效应研究内容：工程地责问题产生的地质条件、形成体制、发展演化趋势研究方法：地质剖析、地质模拟剖析、试验剖析、力学剖析第一章地壳岩体结构的工程地质剖析1.1基本看法岩体：指与工程建设有关的那一部分地质
2、体。它处于必定的地质环境中，被各种结构面所分割。注意：与岩石、岩块的差别。结构面：岩体中拥有必定方向、力学强度相对（上下岩层）相对较低而延长（或具必定厚度）的地质界面。结构体：由结构面切割、围成的岩石块体（相对完好）。岩体结构：由岩体中含有的不一样结构面和结构体在空间的摆列散布和组合状态所决定。（8 类）。为何要研究岩体结构。a.结构面是岩体中力学强度相对较单薄的部位，以致岩体的不连续性、不均一性和各面异性。b.岩体结构特色对岩体的变形、破坏方式和强度特色起重要的控制作用。c.在地表的岩体，其结构特色在很大程度上决定了外营力对岩体的改造程程。风化、地下水等。1.2岩体结构的主要种类与特色结构面
3、的主要种类及其特色从成因角度：原生结构面结构结构面表生结构面：层向错动、泥化夹层、表生夹泥岩体结构种类一、岩体分类a.分类目的和原则目的：对工程地质条件好坏不一样的岩体进行分类，便于深入评论岩体的工程地质性质和特色，以达到合理利用和有效治理的目的。b.原则差别性原则：不一样类其余岩体的工程地质性质有明显的差别。合用性原则：分类系统便于（工程）应用。分类指标便于测定原则岩体分类的三大概系：以岩石资料的力学性质指标为基础的分类。如 Y 轴抗压强度。以岩体稳固性为基础的分类特意性分类。如RMR、Q 等。以岩体结构为基础的分类。目前岩体分类的趋势：考虑岩石的基天性质。（建筑）考虑岩体强度的改造。考虑岩
4、体所处的实质地质环境条件。二、岩体结构种类区分以中科院地质所方案为代表，要点考虑岩体的改造，并应用地质力学看法对岩体结构种类进行详尽区分。这种分类方案第一考虑建筑特色。分为块体（整体）状块状层状散体状松懈聚积其次考虑岩体的改造特色如完好的、块裂化的（或板裂化的），碎裂化的散体化的。1.3岩体原生结构特色的岩相剖析原生结构系统对岩体的性能及其变形破坏起侧重要的控制作用，所以对原生结构系统特色的研究显得极其重要。以河流堆积主要相模式的研究为例。一、河流堆积主要相模式及其工程地质特色a.高弯度河流堆积相模式。河流特色：河床比降小、弯度大、水深但流态较稳固，单向环流。其堆积物分：底部滞留相（河床）；中
5、部边滩相（粉砂岩）；顶部：天然堤相和洪积相（砂堤、决堤肩、滨岸沼泽堆积等）特色：自下而上由粗变细岩体具软硬相间的互层状结构特色砂岩抗风化能力衰，自下而上强度由高变低顶部边滩相松懈堆积物易发生砂土液化b.瓣状河流堆积相模式（游荡型）河流特色：河谷纵坡降大，河床不稳固、弯度小、水浅、流态不稳固，具复杂环流特色。堆积物分：底部（滞留相）中部心滩相（上部，小型槽状交织层；下部，大型单斜交织层）顶部，边滩相、大水相（细砂、中砂、泥岩，具水平层理或包卷层理）特色：具层状或块状结构特色滞留相岩泥岩砾石层成为主要脆弱层顶部相不发育中部心滩相砂岩（砾岩）具较高的强度（抗风化能力强）二、岩体原生结构特色的亚相、微
6、相剖析a.脆弱夹层的亚相、微相剖析河流相堆积中的脆弱夹层按亚相、微相特色见表1-4。（P20）注意洪泛平原砂岩层与天然堤粉砂质泥岩层的展布特色。在亚相、微相剖析中注意准同生变形作用。b.砂岩体中原生结构面的微相剖析流水堆积的层理种类与泥砂粒度、水流状态、水流强度有关。由此追忆和判断堆积环境和古水流特色。高弯度河流边滩相，下部为大型槽状交织层，向上递变成平行层理，小型波状交织层理，向上与堤岸相过渡。而瓣状河流则主要由大型楔状交织层理，楔型错层理、逆行沙波为特色。变质岩自己看。1.4岩体结构结构特色的地质力学剖析结构断裂的基本组合模式解决两大问题：地区结构稳固和岩体稳固性追忆应力演变历史依据现代结
7、构地质学研究，结构断裂的形成，表现为两种或多种体制的组合。纵向上分为上层结构（表现为剪切或拉裂）、中层结构（表现为曲折）和基层结构（表现为压扁、流动）一、聚合带（大型推服结构）按结构分类：厚皮结构、薄皮结构、接触扰动带a、厚皮结构带发育高角度逆冲断层。由中、下结构层的物质构成。以塑性、韧性变形破裂为主，并沿推覆方向渐渐减弱。后期叠加脆性破裂，沿推覆方向渐渐增强。b.薄皮结构带以曲折和剪切造成的浅部褶皱断裂为主，陪伴表部的重力滑动结构滑覆体。层间错动方式尤其突出。c.接触振动带以地表条件的曲折、剪切为主，形成正错叠瓦式断裂。二、裂谷带（伸展带）一般以为是地区隆起背景上以断陷谷为特色的大型复杂地堑
