工程地質蠕變
1. 粵港澳跨海大橋海域工程地質特徵
馬勝中1，2陳炎標1陳太浩1
（1.廣州海洋地質調查局 廣州 510760；2.中國地質大學（北京）北京 100083）
第一作者簡介：馬勝中，男，1968年生，高級工程師，在職工程碩士，主要從事地震資料解釋、環境工程地質、海洋地質及綜合研究工作。
摘要 根據地球物理探測、海底取樣、鑽探及現場測試等實測資料詳細分析，發現粵港澳跨海大橋海域具有獨特的自然條件以及復雜的海洋工程地質特徵。海底地形地貌較為復雜，存在含淺層氣區、活動性斷層、沙波、地震活動、不規則基岩、埋藏古河道、沖刷槽溝和水下淺灘等潛在災害地質因素，尤其粵港澳跨海大橋是特大型建築，它經過的海域分布著多種潛在的地質災害，應引起重視。
關鍵詞 工程地質 災害地質因素 粵港澳跨海大橋
1 前言
粵港澳跨海大橋是連接廣東深圳、珠海和香港、澳門的特大型橋梁，橋址海域處於珠江口伶仃洋，伶仃洋是北江、西江、東江三大水系匯集的入海口，呈向南展開的巨型喇叭狀，是一條通達五洲四海的黃金水道。
從20世紀90年代以來，珠江東、西兩岸的經濟發展呈現很不平衡的態勢。因此，加強珠江兩岸的經濟聯系，已經是刻不容緩，勢在必行。同時，橫跨兩岸唯一的大橋——虎門大橋，預測5～8年後達到飽和狀態。早在1992年，珠海市政府提出了粵港澳跨海大橋的工程方案。跨海大橋工程規模巨大，工程條件異常復雜，工程地質工作顯得特別重要。
眾所周知，為保障這些海上工程及作業安全，必須了解海底的工程地質條件，查清潛在災害地質因素。為此，本文根據大量地球物理探測、海底取樣、鑽探及現場測試等實測資料，結合周邊區域資料，對粵港澳跨海大橋區海域的海底地形地貌、淺地層、底質及災害地質因素進行分析，為粵港澳大橋區選擇和架橋提供基礎地質資料和科學參考。
2 海底地形地貌
伶仃洋三面靠陸，南向南海，為珠江三角洲斷陷盆地的泄水窪地，其為帶狀河口灣和潮汐通道，由於河流和海水潮汐、波浪的共同作用，灣內岸淺曲折，灣汊眾多，岬角奇突，階地、沙灘依岸，島嶼、沙壩分列，淇澳島、內伶仃島東西扼守，珠江口外群島星羅。珠江口-伶仃洋既是通航要道，又是天然良港，萬噸輪自由舶駛，海水終年無封凍。
伶仃洋海底地形總體上呈三灘兩槽分布，從西向東依次為：西灘、伶仃水道、中灘（礬石淺灘）、礬石水道、東灘。水下地形走勢受其影響，東西向地形變化較大，起伏相間。等深線大致沿水道呈NNW—NW方向分布。主航道基本在河床中央一線，由天然沖刷和人工疏浚的伶仃水道、礬石水道組成，水深一般6～10m，在香港爛角嘴以西礬石水道最深，超過22m。向東西兩岸河水變淺至0.2～2.0m。在番禺新墾以東，兩水道匯合，與北面的龍穴水道相接。主航道在部分河段有東向偏移的現象。
伶仃洋為喇叭形河口灣，灣內較大的地貌單元為三灘兩槽，其上發育有許多小地貌類型。伶仃洋海底地貌類型主要包括：槽溝、沙波、窪地和淺灘等。主要的槽溝為三灘兩槽中的兩槽，西槽——伶仃水道和東槽——礬石水道，兩水道上溯至蕉門口附近匯合，形成一條大槽溝，連通龍穴水道和川鼻水道，直抵虎門。槽溝內地形起伏較大，凹凸不平，大小不等的窪地居於其中，以及發育NE向的小型沙波。西槽——伶仃水道受蕉門來沙和西灘迫淤的影響，水道嚴重淤淺萎縮。槽溝屬於自然和人工相互作用的地貌類型。河流和潮流的沖淤作用，在口門處形成水道，由於人類的需要（通航或泄洪等），在原有的槽溝上或周圍，進行了挖沙清淤或圍墾造地活動，既改變了槽溝的面貌，也改變了周圍的水動力環境。
在伶仃洋的西岸，承泄了虎門、蕉門、洪奇門、橫門等眾多水道的來水和攜沙，受水流分異作用和泄載沖積，水道口外多有淺灘、沙壩堆積或槽溝發育。臨岸港灣則多見軟泥淤填，有圍墾造田，水產養殖之便，伶仃洋出口有淇澳島和內伶仃島。
3 淺層地球物理特徵及層序
根據3.5 kHz淺層剖面和單道地震剖面，依據反射波的特徵劃分出三個反射層序A、B、C（圖1）。
層A：為水平層，反射能量較弱，連續性好，為平行整一的披蓋式反射結構。
該層厚度變化較大，為0～26.4m，總體上近岸和近島厚度小，離岸和河道範圍內厚度變大的趨勢。內伶仃洋北部厚度最大，東部的大鏟島附近該層缺失。
層B：為一套中低頻、中振幅、中低連續的反射層組，雜亂式充填、河谷充填型，基本平行、亞平行反射結構。層B全區廣泛分布，與層A呈不整合接觸，層B頂面經嚴重削蝕，底面為起伏的基岩，與下伏地層呈上超關系。
層B內部有些反射較為紊亂、無層次，反射能量時強時弱，地層有起伏，具有河谷充填型的陸相沉積特徵，可能是一個沖刷剝蝕、沉積較活躍的異常地區，局部可見小范圍的河道侵蝕特徵。
層C：為一套中低頻、中振幅、低連續的弱反射層組，雜亂反射結構，為基岩面。
根據層C內部的反射特徵，結合鑽探、陸地和附近島嶼地層的分布情況，認為層C主要為基岩風化物和基岩。深圳香港-珠海澳門海域的基岩有三種類型：一是花崗岩，主要為燕山三期（
基岩埋深變化較大，為0～-64.1m，總體上近岸邊和近島變淺，離岸和河道內變深的趨勢。
圖1 單道地震剖面顯示的層序和斷層、埋藏古河道
Fig.1 Sea-floor buried ancient-river channels and Fault
鑽孔揭露層A的沉積物主要為粘土質砂和砂-粉砂-粉砂質粘土。據淺層剖面反射特徵，結合區域地質資料、海底取樣和鑽孔資料分析，層A地質時代為全新世冰後期海侵以來逐漸堆積而成的沉積物，層A反射層序主要為全新世淺海相沉積，但局部受河流影響，有河道沉積。岩性主要為粘土質砂和粉砂質粘土，含貝殼等生物碎屑。
鑽探揭示層B為一套粘土質粉砂、細砂-粗砂（含礫）、粉砂質粘土—粘土，以陸相沉積和剝蝕為主，局部為海陸交互相沉積。從其頂界R1界面起伏不平被侵蝕的特點，對比伶仃洋段大橋鑽探的地層資料，據14C測年，層B取得的樣品測年年齡均大於15000 a（B.P.），結合區域岩性和古生物資料，可以認為是層B沉積後期受到侵蝕所造成的，推斷層B的地質時代為晚更新世，它以凹谷充填在前第四系基底的河谷低地。
4 工程地質特徵
表層沉積土類型共有四類，即：流泥、淤泥、淤泥質土、淤泥混砂或砂混淤泥。
海底表層土微型貫入承載力為15.5～52.1kPa，平均值為30.6kPa。扭力十字板不排水剪切強度為2.8～11.6kPa，平均值為6.7kPa。
海底表層土凝聚力（三軸抗剪）為0.3～18.6kPa，平均值為8.8kPa。在淇澳島至內伶仃島、內伶仃島至大鏟島一帶變化較大，為1.6～10.0kPa。
海底表層土摩擦角（三軸抗剪）為2.31°～14.9°，平均值為4.88°。在淇澳島至內伶仃島、內伶仃島至大鏟島一帶變化較大，為3.7°～10.2°。
海底表層土天然含水率為27.6%～111%，平均值為76.7%。在內伶仃島以北至大鏟島、淇澳島以北區域變化較大，為43%～95%，總體變化趨勢為由岸邊至江心逐漸減小。
海底表層土天然孔隙比為0.701～2.861，平均值為2.016。在內伶仃島以北至大鏟島區域、淇澳島附近以北區域變化稍大，為1.0～2.2、1.6～2.5，總體變化趨勢為由岸邊至中心逐漸減小。
海底表層土壓縮系數為0.44～3.380MPa-1，平均值為1.55MPa-1。在淇澳島以北區域變化較大，為1.0～2.2MPa-1。
綜上所述，海底表層土的凝聚力、摩擦角、天然含水率、天然孔隙比和壓縮系數在淇澳島-內伶仃島-大鏟島一帶變化較大，在其餘區域變化較為平緩；天然含水率和天然孔隙比的總體變化趨勢還有一個特點，即由岸邊至江心逐漸減小。
