巖塊和巖體的地質特征

第二章巖塊和巖體的地質特征第一節(jié)概述巖體與巖塊本質的區(qū)別：巖體中存在有各種各樣的結構面；不同于自重應力（場）的天然應力場和地下水。第二節(jié)巖塊一、巖塊的物質組成（substancecomposition）巖塊（rockorrockblock）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。國內(nèi)外，有些學者又稱為結構體（structuralelement）、巖石材料（rockmaterial）及完整巖石（intactrock）等等。巖石（rock）具有一定結構構造的礦物（含結晶和非結晶的）集合體。3.巖塊的力學性質一般取決于組成巖塊的礦物成分及其相對含量。造巖礦物五大類：含氧鹽、氧化物及氫氧化物、鹵化物、硫化物、自然元素。其中，含氧鹽中的硅酸鹽、碳酸鹽及氧化物類礦物最常見，構成99.9%的巖石。（1）硅酸鹽類礦物：長石、輝石、角閃石、橄欖石及云母和粘土礦物等。長石、輝石、角閃石和橄欖石，硬度大，呈粒、柱狀晶形，如含此類礦物多的巖石：花崗巖、閃長巖及玄武巖等，強度高，抗變形性能好。多生成于高溫環(huán)境，易風化成高嶺石、水云母等，無以橄欖石的基性斜長石等抗風化能力最差，長石、角閃石次之。粘土礦物：屬層狀硅酸鹽類礦物，主要有高嶺石、水云母（伊利石）和蒙脫石三類，具薄片狀或鱗片狀構造，硬度小。含此類礦物多的巖石如粘土巖、粘土質巖，物理力學性質差，并具有不同程度的脹縮性。（2）碳酸鹽類礦物是石灰?guī)r和白云巖類的主要造巖礦物。巖石的物理力學性質取決于巖石中CaCO3及酸不溶物的含量。CaCO3含量f，如純灰?guī)r、白云巖等強度高，抗變形和抗風化性能比較好；泥質含量f，如泥質灰?guī)r、泥灰?guī)r等，力學性質較差；硅質含量f，巖石性質將孌好。碳酸鹽類巖體中，常發(fā)育巖溶現(xiàn)象。（3）氧化物類礦物以石英最常見，是地殼巖石的主要造巖礦物。硬度大，化學性質穩(wěn)定。石英f，巖塊的強度和抗變形性能明顯增強。巖塊的礦物組成與巖石的成因及類型密切相關（1）巖漿巖：多以硬度大的粒柱狀硅酸鹽、石英等礦物為主，物理力學性質一般很好。（2）沉積巖：粗碎屑巖如砂礫巖等，力學性質很大程度上取決于膠結物成分及其類型；細碎屑巖如頁巖、泥巖等，多以片狀的粘土礦物為主，力學性質一般很差。（3）變質巖：與母巖類型及變質程度有關。淺變質巖如千枚巖、板巖等，多含片狀礦物（如絹云母、綠泥石及粘土礦物等），巖塊力學性質較差。深變質巖如片麻巖、混合巖、石英巖等，多以粒狀礦物（如長石、石英、角閃石等）為主，力學性質好。二、巖塊的結構與構造（structureandconstruct）.巖塊的結構（巖石結構）指巖石中礦物（及巖屑）顆粒相互之間的關系，包括顆粒的大小、形狀、排列、結構連結特點及巖石中的微結構面（即內(nèi)部缺陷）。二者對巖塊（石）的工程性質影響最大。（1）巖石中結構連結的類型有兩種：結晶連結（crystalconnect）如巖漿巖、大部分變質巖及部分沉積巖。膠結連結（cementingconnect）如沉積碎屑巖、部分粘土巖，其強度主要取決于膠結物及膠結類型。從膠結物來看，硅質膠結的巖石（塊）強度最高，鐵質、鈣質膠結次之，泥質膠結強度最低，且抗水性差。從膠結類型來看，基底式膠結（a）強度最高，孔隙式膠結（c）次之，接觸式膠結（b）最低，見圖2.1。圖2.1碎屑巖膠結類型（2）微結構面指存在于礦物顆粒內(nèi)部或顆粒之間的軟弱面或缺陷（空隙），包括礦物解理、晶格缺陷、粒間空隙、微裂隙、微層面及片理面、片麻理面等。