三、岩体的工程地质性质

岩体的工程地质性质有赖于岩石或土和结构面的性质，许多情况是结构面发育程度、规模大小以及组合状况，对岩体的工程地质性质起主要或决定性的作用。

（一）岩石的工程地质性质

1.岩石的物理力学性质

（1）岩石的主要物理性质。

1）重量。岩石的重量是岩石最基本的物理性质之一，一般用比重和重度两个指标表示。

岩石的比重是岩石固体（不包括孔隙）部分单位体积的重量，在数值上等于岩石固体颗粒的重量与同体积的水在4℃时重量的比。常见的岩石的比重一般介于2.4～3.3之间。岩石的比重决定于组成岩石的矿物的比重及其在岩石中的相对含量。

岩石的重度也称容重，是岩石单位体积的重量，在数值上它等于岩石试件的总重量（包括孔隙中的水重）与其总体积（包括孔隙体积）之比。岩石重度的大小决定于岩石中矿物的比重、岩石的孔隙性及其含水情况。岩石孔隙中完全没有水存在时的重度，称为干重度；孔隙全部被水充满时的重度，称为岩石的饱和重度。

一般来讲，组成岩石的矿物比重大，或岩石的孔隙性小，则岩石的重度就大。在相同条件下的同一种岩石，重度大就说明岩石的结构致密、孔隙性小，岩石的强度和稳定性也较高。

2）孔隙性。岩石的孔隙性用孔隙度表示，反映岩石中各种孔隙的发育程度。在数值上等于岩石中各种孔隙的总体积与岩石总体积的比，以百分数计。孔隙性对岩石的强度和稳定性产生重要的影响。岩石孔隙度的大小，主要取决于岩石的结构和构造，同时也受外力因素的影响。未受风化或构造作用的侵入岩和某些变质岩，其孔隙度一般是很小的，而砾岩、砂岩等一些沉积岩类的岩石，则经常具有较大的孔隙度。

3）吸水性。岩石的吸水性一般用吸水率表示，反映岩石在一定条件下（在通常大气压下）的吸水能力。在数值上等于岩石的吸水重量与同体积干燥岩石重量的比，也以百分数计。岩石的吸水率与岩石孔隙度的大小、孔隙张开程度等因素有关。岩石的吸水率大，则水对岩石颗粒间结合物的浸润、软化作用就强，岩石强度和稳定性受水作用的影响也就显著。

4）软化性。岩石的软化性是指岩石受水作用后，强度和稳定性发生变化的性质，主要取决于岩石的矿物成分、结构和构造特征。黏土矿物含量高、孔隙度大、吸水率高的岩石，与水作用容易软化而丧失其强度和稳定性。

用软化系数作为岩石软化性的指标，在数值上等于岩石饱和状态下的极限抗压强度与风干状态下极限抗压强度的比。其值越小，表示岩石的强度和稳定性受水作用的影响越大。

5）抗冻性。岩石孔隙中的水结冰时体积膨胀，会产生巨大的压力。岩石抵抗这种压力作用的能力，称为岩石的抗冻性。在高寒冰冻地区，抗冻性是评价岩石工程性质的一个重要指标。

（2）岩石的主要力学性质。

1）岩石的变形。岩石受力作用会产生变形，在弹性变形范围内用弹性模量和泊桑比两个指标表示。弹性模量是应力与应变之比，以 “帕斯卡”为单位，用符号Pa表示。相同受力条件下，岩石的弹性模量越大，变形越小。即弹性模量越大，岩石抵抗变形的能力越高。泊桑比是横向应变与纵向应变的比。泊桑比越大，表示岩石受力作用后的横向变形越大。

岩石并不是理想的弹性体，岩石变形特性的物理量也不是一个常数。通常所提供的弹性模量和泊桑比，只是在一定条件下的平均值。

2）岩石的强度。岩石的强度是岩石抵抗外力破坏的能力，也以 “帕斯卡”为单位，用符号Pa表示。岩石受力作用破坏，表现为压碎、拉断和剪断等，故有抗压强度、抗拉强度和抗剪强度等。

