工程地质分析的理论与方法

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
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
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。
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。
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；
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。
麦德维捷夫(g)
美国西部（cm/s2）
日本 (g)
<0.001 0.001～0.002
中国 (g)
12.50 垂直12.5，水平16.67 0.0125～0.025 0.025～0.05 0.05～0.10 0.10～0.20 0.20～0.40 0.40～0.80 垂直687.50，水平1087.50 垂直18.56，水平37.12 垂直38.99，水平82.46 垂直68.17，水平131.29 垂直116.67，水平166.67
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(gravitational stress) 2） 构造应力(tectonic stress) *活动的(active tectonic stress)： 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；
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。
绪
有一个发展演化过程 因此，研究这些问题 –
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
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。
1. 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
国际地震烈度划分对照表
中国 1 美国 （MM） 1 俄罗斯 1 欧洲 (MCS) 1 欧洲 (Rossi-Forel) 1 日本 （JMA） 0
绪
(3)研究对象
论
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…）
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。
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，C<Ca： 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
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
（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：
M log A
■
■ ■
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：
M S 1.13M L 1.08
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。
2 . 区域构造稳定性研究的技术路线与方法
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”
烈度与地面最大加速度关系参考值
烈度
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ Ⅸ Ⅹ Ⅺ Ⅻ
古登堡-李希特(g) 纽曼(g)
0.0007 0.0015 0.003 0.007 0.015 0.032 0.070 0.138 0.295 0.631 0.002 0.004 0.008 0.016 0.032 0.064 0.130 0.270 0.540 1.094
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 C0 > C > Ca，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
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1. 有关区域构造稳定性的几个基本问题
*剩余的(residual tectonic stress)：
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(altered stress)： 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(residual stress)： 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。
0.002～0.005 0.005～0.01 0.01～0.02 0.02～0.044 0.044～0.094 0.094～0.202 0.202～0.432 0.432～0.616 1.00～1.112 0.038--0.075 0.075--0.15 0.15--0.30 0.30--0.60
2 . 区域构造稳定性研究的技术路线与方法
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
(3) 研究方法
论
-- 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。
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
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
(1)工程地质学的基本任务
论
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. 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。