巖層及構(gòu)造基礎(chǔ)理論

1、巖層及構(gòu)造基礎(chǔ)理論一、 巖石的分類巖石是自然形成的產(chǎn)物；巖石是由一種或幾種礦物組成的固態(tài)集合體。巖石是由一種或多種礦物和膠結(jié)物、火山玻璃、生物遺骸等物質(zhì)組成的。它們是在地殼中形成的，是機(jī)械作用、物理化學(xué)作用和生物作用等綜合地質(zhì)作用的產(chǎn)物，也是地殼和上地幔頂部的重要組成部分。巖石不包括人工合成的工藝巖石，比如陶瓷是由含高嶺石的瓷土燒制而成的，不能稱為巖石；澆注混凝土里面雖然有很多大小不等的石塊，也只是建筑材料，而不是巖石。 巖石是有一定形狀的固態(tài)集合體，有的成層狀、片狀；有的成塊狀、球狀、柱狀，形狀各異。換句話說，那些沒有固結(jié)的的松散沉積物，如礫石、砂子、黏土、火山灰，海底沉積物等碎屑。由于它們

2、沒有固定的形態(tài)，更沒有膠結(jié)形成堅(jiān)硬的巖石，因此，他們不在巖石之列。還有石油，因?yàn)樗且后w，也不能稱為巖石。 在絕大多數(shù)情況下，巖石都是由幾種礦物組成的集合體。但是在個(gè)別情況下，也有由一種礦物組成的巖石，如石灰?guī)r只是由方解石組成的；石英巖是由單礦物石英組成的。由于巖石類型不同，在很多巖石中，除了礦物之外，還有一些其他物質(zhì)。比如礦物顆粒之間的膠結(jié)物；遺留在巖石中的植物和動(dòng)物遺跡（也稱化石）；還有由于巖石形成溫度高，冷卻快、來不及結(jié)晶而形成的火山玻璃，這些物質(zhì)也都是構(gòu)成巖石集合體的成分。 由于其礦物組合、礦物成分和礦物含量千變?nèi)f化，使形成的巖石仍然各不相同。比如花崗巖是酸性侵入巖，主要是由石英、酸性

3、斜長(zhǎng)石和云母組成的；玄武巖是基性噴出巖，它的主要礦物成分是橄欖石、輝石、角閃石和基性斜長(zhǎng)石。礦物組合明顯不一樣，即使都有長(zhǎng)石，成分也不同。 雖然巖石的面貌是千變?nèi)f化的，但是從它們形成的環(huán)境，也就是從成因上來劃分，可以把巖石分為三大類：沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖。二、 各類巖石簡(jiǎn)介及其工程特性 巖漿巖1. 巖漿巖的形成地殼下部，由于放射性元素的集中，不斷地蛻變而放出大量的熱能，使物質(zhì)處于高溫（1000C以上）、高壓（上部巖石的重量產(chǎn)生的巨大壓力）的過熱可塑狀態(tài)。成分復(fù)雜，但主要是硅酸鹽，并含有大量的水汽和各種其他的氣體。當(dāng)?shù)貧ぷ儎?dòng)時(shí)，上部巖層壓力一旦減低，過熱可塑性狀態(tài)的物質(zhì)就立即轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷氐娜廴隗w

4、，稱為巖漿。巖漿內(nèi)部壓力很大，不斷向地殼壓力低的地方移動(dòng)，以致沖破地殼深部的巖層，沿著裂縫上升。上升到一定高度，溫度、壓力都要減低。當(dāng)巖漿的內(nèi)部壓力小于上部巖層壓力時(shí)，迫使巖漿停留下，冷凝成巖漿巖。2. 巖漿巖的成分及工程特性分析主要有SiO2、TiO2、A1203、Fe203、FeO、MgO、 MnO、CaO、K2O、Na2O等。礦物種類影響：一般硬度大的粒狀和柱狀礦物含量愈高，則其強(qiáng)度越高，如石英、長(zhǎng)石、角閃石、輝石和橄欖石等礦物。硬度低，解理非常發(fā)育的礦物含量越高，則巖石強(qiáng)度越低，如云母特別是黑云母。礦物化學(xué)穩(wěn)定性影響：石英、白云母的化學(xué)穩(wěn)定性高，特別是石英的抗風(fēng)化能力特強(qiáng)，而長(zhǎng)石，特別