抗压强度是岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力，是岩石最基本最常用的力学指标。在数值上等于岩石受压达到破坏时的极限应力。抗压强度主要与岩石的结构、构造、风化程度和含水情况等有关，也受岩石的矿物成分和生成条件的影响。所以，岩石的抗压强度相差很大，胶结不良砾岩和软弱页岩的小于20MPa，坚硬岩浆岩的大于245MPa。

抗拉强度是岩石抵抗拉伸破坏的能力，在数值上等于岩石单向拉伸被拉断破坏时的最大张应力。岩石的抗拉强度远小于抗压强度，故当岩层受到挤压形成褶皱时，常在弯曲变形较大的部位受拉破坏，产生张性裂隙。

抗剪强度是指岩石抵抗剪切破坏的能力，在数值上等于岩石受剪破坏时的极限剪应力。在一定压应力下岩石剪断时，剪破面上的最大剪应力，称为抗剪断强度，其值一般都比较高。抗剪强度是沿岩石裂隙或软弱面等发生剪切滑动时的指标，其强度远远低于抗剪断强度。

三项强度中，岩石的抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。抗剪强度约为抗压强度的10％～40％，抗拉强度仅是抗压强度的2％～16％。岩石越坚硬，其值相差越大，软弱岩石的差别较小。岩石的抗压强度和抗剪强度，是评价岩石（岩体）稳定性的指标，是对岩石（岩体）的稳定性进行定量分析的依据。

2.岩石的分级

鉴于土和岩石的物理力学性质和开挖施工的难度，由松软至坚实共分为16级，分别以Ⅰ～ⅩⅥ表示，其中Ⅰ～Ⅳ的4级为土，Ⅴ～ⅩⅥ的12级为岩石。土分为一、二、三、四类，岩石分为松石、次坚石、普坚石、特坚石四类。

（二）土体的工程地质性质

1.土的物理力学性质

（1）土的主要性能参数。

1）土的含水量。土的含水量是土中水的重量与土粒重量之比。含水量是标志土的湿度的一个重要物理指标。一般而言，土的含水量增大时，其强度就降低。

2）土的饱和度。土的饱和度是土中被水充满的孔隙体积与孔隙总体积之比。饱和度Sr越大，表明土孔隙中充水越多。工程实际中，按饱和度将土划分为如下三种含水状态：Sr＜50％是稍湿状态；Sr=50％～80％是很湿状态；Sr＞80％是饱水状态。

3）土的孔隙比。土的孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比，用小数表示，它是一个重要的物理性指标，可以用来评价天然土层的密实程度。一般孔隙比小于0.6的土是密实的低压缩性土，孔隙比大于1.0的土是疏松的高压缩性土。

4）土的孔隙率。土的孔隙率是土中孔隙体积与土的体积（三相）之比。

5）土的塑性指数和液性指数。土可分为无黏性土和黏性土。无黏性土一般指碎石土和砂土。粉土属于砂土和黏性土的过渡类型，其物质组成、结构及物理力学性质主要接近砂土。无黏性土的紧密状态是判定工程性质的重要指标，它综合反映了无黏性土颗粒的岩石和矿物组成、粒度组成（级配）、颗粒形状和排列等对其工程性质的影响。颗粒小于粉砂的是黏性土，其工程性质受含水量的影响特别大。随着含水量的变化，黏性土由一种稠度状态转变为另一种状态，相应于转变点的含水量称为界限含水量，也称为稠度界限，是黏性土的重要特性指标，对黏性土的工程性质评价及分类等有重要意义。黏性土的界限含水量有缩限、塑限和液限。

