地殼巖體結(jié)構(gòu)特征的工程地質(zhì)分析

地殼巖體結(jié)構(gòu)特征的工程地質(zhì)分析第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一1.1基本概念及研究意義結(jié)構(gòu)面﹙Structuralplane﹚是指巖體中具有一定方向、力學強度相對較低、兩向延伸（或具有一定厚度）的地質(zhì)界面（或帶）。如巖層層面、軟弱夾層、各種成因的斷裂、裂隙等。其它如古剝蝕面、噴出巖間歇面、片理、片麻理、千枚理、風化夾層、次生夾泥層都屬于結(jié)構(gòu)面。由于這種界面中斷了巖體的連續(xù)性，故又稱不連續(xù)面。巖石﹙Rock﹚不含有顯著結(jié)構(gòu)面的巖塊。

巖體（Rockmass）由巖石構(gòu)成的被各種顯著結(jié)構(gòu)面切割的天然地質(zhì)體。它處于一定的地質(zhì)環(huán)境、被各種結(jié)構(gòu)面所分割。巖體具有一定的結(jié)構(gòu)特征，其主要特征：由巖體中含有的不同類型不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面及其在空間的分布和組合的結(jié)構(gòu)體所確定。

第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

結(jié)構(gòu)體：結(jié)構(gòu)面在空間的分布和組合可將巖體切割成形狀、大小不同的塊體，稱結(jié)構(gòu)體。巖體可含有幾種結(jié)構(gòu)體。每種結(jié)構(gòu)體空間以空間上相似形的方式存在為特點。相鄰結(jié)構(gòu)體既相互獨立，有互相聯(lián)合。工程地質(zhì)之所以要將巖體的結(jié)構(gòu)特征作為重要研究對象，意義如下：⑴巖體中的結(jié)構(gòu)面是巖體力學強度相對薄弱的部位，它導致巖體力學性能的不連續(xù)性、不均一性和各向異性。只有掌握巖體的結(jié)構(gòu)特征，才有可能闡明巖體不同荷載下內(nèi)部的應力分布和應力狀況。⑵巖體的結(jié)構(gòu)特征對巖體在一定荷載條件下的變形破壞方式和強度特征起著重要的控制作用。巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)面，常常成為決定巖體穩(wěn)定性的控制面，各結(jié)構(gòu)面分別為確定壩肩巖體抗滑穩(wěn)定的分割面和滑移控制面。第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

⑶靠近地表的巖體，其結(jié)構(gòu)特征在很大程度上確定了外營力對巖體的改造進程。這是由于結(jié)構(gòu)面往往是風化、地下水等各種外營力較活動的部位，也常常是這些營力的改造作用能深入巖體內(nèi)部的重要通道，往往發(fā)展為重要的控制面。

因此,結(jié)構(gòu)體體研究巖體式研究巖體變形和破壞的最小單元?？傊?，對巖體的結(jié)構(gòu)特征的研究，是分析評價區(qū)域穩(wěn)定性和巖體穩(wěn)定性的重要依據(jù)。研究結(jié)構(gòu)面最關(guān)鍵的是研究各類結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)、分布規(guī)律、發(fā)育密度、表面特征、連續(xù)特征以及它們的空間組合形式等。

1.2巖體結(jié)構(gòu)特征及主要類型

1.2.1結(jié)構(gòu)面的主要類型及特征第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

結(jié)構(gòu)面的成因分類：原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面及淺表生結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面：層理，層面，軟弱夾層，不整合面，原假整合面，古沖刷面等。生火成結(jié)構(gòu)面：侵入體與圍巖接結(jié)觸面，巖脈、巖墻接觸面，噴出巖構(gòu)的流線、流面，冷凝節(jié)理面變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：片理，片麻理，千枚理，板劈理，片巖軟弱夾層。第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一構(gòu)節(jié)理（X型節(jié)理，張節(jié)理）（扭性節(jié)理，張性節(jié)理）造斷層（正斷層，逆斷層，走滑斷層）

結(jié)（張性斷層，壓性斷層，扭性斷層）構(gòu)面層間錯動帶，羽狀裂隙，破劈理。第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