降低巖塊的強度，導致巖塊力學性質的明顯各向異性。.巖塊的構造指礦物集合體之間及其與其它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等等。三、巖塊的風化程度（weatheringextent）風化程度f，巖塊的空隙率和變形隨之增大，強度降低，滲透性加大。如：花崗巖類巖石…破裂…雨水中的H2CO3分解-H2CO3與長石、云母、角閃石等礦物作用^Fe、Mg、K、Na等可溶鹽析出與游離SiO2被地下水帶走…巖屑、粘土物質和石英顆粒留于原地。.定性指標：顏色、礦物蝕變（ablation）程度、破碎程度及開挖錘擊技術特征等。.定量指標：（1）風化空隙率指標（Iw）（Hamral，1961）：快速浸水后風化巖塊吸入水的質量與干燥巖塊質量之比。（2）波速指標（據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001）（附表A.0.3，巖石按風化程度分類）波速比（Kv）：風化系數(shù)（Kf）：其中：Vcp、Vrp分別為風化巖塊和新鮮巖塊的縱波速度（m/s）；、分別為風化巖塊和新鮮巖塊的飽和單軸抗壓強度（Mpa）。第三節(jié)結構面結構面（structuralplane）:指地質歷史發(fā)展過程中，在巖體內(nèi)形成的具有一定的延伸方向和長度、厚度相對較小的宏觀地質界面或帶。''不連續(xù)面（discontinuities）或節(jié)理（joint）"一、結構面的成因類型（1）地質成因類型原生結構面：巖體在成巖過程中形成的。（包括沉積結構面如層理面、軟弱夾層、沉積間斷面和不整合面；巖漿結構面；變質結構面）構造結構面：斷層、節(jié)理、劈理和層間錯動面等。次生結構面：如卸荷、風化裂隙和次生夾泥和泥化夾層等。（2）力學成因類型剪性結構面：剪應力引起，如逆斷層、平移斷層以及多數(shù)正斷層。連續(xù)性好，面較平直，延伸較長并有擦痕鏡面等現(xiàn)象發(fā)育。張性結構面：拉應力引起。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。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等特征。其構造巖多為角礫巖，易被充填。含水豐富，導水性強。二、結構面的規(guī)模及分級（1）按結構面延伸長度、切割深度、破碎帶寬度及其力學效應，可將結構面分為如下5級，見表2—1：（2）從工程地質測繪觀點來看，可分為兩大類：表2—1結構面分級及其特性級序分級依據(jù)地質類型力學屬性對巖體穩(wěn)定性的作用I級延伸數(shù)km至數(shù)十km以上，破碎帶寬約數(shù)米至數(shù)十米以上。大斷層，區(qū)域性斷層。屬于軟弱結構面，構成獨立的力學介質單元。影響區(qū)域穩(wěn)定性，山體穩(wěn)定性。II級延伸數(shù)百米至數(shù)千米，破碎帶寬約數(shù)十厘米至數(shù)米。較大的斷層、層間錯動、不整合面及原生軟弱夾層等。屬于軟弱結構面，形成塊裂邊界?？刂乒こ虆^(qū)的山體穩(wěn)定性或巖體穩(wěn)定性。田級延伸數(shù)十米至數(shù)百米，寬度數(shù)厘米至1m左右。各種類型的斷層、區(qū)域性節(jié)理、層面及層間錯動帶等。多數(shù)屬于堅硬結構面，少數(shù)屬軟弱結構面。影響或控制工程巖體如地下洞室圍巖及邊坡巖體的穩(wěn)定性。IV級延伸數(shù)十厘米至20?30m，寬度為零至數(shù)厘米不等，統(tǒng)計結構面。