巖體地質與結構特征

1、巖體力學,第一章,巖體地質與結構特征,李,英,第一章,巖體的地質與結構特征,第一章,巖體地質與結構特征,1.1,概述,1.2,巖塊及其特征,1.3,結構面的特征,1.4,巖體結構特征及結構控制論,第一章,巖體的地質與結構特征,?,巖石,（,Rock,）礦物、巖屑的集合體。,?,結構面,（,Structural Plane,）,指地質歷史發(fā)展,過程中，在巖體內形成的具有一定的延伸方向和,長度，厚度相對較小的,地質界面或帶,。,?,巖塊,（,Rock block,或,Rock,）指不含顯著結構面,的巖石塊體，是構成巖體的最小,巖石單元體,。,?,巖體,（,Rockmass,）是指地質歷史過程中形成

2、的，,由巖塊和結構面網(wǎng)絡組成的，具有一定的結構并,賦存于一定的天然應力狀態(tài)和地下水等地質環(huán)境,中的,地質體,。,1.1,概述,第一章,巖體的地質與結構特征,一、巖塊的物質組成,1.2,巖塊及其特征,巖塊的力學性質主要取決于組成巖石的礦物成分,及其相對含量,粘土礦物,硅酸鹽類礦物,碳酸鹽類礦物,氧化物類礦物,組成巖石,的礦物,第一章,巖體的地質與結構特征,二、巖塊的結構與構造,巖塊的結構,：巖石內礦物顆粒的大小、形狀、排,列方式及微結構面發(fā)育情況與粒間連結方式等反,映在巖塊構成上的特征。,結晶連結,：礦物顆粒通過結晶相互嵌合在一起，,它是通過共用原子或離子使不同晶粒緊密接觸。,巖石的粒間連結分結

3、晶連結與膠結連結,膠結連結,：礦物顆粒通過膠結物連結在一起。,膠結連結的,巖塊強度,硅質膠結,鐵質、鈣質,泥質膠結,第一章,巖體的地質與結構特征,二、巖塊的結構特征,微結構面,削弱巖塊的強度，導致各向異性,顆粒形狀,強度：,粒狀、柱狀,片狀,鱗狀,顆粒大小,強度：,粗粒,細粒,第一章,巖體的地質與結構特征,二、巖塊的結構特征,巖塊的構造,：礦物集合體之間及其與其他組分之,間的排列組合方式。,?,如巖漿巖中的流線、流面構造，沉積巖中的微,層狀構造，變質巖中的片狀構造及其定向構造。,第一章,巖體的地質與結構特征,三、巖塊的風化,?,巖石,=,礦物組成和結構改變,=,巖塊的物理力,學性質改變（強度降

4、低、抗變形性能減弱、空隙,率增大，滲透性加大）,風化,衡量巖塊的風化程度的指標：,定性,指標主要有：顏色、礦物蝕變程度、破碎程,度及開挖錘擊技術特征等。,定量,指標主要有,風化空隙率,指標和,波速,指標等。,第一章,巖體的地質與結構特征,?,風化空隙率指標,(Iw),：快速浸水后風,化巖塊吸入水的質量與干燥巖塊質量,之比。,rd,w,w,m,m,I,?,cw,cw,f,k,?,?,?,rp,cp,v,v,v,k,?,?,波速指標,?,縱波波速（,?,cp,）,?,波速比,(,k,v,),?,風化系數(shù),第一章,巖體的地質與結構特征,硬質巖石按波速指標的風化分級表,風化程度,v,cp,（,m/s,

5、）,k,v,k,f,全風化,5001000,0.20.4,-,強風化,10002000,0.40.6,0.4,中等風化,20004000,0.60.8,0.40.8,微風化,40005000,0.80.9,0.80.9,未風化,5000,0.91.0,0.91.0,巖土工程勘察規(guī)范（,GB50021-2002,）,第一章,巖體的地質與結構特征,一、結構面的成因類型,(,一,),地質成因類型,?,原生結構面,?,構造結構面,?,次生結構面,(,二,),力學成因類型,?,張性結構面,?,剪性結構面,1.3,結構面特征,第一章,巖體的地質與結構特征,巖體結構面的類型及其特征,成因類,型,地質類型,主