8、系。a.深部形成一系列拉张断裂或正断层。b.盖层盖层随裂谷的扩展，在地幔中隆起轴周边形成受深部断裂控制的拉张断裂。或随裂谷的拉张，形成侧缘拉裂，不受深部断裂控制。三、走滑断裂主要发育于相对稳固的地块中，属拉性剪切破裂。地质力学对走滑断裂的研究较深入。插图此刻的研究表示，最大主压应力在断层错动面周边发生偏转，偏转方向向错动方向。1.5岩体结构特色的统计剖析要点介绍路线精测法。迹线法和统计窗法、实习中已介绍。一、结构面现场丈量和资料较正主要针对延长数米或数十米结构面。方法：在掌子面上部署互相垂直的18 条测线，构成测网。在网内，逐个丈量每一条与测线相交的结构面地点、产状、延长长度、张开度、充填状况
9、、表面特色资料。实践证明，采纳六条测线已能正确探明结构面的状况。资料较正：主要解决被测机率不等的问题。特别是与长子面交角较小的节理，被子测时机大大减小。资料校订分长度校订和方向校订。a.长度校订以测线中最长线段 Ln作为标准长度。，其余线段的应测结构面数目改正为：（按某组结构面进行校订）b.方向校订即调整到结构面组法线方向上来确立结构面的数目。二、岩体结构特色量化模式程序第二章 地壳岩体天然应力状态2.1基本看法及研究意义天然应力：指未经人为扰动，主假如在重力场、结构应力场综合作用下，所形成的应力状态，亦称初始应力（物理、化学、变化，岩浆侵入等）由人为活动而惹起的应力场变化原生应力。a.自重应
10、力场亦有b.结构应力场nV由地壳的结构运动所惹起，活动的、节余的。c.变异应力与节余应力变异应力：为物理、化学变化及岩浆侵入形成的应力场。节余应力：岩体卸荷或部分卸荷所形成的拉压应力自相均衡的应力场。2.2影响岩体天然应力状态的主要因素一、主要因素天然应力场的形成取决于地质条件和岩体所经历的地质历史。地质条件：岩性R、E、岩体结构 不连续性、各向异性、应力集中地质历史：结构作用及其演变历史（主要因素）地区卸荷作用a.结构作用分活动结构应力，即当今还在形成，积累的应力场。节余结构应力，即地质历史时期结构作用形成的应力到现在还没有完好卸除。活动结构应力所形成的应力场，其最大主应力比较一致或呈规律变
11、化而节余应力则各地不一，比较凌乱。b.地区卸荷作用指地区性的面剥蚀。例：岩体内 h0 h深度处的侵入岩应力场（静水应力状态）经地面剥蚀后，剥蚀厚度为h。则vr(h0h)rh0rh水平应力与垂直应力的减小幅有很大不一样。思虑题：岩体卸荷过程中可否造成岩体破坏（设h）二、自由临空面周边的应力重散布以河谷为例：河谷下切，形成地表的自由临空面，由此惹起临空面周边岩体卸荷回弹，形成临空面周边岩体内应力重散布。重散布应力大小和特色受原始地应力水平、岩性特色、临空面形态特色的影响。重散布应力的主要特色：主应力方向在临空面周边发生明显变化最大重应力与临空面近于平行，而最小主应力与临空面近于垂直。最大主应力由内
12、向外渐渐增大，而最小主应力由内向外渐渐减小，至临空面上为零，甚至出现拉应力。应力在坡脚周边明显增大。应力增大现象称应力集中。集中程度用应力集中系数表示。三、岩体切割面周边的节余应力效应因为岩体是由多种力学性质不一样的资料（元件）构成，在加载条件和卸载条件下，不一样力学性质的资料表现出不一样的变形特色，以达到岩体内部应力和变形的整体均衡。特色：以达到岩体内部应力和变形的整体均衡。拘束密切的不一样资料卸载的节余应力效应。2.3我国地应力场的空间散布随时间变化的一般规律我国地应力场的空间散布特色a.各地的最大重应力方向呈明显规律性大概与察隅和伊斯兰堡连线的夹角均分线方向一致。仅伊斯兰堡外侧和察隅外侧
13、不一样。b.三向应力状态与由此决定的现代结构活动呈规律散布。潜伏逆断型应力状态主重要散布于喜马拉雅山前缘一带。（与印度板块碰撞有关）1、2水平，3垂直潜伏走滑型应力状态区主要散布于中、西部广大地域。1、3水平2垂直潜伏正断型和张剪性走滑型应力状态区，主要散布于西藏高原（正断型）、东北、华北地域，汾渭地堑（张剪走滑型）。断裂带周边局部结构应力集中作用a.一般规律岩体受力变形时，其内所含的结构面会出现应力集中，使岩体内应力状态复杂化。易于发生应力集中的部位常常是裂隙、断裂的端点、交汇点、错裂段、拐点、锁固段、分支点等。b.局部应力集中区与活动断层的关系上述应力集中的特别部位常常形成与之相适应的结构
