地质分析是工程地质勘察的核心论文.docx

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地质分析是工程地质勘察的核心论文

地质分析是工程地质勘察的核心

以地质学和岩土力学理论为基础的近代工程地质的发展和电子计算机及各种现代勘察测试技术的应用，促进了水利水电工程地质勘察和评论工作的面貌发生了巨大的变化。

因此，如何改善水利水电工程地质勘察工作，已成为工程地质学界和水利水电工程建设部门共同关心的问题。

我国1999年发布的《水利水电工程地质勘察规范》是总结我国建国以来水利水电工程地质勘察经验编写的，是我们进行水利水电工程地质勘察工作主要依据。

如何正确理解、执行规范规定是我们在实际工作中值得研究的问题。

只有创造性的从实际出发，把工程与地质结合起来，使用正确的力学研究方法、数学研究方法进行细致的分析，最终得出工程地质评价才是最可靠的依据。

一、国外大坝工程地质勘察工作的特点

（一）、勘探工作量较少

勘探指数＝勘探工作总进尺／坝高×坝顶长

统计国内60多个工程勘探指数的平均值与国外相比：

国内国外

地质条件简单0.11<0.05

中等复杂地质条件0.2+0.1

复杂地质条件0.44<0.2

如大桥水库，坝高93米，坝顶长312米

则工程勘探总进尺＝93×312×0.44＝12629米

而实际工程勘探总进尺为13921米＞12629米

也就是说，我国的勘探工作量平均比国外高出了一倍左右。

（二）、重视勘察工作的成本―――效益分析

国外把地质勘察工作的效益定义为，设计对有用地质资料占全部勘察工作资料的百分数，作为评价工程地质勘察工作的（技术和经济）效益的统一标准。

因此，勘察前期以布置适量钻探工作，原则上不布置原位试验，而在施工期结合工程需要进行必要的勘探、试验工作，这是值得借鉴的。

（三）、常规勘察方法与现代探测手段的综合使用

和国内推广小口径（Ф56）钻探相反，国外总的趋势是加大孔径，以进一步提高岩芯获得率和利用探头进行各种孔内测试工作。

也就是一孔多用。

工程地质人员最关心的是如何进一步提高岩芯获得率和取样技术，这是评价工程地质条件的主要依据。

关于孔深，国外多倾向于浅孔为主，深、浅相结合的原则，最大孔深为坝高的70％，一般孔深为坝高的1／3。

压水试验：

总长度为钻探总进尺的10～25%，岩土力学试验大力提倡野外大型试验，其尺寸应达到节理平均间距的6倍，实际上一般采用室内和野外结合的大、中、小结合的原则。

（四）、重视地质力学模型试验研究

（五）、普遍采用类比法

类比法是建立在多种地质因素的相关关系和经验的基础上的有效的工程地质评价方法。

应用工程地质类比法和经验判断应掌握以下几条原则：

1、岩石的岩性必须基本相同或类同；

2、岩体的边界条件应相似；

3、建筑物类型应该一致；

4、利用正建成的、经过考验的水工建筑物的参数的合理性和安全度；

5、在工程地质类比法和经验判断中，以概率机理进行风险决算和以模糊数学概念来做模糊工程地质评价是必要的。

二、几点启示

1、在勘察布置上采用地质因素重要性分析法；

