工程地质分析的理论与方法

工程地质分析的理论与方法李渝生教授成都理工大学环境与土木工程学院绪论目前，人类活动已涉及到地球表面80％的地区。人类工程活动都是在一定的地质环境中进行的，两者之间必然产生特定方式的相互关联和相互制约。绪论(1)工程地质学的基本任务研究人类工程活动与地质环境之间的相互制约的主要形式和基本规律;科学评价、合理利用、有效改造和妥善保护地质环境的科学。1)工程建设规模不断增大—面临的问题日趋复杂；例如：三峡工程、过海隧道等；2)科学技术进步—原来难以解决的问题可以得到较好的解决。如：计算机技术、遥感技术、模拟技术等。绪论(2)目前工程地质学科处于快速发展阶段1）国际：强调工程地质学是地质学的分支，注重地质基础问题。研究中的第一性地质资料比较扎实，但吸收工程学科的成就教迟缓；2）从工程角度研究问题，注重定量分析。习惯于将复杂的地质问题用简单的数学、力学模型来代替，忽视了地质条件的复杂性。国内：1）从岩体力学的结构控制角度研究问题。强调岩体结构及力学属性对岩体变形破坏的控制作用。2）地质过程的“机制分析-定量评价”。注重地质发展过程的定性分析与岩体力学定量评价相结合。绪论(3)研究对象各类工程地质问题的产生条件、形成机制、发展演化、防治措施以及分类、评价方法。工程地质问题：人类工程活动与地质环境之间相互作用所引起的、能对建筑物或地质环境造成危害的问题。这些问题是由工程动力地质作用引起的。工程动力地质作用：自然地质作用-自然形成、发展的；（地震、滑坡、泥石流…）工程地质作用-人类工程活动引起的。（工程边坡破坏、水库诱发地震、地基沉陷…）绪论自然地质作用工程地质作用绪论(3)研究方法--由研究对象的性质及特点所决定的。从研究对象-“工程地质问题”的特点来看：1）绝大多数工程地质问题都是在特定地质条件下产生的，均有一个发展演化过程；2）工程地质分析的明确目的是为工程活动服务。绪论（1）绝大多数工程地质问题都是在特定地质条件下产生的，均有一个发展演化过程因此，研究这些问题–必须首先以地质学的观点、自然历史的观点，分析地质体与周围因素相互作用的特定方式、发展演化历史及发展的阶段性；从全过程和内部作用机制上把握其形成、演化、现状及其未来发展趋势。--“地质过程的机制”分析。研究结果--虽然是定性的，但因能够反映区域性或趋势性规律，对工程活动的规划选点、可行性研究（工程活动的战略布局），有重要的指导意义。同时也是进一步定量评价不可或缺的基础。绪论（2）工程地质分析的明确目的是为工程活动服务。因此，必然要求对工程地质问题进行定量评价，为工程设计提供必要的参数或定量数据。即在阐明工程地质问题形成机制的基础上，建立相应的力学-数学模型，进行必要的定量计算与预测。据此，进行定性与定量评价相结合的“地质过程机制分析-定量评价”。区域构造稳定性的工程地质分析1.有关区域构造稳定性分析的几个基本问题2.区域构造稳定性的技术路线与方法3.工程研究案例1.有关区域构造稳定性的几个基本问题1.1地壳岩体的天然应力状态1.2地应力积累与地壳岩体应变速率的关系1.3地震与地震波1.有关区域构造稳定性的几个基本问题1.1地壳岩体的天然应力状态（1）基本概念1）自重应力(gravitationalstress)2）构造应力(tectonicstress)*活动的(activetectonicstress)：地壳内现代正在积累的、能够导致岩体变形破裂的应力，即狭义的地应力；*剩余的(residualtectonicstress)：古构造运动的残留应力；对于这种应力是否存在有不同的认识。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题3）变异应力(alteredstress)：岩体的物理状态、化学性质或赋存条件的变化所引起的应力，通常只具有局部意义；4）残余应力(residualstress)：岩体卸荷过程中，内部某些组分的膨胀回弹趋势部分地受到其它组分的约束，而形成残余的拉、压应力自相平衡的应力系统。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题（2）地壳岩体的天然应力状态类型地壳岩体内的三向应力状态，主要有如下三种基本类型。1）“潜在走向滑动型”应力状态σ2近于垂直、σ1和σ3近于水平作用。