运用地质学和岩土力学等理论,在工程地质勘察成果的基础上,对工程建筑物场地的工程地质条件和各种潜在的工程地质问题进行分析研究,并联系建筑物的特点和要求,对其发展趋势作出预测或论断
运用地质学和岩土力学等理论,在工程地质勘察成果的基础上,对工程建筑物场地的工程地质条件和各种潜在的工程地质问题进行分析研究,并联系建筑物的特点和要求,对其发展趋势作出预测或论断,以便为场地选择和建筑物的规划、设计和施工提供工程地质依据或建议。水利工程建筑物场地需要进行评价的工程地质问题基本上可分为四个方面:区域构造稳定性 预测或论断水利工程建筑物场地及其邻区,在建筑物使用年限内,地壳是否可能发生隆起、沉降、掀斜和褶皱、断裂等新构造运动或地震活动及其对建筑物的影响程度。由于活断层和地震活动常突然相伴发生,其破坏性很大,直接威胁建筑物的稳定和安全,所以,区域构造稳定性评价,主要是指建筑物区的活断层和地震活动性问题。①活断层是指在今后一定时期内(或建筑物使用期限内)还可能继续活动的断层。其定义是35000年内发生过活动,或500000年以来有重复活动的断层,以及与上述断层有构造联系的断层。活断层通常都沿已有断层产生错动,也有少数是由于强烈地震诱发引起的——即地震断层,断层活动性的鉴定有多种方法。通常多采用地貌学和地质学方法在野外直接观察和辨认;也可应用放射性或古地磁等方法鉴定断层活动的时代;大地测量或变形观测方法可用来探测和监视地形变化和断层位移;区域地震台网能有效地圈定沿断层的地震活动情况,为断层的活动提供可能的征兆;原位应力测量可提供研究活断层的可能途径。活断层是现代地壳最不稳定的地段,重要水工建筑物如大坝等一般应注意避开不宜跨越。②地震系指地壳中应变能释放所引起的地球表层震动,也是地壳现代构造活动的一种表现。强烈地震可引起地面变形、断裂活动、砂土液化及边坡失稳,并导致建筑物破坏等灾害性事件。水工建筑物抗震设计一般采用地震基本烈度作为设计烈度。所谓基本烈度是指在今后一个时期内(一般取一百年),在一定地区的一般场地条件下可能遭遇到的最大烈度。通常在6度区就要发生建筑物破坏,所以规范规定设计烈度为6度时对重要建筑物仍需采取适当的抗震结构及工程措施。选择建筑物场地,要注意避开粉细砂层和坍滑体等可能因地震引起地基失效或其他次生灾害的地段。水工建筑物区的地震基本烈度需要根据当地历史地震资料,结合区域地震地质条件综合研究确定。中国各地的地震基本烈度一般可查国家地震局出版的中国地震烈度区划图,或由地震主管部门鉴定。
指建筑物地区的岩体,在各种自然营力和建筑物荷载的联合作用下保持稳定的能力。根据岩体所处的部位和破坏的性质,岩体稳定问题可分为边坡稳定性、坝基稳定性和地下洞室围岩稳定性等三种不同类型的岩体稳定问题。
边坡稳定性 指天然或人工开挖边坡岩体抵抗变形和破坏的潜在能力或安全度。边坡岩体变形和破坏主要是由于边坡在形成与发展过程中,将出现坡体内应力重分布和应力集中以及影响边坡稳定的内外因素的变化所引起的现象。边坡稳定性破坏的形式主要有崩塌、滑动和蠕动等三种类型(见崩塌、脱坡抢险)。影响边坡岩体稳定性的因素比较复杂。属边坡岩体内部的因素有:坡高与坡形,当岩性相同时,高陡边坡的稳定性比低缓坡易于破坏,凸形坡比凹形坡稳定性差;岩体的抗剪强度和结构,一般边坡稳定性直接取决于边坡岩、土体的抗剪强度,当土的内摩擦角小于边坡角时为不稳定边坡,反之为稳定坡。当坡体内存在顺坡向软弱结构面时,其倾角小于边坡角,且在坡面上出露,易产生顺层滑动;地下水情况,地下水位升高可使坡体内孔隙水或裂隙水压力升高,坡体的有效应力随之降低,岩、土体性质恶化,抗剪强度降低。坡体的应力状态,也是边坡失稳的内因之一。边坡失稳的外部因素有:河流、水库、湖、海水流对坡脚的冲淘和浪袭作用;连续暴雨,河、湖、水库水位的骤然升降,地震,冻融作用及人类活动。边坡稳定性的定量评价,可按静力学极限平衡公式或有限元法进行分析,有些工程还要通过地质力学模型试验进行验证。在稳定性有可疑的坡体进行边坡变形长期观测工作,对预测和评价边坡稳定性十分必要。