14、带。局部压力集中区，形成局部隆起和挤压型结构，伴强震。反之，局部拉应力集中区形成拗陷和拉裂型结构，伴正断型地震。2.4地应力随时间变化与地壳岩体应变速率的关系a.地应力与应变速率的关系地壳岩体是粘弹性介质。伊腾等做的试验表示，当应力小于某临界值时，（不一样资料的临界值不一样）。变形早期，应力增高，但随时间推移，应力一旦达到某一极限值就会不再增添，而变形不停发展。前段表现出弹性介质特色，尔后者表现出粘性特色。当应力大于临界值，则岩体表现弹性介质特色，直至破坏，断裂是岩体的单薄环节，其变形较岩体更为简单。b.地应力随时间变化的一般规律从以上规律可得出应力随时间变化的一般规律。在岩体中地应力大于临界
15、应变速率的地域，应力随时间呈线性递加。在岩体地应力低于其临界应变速率，但高于断裂的临界应变速率时，岩体中应变速率递加到必定程度后将稳固在与临界应变速率相适应的应力水平，而断裂的应力所属于递加型。当岩体中的应变速率和断裂应变速率均低于断裂临界应变速率时，岩体中的应力和断裂带内的应力都在早期递加至必定水平后，将稳固在与岩体和断裂应变速率相适应的水平。2.4地壳表层岩体应力状态的复杂性仅为经验总结，并没有一致的认识。岩体应力的若干规律a.垂直应力v A rh（岩体应力随深度增添，地表岩体卸荷还没有达成）b.水平应力各方向上应力水平各异，并不是如h，最大值1h1与最小值h 2的关系为h2=(0.50.
16、75)h1，且互相正交，水平应力随深度变化分三种状况即h 常见（结构应力型）或卸荷作用r浅部应力与深部应力状态差别明显因为浅部河谷临空面的影响，使近地表岩体中应力不论量值还是方向均发生重要变化。其次因为应力变化梯度不一样，使浅部应力状态与深部应力状态发生了变化。2.5岩体应力场与地区应力场研究（主要研究方法）研究门路：以地质、地貌方法研究结构应力场的演变历史和当今应力场的基本特色。（定性研究）在此基础长进行应力场实测。在应力实测基础长进行地应力场的数值模拟。地质、地貌研究一、结构应力场演变历史的研究可采纳地质力学的研究方法（结构系统配套）配合断层错动体制的极射赤平投影方法。二、当今地应力基本特
17、色研究主要采纳震源体制解（新断裂网络地质地貌分析）三、应力积累条件和积累程度研究主要查明：a.历史上各时期及今世地壳隆起的速度和高度。b.应力集中条件和集中区的散布。c.高地力区的标记的地质、地貌现象发育及散布。岩体的应力测定主要有：应力排除法、应力恢复法、水力压裂法等。Kaiser 效应丈量法地区地应力场的物理模拟及数值模拟第三章岩体的变形与破坏3.1基本看法及研究意义变形：岩体的宏观连续性无明显变化者。破坏：岩体的宏观连续性已发生明显变化。岩体破坏的基本形式：（体制）剪切破坏和拉断（张性）破坏。一、岩体破坏形式与受力状态的关系岩体破坏形式与围岩大小有明显关系。注意：岩全破坏体制的转变随围压
18、条件的变化而变化。破坏体制转变的界线围压称破坏体制转变围压。一般以为，1/51/4 不行拉断转变成剪切。1/32/3 可由剪切转变成塑性破坏。有人以为（纳达），可用应力状态种类参数2偏向1的程度来区分应力状态种类。221133（1，即 2 1；1，即 2 3）二、岩体破坏形式与岩体结构的关系低围压条件下岩石三轴试验表示。坚硬的完好岩体主要表现为张性破坏。含脆弱结构面的块状岩体，当结构面与最大主应力夹角合合时，则表现为沿结构面的剪切。碎裂岩体的破坏方式介于二者之间。碎块状或散体状岩体主要为塑性破坏。对第一种状况，某破坏判据已经介绍好多了。第二种状况，可采纳三向应力状态莫尔圆图解简单判断。三、岩体
19、的强度特色单轴应力状态时，结构与1方向决定了岩体的破坏形式。复杂应力状态时，含一组结构面的岩体破坏形式与岩体性质、结构面产状，应力状态关系很大。3.2岩体在加荷过程中的变形与破坏拉断破坏体制与过程一、拉应力条件下的拉断破坏当1 33 0时，拉应力对岩石破坏起主导作用。二、压应力条件下的拉断破坏压应力条件下裂痕尖端拉应力集中最强的部位位于与主压应力是30 40地方向上，并逐渐向与1平行地方向扩展。当3=0 时为单轴压拉断。1330时，破坏准则为：剪切变形破坏体制与过程一、潜伏剪切面剪断体制与过程A滑移段B锁固段进入稳固破裂阶段后，岩体内部应力状态变化复杂。产生一系列破裂。（1）拉张分支裂隙的形成