*地壳岩体内最大剪应力作用面--与最大主压应力σ1成约45º-φ/2左右交角的陡立面；*岩体破坏–必然是沿该走向的陡倾角断裂发生走向剪切错动。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题2）“潜在逆断型”应力状态σ3近于垂直、σ1和σ2近于水平作用。地壳岩体内最大剪应力作用面--走向与最大主应力σ1作用方向相垂直的剖面“X”型共轭断裂面;岩体破坏–必然沿此剖面“X”裂面发生逆断活动。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题3）“潜在正断型”应力状态σ1近于垂直、σ3和σ2近于水平作用。地壳岩体内最大剪应力作用面–走向与最小主应力σ3作用方向相垂直的剖面“X”型共轭断裂面。岩体破坏–必然沿此剖面“X”裂面发生正断活动。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题对于任何一个地区：只要，掌握了现代地应力场中的–最大主应力σ1作用方位、三向应力状态。就可能，判明该地区潜在活动断裂的发育方位。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题1.2地应力积累与地壳岩体应变速率的关系（1）对于粘弹性介质--“应变速率”--决定介质力学性状的主要因素。1）当应变速率C小于临界值C0时，在受力初期随应变而发生应力积累。但当增大到一定程度之后，应力不再继续增大，而应变则不断增长，即进入粘性流动阶段。岩体–流动变形而不破坏。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题2）当应变速率C大于C0时，岩体性状--近似于弹性体。随着应变速率的发展，应力不断积累增大，最终导致岩体破坏。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题（2）地壳岩体--粘弹性介质，1）当岩体的应变速率C大于其临界值C0时：断裂带的应变速率C断必然大于C0，地壳岩体整体处于弹性状态；岩体内部及沿断裂带的应力随形变的发展而呈线性增长；破坏--即可在断裂带内发生、也可在岩体内部发生。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题2）岩体的应变速率C介于C0和断裂带应变速率临界值Ca之间：即C0CCa，岩体的力学性状与断裂带不同。*岩体地应力–经过初期的减速型增长后，稳定在一个“与地壳应变速率和岩体性质相适应”的特定水平上。此时：沿最大受力方向--粘性压缩变形，垂直于最大主应力方向--伸长和隆起，不发生破坏。*断裂带内应力–随应变的发展呈线性增长，最终发生破裂。--现代构造活动区。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题3）岩体的应变速率小于断裂带应变速率临界值，CCa：岩体和断裂带的应变速率--均低于临界值C0；此时，岩体内部及断裂带地应力–在经过初期的减速型增长阶段后，均“稳定在一个与地壳应变速率和岩体性质相适应”的特定水平上。--现代构造稳定区。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题1.3地震与地震波（1）地震“地壳表层岩体中弹性波传播所引起的震动。”在地球内力作用下产生构造形变而逐步蓄积弹性应变能；一旦达到岩体的强度极限，发生突然的剪切破裂（脆性破坏）或沿已有的破裂面产生突然错动（粘滑）；致使其所积蓄的应变能以弹性波的形式释放出来而引发地震。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题（2）地震波地震波的组成相当复杂，现阶段的研究认为主要包括：在介质内部传播的体波--纵波（P波）横波（S波）限于界面附近的面波（L波）--瑞利波（R）；勒夫波（Q）1.有关区域构造稳定性的几个基本问题1）体波纵波（P波）--震源传出的压缩波；横波（S波）--震源传出的剪切波。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题2）面波（L波）--到达地表后激发的次生波，限于地面附近运动，向地下迅速消失。瑞利波（R）--在地面上滚动。