坝基稳定性 指坝基岩、土体在建筑物荷载组合作用下,抵抗滑动或变形以至破坏的能力或安全度,通常所谓坝基稳定性,系指坝基混凝土与基岩接触面的抗滑稳定性。实质上坝基稳定性破坏有三种可能模式:表面滑移,即大坝沿坝体混凝土与地基岩体接触面发生的滑移;浅层滑移,当坝基浅部存在强弱风化带、裂隙密集或其他软弱破碎岩体,可能沿坝基岩体浅部发生的剪断滑移;深部滑移,指沿坝基岩体中某些软弱结构面发生的滑移。深部滑移一般又有下列几种模式:由倾向下游的缓倾角滑移面、侧向切割面和下游地形临空面或坝址附近存在易于变形的横河向断裂带(或软弱岩层)所组合形成的潜在滑移体;倾向下游的缓倾角滑移面、侧向切割面和坝趾附近倾向上游的中、缓倾角结构面(或软弱岩层)组合形成弧形或阶梯状的滑移体;倾向上游的缓倾角滑移面、侧向切割面和坝踵附近横河向切割面组合形成的滑移体;另外拱坝坝肩岩体具平缓倾角滑移面时,当与顺河向结构面交切,并与阻力最小的地形冲沟或断裂带组合,也可产生坝肩岩体滑移。
在研究坝基稳定时,首要问题是查明岩体的强度和结构,特别是软弱结构面的情况,据以分析坝基稳定性破坏的可能模式和边界条件,合理选用抗剪(断)强度计算参数,应用静力学极限平衡公式或有限元法,对大型工程还要通过地质力学模型试验,从而对坝基岩体稳定性作出定量评价。坝基岩体和岩体中的软弱夹层的抗剪(断)指标需通过野外和室内试验,结合地质条件,坝基处理方式和实际效果,以及试验情况来研究选用。
地下洞室围岩稳定性 地下洞室是修建在岩体内的一种挖空结构工程,开挖将破坏原始应力状态,引起周围岩体应力的重分布。围岩强度如能适应变化的应力状态,洞室可自行稳定;如果围岩强度适应不了变化后的应力,洞室周围一定范围内的岩体随之开始松弛,持续发展就会造成岩体的松动、位移或坍塌。地下洞室围岩稳定评价就是研究围岩的稳定程度和山岩压力的大小。
影响围岩稳定性和山岩压力的因素很多,大致可归为地质因素和工程因素两方面。地质因素主要有:岩石的强度、抗侵蚀性和抗风化性;岩体的结构完整性和软弱结构面的情况;地下水活动的情况;地应力的大小等。工程因素有:洞室的形状和大小;洞室埋深和上覆岩层厚度;支护结构的形式和刚度;施工方法和措施。此外,由于岩体的变形和破坏都有一个时间过程,所以山岩压力的发生和发展也随时间而变化。
山岩压力可以根据围岩的地质条件,通过类比分析及围岩分类确定,或根据弹塑性理论或散体理论推导的公式计算求得,也可以在隧洞开挖后,直接在支护上埋设量测仪器测定。
洞室围岩稳定分析,一般可分为二种:围岩整体稳定分析。采用弹性理论或有限元法计算围岩的二次应力状态,将计算得的最大拉应力、最大压应力和最大变形的数值与岩体实际的抗拉强度、抗压强度和最大允许变形进行对比,如果计算值远小于岩体强度的实际值和最大允许变形,则岩体是稳定的,反之为不稳定。围岩局部岩块的稳定分析,可按极限平衡理论计算其稳定安全系数(K=阻滑力/下滑力),当K大于1时,岩体处于稳定状态,反之为不稳定。
压力隧洞围岩的稳定性还与围岩承担内水压力的能力有关。围岩对内水压力的承载能力,取决于上复岩体的厚度、容重和结构强度。当上覆岩体的重量等于或大于内水压力时,围岩呈稳定状态。当上复岩体的重量小于内水压力时,其稳定性主要取决于岩体的结构强度。
如水库周边浸没和土壤的次生盐碱化问题、库岸再造和滑体涌浪问题,以及水库诱发地震等问题的评价,见环境工程地质。
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