工程地质蠕变
1. 粤港澳跨海大桥海域工程地质特征
马胜中1，2陈炎标1陈太浩1
（1.广州海洋地质调查局 广州 510760；2.中国地质大学（北京）北京 100083）
第一作者简介：马胜中，男，1968年生，高级工程师，在职工程硕士，主要从事地震资料解释、环境工程地质、海洋地质及综合研究工作。
摘要 根据地球物理探测、海底取样、钻探及现场测试等实测资料详细分析，发现粤港澳跨海大桥海域具有独特的自然条件以及复杂的海洋工程地质特征。海底地形地貌较为复杂，存在含浅层气区、活动性断层、沙波、地震活动、不规则基岩、埋藏古河道、冲刷槽沟和水下浅滩等潜在灾害地质因素，尤其粤港澳跨海大桥是特大型建筑，它经过的海域分布着多种潜在的地质灾害，应引起重视。
关键词 工程地质 灾害地质因素 粤港澳跨海大桥
1 前言
粤港澳跨海大桥是连接广东深圳、珠海和香港、澳门的特大型桥梁，桥址海域处于珠江口伶仃洋，伶仃洋是北江、西江、东江三大水系汇集的入海口，呈向南展开的巨型喇叭状，是一条通达五洲四海的黄金水道。
从20世纪90年代以来，珠江东、西两岸的经济发展呈现很不平衡的态势。因此，加强珠江两岸的经济联系，已经是刻不容缓，势在必行。同时，横跨两岸唯一的大桥——虎门大桥，预测5～8年后达到饱和状态。早在1992年，珠海市政府提出了粤港澳跨海大桥的工程方案。跨海大桥工程规模巨大，工程条件异常复杂，工程地质工作显得特别重要。
众所周知，为保障这些海上工程及作业安全，必须了解海底的工程地质条件，查清潜在灾害地质因素。为此，本文根据大量地球物理探测、海底取样、钻探及现场测试等实测资料，结合周边区域资料，对粤港澳跨海大桥区海域的海底地形地貌、浅地层、底质及灾害地质因素进行分析，为粤港澳大桥区选择和架桥提供基础地质资料和科学参考。
2 海底地形地貌
伶仃洋三面靠陆，南向南海，为珠江三角洲断陷盆地的泄水洼地，其为带状河口湾和潮汐通道，由于河流和海水潮汐、波浪的共同作用，湾内岸浅曲折，湾汊众多，岬角奇突，阶地、沙滩依岸，岛屿、沙坝分列，淇澳岛、内伶仃岛东西扼守，珠江口外群岛星罗。珠江口-伶仃洋既是通航要道，又是天然良港，万吨轮自由舶驶，海水终年无封冻。
伶仃洋海底地形总体上呈三滩两槽分布，从西向东依次为：西滩、伶仃水道、中滩（矾石浅滩）、矾石水道、东滩。水下地形走势受其影响，东西向地形变化较大，起伏相间。等深线大致沿水道呈NNW—NW方向分布。主航道基本在河床中央一线，由天然冲刷和人工疏浚的伶仃水道、矾石水道组成，水深一般6～10m，在香港烂角嘴以西矾石水道最深，超过22m。向东西两岸河水变浅至0.2～2.0m。在番禺新垦以东，两水道汇合，与北面的龙穴水道相接。主航道在部分河段有东向偏移的现象。
伶仃洋为喇叭形河口湾，湾内较大的地貌单元为三滩两槽，其上发育有许多小地貌类型。伶仃洋海底地貌类型主要包括：槽沟、沙波、洼地和浅滩等。主要的槽沟为三滩两槽中的两槽，西槽——伶仃水道和东槽——矾石水道，两水道上溯至蕉门口附近汇合，形成一条大槽沟，连通龙穴水道和川鼻水道，直抵虎门。槽沟内地形起伏较大，凹凸不平，大小不等的洼地居于其中，以及发育NE向的小型沙波。西槽——伶仃水道受蕉门来沙和西滩迫淤的影响，水道严重淤浅萎缩。槽沟属于自然和人工相互作用的地貌类型。河流和潮流的冲淤作用，在口门处形成水道，由于人类的需要（通航或泄洪等），在原有的槽沟上或周围，进行了挖沙清淤或围垦造地活动，既改变了槽沟的面貌，也改变了周围的水动力环境。
在伶仃洋的西岸，承泄了虎门、蕉门、洪奇门、横门等众多水道的来水和携沙，受水流分异作用和泄载冲积，水道口外多有浅滩、沙坝堆积或槽沟发育。临岸港湾则多见软泥淤填，有围垦造田，水产养殖之便，伶仃洋出口有淇澳岛和内伶仃岛。
3 浅层地球物理特征及层序
根据3.5 kHz浅层剖面和单道地震剖面，依据反射波的特征划分出三个反射层序A、B、C（图1）。
层A：为水平层，反射能量较弱，连续性好，为平行整一的披盖式反射结构。
该层厚度变化较大，为0～26.4m，总体上近岸和近岛厚度小，离岸和河道范围内厚度变大的趋势。内伶仃洋北部厚度最大，东部的大铲岛附近该层缺失。
层B：为一套中低频、中振幅、中低连续的反射层组，杂乱式充填、河谷充填型，基本平行、亚平行反射结构。层B全区广泛分布，与层A呈不整合接触，层B顶面经严重削蚀，底面为起伏的基岩，与下伏地层呈上超关系。
层B内部有些反射较为紊乱、无层次，反射能量时强时弱，地层有起伏，具有河谷充填型的陆相沉积特征，可能是一个冲刷剥蚀、沉积较活跃的异常地区，局部可见小范围的河道侵蚀特征。
层C：为一套中低频、中振幅、低连续的弱反射层组，杂乱反射结构，为基岩面。
根据层C内部的反射特征，结合钻探、陆地和附近岛屿地层的分布情况，认为层C主要为基岩风化物和基岩。深圳香港-珠海澳门海域的基岩有三种类型：一是花岗岩，主要为燕山三期（
基岩埋深变化较大，为0～-64.1m，总体上近岸边和近岛变浅，离岸和河道内变深的趋势。
图1 单道地震剖面显示的层序和断层、埋藏古河道
Fig.1 Sea-floor buried ancient-river channels and Fault
钻孔揭露层A的沉积物主要为粘土质砂和砂-粉砂-粉砂质粘土。据浅层剖面反射特征，结合区域地质资料、海底取样和钻孔资料分析，层A地质时代为全新世冰后期海侵以来逐渐堆积而成的沉积物，层A反射层序主要为全新世浅海相沉积，但局部受河流影响，有河道沉积。岩性主要为粘土质砂和粉砂质粘土，含贝壳等生物碎屑。
钻探揭示层B为一套粘土质粉砂、细砂-粗砂（含砾）、粉砂质粘土—粘土，以陆相沉积和剥蚀为主，局部为海陆交互相沉积。从其顶界R1界面起伏不平被侵蚀的特点，对比伶仃洋段大桥钻探的地层资料，据14C测年，层B取得的样品测年年龄均大于15000 a（B.P.），结合区域岩性和古生物资料，可以认为是层B沉积后期受到侵蚀所造成的，推断层B的地质时代为晚更新世，它以凹谷充填在前第四系基底的河谷低地。
4 工程地质特征
表层沉积土类型共有四类，即：流泥、淤泥、淤泥质土、淤泥混砂或砂混淤泥。
海底表层土微型贯入承载力为15.5～52.1kPa，平均值为30.6kPa。扭力十字板不排水剪切强度为2.8～11.6kPa，平均值为6.7kPa。
海底表层土凝聚力（三轴抗剪）为0.3～18.6kPa，平均值为8.8kPa。在淇澳岛至内伶仃岛、内伶仃岛至大铲岛一带变化较大，为1.6～10.0kPa。
海底表层土摩擦角（三轴抗剪）为2.31°～14.9°，平均值为4.88°。在淇澳岛至内伶仃岛、内伶仃岛至大铲岛一带变化较大，为3.7°～10.2°。