淺部卸荷斷裂結(jié)構(gòu)重力擴展變形破裂次面生結(jié)表卸荷裂隙構(gòu)部風化裂隙面結(jié)風化夾層構(gòu)泥化夾層面次生夾泥

第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)構(gòu)面規(guī)模等級劃分：按其對巖體力學行為所起控制作用，可劃分為三個等級，即貫通性宏觀軟弱面（A類）；顯現(xiàn)結(jié)構(gòu)面（B類）；和隱微結(jié)構(gòu)面（C類）。

類型主要特征力學性質(zhì)代表性結(jié)構(gòu)面A.貫通性宏觀結(jié)構(gòu)面斷層或充填型連續(xù)性好，延伸方向確定，通常具一定厚度與方向破壞巖體的連續(xù)性，構(gòu)成巖體力學性質(zhì)作用邊界，控制巖體變形破壞方向，穩(wěn)定性計算的邊界層面，軟弱夾層，斷層面或斷層破碎帶B.顯現(xiàn)結(jié)構(gòu)面裂隙或非充填型硬性結(jié)構(gòu)面，隨機斷續(xù)分布，延伸長度米級-數(shù)十米，具有統(tǒng)計優(yōu)勢方位破壞巖體的完整性，使巖體力學性質(zhì)具各向異性特征，影響巖體變形破壞方式各類原生和構(gòu)造裂隙，表生破裂結(jié)構(gòu)面C.隱微結(jié)構(gòu)面非貫通型短小閉合，長度從毫米級至厘米級，隨機分布可有統(tǒng)計優(yōu)勢方位影響巖塊的強度和變形破壞特征巖石的隱微裂隙第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一1.2.2巖體分類

1.2.2.1巖體結(jié)構(gòu)分類

按建造特征可將巖體劃分為塊體狀（或整體狀）結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎塊狀結(jié)構(gòu)和散體狀結(jié)構(gòu)等類型。

塊體狀結(jié)構(gòu)：代表巖性均一，無軟弱面的巖體，含有的原生結(jié)構(gòu)面具有較強的結(jié)合力，間距大于1m。通常出現(xiàn)在厚層的碳酸鹽巖、碎屑巖；花崗巖、閃長巖；原生節(jié)理不太發(fā)育的流紋巖、安山巖、玄武巖、凝灰角礫巖中等。

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塊體結(jié)構(gòu)：代表巖性較均一，含有2-3組較發(fā)育的軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體，結(jié)構(gòu)面間距1～0.5m。成巖裂隙較發(fā)育的厚層砂巖或泥巖，槽狀沖刷面發(fā)育的河流相砂巖體等沉積巖，原生節(jié)理發(fā)育的火山巖體等。

層狀結(jié)構(gòu)：代表一組連續(xù)性好，抗剪性能顯著較低的軟弱面的巖體，一般巖性不均一?？蛇M一步分為層狀（軟弱面間距50～30cm），薄層狀（間距小于30cm）。還可以據(jù)不均一程度劃分出軟硬相間的互層狀結(jié)構(gòu)。

碎塊狀結(jié)構(gòu)：代表含有多組密集結(jié)構(gòu)面的巖體，巖體被分割成碎塊狀，以某些動力變質(zhì)巖為典型。散體狀結(jié)構(gòu)另外按巖體的改變程度可劃分為完整的、塊裂化或板裂化，碎裂化、散體化的等四個等級。第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一1.2.2.2巖體的工程分類

工程應用分類是以巖體穩(wěn)定性或巖體質(zhì)量評價為基礎(chǔ)的分類。為綜合性分類，目前主要考慮三方面因素的指標：即與巖石工程性質(zhì)有關(guān)的指標（力學性質(zhì)）、巖體后期改造有關(guān)的指標(巖體結(jié)構(gòu))和巖體賦存條件方面的指標（地下水或地應力）。通常有:RMR(賓尼亞斯基分類，Bieniawski);

巴頓的Q分類;

谷德振的巖體質(zhì)量指標Z系統(tǒng)分類（1979）。(見表1-3。)

