岩土材料物理指标的推算
1设备介绍
落球式岩土力学特性测试仪（SEH-FBT）S型
1.1设备概述
本仪器针对公路、铁路、水利、机场、桥梁、建筑等工程领域开发，可有效应用于设计、施工等各个阶段；仪器遵照现行规范要求，针对材料的强度、变形等力学特性，提供快速测试方法，有效解决不均匀变形问题。可快速测试岩土材料的变形模量、强度指标、地基系数K30、CBR、弯沉值、干密度、压实度等各种指标。
1.2设备特点
1)功能强大：一机多能，测试内容丰富；满足各种现行施工设计规范。
2)性能可靠：完善的理论体系；精度高、重复性好；标准程序化操作，全自动解析，
无人为干扰；统计处理，更科学直观。
3)操作简单：无需系统培训；无需重型机械。
4)快速便捷：测试前无需平整地面；每分钟5-6测点；较诸传统方法，效率提高数百
倍。
5)直观反映：直接测试强度指标和变形模量，更直观反映材料的力学特性。
6)适用范围：适用土质范围广，从粘土、粉土、砂土、砂砾石到水泥稳定土等各种岩土材
料；不受施工场地制约。
2 物理指标的推算
2.1 无粘性土
以压实度为中心的物理指标，由于具有概念简单等优点，在填土工程中是最重要的控制指标。通过大量的现场试验发现，对于无粘性土，落球测试的变形模量与干燥密度、压实度之间有良好的相关关系。
(1) 对于不同的材料，需要进行标定。
(2) 对同一种材料，变形模量E ～干燥密度d ρ间有良好的相关关系，并可以
表示为：
b E a d +=)ln(ρ
(3) 很多情况下，上述相关系数达到0.95，但是，如果材料发生变化，相关
关系可能发生很大的变化；
(4) 当发生过碾压时，尽管干燥密度会增加，但变形模量有可能反而降低。
道路材料的变形模量～干燥密度的相关关系
坝体材料的变形模量～干燥密度的相关关系
道路材料的变形模量～压实度的相关关系
2.2 粘性土
对于粘性土，特别是饱和粘土，由于超孔隙水压力的影响，变形模量与干密度之间的相关关系没有唯一的对应关系。
(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下： ) 21(3ν-= E K ) 1(2ν+= E G （7.2） 当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。 表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表7.1 土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2 各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5 中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表7.3
流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系： ' f f k K n t ∝ ? （7.3） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν （7.4） 其中 3 /4G K 1 m += ν f 'k k γ= 其中，' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9 102?）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率（见1.7节流动与力学的相互作用）。如果K f 是一个通过比较机械模型得到的值，则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大，则压缩过程就慢，但是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量减小。 在无流动情况下，饱和体积模量为： n K K K f u + = （7.5） 不排水的泊松比为：
汕湛高速公路清远至云浮A3合同段 桥梁摩擦桩、边坡防护、挡土墙等地质参数取值资料根据广东地质条件，结合本项目特征，特提出桥梁摩擦桩、边坡防护、挡土墙等地质参数取值意见，供资料整理中参考。 一、地质参数的确定原则 按照安全可靠、技术经济的原则，结合工程特点及岩土特性，沿线桥梁摩擦桩、边坡防护、挡土墙等地质参数，主要根据规范（根据现场原位测试确定状态或密实度或风化程度、室内试验确定物理性质指标、岩土类别等相关指标查表）、室内试验成果和反分析并结合经验经计算统计分析后综合确定。 编制报告时要注意结合具体工点岩土层物理力学统计结果，在参考表的基础上给出各层的指标。 二、桥梁摩擦桩岩土承载力基本容许值和桩侧摩阻力标准值的确定 各岩土层的承载力基本容许值的取值参考《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）中的相关推荐范围值并结合地区经验进行取值。对于黏性土采用物理指标（一、w）、压缩指标（Es）、标准贯入试验击数（N）进行对比，取其较合理的数般黏性土e、I L 值。砂土、碎石土根据原位测试指标、密实性提出承载力，对于液化的砂土根据折减系数进行了修正。岩石的容许承载力则根据岩样的抗压强度、岩石的裂隙发育程度、岩体的完整性等提供容许承载力。 1、黏性土承载力基本容许值、摩阻力标准值参考表
2、砂类土承载力基本容许值、摩阻力标准值参考表 3、基岩风化层承载力基本容许值、摩阻力标准值参考表 注：混和岩、混合花岗岩、花岗岩，强风化层中颗粒状的取小支值，碎块状的取大值。 三、边坡防护参数的取值 1、土质边坡防护岩土参数的确定 边坡防护岩土参数主要根据室内试验土层物理性质指标、并结合经验经计算统计分析后综合确定。 将全线的路堑边坡100g锥室内试验岩土层物理力学指标进行统计分析，根据统计分