质点在平行于波传播方向的垂直面内作椭圆状运动，椭圆长轴垂直地面。勒夫波（Q）--在地平面上作蛇行运动。质点在水平面内垂直于波传播方向作水平运动。面波传播速度比体波慢。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题（3）地震谱首先记录到--振幅小、周期短的P波，然后才是S波；P波与S波之间的时间差（走时差）--测定震中距。最后到达--速度最慢、振幅最大、波长及周期最长的面波(L波)进一步分为--先到达的Q波和后到达的R波。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题（4）震级、烈度1）震级震级是由地震所释放出的能量大小所决定的。李希特-古登堡定义：■计算近震（震中距⊿1000km）用体波震级ML：■计算远震（震中距⊿1000km）用面波震级MS：■震级以面波震级为标准，用MS或M表示。体波震级与面波震级换算：AMlog08.113.1LSMM1.有关区域构造稳定性的几个基本问题2）烈度表征地震时震动强烈程度的尺度。定义--“地震时一定地点的地面震动强度，是指该地点范围内的平均水平”。■基本烈度--在今后一个时期内、在一定地点的一般场地条件下可能遭遇的最大烈度。■根据工程安全和经济需要，将基本烈度调整为“设计烈度”。■地震荷载--惯性力，主要取决于地面最大加速度。■地震加速度--与地震所释放的能量和地壳表层岩体的物质组成、结构特征及力学性状等复杂因素有关，研究难度相当大。1.有关区域构造稳定性的几个基本问题中国美国（MM）俄罗斯欧洲(MCS)欧洲(Rossi-Forel)日本（JMA）111110222221333332444442～355555～63666674777784～58888959999106101010101061111111110712121212107国际地震烈度划分对照表1.有关区域构造稳定性的几个基本问题烈度古登堡-李希特(g)纽曼(g)麦德维捷夫(g)美国西部（cm/s2）日本(g)中国(g)Ⅰ0.00070.0020.001Ⅱ0.00150.0040.001～0.002Ⅲ0.0030.00812.500.002～0.005Ⅳ0.0070.016垂直12.5，水平16.670.005～0.01Ⅴ0.0150.0320.0125～0.025垂直18.56，水平37.120.01～0.02Ⅵ0.0320.0640.025～0.05垂直38.99，水平82.460.02～0.044Ⅶ0.0700.1300.05～0.10垂直68.17，水平131.290.044～0.0940.038--0.075Ⅷ0.1380.2700.10～0.20垂直116.67，水平166.670.094～0.2020.075--0.15Ⅸ0.2950.5400.20～0.400.202～0.4320.15--0.30Ⅹ0.6311.0940.40～0.80垂直687.50，水平1087.500.432～0.6160.30--0.60Ⅺ1.00～1.112Ⅻ烈度与地面最大加速度关系参考值2.区域构造稳定性研究的技术路线与方法2.1研究工作的技术路线各种错综复杂的地质现象及由其所反映的活动带和稳定区，受区域地壳运动方式和特点所制约，通常按照一定的地壳岩体力学模式，结合成特定的总体形变图像，客观地反映出该区域应力-形变场特征。因此我们认为，场地稳定性评价的有效途径应是：“在分析区域资料以及对重点地区各种构造运动现象的深入调察和测试研究的基础上，客观地抽象出由特定地壳运动方式所决定的应力-形变场发育的概念模型，然后通过物理模型试验和数值模拟研究，深化对作用机制的理解，分析活动性断裂对地壳应力集中模式及强震-构造环境的控制作用，取得定量关系和数据。据此进一步采用现代的理论和方法，对工程场地的构造稳定性作出定量评价。--“岩体力学模式-机制研究”2.区域构造稳定性研究的技术路线与方法这一研究途径的基本要点在于：①按构造、地貌、地震与深部构造的一致性，确定地壳断块结构；②采用地质调查与测试分析相结合的方法，研究断裂新活动性；③建立地质-力学概念模型，进一步转化为数学模型；④有限元数值分析：区域应力-形变场现今特征的线弹性分析；区域应力-形变场发展演化趋势的流变分析。⑤根据数值分析获得的主应力、最大剪应力及应变能密度分布图--确定地壳应力集中部位（潜在震