6、,要,特,征,工程地質評價,產,狀,分,布,性,質,原,生,結,構,面,沉積,結構,面,1,層理層面,2,軟弱夾層,3,不整合面、假整合面,4,沉積間斷面,一般與巖層產,狀一致，為層,間結構面,海相巖層中此類結構面分,布穩(wěn)定，陸相巖層中呈交,錯狀，易尖滅,層面、軟弱夾層等結構面較為平整；,不整合面及沉積間斷面多由碎屑泥質,物構成，且不平整,國內外較大的壩基滑動及滑坡很多由此類結,構面所造成的，如奧斯汀、圣,弗朗西斯、,馬爾帕塞壩的破壞，瓦依昂水庫附近的巨大,滑坡,巖漿,巖結,構面,1,侵入體與圍巖接觸,面,2,巖脈巖墻接觸面,3,原生冷凝節(jié)理,巖脈受構造結,構面控制，而,原生節(jié)理受巖,體接觸面

7、控制,接觸面延伸較遠，,比較穩(wěn)定，而原生,節(jié)理往往短小密集,與圍巖接觸面可具熔合及破碎,兩種不同的特征，原生節(jié)理一,般為張裂面，較粗糙不平,一般不造成大規(guī)模的巖體破壞，但,有時與構造斷裂配合，也可形成巖,體的滑移，如有的壩肩局部滑移,變質,結構,面,1,片理,2,片巖軟弱夾層,產狀與巖層或,構造方向一致,片理短小，分布極,密，片巖軟弱夾層,延展較遠，具固定,層次,結構面光滑平直，片理在巖層,深部往往閉合成隱蔽結構面，,片巖軟弱夾層具片狀礦物，呈,鱗片狀,在變質較淺的沉積巖，如千枚巖等,路塹邊坡常見塌方。片巖夾層有時,對工程及地下洞體穩(wěn)定也有影響,構造結,構面,1,節(jié)理,（,X,型節(jié)理、,張節(jié)理

8、）,2,斷層,（沖斷層、捩,斷層、橫斷層）,3,層間錯動,4,羽狀裂隙、劈理,產狀與構造線,呈一定關系，,層間錯動與巖,層一致,張性斷裂較短小，,剪切斷裂延展較遠，,壓性斷裂規(guī)模巨大，,但有時為橫斷層切,割成不連續(xù)狀,張性斷裂不平整，常具次生充,填，呈鋸齒狀，剪切斷裂較平,直，具羽狀裂隙，壓性斷層具,多種構造巖，成帶狀分布，往,往含斷層泥、糜棱巖,對巖體穩(wěn)定影響很大，在上述許多,巖體破壞過程中，大都有構造結構,面的配合作用。此外常造成邊坡及,地下工程的塌方、冒頂,次生結,構面,1,卸荷裂隙,2,風化裂隙,3,風化夾層,4,泥化夾層,5,次生夾泥層,受地形及原結,構面控制,分布上往往呈不連,續(xù)狀

9、，透鏡狀，延,展性差，且主要在,地表風化帶內發(fā)育,一般為泥質物充填，水理性質,很差,在天然及人工邊坡上造成危害，有,時對壩基、壩肩及淺埋隧洞等工程,亦有影響，但一般在施工中予以地,基處理,第一章,巖體的地質與結構特征,(,一,),地質成因類型,1.,原生結構面,巖體在成巖過程中形成的結構面。,?,沉積結構面,是沉積巖在沉積和成巖過程中形成的，有層理,面、軟弱夾層、沉積間斷面和不整合面等。,?,巖漿結構面,是巖漿侵入及冷凝過程中形成的結構面，包括,巖漿巖體與圍巖的接觸面、各期巖漿巖之間的接觸面和原,生冷凝節(jié)理等。,?,變質結構面,在變質過程中形成，分為殘留結構面和重結晶,結構面。,2.,構造結構