20、，原理同前。（2）不稳固破裂阶段法向压碎带的形成，削弱锁固段岩石。（3）潜伏剪切面贯穿。剪胀，压碎带剪坏，锁固段变单薄，最后全面贯穿。剪切破坏过程中岩石销固段被各个击破，所以整个剪切过程中剪切位段拥有脉动的特色。二、单剪应力条件下变形破坏体制与过程即力偶作用于有必定厚度的剪切带中。这种应力条件下可出现的两种破坏，张性雁裂和压扭性雁裂。此中张性雁裂对脆弱带的强度削弱最大。三、沿已有结构面剪切体制及过程（略）曲折变表破坏体制与过程一、曲折变形的基本形式按受力条件：横弯、纵弯。按拘束条件：简支梁、外伸梁、悬臂梁。梁曲折时，轴受挤压，两翼受剪力作用板梁滑脱二、横弯条件下岩体的弯形与破坏a.轴部区若以1
21、2(13)2(31)2(12)2，y代表岩石的曲服应力。极梁曲折变形分三个阶段。稍微隆起阶段曲折早期。梁底中心双侧出现局部塑性破坏，顶部受拉，但还没有破坏。（H/D=1.8%），H 上隆量。强列隆起阶段随曲折加剧，轴部顶、底均出现破坏区，并有上下贯穿的趋势。H/D=7.8%。折断破坏阶段破坏进一步扩展，最后连通、折断破坏。（H/D=4.8%）b.横弯滑脱滑脱可缓解轴部应力集中现象，亦可使翼部应变能开释。但可惹起地震。三、纵曲折条件下岩体的变形与破坏a.极梁的屈曲的应力条件由经典欧拉公式，简支梁条件下，屈曲的纵向压力Ncr3N2 crEl2J此中惯性矩J=bh/12（矩形梁板时取单宽）则临界应力
22、多层板梁组合状况（二层介质），等厚Jcr2E E312226 n1/3n：板梁层数曲折段波长：Wd2 h(n1)1/362b.轴部的变形与破坏亦可分为三个阶段：稍微隆起阶段，顶部拉裂，底部出现剖面 x 节理。强裂隆起阶段，顶部拉裂向纵深发展，底部 x 节理，护展层为中性层。剪断破坏阶段，x 节理与拉裂面贯穿，或切断板梁形成逆冲断裂。大多半背斜切合纵弯模式。三、纵弯过程中的滑脱分两种形式：背斜式滑脱：轴部虚脱，翼部单剪式剪裂。向斜式滑脱：主要发生向临空面方向的滑脱，甚至核部挤出。（地面剥蚀）3.3岩体在卸荷过程中的变形与破坏基本种类拉裂面：拉应力集中部位压致拉裂面：平行临空面的拉裂面剪裂面：层间
23、剪切滑段基坑底板曲折隆起等。差别性卸荷回弹造成的破裂一、张性破裂面a.资料性质不一样造成b.应力历史不一样造成颗粒受压变形，后期胶结，胶结物未经压缩，卸荷面以致颗粒与胶结物接触界面上的拉裂。裂纹之高部受压亦同样。二、剪切破裂以状岩芯为典型其实质也是差别性卸荷回弹，所不一样的是其差别性卸荷回弹是由受限面惹起的。卸荷造成的变形、破裂空间组合模式3.4 动荷载（略）3.5岩体变形破坏过程中的时间效应分两种种类：蠕变、松驰岩石变形时间效应介质模型经典的描绘介质流变性能的本构模型为马克斯韦尔模型和开尔文模型。这种模型仅考虑了粘性和弹性性质，而没有考虑岩石介质的塑性性质。经过这些单元的不一样组合，可形成各
24、种各种岩体的流变本构模型。岩体力学这已介绍。岩体的累进性破坏和加快蠕变累进性破坏，即应力变化不大，微裂及扩充地不停进行扩充、转移直至整体破坏。流变试验已经证明，只有应力水平达到或超出其长久强度，加快蠕变阶段才能出现（累进性破坏）。岩体变形破坏与应变速率的关系由马克斯韦尔模型来说明。应变：TEt（(t)）应变速率：cTEt1E常数。t当0 时，即常数，C应为等速蠕变，岩体内应力保持不变。当 0，则 C0，则 C，岩体内应力有增添趋势，直至达到新的均衡。由此看来，岩体变形过程存在一临界应变速率C0。当 CC0时，加快蠕变，可以致岩体破坏可能。当应变速率 C 降低，岩体内应力将渐渐减小，松驰。粘滑和
25、嵌入蠕变粘滑：指剪切破坏过程中，因为动、静摩擦角的差别或因为突出体剪断、翻越，或因为转动磨擦中的翻转所造成的剪切位移突跃现象。粘滑现象可能与剪切上的突出体嵌入蠕变体制有关。嵌入时，静磨擦系数将提升。结论：按运动特色，沿结构面的滑移分稳滑和粘滑面种基本种类。稳滑状态的产生条件：结构面平堤或有足够厚的夹泥。匀速滑动粘滑时开释的能量大小不单与粘滑体制有关，对某一特定剪切滑移，停止活动承受法向应力时间愈长，则粘滑时开释的能量也就愈高。3.6缝隙水压力在岩体变形破坏中的作用一、有效应力原理在岩体中的合用性完好合用注意：其对岩体强度的影响。明显，。即存在 Pu 时，岩体强度降低。二、缝隙水压力变化对岩体变