第一节岩土参数的分析与选取 、岩土参数的可靠性 岩土参数是岩土工程设计的基础。岩土工程评价是否符合客观实际，岩土工程设计是否可靠，很大程度上取决于参数选取的合理性。因此，要求所选用的岩土参数必须能够正确地反映岩土体在规定条件下的性状, 能比较真实地估计参数真值所在的区间，从而能够满足岩土工程设计计算的精度要求。 岩土参数可分为两类: 一类是评价指标，用于评价岩土的性状，作为划分地层、鉴定类别的依据；另一类是计算指标，用以设计岩土工程，预测岩土体在荷载和自然因素作用下的力学行为和变化趋势，并指导施工和监测。工程上对这两类岩土参数的基本要求是可靠性和适用性。可靠性是指参数能正确反映岩土体的基本特性，能够较准确地估计岩土参数所在区间。适用性是指参数能满足岩土工程设计的假定条件和计算精度要求。在对岩土工程评价时应对所选参数的可靠性和适用性进行分析，并在此基岩土参数的可靠与否主要取决于两方面的因素：一是岩土结构受扰动的程度； 二是试验方法和取值标准。岩土试样从地层中取出到实验室进行再制样的过程中，土样原来的应力状态及结构均不同程度地受到了扰动。不同的取样方法，所取土样的质量等级不同，对土的扰动程度亦不相同。例如，对于淤泥质黏土采用厚壁取土器锤击法较采用薄壁取土器压入法取样，无侧限抗压强度可降低35%~40%。此外，在实验室制试样过程中，对土样亦有不同程度的扰动。 试验方法对岩土参数也有很大影响，对于同一地层的同一指标，用不同试验标准所得的结果会有很大误差，例如，土的抗剪强度试验可用下列方法测定，而其结果则各不相同。方法有：①室内静三轴试验；②室内直剪试验；室内无侧限抗压强度试验；④原位十字板试验等。因此，进行岩土工程分析评价与设计时，首先要对岩土参数的可靠性和适用性进行分析评价，对土样从采取、制备及测试方法要有全面合理选用。 、岩土参数的统计分析
表11-1 岩土参数建议值表 岩土分层岩 土 名 称 时 代 与 成 因 岩石地基 承载力特 征值 土承载 力特征 值 桩侧摩阻力 特征值(钻孔 灌注桩) 桩端阻力特 征值(钻孔灌 注桩) 桩极限侧阻力 标准值(钻孔 灌注桩) 桩极限端阻力 标准值(钻孔 灌注桩) 土体与锚固体极 限摩阻力标准值 岩石与锚 固体极限 摩阻力标 准值 地基系数 的比例系 数(灌注 桩) 岩层或土 层水平基 床系数 岩层或土 层垂直基 床系数 静止侧压 力系数 岩土泊桑 比 岩石质量 指标 基底摩擦 系数 边坡坡度高 宽比允许值 (1:n) 土石可挖性 分级 f a f ak q sa q pa q sik q sik q s q s m K s Kc K0μRQD f (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (kPa) (MPa) (MPa/m2) (MPa/m) (MPa/m) (%) (1-1) 填土Q4ml60 18 18 12 0.40 0.29 0.28 支护Ⅰ～Ⅱ(3-4) 粗砂Q2al190 30 40 50 18.0 20 18 0.40 0.29 0.28 1.25 Ⅱ(4-2) 粉质粘土Q2el210 30 43 50 22.0 35 30 0.39 0.28 0.30 1 Ⅱ(11)-1 全风化板岩P t220 35 50 55 40.0 35 30 0.38 0.28 0.30 1 Ⅲ(11)-2 强风化板岩P t350 70 700 75 750 0.12 150 120 0.38 0.28 0.33 0.75 Ⅲ～Ⅳ(11)-3 中风化板岩P t800 130 1300 170 1600 0.30 170 135 0.28 0.22 10~150.38 0.5 Ⅳ(11)-4 微风化板岩P t1200 135 1500 180 1800 0.50 200 175 0.26 0.21 10~20 0.45 0.5 Ⅴ说明： 1、本表的岩土参数值，是根据勘察结果，按工程类比（工程经验）的方法经过查阅有关规程、规范、手册或通过计算而提供的可用于设计的岩土参数。 2、根据场地的岩土层物理力学性质和室内试验成果，结合相关规范规程以及工程经验，给出岩土地基承载力特征值、桩侧摩阻力特征值、桩的端阻力特征值、边坡坡度高宽比允许值等参数建议值。 3、根据场地的岩土层物理力学性质和室内试验成果，结合国家行业标准《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），给出桩的极限侧阻力标准值、桩的极限端阻力标准值等的参数建议值。 4、根据场地的岩土层物理力学性质和室内试验成果，结合相关工程经验，给出土体与锚固体极限摩阻力标准值、岩石与锚固体极限摩阻力标准值、土的泊松比等的参数建议值。 5、根据勘察结果，按国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002），给出基底摩擦系数、边坡坡度高宽比允许值等的参数建议值。 