10、面,是巖體形成后在構造應力作用下形成的各種,破裂面，包括斷層、節(jié)理、劈理和層間錯動面等。,3.,次生結構面,是巖體形成后在外營力作用下產生的結構面，,包括卸荷裂隙、風化裂隙、次生夾泥層和泥化夾層等。,第一章,巖體的地質與結構特征,(,二,),力學成因類型,1,、張性結構面,是由拉應力形成的，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：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，導水性強,2,、剪性結構面,是剪應力形成的，破裂面兩側巖體產生相對,滑移，如逆斷層、平移斷層以及多數(shù)正斷層等。,?,特點：連續(xù)性好，面較平直，延伸較長并有

11、擦痕鏡面等。,第一章,巖體的地質與結構特征,二、結構面的規(guī)模,?,級,指大斷層或區(qū)域性斷層?？刂乒こ探ㄔO地區(qū),的地殼穩(wěn)定性，直接影響工程巖體穩(wěn)定性；,?,級,指延伸長而寬度不大的區(qū)域性地質界面。,?,級,指長度數(shù)十米至數(shù)百米的斷層、區(qū)域性節(jié)理、,延伸較好的層面及層間錯動等。,、級結構面控制著工程巖體力學作用的邊界條,件和破壞方式，它們的組合往往構成可能滑移巖體,的邊界面，直接威脅工程安全穩(wěn)定性,第一章,巖體的地質與結構特征,?,級,指延伸較差的節(jié)理、層面、次生裂隙、小斷層,及較發(fā)育的片理、劈理面等。是構成巖塊的邊界面，,破壞巖體的完整性，影響巖體的物理力學性質及應,力分布狀態(tài)。,級結構面主要控

12、制著,巖體,的結構、完整性和物理,力學性質，數(shù)量多且具隨機性，其分布規(guī)律具統(tǒng)計,規(guī)律，需用,統(tǒng)計方法,進行研究。,?,級,又稱微結構面。常包含在巖塊內，主要影響巖,塊的物理力學性質，控制,巖塊,的力學性質。,二、結構面的規(guī)模,第一章,巖體的地質與結構特征,?,走向、傾向、傾角,?,結構面與最大主應,力間的關系控制著,巖體的破壞機理與,強度。,三、,產狀,?,?,?,?,?,?,?,2,sin,),1,(,),(,2,3,3,1,ctg,tg,tg,C,j,j,j,?,?,?,?,?,據(jù)單結構面理論，巖體中存在一組結構面時，巖體的極限強,度與結構面傾角間的關系為：,第一章,巖體的地質與結構特征,

13、第二章,巖體地質與結構特征,1.1,概述,1.2,巖塊及其特征,1.3,結構面的特征,1.4,巖體結構特征及結構控制論,第一章,巖體的地質與結構特征,四,連續(xù)性,?,結構面的連續(xù)性反映結構面的貫通程度。,?,1,、,線連續(xù)性系數(shù)：,指沿結構面延伸方向，結構面各,段長度之和,(,a),與測線長度的比值。,?,?,?,?,?,b,a,a,K,1,K,1,變化在,0,1,之間，,K,1,值愈大說明結構面的連續(xù)性愈,好，當,K,1,1,時，結構面完全貫通。,?,2,、,面連續(xù)性系數(shù)：,指沿結構面延伸方向，結構面面,積之和與總面積的比值。,第一章,巖體的地質與結構特征,結構面連續(xù)性分級表,描述,跡長（,

14、m,）,很低連續(xù)性,1,低連續(xù)性,13,中等連續(xù)性,310,高連續(xù)性,1020,很高連續(xù)性,20,第一章,巖體的地質與結構特征,五,密度,?,結構面的密度反映結構面發(fā)育的密集程度。,?,1,、,線密度,(,K,d,),是指結構面法線方向單位測線長度,上交切結構面的條數(shù),(,條,m),。,?,2,、,間距,(,d,),則是指同一組結構面法線方向上兩相,鄰結構面的平均距離。,Kd,與,d,互為倒數(shù)關系,如果測線水平布置，且與結構面法線的夾角為,，,結構面的傾角為,時,:,cos,sin,cos,sin,?,?,?,?,d,d,K,L,n,K,?,?,第一章,巖體的地質與結構特征,第一章,巖體的地質