自海底而下工程地質層有：
（1）覆蓋層
a.全新世海相淤泥，灰-黑灰色，流塑，飽和，富含有機質，厚度6.0～25.0m。
b.粘土，褐黃、橘紅、灰白等雜色，不規則花斑狀構造，可塑為主，為沉積間斷時期的風化產物。僅見於東、西部，厚1.5～5.6m。
c.淤泥質土，全新世海相沉積，暗灰、灰黑，流塑-軟塑，全區廣布，厚度平均10.0m。
d.砂層，發育於晚更新世晚期，有粉、細砂、中、粗砂和礫砂、圓礫、卵石，分選差，相互交錯過渡，常呈透鏡狀，厚薄不等，楔狀產出，具有上細下粗的層序結構。砂層多為中密-密實，上部稍密-中密，向兩岸厚度在10～15m，且變薄尖滅，中間地段最大厚度在24.0～37.0m。
（2）基岩
由燕山期花崗岩、古生代花崗片麻岩、震旦紀花崗片麻岩、白堊紀含礫粗砂岩和硅化角礫岩、碎裂花崗岩組成，岩性復雜多變，明顯受區內構造斷層影響，岩石單軸飽和抗壓強度25.0～106.0MPa。基岩面在東西兩端高差起伏很大，埋深0～45.0m之下，中部埋深多在55.0～60.0m。
5 主要地質災害因素
海底地質災害因素是指海底及以下地層中，對於海上構築物的建設和安全具有某種直接或潛在危險的地質因素（馮志強等，1995）。分析結果表明，區內主要地質災害因素有淺層氣、活動性斷層、沙波、地震活動、不規則基岩、埋藏古河道、沖刷槽溝和水下淺灘（圖2）。它們對海上構築物均有直接或潛在危險性。
5.1 淺層氣（反射模糊區）
海底淺層氣主要分布於河口與陸架海區的淺沉積層中，既是一種常見的地質現象，也是一種十分危險的海洋災害地質因素。據調查，在我國東南沿海及長江流域的沖積平原區，如江蘇、浙江、安徽、上海、福建、廣東、湖北、湖南等地都有淺層氣分布（葉銀燦等，2003；陳少平等，2004）。
圖2 深圳香港—珠海澳門海域潛在地質災害因素分布示意圖
Fig.2 Distribution map of potential geological hazard factors in LingdingYang area
珠江口淺層氣以生物成因為主，主要成分為甲烷、二氧化碳、硫化氫、氮氣、氨氣等。受上覆水層、土層、岩層壓力作用，淺層氣多沿斷層或裂隙向上運移。淺層氣以沉積物中氣的形式存在時，沉積物中的氣體改變了沉積層土質的力學性質，使其強度降低，結構變松，破壞了土質原始穩定性，減小了基底支撐力，在外載荷重下，含氣沉積物會發生蠕變，可能導致下陷，側向或旋轉滑動，導致其上的建築物最終失去平衡，發生傾斜壓塌。層狀儲集的淺層氣層，其含氣量大，有一定的壓力，一旦平台樁腿插於其上，輕則造成設備受損，重則造成鑽井過程中的「井噴」事故，危害巨大。在美國墨西哥灣、英國北海、印度尼西亞爪哇海、阿拉斯加海、波斯灣、加勒比海等水域進行海洋油氣資源勘探開發時，由於對淺層氣調查和認識不足，都曾造成一定的災害損失（馮志強等，1995）。
珠江口沉積物厚度較大，以富含有機質的陸源碎屑沉積物為主，尤其在泥質沉積層中以腐殖型為主的有機質豐度頗高，在生物降解作用下，有利於生物氣（沼氣）等生成，這類氣體無需經長距離運移，就可能被陸架水下河道沙體、三角洲沙體等類型的儲集層近源捕獲而聚集，亦可呈游離狀分散在區域層間，形成大范圍的含氣沉積物。
淺層剖面和單道地震記錄顯示，含氣沉積物層間反射雜亂，連續性較好的反射波突然中斷，同相軸時隱時現，或完全消失，或反射模糊，伴有空白帶，呈柱狀、囊狀、條帶狀或不規則狀（圖3），在不同水深，都發現了這種沉積層的含氣特徵。這是由於地層含氣量增加，使地震傳播速度降低，反射波能量快速衰減造成剖面上形成聲學空白帶，即淺層氣在剖面上表現為「反射模糊區」（馮志強等，1995）。在淺層氣大量溢出的地方常引起海底地形的凹凸不平，聲吶記錄上多為麻坑狀顯示。
淺層氣與古河道關系密切，古河道常出現異常地震反射，即聲波被吸收或嚴重屏蔽，產生反射空白帶、區，為含氣沉積物。古河道的沉積物、充填物，以陸源碎屑為主，含有比較豐富的有機質，河流的快速搬運堆積，將其迅速掩埋，隨著河流體系、岩相古地理條件的改變，有機質在一定熱變質或生物作用下，可能演化成甲烷、沼氣，這些氣體呈分散狀滲透在河道沉積物的層間，或者聚集在河流沙體中產生氣囊，成為含氣地層。
圖3 淺層剖面顯示的反射模糊區
Fig.3 Soil layer with gas
珠江口近岸共發現一處大的淺層氣區和多處小范圍的淺層氣區，淺層氣區總面積大約420km2，其中以伶仃洋西側海域淺層氣分布范圍最廣，淺層氣區位於伶仃洋水道西側，從東四門沿水道下行，至桂山島南側，但埋藏深度不甚清楚，含氣地層厚度不明。總體說來淺層氣分布主要沿珠江的八大門下行，在河流下切形成的入海古河道、分支河道、河漫灘等分布較廣，主要貯存於第四紀沉積物中，淤泥層為蓋層。
5.2 活動性斷層
在海洋工程上一般將其定義為晚更新世以來仍有活動的斷層。其形成原因是由於地殼活動和沉積作用引起地層的錯動，造成兩盤沉積物厚度不同。
斷層引起的地面錯動及其伴生的地面變形，往往會損害跨斷層修建或建於附近的建築物，同時斷層還會導致海底產生過大的差異沉降，對海洋工程危害巨大。
區內中部發現一條第四紀以來有過活動的淺正斷層（圖1），位於114°45′00″～114°50′00″E，22°25′30″～22°29′00″N之間，內伶仃島以北1.5km。呈北西向延伸，長7km，斷層距海底25m以內，基岩被切割，其上第四系部分錯移，斷距7～25m，從西北往東南斷距變大，傾角50°～80°，鑽探也揭示該斷層的存在。
根據鑽探和區域地質構造資料，NEE向五華-深圳斷裂帶潛入伶仃洋後，可分為九尾嶺斷裂和橫崗-羅湖斷裂，並切穿橋址基岩。
a.九尾嶺斷裂：該斷裂東起深圳橫崗，呈NEE斷續延伸，過蛇口，出赤灣，在內伶仃島西北處斜切橋軸線，直插珠海唐家灣，其走向為NE45°～60°，斷面傾向東南，傾角70°以上。
b.橫崗-羅湖斷裂：該斷裂東起橫崗，NEE延伸達羅湖，基本平行深圳灣的南岸，在香港爛角咀外斜切橋軸線，貫穿伶仃洋，過橫琴島北側，繼而西延，以及NW走向的龍頭山斷裂、白泥-沙灣斷裂、淇澳-桂山島斷裂切過橋址。
區內是珠江三角洲斷陷盆地區，多組斷裂在此交會，活動斷裂的交會地帶是發生強烈差異運動的場所，經常伴生地震，引發次生地質災害。
5.3 沙波
沙波是砂質海底在水動力作用下所形成的。當水動力條件改變時，特別是在風暴潮的作用下，沙波的形態和分布都會發生變化，並產生移動。當地震活動發生時，振動可能引起沙體液化。沙波的遷移、活動和改造，不但直接影響錨泊，而且對其上的工程設施會造成極大的危害。沙波的遷移對其移動前方的工程設施，亦有掩埋、沖擊、拖曳等嚴重威脅，因此對活動沙波的移動方向和速率的研究極為重要。
在物探剖面上，海底沙波表現為海底反射呈連續鋸齒起伏，強振幅，海底二次反射波較強，在淺層剖面上砂質結構的海底對其下形成反射屏蔽；通過對旁側聲吶圖像分析，表現為有規律的黑白深淺相間的反射。
區內發現有多處海底沙波，沙波主要沿槽溝分布。波高一般小於1m，波峰走向以NE向為主，與水流方向近正交。它們的存在指示海底泥沙運動較強，海底穩定性差，當台風或颶風發生引起風暴潮時，沙波的形態及分布均可能發生變化和位移。
5.4 不規則淺埋基岩
不規則淺埋基岩在物探剖面上主要表現為其界面反射多為圓錐狀或尖峰狀強反射，而其內部反射模糊，無層次，反射形態為隨機的高低起伏，部分可見繞射波。
對於工程建設，基岩是很好的承力層，但若基岩面起伏不平，高低差異較大，由於其與圍岩岩性的不均一，就會產生承載力的差異。
