巖體結(jié)構(gòu)控制論

第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.1概述,3.2巖體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ),3.2.1巖石的成分與結(jié)構(gòu),3.2.2巖石的成巖環(huán)境與巖相變化,3.2.3巖石的成層條件及其厚度變化,3.2.4巖石組合特征及其劃分依據(jù),3.2.5巖石的物理力學(xué)性質(zhì),3.4巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng),3.3巖體結(jié)構(gòu),3.3.1結(jié)構(gòu)面的類型及特征,3.4.1巖體變形機(jī)制,3.4.2巖體破壞機(jī)制,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.1概述,“巖體”：地質(zhì)歷史過(guò)程中形成的，由巖塊(結(jié)構(gòu)體)和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)組成的，具有一定的結(jié)構(gòu)并賦存于一定的天然應(yīng)力狀態(tài)和地下水等地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。,“工程巖體”：巖體作為工程建設(shè)的對(duì)象,“巖體結(jié)構(gòu)”,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.1概述,巖體結(jié)構(gòu)，反映巖體的本質(zhì)：巖體結(jié)構(gòu)的不同，巖體物理力學(xué)性質(zhì)、工程巖體變形、破壞的難易程度與方式也不同；巖體結(jié)構(gòu)還控制了巖體的水文地質(zhì)條件、風(fēng)化作用；巖體結(jié)構(gòu)不同，巖體穩(wěn)定性的特征完全不同。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.2巖體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ),物質(zhì)成分,結(jié)構(gòu),巖體兩個(gè)基本特性,結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)體,結(jié)構(gòu)面是指巖體中力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)薄弱的部位，是巖體中的地質(zhì)界面（如層面、斷裂、風(fēng)化卸荷裂隙等），使巖體力學(xué)性能具有不連續(xù)性、不均一性和各向異性，它決定了巖體的介質(zhì)特征和力學(xué)屬性。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,一、工程荷載范圍內(nèi)（一般小于10MPa），工程巖體的破壞有相當(dāng)一部分是沿軟弱結(jié)構(gòu)面破壞的。,二、在工程荷載作用下，結(jié)構(gòu)面及其充填物的變形是巖體變形的主要組分，控制著工程巖體的變形特征。,三、結(jié)構(gòu)面是巖體中滲透水流的主要通道。在工程荷載作用下，結(jié)構(gòu)面的變形又將極大地改變巖體的滲透性、應(yīng)力分布及其強(qiáng)度。,四、工程荷載作用下，巖體中的應(yīng)力分布也受結(jié)構(gòu)面及其力學(xué)性質(zhì)的影響。,結(jié)構(gòu)面的工程意義,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,在巖體結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)面居主導(dǎo)地位，隨著結(jié)構(gòu)面的類型、發(fā)育程度、性狀與組合情況不同，巖體結(jié)構(gòu)類型迥然不同。,巖石是巖體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)。,一、任何巖體都要經(jīng)歷巖石的建造過(guò)程，它既是建立巖體的物質(zhì)基礎(chǔ)過(guò)程，也是各種原生結(jié)構(gòu)面與巖性組合的形成過(guò)程。,二、巖體結(jié)構(gòu)組成的兩個(gè)基本單元之一的結(jié)構(gòu)體完全是由巖石構(gòu)成的，它的性質(zhì)就是巖石塊體的性質(zhì)。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,工程地質(zhì)工作，首先要對(duì)地層巖性進(jìn)行系統(tǒng)的研究，分析巖性巖相變化特征，并進(jìn)行巖體工程地質(zhì)分類，即工程地質(zhì)巖組（粒組）的劃分。把工程地質(zhì)性質(zhì)相近的巖層組合體劃歸到一起，構(gòu)成工程地質(zhì)評(píng)價(jià)的獨(dú)立單元，即工程地質(zhì)巖組。,巖石形成于漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期，要研究巖體的物質(zhì)特征，就要充分考慮其形成的地質(zhì)環(huán)境、成巖作用、成巖歷史與成巖后的次生變化等。,巖性編錄,在進(jìn)行工程地質(zhì)巖組劃分時(shí)，要特變關(guān)注軟弱、松軟、破碎巖層，以便于在進(jìn)行工程地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)時(shí)，加以全面論證和重點(diǎn)分析。