15、與結構特征,cos,sin,cos,sin,?,?,?,?,d,d,K,L,n,K,?,?,第一章,巖體的地質與結構特征,結構面間距分級表,描述,間距（,mm,）,極密集的間距,20,很密集的間距,2060,密集的間距,60200,中等的間距,200600,寬的間距,6002000,很寬的間距,20006000,極寬的間距,6000,第一章,巖體的地質與結構特征,?,用線密度來估算,巖體質量指標,RQD,(rock quality,designation),),1,1,.,0,(,100,1,.,0,?,?,?,d,k,k,e,RQD,d,?,巖體質量指標,RQD,：長度大于,10cm,的巖心

16、長度,之和與鉆孔總進尺的百分比。,%,100,10,?,?,鉆孔總進尺,的巖心長度之和,長度大于,cm,RQD,第一章,巖體的地質與結構特征,六,張開度,?,結構面的,張開度,是指結構面兩壁面間的,垂直距離。,?,結構面兩壁面一般不是緊密接觸，使結構面實際,接觸面積減少，導致結構面粘聚力降低和滲透性,增大。,?,如在層流條件下，平直而兩壁平行的單個結構面,的滲透系數(shù),(K,f,),可表達為：,v,ge,K,f,12,2,?,第一章,巖體的地質與結構特征,結構面張開度分級表,描述,結構面張開度,（,mm,）,分類,很緊密,緊密,部分張開,0.1,0.10.25,0.250.5,閉合結構面,張開,

17、中等寬的,寬的,0.52.5,2.510,10,裂開結構面,很寬的,極寬的,似洞穴的,10100,1001000,1000,張開結構面,第一章,巖體的地質與結構特征,級及部分級結構面的產狀、跡長、間距及張,開度等幾何特征參數(shù)，服從一定的,隨機分布規(guī)律,。,第一章,巖體的地質與結構特征,N,E,W,N,S,E,W,2,3,4,5,6,7,8,9,0,2,4,6,8,10,12,0,2,4,6,8,10,12,第一章,巖體的地質與結構特征,T=10cm,T=30cm,T=50cm,T=70cm,第一章,巖體的地質與結構特征,七,形態(tài),?,結構面的形態(tài)可以用側壁的,起伏形態(tài),及,粗糙度,來反映。,?

18、,結構面?zhèn)缺诘?起伏形態(tài),分為：,平直的、波狀的、鋸齒狀的、,臺階狀的和不規(guī)則狀的。,),2,(,L,h,arctg,i,?,側壁的起伏程度可用,起伏角,(,i,),表示。,第一章,巖體的地質與結構特征,?,結構面的,粗糙度,用,粗糙度,系,JRC,(joint roughness,coefficient),表示。,?,隨粗糙度的增大，結構面,的摩擦角也增大。,?,根據(jù)標準粗糙度剖面將結,構面的粗糙度系數(shù)劃分為,10,級,。,第一章,巖體的地質與結構特征,八,充填膠結特征,結構面膠結后,力學性質,有所增強，,Fe,質膠結的強度最高，泥質,與易溶鹽類膠結的結構面強度最低，且抗水性差。,未膠結的結

19、構面，,力學性質,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,是結構面兩壁附著一層極薄的礦物膜，厚度多小于,1mm,，多明顯降低結構面的強度。,2,斷續(xù)充填,結構面的力學性質與充填物性質、壁巖性質及結構,面的形態(tài)有關。,3,連續(xù)充填,結構面的力學性質主要取決于充填物性質。,4,厚層充填,結構面的力學性質很差，主要取決于充填物性質，,巖體往往易于沿這種結構面滑移而失穩(wěn)。,第一章,巖體的地質與結構特征,九,軟弱結構面,?,軟弱結構面,是巖體中具有一定厚度的,軟弱帶,(,層,),，,與兩盤巖體相比具有,高壓縮和低強度,等特征，在產,狀上多屬緩傾角結構面。