區內不規則淺埋基岩廣泛分布，不規則基岩面埋深為-14.4～-67.3m，起伏變化較大，東部大鏟島周圍，西南部淇澳島東面，內伶仃島北面，埋深較小，變化大，局部地方，出露海底成為暗礁。
5.5 埋藏古河道
在單道地震剖面上，埋藏古河道（圖1）的底界呈連續波狀起伏的強反射，內部的雜亂相為辮狀河道沉積。有的底界面反射波下凹，內部反射有些雜亂，為砂礫充填物；有些為弱反射，為泥質充填所形成。淺層剖面上可看到河道底界面下凹、連續強反射特徵，內部充填物結構清晰，還可見到側向加積、頂部加積、充填物的旋迴性及斜層理等特徵。埋藏古河道的內部沉積與其圍岩岩性有較大的差異，承載力明顯不均勻，對海洋工程設施有不可忽視的潛在性危害。
古河道的沉積物、充填物以粗碎屑砂礫石為主，孔隙度較大，層間水循環快，具有較強的滲透性，在地層中經長期的侵蝕、沖刷，上覆荷載下容易引起局部塌陷，破壞地層的原始結構，造成基底的不穩定。
古河道縱向切割深度不同，橫向沉積相變迅速，在近距離范圍以內存在完全不同的力學支撐，諸如河床沙體和河漫灘泥質沉積物，顯然具有不同的抗剪強度，軟的粘土沉積在不均勻壓實或受重力和地震力的作用下，極易產生蠕變，引起滑坡，導致地質災害。
古河道的沉積物、充填物，以陸源碎屑為主，含有比較豐富的有機質，河流的快速搬運堆積，將其迅速掩埋，在一定熱變質或生物作用下，可能演化成甲烷、沼氣，這些氣體呈分散狀滲透在河道沉積物的層間，或者聚集在河流沙體中產生氣囊，成為含淺層氣地層，形成地質災害。
區內埋藏古河道發育，層A、層B均有古河道存在。這兩層的河道有的自成體系，更多的是互相疊置長期發育，河床多次遷移，形成很大的河道沉積物體系，難於劃分出具體的河道，其規模及走向無法詳細描述。有的河道直接暴露於海底，往往與海底淺槽共存，說明水動力作用較強。這種河道會直接給工程帶來麻煩。
5.6 槽溝
槽溝是海底表層沉積物遭受侵蝕沖刷而成的。主要分布在兩側島嶼狹束，潮流或水流較急的區域，是海洋工程應當避讓或必須處理的不利條件。它在各種物探調查資料上表現為海底反射波的波形發生明顯扭曲，反射界面突然斷開或下陷，兩側對稱，與周圍地形差異較大。
珠江口內伶仃洋段沖刷槽溝的發育受控於地形，槽溝是較大型的沖刷槽，伶仃洋槽溝發育。槽溝人工開挖痕跡明顯，槽溝的高度和坡度變化較大，陡峭的沖刷槽形成陡坎可能伴生滑坡。島嶼附近易發育水下沖刷槽，水下沖刷槽多與不規則基岩相伴生。槽溝可以說是較大型的沖刷槽，槽溝可以形成航道，但對海上工程則具有明顯的制約作用。
5.7 水下淺灘
水下淺灘的形成是在近岸泥沙供應較為豐富，水動力條件較弱的環境下形成的，是一種水下堆積物。當水動力條件改變時，特別是在風暴潮的作用下，淺灘的形態和分布都會發生變化，並產生移動。淺灘的遷移、活動和改造，不但直接影響錨泊，而且對其上的海洋工程設施會造成極大的危害，並對其移動前方的工程空間，亦有掩埋、沖擊、拖曳等嚴重威脅。橋區內存在許多淺灘，與周圍地形高差1～3m。
6 討論
粵港澳跨海大橋海域具有獨特的自然條件以及復雜的海洋工程地質特徵。海底地形地貌呈三灘兩槽分布，地貌類型主要包括：槽溝、沙波、窪地和淺灘等；表層沉積土類型有流泥、淤泥、淤泥質土、淤泥混砂或砂混淤泥四類；海底以下為淤泥、粘土、淤泥質土、砂層和基岩；存在淺層氣、活動性斷層、沙波、地震活動、不規則淺埋基岩、埋藏古河道、沖刷槽溝和水下淺灘等潛在災害地質因素，這些地質災害是潛在的威脅；當然，這些潛在的地質災害並非一觸即發，在有斷層活動、地震或較大的災害性天氣影響下可能誘發。
橋址區厚層狀、流塑、高壓縮性淤泥質軟土層，具有低強度、高壓縮性、靈敏度較高特性，在震動作用下則可能會產生觸變現象，其工程性質極差，不利於工程築構；粉砂、細砂層存在地震液化問題；岩石殘積土、全-強風化岩遇水具崩解性。
基岩風化深槽的巨大差異，新鮮基岩的岩面埋深變化，不利於工程構築基礎的選型，不利於持力層的選擇，尤其對荷載較大的跨海大橋，從其持久耐用、安全牢靠，不得不到較深部基岩中去選擇持力層時，增加了基礎工程的難度。
伶仃洋面臨南海，是台風和熱帶風暴登陸點之一，台風和熱帶風暴也是區內最嚴重自然災害之一。特別是，極端的風荷載不利於高層建築或長距離、大跨度懸空構築。
對付地質災害主要以預防為主，首先查明各種地質災害的成因、分布和發育規律，並對一些具有較大潛在危險的地質災害進行必要的監測、預報以便防避，或制訂抑制災害形成和發育的有效措施，對於漸發性的地質災害則要加強災害成生規律的研究。
1）各種地質災害因素，如大型活動斷層等。由於無法控制這些地質災害因素，工程必須謹慎而行。
2）對於較小的、不具活動能力的限制性地質條件，可以採取措施予以清除，如用爆破的方式清除底部出露或淺埋基岩。
3）對一些規模小、處於能量積累過程中的地質災害因素，可以採取人工方法，誘使其提前發生，減小能量，增強穩定性。
4）對一些小規模的地質災害因素，在施工期較短的情況下可採用加固的方法，使工程順利進行。
參考文獻
陳少平，孫家振，沈傳波，等.2004.杭州灣地區淺層氣成藏條件分析.海洋地質與第四紀地質，24（2）：85～88
馮志強，馮文科，薛萬俊，等.1996.南海北部地質災害及海底工程地質條件評價.南京：河海大學出版社，5～123
葉銀燦，陳俊仁，潘國富，等.2003.海底淺層氣的成因、賦存特徵及其對工程的危害.東海海洋，21（1）：27～36
Engineering Geological Features of The Bridge of Guangdong And Hong Kong And Macao
Ma Shengzhong1，2Chen Yanbiao1Chen Taihao1
（1.Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760；2.China University of Geosciences，Beijing，100083，China）
Abstract：Based on geophysical prospectings，acoustic survey，core sampling and geotechnical test，the offshore of Hong Kong is found to has special natural conditions but complex topographical and geomorphological sea floor features.There are many geological hazard factors such as seismic，landslide collapses，buried river channels，faults，sand wave，shallow gas and possible liquefaction of sand，which will bring potential dangers to this area.Especially at the edge of the continental shelf and slope of the study area，the deep slope may cause potential geological hazard.Attention should be paid to dangerous factors.