海底表层土天然含水率为27.6%～111%，平均值为76.7%。在内伶仃岛以北至大铲岛、淇澳岛以北区域变化较大，为43%～95%，总体变化趋势为由岸边至江心逐渐减小。
海底表层土天然孔隙比为0.701～2.861，平均值为2.016。在内伶仃岛以北至大铲岛区域、淇澳岛附近以北区域变化稍大，为1.0～2.2、1.6～2.5，总体变化趋势为由岸边至中心逐渐减小。
海底表层土压缩系数为0.44～3.380MPa-1，平均值为1.55MPa-1。在淇澳岛以北区域变化较大，为1.0～2.2MPa-1。
综上所述，海底表层土的凝聚力、摩擦角、天然含水率、天然孔隙比和压缩系数在淇澳岛-内伶仃岛-大铲岛一带变化较大，在其余区域变化较为平缓；天然含水率和天然孔隙比的总体变化趋势还有一个特点，即由岸边至江心逐渐减小。
自海底而下工程地质层有：
（1）覆盖层
a.全新世海相淤泥，灰-黑灰色，流塑，饱和，富含有机质，厚度6.0～25.0m。
b.粘土，褐黄、橘红、灰白等杂色，不规则花斑状构造，可塑为主，为沉积间断时期的风化产物。仅见于东、西部，厚1.5～5.6m。
c.淤泥质土，全新世海相沉积，暗灰、灰黑，流塑-软塑，全区广布，厚度平均10.0m。
d.砂层，发育于晚更新世晚期，有粉、细砂、中、粗砂和砾砂、圆砾、卵石，分选差，相互交错过渡，常呈透镜状，厚薄不等，楔状产出，具有上细下粗的层序结构。砂层多为中密-密实，上部稍密-中密，向两岸厚度在10～15m，且变薄尖灭，中间地段最大厚度在24.0～37.0m。
（2）基岩
由燕山期花岗岩、古生代花岗片麻岩、震旦纪花岗片麻岩、白垩纪含砾粗砂岩和硅化角砾岩、碎裂花岗岩组成，岩性复杂多变，明显受区内构造断层影响，岩石单轴饱和抗压强度25.0～106.0MPa。基岩面在东西两端高差起伏很大，埋深0～45.0m之下，中部埋深多在55.0～60.0m。
5 主要地质灾害因素
海底地质灾害因素是指海底及以下地层中，对于海上构筑物的建设和安全具有某种直接或潜在危险的地质因素（冯志强等，1995）。分析结果表明，区内主要地质灾害因素有浅层气、活动性断层、沙波、地震活动、不规则基岩、埋藏古河道、冲刷槽沟和水下浅滩（图2）。它们对海上构筑物均有直接或潜在危险性。
5.1 浅层气（反射模糊区）
海底浅层气主要分布于河口与陆架海区的浅沉积层中，既是一种常见的地质现象，也是一种十分危险的海洋灾害地质因素。据调查，在我国东南沿海及长江流域的冲积平原区，如江苏、浙江、安徽、上海、福建、广东、湖北、湖南等地都有浅层气分布（叶银灿等，2003；陈少平等，2004）。
图2 深圳香港—珠海澳门海域潜在地质灾害因素分布示意图
Fig.2 Distribution map of potential geological hazard factors in LingdingYang area
珠江口浅层气以生物成因为主，主要成分为甲烷、二氧化碳、硫化氢、氮气、氨气等。受上覆水层、土层、岩层压力作用，浅层气多沿断层或裂隙向上运移。浅层气以沉积物中气的形式存在时，沉积物中的气体改变了沉积层土质的力学性质，使其强度降低，结构变松，破坏了土质原始稳定性，减小了基底支撑力，在外载荷重下，含气沉积物会发生蠕变，可能导致下陷，侧向或旋转滑动，导致其上的建筑物最终失去平衡，发生倾斜压塌。层状储集的浅层气层，其含气量大，有一定的压力，一旦平台桩腿插于其上，轻则造成设备受损，重则造成钻井过程中的“井喷”事故，危害巨大。在美国墨西哥湾、英国北海、印度尼西亚爪哇海、阿拉斯加海、波斯湾、加勒比海等水域进行海洋油气资源勘探开发时，由于对浅层气调查和认识不足，都曾造成一定的灾害损失（冯志强等，1995）。
珠江口沉积物厚度较大，以富含有机质的陆源碎屑沉积物为主，尤其在泥质沉积层中以腐殖型为主的有机质丰度颇高，在生物降解作用下，有利于生物气（沼气）等生成，这类气体无需经长距离运移，就可能被陆架水下河道沙体、三角洲沙体等类型的储集层近源捕获而聚集，亦可呈游离状分散在区域层间，形成大范围的含气沉积物。
浅层剖面和单道地震记录显示，含气沉积物层间反射杂乱，连续性较好的反射波突然中断，同相轴时隐时现，或完全消失，或反射模糊，伴有空白带，呈柱状、囊状、条带状或不规则状（图3），在不同水深，都发现了这种沉积层的含气特征。这是由于地层含气量增加，使地震传播速度降低，反射波能量快速衰减造成剖面上形成声学空白带，即浅层气在剖面上表现为“反射模糊区”（冯志强等，1995）。在浅层气大量溢出的地方常引起海底地形的凹凸不平，声呐记录上多为麻坑状显示。
浅层气与古河道关系密切，古河道常出现异常地震反射，即声波被吸收或严重屏蔽，产生反射空白带、区，为含气沉积物。古河道的沉积物、充填物，以陆源碎屑为主，含有比较丰富的有机质，河流的快速搬运堆积，将其迅速掩埋，随着河流体系、岩相古地理条件的改变，有机质在一定热变质或生物作用下，可能演化成甲烷、沼气，这些气体呈分散状渗透在河道沉积物的层间，或者聚集在河流沙体中产生气囊，成为含气地层。
图3 浅层剖面显示的反射模糊区
Fig.3 Soil layer with gas
珠江口近岸共发现一处大的浅层气区和多处小范围的浅层气区，浅层气区总面积大约420km2，其中以伶仃洋西侧海域浅层气分布范围最广，浅层气区位于伶仃洋水道西侧，从东四门沿水道下行，至桂山岛南侧，但埋藏深度不甚清楚，含气地层厚度不明。总体说来浅层气分布主要沿珠江的八大门下行，在河流下切形成的入海古河道、分支河道、河漫滩等分布较广，主要贮存于第四纪沉积物中，淤泥层为盖层。
5.2 活动性断层
在海洋工程上一般将其定义为晚更新世以来仍有活动的断层。其形成原因是由于地壳活动和沉积作用引起地层的错动，造成两盘沉积物厚度不同。
断层引起的地面错动及其伴生的地面变形，往往会损害跨断层修建或建于附近的建筑物，同时断层还会导致海底产生过大的差异沉降，对海洋工程危害巨大。
区内中部发现一条第四纪以来有过活动的浅正断层（图1），位于114°45′00″～114°50′00″E，22°25′30″～22°29′00″N之间，内伶仃岛以北1.5km。呈北西向延伸，长7km，断层距海底25m以内，基岩被切割，其上第四系部分错移，断距7～25m，从西北往东南断距变大，倾角50°～80°，钻探也揭示该断层的存在。
根据钻探和区域地质构造资料，NEE向五华-深圳断裂带潜入伶仃洋后，可分为九尾岭断裂和横岗-罗湖断裂，并切穿桥址基岩。
a.九尾岭断裂：该断裂东起深圳横岗，呈NEE断续延伸，过蛇口，出赤湾，在内伶仃岛西北处斜切桥轴线，直插珠海唐家湾，其走向为NE45°～60°，断面倾向东南，倾角70°以上。