20、,?,主要包括原生軟弱夾層、構造及擠壓破碎帶、泥化,夾層及其他夾泥層等。,第一章,巖體的地質與結構特征,九,軟弱結構面,?,泥化夾層特性：,1,、,由原巖的超固結膠結式結構變成了泥質散狀結構,或泥質定向結構,2,、,粘粒含量很高,3,、,含水量接近或超過塑限,4,、,密度比原巖小,5,、,常具有一定的脹縮性,6,、,力學性質比原巖差,7,、,強度低,8,、,壓縮性高,9,、,易產生滲透變形,第一章,巖體的地質與結構特征,十、結構面的組合關系,?,結構面的組合關系控制著,可能滑移巖體,的幾何邊,界條件、形態(tài)、規(guī)模、滑動方向及滑移破壞類型，,它是工程巖體穩(wěn)定性預測與評價的基礎。,?,任何堅硬巖體的

21、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，,必須研究結構面之間及其與臨空面之間的組合關,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。,?,結構面組合關系的分析可用,赤平投影、立體投影,和三角幾何計算法,等進行。,第一章,巖體的地質與結構特征,第一章,巖體的地質與結構特征,第一章,巖體的地質與結構特征,第一章,巖體的地質與結構特征,1.4,巖體的結構特征,一、巖體的組成,?,巖體,是由,結構面網(wǎng)絡,及其所圍限的,巖塊,(,結構,體,),所組成。,?,具有一定的,結構,是巖體的,顯著特征,之一。,?,巖體中存在著復雜的天然應力狀態(tài)和,地下水,，,這是巖體與

22、其他材料的,根本區(qū)別,之一。,第一章,巖體的地質與結構特征,二、巖體的結構,?,巖體結構,(rockmass structure),指巖體中結構面與,結構體的,排列組合關系,。,1,結構體特征,?,結構體,(structural element),指巖體中被結構面切,割圍限的巖石塊體。,它不同于巖塊的概念。,?,結構體的,規(guī)模,取決于結構面的密度，密度愈小，結,構體的規(guī)模愈大,與結構面對應,劃分為五級。,?,常用,塊度模數(shù),（單位體積內的級結構體數(shù),),或結,構體體積來表示結構體規(guī)模。,第一章,巖體的地質與結構特征,結構體的形狀示意圖,?,結構體常見的形狀,:,柱狀、板狀、楔形、菱形,?,形狀

23、不同，穩(wěn)定性不同。,第一章,巖體的地質與結構特征,2,巖體的結構類型,巖體結,構類型,巖體地質類型,主要,結構,形狀,結構面發(fā)育情況,巖土工程特征,可能發(fā)生的巖土,工程問題,整體狀,結,構,均質，巨塊狀巖漿巖、,變質巖，巨厚層沉積,巖、正變質巖,巨塊,狀,以原生構造節(jié)理為主，多呈閉合型，,裂隙結構面間距大于,1,5m,，一般,不超過,1,2,組，無危險結構面組成,的落石掉塊,整體性強度高，巖體穩(wěn)定，,可視為均質彈性各向同性體,不穩(wěn)定結構體的,局部滑動或坍塌，,深埋洞室的巖爆,塊狀結,構,厚層狀沉積巖、正變,質巖、塊狀巖漿巖、,變質巖,塊狀、,柱,狀,只具有少量貫穿性較好的節(jié)理裂隙，,裂隙結構面間距,0.7,1.5m,。一般為,2,3,組，有少量分離體,整體強度較高，結構面互相,牽制，巖體基本穩(wěn)定，接近,彈性各向同性體,層狀結,構,多韻律的薄層及中厚,層狀沉積巖、副變質,巖,層狀、,板狀、,透鏡,體,有層理、片理、節(jié)理，常有層間錯,動面,接近均一的各向異性體，其,變形及強度特征受層面及巖,層組合控制，可視為彈塑性,體，穩(wěn)定性較差,不穩(wěn)定結構體可,能產生滑塌，特,別是