Key Words：engineering geology geological hazard factors the bridge of Guangdong and Hong Kong and Macao
2. 什麼是蠕變，什麼是應力松馳二者有何異同
蠕變：應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加。
應力鬆弛：應力不變的條件下，應變隨時間延長而減少。
蠕變：固體材料在保持應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加的現象。它與塑性變形不同，塑性變形通常在應力超過彈性極限之後才出現，而蠕變只要應力的作用時間相當長，它在應力小於彈性極限施加的力時也能出現。許多材料（如金屬、塑料、岩石和冰）在一定條件下都表現出蠕變的性質。由於蠕變，材料在某瞬時的應力狀態，一般不僅與該瞬時的變形有關，而且與該瞬時以前的變形過程有關。許多工程問題都涉及蠕變。在維持恆定變形的材料中，應力會隨時間的增長而減小，這種現象為應力鬆弛，它可理解為一種廣義的蠕變。
應力鬆弛：在維持恆定變形的材料中，應力會隨時間的增長而減小，這種現象為應力鬆弛，它可理解為一種廣義的蠕變。
測定應力鬆弛曲線是測定鬆弛模量的實驗基礎。高溫下的緊固零件，其內部的彈性預緊應力隨時間衰減，會造成密封泄漏或松脫事故。鬆弛過程也會引起超靜定結構（見結構力學）中內力隨時間重新分布。用振動法消除殘余應力就是設法加速鬆弛過程，以便消除材料微結構變形不協調引起的內應力。使流動的粘彈性流體速度梯度減小或突然降為零，流體中的應力逐漸降低或消失的過程也稱為應力鬆弛。
應力鬆弛現象：打包帶變松、橡皮筋變松
3. 常見的不良地基土有哪些其工程地質問題是什麼
變形控制原則比按強度控制原則更為重要。
軟土地基主要受力層中的傾斜基岩或其他傾斜堅硬地層，是軟土地基的一大隱患。其可能導致不均勻沉降，以及蠕變滑移而產生剪切破壞，因此對這類地基不但要考慮變形，而且耍考慮穩定性。若主要受力層中存在砂層，砂層將起排水通道作用，有利於地基承載力的提高。
水文地質條件對軟土地基影響較大，如抽降地下水形成降水漏斗將導致附近建築物產生沉降或不均勻沉降；基坑迅速抽水會使基坑周圍水力坡度增大而產生較大的附加應力，致使坑壁坍塌；承壓水頭改變將引起地面的明顯沉降等。這些在岩土工程評價中應引起重視。此外，沼氣逸出對地基穩定和變形也有影響，通常應查明沼氣帶的埋藏深度、含氣量和壓力的大小，以此評價對地基的影響程度。建築施工的加荷速率的適當控制，或改善土的排水固結條件可提高軟土地基的承載力及穩定性。即隨著荷載的施加地基土強度逐漸增大，承載力得以提高；反之，若荷載過大，加荷速率過快，將出現局部塑性變形，甚至產生整體剪切破壞。
8.3.3軟土地基工程應注童事項
在軟土地區修建橋梁或其他建築物，首先應對地質、水文狀況進行詳盡的勘察，查明欲建場地軟土的地質及工程特性，掌握全面的、翔實的第一手資料，這是正確設置橋跨或其他結構物，選擇適當結構類型的首要條件，也是設計和施工能緊密結合實際情況，採取有針對性工程措施的關鍵環節。
軟土地基的強度、變形和穩定是工程中必須全面充分注意的問題，是造成橋梁或其他建築物產生過大或差異沉降、位移、傾斜、開裂和失穩等嚴重損壞事故的主要原因。國內外從實踐中對軟土地基上的基礎工程設計技術、施工方法、地基加固等方面已積累了不少成功經驗和科研成果，只要對這些成果借鑒和使用得當，則軟土地基上的橋梁或其他建築物的安全是能得到保證的。以下著重介紹有關軟土地區橋梁基礎工程應注意的事項，其他建築物也可參考。
1．合理布設橋涵
在軟土地區，橋梁位置既要與線路走向協調，又要特別注意橋梁建築物對工程地質的要求，如果地基土層深，厚軟黏土，特別是流動性的淤泥、泥炭和高靈敏度的軟土，不僅設計技術條件復雜，而且將給施工、養護、運營帶來許多困難，應力求避免。另選擇軟土較薄、均勻、靈敏度較低的地段應更為有利。對於小橋涵，可優先考慮地表硬殼層較厚，下卧層為一般均勻軟土處，以爭取採用明挖剛性擴大基礎，降低造價，方便施工。
在確定橋梁總長、橋台位置時，除應考慮泄洪、通航要求外，究竟應將橋台覆於何處，不能拘泥於在一般地質狀況下的習慣做法，應考慮合理的利用地形，地質條件，適當的延長橋長，使橋台置於地基土質較好或軟土較薄處，用橋梁代替高路堤，減少橋台和填土高度，會有利於橋台、路堤的穩定，在造價、佔地、運營條件和養護費用等通盤考慮後，往往在技術上、經濟上都是合理的。
軟土地基上橋梁宜採用輕型結構，盡量減輕上部結構及墩台自重。由於地基易產生較大不均勻不變，一般以採用靜定結構或整體性較好的結構為宜，如橋跨結構可採用鋼筋混凝土箱形梁，橋台採用十字形、U形橋台，橋墩採用空心薄殼結構等。橋洞宜用鋼筋混凝土管涵、整體基礎鋼筋混凝土蓋板涵、箱涵以保障橋身剛度和整體性。
設計時所用到的軟土的有關物理力學性質參數，應盡可能通過現場原位試驗取得。並應注意，我國沿海、內陸等地的軟土由於沉積年代，環境的差異，成因的不同，他們的成層條件，粒度組成，礦物成分有所不同。有時其物理力學性質指標雖相近，但工程性質並不相近，故不應相互借用。
2．軟土地基橋梁基礎設計應注意事項
為保證地基穩定並控制沉降在容許范圍內，作為設計者應從減輕荷載和提高地基承載力兩方面著手。對於上部結構設計來說，控制建築物的長高比，採用輕型材料，充分利用硬殼土層作持力層，加強基礎的剛度和強度等都是有利地基穩定，減少沉降和不均勻沉降的有益措施。對於基礎設計來說，首先要確定天然地基的承載能力和由於施加荷栽可能產生的最大沉降量、沉降差，並據以確定地基是否需要加固。如軟土地基上的路堤就有「填築臨界高度」的規定，即指天然地基上用快速施工方法修築一般斷面路堤所能填築的最大高度。並非凡是軟土地基，就一定加固處理。
軟土地區的橋梁基礎，常用的是剛性擴大基礎和樁基礎，也有用沉井基礎的，在軟土地基上設置上述類型基礎時，應注意以下幾個問題：
(1)剛性擴大淺基礎。在較穩定、均勻、有一定強度的軟土上修建結構簡單、對地基沉降要求不嚴的短跨徑橋梁，常爭取採用天然地基(或配合砂礫墊層)上的剛性擴大淺基礎。但常產生諸如：因軟土的局部塑性變形而使墩台發生不均勻沉降，由於台後填土的影響使橋台前後端沉降不均而發生後仰，有時還同時使橋台向前滑移等工程事故，因此，在設計時應注意對基礎受力不同的邊緣(如橋台的前趾、後踵)沉降的檢算及其抗傾覆、滑動檢算。
防治措施：可採用人工地基，如有針對性的布設砂礫墊層，對地基進行載入預壓以減少地基的沉降和調整沉降差，或