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.2.1巖石的成分與結(jié)構(gòu),巖石的成分和結(jié)構(gòu)不同，是巖石工程地質(zhì)性質(zhì)差異的主要原因：,對(duì)碳酸鹽巖，要特變關(guān)注其可溶性，而可溶性取決于其成分與組構(gòu)，成分尤為重要；,對(duì)碎屑巖類巖石，決定其工程地質(zhì)性質(zhì)的主要是顆粒粒徑、膠結(jié)物與膠結(jié)程度、粘土礦物含量等；,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,對(duì)巖漿巖，應(yīng)特別重視其礦物成分與化學(xué)成分、粒徑與結(jié)晶性狀?；鹕綆r物質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)變化很大，尤其應(yīng)對(duì)軟硬相間的多層結(jié)構(gòu)給予重點(diǎn)關(guān)注；巖體的軟弱帶。,變質(zhì)巖巖石系列千差萬(wàn)別，變質(zhì)巖的成分、結(jié)構(gòu)與變質(zhì)程度有著十分密切的關(guān)系。礦物的集中和定向排列，往往成為巖體的軟弱帶。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.2.2巖石的成巖環(huán)境與巖相變化,巖石的成巖環(huán)境與巖相變化，很大程度決定了巖石的均一性與各向異性：,沉積巖成巖環(huán)境復(fù)雜，形成過(guò)程差別很大，由此決定巖性、巖相變化與層厚；,巖漿巖成因類型同樣復(fù)雜，巖性巖相隨之變化。要特別注意巖漿分異及其巖性巖相分帶、巖脈的分布及其接觸帶。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,火山巖分布很廣，成因類型不同，其巖性巖相變化顯著，巖石組合更為復(fù)雜。海底噴發(fā)的火山巖類型，它往往與海底沉積巖交互產(chǎn)生，構(gòu)成不利的巖石組合，形成較差的工程地質(zhì)條件。,變質(zhì)巖大多形成于高溫高壓下，其物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)均發(fā)生劇烈變化，往往產(chǎn)生軟弱的巖層與巖組。如千枚巖、綠泥石片巖、石墨片巖等；,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.2.3巖石的成層條件及其厚度變化,對(duì)沉積巖及負(fù)變質(zhì)巖，巖石成層特點(diǎn)直接關(guān)系到巖體介質(zhì)的連續(xù)性與各向異性：沉積巖，應(yīng)特別重視濱海及河湖相巖層，其厚度往往特別大。,我國(guó)內(nèi)陸湖盆的沉積，如中生代紅層，不僅厚度變化大，而且往往形成厚薄不等的透鏡體，對(duì)工程巖體穩(wěn)定不利。還要注意不整合面、巖層層面強(qiáng)度，尤其是軟弱夾層，常是工程地質(zhì)條件中的關(guān)鍵因素之一；,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,在變質(zhì)作用下，可形成明顯的定向排列或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)。由于構(gòu)造作用，還會(huì)產(chǎn)生層間錯(cuò)動(dòng)。因而變質(zhì)巖成層條件復(fù)雜，單層厚度變化明顯；,巖漿巖的成層性不明顯，只是熔巖流表現(xiàn)出一定的成層特點(diǎn)?；鹕綆r有較好的成層性。在火山巖中常夾有碎屑巖，形成不穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.2.4巖石組合特征及其劃分依據(jù),巖石組合特征是研究巖體結(jié)構(gòu)物質(zhì)特征的基礎(chǔ)工作：,巖石組合首先考慮巖石的軟硬程度，其次是巖層的厚度，第三是巖體中各類夾層的發(fā)育特征；,每一巖組均有其一定的巖石組合特征，具有相似的工程地質(zhì)特性。要結(jié)合工程區(qū)的具體情況，尋找其規(guī)律性，如沉積旋回，進(jìn)行系統(tǒng)劃分。,巖組劃分不宜過(guò)大，否則，會(huì)掩蓋巖體強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。,巖組劃分必須建立在建造的基礎(chǔ)上。各種建造的地質(zhì)體，在不同的大地構(gòu)造單元中，差異性很大。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.2.5巖石的物理力學(xué)性質(zhì),巖體可由一種巖石，亦可由多種巖石構(gòu)成。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)工程巖體的穩(wěn)定性重要作用：,巖石或巖體的物理力學(xué)性質(zhì)在很大程度上受控于其地質(zhì)屬性；,巖石的物理力學(xué)性質(zhì)及其參數(shù)主要包括孔隙度或孔隙比、膨脹性、水理性質(zhì)、彈性參數(shù)、變形參數(shù)、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等；,從巖石和巖體工程地質(zhì)性所進(jìn)行的工程分類（或分級(jí)）具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.3巖體結(jié)構(gòu),“巖體結(jié)構(gòu)”：由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體共同組成的結(jié)構(gòu)形態(tài)，不同類型的基本單元在巖體內(nèi)組合、排列的形式。,“結(jié)構(gòu)面”為巖體中具有一定方位和厚度、兩向延伸的地質(zhì)界面，結(jié)構(gòu)面分為兩大類：,物質(zhì)分異面，如層面、片理面、軟弱夾層、巖漿侵入接觸面等；,巖體中的不連續(xù)面，如斷層、節(jié)理、風(fēng)化與卸荷裂隙等。