26、形破坏的影响Pu，。反之变然。缝隙水压力变化原由：地下水补排条件变化（略）岩体受荷状态变化形成超孔隙水压力如地震，土力学介绍好多。岩体变形、破裂关闭水体，破裂形成使缝隙水压力降低甚至形成负压，形成膨胀增强现象。非关闭水体，破裂扩容超出地下水补给，亦可形成膨胀增强现象。“水击”现象。3.7岩体变形、破坏的地质模式岩体变形的基本单元拉裂含压致拉裂剪切悬臂梁曲折、纵、横弯塑性流动脱性蠕滑曲折剪流上述各变形单元常常不是独自产生，常常相伴此外的变形单元，且互为因果的变形单元对变形、破坏起主导作用。基本组合地质模式：蠕滑拉裂滑移压致拉裂曲折拉裂塑流拉裂滑移曲折第四章活断层的工程地质研究4.1基本要领及研究
27、意义活断层：目前还在连续活动，或在近期地质历史时期活动过，极可能在不远的未来从头活动的断层10000 年以来活动过的断层称崭新活动断层。活断层的活动特色：蠕滑、粘滑。意义（工程意义）：躲避重要破坏性地震对建筑群的破坏，防备因活断层位错坏建筑物（无破坏性地震）。4.2活断层的特征包含：活断层的种类活动方式规模错动速率及基安分级活动周期古地震事件活断层的种类和活动方式按结构应力状态，活断层可区分为三类：走向滑动型（平移断层）逆断层正断层因为三类活断层的几何特色及运动特征各不同样，因此对工程场所的影响也不一样。一、走向滑动断层、应力状态为2垂直，1水平。3特色：断层面偏向大（近于垂直）断层的地表出露
28、线平直地貌上常形成陡直的断崖以水平运动为主，相对垂直起落量很小分支断裂较少，断层带宽度小这种断层的水平错动量常常很大，因此易于辨别，易于发生强震。二、逆断层应力状态为3垂直，、1水平。2特色：断层地倾角较小，一般 20 40o之间，上盘上涨惹起上盘一侧地面隆升，下盘一般无地表变形，分支断层发育，主要产生在上盘。断层面的地面出露线不平直，呈波状曲折。逆断层也是激烈发震断层。三、正断层、应力状态为1垂直，特色：断层能够引起中强震。23水平。断层面倾角介于逆断层与平移断层之间，一般 6080o 之间。上盘降落并发育分支断层近因为地应力场的复杂性，所以，实质发育的断层常常既有水平运动重量亦有垂直运动重
29、量。因为形成走滑逆冲断层或走滑正断层等。活断层活动的两种基本方式：粘滑和稳滑。易发生同期强地震。活断层的长度和断距对活断层，其长度和断距是表征活断层的重要数据，往常用：强度以致地面破裂的长度（L）和一次错段的最大位移（D）来表示。一般地震地表错段长度从由百米至数百公里，最大位移自几十厘米至十余米。地震愈大，震源愈浅，则地表错段就愈长。我国的经验公式为：或：L 0.56M 2.25统计剖析是一种常用的研究方法。但是，断裂面长度与震级之间的关系并不是这样简单，还受很多因素的影响。如断裂面的形状，剪切模量、断层性质、大地结构环境等因素有关。但若采纳地震面波震级Ms 与lg L或lg D进行有关剖析，
30、则有较好的关系，见图4-12 和 4-13。（P147）分支断裂的错断位移则随主断层的距离加大而减少。活断层的错动速率和重复周期错动速率与地震重现周期是地震预告的重要数据。一般活断层错动的速率愈大，则两次错断的时间间隔就愈短。依据断层速率，我国将其分为四级。A100R8.0B10R1激烈77.9C1R0.1中等66.9DR53Dr 64Dr 78Dr 90砂土的粒度和级配中、粗砂，排水条件好，不易形成超孔隙水压力，不易液化。粘粒，拥有较大的粒间粘结力，对液化有抵卸作用。所以，当粉、细砂、黏土中粉粒含量少时，有可能液化。对于粉土不液化条件：地震烈度789粘粒含量（%）101316不发生液化原位试
31、验鉴别（粉、细砂、粉土）Ncr=No 0.9+0.1(ds-dw)3pcN0：基准标贯击数；ds：标贯深度dw：地下水位：粉粒含量百分比c烈度789近震61016远震812当 NNcr 时，不易液化。埋藏条件依据砂土液化机理，只有当孔隙水压力大于砂粒间的有效应力时，才能产生液化，而有效应力取决于固结压力的大小和固结时间。从固结压力来讲，埋藏愈深，自重压力愈大，有益于产生较大的有效应力。假如饱水砂层埋藏很深，则由上覆自重修以克制砂土液化，则砂土液化将不会产生。工程上，当上覆土层厚度和地下水深度切合以下条件之一，则不考虑液化。dudp+db-2dwdo+db-3du+dw1.5do+2db-4.5
32、du：上覆非液化土层厚度（m）do：基础深度dw：地下水位深度db：液化土层特色深度，按下表取值烈度789粉土678砂土789饱水砂层的成因和时代时代古老的土、固结时间长、固结程度高、密实，不易产生液化。故，一般晚更新世（以前的土可判断为不液化。砂土液化前若上覆土层能保持必定的强度从而使地基不无效的话，则下伏的液化层能起到阻挡地震剪切波的作用从而免去建筑物遭到震害威迫。第六章水库引发地震活动的工程地质剖析Q3）61基本看法及研究意义在必定条件下，人类的工程活动能够引发地震，诸如修筑水库，城市或油田的抽水或 灌水，矿山坑道的倒塌，以及人工爆破或地下核爆炸等都能惹起当地出现异样的地震活动，这种地震