表11-2 岩土参数建议值表 岩土分层岩 土 名 称 时 代 与 成 因 天然 密度 天然含 水量 孔隙比 岩（土）体剪切试验 压 缩 系 数 压 缩 模 量 变 形 模 量 渗 透 系 数 单轴极限抗压强 度标准值 导温系数导热系数 比热容 C 水上坡角 (°) 直接快剪固结快剪 粘聚力内摩擦角粘聚力内摩擦角 干燥天然饱和 ρw е c φ c φa0.1-0.2Es1-2E0K fd fc fr (g/cm3) (%) (kPa) (°) (kPa) (°) (MPa) (MPa) （m/d）(MPa) (m2/h) (W/m·K) (kJ/kg.k) (1-1) 填土Q4ml 1.96 28.0 0.822 17100.27 7.30 1.0 0.00179 1.44 1.25 (3-4) 粗砂Q2al 1.97 23.3 25 5.0 0.00179 1.13 0.89 (4-2) 粉质粘土Q2el 1.96 26.46 0.783 26 120.24 7.70 29 0.04 0.00189 1.31 1.34 (11-1) 全风化板岩P t 1.99 26.7 0.770 28 14 0.19 9.30 32 0.10 0.00189 1.37 1.12 (11-2) 强风化板岩P t 2.70 85 30 100 0.50 7.0 1.0 1.0 0.00193 1.45 1.21 (11-3) 中风化板岩P t 2.79 90 33 0.40 10.0 5.0 3.00.00199 1.51 1.27 (11)-4 微风化板岩P t 2.76 100 35 0.20 15.0 10.0 8.0 0.00203 1.55 1.39 说明： 1.本表所称的岩土参数建议值，是根据室内试验或原位测试结果的统计值，按工程类比（工程经验）的方法而提供的岩土参数。 2.表中岩土层热物理指标建议值系根据相关工程经验的室内热物理力学性质试验成果综合提出。
n 1 1i m i n ??==∑ 根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)，表征岩土工程性质的主要参数的特征值： ⑴ 岩土参数的算术平均值： 根据公式：∑=Φ=Φn i i n m 1 1 （3-1） ⑵ 岩土参数的标准差： 根据公式： ??????? ????? ??--= ∑∑=n i i i f n n 12 2 111φφσ （3-2） ⑶ 岩土参数的变异系数： 根据公式： m f φσδ= （3-3） 上几式中： Φm -算术平均值，σf -标准差，δ-变异系数 Φi ——岩土的物理力学指标数据；n-参加统计的数据个数。 ① 先用公式（3-1）和《物理力学指标统计表》求含水比αw 、液塑比Ir 的平均值a w 、r ； ② 根据a w ，I r 查《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）（用线性插值法） 得f 0； ③ 根据公式（3-2）和（3-3）分别求w a , Ir 的标准差f σ和变异系数δ； ④ 求综合变异系数δ和回归修正系数f ψ，查表得第二指标的折算系数ξ，根据公式： 21 ξδδδ+=得δ，根据公式：δψ???? ??+-=2918.7884.21n n f 得 f ψ。 ④ 根据公式： f ak f f ψ?=0求承载力ak f 。
预估单桩竖向承载力如下： ⑴ 静压预制桩：据勘察成果，按预制桩规格为450mm ×450mm 的方桩，桩端进入圆砾⑥层2m 。取ZK10号钻孔估算静压预制桩单桩竖向极限承载力Q u =4651.3kN （《高层建筑岩土工程勘察规程》（JGJ72—2004）中式 D.0.1p ps i sis u A q l q u Q ?+?=∑s β） 。 单桩竖向承载力特征值R a = Q u /K=2326kN （K=2） 最终单桩竖向承载力应通过现场静载荷试验确定。 ⑵ 钻（冲）孔灌注桩：据勘察成果，桩径按2000mm ，桩端进入泥岩⑦层1.5m 。取ZK10号钻孔估算单桩竖向极限承载力Q u =195722kN （《高层建筑岩土工程勘察规程》（JGJ72—2004）中8.3.12条∑∑==++=n i n i p pr ri sir r i sis s A q h q u l q u Q 1 1 u ）。 单桩竖向承载力特征值R a = Q u /K=9786kN （K=2） 根据压缩试验结果，计算各级压力下的ei ，计算压缩系数和压缩模量。 根据剪切试验结果，绘制τ－σ曲线，直接求得内摩擦角υ、粘聚力C 直剪试验：用直接剪切仪来测定土的抗剪强度的试验，直剪仪一般分为：应力式和应变式，一般我们国家应用较多的都是应变式的。根据加荷的速率的快慢将直剪试验划分为：1、快剪，本方法适用于渗透系数小于10的-6次方的细粒土，试验时在施加垂直力以后，拔去固定销钉，立即以0.8mm/min 的剪切速度进行剪切，使试样3~5分钟剪破，试样每产生0.2~0.4mm 剪切位移时，记录测力计和位移读数，直到出现峰值或者剪切位移达到4mm 记录破坏值，试样得的抗剪强度为快剪强度。2、固结快剪，本方法适用于渗透系数小于10的-6次方的细粒土，试验时在施加垂直力后，每小时读一次变形，直至固结稳定，然后拔去销钉，进行与快剪同样的剪切过程，所得抗剪强度为固结快剪强度。慢剪：试验时加垂直力后，待固结稳定后，再拔去销钉，以小于0.2mm/min 的速度使试样充分在排水条件下剪切，得到的是慢剪强度。对于三种试验所得结果：粘聚力快剪>固快>慢剪，内摩擦角快剪<固快<慢剪 三轴试验：直接量测的是试样在不同恒定围压下的抗压强度，然后根据摩尔库伦原理推求土的抗剪强度。三轴根据固结和排水条件分为：不固结不排水（uu ）固结不排水（Cu ）固结排水（CD ），在进行三种不同方法试验时，都要先使试样在一定的围压下固结稳定，若是UU 就是在不排水条件下围压增加一个增量，然后在不允许水进出的条件下逐渐施加轴向力q 直至试样破坏；若是CU 在允许排水条件下围压增加一个增量固结稳定，然后再不允许水进出的条件下逐渐施加轴向力直至试样破坏；若是CD 在允许排水条件下围压增加一个增量固结稳定，然后在排水条件下逐渐施加轴向力直至试样破坏。所以固结不固结是相对于围压增量来说的，排水不排水是相对于轴向力来说的。 根据压缩试验结果，计算各级压力下的ei ，计算压缩系数和压缩模量 压缩系数：a= (e1-e2)/(p2-p1) 压缩模量：ES1-2=（1+e1/a