2、在勘察方法上采用各种新的勘察技术，改善传统的勘察方法；

3、在工程地质评价上大量采用类比法，以充分运用正积累起来的经验；

4、地质分析是核心；

工程地质勘察的岩土物理力学参数取值的原则、方法和内容

岩土力学参数是工程设计和岩土体稳定性评价十分重要的科学依据。

但是要取得精确的、可靠的岩土力学参数是十分困难的。

现有多种手册中所列举的岩土力学参数均没有说明：

试验的部位、取样地点、工程类别、工程作用力的性质、试验原理程序等。

在没有说明以上问题的情况下，所得到的岩土力学参数是不能直接引用的。

解决岩土力学参数的问题，必须使工程地质和岩土力学工作紧密结合，才能得到较精确和比较可靠的岩土力学参数。

谁能做到两者紧密结合，在解决岩土力学参数问题上谁就能走在前面。

岩体力学是近代发展较快的科学分支，了解岩体力学研究对于正确理解、认识、掌握岩土力学参数的取值原则、方法和内容是十分必要的。

岩体力学是在岩体结构控制论的基础上，对岩体的力学性状及其变形、位移及破坏过程和规律的研究。

岩体所处环境对岩体力学性状的影响：

1、构造环境：

构造活动性、地震危险性及活动性；

2、地应力环境、岩体表层岩体应力分布：

应力释放带、应力集中带、应力平稳带，处于不同应力带可对应不同的工程地质问题，其力学参数亦有很大差距；

河谷应力场分布对认识岩体力学参数有明确的启示

3、水文地质条件、水的静水压力、动水压力、孔隙水压力、有效压力及水岩作用问题；

4、地温条件；

5、荷载条件、荷载性质、加力方式、加荷速度；

岩体总体力学性质与参数

组成岩体的均一性、总体结构的连续性、岩体的孔隙程度、结构面的力学性质、几何效应、力学效应。

岩体形变破坏过程的机理研究。

1、岩体不同形变阶段的力学性质、强度理论及强度指标；

2、块裂介质，形变主要受结构面的控制；

3、连续介质，形变主要受结构面的控制；

4、破碎介质，具有强烈的结构效应；

岩体力学实验研究：

地质分析是岩体力学实验研究的基础，如何将地质结构条件概化为地质模型，又将地质模型转化为力学模型，而使边界条件、岩体变形和破坏机理不失真，这要求对岩体结构第一手资料准确、可靠。

因此，岩体力学参数有充分的代表性，针对性和对岩体变形机理深刻的认识以及力学模型是否表征的问题的关键和要害。

一、原则

1、岩土物理力学性质参数

试验成果可按岩土体质量类别、工程地质单元、区段或层位，分别用算术平均值、最小二乘法、图解法、数值统计法或优定斜率法进行整理，并舍去不合理的离散值。

应采用整理后的试验值作为标准值，再根据水工建筑物地基或围岩的工程地质条件进行调整，提出地质建议值，当采用结构可靠度分项系数及极限状态设计方法时，岩土性能的标准值宜根据岩土试验性能的概率分布的某一分位值来确定。

2、土的物理力学性质参数

地基渗漏系数采用室内试验或抽水试验的大值平均值作为标准值；用于水位降落、排水计算宜用小平均值，供水工程计算可用平均值。

粘性土地基，f/可采用室内饱和固结快剪90％，c可取20～30％，对于砂性土，f采用85～90％，不计c值；土的抗剪强度宜采用试验峰值的小平均值作为标准值；软土宜用流变值。