①缩限。半固态黏性土随水分蒸发体积逐渐缩小，直到体积不再缩小时的界限含水量叫缩限，体积不再随水分蒸发而缩小的状态为固态。

②塑限。半固态黏性土随含水量增加转到可塑状态的界限含水量叫塑限，也称塑性下限。

③液限。由可塑状态转到流塑、流动状态的界限含水量叫液限。

塑性指数。液限和塑限的差值称为塑性指数，它表示黏性土处在可塑状态的含水量变化范围。塑性指数越大，可塑性就越强。

液性指数。黏性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比，称为液性指数。液性指数越大，土质越软。

（2）土的力学性质。

1）土的压缩性，是土在压力作用下体积缩小的特性。在荷载作用下，透水性大的饱和无黏性土，其压缩过程在短时间内就可以结束。然而，黏性土的透水性低，饱和黏性土中的水分只能慢慢排出，其压缩稳定所需的时间要比砂土长得多，其固结变形往往需要几年甚至几十年时间才能完成。因此必须考虑变形与时间的关系，以便控制施工加荷速率，确定建筑物的使用安全措施。有时地基各点由于土质不同或荷载差异，还需考虑地基的不均匀沉降。所以，对于饱和软黏性土而言，土的固结问题是十分重要的。计算地基沉降量时，必须取得土的压缩性指标，无论用室内试验或原位试验来测定它，应该力求试验条件与土的天然状态及其在外荷作用下的实际应力条件相适应。

2）土的抗剪强度。在土的自重或外荷载作用下，土体中某一个曲面上产生的剪应力值达到了土对剪切破坏的极限抗力时，土体就会沿着该曲面发生相对滑移而失稳。土对剪切破坏的极限抗力称为土的抗剪强度。在工程实践中，土的强度涉及地基承载力、路堤等工程边坡和天然土坡的稳定性，以及土作为工程结构物的环境时，作用于结构物上的土压力和山岩压力等问题。

2.特殊土的主要工程性质

（1）软土。软土泛指淤泥及淤泥质土，它富含有机质，天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.0。软土的组成成分和状态特征是由其生成环境决定的，主要由黏粒和粉粒等细小颗粒组成，其黏土矿物和有机质颗粒表面带有大量负电荷，与水分子作用非常强烈，因而在其颗粒外围形成很厚的结合水膜，且在沉积过程中由于粒间静电引力和分子引力作用，形成絮状和蜂窝状结构。所以，软土含大量的结合水，并由于存在一定强度的粒间连结而具有显著的结构性。由于软土的生成环境及上述粒度、矿物组成和结构特征，结构性显著且处于形成初期，故具有高含水量、高孔隙性、低渗透性、高压缩性、低抗剪强度、较显著的触变性和蠕变性等特性。

（2）湿陷性黄土。湿陷性黄土是指在干旱和半干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物，颜色多呈黄色、淡灰黄色或褐黄色。颗粒组成以粉土粒（其中尤以粗粉土粒，粒径为0.05～0.01mm）为主，约占60％～70％，粒度大小均匀，粘粒含量较少，一般仅占10％～20％。含水量小，一般仅8％～20％。孔隙比大，一般在1.0左右，且具有肉眼可见的大孔隙。具有垂直节理，常呈现直立的天然边坡。黄土按其成因可分为原生黄土和次生黄土。

黄土和黄土状土（以下统称黄土）在天然含水量时一般呈坚硬或硬塑状态，具有较高的强度和低的或中等偏低的压缩性，但遇水浸湿后，有的即使在其自重作用下也会发生剧烈而大量的沉陷（称为湿陷性），强度也随之迅速降低。然而，并非所有的黄土都发生湿陷。凡天然黄土在上覆土的自重压力作用下，或在上覆土的自重压力与附加压力共同作用下，受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生显著下沉的，称为湿陷性黄土，否则，称为非湿陷性黄土。因此，分析、判别黄土是否属于湿陷性的、其湿陷性强弱程度以及地基湿陷类型和湿陷等级，是黄土地区工程勘察与评价的核心问题。黄土形成年代越久，由于盐分溶滤较充分，固结成岩程度大，大孔结构退化，土质越趋密实，强度高而压缩性小，湿陷性减弱甚至不具湿陷性。形成年代越短，其特性相反。