常用部分岩土参数经验值1岩土的渗透性 （1）渗透系数
《水利水电工程水文地质勘察规范》SL373-2007 62~63页 《水利水电工程地质勘察规范》GB50287-99 附录J 66页 （2）单位吸水量 各种构造岩的单位吸水量（ω值） 弱透水；糜棱岩和断层泥不透水或微透水。 摘自高等学校教材天津大学《水利工程地质》第三版113页
摘自高等学校教材天津大学《水利工程地质》第三版118页 注：透水率1Lu（吕荣）相当于单位吸水量0.01。 （3）简易钻孔抽注水公式 1）简易钻孔抽水公式 根据水位恢复速度计算渗透系数公式 1.57γ(h2-h1) K= ——————— t (S1+S2) 式中： γ---- 井的半径；h1---- 抽水停止后t1时刻的水头值；h2---- 抽水停止后t2时刻的水头值；S1、S2---- t1或t2时刻从承压水的静止水位至恢复水位的距离； H---- 未抽水时承压水的水头值或潜水含水层厚度。 《工程地质手册》第三版927页 2）简易钻孔注水公式 当l/γ＜4时 0.366Q 2l K= ———— lg ——— Ls γ 式中：K—渗透系数（m/d）；l---试验段或过滤器长度（m）；Q---稳定注水量（m3/d）；s---孔中水头高度（m）；γ---钻孔或过滤器半径（m）。 《工程地质手册》第三版936页 （4）水力坡降 允许水力坡降等于临界水力坡降被安全系数除，一般安全系数值取2.0~3.0， 即Ⅰ 允= Ⅰ 临 /2.0~3.0。 摘自长春地质学院《中小型水利水电工程地质》1978年139页
土层与混凝土建筑物接触面间发生接触冲刷时的破坏比降除以1.5安全系数得出在无渗流出口保护情况下地基允许渗流比降见上表。 摘自《堤防工程地质勘察与评价》水规总院李广诚司富安杜忠信等。42页 （5）土毛细水上升值 摘自长春地质学院《中小型水利水电工程地质》1978年79页 k 摘自《工程地质手册》（第三版）937页 2土分类及状态、密实度 （1）分类
第二章岩块和岩体的地质特征 第一节概述 岩体与岩块本质的区别： ①岩体中存在有各种各样的结构面； ②不同于自重应力（场）的天然应力场和地下水。 第二节岩块 一、岩块的物质组成（substance composition） 1．岩块（rock or rock block） 指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元。 国内外，有些学者又称为结构体（structural element）、岩石材料（rock material）及完整岩石（intact rock）等等。 2．岩石（rock） 具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集合体。 3．岩块的力学性质 一般取决于组成岩块的矿物成分及其相对含量。 造岩矿物五大类：含氧盐、氧化物及氢氧化物、卤化物、硫化物、自然元素。 其中，含氧盐中的硅酸盐、碳酸盐及氧化物类矿物最常见，构成99.9%的岩石。 （1）硅酸盐类矿物：长石、辉石、角闪石、橄榄石及云母和粘土矿物等。 ①长石、辉石、角闪石和橄榄石，硬度大，呈粒、柱状晶形，如含此类矿物多的岩石：花岗岩、闪长岩及玄武岩等，强度高，抗变形性能好。多生成于高温环境，易风化成高岭石、水云母等，无以橄榄石的基性斜长石等抗风化能力最差，长石、角闪石次之。 ②粘土矿物：属层状硅酸盐类矿物，主要有高岭石、水云母（伊利石）和蒙脱石三类，具薄片状或鳞片状构造，硬度小。含此类矿物多的岩石如粘土岩、粘土质岩，物理力学性质差，并具有不同程度的胀缩性。（2）碳酸盐类矿物 是石灰岩和白云岩类的主要造岩矿物。岩石的物理力学性质取决于岩石中CaCO3及酸不溶物的含量。CaCO3含量↑，如纯灰岩、白云岩等强度高，抗变形和抗风化性能比较好； 泥质含量↑，如泥质灰岩、泥灰岩等，力学性质较差； 硅质含量↑，岩石性质将娈好。 碳酸盐类岩体中，常发育岩溶现象。 （3）氧化物类矿物 以石英最常见，是地壳岩石的主要造岩矿物。 硬度大，化学性质稳定。石英↑，岩块的强度和抗变形性能明显增强。 4．岩块的矿物组成与岩石的成因及类型密切相关 （1）岩浆岩：多以硬度大的粒柱状硅酸盐、石英等矿物为主，物理力学性质一般很好。 （2）沉积岩：粗碎屑岩如砂砾岩等，力学性质很大程度上取决于胶结物成分及其类型；细碎屑岩如页岩、泥岩等，多以片状的粘土矿物为主，力学性质一般很差。 （3）变质岩：与母岩类型及变质程度有关。 浅变质岩如千枚岩、板岩等，多含片状矿物（如绢云母、绿泥石及粘土矿物等），岩块力学性质较差。 深变质岩如片麻岩、混合岩、石英岩等，多以粒状矿物（如长石、石英、角闪石等）为主，力学性质好。 二、岩块的结构与构造（structure and construct） 1．岩块的结构（岩石结构） 指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。 二者对岩块（石）的工程性质影响最大。