第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一分類方案巖體質(zhì)量指標計算公式及方法參數(shù)RMR系統(tǒng)RMR=A+B+C+D+E+F和差綜合法（并聯(lián)系統(tǒng)）（T.Bieniawski,1973)A—巖石強度（點荷載.單軸壓)分數(shù)15—0B—RQD(巖石質(zhì)量指標）分數(shù)20—3D—不連續(xù)面性狀（粗糙—夾泥）分數(shù)30—0C—不連續(xù)面間距（>2m—<3m)分數(shù)20—5E—地下水（干燥—流動）分數(shù)15—0F—不連續(xù)面產(chǎn)狀條件（很好—很差）分數(shù)0—-12等級劃分I很好RMR100—81II好RMR80—61III中等RMR60—41IV差RMR40—21V很差RMR<=20RSR系統(tǒng)RSR=A+B+C

和差綜合法（并聯(lián)系統(tǒng)）（G.Wickham,1974)A—地質(zhì)（巖石類型：按三大巖類由硬質(zhì)至破碎劃分四個等級。構(gòu)造由整體—強烈斷裂褶皺分為四等），分數(shù)30—6B—節(jié)理裂隙特征（按整體至極密集分為6個等級，按走向傾角與掘進方向關(guān)系折減）分數(shù)45—7C—地下水（無至大量）分數(shù)25—6RSR的變化范圍25—100Q系統(tǒng)Q=RQD/Jn

.Jr/Ja

.Jw/SRF乘積法串聯(lián)系統(tǒng)（Baton,1974)RQD—巖石質(zhì)量指標0—100Jn—裂隙組數(shù)，無裂—破裂，0.5—20Jr—裂隙粗糙度，粗糙—鏡面，4—0.5Ja—裂隙蝕變程度，新鮮—蝕變夾泥，0.75—20Jw—裂隙水折減系數(shù)，干燥—特大水流，1—0.05SRF—應力折減系數(shù)，表示洞室開挖中巖性和地應力對圍巖抗變形能力的折減，高者可達20（高應力狀態(tài)巖石趨于流動），低者2.5（接近地表的堅硬巖石）

很好Q400—1000極好Q100—400

很好Q40—100好Q10—40一般Q4—10壞Q1—4很壞Q0.1—1壞Q0.01—0.1特壞Q0.001—0.01Z系統(tǒng)Z=I

.

f.

R乘積法（串聯(lián)系統(tǒng)）谷德振，1979I—完整性系數(shù)，I=V2m/V2rVm—巖體中縱波速Vr—巖石中縱波速f—結(jié)構(gòu)面抗剪強度系數(shù)R—巖石堅固系數(shù)（為巖石濕單軸抗壓強度的百分之一）Z的變化范圍為0.01—20表1—3巖體質(zhì)量分類代表性方案第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一1.2.2.3分類標準的定量化—巖體質(zhì)量指標巖體質(zhì)量分類的研究趨勢：從單因素単指標向多因素多指標、多因素綜合指標的方向發(fā)展。

70年代以來巖體分類中采用了“巖體質(zhì)量指標”或“綜合特征指標”來判別巖體性能的優(yōu)劣，因而含有這類指標的分類又被稱為巖體質(zhì)量分級，如上所述的RMR、Q和Z系統(tǒng)。分類中有了定量指標作為依據(jù)，更便于將作過詳細勘探測試研究的場地的經(jīng)驗和成果應用于研究程度較差或處于勘探初級階段的工地，從而達到簡化或減少勘探程序和工作量的目的。第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

分類中，為了探討不同分類方案之間的相關(guān)性，魯弗里奇等根據(jù)新西蘭多個工程的經(jīng)驗，對RMR、RSR和Q系統(tǒng)三者得出的如下關(guān)系式：

RMR=1.35lgQ+43RSR=0.77RMR+12.4RSR=13.3lgQ+46.5

第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一1.3巖體原生結(jié)構(gòu)特征的巖相分析

