软岩和软土的工程地质全面研究

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1、软岩和软土的工程地质全面研究 第3节 风化岩石的工程地质研究 第2节 软弱夹层的工程地质研究 第1节 软弱岩石的含义 第5节 软土的工程地质研究 第4节 构造岩石的工程地质研究 第1节软弱岩石的涵义 岩性类别 成因 物理力学特征 水利水电工程地质勘察将岩石强度分为四级 坚硬的层状岩层 第2节软弱夹层的工程地质研究 软弱夹层含义 夹有强度低 泥质或炭质含量高 遇水易软化 延伸较广和厚度较薄的软弱岩层 其强度和变形模量均低于上下硬岩层的1 5 1 50 一般软弱夹层的强度和变形参数如下 摩擦系数 0 5饱和抗压强度 10MPa变形模量 1000MPa 定量表达定义 一 软弱夹层的成因与分类 成因分

2、类 原生 次生 构造 成岩过程 坚硬岩层中粘粒含量多胶结差力学强度低 构造作用 层间错动面构造破碎带 风化作用等 风化夹层 软弱夹层蚀变破碎带次生充填节理 原生 地质营力 软弱夹层研究内容 成因类型 产状 规模 分布 范围 数量 空间变化 原生型软弱夹层特点 成层条件好 层次多 有韵律 分布广 延伸远 产状稳定与岩层产状一致 次生型软弱夹层特点 产状不稳定 厚度变化大 成层条件不好 分布于风化卸载带地下水循环带内 向下逐渐变薄 消失 构造型与原生型区别 构造型 厚度偏大 可通过几种岩性倾角变化大 有时可相交 注意 工程实践中的软弱夹层 综合作用的结果 软弱夹层分类 葛洲坝工程4类 1 软岩夹层

3、常见的有粘土岩 疏松泥灰岩 石膏层 碳质条带 斑脱岩等 这类夹层易风化 浸水崩解 膨胀或溶解 其变形和强度的时间效应明显 2 碎块夹层碎块夹层是由80 以上粒径大于2mm的粗碎屑组成 碎块间或上下界面有泥膜 粘粒含量少于10 其他为砂粒 夹层的剪切破坏面一般不是平直的 其应力一位移关系曲线较复杂 先研究岩体风化特征 卸载带范围内地下水径流途径 3 碎屑夹层碎屑夹层中粒径为0 5 2mm的细碎屑约占30 大于2mm的粗碎屑含量约占30 50 粘粒占10 30 左右 夹层的抗剪强度与碎屑的母岩性质 碎屑形状及泥质含量有关 一般峰值摩擦系数为0 30 0 45 变形模量只有0 05X103 0 2X

4、l03MPa 4 泥化夹层粘土岩类岩石经一系列地质作用变成塑泥的过程称为泥化 泥化的标志是其天然含水量等于或大于塑限 因此 泥化夹层具有结构松散 密度小 含水量大 粘粒含量高 一般 30 强度低 变形大等特点 其峰值摩擦系数为0 15 0 30 多数为0 2 变形模量一般小于50MPa 是软弱夹层中性质最坏的一种 小浪底工程2大类 软岩夹层 泥化夹层 泥化夹层 粒度 厚度 全泥型 厚度大于3mm 不含角砾的粘土 粉粘 粉土 泥夹角砾型 角砾含量 10 的粘性土层 泥夹粉砂 和粉砂夹泥 角砾含量 10 的粉土层 泥膜型 大多数为不含角砾 的薄粘土层 角砾夹泥型 角砾含量 10 50 的粘性土层

5、泥化夹层 粒度 厚度 泥化夹层研究意义 1 研究的原因 是软弱夹层中力性质最差的 强度最低的关键部位 稳定性起控制作用 2 不容易被准确勘察 需配合特殊设备 双层单动岩心管 结合内电视 摄影等综合方法 二 泥化夹层的基本特性 明显错动面和分带性 构造影响带 节理带 劈理带 泥化带 一 泥化夹层的结构特征 泥化带 1 错动面附近 粘土岩泥化夹层则仅见劈理带和泥化带泥化错动带受构造影响强烈 原岩结构彻底改造 在较大剪切位移部位可形成颗粒和微集合定向排列区和收到牵引影响的非定向区2 泥化光面 泥化带表面 平直或舒缓波状 粘粒含量高 分散度大 表面电荷密度增大 物理化学活性加强 结构连接弱3 含水量高