n 1 1i m i n ??==∑ 根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)，表征岩土工程性质的主要参数的特征值： ⑴ 岩土参数的算术平均值： 根据公式：∑=Φ=Φn i i n m 1 1 （3-1） ⑵ 岩土参数的标准差： 根据公式：???????????? ??--= ∑∑=n i i i f n n 122111φφσ （3-2） ⑶ 岩土参数的变异系数： 根据公式：m f φσδ= （3-3） 上几式中： Φm -算术平均值，σf -标准差，δ-变异系数 Φi ——岩土的物理力学指标数据；n-参加统计的数据个数。 ① 先用公式（3-1）和《物理力学指标统计表》求含水比αw 、液塑比Ir 的平均值a w 、I r ； ② 根据a w ，I r 查《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）（用线性插值法） 得f 0； ③ 根据公式（3-2）和（3-3）分别求w a , Ir 的标准差f σ和变异系数δ； ④ 求综合变异系数δ和回归修正系数f ψ，查表得第二指标的折算系数ξ，根据公式：21ξδδδ+=得δ，根据公式：δψ???? ??+-=2918.7884.21n n f 得f ψ。 ④ 根据公式： f ak f f ψ?=0求承载力ak f 。
预估单桩竖向承载力如下： ⑴ 静压预制桩：据勘察成果，按预制桩规格为450mm ×450mm 的方桩，桩端进入圆砾⑥层2m 。取ZK10号钻孔估算静压预制桩单桩竖向极限承载力Q u =4651.3kN （《高层建筑岩土工程勘察规程》（JGJ72—2004）中式 D.0.1 p ps i sis u A q l q u Q ?+?=∑s β） 。 单桩竖向承载力特征值R a = Q u /K=2326kN （K=2） 最终单桩竖向承载力应通过现场静载荷试验确定。 ⑵ 钻（冲）孔灌注桩：据勘察成果，桩径按2000mm ，桩端进入泥岩⑦层1.5m 。取ZK10号钻孔估算单桩竖向极限承载力Q u =195722kN （《高层建筑岩土工程勘察 规程》（JGJ72—2004）中8.3.12条∑∑==++=n i n i p pr ri sir r i sis s A q h q u l q u Q 11u ）。 单桩竖向承载力特征值R a = Q u /K=9786kN （K=2） 根据压缩试验结果，计算各级压力下的ei ，计算压缩系数和压缩模量。 根据剪切试验结果，绘制τ－σ曲线，直接求得内摩擦角φ、粘聚力C 直剪试验：用直接剪切仪来测定土的抗剪强度的试验，直剪仪一般分为：应力式和应变式，一般我们国家应用较多的都是应变式的。根据加荷的速率的快慢将直剪试验划分为：1、快剪，本方法适用于渗透系数小于10的-6次方的细粒土，试验时在施加垂直力以后，拔去固定销钉，立即以0.8mm/min 的剪切速度进行剪切，使试样3~5分钟剪破，试样每产生0.2~0.4mm 剪切位移时，记录测力计和位移读数，直到出现峰值或者剪切位移达到4mm 记录破坏值，试样得的抗剪强度为快剪强度。2、固结快剪，本方法适用于渗透系数小于10的-6次方的细粒土，试验时在施加垂直力后，每小时读一次变形，直至固结稳定，然后拔去销钉，进行与快剪同样的剪切过程，所得抗剪强度为固结快剪强度。慢剪：试验时加垂直力后，待固结稳定后，再拔去销钉，以小于0.2mm/min 的速度使试样充分在排水条件下剪切，得到的是慢剪强度。对于三种试验所得结果：粘聚力快剪>固快>慢剪，内摩擦角快剪<固快<慢剪 三轴试验：直接量测的是试样在不同恒定围压下的抗压强度，然后根据摩尔库伦原理推求土的抗剪强度。三轴根据固结和排水条件分为：不固结不排水（uu ）固结不排水（Cu ）固结排水（CD ），在进行三种不同方法试验时，都要先使试样在一定的围压下固结稳定，若是UU 就是在不排水条件下围压增加一个增量，然后在不允许水进出的条件下逐渐施加轴向力q 直至试样破坏；若是CU 在允许排水条件下围压增加一个增量固结稳定，然后再不允许水进出的条件下逐渐施加轴向力直至试样破坏；若是CD 在允许排水条件下围压增加一个增量固结稳定，然后在排水条件下逐渐施加轴向力直至试样破坏。所以固结不固结是相对于围压增量来说的，排水不排水是相对于轴向力来说的。 根据压缩试验结果，计算各级压力下的ei ，计算压缩系数和压缩模量 压缩系数：a= (e1-e2)/(p2-p1) 压缩模量：ES1-2=（1+e1/a
广州地铁勘察岩土参数取值分析 岩和土最大特点是不确定性、经验性、地域性。由于岩土工程的这种特点，决定了岩土工程是创造性的劳动。地铁岩土工程勘察是各类岩土工程勘察中最为复杂、最为全面、工程问题较多、难度较大的工程勘察工作。作为岩土工程勘察报告质量的判断标准，就是看这份报告是否准确查清了工程场地的岩土地质情况，岩土参数取值是否准确，工程地质分析深度是否达到规范要求，是否全面预见到各种工程地质问题，工程措施和建议是否合理。根据广州地铁多条线路（5、6、7、21号线）勘察方面经验，具体说明岩土参数取值问题。 标签：地铁勘察岩土参数取值 1地铁勘察所涉及的主要岩土参数 根据地铁设计要求，勘察报告中必须提供的参数有：承载力特征值、变形参数（包括Es、E0）、抗剪强度（包括直剪、固结快剪、三轴剪）、重力密度、静止侧压力系数、基床系数、桩基参数以及锚固参数，渗透系数等。 2岩土参数取值分析 （1）承载力特征值。 铁工程中，主要用于衬砌与围岩相互作用的地下结构设计，在房屋建筑中，主要用地基基础设计。基床系数可用30cm压板载荷试验求得准基床系数K30，再通过基础长宽修正得出基床系数。也可根据土的状态查地铁勘查规范确定。（6）桩基参数以及锚固参数。①桩基参数。在建设工程中，桩基参数为最为熟知的参数，因地铁线路敷设方式不同，桩基参数根据不同规范要求提供，一般高架区间、高架站按照国家行业标准《铁路桥涵地基和基础设计规范》提供，一般地下区间、地下站按照广东省标准《建筑地基基础设计及规范》提供，该值一般地区经验值。 ②锚固参数。锚固体在地下工程中是較为复杂的参数，设计时往往多为工程经验，一般应参照国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》或地方标准《广州地区建筑基坑支护技术规定》（GJB02-98）提供。（7）渗透系数。是一个表示岩土渗透性的指标，在地铁设计中也是一个重要参数，也可用于解决许多问题，特别是地铁基坑及隧道涌水量。渗透系数确定方法较多，主要根据野外水文地质试验（抽水、压水、注水）及室内实验方法确定，往往在同一个地区不同地段，渗透系数就有很大的变化，其影响因素很多，为了确保渗透系数的精确度，在地铁勘察中，多采用野外抽水试验（根据工程需要布置观测孔），计算其渗透系数以及地铁基坑及隧道涌水量。 3结束语 在地铁勘察时，必须准确的把握各岩土层参数，其岩土参数准确性是设计的保证也是控制经济成本制约。
