2021二級造價工程師《土建工程》知識點：巖體的特征

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巖體的特征

巖體是由一種巖石或多種巖石甚至可以是不同成因巖石的組合體。 工程巖體有地基巖體、邊坡巖體和地下洞室圍巖三類。在工程施工和使用過程中，工程巖體的穩定性直接影響部分工程甚至整個工程的安全與穩定，決定工程的成功與失敗，應高度重視。

一、巖體的結構

(一)巖體的構成

1、巖石

(1)巖石的主要礦物

1)顏色。顏色是礦物最明顯、最直觀的物理性質。

2)光澤。光澤是礦物表面的反光能力，用類比方法常分為四個等級：金屬光澤、半金屬光澤、金 剛光澤及玻璃光澤。

3)硬度。硬度是礦物抵抗外力刻畫、壓人或研磨等機械作用的能力。鑒定礦物常用一些礦物互相

刻畫來測定其相對硬度，一般分為 10 個標準等級 礦物硬度表

(2)、巖石成因類型及其特征

地球固體的表層是由巖石組成的硬殼——地殼，組成地殼的巖石按成因可分為巖漿巖(火成巖)、 沉積巖(水成巖)和變質巖三大類。

①.巖漿巖(火成巖) 根據形成條件，巖漿巖分為噴出巖和侵入巖。根據形成深度，侵入巖又分為深成巖(形成深度大于 5km)和淺成巖(形成深度小于 5km)。深成巖致密堅硬，孔隙率小，透水性弱，抗水性強，是理想的建筑基礎(花崗巖、正長巖、閃長巖、輝長巖);淺成巖，顆粒細小，巖石強度高，巖性不均一，節理裂隙發育，巖 石破碎，風化蝕變嚴重，透水性增大(花崗斑巖、閃長玢巖、輝綠巖、脈巖)(13)。噴出巖產狀不規則， 厚度變化大，巖性很不均一，比侵入巖強度低，透水性強，抗風能力差(流紋巖、粗面巖、安山巖、玄武 巖、火山碎屑巖)。

②.沉積巖

經風化、搬運、沉積和成巖等一系列地質作用而形成的層狀巖石。如碎屑巖(如礫巖、砂巖、粉 砂巖)、黏土巖(如泥巖、頁巖)、化學巖及生物化學巖類(如石灰巖、白云巖、泥灰巖)等。

③.變質巖

變質巖是地殼中原有的巖漿巖或沉積巖，由于地殼運動和巖漿活動等造成物理化學環境的改變， 使原來巖石的成分、結構和構造發生一系列變化所形成的新的巖石。如大理巖、石英巖等。變質 巖的構造主要有板狀構造、千枚狀構造、片狀構造、片麻狀構造、塊狀構造，大理石屬于塊狀構造。

2.土

土是連續、堅固的巖石在風化作用下形成的大小懸殊的顆粒，在原地殘留或經過不同的搬運方式， 在各種自然環境中形成的堆積物。

(1)土的組成。土是由顆粒(固相)、水溶液(液相)和氣(氣相)所組成的三相體系。

(2)土的結構和構造。土的結構是指上顆粒本身的特點和顆粒間相互關聯的綜合特征，一般可分 為兩大基本類型：

①單粒結構(散粒結構)，是碎石(卵石)、礫石類土和砂土等無黏性土的基本結構形式，其對土 的工程性質影響主要在于其松密程度。

②集合體結構(團聚結構或絮凝結構)，這類結構為黏性土所特有。

土的構造，是決定勘探、取樣或原位測試布置方案和數量的重要因素之一。整個土體構成上的不 均勻性包括：層理、夾層、透鏡體、結核、組成顆粒大小懸殊及裂隙特征與發育程度等。

(3)土的分類

①、根據有機含量分類。根據土中有機質含量，分為無機土、有機質土、泥炭質土和泥炭。

②、根據顆粒級配和塑性指數分類 根據顆粒級配和塑性指數分為碎石土、砂土、粉土和黏性土。碎石土是粒徑大于 2mm 的顆粒含量超過全重 50%的土;砂土是粒徑大于 2mm 的顆粒含量不超過全重 50%，且粒徑大于 0.075mm 的顆粒 含量超過全重 50%的土;黏性土是塑性指數>10 的土。黏性土分為粉質黏土和黏土;粉土是粒徑大于0.075 的顆粒不超過全重 50%，且塑性指數≤10 的土。