湿陷性黄土一般分为自重湿陷性和非自重湿陷性黄土两种类型，湿陷性黄土受水浸湿后，在其自重压力下发生湿陷的，称为自重湿陷性黄土。而在其自重压力与附加压力共同作用下才发生湿陷的，称为非自重湿陷性黄土。在自重湿陷性黄土地区修筑渠道，初次放水时就可能产生地面下沉，两岸出现与渠道平行的裂缝。管道漏水后由于自重湿陷可能导致管道折断。路基受水后由于自重湿陷而发生局部严重坍塌。地基土的自重湿陷往往使建筑物发生很大的裂缝或使砖墙倾斜，甚至使一些很轻的建筑物也受到破坏。而在非自重湿陷性黄土地区，这类现象极为少见。所以在这两种不同湿陷性黄土地区建筑房屋，采取的地基设计、地基处理、防护措施及施工要求等方面均应有较大差别。

（3）红黏土。红黏土是指在亚热带湿热气候条件下，碳酸盐类岩石及其间夹的其他岩石，经红土化作用形成的高塑性黏土。红黏土一般呈褐色、棕红等颜色，液限大于50％。经流水再搬运后仍保留其基本特征，液限大于45％的坡、洪积黏土，称为次生红黏土，在相同物理指标情况下，其力学性能低于红黏土。土层中常有石芽、溶洞或土洞分布其间，给地质勘察、设计工作造成困难。

红黏土系碳酸盐类及其他类岩石的风化后期产物，其矿物成分除仍含一定数量的石英颗粒外，大量的黏土颗粒主要为多水高岭石、水云母类、胶体SiO2及赤铁矿、三水铝土矿等组成，不含或极少含有有机质。红黏土的一般特点是天然含水量高，一般为40％～60％，最高达90％；密度小，天然孔隙比一般为1.4～1.7，最高为2.0，具有大孔性；高塑性，塑限一般为40％～60％，最高达90％，塑性指数一般为20～50；一般呈现较高的强度和较低的压缩性；不具有湿陷性。由于塑性很高，所以尽管天然含水量高，一般仍处于坚硬或硬可塑状态。甚至饱水的红黏土也是坚硬状态的。

（4）膨胀土。膨胀土是指含有大量的强亲水性黏土矿物成分，具有显著的吸水膨胀和失水收缩，且胀缩变形往复可逆的高塑性黏土。膨胀土多分布于Ⅱ级以上的河谷阶地或山前丘陵地区，个别处于Ⅰ级阶地。呈黄、黄褐、灰白、花斑（杂色）和棕红等色。多为高分散的黏土颗粒组成。常有铁锰质及钙质结核等零星包含物。结构致密细腻，一般呈坚硬至硬塑状态，但雨天浸水剧烈变软。近地表部位常有不规则的网状裂隙，裂隙面光滑，呈蜡状或油脂光泽，时有擦痕或水迹，并有灰白色黏土（主要为蒙脱石或伊里石矿物）充填，在地表部位常因失水而张开，雨季又会因浸水而重新闭合。

膨胀土黏粒含量多达35％～85％。其中粒径小于0.002mm的胶粒含量一般也占30％～40％ 。塑性指数多在22～35之间，天然含水量接近或略小于塑限，常年不同季节变化幅度为3％～6％，故一般呈坚硬或硬塑状态。天然孔隙比小，通常在0.50～0.80之间。同时，其天然孔隙比随土体湿度的增减而变化，即土体增湿膨胀，孔隙比变大。土体失水收缩，孔隙比变小。自由膨胀量一般超过40％，也有超过100％的。在天然条件下一般处于硬塑或坚硬状态，强度较高，压缩性较低，一般易被误认为工程性能较好的土。由于具有膨胀和收缩等特性，在膨胀土地区进行工程建筑，如果不采取必要的设计和施工措施，会导致大批建筑物的开裂和损坏，并往往是造成坡地建筑场地崩塌、滑坡、地裂等的严重不稳定因素。同时，当膨胀土的含水量剧烈增大（例如，由于地表浸水或地下水位上升）或土的原状结构被扰动时，土体强度会骤然降低，压缩性增高，这显然是由于土的内摩擦角和内聚力都相应减小及结构强度破坏的缘故。