5、是黑云母、角閃石、輝石、橄欖石等，在地表?xiàng)l件下，極易發(fā)生化學(xué)分解，形成次生的粘土礦物。因此，暗色礦物含量高的巖漿巖，其工程性質(zhì)要差一些。3. 巖漿巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及工程特性分析3.1巖漿巖的結(jié)構(gòu)巖漿巖的結(jié)構(gòu)，是指組成巖石的礦物的結(jié)晶程度、晶粒的大小、形狀及其相互結(jié)合的情況。巖漿巖的結(jié)構(gòu)特征，是巖漿成分和巖漿冷凝時(shí)物理環(huán)境的綜合反映。結(jié)晶程度上可分為：半晶質(zhì)結(jié)構(gòu)：巖石由結(jié)晶的礦物顆粒和部分未結(jié)晶的玻璃質(zhì)組成全晶質(zhì)結(jié)構(gòu)：巖石全部由結(jié)晶的礦物顆粒組成非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)：巖石全部由熔巖冷凝的玻璃質(zhì)組成（玻璃質(zhì)）工程特性：結(jié)晶礦物的晶粒依靠直接接觸的力牢固的聯(lián)結(jié)一起，結(jié)合力強(qiáng)，孔隙小，孔隙度低，穩(wěn)定性好，強(qiáng)度一般

6、較高。相對(duì)大小上可分為：等粒結(jié)構(gòu)（全晶質(zhì)）：同一種礦物的結(jié)晶顆粒大小近似者 似斑狀結(jié)構(gòu)（全晶質(zhì)）：巖石中的同一種主要礦物，其結(jié)晶顆粒如大小懸殊 斑狀結(jié)構(gòu)（半晶質(zhì)）：由結(jié)晶顆粒和基質(zhì)組成工程特性：等粒結(jié)構(gòu)比不等粒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，如細(xì)?；◢弾r抗壓強(qiáng)度為260 MPa，粗?；◢弾r僅為120 MPa，等?；◢弾r抗拉強(qiáng)度為18 MPa，斑狀花崗巖則為4 MPa。3.2巖漿巖的構(gòu)造巖漿巖的構(gòu)造是指礦物在巖石中的組合方式和空間分布情況。構(gòu)造的特征主要取決于巖漿冷凝時(shí)的環(huán)境。 巖漿巖最常見的構(gòu)造主要有塊狀構(gòu)造、流紋狀構(gòu)造、氣孔狀構(gòu)造、杏仁狀構(gòu)造。塊狀構(gòu)造：礦物在巖石中分布雜亂無章，不顯層次，呈致密塊狀。如花崗巖、

7、花崗斑巖等一系列深成巖與淺成巖的構(gòu)造。流紋狀構(gòu)造：由于熔巖流動(dòng)，由一些不同顏色的條紋和拉長(zhǎng)的氣孔等定向排列所形成的流動(dòng)狀構(gòu)造。這種構(gòu)造僅出現(xiàn)于噴出巖中，如流紋巖所具的構(gòu)造。氣孔和杏仁狀構(gòu)造：是噴出巖中常見的構(gòu)造。由于巖漿迅速凝固而保留在巖石中形成的空洞，為七孔樁構(gòu)造；當(dāng)氣孔被巖漿期后的礦物質(zhì)填充時(shí)，其填充物狀如杏仁，故稱為杏仁狀構(gòu)造。工程特性分析：構(gòu)造的不均勻性和裂隙發(fā)育降低巖石強(qiáng)度。 噴出巖流紋構(gòu)造、杏仁狀構(gòu)造等，使巖石呈現(xiàn)非均質(zhì)和各向異性。一些強(qiáng)度低、易風(fēng)化的礦物多沿一定方向富集，成條帶狀分布，或局部聚集。氣孔構(gòu)造，各種裂隙等，均使巖石的連續(xù)性和整體性受到影響。在外力作用下，裂隙成為巖石破