4. 斜坡變形破壞的地質力學模式
根據對野外斜坡變形破壞的研究表明，不同的斜坡結構，其變形組合形式和過程各不相同，變形破裂的機制也差異較大。斜坡的坡形破壞與坡體結構特徵相聯系，構成了多種具有代表意義的斜坡變形破壞模式，並且各種破壞模式有它各自特有的斜坡變形破壞的演變過程和特點。各國的工程地質工作者通過對斜坡結構及其變形破壞過程和機制的研究，建立了多種斜坡變形破壞的地質模式，以指導科學研究和生產實踐。我國的張倬元教授等所建立的斜坡變形破壞的地質力學模式，在國內具有一定的代表性。
7.3.1 蠕滑-拉裂（creep-sliding and fracturing）
該類型的滑坡多發生在中等坡度（40°以下）的土質斜坡或全、強風化岩質斜坡中。斜坡岩體在重力作用下發生向臨空方向的剪切蠕變，變形體後緣發育自地表向深部發展的拉裂。坡體內不存在控制性滑面，滑面的具體位置主要受最大剪應力面分布控制，該面以上實際為一自地表向下遞減的剪切蠕變帶。對緻密粘土邊坡的研究表明，在未破壞之前，這種剪應變值可達2.5cm/m，即如果剪切蠕變帶厚度為 Dm，則坡面位移量（ΔZ）可達其深度的0.25倍（圖7.7）。隨著蠕滑的進展，坡面下沉，拉裂面向深部擴展，往往達到潛在剪切面，造成剪切面上剪應力集中。地表水沿拉裂面滲入坡體，從而又促進蠕滑的發展，削弱剪切面的抗剪強度，最後岩土被剪斷而導致滑坡。對均質土坡而言，其滑面形態多呈圓弧形。
圖7.7 均質土坡中的蠕滑-拉裂
岩質斜坡中這類變形主要發生在反坡向的薄層狀斜坡中，通過坡體中岩層彎曲，結構面錯動，錯動帶根部岩層折斷來形成滑面。故層狀，尤其是薄層狀岩體，當岩層傾向坡內時，有利於這種變形的形成和發展，並能清楚地表徵這種變形的演變過程（圖7.8）。
圖7.8 傾向坡內的薄層岩體蠕滑-拉裂發展階段圖
7.3.2 滑移-壓致拉裂（sliding and compression cracking）
這類變形主要發育在中等坡度、平緩層狀岩體構成的斜坡中，軟弱結構面傾向坡外。斜坡體因卸荷沿結構面向臨空方向產生緩慢的蠕變性滑移時，在滑移面的鎖固點或錯列點附近因拉應力集中而生成與滑移面近於垂直的張開裂隙，張裂隙向上（個別情況向下）擴展，其方向則漸轉向與坡體內與最大主應力方向趨於一致（圖7.9）。這類變形與蠕滑-拉裂型滑坡的最大區別就在於：滑移和拉裂變形是由坡體內軟弱面處自下而上發展起來的。
圖7.9 自下而上發展的階梯狀滑移-壓致拉裂面
滑移面附近拉裂面的擴展，使這一帶常常成為地下水的活躍帶，它是促進這類變形發展的主要因素。
7.3.3 滑移-拉裂（sliding and fracturing）
這種斜坡的破壞形式主要發生在中等坡度的層狀斜坡或有兩組結構面切割的塊狀斜坡中。當層狀結構斜坡坡體中存在控制性軟弱面且軟弱面傾角大致與坡面平行或塊狀結構斜坡的復合軟弱面的交線傾向坡外，且傾角不小於軟弱面的實際殘余摩擦角φr時，斜坡將以滑移-拉裂為其變形的主要形式。其滑移主要沿已有軟弱面產生，如圖7.10所示。
圖7.10 受已有軟弱面控制的蠕滑-拉裂變形
受已有軟弱面控制的這類變形，其進程取決於作為滑移面的已有軟弱面的產狀與特性。當滑移面向臨空方向傾角足以使上覆坡體的下滑力超過該面的實際抗剪阻力時，則在成坡過程中該面一經被揭露臨空後，後緣拉裂面一出現即迅速滑落，蠕變過程極為短暫。一般情況下，當滑移控制面傾角大於20°時，可出現這種情況。當滑移面傾角近似等於其殘余內摩擦角，且其抗剪強度已近於殘余值時，變形可向滑動逐漸過渡，發展為使坡體逐漸解體的緩滑，坡體被解體為「迷宮式」的塊體滑坡。總之，這類變形均以滑坡告終。
圖7.11 受雙滑面控制的四面體滑坡
塊狀斜坡中若有兩組結構面相向切割岩體，構成岩體的分離體呈四面體或楔形體，其滑動破壞受結構面交線的控制。當結構面交線的傾角大於岩體的殘余內摩擦角時，易於滑動（圖7.11）。
7.3.4 彎曲-拉裂（bending and fracturing）
這類變形主要發育在由直立或陡傾坡內的層狀岩體的陡坡中，且結構面走向與坡面走向夾角應小於30°。變形多半發生在斜坡前緣部分。陡傾的板狀岩體，在自重產生的彎矩的作用下，由前緣開始向臨空方向作懸臂梁彎曲，並逐漸向坡內發展，這種變形方式通常被稱為傾倒（toppling）。彎曲的板梁之間或被拉裂、或互相錯動，形成平行於走向的槽溝或反坡台階。前傾的板梁彎曲最強烈的部位也往往被折裂（圖7.12）。滲入裂縫中水的空隙水壓力作用、水的楔入作用、高寒地區滲水反復凍融產生的膨脹力作用以及震動等，是促進這類變形發展的主要因素。
圖7.12 彎曲-拉裂（厚層板梁）變形階段圖示
由於隨板梁彎曲發展，作用於板梁的力矩也隨之而增大，所以這類變形一旦發生，通常均顯示累進性破壞特性。
薄而軟的「板梁」，由於變形的角度可以很大，在最大彎折帶通常形成傾向坡外的斷斷續續的拉裂面，或使原來垂直層面的近於水平的裂隙轉為向坡外傾斜。在這種情況下繼續的變形將主要受傾向坡外的裂隙面所控制，實質已轉化為蠕滑-拉裂，最終發展為滑坡。
7.3.5 塑流-拉裂（bending flowing and fracturing）
這類變形是下伏軟岩在上覆岩層壓力下產生塑性流動並向臨空方向擠出，導致上覆較堅硬的岩層拉裂、解體和不均勻沉陷。多見於以軟弱層（帶）為基座的軟基座型斜坡中。風化作用以及地下水對軟弱基座的軟化或溶蝕、潛蝕作用，是促進這類變形的主要因素。
圖7.13 塑流-拉裂發展為滑坡的過程示意圖
在軟弱基座產狀近於水平的坡體中，通常可見圖7.12所示變形跡象，上覆硬岩的拉裂起始於軟弱層的接觸面。這是由於軟岩的水平岩層的變形遠遠超過硬岩所致。坡體前緣可出現局部墜落、並發展為迷宮式塊狀滑坡。當上覆岩層也具有一定塑性時，被下伏呈塑流狀的軟岩載馱的岩層，可整體向臨空方向滑移，並於其後緣某處產生拉裂造成陷落（sauckung），進一步發展為緩慢滑動的滑坡。其演變過程如圖7.13所示。
軟弱基座緩傾坡內的陡崖，這類變形表現為另一種形式。基座軟弱層由於上覆岩層的強大壓力而向臨空方向緩慢擠出，使上覆岩層產生自坡面向坡內其位移值漸減的不均勻沉陷，因而使上覆硬岩被拉裂。拉裂縫首先出露於陡崖邊緣附近，自上而下地發展。被拉裂縫分割出來的岩柱可以因基座軟岩擠出的進一步發展而崩落。隨軟岩擠出的發展，拉裂縫出現部位由坡緣向坡的後側轉移。遠離坡緣拉裂縫可以發育很深（據某些勘探資料，有的可深達200m以上）。被裂縫分割出的高大岩柱的下部岩石有可能被剪裂壓碎。一旦這種現象發生，變形則向滑蠕-拉裂轉化，最後發展為崩滑型滑坡或滑塌的可能。