膨胀土建筑场地与地基的评价，应根据场地的地形地貌条件、膨胀土的分布及其胀缩性能、等级地表水和地下水的分布、集聚和排泄条件，并按建筑物的特点、级别和荷载情况，分析和计算膨胀土建筑场地和地基的胀缩变形量、强度和稳定性，为地基基础、上部结构及其他工程设施的设计与施工提供依据。

（5）填土。填土是在一定的地质、地貌和社会历史条件下，由于人类活动而堆填的土。由于我国幅员广大，历史悠久，因此，在我国大多数古老城市的地表面，广泛覆盖着各种类别的填土层，无论从堆填方式、组成成分、分布特征及其工程性质等方面，均表现出一定的复杂性。根据填土的组成物质和堆填方式形成的工程性质的差异，划分为以下三类：

1）素填土。素填土是由碎石、砂土、粉土或黏性土等一种或几种材料组成的填土。其中不含杂质或杂质很少。按其组成物质分为碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土和黏性素填土。素填土经分层压实者，称为压实填土。素填土的工程性质取决于它的密实性和均匀性，在堆填过程中，未经人工压实者，一般密实度较差，但堆积时间较长，由于土的自重压密作用，也能达到一定密实度。如堆填时间超过10年的黏性土、超过5年的粉土、超过2年的砂土，均具有一定的密实度和强度，可以作为一般建筑物的天然地基。素填土地基具有不均匀性，防止建筑物不均匀沉降是填土地基的关键。对于压实填土应保证压实质量，保证密实度。

2）杂填土。杂填土是含有大量杂物的填土，按其组成物质成分和特征分为建筑垃圾土、工业废料土、生活垃圾等。试验证明，以生活垃圾和腐蚀性及易变性工业废料为主要成分的杂填土，一般不宜作为建筑物地基；对主要以建筑垃圾或一般工业废料组成的杂填土，采用适当（简单、易行、收效好）的措施进行处理后可作为一般建筑物地基。在利用杂填土作为地基时，应注意其不均匀性、工程性质随堆填时间而变化、含腐殖质及水化物等问题。

3）冲填土。冲填土系由水力冲填泥沙形成的沉积土，即在整理和疏浚江河航道时，有计划地用挖泥船，通过泥浆泵将泥沙夹大量水分，吹送至江河两岸而形成的一种填土。冲填土的颗粒组成和成分规律与所冲填泥沙的来源及冲填时的水力条件有着密切的关系，其含水量大，透水性较弱，排水固结差，一般呈软塑或流塑状态，比同类自然沉积饱和土的强度低、压缩性高。

（三）结构面的工程地质性质

岩体的完整性、渗透性、稳定性和强度等物理力学性质取决于岩石和结构面的物理力学性质，很多情况是结构面的比岩石的影响大。对岩体影响较大的结构面的物理力学性质，主要是结构面的产状、延续性和抗剪强度。延伸长度为5～10m的平直结构面，对地下工程围岩的稳定就有很大的影响，对边坡的稳定影响一般不大。

结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的强度与破坏机理，结构面展布方向与受力方向不同，岩石的强度与破坏方式不同。

结构面的规模是结构面影响工程建设的重要性质。结构面的规模分为Ⅰ～Ⅴ级：

Ⅰ级指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的稳定性，直接影响工程岩体稳定性。

Ⅱ级指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。

Ⅲ级指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。

Ⅳ级指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等，是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态；Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律具统计规律，需用统计方法进行研究，在此基础上进行岩体结构面网络模拟。

Ⅴ级结构面，又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。

上述5级结构面中，Ⅱ、Ⅲ级结构面往往是对工程岩体力学和对岩体破坏方式有控制意义的边界条件，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性。