節(jié)理、層面、次生裂隙、小斷層、片理、劈理、卸荷裂隙、風化裂隙等。堅硬結構面。影響巖體的完整性和力學性質，是巖體分類及巖體結構研究的基礎。V級連續(xù)性差，剛性接觸的細小或隱微裂面，統(tǒng)計結構面。隱節(jié)理、微層面、微裂隙和線理等。硬性（堅硬）結構面。分布隨機，降低巖塊強度，是巖塊力學性質效應基礎。注：結構面內(nèi)夾有軟弱物質者屬于軟弱結構面，無充填者則屬于堅硬結構面。三、結構面特征及其對巖體性質的影響主要就V級結構面進行討論。（數(shù)十厘米至20?30m，寬度為0至數(shù)厘米）產(chǎn)狀（結構面與Q1間的關系控制著巖體的破壞機理與強度）圖2.2結構面產(chǎn)狀對破壞機理的影響示意圖（a）結構面與最大主平面的夾角p為銳角，巖體滑動破壞；（b）當p=0時，橫切結構面產(chǎn)生剪斷巖體破壞；（c）當p=90°時，平行結構面的劈裂拉張破壞。。1-。3=2（cj+o3tg^j）/（（1-tg^jctgp）sin2p],式中：cj、?j分別為結構面的粘聚力和磨擦角。2.連續(xù)性反映結構面的貫通程度。用線連續(xù)性系數(shù)（k1）、跡長和面連續(xù)性系數(shù)（k2）表示。圖2.3結構面的連續(xù)性系數(shù)計算圖示密度反映結構面發(fā)育的密集程度，常用線密度（kd）和間距表示。線密度（kd）：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）d一間距張開度（e）（mm）指結構面兩壁面間的垂直距離。形態(tài)可從側壁的起伏形態(tài)及粗糙度兩方面描述。起伏形態(tài)一平直的、波狀的、鋸齒狀、臺階狀和不規(guī)則狀的。粗糙度一粗糙系數(shù)JRC。6.充填膠結特征Fe、Si質膠結的強度最高，往往與巖石強度差別不大；泥質、易溶鹽類膠結的結構面強度最低，且抗水性差。就充填物成分來說以砂質、礫質等粗粒充填的結構面性質最好；以粘土質(如高嶺石、綠泥石、水云母、蒙脫石等)和易溶鹽類充填的結構面性在最差。7.結構面的組合(特征)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。四、軟弱結構面主要包括原生軟弱夾層、構造及擠壓破碎帶、泥化夾層及其它夾泥層等。第四節(jié)巖體一、巖體的定義與組成巖體(rockmass)：指在地質歷史過程中形成的，由巖石單元體(或稱巖塊)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。二、巖體的結構特征.巖體結構(rockmassstructure):指巖體中結構面與結構體的排列組合特征。包括兩個要素或結構單元：結構面和結構體。.結構體特征結構體(structuralelement)：指巖體中被結構面切割圍限的巖石塊體。''巖塊”與''結構體”的區(qū)別：只有IV級結構面切割的IV級結構體才稱為''巖塊”。規(guī)模(取決于結構面的密度)、形態(tài)(柱狀、板狀、楔狀和菱形等)和產(chǎn)狀(長軸方向)來描述結構體特征。.巖體的結構類型劃分見《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001附錄A，表A.0.4五類：整體狀結構、塊狀結構、層狀結構、碎裂狀結構和散體狀結構。三、巖體成因與巖體特征根據(jù)地質學的巖石成因分類，巖體分為巖漿巖、沉積巖和變質巖三大類。巖漿巖(magmaticrock)以花崗巖和玄武巖最常見。