Engineering Properties of Rocks

8.1 IGNEOUS AND METAMORPHIC ROCKS

The plutonic igneous rocks are characterised by granular texture, massive structure and relatively homogeneous composition. In their unaltered state they are essentially sound and durable with adequate strength for any engineering requirement (Table 8.1). In some instances, however, intrusives may be highly altered, by weathering or hydrothermal attack. Furthermore fissure zones are by no means uncommon in granites. The rock mass may be very much fragmented along such zones, indeed it may be reduced to sand size material (see Terzaghi¹ ) and it may have undergone varying degrees of kaolinisation.

Table 8.1 SOME PHYSICAL PROPERTIES OF IGNEOUS AND METAMORPHIC ROCKS

*Tested normal to cleavage or schistocity

Tested parallel to cleavage or schistocity.

In humid regions valleys carved in granite may be covered with residual soils which extend to depths often in excess of 30 m. Fresh rock may only be exposed in valley bottoms which have actively degrading streams. At such sites it is necessary to determine the extent of weathering and the engineering properties of the weathered products. Generally the weathered product of plutonic rocks has a large clay content although that of granitic rocks is sometimes porous with a permeability comparable to that of medium grained sand.

Joints in plutonic rocks are often quite regular, steeply dipping structures in two or more intersecting sets. Sheet joints tend to be approximately parallel to the topographic surface. The sheet joints introduce a dangerous element of weakness into valley slopes. For example, in a consideration of Mammoth Pool Dam foundations on sheeted granite Terzaghi² observed that the most objectionable feature was the sheet joints orientated parallel to the rock surface. In the case of dam foundations such joints, if they remain untreated, may allow the escape of large quantities of water from the reservoir, and this may lead to the development of hydrostatic pressures in the rock downstream which are high enough to dislodge sheets granite.

Generally speaking the order volcanic deposits do not prove a problem in foundation engineering, ancient lavas having strengths frequently in excess of 200 MPa. But volcanic deposits of geologically recent age at times prove treacherous, particularly if they have to carry heavy loads such as concrete dams. This is because they often represent markedly anisotropic sequences in which lavas, pyroclasts and mud flows are interbedded. Hence foundation problems in volcanic sequences arise because weak beds of ash, tuff and mudstone occur within lava piles which give rise to problems of differential settlement and sliding. In addition weathering during periods of volcanic inactivity may have produced fossil soils, these being of much lower strength. The individual lava flows may be thin and transected by a polygonal pattern of cooling joints, They also may be vesicular or contain pipes, cavities or even tunnels.

Pyroclastics usually give rise to extremely variable foundation conditions due to wide variations in strength, durability and permeability. Their behaviour very much depends upon their degree of induration, for example, many agglomerates have a high enough strength to support heavy loads such as concrete dams and also have a low permeability. By contrast ashes are invariably weak and often highly permeable. One particular hazard concerns ashes, not previously wetted, which are metastable and exhibit a significant decrease in their void ratio on saturation. Tuffs and as

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岩石的工程性质

8.1火成岩和变质岩

深成的火成岩的特点是粒状结构，块状构造和成分比较均匀。在环境不变的情况下，他们基本上是稳定的和耐用的，满足任何工程的强度要求（表8.1）。然而在某些情况下，岩体可能经风化或热流侵蚀，会发生很大变化。此外，在花岗岩中裂隙带是不常见的。岩体可能非常分散在这样的区域，它确实可以减小到和沙子相仿的尺寸（见Terzaghi1）,也都发生了不同程度的kaolinisation变化。

表8.1火成岩和变质岩的物理性质

*测试正常劈理或片理

测试平行劈理或片理。

在潮湿的地区，花岗岩峡谷可能覆盖着残留的土壤，而这些残余土的深度往往超过30米。新鲜的岩石可能只会暴露在谷底，那里有活跃的流水。在这样的地方，确定岩石风化的程度和工程性质是非常必要的。一般火成岩的风化产物粘土含量非常大，虽然多孔的花岗质岩石中粒砂含量也差不多。在两个或两个以上的交叉处，火成岩缝往往很规则，陡倾。薄板的交叉处往往是大致平行于地形表面的。这片交叉处到山谷斜坡都是危险的薄弱地带。例如，考虑在席状花岗岩Terzaghi2的Mammoth Pool大坝地基上观察，最麻烦是交接处的取向平行于岩石表面。在大坝基础节点处，如果他们继续不处理，水库中的水可能会大量流出，这可能导致下游岩石中的静水压力增加，压迫花岗岩发生位移。