b.横岗-罗湖断裂：该断裂东起横岗，NEE延伸达罗湖，基本平行深圳湾的南岸，在香港烂角咀外斜切桥轴线，贯穿伶仃洋，过横琴岛北侧，继而西延，以及NW走向的龙头山断裂、白泥-沙湾断裂、淇澳-桂山岛断裂切过桥址。
区内是珠江三角洲断陷盆地区，多组断裂在此交会，活动断裂的交会地带是发生强烈差异运动的场所，经常伴生地震，引发次生地质灾害。
5.3 沙波
沙波是砂质海底在水动力作用下所形成的。当水动力条件改变时，特别是在风暴潮的作用下，沙波的形态和分布都会发生变化，并产生移动。当地震活动发生时，振动可能引起沙体液化。沙波的迁移、活动和改造，不但直接影响锚泊，而且对其上的工程设施会造成极大的危害。沙波的迁移对其移动前方的工程设施，亦有掩埋、冲击、拖曳等严重威胁，因此对活动沙波的移动方向和速率的研究极为重要。
在物探剖面上，海底沙波表现为海底反射呈连续锯齿起伏，强振幅，海底二次反射波较强，在浅层剖面上砂质结构的海底对其下形成反射屏蔽；通过对旁侧声呐图像分析，表现为有规律的黑白深浅相间的反射。
区内发现有多处海底沙波，沙波主要沿槽沟分布。波高一般小于1m，波峰走向以NE向为主，与水流方向近正交。它们的存在指示海底泥沙运动较强，海底稳定性差，当台风或飓风发生引起风暴潮时，沙波的形态及分布均可能发生变化和位移。
5.4 不规则浅埋基岩
不规则浅埋基岩在物探剖面上主要表现为其界面反射多为圆锥状或尖峰状强反射，而其内部反射模糊，无层次，反射形态为随机的高低起伏，部分可见绕射波。
对于工程建设，基岩是很好的承力层，但若基岩面起伏不平，高低差异较大，由于其与围岩岩性的不均一，就会产生承载力的差异。
区内不规则浅埋基岩广泛分布，不规则基岩面埋深为-14.4～-67.3m，起伏变化较大，东部大铲岛周围，西南部淇澳岛东面，内伶仃岛北面，埋深较小，变化大，局部地方，出露海底成为暗礁。
5.5 埋藏古河道
在单道地震剖面上，埋藏古河道（图1）的底界呈连续波状起伏的强反射，内部的杂乱相为辫状河道沉积。有的底界面反射波下凹，内部反射有些杂乱，为砂砾充填物；有些为弱反射，为泥质充填所形成。浅层剖面上可看到河道底界面下凹、连续强反射特征，内部充填物结构清晰，还可见到侧向加积、顶部加积、充填物的旋回性及斜层理等特征。埋藏古河道的内部沉积与其围岩岩性有较大的差异，承载力明显不均匀，对海洋工程设施有不可忽视的潜在性危害。
古河道的沉积物、充填物以粗碎屑砂砾石为主，孔隙度较大，层间水循环快，具有较强的渗透性，在地层中经长期的侵蚀、冲刷，上覆荷载下容易引起局部塌陷，破坏地层的原始结构，造成基底的不稳定。
古河道纵向切割深度不同，横向沉积相变迅速，在近距离范围以内存在完全不同的力学支撑，诸如河床沙体和河漫滩泥质沉积物，显然具有不同的抗剪强度，软的粘土沉积在不均匀压实或受重力和地震力的作用下，极易产生蠕变，引起滑坡，导致地质灾害。
古河道的沉积物、充填物，以陆源碎屑为主，含有比较丰富的有机质，河流的快速搬运堆积，将其迅速掩埋，在一定热变质或生物作用下，可能演化成甲烷、沼气，这些气体呈分散状渗透在河道沉积物的层间，或者聚集在河流沙体中产生气囊，成为含浅层气地层，形成地质灾害。
区内埋藏古河道发育，层A、层B均有古河道存在。这两层的河道有的自成体系，更多的是互相叠置长期发育，河床多次迁移，形成很大的河道沉积物体系，难于划分出具体的河道，其规模及走向无法详细描述。有的河道直接暴露于海底，往往与海底浅槽共存，说明水动力作用较强。这种河道会直接给工程带来麻烦。
5.6 槽沟
槽沟是海底表层沉积物遭受侵蚀冲刷而成的。主要分布在两侧岛屿狭束，潮流或水流较急的区域，是海洋工程应当避让或必须处理的不利条件。它在各种物探调查资料上表现为海底反射波的波形发生明显扭曲，反射界面突然断开或下陷，两侧对称，与周围地形差异较大。
珠江口内伶仃洋段冲刷槽沟的发育受控于地形，槽沟是较大型的冲刷槽，伶仃洋槽沟发育。槽沟人工开挖痕迹明显，槽沟的高度和坡度变化较大，陡峭的冲刷槽形成陡坎可能伴生滑坡。岛屿附近易发育水下冲刷槽，水下冲刷槽多与不规则基岩相伴生。槽沟可以说是较大型的冲刷槽，槽沟可以形成航道，但对海上工程则具有明显的制约作用。
5.7 水下浅滩
水下浅滩的形成是在近岸泥沙供应较为丰富，水动力条件较弱的环境下形成的，是一种水下堆积物。当水动力条件改变时，特别是在风暴潮的作用下，浅滩的形态和分布都会发生变化，并产生移动。浅滩的迁移、活动和改造，不但直接影响锚泊，而且对其上的海洋工程设施会造成极大的危害，并对其移动前方的工程空间，亦有掩埋、冲击、拖曳等严重威胁。桥区内存在许多浅滩，与周围地形高差1～3m。
6 讨论
粤港澳跨海大桥海域具有独特的自然条件以及复杂的海洋工程地质特征。海底地形地貌呈三滩两槽分布，地貌类型主要包括：槽沟、沙波、洼地和浅滩等；表层沉积土类型有流泥、淤泥、淤泥质土、淤泥混砂或砂混淤泥四类；海底以下为淤泥、粘土、淤泥质土、砂层和基岩；存在浅层气、活动性断层、沙波、地震活动、不规则浅埋基岩、埋藏古河道、冲刷槽沟和水下浅滩等潜在灾害地质因素，这些地质灾害是潜在的威胁；当然，这些潜在的地质灾害并非一触即发，在有断层活动、地震或较大的灾害性天气影响下可能诱发。
桥址区厚层状、流塑、高压缩性淤泥质软土层，具有低强度、高压缩性、灵敏度较高特性，在震动作用下则可能会产生触变现象，其工程性质极差，不利于工程筑构；粉砂、细砂层存在地震液化问题；岩石残积土、全-强风化岩遇水具崩解性。
基岩风化深槽的巨大差异，新鲜基岩的岩面埋深变化，不利于工程构筑基础的选型，不利于持力层的选择，尤其对荷载较大的跨海大桥，从其持久耐用、安全牢靠，不得不到较深部基岩中去选择持力层时，增加了基础工程的难度。
伶仃洋面临南海，是台风和热带风暴登陆点之一，台风和热带风暴也是区内最严重自然灾害之一。特别是，极端的风荷载不利于高层建筑或长距离、大跨度悬空构筑。
对付地质灾害主要以预防为主，首先查明各种地质灾害的成因、分布和发育规律，并对一些具有较大潜在危险的地质灾害进行必要的监测、预报以便防避，或制订抑制灾害形成和发育的有效措施，对于渐发性的地质灾害则要加强灾害成生规律的研究。
1）各种地质灾害因素，如大型活动断层等。由于无法控制这些地质灾害因素，工程必须谨慎而行。
2）对于较小的、不具活动能力的限制性地质条件，可以采取措施予以清除，如用爆破的方式清除底部出露或浅埋基岩。
3）对一些规模小、处于能量积累过程中的地质灾害因素，可以采取人工方法，诱使其提前发生，减小能量，增强稳定性。
4）对一些小规模的地质灾害因素，在施工期较短的情况下可采用加固的方法，使工程顺利进行。