33、活动统称为引发地震。其形成一方面依靠于该区的地质条件、地应力状态和有待开释的应变能积累程度等因素；另一方面也与工程行为是否改变了必定范围内应力场的均衡状态亲密有关。6.2水库引发地震活动性变化的几种典型状况6.2.1 蓄水后地震活动性增强卡里巴科列马斯塔型地震活动性的主要变化主要发生在 1963 年 6 月水库蓄水位高出正常高水位以后，尤以 1963 年 8 月库水位高出正常高水位 2.9m 以后为最激烈，此时水头增值仅为2，以此作为地震活动性激烈变化的诱因是缺少说服力的。但是在正常高水位周边，水位颠簸几米库容变化却很大，明显库底岩石所承受的水库附带荷载以及附带荷载的影响深度都随之产生较大变化
34、，水库底部承受附带应力高出必定值的岩石的体积也会产生很大变化。科因纳新丰江型科因纳水库引发地震科因纳水库引发地震之所以拥有典型意义，就在于它是迄今为止最强的水库引发地震(0.5 级，地震序列中大于5.0 级的达 15 次)，而又是产生在结构迹象最不明显、岩层产状基本水平、近200 a周边没有明显地层活动的印度地盾德干高原之上。库、坝区均位于厚达 1500m、产状水平、自古至始新世喷发的玄武岩层之上，由致密块状玄武岩与凝灰岩及气孔状玄武岩互层，凝灰岩中央有红色黏土，浸透性不良(图 67)。6.2.2 蓄水后地震活动性减弱6.3水库引发地震的共同特色从以上典型实例描绘可知，水库引发地震不一样种类虽
35、各有其特征，但归纳起来它们却有好多共性。这主假如这种地层的产生空间和地震活动随时间的变化与水库所在空间和水库水位或荷载随时间的变化亲密有关，表示介质质量的地震序列有其固有特色和震源体制解得出的应力场与同一地域产生天然地震的应力场基真同样。震中密集于库坝周边之往常主假如密集散布于水库边岸几km 到十几 km 范围内。或是密集于水库最大水深处及其周边(卡里巴、科因纳)，或是位于水库主体双侧的峡谷区(新丰江见图 612，丹江口如图 625)。如库区及周边有断裂，则精准定位的震中常常沿断裂散布。(丹江口、苏联的努列有的水库引发地层早期距水库较远而随后渐渐向水库集中克)。震源极浅、震源体小水库引发地震主
36、要发生在库水或水库荷载影响范围以内，所以震源深度很浅。一般多在地表之下 10km 以内，以 47km 范围内为最多，且有早期浅随后逐渐加深的趋势。比如我国新丰江水库引发地震1962 年至 1965 年 5 月震源深度散布犹如图626 所示。因为震源浅，所以面波激烈，震中烈度一般较天然地层高，零点几级就有感，3 级就能够造成破坏。引发地震活动与库水位及水荷载随时间变化的有关性这种有关性已被宽泛用以鉴别地震活动能否属水库引发地震。一般是水库蓄水几个月以后为微地震活动即有明显的增强，随后地震频度也随水位或库容而明显变化，但地震活动峰值在时间上均较水位或库容峰值有所滞后。我国几个水库引发地震蓄水开始与
37、微震活动增强犹如表63 所示的关系。6.3.3 水库引发地震序列的特色既然水库引发地震有水的活动和水库荷载参加，这一特色必定在地震序列中有所反应。依据多个水库引发地震序列的研究，它们的特色以下：(1)水库引发地震以前震极丰富为特色，属于前震余震型(茂木 2 型)，而同样地域的天然地震常常届主震余震型(茂木 1 型)(图 627)。以新丰江水库引发地震为例，从蓄水到主震发生的 39 个月内，共记录到从 o4 的前震 81719 次。(2)水库引发地震余震活动以低速度衰减，比如我国新丰江水库引发地震，1960 年 10 月 18 日新丰江水库建立第一个地层台开始至1987 年 12 月 31 日止
38、，已记录到从0.6 级地震 337461次，活动时间连续到现在，整个活动期已30 余年，科因纳水库地震活动迄今仍未停止。(3)频度震级关系式中 b 值高和最大余震与主震震级比值高，主震震级不高，已有实例小于或等于6.5。水库引发地震的震源体制解依据全部研究过的水库引发地震的震源体制服应指出以下值得注意的两点：(1)由震源体制解得出的应力场，与天然地震应力场或依据当地地质特色判断的应力场同样。(2)水库引发地震震源体制主要为走向滑动型和正断型两种，且前者多于后者。属于逆冲型体制者极共少见，苏联努列克水库南侧的引发地层为逆冲断层型的少量实例之。6 4水库引发地震的引发体制水库引发地震确实切诱所以刻