③、根據地質成因分類。土可分為殘積土、坡積土、洪積土、沖擊土、淤積土、冰積土和風積土等。

④、根據顆粒大小及含量分類。土可分為巨粒土、粗粒土、細粒土等。

3.結構面

結構面的特征是影響結構面強度及其他性能的重要因素。

層面、節理、裂隙、裂縫、斷層等結構面的空間位置定義為結構面的產狀。結構面的產狀由走向、傾向和傾角三個要素表示，如圖 1.1.2 所示。并且，層面的產狀還代表所在巖層的產狀，即表示所在巖 層的空間位置。

4.地質構造

(1)水平構造和單斜構造 水平構造，是未經構造變動的沉積巖層，形成時的原始產狀是水平的，先沉積的老巖層在下，后沉積的新巖層在上。

單斜構造，是原來水平的巖層，在受到地殼運動的影響后，產狀發生變動形成巖層向同一個方向 傾斜，這種產狀變動往往是褶曲的一翼、斷層的一盤或者是局部地層不均勻的上升或下降所引起。

(2)褶皺構造

褶皺構造是組成地殼的巖層受構造力的強烈作用，使巖層形成一系列波狀彎曲而未喪失其連續性的構造(13)，它是巖層產生的塑性變形。絕大多數褶皺是在水平擠壓力作用下形成的，但也有少數 是在垂直力或力偶作用下形成的。褶皺在層狀巖層中最明顯，在塊狀巖體中則很難見到。

在褶皺比較強烈的地區，一般都是線形的背斜與向斜相向排列，以大體一致的走向平行延伸，有 規律的組成不同形式的褶皺構造。工程在褶曲的翼部遇到的基本上是單斜構造，傾斜巖層對建筑物的地基，一般沒有特殊不良的影響，要注意的是，傾斜巖層的產狀與路線或隧道軸線走向的關系問題， 對于以下兩種情況，則需要根據具體情況進行分析：

①、對于深路塹和高邊坡來說，僅就巖層產狀與路線走向的關系而言，路線垂直巖層走向或路線與巖層走向平行但巖層傾向與邊坡傾向相反時，對路基邊坡的穩定性是有利的。不利的情況是路線走向 與巖層的走向平行，邊坡與巖層的傾向一致，最不利的情況是路線與巖層走向平行，巖層傾向于路基邊 坡一致，而邊坡的傾角大于巖層的傾角。

②、對于隧道工程來說，在褶曲構造的軸部是巖層傾向發生顯著變化，是巖層受力應力作用最集中 的地方，所以在褶皺構造的軸部容易遇到工程地質問題。一般選線從褶曲的翼部通過是比較有利的(11)。

(3)斷裂構造

根據巖體斷裂后兩側巖塊相對位移的情況，將其分為裂隙和斷層兩類。

1)、裂隙

裂隙(節理)，是存在于巖體中的裂縫，是巖體受力斷裂后兩側巖塊沒有顯著位移的小型斷裂構 造。一般用裂隙率(巖石中裂隙的面積與巖石總面積的百分比)表示，裂隙率越大，表示巖石中的裂 隙越發育。

注：裂隙寬度：密閉裂隙<1mm;微張裂隙為 1～3mm;張開裂隙為 3～5mm;寬張裂隙>5mm。

根據裂隙的成因。將其分為構造裂隙和非構造裂隙兩類。

①、構造裂隙。在構造分布上有一定的規律性。

②、非構造裂隙。裂隙分布零亂,沒有規律性。巖體中的裂隙，在工程上除有利于開挖外，對巖體 的強度和穩定性均有不利的影響。其破壞了巖體的整體性，促進了巖體的風化速度，增強了巖體的透水性，進而使巖體的強度和穩定性降低。當裂隙主要發育方向與路線走向平行，傾向與邊坡一致時，

不論巖體的產狀如何，路塹邊坡都容易發生崩塌等不穩定現象。在路基施工中，如果巖體存在裂隙， 還會影響爆破作業的效果。因而，當裂隙有可能成為影響工程設計的重要因素時，應當對裂隙進行深 入的調查研究，詳細論證裂隙對工程建設的影響。