,結(jié)構(gòu)面是在建造和改造的過(guò)程中形成的，其空間分布于特征與其成因類型密切相關(guān)，按成因分類：,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.3.1結(jié)構(gòu)面的類型及特征,1）結(jié)構(gòu)面成因類型和特征（地質(zhì)成因類型）,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.3.1結(jié)構(gòu)面的類型及特征,1）結(jié)構(gòu)面成因類型和特征（力學(xué)成因類型）,剪性結(jié)構(gòu)面：剪應(yīng)力形成的，破裂面兩側(cè)巖體產(chǎn)生相對(duì)滑移如逆斷層、平移斷層以及多數(shù)正斷層等。特點(diǎn)：連續(xù)性好，面較平直，延伸較長(zhǎng)并有擦痕鏡面等。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.3.1結(jié)構(gòu)面的類型及特征,1）結(jié)構(gòu)面成因類型和特征（力學(xué)成因類型）,張性結(jié)構(gòu)面：由拉應(yīng)力形成如羽毛狀張裂面、縱張及橫張破裂面、巖漿巖中的冷凝節(jié)理等。,特點(diǎn)：張開度大、連續(xù)性差、形態(tài)不規(guī)則、面粗糙，起伏度大及破碎帶較寬，易被充填，常含水豐富，導(dǎo)水性強(qiáng)。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,2）結(jié)構(gòu)面的力學(xué)類型和特征,按影響結(jié)構(gòu)面力學(xué)特性的主要因素，將結(jié)構(gòu)面劃分以下四種力學(xué)類型：,破裂結(jié)構(gòu)面巖體中無(wú)充填的節(jié)理、片理、劈理等，它們?cè)诜ㄏ驊?yīng)力作用下呈剛性接觸，屬硬性結(jié)構(gòu)面?？辜魪?qiáng)度主要取決于結(jié)構(gòu)面的幾何特征。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,破碎結(jié)構(gòu)面如斷層破碎帶、風(fēng)化破碎帶及層間破碎夾層等，可有不同程度的膠結(jié)。不同組分物質(zhì)成條帶狀或透鏡狀分布。,抗剪強(qiáng)度主要取決于：填充物的成分結(jié)構(gòu)膠結(jié)程度。變化幅度大！,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,層狀結(jié)構(gòu)面巖體中成層的不連續(xù)面，如層面、層理及軟弱夾層等。,抗剪強(qiáng)度主要取決于：結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)程度及軟層本身的抗剪強(qiáng)度，變化幅度相對(duì)小。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,泥化結(jié)構(gòu)面為塑性泥質(zhì)組成的軟弱結(jié)構(gòu)面如斷層泥、層間錯(cuò)動(dòng)泥化夾層、裂隙夾泥、層面夾泥。泥質(zhì)富集，結(jié)構(gòu)面易變形，強(qiáng)度低。,抗剪強(qiáng)度主要取決于：填充物的粘土礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)、含水量、固結(jié)程度。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3）結(jié)構(gòu)面分級(jí),結(jié)構(gòu)面在延展和延伸，寬窄、力學(xué)特性上規(guī)模不等，差異很大。其分級(jí)及特征：,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,4）結(jié)構(gòu)面的指標(biāo)參數(shù),一、成因類型,二、規(guī)模,三、產(chǎn)狀包括走向、傾向、傾角。結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng)力間的關(guān)系控制著巖體的破壞機(jī)理與強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)面展布方向與受力方向不同，巖石的破壞方式與強(qiáng)度不同。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,四、連續(xù)性反映結(jié)構(gòu)面的貫通程度,五、密度反映結(jié)構(gòu)面發(fā)育的密集程度,六、張開度結(jié)構(gòu)面兩壁面間的垂直距離結(jié)構(gòu)面兩壁面一般不是緊密接觸，使結(jié)構(gòu)面實(shí)際接觸面積減少，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面粘聚力降低和滲透性增大。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,七、形態(tài)側(cè)壁的起伏形態(tài)及粗糙度來(lái)反映,平直的波狀的鋸齒狀的臺(tái)階狀的不規(guī)則狀的,側(cè)壁的起伏形態(tài)分為：,結(jié)構(gòu)面的粗糙度用粗糙度系數(shù)（JRC）表示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)粗糙度剖面將結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)劃分為10級(jí)。隨粗糙度的增大，結(jié)構(gòu)面的摩擦角也增大。