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(xué)強(qiáng)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(fēng)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(diǎn)。相鄰結(jié)構(gòu)體既相互獨(dú)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(xué)強(qiáng)度相對薄弱的部位，它導(dǎo)致巖體力學(xué)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(yīng)力分布和應(yīng)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(qiáng)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(jìn)程。這是由于結(jié)構(gòu)面往往是風(fēng)化、地下水等各種外營力較活動(dòng)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(jià)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(xué)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(cuò)動(dòng)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(kuò)展變形破裂次面生結(jié)表卸荷裂隙構(gòu)部風(fēng)化裂隙面結(jié)風(fēng)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(xué)行為所起控制作用，可劃分為三個(gè)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(xué)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(xué)性質(zhì)作用邊界，控制巖體變形破壞方向，穩(wěn)定性計(jì)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(jī)斷續(xù)分布，延伸長度米級-數(shù)十米，具有統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢方位破壞巖體的完整性，使巖體力學(xué)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(jī)分布可有統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢方位影響巖塊的強(qiáng)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(qiáng)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。

第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期一

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。可進(jìn)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(dòng)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(gè)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(yīng)用分類是以巖體穩(wěn)定性或巖體質(zhì)量評價(jià)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(biāo)：即與巖石工程性質(zhì)有關(guān)的指標(biāo)（力學(xué)性質(zhì)）、巖體后期改造有關(guān)的指標(biāo)(巖體結(jié)構(gòu))和巖體賦存條件方面的指標(biāo)（地下水或地應(yīng)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(biāo)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(biāo)計(jì)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(qiáng)度（點(diǎn)荷載.單軸壓)分?jǐn)?shù)15—0B—RQD(巖石質(zhì)量指標(biāo)）分?jǐn)?shù)20—3D—不連續(xù)面性狀（粗糙—夾泥）分?jǐn)?shù)30—0C—不連續(xù)面間距（>2m—<3m)分?jǐn)?shù)20—5E—地下水（干燥—流動(dòng)）分?jǐn)?shù)15—0F—不連續(xù)面產(chǎn)狀條件（很好—很差）分?jǐn)?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(gè)等級。構(gòu)造由整體—強(qiáng)烈斷裂褶皺分為四等），分?jǐn)?shù)30—6B—節(jié)理裂隙特征（按整體至極密集分為6個(gè)等級，按走向傾角與掘進(jìn)方向關(guān)系折減）分?jǐn)?shù)45—7C—地下水（無至大量）分?jǐn)?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(biāo)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(yīng)力折減系數(shù)，表示洞室開挖中巖性和地應(yīng)力對圍巖抗變形能力的折減，高者可達(dá)20（高應(yīng)力狀態(tài)巖石趨于流動(dòng)），低者2.5（接近地表的堅(jiān)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(qiáng)度系數(shù)R—巖石堅(jiān)固系數(shù)（為巖石濕單軸抗壓強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)的定量化—巖體質(zhì)量指標(biāo)巖體質(zhì)量分類的研究趨勢：從單因素単指標(biāo)向多因素多指標(biāo)、多因素綜合指標(biāo)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(biāo)”或“綜合特征指標(biāo)”來判別巖體性能的優(yōu)劣，因而含有這類指標(biāo)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(biāo)作為依據(jù)，更便于將作過詳細(xì)勘探測試研究的場地的經(jīng)驗(yàn)和成果應(yīng)用于研究程度較差或處于勘探初級階段的工地，從而達(dá)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(gè)工程的經(jīng)驗(yàn)，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(xué)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(fēng)化性能弱，強(qiáng)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(diǎn)：坡降陡，河床不穩(wěn)定，彎度小，水淺，流態(tài)不穩(wěn)定，具復(fù)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(fēng)化能力和強(qiáng)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(xué)者研究，搬運(yùn)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(yù)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(xué)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(jià)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性或巖體穩(wěn)定性。⑵.通過追溯應(yīng)力場演變史來闡明具有復(fù)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(gè)正應(yīng)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(yīng)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(yīng)力近于水平的地應(yīng)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(xué)觀點(diǎn)，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(xué)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