巖相的橫向變化引起巖性及厚度的變化，從而引起巖體的力學性質(zhì)在橫向上的差異性。巖石的沉積環(huán)境不同，同一類巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)有差別。充分了解巖相變化可以更好地提供面上資料，為工程建設(shè)服務(wù)。1.3.1河流相沉積巖巖體結(jié)構(gòu)特征的巖相分析﹙1﹚高彎度河流沉積相模式及該相巖體的主要工程地質(zhì)特征坡降緩，彎度大，流態(tài)穩(wěn)定，水流較深，單向環(huán)流為主。第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一其主要工程特征有：a.巖體具層狀或軟硬相間互層狀結(jié)構(gòu)特征；b.砂巖體抗風化性能弱，強度具明顯自下而上的遞變規(guī)律如四川白堊系紅層的砂巖。

﹙2﹚辮狀（游蕩型）河流沉積相模式特點：坡降陡，河床不穩(wěn)定，彎度小，水淺，流態(tài)不穩(wěn)定，具復雜環(huán)境的河流沉積模式。巖體主要工程地質(zhì)特征：a.巖體具層狀或塊狀結(jié)構(gòu)特征：巖體中以含泥砂礫的滯留礫石層為其主要軟弱層，斷續(xù)分布，起伏差大，多呈槽狀；b.砂巖體具較高的抗風化能力和強度。1.3.2巖體原生結(jié)構(gòu)特征的亞相、微相分析

﹙1﹚軟弱夾層的亞相、微相分析河流相沉積巖的軟弱夾層可以分若干亞相、微相。沉積層頂部泥巖、粉砂巖軟弱夾層亞相可分為洪泛相泥巖層、

第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一和天然堤相粉砂質(zhì)泥巖層。它們的現(xiàn)場環(huán)境有很大區(qū)別，促成結(jié)構(gòu)構(gòu)造的差別。前者水平層理，泥裂構(gòu)造；后者常常具有微波層理，粒度粗，工程地質(zhì)性要好些。﹙2﹚

砂巖體中原生結(jié)構(gòu)面的微相分析。經(jīng)巖相學者研究，搬運泥沙的粒度、河水的流態(tài)、流速具有不一定相關(guān)關(guān)系。所以研究粒度、巖體的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造推測古環(huán)境、氣候與流速等沉積環(huán)境。對于地質(zhì)工程，工程師依據(jù)沉積環(huán)境預測空間巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)。第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一1.4巖體構(gòu)造結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)力學分析

1.4.1構(gòu)造斷裂的基本組合模式

⑴.根據(jù)構(gòu)造斷裂組合規(guī)律去分析評價區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性或巖體穩(wěn)定性。⑵.通過追溯應力場演變史來闡明具有復雜歷史的構(gòu)造斷裂的工程地質(zhì)性質(zhì)。﹙3﹚確定構(gòu)造體系

所謂構(gòu)造體系是指中同一個正應力場內(nèi)具有成生聯(lián)系的構(gòu)造形跡的組合。例如，新華夏系，緯向構(gòu)造體系，經(jīng)向構(gòu)造體系都有一套特有的結(jié)構(gòu)面。鑒別方法

﹙4﹚確定構(gòu)造應力場的先后

采用結(jié)構(gòu)面的配套方法，結(jié)構(gòu)面的切割關(guān)系，確定體系的先后順序。

第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一1.4.2走滑斷裂區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征分析

（1）走滑斷裂的基本組合模式典型的走滑斷裂系統(tǒng)發(fā)育在相對穩(wěn)定的地塊中，也可于板塊轉(zhuǎn)換斷層接觸帶，它是最大、最小主應力近于水平的地應力環(huán)境下的產(chǎn)物，大多屬于脆性剪切破裂。按地質(zhì)力學觀點，斷裂組合可有多種形式，但某一主干斷層與其伴生的不同次序的斷裂的組合形式，可視為基本模式。巴杰利（1959）曾提出一對共額走滑斷層與各序次斷裂共生組合的理想模式（圖1-8）。（2）多期構(gòu)造的地質(zhì)力學分析重合；正交；斜接第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一第21頁，共2