参考文献
陈少平，孙家振，沈传波，等.2004.杭州湾地区浅层气成藏条件分析.海洋地质与第四纪地质，24（2）：85～88
冯志强，冯文科，薛万俊，等.1996.南海北部地质灾害及海底工程地质条件评价.南京：河海大学出版社，5～123
叶银灿，陈俊仁，潘国富，等.2003.海底浅层气的成因、赋存特征及其对工程的危害.东海海洋，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. 什么是蠕变，什么是应力松驰二者有何异同
蠕变：应力不变的条件下，应变随时间延长而增加。
应力松弛：应力不变的条件下，应变随时间延长而减少。
蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限施加的力时也能出现。许多材料（如金属、塑料、岩石和冰）在一定条件下都表现出蠕变的性质。由于蠕变，材料在某瞬时的应力状态，一般不仅与该瞬时的变形有关，而且与该瞬时以前的变形过程有关。许多工程问题都涉及蠕变。在维持恒定变形的材料中，应力会随时间的增长而减小，这种现象为应力松弛，它可理解为一种广义的蠕变。
应力松弛：在维持恒定变形的材料中，应力会随时间的增长而减小，这种现象为应力松弛，它可理解为一种广义的蠕变。
测定应力松弛曲线是测定松弛模量的实验基础。高温下的紧固零件，其内部的弹性预紧应力随时间衰减，会造成密封泄漏或松脱事故。松弛过程也会引起超静定结构（见结构力学）中内力随时间重新分布。用振动法消除残余应力就是设法加速松弛过程，以便消除材料微结构变形不协调引起的内应力。使流动的粘弹性流体速度梯度减小或突然降为零，流体中的应力逐渐降低或消失的过程也称为应力松弛。
应力松弛现象：打包带变松、橡皮筋变松
3. 常见的不良地基土有哪些其工程地质问题是什么
变形控制原则比按强度控制原则更为重要。
软土地基主要受力层中的倾斜基岩或其他倾斜坚硬地层，是软土地基的一大隐患。其可能导致不均匀沉降，以及蠕变滑移而产生剪切破坏，因此对这类地基不但要考虑变形，而且耍考虑稳定性。若主要受力层中存在砂层，砂层将起排水通道作用，有利于地基承载力的提高。
水文地质条件对软土地基影响较大，如抽降地下水形成降水漏斗将导致附近建筑物产生沉降或不均匀沉降；基坑迅速抽水会使基坑周围水力坡度增大而产生较大的附加应力，致使坑壁坍塌；承压水头改变将引起地面的明显沉降等。这些在岩土工程评价中应引起重视。此外，沼气逸出对地基稳定和变形也有影响，通常应查明沼气带的埋藏深度、含气量和压力的大小，以此评价对地基的影响程度。建筑施工的加荷速率的适当控制，或改善土的排水固结条件可提高软土地基的承载力及稳定性。即随着荷载的施加地基土强度逐渐增大，承载力得以提高；反之，若荷载过大，加荷速率过快，将出现局部塑性变形，甚至产生整体剪切破坏。
8.3.3软土地基工程应注童事项
在软土地区修建桥梁或其他建筑物，首先应对地质、水文状况进行详尽的勘察，查明欲建场地软土的地质及工程特性，掌握全面的、翔实的第一手资料，这是正确设置桥跨或其他结构物，选择适当结构类型的首要条件，也是设计和施工能紧密结合实际情况，采取有针对性工程措施的关键环节。
软土地基的强度、变形和稳定是工程中必须全面充分注意的问题，是造成桥梁或其他建筑物产生过大或差异沉降、位移、倾斜、开裂和失稳等严重损坏事故的主要原因。国内外从实践中对软土地基上的基础工程设计技术、施工方法、地基加固等方面已积累了不少成功经验和科研成果，只要对这些成果借鉴和使用得当，则软土地基上的桥梁或其他建筑物的安全是能得到保证的。以下着重介绍有关软土地区桥梁基础工程应注意的事项，其他建筑物也可参考。
1．合理布设桥涵
在软土地区，桥梁位置既要与线路走向协调，又要特别注意桥梁建筑物对工程地质的要求，如果地基土层深，厚软黏土，特别是流动性的淤泥、泥炭和高灵敏度的软土，不仅设计技术条件复杂，而且将给施工、养护、运营带来许多困难，应力求避免。另选择软土较薄、均匀、灵敏度较低的地段应更为有利。对于小桥涵，可优先考虑地表硬壳层较厚，下卧层为一般均匀软土处，以争取采用明挖刚性扩大基础，降低造价，方便施工。
在确定桥梁总长、桥台位置时，除应考虑泄洪、通航要求外，究竟应将桥台覆于何处，不能拘泥于在一般地质状况下的习惯做法，应考虑合理的利用地形，地质条件，适当的延长桥长，使桥台置于地基土质较好或软土较薄处，用桥梁代替高路堤，减少桥台和填土高度，会有利于桥台、路堤的稳定，在造价、占地、运营条件和养护费用等通盘考虑后，往往在技术上、经济上都是合理的。
软土地基上桥梁宜采用轻型结构，尽量减轻上部结构及墩台自重。由于地基易产生较大不均匀不变，一般以采用静定结构或整体性较好的结构为宜，如桥跨结构可采用钢筋混凝土箱形梁，桥台采用十字形、U形桥台，桥墩采用空心薄壳结构等。桥洞宜用钢筋混凝土管涵、整体基础钢筋混凝土盖板涵、箱涵以保障桥身刚度和整体性。
设计时所用到的软土的有关物理力学性质参数，应尽可能通过现场原位试验取得。并应注意，我国沿海、内陆等地的软土由于沉积年代，环境的差异，成因的不同，他们的成层条件，粒度组成，矿物成分有所不同。有时其物理力学性质指标虽相近，但工程性质并不相近，故不应相互借用。
2．软土地基桥梁基础设计应注意事项
为保证地基稳定并控制沉降在容许范围内，作为设计者应从减轻荷载和提高地基承载力两方面着手。对于上部结构设计来说，控制建筑物的长高比，采用轻型材料，充分利用硬壳土层作持力层，加强基础的刚度和强度等都是有利地基稳定，减少沉降和不均匀沉降的有益措施。对于基础设计来说，首先要确定天然地基的承载能力和由于施加荷栽可能产生的最大沉降量、沉降差，并据以确定地基是否需要加固。如软土地基上的路堤就有“填筑临界高度”的规定，即指天然地基上用快速施工方法修筑一般断面路堤所能填筑的最大高度。并非凡是软土地基，就一定加固处理。
软土地区的桥梁基础，常用的是刚性扩大基础和桩基础，也有用沉井基础的，在软土地基上设置上述类型基础时，应注意以下几个问题：
(1)刚性扩大浅基础。在较稳定、均匀、有一定强度的软土上修建结构简单、对地基沉降要求不严的短跨径桥梁，常争取采用天然地基(或配合砂砾垫层)上的刚性扩大浅基础。但常产生诸如：因软土的局部塑性变形而使墩台发生不均匀沉降，由于台后填土的影响使桥台前后端沉降不均而发生后仰，有时还同时使桥台向前滑移等工程事故，因此，在设计时应注意对基础受力不同的边缘(如桥台的前趾、后踵)沉降的检算及其抗倾覆、滑动检算。
防治措施：可采用人工地基，如有针对性的布设砂砾垫层，对地基进行加载预压以减少地基的沉降和调整沉降差，或