3、岩体的物理力学性质参数

当试件呈脆性破坏时，坝基抗剪强度取值：

拱坝应采用峰值强度的平均值作为标准值；重力坝应采用概率分布的0.2分位值作为标准值或采用峰值强度的小值平均值，或采用优定斜率法的下限作为标准值。

抗剪强度采用比例极限强度作为标准值。

当试件呈塑性破坏时，以其屈服强度作为标准值，并考虑时间效应，并按流变影响进行折减。

总体变形指标应根据岩体实际承受工程作用力方向和大小进行原位试验，并采用压力――变形曲线上建筑物最大荷载下相应的变形关系选取标准值。

坝基岩体承载力宜根据饱和单轴抗压强度进行折减确定标准值，软岩可通过三轴压缩试验确定其容许承载力。

4、结构面的抗剪强度

当结构面试件的凸起部分被啃断或胶结充填物被剪断时，采用峰值强度的小平均值作为标准值。

当结构面试件呈磨擦破坏时，应采用屈服强度或流变强度作为标准值。

5、软弱层、断层的抗剪强度，当试件呈塑性破坏时，应采用屈服强度或流变强度为标准值。

当试件粘粉含量＞30％或有泥化镜面或粘土矿物的蒙脱石为主时，应采用流变强度作为标准值。

在固结剪切中，峰值与流变折减系数为0.8，屈服值与流变折减系数为0.93，其剪切带屈服值相当于峰值60～70％。

6、斜坡稳定计算参数

岩质边坡潜在的滑动面的抗剪强度可取峰值强度；古滑坡或多次滑动面的抗剪强度可取残余强度。

7、岩土工程中岩土性质指标的选用

①、一般情况下，岩土性质指标应提供统计数量、范围值、平均值和娈异系数；

②、评价岩土岩状的指标，应选用平均值；

③、正常使用极限状态计算需用的岩土性质指标，如：

压缩系数、压缩模量、渗透系数，宜选平均值。

当娈异系数较大时，可根据经验作适当调整。

一般情况下，娈异系数应小于0.3；

④、承载力极限状态计算需用的岩土参数，应选用标准值；

⑤、每个场地主要岩土层参加统计指标数是不应少于6个；

⑥、回归修正系数Ψ也可根据工程重要性、参数的娈异性和统计数据的个数，根据经验选用。

二、方法

1、抗剪断强度试验资料整理分析方法

①、检查原始试验资料，论证各试点峰值抗剪强度；

②、点绘原始资料水平位移――剪应力――垂直位移曲线；

③、确定抗剪强度特征值；

对于脆性破坏型的砼／基岩抗剪，采用前端剪胀点作为砼／基岩胶结面不开裂的控制点，确定为近似比例极限。

对于塑性破坏型的岩体及软弱层抗剪，依据变形曲线判断，当剪应力增加到约为峰值0.6～0.7倍范围内，位移速度增大，曲线明显转折，确定为屈服值强度。

④、依据大剪试验剪面地质素描图，分析多试点情况，确定剪切类型，点绘σ—τ关系曲线，分别整理单组及分类的抗剪强度指标。

2、岩体变形特征试验资料分析整理方法

①、检查原始资料，判断多级压力下变形是否稳定；

②、对最后一级压力下变形值进行修正，确定变形稳定值；

③、采用某级荷载下回弹线延长近似计算弹性模量，解决部分试点由于卸荷至零点荷载扳脱离而造成的弹性变形不确切的问题；

3、优定斜率法

（一）、优定斜率法的基本思路

尊重岩体的结构特征，不搞机械式的分解和装配，对组成岩体抗剪强度参数的两个随机变量f、c，利用其稳定性的差异和相关性，按先易后难的原则，先优定f，再求其c，建立参数取值较科学程度，习题减少主观随意性。

其内容和步骤是：

①、岩体力学测试研究，成果整理分析和参数选取均建立在岩体工程地质分级基础上；

②、加强现场试验点和剪切面具体结构条件的调查、统计和分析；

③、注意岩体变形、破坏机理的研究，重视测试成果与试点地质条件对应关系的分析；

④、通过分析后，先优定各岩级摩擦系数；

⑤、在此基础上分别求出多各级相应斜率的凝聚力值；

（二）、斜率优定的方法

①、综合分析法：

首先分析岩石在三维状态下的强度特征，探索内摩擦角的变化规律，再根据各岩级试验成果绘制τ—δ关系图，从其点群分布的总趋势和，并注意岩级试点应力――应变关系所显示的特点，以及个别离散度试点的代表性,大致确定出点群上、下包线的斜率，最后参考工程实践经验，综合分析确定各岩级的斜率；

②公式计算法（岩体破坏经验准则推求法）

大量资料表明：

库伦强度准则中的摩擦系数应理解为：

在最大正应力下的瞬时摩擦系数综合值，因此，根据坝基岩体可能达到的应力水平，确定此应力区段骨的全部瞬时摩擦系数的平均值，以此作为摩擦系数的优定值，并按经验破坏准则导出各岩级的优定内摩擦角。