6、 干密度小 强度低 易于屈服的弹粘结构分散系具有一定的特殊工程性质 节理带 1 受构造影响轻微 保持原岩结构特征 2 颗粒和微集合体物理化学活动性弱阳离子交换较少表面积和表面电荷密度都较小 具有较弱的亲水性3 力学强度高 干密度较大 劈理带 1 原岩结构受构造影响严重破坏 劈理发育并有波状揉皱2 颗粒和集合体多呈松散紊乱排列 剪切位移较大处可定向排列 分散度和阳离子交换能力有所提高物理化学活性有所增强3 力学强度 干密度明显降低 二 泥化夹层矿物成分和化学成分 复杂高分散体系 多种矿物 电子显微镜 x射线衍射 差热分析 伊利石 高岭土 排水条件不好的环境中 排水条件好 溶滤作用强 酸性环境 矿

7、物稳定膨胀性弱 介于以上2者之间 泥化夹层矿物成分影响因素 母岩性质 后期改造 实例 葛洲坝202泥化夹层 凤滩水电站坝基泥化夹层 桓仁水电站坝基泥化夹层 青山水电站坝基泥化夹层 1 矿物成分 2 化学成分 主要化学成分 次要化学成分 泥化后 氧化钙含量比母岩偏低 氧化铝和氧化铁偏高 钙的流失游离氧化物凝聚 三 泥化夹层水理性质 粘土成分 微结构面发育程度 膨胀量膨胀力 决定 1 伊利石 高岭石 微结构面不发育 膨胀量 1 2 蒙脱石 微结构面不发育 膨胀量达8 3 钠蒙脱石 钙蒙脱石 4 夹层扰动后 膨胀量膨胀力增加 围压 未扰动 指标可靠 1 膨胀性 2 渗流分带渗流集中 各带的渗透系数相

8、差大 A 泥化带较小 10 5 10 9cm s为不透水 B 劈理带 10 3 10 5cm s为透水 C 节理带 大于10 3cm s为良好透水 劈理带 岩石 泥化带 工程上主要是做好夹层上下接触部位的防渗和排水设施 亲水性指标 液限含水量 粘粒含量 夹层好坏 较好 较差 中等 亲水性 大于1 25 0 75 1 25 小于0 75 四 泥化夹层物理力学性质 1 决定因素 地区差异性 特点 粘粒含量较高 一般大于30 母岩不同而变化 成分 以伊利石为主的以蒙脱石为主的 天然含水量塑限流限干密度峰值抗剪强度 大大大小小小小小大大 国内分泥化夹层的抗剪强度与物理性质参看教材表2 3 三 泥弱夹层

9、在长期渗水条件下的演变趋势 结构 岩性均一 夹层上下层面较平直其厚度较大 现场实验 室内实验 抗剪强度 岩性不均一 夹层中有角砾 岩屑 室内实验 抗剪强度 现场实验 水库蓄水后 地下水的坡降 渗径和循环条件 夹层可能会有恶化 工程的安全 稳定性预测 演变趋势研究 泥化夹层在长期渗水的作用下 主要的物理化学作用 1 化学成分的变化 1 盐类的溶解 钙 镁碳酸盐溶解 粒间结合力下降 分散性增强 防水防渗 易溶性岩类含量低于5 安全影响不大 2 渗透稳定的变化容易发生渗透变形和渗透破坏的部位 泥化错动面附近 裂隙发育的劈理带 2 阳离子交换 渗水的类型泥化物的矿物成分夹层的透水性 速度发展趋势因素

10、3 游离氧化物的溶解 4 胶溶和氧化还原反应 在酸性水环境中 氧化铝或氧化铁被析出 在碱性水环境中 氧化硅被溶出 长期渗水作用下的泥化部位的无定形游离氧化物 通常以溶胶和饱水凝胶状态存在 的含量常高 泥化带与劈理带或岩石界面裂隙逐渐扩张 有些细小颗粒被带出 透水性逐渐增大化学反应而降低夹层的抗渗性能 渗透稳定性趋向恶化 岩体裂隙发育 贯通性强 宽度稍大 透水性良好 而且渗径较短 夹层就会产生渗透破坏 3 抗剪强度的变化shearstrength 成分影响 碎屑泥化夹层 由较粗的构造碎屑组成 孔隙较大 透水性强 易于产生渗流集中 渗透稳定性比较差 板岩 页岩 粘土质粉砂岩等 长期渗水的作用下 总