4. 斜坡变形破坏的地质力学模式
根据对野外斜坡变形破坏的研究表明，不同的斜坡结构，其变形组合形式和过程各不相同，变形破裂的机制也差异较大。斜坡的坡形破坏与坡体结构特征相联系，构成了多种具有代表意义的斜坡变形破坏模式，并且各种破坏模式有它各自特有的斜坡变形破坏的演变过程和特点。各国的工程地质工作者通过对斜坡结构及其变形破坏过程和机制的研究，建立了多种斜坡变形破坏的地质模式，以指导科学研究和生产实践。我国的张倬元教授等所建立的斜坡变形破坏的地质力学模式，在国内具有一定的代表性。
7.3.1 蠕滑-拉裂（creep-sliding and fracturing）
该类型的滑坡多发生在中等坡度（40°以下）的土质斜坡或全、强风化岩质斜坡中。斜坡岩体在重力作用下发生向临空方向的剪切蠕变，变形体后缘发育自地表向深部发展的拉裂。坡体内不存在控制性滑面，滑面的具体位置主要受最大剪应力面分布控制，该面以上实际为一自地表向下递减的剪切蠕变带。对致密粘土边坡的研究表明，在未破坏之前，这种剪应变值可达2.5cm/m，即如果剪切蠕变带厚度为 Dm，则坡面位移量（ΔZ）可达其深度的0.25倍（图7.7）。随着蠕滑的进展，坡面下沉，拉裂面向深部扩展，往往达到潜在剪切面，造成剪切面上剪应力集中。地表水沿拉裂面渗入坡体，从而又促进蠕滑的发展，削弱剪切面的抗剪强度，最后岩土被剪断而导致滑坡。对均质土坡而言，其滑面形态多呈圆弧形。
图7.7 均质土坡中的蠕滑-拉裂
岩质斜坡中这类变形主要发生在反坡向的薄层状斜坡中，通过坡体中岩层弯曲，结构面错动，错动带根部岩层折断来形成滑面。故层状，尤其是薄层状岩体，当岩层倾向坡内时，有利于这种变形的形成和发展，并能清楚地表征这种变形的演变过程（图7.8）。
图7.8 倾向坡内的薄层岩体蠕滑-拉裂发展阶段图
7.3.2 滑移-压致拉裂（sliding and compression cracking）
这类变形主要发育在中等坡度、平缓层状岩体构成的斜坡中，软弱结构面倾向坡外。斜坡体因卸荷沿结构面向临空方向产生缓慢的蠕变性滑移时，在滑移面的锁固点或错列点附近因拉应力集中而生成与滑移面近于垂直的张开裂隙，张裂隙向上（个别情况向下）扩展，其方向则渐转向与坡体内与最大主应力方向趋于一致（图7.9）。这类变形与蠕滑-拉裂型滑坡的最大区别就在于：滑移和拉裂变形是由坡体内软弱面处自下而上发展起来的。
图7.9 自下而上发展的阶梯状滑移-压致拉裂面
滑移面附近拉裂面的扩展，使这一带常常成为地下水的活跃带，它是促进这类变形发展的主要因素。
7.3.3 滑移-拉裂（sliding and fracturing）
这种斜坡的破坏形式主要发生在中等坡度的层状斜坡或有两组结构面切割的块状斜坡中。当层状结构斜坡坡体中存在控制性软弱面且软弱面倾角大致与坡面平行或块状结构斜坡的复合软弱面的交线倾向坡外，且倾角不小于软弱面的实际残余摩擦角φr时，斜坡将以滑移-拉裂为其变形的主要形式。其滑移主要沿已有软弱面产生，如图7.10所示。
图7.10 受已有软弱面控制的蠕滑-拉裂变形
受已有软弱面控制的这类变形，其进程取决于作为滑移面的已有软弱面的产状与特性。当滑移面向临空方向倾角足以使上覆坡体的下滑力超过该面的实际抗剪阻力时，则在成坡过程中该面一经被揭露临空后，后缘拉裂面一出现即迅速滑落，蠕变过程极为短暂。一般情况下，当滑移控制面倾角大于20°时，可出现这种情况。当滑移面倾角近似等于其残余内摩擦角，且其抗剪强度已近于残余值时，变形可向滑动逐渐过渡，发展为使坡体逐渐解体的缓滑，坡体被解体为“迷宫式”的块体滑坡。总之，这类变形均以滑坡告终。
图7.11 受双滑面控制的四面体滑坡
块状斜坡中若有两组结构面相向切割岩体，构成岩体的分离体呈四面体或楔形体，其滑动破坏受结构面交线的控制。当结构面交线的倾角大于岩体的残余内摩擦角时，易于滑动（图7.11）。
7.3.4 弯曲-拉裂（bending and fracturing）
这类变形主要发育在由直立或陡倾坡内的层状岩体的陡坡中，且结构面走向与坡面走向夹角应小于30°。变形多半发生在斜坡前缘部分。陡倾的板状岩体，在自重产生的弯矩的作用下，由前缘开始向临空方向作悬臂梁弯曲，并逐渐向坡内发展，这种变形方式通常被称为倾倒（toppling）。弯曲的板梁之间或被拉裂、或互相错动，形成平行于走向的槽沟或反坡台阶。前倾的板梁弯曲最强烈的部位也往往被折裂（图7.12）。渗入裂缝中水的空隙水压力作用、水的楔入作用、高寒地区渗水反复冻融产生的膨胀力作用以及震动等，是促进这类变形发展的主要因素。
图7.12 弯曲-拉裂（厚层板梁）变形阶段图示
由于随板梁弯曲发展，作用于板梁的力矩也随之而增大，所以这类变形一旦发生，通常均显示累进性破坏特性。
薄而软的“板梁”，由于变形的角度可以很大，在最大弯折带通常形成倾向坡外的断断续续的拉裂面，或使原来垂直层面的近于水平的裂隙转为向坡外倾斜。在这种情况下继续的变形将主要受倾向坡外的裂隙面所控制，实质已转化为蠕滑-拉裂，最终发展为滑坡。
7.3.5 塑流-拉裂（bending flowing and fracturing）
这类变形是下伏软岩在上覆岩层压力下产生塑性流动并向临空方向挤出，导致上覆较坚硬的岩层拉裂、解体和不均匀沉陷。多见于以软弱层（带）为基座的软基座型斜坡中。风化作用以及地下水对软弱基座的软化或溶蚀、潜蚀作用，是促进这类变形的主要因素。
图7.13 塑流-拉裂发展为滑坡的过程示意图
在软弱基座产状近于水平的坡体中，通常可见图7.12所示变形迹象，上覆硬岩的拉裂起始于软弱层的接触面。这是由于软岩的水平岩层的变形远远超过硬岩所致。坡体前缘可出现局部坠落、并发展为迷宫式块状滑坡。当上覆岩层也具有一定塑性时，被下伏呈塑流状的软岩载驮的岩层，可整体向临空方向滑移，并于其后缘某处产生拉裂造成陷落（sauckung），进一步发展为缓慢滑动的滑坡。其演变过程如图7.13所示。
软弱基座缓倾坡内的陡崖，这类变形表现为另一种形式。基座软弱层由于上覆岩层的强大压力而向临空方向缓慢挤出，使上覆岩层产生自坡面向坡内其位移值渐减的不均匀沉陷，因而使上覆硬岩被拉裂。拉裂缝首先出露于陡崖边缘附近，自上而下地发展。被拉裂缝分割出来的岩柱可以因基座软岩挤出的进一步发展而崩落。随软岩挤出的发展，拉裂缝出现部位由坡缘向坡的后侧转移。远离坡缘拉裂缝可以发育很深（据某些勘探资料，有的可深达200m以上）。被裂缝分割出的高大岩柱的下部岩石有可能被剪裂压碎。一旦这种现象发生，变形则向滑蠕-拉裂转化，最后发展为崩滑型滑坡或滑塌的可能。
7.3.6 滑移-弯曲（sliding and bending）