表11-1岩土参数建议值表岩石地基土承载力特征 值 f ak (kPa) 60 190 210 220桩侧摩阻力 特征值(钻孔 灌注桩) q sa (kPa) 30 30 35 70 130 135桩端阻力特
征值(钻孔灌 注桩) q pa (kPa) 700 1300 1500桩极限侧阻力 标准值(钻孔桩极限端阻力 标准值(钻孔岩石与锚土体与锚固体极固体极限地基系数的比例系岩层或土层水平基 床系数 K s(MPa/m) 18203535150170200岩层或土层垂直基 床系数 Kc(MPa/m) 12183030120135175岩 土 分 层岩
名 称时 代 与 成 因承载力特征值 f a (kPa)静止侧压力系数 K 0.40 0.40 0.39 0.38 0.38 0.28 0.26岩土泊桑
0.29 0.29 0.28 0.28 0.28 0.22 0.21岩石质量 指标RQD (%)10~1510~20基底摩擦 系数 f 0.28 0.28 0.30 0.30 0.33 0.38 0.45边坡坡度高宽比允许值(1:n) 支护
1.25 11 0.75 0.5 0.5土石可挖性 分级Ⅰ～Ⅱ ⅡⅡⅢⅢ～Ⅳ ⅣⅤ限摩阻力标准值摩阻力标数(灌注灌注桩)灌注桩) 准值桩)q sik(kPa) 40435075170180q sik(kPa) 75016001800q s(kPa) 18505055q s(MPa) 0.12 0.30 0.50m(MPa/m2) 18.0 22.0
40.0(1-1) (3-4) (4-2) (11)-1 (11)-2 (11)-3 (11)-4 说明： 岩 土 分 层 (1-1) (3-4) (4-2) (11-1) (11-2) (11-3) (11)-4 说明： 1.本表所称的岩土参数建议值，是根据室内试验或原位测试结果的统计值，按工程类比（工程经验）的方法而提供的岩土参数。
第一讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一) 一、内容提要： 本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法，岩石的强度特性。 二、重点、难点： 岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。 一、概述 岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。 所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。通常认为岩体是由岩石和结构面组成。所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。因此，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。 【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。 A. 火成岩、沉积岩、变质岩 B. 花岗岩、砂页岩、片麻岩 C. 火成岩、深成岩、浅成岩 D. 坚硬岩、硬岩、软岩答案：A 【例题2】片麻岩属于( )。 A. 火成岩 B. 沉积岩 C. 变质岩 答案：C 【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是( )。 A. 岩石的种类 B. 岩石的矿物组成 C. 结构面的力学特性 D. 岩石的体积大小答案：C 二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法 (一)岩石的质量指标 与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。 1 岩石的颗粒密度(原称为比重) 岩石的颗粒密度是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。其试验方法见相关的国家标准。岩石颗粒密度可按下式计算 2 岩石的块体密度 岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。按照岩块含水率的不同，可分成干密度、饱和密度和湿密度。 (1)岩石的干密度 岩石的干密度通常是指在烘干状态下岩块单位体积的质量。该指标一般都采用量积法求得。即将岩块加工成标准试件(所谓的标准试件是指满足圆柱体直径为48～54mm，高径比为2.0～2.5，含大颗粒的岩石，其试件直径应大于岩石最大颗粒直径的10倍；并对试件加工具有以下的要求；沿试件高度，直径或边长的误差不得大于0.3mm；试件两端面的不平整度误差不得大于0.05mm；端面垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.25。)。测量试件直径或边长以及高度后，将试件置于烘箱中，在105～110℃的恒温下烘24h，再将试件放入干燥器内冷却至重温，最后称试件的质量。岩块干