39、还没有完好查明，但已有震例已经以充分资料证明，这种地震不是因为水库荷载直接造成的而是水库的某种作用间接引发的(indirectly induced)。亦即水库的某种作用迭加于已有的天然应力场之上，使水库蓄水前因为自然作用积累起来的应变能较早地以地震的方式开释出来。这方面的凭证最主要的有以下两点：(1)依据水库引发地震震源体制解得出的应力场与该区天然地震应力场或依据近期活动结构所得出的地区应力场完好一致说明产生地震的应力场并不是是因为水库荷载产生的，而是近期结构活动天然形成的。(2)震源区因为水库荷载而产生的应力增量一般是很小的，独自不足以使岩体破坏或使岩体中已有断裂面的双侧产生互相错动。642
40、水库蓄水对库底岩体的各种效应归纳说来，水库蓄水此后对库底岩体能够产生以下三方面的效应。水的物理化学效应这种效应使岩体断裂面及其充填物融化和泥化，从而降低了它的抗剪强度。只有当水库蓄水前库底岩体是干的才会出现这种效应，而天然状况下河谷下的断裂面上一般是含水的可见这种效应并不是是常常部起作用的。相应地降低了作用在裂隙面上的有效正应力，从而按下式降低抗剪强度C 十(n一pw)tg(6-）式中：为抗简强度；c 为内聚力；n 为正应力；pw 为缝隙水压力，为内内摩擦角。各种天然应力状态下的引发体制既然水库蓄水仅能起引发生用，那么要产生水库引发地震一定是岩体以内早先存在着最大最小应力差相当大的天然应力场。
41、在水库的荷载效应和缝隙水压力效应结合作用下使岩体内产生错动而引发地震。假设水库水体为无穷延长的，此刻让我们分别议论各种天然应力状态下引发地震活动的状况。天然地应力状态有潜伏正断型、潜伏走沿型和潜伏逆冲型三种状况。水库荷载应力的主要重量是垂直的(v)与此同时在水平方向因为侧压力效应使水平应力亦有所增添，其增量为H(/(1-)v，如波松比 取 0.3，则H0.43v。明显，上述三种应力状态下荷载效应所造成的结果是不一样的。如图 6-32 所示，正断型时因为v与垂直方向的最大主应力迭加，侧压力效应使水平的最小主应力增值仅为0.43v，莫尔园加大并稍向右移，结果是更靠近于包潜伏走向滑动型v迭加于垂直的
42、中间主应力之上，0.43v，以致莫络线，即稳固条件有所恶化。莫尔因大小没有变化，但水平的最大、最小主应力同时都增添了尔园右移，使稳固状况稍有改良。潜伏逆冲型则因为v与垂向的最小主应力迭加，而水平的最大主应力的增量仅为0.43v，结果是莫尔园减小并右移，稳固状况大为改良。总之荷载效应仅使潜伏正断型的稳固状况有所恶化，而使走向滑动型与逆断型二者在不一样程度上有所改良。缝隙水压力效应同时使最大最小主应力减小一个缝隙水压力增值。令其值近似等于h(为水的容重，A 为水库水深)，则其值近似等于v。其结果是在三种应力状态下都使莫尔圆大为左移，亦即大大靠近于包络线，即便震源岩体稳固性恶化。上述两种效应迭加后，
43、震源岩体稳固性最后变化以下：潜伏正断型激烈恶化，走向滑动型因为荷载效应使莫尔圆走开包络线的距离小于缝隙水压力效应使之靠近包络线的距离，故最后结果是有所恶化。潜伏逆冲型的莫尔圆因荷载效应使之走开包络线的距离大概等于缝隙水压力效应使之靠近包络线的距离，但是荷载效应使改变了的莫尔圆小于原始莫尔圆，所以最后稳固程度稍有改良。已有的地应力测定结果的 75属水平应力大于垂直应力的状况，这也就是绝大多半水库蓄水后地震活动性没有明显变化的原由。甚至能够有天然应力状态下有地震活动蓄水后地震活动反而减小的状况。水库范围有限且水位改动时水库荷载效应及缝隙水压力效应的变化依据土力学原理，有限延长的水库所不一样于无穷延
44、长水库的是荷载造成的附带应力随远离加荷中轴而快速减小。图633 图解表示了无穷延长水库(a)及有限延长水库(b)的荷载应力及缝隙水压力的不一样。无穷延长水库荷载应力无空间上的变化，表示荷载应力和缝隙水压力的线都是水平的。水位上涨立刻使荷载应力增高如图中 L线所示。因为缝隙水压力的高升需要有一个浸透时间，所以水位高升后空防水压力是逐渐高升6 5产生水库引发地震的地质条件6.5.1 大地结构条件（1)板块俯冲、碰撞带届于潜伏逆冲型的应力状态，产生引发地震的可能性很小。比如环太平洋地震带除美国西海岸一带及新西兰的一大多半外均属于板块俯冲带，在这带内水库引发地层的震例很少。(2)变换断层及大的平移断层