7.3.6 滑移-彎曲（sliding and bending）
沿滑移面滑移的層狀岩體，由於下部受阻，在順滑移方向的壓應力作用下發生縱彎曲（「褶皺」）變形。下部受阻的原因多因滑移面未有效臨空，或滑移面下端雖已臨空，但滑移面呈「靠椅」狀，上部陡傾、下部轉為近於水平，顯著增大了滑移阻力。發育的條件是，可以沿其產生滑移的軟弱面必須傾向坡外，且其傾角明顯超過該面的殘余摩擦角（一般大於20°）。尤以薄層狀及柔性較強的碳酸鹽類層狀岩體中最為常見。
滑移面平直的滑移-彎曲變形演變全過程可用圖7.14表示。
圖7.14 雅礱江霸王山滑坡形成過程示意圖
5. 岩石力學參數分布特徵
岩石是岩體的組成物質，它的工程地質特性一般不直接決定岩體的穩定性，但它是影響岩體穩定性的重要因素之一。在完整塊狀結構的岩體與松軟岩體中，結構面對岩體變形破壞不起主導作用，岩石的特性與岩體的特性並無本質的區別。岩體的工程地質特性包括物理性質、水理性質與力學性質三大方面，但最重要的是力學性質。表徵岩石的基本力學性質有彈性、塑性、硬化、強度、剛度和韌性等等。岩石種類不同，變形程度不同，所顯現出來的力學性質也不一樣。有的性質是相對而言的，如脆性和韌性。現在一般是以破裂後殘余應變或臨近破裂前總應變數的大小來度量，如按破裂前的最大應變小於 3% 定為脆性，大於 5%為韌性，介於 3%～5%是過渡性的。因此，在進行工程地質和頂板岩體質量及穩定性評價時，要對沉積岩石的變形力學特性進行專門研究。
岩石的力學性質主要指岩石的變形與強度特性。為了研究岩石強度和變形特性及岩石發生破裂的發展過程，利用岩石力學試驗機對圓柱形岩石試件進行單軸或三軸壓縮試驗是基本手段之一。岩石的變形特徵最直觀的表達方法是通過應力 - 應變關系曲線來表示( 圖6.1) 。在剛性實驗機上獲得的岩石應力 - 應變曲線較好地再現了岩石的應變強化和應變軟化特性，對於大多數岩石，當應力超過岩石的抗壓強度時，由於內部微裂紋擴展，岩石表現為漸進破壞，強度逐漸降低 ( 應變軟化) ，同時伴隨著體積膨脹 ( 擴容) ，直至達到一個殘余強度值。因此，由峰值強度至殘余強度這一區段可以看作岩石由完整發展到破碎的過程。
理想岩石的變形過程大體上可分為 3 個階段 ( 圖6.1) : 彈性變形階段、塑性變形階段與破壞階段。彈性階段即應力與應變之間成直線關系，當外力除去後，變形即可完全恢復。塑性階段是隨應力的增大，應變急劇增大，二者之間呈凸形的曲線關系，而且除去外力之後變形也不能完全恢復。當外力增大到一定限度之後，試件將發生破壞。
圖6.1 理想岩石的應力 - 應變曲線
然而，實際的岩石具有不同的礦物成分與結構，甚至還可以具有一定的微小裂隙，其變形過程遠比理想岩石復雜。R.P.米勒對 28 種岩石進行了大量的單軸抗壓試驗之後，歸納出 6 種類型的應力 - 應變關系 ( 圖6.2) 。
第Ⅰ類: 彈性，應力 - 應變曲線具有非常接近直線的變形特點，主要為彈性變形，變形不大時突然破裂，多屬脆性岩石。屬於這一類型的有玄武岩、石英岩、輝綠岩、白雲岩和較硬的石灰岩等。
策Ⅱ類: 彈 - 塑性，應力 - 應變曲線呈簡單函數關系，卸載時顯示出較大的殘余變形。屬於這一類型的有較軟的石灰岩、粉砂岩、凝灰岩等。
圖6.2 在單軸壓縮下岩石直至破壞時典型的應力 - 應變曲線
第Ⅲ類: 塑 - 彈性，應力 - 應變曲線開始凹向上微彎，而後逐漸變成凹向下微彎，不表現屈服，而以脆性斷裂的形式破壞。屬於這一類型的有砂岩、花崗岩、平行於片理方向受力的片岩和一些輝綠岩等。
第Ⅳ類: 塑 - 彈 - 塑性，應力 - 應變曲線開始凹向上彎，中間有一段接近直線段，接著是凹向下彎，從總體上看，曲線呈陡挺的 S 型。屬於這一類型的有變質岩、大理岩和片麻岩等。
第 V 類: 彈 - 塑 - 彈性，應力 - 應變曲線呈舒緩的 S 型。屬於這一類型的有垂直於片理方向受力的片岩等。
第Ⅵ類: 彈 - 塑 - 蠕變，即岩石試件變形到一定階段之後變形隨時間而增大。應力 -應變具有一段不長的初始直線部分，隨後進入塑性變形階段，可以產生較大的塑性變形。屬於這一類型的有岩鹽、鉀礦石和其他蒸發岩類等。
這 6 種類型中，第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類曲線都是在開始階段有凹向上彎的部分，實驗證明:這是由於實驗岩石具有較大的孔隙率、微裂隙或片理組織，隨著應力作用加大，微孔隙、微裂隙被封閉或壓密，開始階段的應力 - 應變曲線正反映這一過程。
岩石的變形特性可以用一系列變形參數來表達。對於拉伸或壓縮變形來說，最主要的變形參數有變形模量 ( E) 和泊松比 ( μ) 。
兗州煤田山西組主采 3 煤層及其頂板岩層均形成於淺水三角洲沉積，沉積岩性由陸源碎屑岩的砂岩、粉砂岩、粉砂質泥岩、泥質岩及粘土岩和煤層組成。由於頂板岩性及其組合的差異，頂板穩定性不同，生產實踐表明，一般砂岩頂板穩定性高，初次垮落步距大，而泥岩頂板穩定性差，初次垮落步距較小。
表6.1 3 層煤物理力學性質
表6.2 不同岩性的直接頂、老頂、底板物理力學性質
從力學角度出發，沉積岩性對頂板穩定性的影響主要取決於岩石的力學強度。試驗表明 ( 表6.1，表6.2) ，任何一種岩石力學性質的變化范圍都很大，並與其他岩石有較大范圍的交叉，如兗州煤田中砂岩的單軸抗壓強度為 48.7～ 76.8MPa，粉砂岩為 34.0～57.0MPa，泥岩為 29.5～ 40.1MPa，煤層為 11～ 18MPa，其他參數也具有類似的特點，反映出相同類型的岩石，其力學性質差異較大，也說明影響沉積岩石力學性質的因素之多，如沉積岩石的成分、結構、膠結成分、膠結類型和支撐類型都影響著岩石力學性質。盡管同一岩性的岩石力學性質變化較大，但仍可以看出，單軸抗壓強度和抗拉強度以及岩石質量指標以砂岩類最大，粉砂岩次之，泥岩較小，煤層最小。因此岩性類型對岩石強度和岩石質量均有重要的影響。
6. 井采條件下邊坡蠕變失穩理論分析
關於邊坡穩定性分析已有了相當廣泛的研究，但用來預測井工開采後的高邊坡蠕變運動的資料卻很少。井采條件下邊坡岩體的蠕變是邊坡變形的一個非常重要的因素，邊坡的蠕變可以理解為一個沒有明顯滑移面的長期地質運動，這種蠕變是岩體的各種微小運動過程的結果。雖然每年只發生幾毫米的位移，但是在較長的時間內這種位移累加在一起，則表現為可以量測出來的邊坡運動。如果運動超出了臨界加速度值，蠕變就轉化為滑移和流動。程度不同的邊坡運動總會導致煤岩結構工程的損壞。