沿滑移面滑移的层状岩体，由于下部受阻，在顺滑移方向的压应力作用下发生纵弯曲（“褶皱”）变形。下部受阻的原因多因滑移面未有效临空，或滑移面下端虽已临空，但滑移面呈“靠椅”状，上部陡倾、下部转为近于水平，显著增大了滑移阻力。发育的条件是，可以沿其产生滑移的软弱面必须倾向坡外，且其倾角明显超过该面的残余摩擦角（一般大于20°）。尤以薄层状及柔性较强的碳酸盐类层状岩体中最为常见。
滑移面平直的滑移-弯曲变形演变全过程可用图7.14表示。
图7.14 雅砻江霸王山滑坡形成过程示意图
5. 岩石力学参数分布特征
岩石是岩体的组成物质，它的工程地质特性一般不直接决定岩体的稳定性，但它是影响岩体稳定性的重要因素之一。在完整块状结构的岩体与松软岩体中，结构面对岩体变形破坏不起主导作用，岩石的特性与岩体的特性并无本质的区别。岩体的工程地质特性包括物理性质、水理性质与力学性质三大方面，但最重要的是力学性质。表征岩石的基本力学性质有弹性、塑性、硬化、强度、刚度和韧性等等。岩石种类不同，变形程度不同，所显现出来的力学性质也不一样。有的性质是相对而言的，如脆性和韧性。现在一般是以破裂后残余应变或临近破裂前总应变量的大小来度量，如按破裂前的最大应变小于 3% 定为脆性，大于 5%为韧性，介于 3%～5%是过渡性的。因此，在进行工程地质和顶板岩体质量及稳定性评价时，要对沉积岩石的变形力学特性进行专门研究。
岩石的力学性质主要指岩石的变形与强度特性。为了研究岩石强度和变形特性及岩石发生破裂的发展过程，利用岩石力学试验机对圆柱形岩石试件进行单轴或三轴压缩试验是基本手段之一。岩石的变形特征最直观的表达方法是通过应力 - 应变关系曲线来表示( 图6.1) 。在刚性实验机上获得的岩石应力 - 应变曲线较好地再现了岩石的应变强化和应变软化特性，对于大多数岩石，当应力超过岩石的抗压强度时，由于内部微裂纹扩展，岩石表现为渐进破坏，强度逐渐降低 ( 应变软化) ，同时伴随着体积膨胀 ( 扩容) ，直至达到一个残余强度值。因此，由峰值强度至残余强度这一区段可以看作岩石由完整发展到破碎的过程。
理想岩石的变形过程大体上可分为 3 个阶段 ( 图6.1) : 弹性变形阶段、塑性变形阶段与破坏阶段。弹性阶段即应力与应变之间成直线关系，当外力除去后，变形即可完全恢复。塑性阶段是随应力的增大，应变急剧增大，二者之间呈凸形的曲线关系，而且除去外力之后变形也不能完全恢复。当外力增大到一定限度之后，试件将发生破坏。
图6.1 理想岩石的应力 - 应变曲线
然而，实际的岩石具有不同的矿物成分与结构，甚至还可以具有一定的微小裂隙，其变形过程远比理想岩石复杂。R.P.米勒对 28 种岩石进行了大量的单轴抗压试验之后，归纳出 6 种类型的应力 - 应变关系 ( 图6.2) 。
第Ⅰ类: 弹性，应力 - 应变曲线具有非常接近直线的变形特点，主要为弹性变形，变形不大时突然破裂，多属脆性岩石。属于这一类型的有玄武岩、石英岩、辉绿岩、白云岩和较硬的石灰岩等。
策Ⅱ类: 弹 - 塑性，应力 - 应变曲线呈简单函数关系，卸载时显示出较大的残余变形。属于这一类型的有较软的石灰岩、粉砂岩、凝灰岩等。
图6.2 在单轴压缩下岩石直至破坏时典型的应力 - 应变曲线
第Ⅲ类: 塑 - 弹性，应力 - 应变曲线开始凹向上微弯，而后逐渐变成凹向下微弯，不表现屈服，而以脆性断裂的形式破坏。属于这一类型的有砂岩、花岗岩、平行于片理方向受力的片岩和一些辉绿岩等。
第Ⅳ类: 塑 - 弹 - 塑性，应力 - 应变曲线开始凹向上弯，中间有一段接近直线段，接着是凹向下弯，从总体上看，曲线呈陡挺的 S 型。属于这一类型的有变质岩、大理岩和片麻岩等。
第 V 类: 弹 - 塑 - 弹性，应力 - 应变曲线呈舒缓的 S 型。属于这一类型的有垂直于片理方向受力的片岩等。
第Ⅵ类: 弹 - 塑 - 蠕变，即岩石试件变形到一定阶段之后变形随时间而增大。应力 -应变具有一段不长的初始直线部分，随后进入塑性变形阶段，可以产生较大的塑性变形。属于这一类型的有岩盐、钾矿石和其他蒸发岩类等。
这 6 种类型中，第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类曲线都是在开始阶段有凹向上弯的部分，实验证明:这是由于实验岩石具有较大的孔隙率、微裂隙或片理组织，随着应力作用加大，微孔隙、微裂隙被封闭或压密，开始阶段的应力 - 应变曲线正反映这一过程。
岩石的变形特性可以用一系列变形参数来表达。对于拉伸或压缩变形来说，最主要的变形参数有变形模量 ( E) 和泊松比 ( μ) 。
兖州煤田山西组主采 3 煤层及其顶板岩层均形成于浅水三角洲沉积，沉积岩性由陆源碎屑岩的砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质岩及粘土岩和煤层组成。由于顶板岩性及其组合的差异，顶板稳定性不同，生产实践表明，一般砂岩顶板稳定性高，初次垮落步距大，而泥岩顶板稳定性差，初次垮落步距较小。
表6.1 3 层煤物理力学性质
表6.2 不同岩性的直接顶、老顶、底板物理力学性质
从力学角度出发，沉积岩性对顶板稳定性的影响主要取决于岩石的力学强度。试验表明 ( 表6.1，表6.2) ，任何一种岩石力学性质的变化范围都很大，并与其他岩石有较大范围的交叉，如兖州煤田中砂岩的单轴抗压强度为 48.7～ 76.8MPa，粉砂岩为 34.0～57.0MPa，泥岩为 29.5～ 40.1MPa，煤层为 11～ 18MPa，其他参数也具有类似的特点，反映出相同类型的岩石，其力学性质差异较大，也说明影响沉积岩石力学性质的因素之多，如沉积岩石的成分、结构、胶结成分、胶结类型和支撑类型都影响着岩石力学性质。尽管同一岩性的岩石力学性质变化较大，但仍可以看出，单轴抗压强度和抗拉强度以及岩石质量指标以砂岩类最大，粉砂岩次之，泥岩较小，煤层最小。因此岩性类型对岩石强度和岩石质量均有重要的影响。
6. 井采条件下边坡蠕变失稳理论分析
关于边坡稳定性分析已有了相当广泛的研究，但用来预测井工开采后的高边坡蠕变运动的资料却很少。井采条件下边坡岩体的蠕变是边坡变形的一个非常重要的因素，边坡的蠕变可以理解为一个没有明显滑移面的长期地质运动，这种蠕变是岩体的各种微小运动过程的结果。虽然每年只发生几毫米的位移，但是在较长的时间内这种位移累加在一起，则表现为可以量测出来的边坡运动。如果运动超出了临界加速度值，蠕变就转化为滑移和流动。程度不同的边坡运动总会导致煤岩结构工程的损坏。