標(biāo)準(zhǔn)粗糙度剖面：,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,八、充填膠結(jié)特征結(jié)構(gòu)面膠結(jié)后力學(xué)性質(zhì)有所增強(qiáng)，F(xiàn)e質(zhì)膠結(jié)的強(qiáng)度最高，泥質(zhì)與易溶鹽類膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度最低，且抗水性差。未膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面，力學(xué)性質(zhì)取決于其充填情況，可分為薄膜充填、斷續(xù)充填、連續(xù)充填及厚層充填4類：1）薄膜充填是結(jié)構(gòu)面兩壁附著一層極薄的礦物膜，厚度多小于1mm，多明顯降低結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度。2）斷續(xù)充填結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)與充填物性質(zhì)、壁巖性質(zhì)及結(jié)構(gòu)面的形態(tài)有關(guān)。3）連續(xù)充填結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)主要取決于充填物性質(zhì)。4）厚層充填結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)很差，主要取決于充填物性質(zhì)，巖體往往易于沿這種結(jié)構(gòu)面滑移而失穩(wěn)。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,九、軟弱結(jié)構(gòu)面軟弱結(jié)構(gòu)面是巖體中具有一定厚度的軟弱帶(層)，與兩盤巖體相比具有高壓縮和低強(qiáng)度等特征，在產(chǎn)狀上多屬緩傾角結(jié)構(gòu)面。主要包括：原生軟弱夾層、構(gòu)造及擠壓破碎帶、泥化夾層及其他夾泥層等。特性：由原巖的超固結(jié)膠結(jié)式結(jié)構(gòu)變成了泥質(zhì)散狀結(jié)構(gòu)或泥質(zhì)定向結(jié)構(gòu)；粘粒含量很高；含水量接近或超過(guò)塑限；密度比原巖小；常具有一定的脹縮性；力學(xué)性質(zhì)比原巖差；強(qiáng)度低；壓縮性高；易產(chǎn)生滲透變形。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,十、結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系控制著可能滑移巖體的幾何邊界條件、形態(tài)、規(guī)模、滑動(dòng)方向及滑移破壞類型，它是工程巖體穩(wěn)定性預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。任何堅(jiān)硬巖體的塊體滑移破壞，都必須具備一定的幾何邊界條件。因此，在研究巖體穩(wěn)定性時(shí)，必須研究結(jié)構(gòu)面之間及其與臨空面之間的組合關(guān)系，確定可能失穩(wěn)塊體的形態(tài)、規(guī)模和可能滑移方向等。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.4巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng),巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)實(shí)質(zhì)：探討巖體結(jié)構(gòu)對(duì)巖體力學(xué)行為與力學(xué)作用的影響。,巖體的應(yīng)力傳播,巖體的變形破壞,巖體的力學(xué)介質(zhì),巖體結(jié)構(gòu),軟弱結(jié)構(gòu)面,硬性結(jié)構(gòu)面,巖體變形破壞的重要控制因素或邊界,劃分巖體結(jié)構(gòu)、鑒別巖體力學(xué)介質(zhì)類型的重要依據(jù),控制,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,“硬性結(jié)構(gòu)面”巖塊間呈剛性接觸的無(wú)任何充填的結(jié)構(gòu)面。,“軟弱結(jié)構(gòu)面”力學(xué)強(qiáng)度明顯低于圍巖，一般充填有一定厚度軟弱物質(zhì)的結(jié)構(gòu)面。如泥化、軟化、破碎薄夾層等。軟弱結(jié)構(gòu)面是巖體中最容易產(chǎn)生變形和破壞的部位。它常常成為危險(xiǎn)的切割面、滑移面或構(gòu)成有害的壓縮變形帶，導(dǎo)致巖體產(chǎn)生不允許的變形或失穩(wěn)。,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,3.4.1巖體變形機(jī)制,巖體變形的過(guò)程是力學(xué)變形過(guò)程：巖塊壓縮變形是巖塊在全圍壓下體積縮?。粠r塊形狀改變、巖塊沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)和結(jié)構(gòu)體滾動(dòng)是在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生的；板裂結(jié)構(gòu)體橫向彎曲傾倒變形是在力矩作用下產(chǎn)生的等。,巖體變形：結(jié)構(gòu)體變形+結(jié)構(gòu)面變形,第三章巖體結(jié)構(gòu)控制論,巖體變形不僅與受力狀態(tài)（外因）密切相關(guān)，而且受巖體結(jié)構(gòu)（內(nèi)因）控制。不同結(jié)構(gòu)的巖體變形不同：塊裂結(jié)構(gòu)巖體最主要的變形是沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)；完整結(jié)構(gòu)巖體的變形，主要是