對於礦山邊坡來說，在其邊坡體內與邊坡尺寸數量級相當的軟弱結構面總是存在的，如斷層、軟質泥岩層、含水砂岩層等，這些結構面的展布及其組合特徵決定了其工程地質性質和力學性狀，同時也構成了邊坡工程地質問題的重要控制因素。因其力學指標很差，特別是在構造及地下水作用下易軟化，泥化，強度降低，往往成為邊坡滑坡的滑動面。統計資料顯示，絕大多數岩質邊坡的滑坡均與其內部軟弱結構面有關，因此這類邊坡具有很強的代表性。鑒於此，就井工開采對含軟弱夾層層狀岩質邊坡的穩定性進行分析研究，希望能有助於增進對其失穩機理的認識，提高該類邊坡的穩定性計算分析方法的可行性與可靠度，對該類邊坡的治理能起到一定的幫助。
5.1.3.1 層狀邊坡的特點及主要破壞形式
層狀岩體又稱板裂岩體，是指分布有一組占絕對優勢結構面(如層面、片理面等)的岩體。其優勢結構面大多屬於物質分異面，平行優勢結構面方向的岩體組成基本相同，而垂直優勢結構面方向的岩體組成則呈現頻繁的軟硬交替。由於這種優勢結構面多屬原生結構面，所以，褶皺作用強烈。因褶皺作用而產生的層間剪切錯動，則使已有優勢結構面的物理力學性質進一步弱化，甚至成為對岩體穩定起控製作用的泥化夾層。由於優勢結構面大多屬物質分異面，所以層狀岩體中構造結構面的發育情況在很大程度上受控於優勢結構面的發育與分布。
一般而言，煤岩體的工程地質特徵可概括為4點:
(1)岩體是復雜的地質體，它經歷了漫長的煤岩建造和構造改造作用，而且隨著地質環境的變化、其物理力學等工程性質也將發生變化，甚至惡化。岩體不僅可由多種煤岩組成，而且其間還包含有層面、裂隙、斷層、軟弱夾層等物質分異面和不連續面，並賦存分布復雜的地下水、地溫等;
(2)岩體的強度主要取決於岩體中層面、軟弱夾層、斷層和裂隙等結構面的數量、性質和強度，結構面導致了岩體的不連續性、不均勻性和各向異性;
(3)岩體的變形主要是由結構面的閉合、壓縮、張裂和剪切位移引起，岩體的破壞形式主要取決於結構面的組合形式，即岩體結構;
(4)岩體中存在復雜的天然應力場。
層狀岩體除具有上述4點岩體的共性外，其間分布的層面或片理面等為一組優勢結構面，而且層狀岩體通常呈現軟、硬互層狀的岩性組合特徵，岩體中的裂隙發育程度在很大程度上受控於層面和軟岩層，且與層面呈大角度相交，從而使層狀岩體具有獨特的「層狀砌體式」結構特徵。影響層狀邊坡穩定性的因素眾多，如優勢結構面的間距與傾角、邊坡角、軟弱夾層的力學性能、邊坡所組成岩體的力學性能等。
5.1.3.2 井采對含軟弱夾層的層狀邊坡影響流變學分析
如上所述，井工開采對邊坡的影響是一個復雜且多因素的動態的過程，但為了簡化又不致失真，採用岩土工程中廣泛使用的擬靜力法，把井工開采對邊坡的影響與層狀邊坡的自重統一簡化為P2，簡化模型見圖5-5。
圖5-5 井工開采對含軟弱夾層邊坡影響的板梁模型
圖5-6 σ＜σf時模型
Ⅰ應力未達到極限應力狀態時σ＜σf，流變模型實際上是由Kelvin模型加上一個彈簧構成，如圖5-6所示。
由對應性原理歐拉公式可得:
煤礦露天井工聯合開采理論與實踐
經拉普拉斯變換，歐拉公式可變形為時效性，n為擬靜力系數;
煤礦露天井工聯合開采理論與實踐
Ⅱ達到峰值強度後，即當σ≥σf時，歐拉公式可變形為:
煤礦露天井工聯合開采理論與實踐
式中的符號同前式(5-23)。
總之，邊坡中的軟弱夾層是控制邊坡變形、破壞機制的重要邊界條件，根據流變學老化理論，依據逐級載入的蠕變試驗數據，弱層的流變方程庫侖准則如下:
煤礦露天井工聯合開采理論與實踐
式中:P2為作用於弱層上的剪應力;A0為瞬時剪切模量，σ為P2曲線在縱坐標的截矩;t為剪切歷時;γ為剪切應變;σm為法向應力;H為抗拉強度，σ為P2曲線在橫坐標的截矩;m為應變強化因子;δ，a為試驗常數;c為黏聚力;φ為內摩擦角。
通過對安家嶺露天礦邊坡某一弱層試驗數據分析整理，得到方程的參數如下:A0=9.66MPa，H=25kPa，m=0.385，δ=0.417，a=0.184。同時試驗證明，當剪應力P2(0)＜P2＜P2(∞)時，P2(0)為瞬時抗剪強度，P2(∞)為極限長期強度，岩土的蠕變過程，只經歷初始蠕變、衰減蠕變兩個階段，並隨著時間的延長變形將穩定在一個定值。當P2≥P2(∞)時，將經歷初始蠕變、穩態蠕變、加速蠕變階段，直到導致邊坡破壞。隨著P2(∞)的增大，勻速蠕變階段越短，加速段來臨越快。
7. 常見的不良地基土有哪些其工程地質問題是什
軟土地基主要受力層中的傾斜基岩或其他傾斜堅硬地層，是軟土地基的一大隱患。其可能導致不均勻沉降，以及蠕變滑移而產生剪切破壞，因此對這類地基不但要考慮變形，而且耍考慮穩定性。若主要受力層中存在砂層，砂層將起排水通道作用，有利於地基承載力的提高。
水文地質條件對軟土地基影響較大，如抽降地下水形成降水漏斗將導致附近建築物產生沉降或不均勻沉降；基坑迅速抽水會使基坑周圍水力坡度增大而產生較大的附加應力，致使坑壁坍塌；承壓水頭改變將引起地面的明顯沉降等。這些在岩土工程評價中應引起重視。此外，沼氣逸出對地基穩定和變形也有影響，通常應查明沼氣帶的埋藏深度、含氣量和壓力的大小，以此評價對地基的影響程度。建築施工的加荷速率的適當控制，或改善土的排水固結條件可提高軟土地基的承載力及穩定性。即隨著荷載的施加地基土強度逐漸增大，承載力得以提高；反之，若荷載過大，加荷速率過快，將出現局部塑性變形，甚至產生整體剪切破壞。
8.3.3軟土地基工程應注童事項
在軟土地區修建橋梁或其他建築物，首先應對地質、水文狀況進行詳盡的勘察，查明欲建場地軟土的地質及工程特性，掌握全面的、翔實的第一手資料，這是正確設置橋跨或其他結構物，選擇適當結構類型的首要條件，也是設計和施工能緊密結合實際情況，採取有針對性工程措施的關鍵環節。
軟土地基的強度、變形和穩定是工程中必須全面充分注意的問題，是造成橋梁或其他建築物產生過大或差異沉降、位移、傾斜、開裂和失穩等嚴重損壞事故的主要原因。國內外從實踐中對軟土地基上的基礎工程設計技術、施工方法、地基加固等方面已積累了不少成功經驗和科研成果，只要對這些成果借鑒和使用得當，則軟土地基上的橋梁或其他建築物的安全是能得到保證的。以下著重介紹有關軟土地區橋梁基礎工程應注意的事項，其他建築物也可參考。
1．合理布設橋涵
在軟土地區，橋梁位置既要與線路走向協調，又要特別注意橋梁建築物對工程地質的要求，如果地基土層深，厚軟黏土，特別是流動性的淤泥、泥炭和高靈敏度的軟土，不僅設計技術條件復雜，而且將給施工、養護、運營帶來許多困難，應力求避免。另選擇軟土較薄、均勻、靈敏度較低的地段應更為有利。對於小橋涵，可優先考慮地表硬殼層較厚，下卧層為一般均勻軟土處，以爭取採用明挖剛性擴大基礎，降低造價，方便施工。