2)、斷層 斷層是巖體受力作用斷裂后，兩側巖塊沿斷裂面發生顯著相對位移的斷裂構造。 A、斷層要素。斷層一般由四個部分組成。a.斷層面和破碎帶;b.斷層線;c.斷盤;d.斷距。

B、斷層基本類型。根據斷層兩盤相對位移的情況，可分為正斷層、逆斷層、平推斷層。

正斷層是上盤沿斷層面相對下降，下盤相對上升的斷層(受拉)。逆斷層是上盤沿斷層面相對上 升，下盤相對下降的斷層(受壓)(10)。平推斷層是兩盤沿斷層面發生相對水平位移的斷層。

斷層線的方向常和巖層走向或褶皺的方向近一致，和壓應力作用方向垂直。

(二)巖體結構特征

1.結構體特征

平緩產狀的層狀巖體中，常將巖體切割成方塊體、三角形柱體等。在陡立的巖層地區，往往形成 塊體、錐形體和各種柱體。

2.巖體結構類型

巖體結構的基本類型可分為整體塊狀結構、層狀結構、碎裂結構和散體結構。

(1)整體塊狀結構。這類巖體具有良好的工程地質性質，往往是較理想的各類工程建筑地基、邊 坡巖體及地下工程圍巖。

(2)層狀結構。作為工程建筑地基時，其變形模量和承載能力一般均滿足要求。但當結構面結合力不強，有時又有層間錯動面或軟弱夾層存在，則其強度和變形特性均具有各向異性特點，一般沿層 面方向的抗剪強度明顯比垂直層面方向的更低(11)，特別是當有軟弱結構面存在時，更為明顯。

這類巖體作為邊坡巖體時，一般來說，當結構面傾向坡外時要比傾向坡里時的工程地質性質差得多。

(3)碎裂結構。層狀碎裂結構和碎裂結構巖體變形模量、承載能力均不高，工程地質性質較差。

(4)散體結構。巖體節理、裂隙很發育，巖體十分破碎，巖石手捏即碎，屬于碎石土類，可按碎 石土類考慮。

二、巖體的力學特性 巖體的變形通常包括結構面變形和結構體變形。 設計人員所關心的主要是巖體的變形特性，巖體變形參數是由變形模量或彈性模量來反映的。

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育，呈完整結構時，可以巖 石的強度代替巖體強度;如果巖體沿某一結構面產生整體滑動時，則巖體強度完全受結構面強度控制(11)。

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。

①、巖石的比重是巖石固體(不包括孔隙)部分單位體積的重量。巖石的比重決定于組成巖石的 礦物的比重及其在巖石中的相對含量。

②、巖石的重度(容重)，是巖石單位體積的重量，在數值上等于巖石試件的總重量(包括孔隙中 的水重)與其總體積(包括孔隙體積)之比。巖石孔隙中完全沒有水存在時的重度，稱為干重度;孔 隙全部被水充滿時的重度，稱為飽和重度。

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，則經常具有較大的孔隙度。

3)吸水性

巖石的吸水性一般用吸水率表示。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，巖石強度和穩定性受水作用的影響也就顯著。

4)軟化性 黏土礦物含量高、孔隙度大、吸水率高的巖石，與水作用容易軟化而喪失其強度和穩定性。 用軟化系數作為巖石軟化性的指標，在數值上等于巖石飽和狀態下的極限抗壓強度與風干狀態下極限抗壓強度的比。其值越小，表示巖石的強度和穩定性受水作用的影響越大。未受風化作用的巖漿 巖和某些變質巖，軟化系數大都接近于 1，是弱軟化的巖石，其抗水、抗風化和抗凍性強。軟化系數小于 0.75 的巖石(11)，是軟化性較強的巖石，工程性質比較差。

5)抗凍性

巖石的抗凍性，有不同的表示方法，一般用巖石在抗凍試驗前后抗壓強度的降低率表示?？箟簭?度降低率小于 25%的巖石，認為是抗凍的;大于 25%的巖石，認為是非抗凍的。

(2)巖石主要力學性質

1)巖石的變形

巖石受力作用會產生變形，在彈性變形范圍內用彈性模量和泊桑比兩個指標表示。相同受力條件 下，巖石的彈性模量越大，變形越小。即彈性模量越大，巖石抵抗變形的能力越強。泊桑比是橫向應 變與縱向應變的比。泊桑比越大，表示巖石受力作用后的橫向變形越大。