8、壞突破口。同時(shí)，巖石裂隙和孔隙的發(fā)育，增大了巖石孔隙度，促進(jìn)風(fēng)化作用進(jìn)行，為水的進(jìn)入提供了通道，被水飽和的巖石，其粒間的聯(lián)結(jié)力遭到削弱，其強(qiáng)度會(huì)大大降低。另外，侵入巖礦物結(jié)晶好，顆粒之間聯(lián)接牢固，多呈塊狀構(gòu)造。因此，侵入巖抗水性強(qiáng)、力學(xué)強(qiáng)度及彈性模量高，具有較好的工程性質(zhì)。但侵入巖礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同，其工程性質(zhì)有較大的差別。噴出巖具有隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、致密塊狀構(gòu)造的粗面巖、安山巖、玄武巖等，工程性質(zhì)良好，其強(qiáng)度甚至稍大于花崗巖，但當(dāng)這類巖石具有明顯的流紋、氣孔構(gòu)造或含有原生節(jié)理時(shí)，工程性質(zhì)變差，孔隙度增加，抗水性降低，力學(xué)強(qiáng)度及彈性模量減小。所以在路基路面建設(shè)施工過程中，應(yīng)充分考慮上述因素的影響

9、。4. 常見的巖漿巖酸性巖類花崗巖、花崗斑巖、流紋巖.中性巖類正長(zhǎng)巖、正長(zhǎng)斑巖、粗面巖、閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)斑巖、安山巖基性巖類輝長(zhǎng)巖、輝綠巖、玄武巖 沉積巖1. 沉積巖的形成露出地表的各種巖石-風(fēng)化破壞-形成巖石碎屑、細(xì)粒粘土礦物、溶解物質(zhì)-被流水等運(yùn)動(dòng)介質(zhì)搬運(yùn)到河、湖、海洋等低洼的地方沉積下來-長(zhǎng)期壓密、膠結(jié)、重結(jié)晶等復(fù)雜的地質(zhì)過程-形成了沉積巖。 2. 沉積巖的成分及分類沉積巖主要是由碎屑物質(zhì)、粘土礦物、化學(xué)沉積礦物等組成。有機(jī)質(zhì)及生物殘骸由生物殘骸或有機(jī)化學(xué)變化而成的物質(zhì)。如貝殼、泥炭及其它有機(jī)質(zhì)等。3. 沉積巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及工程特性分析3.1沉積巖的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)主要是指巖石組成物質(zhì)、顆粒大小及其

10、形狀等方面的特點(diǎn)。沉積巖的結(jié)構(gòu)包括：碎屑結(jié)構(gòu)：由碎屑物質(zhì)被膠結(jié)物膠結(jié)而成泥質(zhì)結(jié)構(gòu)：幾乎全部由小于0.005mm的粘土質(zhì)點(diǎn)組成。是泥巖、頁巖等粘土巖的主要結(jié)構(gòu)結(jié)晶結(jié)構(gòu)：由溶液中沉淀或經(jīng)重結(jié)晶所形成的結(jié)構(gòu)。由沉淀生成的晶粒極細(xì)，經(jīng)重結(jié)晶作用晶粒變粗，但一般多小于1mm，肉眼不易分辨。結(jié)晶結(jié)構(gòu)為石灰?guī)r、白云巖等化學(xué)巖的主要結(jié)構(gòu)。 生物結(jié)構(gòu)：由生物遺體或碎片所組成，如貝殼結(jié)構(gòu)、珊瑚結(jié)構(gòu)等。是生物化學(xué)巖所具有的結(jié)構(gòu)。在工程上，常見的煤層及與之共生的煤系地層，工程性質(zhì)較差，要注意地下工程中常常遇到的瓦斯問題和煤層突出問題。3.2沉積巖的構(gòu)造巖石的構(gòu)造是指其組成部分的空間分布及其相互間的排列關(guān)系。沉積巖最主