在確定橋梁總長、橋台位置時，除應考慮泄洪、通航要求外，究竟應將橋台覆於何處，不能拘泥於在一般地質狀況下的習慣做法，應考慮合理的利用地形，地質條件，適當的延長橋長，使橋台置於地基土質較好或軟土較薄處，用橋梁代替高路堤，減少橋台和填土高度，會有利於橋台、路堤的穩定，在造價、佔地、運營條件和養護費用等通盤考慮後，往往在技術上、經濟上都是合理的。
軟土地基上橋梁宜採用輕型結構，盡量減輕上部結構及墩台自重。由於地基易產生較大不均勻不變，一般以採用靜定結構或整體性較好的結構為宜，如橋跨結構可採用鋼筋混凝土箱形梁，橋台採用十字形、U形橋台，橋墩採用空心薄殼結構等。橋洞宜用鋼筋混凝土管涵、整體基礎鋼筋混凝土蓋板涵、箱涵以保障橋身剛度和整體性。
設計時所用到的軟土的有關物理力學性質參數，應盡可能通過現場原位試驗取得。並應注意，我國沿海、內陸等地的軟土由於沉積年代，環境的差異，成因的不同，他們的成層條件，粒度組成，礦物成分有所不同。有時其物理力學性質指標雖相近，但工程性質並不相近，故不應相互借用。
2．軟土地基橋梁基礎設計應注意事項
為保證地基穩定並控制沉降在容許范圍內，作為設計者應從減輕荷載和提高地基承載力兩方面著手。對於上部結構設計來說，控制建築物的長高比，採用輕型材料，充分利用硬殼土層作持力層，加強基礎的剛度和強度等都是有利地基穩定，減少沉降和不均勻沉降的有益措施。對於基礎設計來說，首先要確定天然地基的承載能力和由於施加荷栽可能產生的最大沉降量、沉降差，並據以確定地基是否需要加固。如軟土地基上的路堤就有「填築臨界高度」的規定，即指天然地基上用快速施工方法修築一般斷面路堤所能填築的最大高度。並非凡是軟土地基，就一定加固處理。
軟土地區的橋梁基礎，常用的是剛性擴大基礎和樁基礎，也有用沉井基礎的，在軟土地基上設置上述類型基礎時，應注意以下幾個問題：
(1)剛性擴大淺基礎。在較穩定、均勻、有一定強度的軟土上修建結構簡單、對地基沉降要求不嚴的短跨徑橋梁，常爭取採用天然地基(或配合砂礫墊層)上的剛性擴大淺基礎。但常產生諸如：因軟土的局部塑性變形而使墩台發生不均勻沉降，由於台後填土的影響使橋台前後端沉降不均而發生後仰，有時還同時使橋台向前滑移等工程事故，因此，在設計時應注意對基礎受力不同的邊緣(如橋台的前趾、後踵)沉降的檢算及其抗傾覆、滑動檢算。
8. 土力學中觸變與蠕變的概念
土力學 [編輯本段]土力學soil mechanics
研究土體在力的作用下的應力-應變或應力－應變-時間關系和強度的應用學科。工程力學的一個分支。為工程地質學研究土體中可能發生的地質作用提供定量研究的理論基礎和方法。 主要用於土木、交通、水利等工程。
發展簡史
18世紀中期以前﹐人類的建築工程實踐主要是根據建築者的經驗進行的。18世紀中葉至20世紀初期﹐工程建築事業迅猛發展﹐許多學者相繼總結前人和自己實踐經驗﹐發表了迄今仍然行之有效的﹑多方面的重要研究成果。例如法國的 C.-A.de庫侖發表了土壓力滑動楔體理論(1773)和土的抗剪強度准則(1776)﹔法國的H.P.G.達西在研究水在砂土中滲透的基礎上提出了著名線性滲透定律(1856)﹔英國的W.J.M.蘭金分析半無限空間土體在自重作用下達到極限平衡狀態時的應力條件﹐提出了另一著名的土壓力理論﹐與庫侖理論一起構成了古典土壓力理論﹔法國的J.V.博西內斯克(1885)提出的半無限彈性體中應力分布的計算公式﹐成為地基土體中應力分布的重要計算方法﹔德國的O.莫爾(1900)提出了至今仍廣泛應用的土的強度理論﹔19世紀末至20世紀初期瑞典的A.M.阿特貝里提出了黏性土的塑性界限和按塑性指數的分類﹐至今仍在實踐中廣泛應用。1925年奧地利的K.太沙基(又譯特扎吉)出版了世界上第一部《土力學》﹐是土力學作為一個完整﹑獨立學科已經形成的重要標志﹐在此專著中﹐他提出了著名的有效壓力理論。此後﹐在土的基本性質和動力特性﹑固結理論和強度理論的研究﹐流變理論的應用﹐土體穩定性分析方法以及試驗技術和設備等方面都有很大的發展﹐使土力學得到進一步的完善和提高。
9. 工程地質力學的建立與進展
60年代中國學者在大量工程地質實踐的基礎上，認識到構造的重要性，從而提出了「岩體結構」的觀點。同時，法國的岩體力學學家Muller L等也認識到岩體結構的重要性。70年代谷德振等提出「岩體工程地質力學」的新概念。它以地質歷史的發展過程——建造與構造，並運用地質力學觀點，研究了岩體的工程地質特性及力學的成因問題。它包括了岩體結構的解析和表徵，岩體結構的力學特性和效應，工程岩體變形破壞機制的分析，工程岩體穩定性的預測和評價等一系列問題。現已初步建立了工程地質力學的理論體系與研究方法。俄羅斯學者最近認為應考慮土體結構。這樣工程地質力學就應將岩體和土體的工程地質力學都包括在內。
80年代岩體工程地質力學進一步發展，提出了岩體結構力學新概念。它主要研究地質模型的力學效應，即把地質模型轉化為力學模型，在此基礎上進一步將力學模型與岩體變形破壞機制有關要素，轉為定量的數學語言表達，進行岩體穩定性的力學分析，作為工程設計的依據。
對於土和土體的工程地質研究，最初是把土作為連續介質，但由於土的特殊物質組成和結構連接，其應力-應變關系為非線性隨時間變化的流變狀態，因此不僅從宏觀力學上用模型方法，而其從土的微觀結構，通過各種結構類型加以量化，建立土的微觀力學模型，這在國內外都取得了相當大的進展。
中國對軟土、黃土等特殊性土以及軟岩、泥化夾層的流變特性和模型研究，解決不少實際工程中土體變形、地基穩定分析等問題。土的微觀結構研究由於測試技術的發展，在80年代進展較快。取得的重要成果有：制樣技術上由風干法發展為凍干法，探討了土的結構對其蠕變及強度的影響，對粘性土及一些特殊性土的微觀結構和工程地質性質關系，以及對微結構的計算機圖像處理技術等。近年來工程地質學家認為土體結構既然對其工程性質有重要制約作用，就應把建立土的結構性本構（計算）模型作為核心問題，提出發展「土體微結構力學」作為土體工程地質研究的新領域。
工程地質力學的發展要求地質研究與工程高度結合，發展工程結構和地質結構的依存關系和相互作用理論。近年來王思敬等採用系統科學原理，提出了工程地質力學綜合集成理論和方法（The Engineering Geomechanics Meta-Synthesis，簡稱EGMS），以期使工程地質力學的定量評價和預測提高到新的水平。