对于矿山边坡来说，在其边坡体内与边坡尺寸数量级相当的软弱结构面总是存在的，如断层、软质泥岩层、含水砂岩层等，这些结构面的展布及其组合特征决定了其工程地质性质和力学性状，同时也构成了边坡工程地质问题的重要控制因素。因其力学指标很差，特别是在构造及地下水作用下易软化，泥化，强度降低，往往成为边坡滑坡的滑动面。统计资料显示，绝大多数岩质边坡的滑坡均与其内部软弱结构面有关，因此这类边坡具有很强的代表性。鉴于此，就井工开采对含软弱夹层层状岩质边坡的稳定性进行分析研究，希望能有助于增进对其失稳机理的认识，提高该类边坡的稳定性计算分析方法的可行性与可靠度，对该类边坡的治理能起到一定的帮助。
5.1.3.1 层状边坡的特点及主要破坏形式
层状岩体又称板裂岩体，是指分布有一组占绝对优势结构面(如层面、片理面等)的岩体。其优势结构面大多属于物质分异面，平行优势结构面方向的岩体组成基本相同，而垂直优势结构面方向的岩体组成则呈现频繁的软硬交替。由于这种优势结构面多属原生结构面，所以，褶皱作用强烈。因褶皱作用而产生的层间剪切错动，则使已有优势结构面的物理力学性质进一步弱化，甚至成为对岩体稳定起控制作用的泥化夹层。由于优势结构面大多属物质分异面，所以层状岩体中构造结构面的发育情况在很大程度上受控于优势结构面的发育与分布。
一般而言，煤岩体的工程地质特征可概括为4点:
(1)岩体是复杂的地质体，它经历了漫长的煤岩建造和构造改造作用，而且随着地质环境的变化、其物理力学等工程性质也将发生变化，甚至恶化。岩体不仅可由多种煤岩组成，而且其间还包含有层面、裂隙、断层、软弱夹层等物质分异面和不连续面，并赋存分布复杂的地下水、地温等;
(2)岩体的强度主要取决于岩体中层面、软弱夹层、断层和裂隙等结构面的数量、性质和强度，结构面导致了岩体的不连续性、不均匀性和各向异性;
(3)岩体的变形主要是由结构面的闭合、压缩、张裂和剪切位移引起，岩体的破坏形式主要取决于结构面的组合形式，即岩体结构;
(4)岩体中存在复杂的天然应力场。
层状岩体除具有上述4点岩体的共性外，其间分布的层面或片理面等为一组优势结构面，而且层状岩体通常呈现软、硬互层状的岩性组合特征，岩体中的裂隙发育程度在很大程度上受控于层面和软岩层，且与层面呈大角度相交，从而使层状岩体具有独特的“层状砌体式”结构特征。影响层状边坡稳定性的因素众多，如优势结构面的间距与倾角、边坡角、软弱夹层的力学性能、边坡所组成岩体的力学性能等。
5.1.3.2 井采对含软弱夹层的层状边坡影响流变学分析
如上所述，井工开采对边坡的影响是一个复杂且多因素的动态的过程，但为了简化又不致失真，采用岩土工程中广泛使用的拟静力法，把井工开采对边坡的影响与层状边坡的自重统一简化为P2，简化模型见图5-5。
图5-5 井工开采对含软弱夹层边坡影响的板梁模型
图5-6 σ＜σf时模型
Ⅰ应力未达到极限应力状态时σ＜σf，流变模型实际上是由Kelvin模型加上一个弹簧构成，如图5-6所示。
由对应性原理欧拉公式可得:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
经拉普拉斯变换，欧拉公式可变形为时效性，n为拟静力系数;
煤矿露天井工联合开采理论与实践
Ⅱ达到峰值强度后，即当σ≥σf时，欧拉公式可变形为:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中的符号同前式(5-23)。
总之，边坡中的软弱夹层是控制边坡变形、破坏机制的重要边界条件，根据流变学老化理论，依据逐级加载的蠕变试验数据，弱层的流变方程库仑准则如下:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:P2为作用于弱层上的剪应力;A0为瞬时剪切模量，σ为P2曲线在纵坐标的截矩;t为剪切历时;γ为剪切应变;σm为法向应力;H为抗拉强度，σ为P2曲线在横坐标的截矩;m为应变强化因子;δ，a为试验常数;c为黏聚力;φ为内摩擦角。
通过对安家岭露天矿边坡某一弱层试验数据分析整理，得到方程的参数如下:A0=9.66MPa，H=25kPa，m=0.385，δ=0.417，a=0.184。同时试验证明，当剪应力P2(0)＜P2＜P2(∞)时，P2(0)为瞬时抗剪强度，P2(∞)为极限长期强度，岩土的蠕变过程，只经历初始蠕变、衰减蠕变两个阶段，并随着时间的延长变形将稳定在一个定值。当P2≥P2(∞)时，将经历初始蠕变、稳态蠕变、加速蠕变阶段，直到导致边坡破坏。随着P2(∞)的增大，匀速蠕变阶段越短，加速段来临越快。
7. 常见的不良地基土有哪些其工程地质问题是什
软土地基主要受力层中的倾斜基岩或其他倾斜坚硬地层，是软土地基的一大隐患。其可能导致不均匀沉降，以及蠕变滑移而产生剪切破坏，因此对这类地基不但要考虑变形，而且耍考虑稳定性。若主要受力层中存在砂层，砂层将起排水通道作用，有利于地基承载力的提高。
水文地质条件对软土地基影响较大，如抽降地下水形成降水漏斗将导致附近建筑物产生沉降或不均匀沉降；基坑迅速抽水会使基坑周围水力坡度增大而产生较大的附加应力，致使坑壁坍塌；承压水头改变将引起地面的明显沉降等。这些在岩土工程评价中应引起重视。此外，沼气逸出对地基稳定和变形也有影响，通常应查明沼气带的埋藏深度、含气量和压力的大小，以此评价对地基的影响程度。建筑施工的加荷速率的适当控制，或改善土的排水固结条件可提高软土地基的承载力及稳定性。即随着荷载的施加地基土强度逐渐增大，承载力得以提高；反之，若荷载过大，加荷速率过快，将出现局部塑性变形，甚至产生整体剪切破坏。
8.3.3软土地基工程应注童事项
在软土地区修建桥梁或其他建筑物，首先应对地质、水文状况进行详尽的勘察，查明欲建场地软土的地质及工程特性，掌握全面的、翔实的第一手资料，这是正确设置桥跨或其他结构物，选择适当结构类型的首要条件，也是设计和施工能紧密结合实际情况，采取有针对性工程措施的关键环节。
软土地基的强度、变形和稳定是工程中必须全面充分注意的问题，是造成桥梁或其他建筑物产生过大或差异沉降、位移、倾斜、开裂和失稳等严重损坏事故的主要原因。国内外从实践中对软土地基上的基础工程设计技术、施工方法、地基加固等方面已积累了不少成功经验和科研成果，只要对这些成果借鉴和使用得当，则软土地基上的桥梁或其他建筑物的安全是能得到保证的。以下着重介绍有关软土地区桥梁基础工程应注意的事项，其他建筑物也可参考。
1．合理布设桥涵