11、要的構(gòu)造是層理構(gòu)造。 由于季節(jié)性氣候的變化，沉積環(huán)境的改變，使先后沉積的物質(zhì)在顆粒大小、形狀、顏色和成分上發(fā)生相應(yīng)變化，從而顯示出來的成層現(xiàn)象，稱為層理構(gòu)造。 層理分為：水平層理 、斜層理、交錯(cuò)層理 工程特性分析：層理與層面構(gòu)造及巖相變化：如縫合線構(gòu)造、泥裂、波紋、交錯(cuò)層理及層間角礫巖塊等，使得巖層層面參差不齊，上下相鄰巖層相互咬合很牢，利于碎屑巖層的穩(wěn)定。垂直層理方向，薄層泥灰?guī)r和或頁巖等軟弱夾層，或巖性軟硬相間，往往導(dǎo)致層間滑動(dòng)及層間扭曲，并伴有滲水，對(duì)巖體穩(wěn)定不利，順層滑坡多與此有關(guān)。在水平方向上，巖性巖相變化非常復(fù)雜，巖層厚度常因相變尖來而形成透鏡體、扁豆體，構(gòu)成船形滑移體。巖體在垂直

12、方向和水平方向不均勻性和各向異性，在適宜的構(gòu)造和地貌條件下可產(chǎn)生各種各樣的工程地質(zhì)問題。4. 常見的沉積巖粘土巖類主要由粘土礦物及其他礦物的粘土粒組成的巖石，如頁巖、泥巖等。碎屑巖類主要由碎屑物質(zhì)組成的巖石。其中由先成巖石風(fēng)化破壞產(chǎn)生的碎屑物質(zhì)形成的，稱為沉積碎屑巖，如礫巖、砂巖及粉砂巖等；由火山噴出的碎屑物質(zhì)形成的，稱為火山碎屑巖，如火山角礫巖、凝灰?guī)r等。5. 與巖漿巖的區(qū)別 沉積巖的層理構(gòu)造、層面特征和含有化石，是沉積巖在構(gòu)造上區(qū)別于巖漿巖的重要特征。 在沉積巖的組成物質(zhì)中，粘土礦物、方解石、白云石、有機(jī)質(zhì)等，是沉積巖所特有的，是物質(zhì)組成上區(qū)別于巖漿巖的一個(gè)重要特征。 變質(zhì)巖1. 變質(zhì)巖的

13、形成變質(zhì)巖是由原來的巖石（巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖）在地殼中受到高溫、高壓及化學(xué)成分加入的影響，在固體狀態(tài)下發(fā)生礦物成分及結(jié)構(gòu)構(gòu)造變化后形成的新的巖石。在變質(zhì)因素的影響下，促使巖石在固體狀態(tài)下改變其成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的作用，稱為變質(zhì)作用。變質(zhì)作用的因素主要包括：高溫：因?yàn)闇囟壬吆螅环矫婺艽偈箮r石發(fā)生重結(jié)晶，形成新的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，如石灰?guī)r發(fā)生重結(jié)晶作用后晶粒增大，成為大理巖；另一方面還能促進(jìn)礦物間的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新的變質(zhì)礦物。 高壓：在靜壓力長(zhǎng)期作用下，巖石的孔隙性減小，使巖石變得更加致密堅(jiān)硬； 會(huì)使巖石的塑性增強(qiáng)，比重增大，形成石榴子石等比重大的變質(zhì)礦物； 使巖石和礦物發(fā)生變形和破裂，形成各種破碎