11、的趋势是降低 以劈理带泥状 软化物比较明显 劈理带裂隙 微裂隙异常发育 对水的作用敏感 发生吸附效应 如下结论 粘土岩夹层节理带 在原有结构不被扰动时 长期渗水作用 不会产生泥化 软化 劈理带具有 潜在泥化 特性 遇水后会产生泥化 抗剪强度明显降低 但泥化后的性状不会差于现存的泥化物 泥化错动带的性状 包括抗剪强度 受渗压水的化学类型 交换阳离子的成分 碳酸盐的溶蚀和游离氧化物的溶解 胶溶等因素的影响 在漫长的地质历史时期 泥化物的性状已处于相对稳定之中 在水文地质条件不发生急剧变化时 泥化带的性状仍保持现有状态 如在工程运行期间泥化夹层的结构不被破坏 坝基采取了有效的防渗措施 则泥化夹层的工

12、程地质性质不会发生恶化 四 泥弱夹层在特定条件下的抗剪强度 泥化夹层的抗剪强度是控制岩体抗滑稳定性的重要因素 在水库运行期间 泥化夹层还处于长期受力和反复受力的状态 其抗剪强度的变化 泥化夹层的流变特征和长期强度是人们所关注的问题 1 泥化夹层的流变特征fiowdeformability和长期强度flowstrength 作用时间长 流变试验 时间效应 变形 强度 现场快剪屈服强度残余强度 2 反复荷载作用下的强度 3 动力强度 反复荷载作用下 强度降低 反复强度 残余强度 五 软弱夹层的抗剪强度的取值问题 更合理方法 分析泥化夹层 结构 矿物成分 几何形态 泥化带厚度 夹层性状随空间和时间的

13、变化规律 第3节风化岩石的工程地质研究 岩石风化后物理力学性质发生显著变化 力学强度明显降低 各种工程建筑所遇到的岩石 绝大数是经受过不同风化程度的岩石 风化作用weathering 分布在地表或地表附近的岩石 经受太阳辐射 大气 水溶液及生物等因素的侵袭 逐渐破碎 松散或矿物成分发生化学变化 甚至生成新的矿物的现象 一 风化作用的类型和影响因素1 风化作用的类型 1 物理风化作用physicalweathering不良的导热体 不同的矿物热膨胀系数也不同 所以当温度发生变化时 岩石的表面与内部 产生应力 致使发生裂隙 并可逐渐松散破碎 渗入岩石孔隙 裂隙中的水 使裂隙扩大延长 在冰融季节反复

14、交替进行 最后可导致岩石崩裂 破碎 另外 水溶液中盐类物质的集聚结晶 植物根系的生长也可产生类似的情况 物理风化作用的结果 最初是使岩石发生大小不等 方向无序的裂隙 裂隙继续发展 增多 最后可形成大小不等的岩屑堆积 物理风化都是在靠近地表进行的 一般情况下深度不超过5m a 热胀冷缩 热力风化thermalweathering b 冰劈作用 冻融作用freeze thawweathering c 植物根系的生长也可产生根劈作用 d 水溶液中盐类物质的集聚结晶膨胀 2 化学风化作用chemicalweathering 在氧 水溶液等风化因素侵袭下 岩石中的矿物成分发生化学变化 改变或破坏岩石的性

15、状并可形成次生矿物的作用过程 3 生物风化biologicalweathering 氧化作用oxidation溶解作用solutiondissolution 分解 水化作用hydration 水合 相反 脱水作用dehydration 水解作用hydrolysis还原作用reduction软化和泥化作用 2 影响岩体风化的因素 1 岩性岩石的矿物成分和化学成分影响着风化速度 程度和风化产物的类型 特性 a化学成分chemicalcomposition 岩石的化学成分对风化的影响也是显著的 基性岩石比酸性岩石易风化 b矿物成分mineralcomposition 矿物的生成条件与地表的风化条件相

16、差越大 则矿物抗风化稳定性越低 反之越高 最稳定的矿物 石英quartz玉髓石榴子石garnet磁铁矿较稳定的矿物 白云母muscovite正长石orthoclase微斜长石酸性斜长石较不稳定的矿物 角闪石amphibole辉石phroxene白云石dolomite方解石calcite绿泥石chlorit最不稳定的矿物 黑云母biotite橄榄石olivine黄铁矿pyrite石膏gypsum岩盐 C岩石的结构textureD岩石的构造structure 风化过程阶段划分 破碎阶段 富钙质阶段 酸性硅铝化阶段 铝化土阶段 2 地质构造geologicstructure断层破碎带 裂隙密集带 层间错动带 岩体的完整性差 容易风化形成较深的风化囊和风化槽 3 气候 气温 雨量和湿度对岩体的风化有很大的影响 A寒冷气候带 岩屑型风化壳或机械风化壳mechanicalresiduum B干旱气候带 硅铝碳酸盐型风化壳residuumofcarbonatetype C温湿气候带 硅铝黏土型风化壳 高龄土型风化壳 residuumofkaolintype D湿热气候带 砖红土型风化壳residuu