特點：無層理，產(chǎn)狀復雜，其巖相則表現(xiàn)在結晶程度上。根據(jù)巖漿活動方式：深成巖：抗風化能力弱，完整性差，巖體力學性能差；淺成巖：巖石力學性質較好，抗風化能力強；噴出巖：結構復雜，均一性差，各向異性顯著，巖體力學性能較差。沉積巖(又叫水成巖)(sedimentaryrock)層理構造，巖體呈層狀結構該類巖石的性質主要取決于膠結物成分，膠結方式及碎屑成分；其中凝灰?guī)r和凝灰質頁巖，結構疏松強度低，抗風化與抗水性能差；多致密堅硬，強度較高，是良好的建筑石材，但存在巖溶現(xiàn)象。變質巖(metamorphicrock)一般地，與沉積巖相比，其性質要相對好些。但其中常發(fā)育有片理、片麻理等結構面，使巖石連結力減弱并呈現(xiàn)明顯的各向異性。片理(面)：巖石中片狀或長條狀礦物是連續(xù)的平行、定向排列，形成平行、密集而不甚平坦的破裂面。片麻理：長石為主的粒狀礦物中斷續(xù)夾有部分平行定向排列的片、柱狀礦物，是呈帶狀分布，為一種特殊的片理構造。按成因分為三大類:第五節(jié)巖體的工程分類一、巖塊（石）的工程分類迪爾（Deere）和米勒（Miller）的雙指標分類（1966年）單軸抗壓強度（）和單軸抗壓強度（）與切線模量Et之比值作為分類指標。2.巖石堅硬程度分類《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）分為五類:堅硬程度堅硬巖軟堅硬巖較軟巖軟巖極軟巖飽和單軸抗壓強度fr（Mpa）f>6060>fr>3030>fr>515>fr>5fr<5二、巖體的工程分類1.巖體質量分級（《工程巖體分級標準》GB50218-94）采用二級分級法：先按BQ初步分級；然后針對工程巖體特點，考慮天然應力、地下水和結構面的影響，再按修正后的[BQ]分級。淤巖體基本質量（rockmassbasicguality）（BQ）：巖體所固有的影響工程巖體穩(wěn)定性的最基本屬性。它是由巖石堅硬程度和巖體完整程度所決定的。由巖石堅硬程度和巖體完整程度兩個因素確定。兩種方法：定性劃分和定量指標。?定量指標法：巖石堅硬程度一巖石單軸飽和抗壓強度（Rc）,為實測值。當無條件實測時，也可用實測的巖石點荷載強度指數(shù)換算：點荷載強度指數(shù)（PointLoadStrengthIndex）:直徑50mm圓柱形試件徑向加壓時的點荷載強度。巖體完整程度一巖體完整性系數(shù)（Kv）,為實測值。當無條件取實測時值，可用指巖體體積節(jié)理數(shù)（Jv）,按表查出。巖體基本質量指標（BQ）：BQ=90+3Rc+250Kv式中，當Rc>90Kv+30時，取Rc=90Kv+30；當Kv>0.04Rc+0.4時，取Kv=0.04Rc+0.4；其中Kv=（Vpm/Vpr）2Vpm—巖體彈性縱波速度（km/s）；Vpr—巖石彈性縱波速度（km/s）。工程巖體（也叫圍巖）的穩(wěn)定性，除與巖體基本質量的好壞有關外，還受地下水、主要軟弱結構面、天然應力的影響。結合工程特點，考慮各影響因素來修正巖體基本質量指標：[BQ]=BQ-100（k1+k2+k3）式中：k1為地下水影響修正系數(shù)；k2為主要軟弱面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；k3為天然應力影響修正系數(shù)。巖體地質力學分類（RMR分類）（RockMassRating）由南非科學和工業(yè)研究委員會（CouncilforScientificandIndustrialResearch）提出的CSIR分類指標值RMR包括巖石強度、