一般来说，并没有证明火成岩在地基工程中是一个问题，超过200兆帕的古代熔岩具有优势。但有时最近的地质年龄的火成岩是不可用的，特别是如果他们不得不承担像混凝土坝这样的重物。这是因为他们通常代表着各向异性序列中的熔岩、火山碎屑流和泥互层。因此，火成岩地带基础问题的出现是由于灰弱床、凝灰岩、泥岩在熔岩桩产生差异沉降和滑动。此外，在火山活动期间的风化可能产生化石土壤，这些都会降低岩石强度。个别的熔岩流很薄，并且被冷却隔断，他们也可能是气泡或管道、孔洞或隧道。

由于强度，耐久性和透气性的极大变化，火山碎屑岩通常会导致基础条件产生极端变化。他们的行为非常依赖于硬结程度，例如，许多结块有足够高的强度来支撑重物如混凝土坝，也有低渗透。相比之下，火山灰层强度总是很弱且渗透性强。有一个特别危险的问题，火山灰层不是以前的潮湿状态，这是亚稳态并且孔隙饱和度显著下降。凝灰岩和火山灰层通常容易滑动。蒙脱石是基本火山灰层的风化产物中不常见的成分。

板岩、千枚岩和片岩的特点是具有明显的择优取向结构。扁平状的矿物如绿泥石和云母能够迁移到几乎平行或近平行带，与如石英和长石的粒状矿物交错。这种优先排列的扁平状矿物裂解作用，意味着这些变质岩和板岩特别容易裂变的。显然，这种岩石比延划线的明显更强（表8.1）。裂解或片晶面的取向对基础结构有很重要的影响。解理作用不仅对变质岩的强度有不利影响，这也使其更容易腐烂。

然而一般来说，板岩，千枚岩和片岩的风化缓慢，但区域局部变质广泛叠加，可能会导致当地的岩层发生断裂和变形。一些片岩、板岩、千枚岩质量是可变的，有些是重型结构的良好基础。其他的岩层，不管是变形还是风化，都十分脆弱，完全不能使用。例如，滑石、绿泥石和绢云母片岩等软弱岩石含有一毫米左右的缝隙或者完全分开。一些片岩风化后变得湿滑，因此不适合承受荷载。

片麻岩的工程性质通常与花岗岩相似。然而，一些片麻岩拥有强烈的片理化，拥有择优取向的纹理。一般这不会显著影响他们的工程行为。然而，这些片麻岩可能会在某些地方裂开，这可能会引起麻烦。例如，片麻岩的Malpasset坝踵下会出现裂缝，最终导致其坍塌（见Jaeger3,4）。

新的、热变质岩石如石英岩和角岩拥有非常高的强度，提供了比较好的基础。大理石和其他碳酸盐岩一样，具有相同的优点和缺点。

基础施工

基础施工的概念是在岸上制造沉箱外壳，在退潮时通过下滑道运到河床，然后通过自行抬高双体船其运送到适当的位置。

没有任何适合该特定操作的设备，因此要找一个能够设计并提供合适船只的合作者。最低报价是pound;2300万，超过了预算的两倍以上，并且很难转售出去，必须要寻找其他的方法。

该方法最终选择一个很少用的平底驳船Sar3型，在动力船中加入四台推进器，在涨潮时将设备运过河，并且改装一台有四根桅樯的起重驳船Lisa A型，为了移动这些设备，在一个起重平台上安装两台1250吨的Lampson Transilift型起重机。改装这两艘船的总成本也超过了预算，但它们的通用性意味着它们可以用于许多其他的业务，特别是在斜拉桥，导致这些业务相当节省。

但是为了装备的设计能够按时完成，沉箱和起重运输设备的设计必须同时进行，2000吨沉箱设计在18个月内完成。然而，由于设计的发展和结构的变化，我们发现很难限制重量，沉箱的重量比设计的重200吨。