2)巖石的強度

①抗壓強度。膠結不良的礫巖和軟弱頁巖<20MPa，堅硬巖漿巖>250MPa。

②抗拉強度。巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度，故當巖層受到擠壓形成褶皺時，常在彎曲變形較 大的部位受拉破壞，產生張性裂隙。

③抗剪強度?？辜魪姸仁茄貛r石裂隙或軟弱面等發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%(09)。巖石越堅硬，其值相差越大，軟弱巖石的差別較小。 巖石的抗壓強度和抗剪強度，是評價巖石(巖體)穩定性的主要指標，是對巖石(巖體)的穩定性進 行定量分析的依據之一。

2.巖石的分級

由松軟至堅實共分為 16 級。前四級是土。

(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

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，Sr 在 50%～80%之間是很濕狀態，Sr>80%是飽水狀態。

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土的塑性指數和液性指數

碎石土和砂土為無黏性土，緊密狀態是判定其工程性質的重要指標。粉土屬于砂土和黏性土的過 渡類型。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，它表示黏性土處 在可塑狀態的含水量變化范圍。塑性指數愈大，可塑性就愈強。黏性土的天然含水量和塑限的差值與 塑性指數之比，稱為液限指數。液限指數愈大，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 就會沿著該曲面發生相對滑移而失穩。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(淤泥及淤泥質土)。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，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，有的即使在其自重作用下也會發生劇烈的沉陷(09)。濕陷性 黃土受水浸濕后，在其自重壓力下發生濕陷的，稱為自重濕陷性黃土。而在其自重壓力與附加壓力共 同作用下才發生濕陷的，稱為非自重濕陷性黃土。

(3)紅黏土。一般呈褐色、棕紅等顏色，液限大于 50%。天然含水量高(一般為 40%～60%，最高達 90%)、密度小(天然孔隙比一般為 1.4～1.7，最高為 2.0)、塑性高(塑限一般為 40%～60%，最 高達 90%，塑性指數一般為 20～50)，通常呈現較高的強度和較低的壓縮性，不具有濕陷性。由于塑 性很高，所以盡管天然含水量高，一般仍處于堅硬或硬可塑狀態，甚至飽水的紅黏土也是堅硬狀態的。

(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，強度較高，壓縮性較低，易被誤認為是工程性能較好的土。在膨脹土地區進行工程建筑，如果不采取必要的設計和施工措施，會導致大批建筑物的開裂和損壞，甚至造成坡地建筑場地崩塌、滑坡、地裂。當膨脹土的含水量劇烈增大或土的原狀結構被 擾動時，土體強度會驟然降低，壓縮性增高。

(5)填土。根據填土的組成物質和堆填方式形成的工程性質的差異，劃分為以下三類：

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。素填土地基具有不均勻性，防止建筑物不均勻沉降是填土地基的關鍵。

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廢料為 主要成分的雜填土，一般不宜作為建筑物地基(12)。主要以建筑垃圾或一般工業廢料組成的雜填土， 采用適當的措施進行處理后可作為一般建筑物地基。

③沖填土。沖填土是由水力沖填泥砂形成的沉積土，如在整理和疏浚江河航道時，送至江河兩岸 形成的填土。沖填土的含水量大，透水性較弱，排水固結差，一般呈軟塑或流塑狀態，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

結構面的規模是結構面影響工程建設的重要性質。結構面分為Ⅰ～Ⅴ級。

Ⅰ級控制工程建設地區的穩定性，直接影響工程巖體穩定性。 Ⅳ結構面主要控制著巖體的結構、完整性和物理力學性質。 Ⅴ級控制巖塊的力學性質。 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。

(四)地震的震級和烈度

1.地震震源 震源是深部巖石破裂產生地殼震動的發源地。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。震中區受破壞最大，距震中越遠破壞程度越小。地震波通過地球內部介質傳播的稱體波，體波分縱波和橫波?？v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。面波的傳播速度最慢。

2.地震震級

地震是依據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。目前國際通用為 4 級地震。

3.地震烈度 地震烈度，是指某一地區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的最大地震烈度。

(2)建筑場地烈度(小區域烈度)，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，是根據建筑物的重要性、永久性、抗震性以及工程的經 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特殊重要的建筑物，經主管部門批準，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，它們由大到小依次分布。但因地質條件的差異，也可能出現偏大或偏小的烈度異常區。

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