在软土地区，桥梁位置既要与线路走向协调，又要特别注意桥梁建筑物对工程地质的要求，如果地基土层深，厚软黏土，特别是流动性的淤泥、泥炭和高灵敏度的软土，不仅设计技术条件复杂，而且将给施工、养护、运营带来许多困难，应力求避免。另选择软土较薄、均匀、灵敏度较低的地段应更为有利。对于小桥涵，可优先考虑地表硬壳层较厚，下卧层为一般均匀软土处，以争取采用明挖刚性扩大基础，降低造价，方便施工。
在确定桥梁总长、桥台位置时，除应考虑泄洪、通航要求外，究竟应将桥台覆于何处，不能拘泥于在一般地质状况下的习惯做法，应考虑合理的利用地形，地质条件，适当的延长桥长，使桥台置于地基土质较好或软土较薄处，用桥梁代替高路堤，减少桥台和填土高度，会有利于桥台、路堤的稳定，在造价、占地、运营条件和养护费用等通盘考虑后，往往在技术上、经济上都是合理的。
软土地基上桥梁宜采用轻型结构，尽量减轻上部结构及墩台自重。由于地基易产生较大不均匀不变，一般以采用静定结构或整体性较好的结构为宜，如桥跨结构可采用钢筋混凝土箱形梁，桥台采用十字形、U形桥台，桥墩采用空心薄壳结构等。桥洞宜用钢筋混凝土管涵、整体基础钢筋混凝土盖板涵、箱涵以保障桥身刚度和整体性。
设计时所用到的软土的有关物理力学性质参数，应尽可能通过现场原位试验取得。并应注意，我国沿海、内陆等地的软土由于沉积年代，环境的差异，成因的不同，他们的成层条件，粒度组成，矿物成分有所不同。有时其物理力学性质指标虽相近，但工程性质并不相近，故不应相互借用。
2．软土地基桥梁基础设计应注意事项
为保证地基稳定并控制沉降在容许范围内，作为设计者应从减轻荷载和提高地基承载力两方面着手。对于上部结构设计来说，控制建筑物的长高比，采用轻型材料，充分利用硬壳土层作持力层，加强基础的刚度和强度等都是有利地基稳定，减少沉降和不均匀沉降的有益措施。对于基础设计来说，首先要确定天然地基的承载能力和由于施加荷栽可能产生的最大沉降量、沉降差，并据以确定地基是否需要加固。如软土地基上的路堤就有“填筑临界高度”的规定，即指天然地基上用快速施工方法修筑一般断面路堤所能填筑的最大高度。并非凡是软土地基，就一定加固处理。
软土地区的桥梁基础，常用的是刚性扩大基础和桩基础，也有用沉井基础的，在软土地基上设置上述类型基础时，应注意以下几个问题：
(1)刚性扩大浅基础。在较稳定、均匀、有一定强度的软土上修建结构简单、对地基沉降要求不严的短跨径桥梁，常争取采用天然地基(或配合砂砾垫层)上的刚性扩大浅基础。但常产生诸如：因软土的局部塑性变形而使墩台发生不均匀沉降，由于台后填土的影响使桥台前后端沉降不均而发生后仰，有时还同时使桥台向前滑移等工程事故，因此，在设计时应注意对基础受力不同的边缘(如桥台的前趾、后踵)沉降的检算及其抗倾覆、滑动检算。
8. 土力学中触变与蠕变的概念
土力学 [编辑本段]土力学soil mechanics
研究土体在力的作用下的应力-应变或应力－应变-时间关系和强度的应用学科。工程力学的一个分支。为工程地质学研究土体中可能发生的地质作用提供定量研究的理论基础和方法。 主要用于土木、交通、水利等工程。
发展简史
18世纪中期以前﹐人类的建筑工程实践主要是根据建筑者的经验进行的。18世纪中叶至20世纪初期﹐工程建筑事业迅猛发展﹐许多学者相继总结前人和自己实践经验﹐发表了迄今仍然行之有效的﹑多方面的重要研究成果。例如法国的 C.-A.de库仑发表了土压力滑动楔体理论(1773)和土的抗剪强度准则(1776)﹔法国的H.P.G.达西在研究水在砂土中渗透的基础上提出了著名线性渗透定律(1856)﹔英国的W.J.M.兰金分析半无限空间土体在自重作用下达到极限平衡状态时的应力条件﹐提出了另一著名的土压力理论﹐与库仑理论一起构成了古典土压力理论﹔法国的J.V.博西内斯克(1885)提出的半无限弹性体中应力分布的计算公式﹐成为地基土体中应力分布的重要计算方法﹔德国的O.莫尔(1900)提出了至今仍广泛应用的土的强度理论﹔19世纪末至20世纪初期瑞典的A.M.阿特贝里提出了黏性土的塑性界限和按塑性指数的分类﹐至今仍在实践中广泛应用。1925年奥地利的K.太沙基(又译特扎吉)出版了世界上第一部《土力学》﹐是土力学作为一个完整﹑独立学科已经形成的重要标志﹐在此专著中﹐他提出了著名的有效压力理论。此後﹐在土的基本性质和动力特性﹑固结理论和强度理论的研究﹐流变理论的应用﹐土体稳定性分析方法以及试验技术和设备等方面都有很大的发展﹐使土力学得到进一步的完善和提高。
9. 工程地质力学的建立与进展
60年代中国学者在大量工程地质实践的基础上，认识到构造的重要性，从而提出了“岩体结构”的观点。同时，法国的岩体力学学家Muller L等也认识到岩体结构的重要性。70年代谷德振等提出“岩体工程地质力学”的新概念。它以地质历史的发展过程——建造与构造，并运用地质力学观点，研究了岩体的工程地质特性及力学的成因问题。它包括了岩体结构的解析和表征，岩体结构的力学特性和效应，工程岩体变形破坏机制的分析，工程岩体稳定性的预测和评价等一系列问题。现已初步建立了工程地质力学的理论体系与研究方法。俄罗斯学者最近认为应考虑土体结构。这样工程地质力学就应将岩体和土体的工程地质力学都包括在内。
80年代岩体工程地质力学进一步发展，提出了岩体结构力学新概念。它主要研究地质模型的力学效应，即把地质模型转化为力学模型，在此基础上进一步将力学模型与岩体变形破坏机制有关要素，转为定量的数学语言表达，进行岩体稳定性的力学分析，作为工程设计的依据。
对于土和土体的工程地质研究，最初是把土作为连续介质，但由于土的特殊物质组成和结构连接，其应力-应变关系为非线性随时间变化的流变状态，因此不仅从宏观力学上用模型方法，而其从土的微观结构，通过各种结构类型加以量化，建立土的微观力学模型，这在国内外都取得了相当大的进展。
中国对软土、黄土等特殊性土以及软岩、泥化夹层的流变特性和模型研究，解决不少实际工程中土体变形、地基稳定分析等问题。土的微观结构研究由于测试技术的发展，在80年代进展较快。取得的重要成果有：制样技术上由风干法发展为冻干法，探讨了土的结构对其蠕变及强度的影响，对粘性土及一些特殊性土的微观结构和工程地质性质关系，以及对微结构的计算机图像处理技术等。近年来工程地质学家认为土体结构既然对其工程性质有重要制约作用，就应把建立土的结构性本构（计算）模型作为核心问题，提出发展“土体微结构力学”作为土体工程地质研究的新领域。
工程地质力学的发展要求地质研究与工程高度结合，发展工程结构和地质结构的依存关系和相互作用理论。近年来王思敬等采用系统科学原理，提出了工程地质力学综合集成理论和方法（The Engineering Geomechanics Meta-Synthesis，简称EGMS），以期使工程地质力学的定量评价和预测提高到新的水平。