工程建设要注意软弱结构面。软弱结构面是岩体中具有一定厚度的软弱带（层），与两盘岩体相比具有高压缩和低强度等特征，在产状上多属缓倾角结构面。主要包括原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其他夹泥层等。软弱结构面多为原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构或泥质定向结构，黏粒含量很高，含水量接近或超过塑限，密度比原岩小，常具有一定的胀缩性，力学性质比原岩差，强度低，压缩性高，易产生渗透变形。

（四）地震的震级与烈度

地震是一种地质现象，主要是由于地球的内力作用而产生的一种地壳震动现象，其中绝大多数是伴随岩层断裂错动所产生。火山爆发、洞穴陷落、山崩等也可引起地震，但其所占比例很小，且强度低、影响范围小。其次，还有因人类活动直接造成的地震，如爆破引起的。此外，由人类活动导致断层错动而产生的诱发地震，如水库诱发地震等。目前，世界上有两个地震活动频繁的地震带，即阿尔卑斯-喜马拉雅地震带和环太平洋地震带。前者约占地震总数的15％，后者约占80％，这两个地震带都延伸到我国境内，所以我国是个多地震的国家，尤其西南、西北、华北、东南沿海及台湾等地区，强烈地震经常发生。

1.地震震源

震源是深部岩石破裂产生地壳震动的发源地。震源在地面上的垂直投影称为震中。地震所引起的震动以弹性波的形式向各个方向传播，其强度随距离的增加而减小。地震波首先传达到震中，震中区受破坏最大，距震中越远破坏程度越小。地面上受震动破坏程度相同点的外包线称为等震线。地震波通过地球内部介质传播的称为体波。体波分为纵波和横波，纵波的质点振动方向与震波传播方向一致，周期短、振幅小、传播速度快；横波的质点振动方向与震波传播方向垂直，周期长、振幅大、传播速度较慢。体波经过反射、折射而沿地面附近传播的波称为面波，面波的传播速度最慢。

2.地震震级

地震是依据地震释放出来的能量多少来划分震级的。释放出来的能量越多，震级就越大。中国科学院将地震震级分为五级：微震、轻震、强震、烈震和大灾震。其释放的能量与仪器测定的震级划分如表1.1.4所示。

目前，国际通用的李希特-古登堡震级是以距震中100km的标准地震仪所记录的最大振幅的μm数的对数表示。如记录的最大振幅是10mm，即10000μm，取其对数等于4，则为4级地震。

3.地震烈度

地震烈度是指某一地区的地面和建筑物遭受一次地震破坏的程度。其不仅与震级有关，还和震源深度，距震中距离以及地震波通过介质条件（岩石性质、地质构造、地下水埋深）等多种因素有关。

地震烈度又可分为基本烈度、建筑场地烈度和设计烈度。基本烈度代表一个地区的最大地震烈度；建筑场地烈度也称小区域烈度，是建筑场地内因地质条件、地貌地形条件和水文地质条件的不同而引起的相对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；设计烈度是抗震设计所采用的烈度，是根据建筑物的重要性、永久性、抗震性以及工程的经济性等条件对基本烈度的调整。设计烈度一般可采用国家批准的基本烈度，但遇不良地质条件或有特殊重要意义的建筑物，经主管部门批准，可对基本烈度加以调整作为设计烈度。在工程建筑设计中，鉴定、划分建筑区的地震烈度是很重要的，因为一个工程从建筑场地的选择到工程建筑的抗震措施等都与地震烈度有密切的关系。

4.震级与烈度的关系

震级与地震烈度既有区别，又相互联系。一般情况下，震级越高、震源越浅，距震中越近，地震烈度就越高，如表1.1.5所示。一次地震只有一个震级，但震中周围地区的破坏程度，随距震中距离的加大而逐渐减小，形成多个不同的地震烈度区，它们由大到小依次分布。但因地质条件的差异，可能出现偏大或偏小的烈度异常区。