45、，诸如美国加州圣安德烈期断层、新西兰阿尔卑斯断层、土耳其安纳托利亚断层等的周边地带，因为属潜伏走向滑动型应力状态，有产生诱发地震的可能性。(3)潜伏正断型应力场产生水库引发地震的可能性最大但在大陆上属于此种应力状态者限于东非断裂谷型地堑带或其余大断陷盆地，典型震例为卡里巴。地区地质条件中能够用以判断引发地震潜伏可能性的，有近期结构活动迹象、地热流特色、介质质量及有益于缝隙水压力活动的水文地质条件等方面。6.6水库引发地震工程地质研究的基来源则7.地震以致的地区性砂土液化71基本看法及研究意义粒间无内聚力的松懈砂体，主要靠粒间摩擦力保持自己的稳固性和承受外力。当遇到振动时，粒间剪力使砂粒间产生滑
46、移，改变摆列状态。假如砂土原处于非密切摆列状态，就会有变成密切排列状态的趋势，假如砂的孔隙是饱水的，要变密实效需要从孔隙中徘出一部分水，如砂粒很细则整个砂体浸透性不良，刹时振动变形需要从孔隙中清除的水来不及排出于砂体以外，结果必定使砂体中缝隙水压力上涨，砂检之间的有效正应力就随之而降低，当缝隙水压力上涨到使砂粒间有效正应力降为零时，砂钦就会悬浮于水中，砂体也就完好丧失了强度和承载能力，这就是砂土液化(sandliquefacation)。砂土液化惹起的破坏主要有以下四种：(1)涌砂；(2)地基无效；(3)滑塌；(4)地面沉降及地面塌陷。7 2地震时砂土液化体制振动液化砂土受据动时，每个颗粒都遇
47、到其值等于振动加翅度与颗粒质量乘积的惯性力的频频作用。因为颗粒间没有内聚力或内聚力很小，在惯性力周期性频频作用下，各颗粒就都处于运动状态，它们之间必定产生互相错动并调整其互相地点，以便降低其总势能最后达到最稳固状态。如振动前砂体处于密切摆列状态，经震动后砂粒的摆列和砂体的孔限度不会有很大变化，如振动前砂土处于松懈摆列状态，则每个颗粒都拥有比密切摆列高得多的势能，在振动加快度的频频荷载作用下，必定逐渐加密，以期最后成为最稳固的密切状态。假如砂土位于地下水位以上的包气带中，因为空气可压缩又易于排出，经过气体的快速排出立刻能够达成这种调整与变密过程，此时只有砂土体积减小而出现的“覆陷”现象，不会液化
48、。假如砂土位于地下水位以下的饱水带，状况就完好不一样，此时要变密就一定排水。地层的振动频串大概为1-2 周秒，在这种急违变化的周期性荷裁作用下，陪伴每一次振动周期产生的孔阳度刹时减小都要求排斥出一些水，如砂的浸透性不良，排水不畅达，则前一周期的排水还没有达成，下一周期的孔隙度再成小又产生了。应清除的水不可以排出，而水又是不行压缩的，所以孔隙水必定承受由孔隙度减小而产生的挤压力，于是就产生了节余孔隙水压力或超孔隙水压力(excess pore water pressuree)。前一个周期的节余孔隙水压还没有消失，下一周期产生的新的节余孔隙水压力又迭加上来，故随振动连续时间的增添，节余孔隙水压会不
49、停积累而增大。7.3地区性砂土地震液化的形成条件从砂土地霞液化体制的议论中能够得出，砂土层自己和地震这双方面具备必定条件才能产生砂土液化。砂上层自己方面一般以为砂土的成分、结构以及饱水砂层的埋藏条件这几个方面需具备必定条件才易于液化。沙土特征和饱水砂层埋藏条件及成因时代特色砂土特征（1）对地层液化的产生拥有决定性作用的，是土在地震时易于形成较高的节余缝隙水压力。高的节余缝隙水压力形成的必需条件，一是地震时砂土一定有明显的体积减小从而产生空防水的排水二是向砂土外的排水滞后于砂体的振动变密，即砂体的浸透性能不良，不利于节余缝隙水压力的快速稍散，于是随荷载循环的增添缝隙水压力因不停积累而高升。往常以
50、砂土的相对密度从和砂土的粒径和级配来表征砂土的液化条件。（2）砂土的粒度和级配：具备必定粒度成分和级配是一个很重要的液化条件。饱水砂土层的埋藏条件当缝隙水压大于砂粒间有效应力时才产生液化 饱水砂层埋藏条件包含地下水埋深及砂层上的非液化粘性土层厚度这两类条件。地下水埋深愈浅，非液化盖层愈薄，则愈易液化。饱水砂层的成因和时代具备上述的颗粒细、结构松懈、上覆非液化盖层薄和地下水埋深浅等条件，而又宽泛散布的砂体，主假如近代河口三角洲砂体和近期河床聚积砂体，此中河口三角洲砂体是造成地区性砂土液化的主要砂体。已有的大地区砂土地震液化实例，主要形成于河口三角洲砂体内。而是常常是有史时期或崭新世形成的硫松堆积