（四）、凝聚力c的取值原则

合理地选取离散度大的c值，对于均一性较好的岩体，可在优定斜率法的下限和平均值之间选取C值；对于坚硬岩体，由于裂隙发育的随机性和不均匀性，为了避免因某些薄弱单元的破坏面危及岩体的整体安全C值宜选下限值。

4、统计和概率方法

统计和概率方法是建立在足够有效的数据采集的基础上，根据这些数据样本求得统计学特征和经验概率分布，再由统计推断获得参数的理论概率分布函数的一种方法。

三、岩土力学参数的内容

1、地下洞室岩体物理力学参数内容

中小型水利水电工程地质勘察经验汇编提出围岩主要物理力学参数有：

密度γ、凝聚力c、内摩擦角φ、变形模量E0、泊桑比μ。

已勘察设计水利水电工程地下洞室岩体力学参数

密度γ

抗剪强度

f、c

抗剪断强度

f′c′

变形模量E0

弹性模量

E

泊

桑

比μ

坚固系数

单位抗力系数

抗拉强度

承载力

（允许）

结构面抗剪强度

fi、ci

纵波速度

备

注

大桥水库

0

0

0

0

0

0

有压隧洞

瓦屋山电站

0

0

0

0

0

0

有压

天龙湖电站

0

0

0

0

0

0

0

有压隧洞

天龙湖电站

0

0

0

剪切模量

0

0

地下厂房

黄角坝电站

0

0

无压

武都水库导流洞

0

0

0

0

0

无压

会东可河

电站

0

0

0

0

0

0

0

调压井

漫水湾电站

0

0

0

抗压强度

0

0

0

广西那板水电站引水洞

0

0

0

0

0

0

抗压强度

抗拉强度

平昌牛角坑水库

0

0

0

0

0

无压

马边官帽舟电站

0

0

0

0

0

0

无压

筠莲王家沟水库

0

0

0

0

0

0

无压

设计使用

指标

0

0

动弹模量

0

0

0

0

抗压强度

0

从表中可知:

各个地勘报告提出一下洞室岩体力学参数内容是不一致的,而不同功能的隧洞设计使用指标是不一致的，大跨度地下厂房、地下洞室合作的指标也有不同。

因此，地下洞室岩体力学参数必须根据水工建筑物结构、功能提出满足设计使用的指标。

2、大坝地基岩体物理力学参数的内容

在阅读我们的地勘报告中，大坝地基岩体物理力学参数的内容也存在一定差异，但总的内容是一致的。

其主要指标、岩体抗剪强度、地基承载力、变形指标、软弱夹层抗剪指标，但这些指标有个共同特点，指标基本相同，没有根据地质环境分析评价，特别是软弱夹层指标，很多是无试验资料，都是所谓的“类比”。

龙羊峡安康电站、雅安铜头电站、山西万家寨电站等工程试验成果表明，地质环境、试验方法对岩体物理力学性质影响是显著的。

攀枝花地区地基土试验资料的数理统计和回归分析表明，土体物理力学性质与埋深关系密切。

3、边坡评价中岩土力学参数内容

在边坡稳定评价中，除均质岩土体要用岩土体抗剪强度指标外，一般应使用结构面的物理力学参数。

在滑坡稳定系数的反算中，其反算的稳定系数应根据滑坡不同发育阶段而定，而不能一律使用1.0概念。

滑坡不同发育阶段的稳定系数

发育阶段局部变形阶段整体滑移阶段稳定固结阶段

蠕变微滑剧滑固结

稳定系数K01.05～1.001.00～0.90<0.90>1.05

微滑段长微滑段短

初始地面线1.001.000.90～0.951.00

现状地面线1.000.9～0.991.10～1.20≥1.20

综上所述，岩物理力学参数的内容是供设计使用的，因此，必须根据水工建筑物的结构、功能，才能提出相应的设计地质参数。

同时，要分析岩土体在水工建筑物地基部分的地质环境，根据具体的地质环境，进行认真、细致的地质分析，并与岩土力学理论和实践紧密结合，重视取样质量、试验方法、地质描述有机地结合起来加以分析，才能得出可靠的可供设计使用的岩土力学参数。