地基土物理力学指标建议值表 土名 容重 γ （kN/m3） 地基土 承载力 基本容许值 fao （kPa） 内聚 力 C k （kPa） 内摩 擦角 φk （0） 压缩 模量 Es （MPa） 岩石天然单轴 极限抗压 强度frc (Kpa) 岩石饱和单轴 极限抗压 强度fr (Kpa) 素填土18.5 90 15 10 5.0 含卵石粉质粘土19.5 160 25 15 6.0 粉质粘土19.0 140 20 12 5.5 细砂19.5 80 22 7.0 稍密卵石21.0 320 30 25 中密卵石22.0 550 35 30 密实卵石23.0 850 40 45 强风化粉砂质泥岩22.0 300 1500 中风化粉砂质泥岩23.0 850 350 30 4500 3000 强风化粉砂岩23.0 500 2000 中风化粉砂岩24.0 1200 600 40 7000 5000 地基土物理力学指标建议值表表16 土名 基床 系数 K MPa/m3 地基土的水 平抗力系数 的比例系数 m 底摩擦 系数 μ 土体与 锚固体 粘结强度特 征值f rb kPa 钻孔灌注嵌岩桩桩基础 钻孔灌注桩 桩摩阻力 标准值qsik （kPa） 竖直水平 杂填土 4 素填土 6 0.20 15 20 含卵石粉质粘土25 18 12 0.30 45 40 粉质粘土20 16 10 0.30 40 35 细砂16 11 14 0.25 50 30 稍密卵石22 18 50 0.40 80 140 中密卵石36 27 75 0.45 100 180 密实卵石65 55 90 0.50 120 300 强风化粉砂质泥岩100 80 0.45 100 140 中风化粉砂质泥岩220 200 0.50 150 200 强风化粉砂岩120 90 0.45 120 160 中风化粉砂岩240 220 0.55 200 240
，， 的制 不
（一）工程地质单元体的划分 由于自然界中的岩土体成生条件和所处环境的不同，导致岩土体的性质具有明显的非均一性和各向异性。不同工程地质单元体的岩土参数具有较大的变异性，是一个随机变量。而对于同一工程地质单元体来说， 其值域的分布具有相同或相似的规律，可以用数理统计的方法进行分析 与处理。因此，在进行岩土参数的统计分析之前，首先应根据拟建场地 所处的地貌单元、岩性、成因类型、堆积年代等，对勘探深度范围内所 涉及的岩土初步划分工程地质单元（即工程地质层），然后按工程地质 单元体进行岩土参数的统计分析。 （二）各工程地质单元岩土参数的统计分析 岩土工程参数统计的特征值可分为两类：一类是反映资料分布的集中情况或中心趋势的，它们作为某批数据的典型代表，用算术平均值来 表示；另一类是反映参数分布的离散程度的，用标准差和变异系数来表征。各工程地质单元的平均值f m，标准差σf（和变异系数 （σ）分别按式(9-1)、式（9-2）、式（9-3）计算。其计算公式如 下： (9-1) (9-2) (9-3) 式中f i————岩土参数数据； n——参加统计的数据个数。 （三）岩土参数的变异性等级与变异系数（σ） 标准差虽然可以用来衡量参数离散程度，但由于它是有量纲的，只能用于同一参数的比较，而对于不同参数的离散性则无法进行比较。因此，
《岩土工程勘察规范》引入了变异性等级以及变异系数的概念来评价岩土参数的变异特征。 1.岩土参数的变异性等级 为了定量地判别和评价岩土参数的变异特性，以便提出可靠的设计参数值。《岩土工程勘察规范》对其变异性进行了等级划分，见表9-1 变异系数（σ） 岩土参数沿深度变化的特点，可划分为相关型和非相关型两种。 1）相关型：岩土参数随深度呈有规律的变化。正相关表示参数随深度的增加而增大，负相关表示参数随深可采用回归分析法求得。由于回归统度的增加而减小。相关系数计作用，减小了参数的随机变异性，提高了预估参数的可靠性。其变异系数可按式（9-4）和式（9-5）确 定。 目前国内外关于变异系数的研究成果见9-2表和表9-3
1、塑性指数 plasticity index 塑性指数是液限和塑限之差称为塑性指数，用不带百分号的小数表示，符号为IP。 概述 塑性是表征细粒土物理性能一个重要特征，一般用塑性指数来表示；液限与塑限的差值称为塑性指数IP，即IP=WL-WP。过去的研究表明，细粒土的许多力学特性和变形参数均与塑性指数有密切的关系。 特征 塑性指数 可塑性是粘性土区别于砂土的重要特征。可塑性的大小用土处在塑性状态的含水量变化范围来衡量，粘性土由一种状态过渡到另一种状态的分界含水量叫作界限含水量，也称为阿太堡界限，有缩限含水量、塑限含水量、液（流）限含水量、粘限含水量、浮限含水量五种，在建筑工程中常用前三种含水量。固态与半固态间的界限含水量称为缩限含水量，简称缩限，用ω表示。半固态与可塑状态间的含水量称为塑限含水量，简称塑限，用ωp表示。可塑状态与流动状态间的含水量称为液（流）限含水量，简称液限，用ωl表示。含水量用百分数表示。天然含水量大于液限时土体处于流动状态；天然含水量小于缩限时，土体处于固态；天然含水