14、構(gòu)造； 有利于片狀、柱狀礦物定向生長(zhǎng)； 促進(jìn)新的礦物組合和發(fā)生重結(jié)晶作用，而形成變質(zhì)巖特有的片理構(gòu)造。新的化學(xué)成分的加入 ：在溫度和壓力的綜合作用下，這些具有化學(xué)活動(dòng)性的成分， 容易與圍巖發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生各種新的變質(zhì)礦物，甚至?xí)箮r 石的化學(xué)成分發(fā)生深刻的變化。2. 變質(zhì)巖的成分除原來巖石的礦物，如石英、長(zhǎng)石、云母、角閃石、輝石、方解石、白云石等外，變質(zhì)巖還多了變質(zhì)礦物，如石榴子石、滑石、綠泥石、蛇紋石等。（變質(zhì)巖特有的變質(zhì)礦物）3. 變質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及工程特性分析3.1變質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)和巖漿巖類似，幾乎全部是結(jié)晶結(jié)構(gòu)。但變質(zhì)巖的結(jié)晶結(jié)構(gòu)主要是經(jīng)過重結(jié)晶作用形成的，所以在描述變質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)時(shí)，一般應(yīng)

15、加變晶二字以示區(qū)別。如粗粒變晶結(jié)構(gòu)，斑狀變晶結(jié)構(gòu)等。3.2變質(zhì)巖的構(gòu)造主要的是片理構(gòu)造和塊狀構(gòu)造。（片理構(gòu)造是變質(zhì)巖所特有的）。比較典型的片理構(gòu)造有下面幾種： 板狀構(gòu)造：片理厚，片理面平直，重結(jié)晶作用不明顯，顆粒細(xì)密，光澤微弱，沿片理面裂開則呈厚度一致的板狀，如板巖。千枚狀構(gòu)造：片理薄，片理面較平直，顆粒細(xì)密，沿片理面有絹云母出現(xiàn)，容易裂開呈千枚狀，呈絲絹光澤，如千枚巖。 片狀構(gòu)造：重結(jié)晶作用明顯，片狀、板狀或柱狀礦物沿片理面富集，平行排列，片理很薄，沿片理面很容易剝開呈不規(guī)則的薄片，光澤很強(qiáng)，如云母片巖等。片麻狀構(gòu)造：顆粒粗大，片理很不規(guī)則，粒狀礦物呈條帶狀分布，少量片狀、柱狀礦物相間斷續(xù)平

16、行排列，沿片理面不易裂開，如片麻巖。工程特性分析：在片理構(gòu)造中，片巖、千枚巖及板巖片理構(gòu)造發(fā)育，工程性質(zhì)各向異性。千枚巖、滑石片巖、綠泥石片巖、石墨片巖等巖石強(qiáng)度低，抗水性很差，特別是沿片理或節(jié)理面，抗剪、抗拉強(qiáng)度低，遇水易滑動(dòng)，沿片理、節(jié)理面容易剝落。片麻巖片理構(gòu)造發(fā)育，當(dāng)石英、正長(zhǎng)石含量較多時(shí)，工程性質(zhì)比上述巖石要好。但片麻巖年代久遠(yuǎn)的巖石，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響而破碎和風(fēng)化程度。對(duì)于塊狀構(gòu)造而言，石英巖和大理巖，結(jié)晶連接、礦物成分穩(wěn)定或比較穩(wěn)定的單礦物巖石。強(qiáng)度高，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，有良好的工程性質(zhì)。 巖漿巖、變質(zhì)巖、沉積巖三者的聯(lián)系巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖彼此都有一定的轉(zhuǎn)化關(guān)系，當(dāng)時(shí)間和地質(zhì)條件發(fā)生改變以后，任何一類巖石都可以變?yōu)榱硗庖活惖膸r石。三、 巖石的破壞形式與工程建設(shè)的關(guān)系 脆性破壞大多數(shù)堅(jiān)硬巖石在一定的條件下都表現(xiàn)出脆性破壞的性質(zhì)。 也就是說，這些巖石在荷載作用下沒有顯著覺察的變形就突然破壞。產(chǎn)生這 種破壞的原因可能是巖石中裂隙的發(fā)生和發(fā)展的結(jié)果。例如，在地下洞室開挖后，由于洞室周圍的應(yīng)力顯著增大，洞室圍巖可能產(chǎn)生許 多裂隙，尤其是洞室頂部的張裂隙，這些都是脆性破壞的結(jié)果。 塑性破壞在兩向或三向受力情況下，巖石在破壞之前的變形較大， 沒有明