海洋运输和临时工程

在河流方面，英格兰的地面条件和交通情况要好得多，这决定要在岸上集中建设。在施工场地完成了一些重要的准备和临时工程。

加筋土是建设大型登陆码头和码头浮桥，用来装载Sar3型，这种钢管状的护墩桩安在了河道中。在低潮时，已适当加强的驳船，停靠早一个专门准备的混凝土/木材基础上，这就简化了船的装载。一系列的浮桥，通过一座桥来连接，作为客运，安全和工作船的泊位。管状钢栈桥以及相关的孤岛，泵和运输系统都被修建，为了装卸材料驳船，运输所有的海洋混凝土材料。

加筋土坡道通过河床也采用无砂混凝土块和ParaWeb构造。

为了能够在退潮时通过English Stones,从岸上进行主桥东塔修建了一条2公里长的堤道。

基础准备

在格温特郡的一面，从岸上修建了一个保护地面的外滩，用大直径钻孔灌注桩修建了第一个八基础的设施，使用常规设备维护。板桩围堰也被使用，在干燥的条件下混凝土桩承台的最后两个基础能够修建。

在接下来的三格温特郡，同时也为了跨过英国铁路隧道采用安装在起重驳船上反循环钻机钻出直径2米的桩。通过公路或土堤从混凝土搅拌车上输送混凝土。在Avon为了第一个三基础设施在岸上使用常规设备修筑钻孔灌注桩。

使用沉箱修筑剩余的基础，根据特定的地点，准备好的结构也有变化。从现场勘察确定每一个沉箱的位置，并且因为这些都建立在厚层的砂岩上，在整个地区任何有害的材料被清楚，岩石被挖掘到一个合适的高度。这一高度与建议的高度进行比较调整，如果有必要，在预制场要确定最高水平不变。

施工

最初，因为沉箱施工，在Avon施工场地修建了六堆铸造床，却进一步增加了两项六个月的合同，以维持计划。采用常规的施工工艺、胶合板、铝模板、脚手架、塔式起重机等常规施工工艺，在外墙上修建了重达2000吨的薄壁壳体，并在现场进行了预制，并纳入了原位墙。完成对沉箱安装了内部结构的钢支撑，提供临时稳定在吊装、运输和浇筑作业，以及用于控制浮选的排水管道和阀门。

起重运输

在合适的天气和潮汐窗口，用一个600吨的重型起重机举起离地面5米。用一台Lampson型履带式运输机将特制的钢架运到悬浮的沉箱下面，并降低到吊具框架下。灌浆袋和管道，临时梯子，接入平台和测量目标在吊具悬吊时完成。

退潮时，Lampson型运输机通过码头浮桥运送沉箱到Sar3型上去，然后使其稳定以确保能平稳地漂浮。

放置式

在此之前，Lisa A型被Sar3型推到高潮点，其目的是在河口连接所有的驳船并且调控它们。因为Lampson型起重机的回转能力有限，Lisa A型必须运送到相对于每个沉箱误差不差过500毫米的理论位置。最初的方案是让Lisa A型尽可能的靠近目标，在退潮时用绞盘线锚住，然后用绞车将其准确地运送到下一个高潮的位置。在施工现场，发现Sar 3型能够将Lisa 3型运送到足够精确的地方，所有绞盘车很少用到。

升降架是放在沉箱上，并且放在墙基的升降槽中，沉箱被举起到驳船附近，然后返回码头。

退潮时，使用位于Lisa A船头勘察柱的电子测距（EDM）将沉井沉到河床并使定位公差在75毫米内，EDM要瞄准沉箱顶部。通过电缆来连接可以直接读出必要的位置修正数据的车载电脑，然后传递给升降监控。液压千斤顶在升降框架底部加压，以卸除起重机上的负载，来产生足够的摩擦，防止沉箱被水流冲走，或被波浪完全冲到河床上。

主桥塔的两个沉箱比其他的沉箱大得多，千斤顶可以产生不足的摩擦来抵抗侧向荷载。通过液压千斤顶来产生足够的临时附加限制，来防止钢梁在沉箱外围的岩石中形成孔洞。

原来的方法是修筑沉箱，在沉箱墙下面填充纯水泥浆灌注的一系列独立灌浆袋。一旦灌浆强度到达10MPa时，就可以支撑沉箱并且承受侧向荷载。然后放下升降架，并且将Lisa A移动到合适的涨潮期。

后来考虑到节约时间和成本，用较浅的沉箱，实木折叠楔来代替水泥袋。

用扩大的金属模板来封闭河床和沉箱之间标称300毫米间隙，并且用大量的混凝土灌注，在干燥的条件

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