量大于缩限小于塑限时，土体处于半固态；天然含水量大于塑限小于液限时，土体处于可塑状态。 塑性指数习惯上用不带%的数值表示。塑性指数是粘土的最基本、最重要的物理指标之一，它综合地反映了粘土的物质组成，广泛应用于土的分类和评价。 因素 由于塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘性土特征的各种重要因素。塑性指数愈大，表明土的颗粒愈细，比表面积愈大，土的粘粒或亲水矿物（如蒙脱石）含量愈高，土处在可塑状态的含水量变化范围就愈大。也就是说塑性指数能综合地反映土的矿物成分和颗粒大小的影响。因此，在工程上常按塑性指数对黏性土进行分类。粉土为塑性指数小于等于10且粒径大于0.075的颗粒含量不超过总质量50%的土；黏性土为塑性指数大于10且粒径大于0.075的颗粒含量不超过总质量50%的土，其中： Ip>17 黏土 Ip>10 粉质黏土 Ip<10或Ip=10 粉土 2、液性指数liquid index 对黏性土来说，有一个指标叫液性指数，是判断土的软硬状态，表示天然含水率与界限含水率相对关系的指标。 液性指数公式 IL=(ω-ωp)/(ωL-ωp)。 ω：土的实际含水量
3软岩的物理力学特性 3.1软岩的成分 软岩一般是由固体相、液体相、气体相三相组成的多相体系，有时由两相组成。固体相是由许许多多大小不等、形状不同的矿物颗粒按照各种不同的排列方式组合在一起，构成软岩的主要部分，称为“骨架”。在颗粒间的孔隙中，通常有液相的水溶液和气体形成三相体，有时只被水或气体充填形成二相体。颗粒、水溶液和气体这3个基本组成部分不是彼此孤立地、机械地混在一起，而是经过了漫长的地质过程的建造和改造作用使其相互联系、相互作用，共同形成软岩的物质基础，并决定软岩的力学特性。 固相颗粒是软岩的最主要的物质组成，构成软岩的主体，是最稳定、变化最小的成分，在三相之间相互作用过程中，一般居主导地位。对于固相颗粒部分，在进行软岩的工程地质研究时，从颗粒大小的组合、矿物成分、化学成分3个方面来考虑。组成软岩的液体相部分实际上是化学溶液而不是纯水。将溶液作为纯水研究时，基于颗粒的亲水性而形成的强结合水、弱结合水、毛细水、重力水对软岩工程地质也有很大的影响。 3．1．1软岩粒组及粒度成分 软岩的粒度成分是指软岩中各种大小颗粒的相对含量。粒组是将粒径的大小分为若干组。粒组划分的原则是，首先考虑在一定的粒径变化范围内，其工程地质性质是相似的，若超过了这个变化幅度就要引起质的变化。而粒组界限的确定，则视其主导作用的特性而定。其次要考虑与目前粒度成分的测定技术相适应。 目前我国广泛应用的粒组划分是： (1)卵石组(d>2mm)。多为岩石碎块。这种粒组形成的软岩，孔隙粗大，透水性极强，毛细水上升高度极小，无论在潮湿或干燥状态下，均没有连结，可塑性、膨胀性、压缩性均极小，强度较高。 (2)砂粒组(d=2～0．05mm)。主要为原生矿物，大多是石英、长石、云母等。这种粒组软岩孔隙较大，透水性强，毛细水上升高度很小，可塑性和膨胀性较小，压缩性极弱，强度较高。 (3)粉粒组(d=0．05—0。005mm)。是原生矿物与次生矿物的混合体，它的性质介于砂粒与黏粒之间。由该粒组形成的软岩，因孔隙小而透水性弱，毛细水可上升到一定高度，有一定的压缩性，强度较低。 (4)黏粒组(d<0．005mm)。主要由次生矿物组成。由该粒组形成的软岩，其孔隙很小，透水性极弱，毛细水上升高度较高，有可塑性、膨胀性，强度较低。 3．1．2软岩中矿物成分的类型 软岩的固体相部分，实质上都是矿物颗粒，并且是一种多矿物体系。不同的矿物其性质各不相同，它们在软岩中的相对含量和粒度成分一样，也是影响软岩力学性质的重要因素。 (1)原生矿物组成软岩固体相部分的物质，主要来自岩石风化产物。岩石经过物理风化、迁移作用、沉积作用、成岩作用而形成软岩。原生矿物仍保留着风化作用前存在于母岩中的矿物成分。软岩中原生矿物主要有硅酸盐类矿物、氧化物类矿物，此外尚有硫化物类矿物及磷酸盐类矿物。 硅酸盐类矿物中常见的有长石类、云母类、辉石类及角闪石类等矿物。常见的长石类矿物有钾长石(KAlSi308)和钙长石(CaM208)，它们不太稳定，受风化作用易形成次生矿物。常见的云母类矿物有白云母[KAl2(AlSi3 010)(OH，F)2]和黑云母[K(Mg，Fe，Mn)3 AlSi3 O10
黄土的物理力学性质 §2-1 黄土的物理性质 试验用黄土采用甘肃兰（州）海（石湾）高速公路工程现场扰动土，其物理性质主要由它的物理性质指标来体现，其物理性质指标主要有：孔隙率、天然含水量、容重和液塑限等。 由于黄土的生成与存在条件比较特殊，它的孔隙率比普通土的孔隙率要大。一般黄土中存在肉眼易见的孔隙，这些孔隙多为铅直圆孔，这类孔隙通称为大孔隙。大孔隙比例的多少在一定程度上决定了黄土湿陷性的大小，大孔隙多的黄土湿陷程度大；反之则小。 试验所用黄土的天然含水量很低，一般在10％以下。含水量在剖面上的变化与黄土层的厚度和埋藏深度没有直接关系。黄土的容重、比重取决于黄土的矿物成分、结构和含水量，而黄土的颗粒分散度、矿物成分、形状和弹性在一定程度上决定了黄土的液塑性。 黄土的物理性质随成岩时代、成岩地区的不同而表现出一定的差异。为了得到该黄土的物理性质，我们根据《公路土工试验规程》（JTJ 051-93）的要求，分别采用联合液塑限仪、烘箱和重型击实等方法进行了有关指标的测定，测定结果如表2-1所示。 黄土的物理性质表2-1 一．主要成分分析 组成黄土的矿物约有60种，其中轻矿物（d﹤）含量占粗矿物（d﹥）总量的90%以上。黄土中粘土矿物（d﹤）以不同的方式同水和孔隙中的水溶液相互作用，显示出不同的亲水性，故粘土矿物的成分和比例，在某种程度上体现了黄土的湿陷性。 水溶盐的种类和含量与黄土的湿化、收缩和透水性关系密切，直接影响着黄土的工程性质。 水溶盐包括易溶盐、中溶盐和难溶盐三种。易溶盐（氧化物，硫酸镁和碳酸钠）极易溶于水或与水发生作用。它的含量直接影响到黄土的湿陷性。 中溶盐（石膏为主）的存在状态决定其与水的作用情况。以固体结晶形态存在时，