地殼巖體結構特征的工程地質

地殼巖體結構特征的工程地質第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.1基本概念及研究意義

巖體（rockmass）通常指地質體中與工程建設有關的那一部分巖石，它處于一定的地質環(huán)境、被各種結構面所分割。巖體具有一定的結構特征，它由巖體中含有的不同類型的結構面及其在空間的分布和組合狀況所確定。

結構面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）的地質界面（或帶）。如巖層層面、軟弱夾層、各種成因的斷裂、裂隙等。由于這種界面中斷了巖體的連續(xù)性，故又稱不連續(xù)面。第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

結構體：結構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，稱結構體。工程地質之所以要將巖體的結構特征作為重要研究對象，意義如下：⑴巖體中的結構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。只有掌握巖體的結構特征，才有可能闡明巖體不同荷載下內部的應力分布和應力狀況。⑵巖體的結構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。巖體中的軟弱結構面，常常成為決定巖體穩(wěn)定性的控制面，各結構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3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

⑶靠近地表的巖體，其結構特征在很大程度上確定了外營力對巖體的改造進程。這是由于結構面往往是風化、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部的重要通道，往往發(fā)展為重要的控制面?？傊瑢r體的結構特征的研究，是分析評價區(qū)域穩(wěn)定性和巖體穩(wěn)定性的重要依據。研究結構面最關鍵的是研究各類結構面的分布規(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巖體結構特征及主要類型

1.2.1結構面的主要類型及特征第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

結構面的成因分類：原生結構面、構造結構面及淺表生結構面沉積結構面：層理，層面，軟弱夾層，不整合面，原假整合面，古沖刷面等。生火成結構面：侵入體與圍巖接結觸面，巖脈、巖墻接觸面，噴出巖構的流線、流面，冷凝節(jié)理面變質結構面：片理，片麻理，板劈理，片巖軟弱夾層。第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月構節(jié)理（X型節(jié)理，張節(jié)理）造結斷層（正斷層，逆斷層，走滑斷層）構面層間錯動帶，羽狀裂隙，破劈理。第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

淺部卸荷斷裂淺結、構重力擴展變形破裂表面生結表卸荷裂隙構部風化裂隙面結風化夾層構泥化夾層面次生夾泥

第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月結構面規(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)結構面（B類）；和隱微結構面（C類）。

類型主要特征力學性質代表性結構面A.貫通性宏觀結構面連續(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，構成巖體力學性質作用邊界，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)結構面硬性結構面，隨機斷續(xù)分布，延伸長度米級-數十米，具有統(tǒng)計優(yōu)勢方位破壞巖體的完整性，使巖體力學性質具各向異性特征，影響巖體變形破壞方式各類原生和構造裂隙，表生破裂結構面C.隱微結構面短小閉合，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8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2巖體分類

1.2.2.1巖體結構分類按建造特征可將巖體劃分為塊體狀（或整體狀）結構、塊狀結構、層狀結構、碎塊狀結構和散體狀結構等類型。

塊體狀結構：代表巖性均一，無軟弱面的巖體，含有的原生結構面具有較強的結合力，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9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

塊體結構：代表巖性較均一，含有2-3組較發(fā)育的軟弱結構面的巖體，結構面間距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。

層狀結構：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）。還可以據不均一程度劃分出軟硬相間的互層狀結構。

碎塊狀結構：代表含有多組密集結構面的巖體，巖體被分割成碎塊狀，以某些動力變質巖為典型，如溪洛渡泡灰?guī)r。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10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2.2巖體的工程分類

工程應用分類是以巖體穩(wěn)定性或巖體質量評價為基礎的分類。為綜合性分類，目前主要考慮三方面因素的指標：即與巖石工程性質有關的指標（力學性質）、巖體后期改造有關的指標(巖體結構)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;

谷德振的巖體質量指標Z系統(tǒng)分類（1979）。(見表1-3。)

第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月分類方案巖體質量指標計算公式及方法參數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15—0B—RQD(巖石質量指標）分數20—3D—不連續(xù)面性狀（粗糙—夾泥）分數30—0C—不連續(xù)面間距（>2m—<3m)分數20—5E—地下水（干燥—流動）分數15—0F—不連續(xù)面產狀條件（很好—很差）分數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（巖石類型：按三大巖類由硬質至破碎劃分四個等級。構造由整體—強烈斷裂褶皺分為四等），分數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系折減）分數45—7C—地下水（無至大量）分數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—巖石質量指標0—100Jn—裂隙組數，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，干燥—特大水流，1—0.05SRF—應力折減系數，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，I=V2m/V2rVm—巖體中縱波速Vr—巖石中縱波速f—結構面抗剪強度系數R—巖石堅固系數（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巖體質量分類代表性方案第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2.3分類標準的定量化—巖體質量指標

70年代以來巖體分類中采用了“巖體質量指標”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，更便于將作過詳細勘探測試研究的場地的經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13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

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

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

第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3巖體原生結構特征的巖相分析

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在橫向上的差異性。充分了解巖相變化可以更好地提供面上資料，為工程建設服務。1.3.1河流相沉積巖巖體結構特征的巖相分析

⑴：主要相模式及其工程地質特征①高彎度河流沉積相模式及該相巖體的主要工程地質特征坡降緩，彎度大，流態(tài)穩(wěn)定，水流較深，單向環(huán)流為主。第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月其主要工程特征有：a.巖體具層狀或軟硬相間互層狀結構特征；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。巖體主要工程地質特征：a.巖體具層狀或塊狀結構特征：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。⑵.巖體原生結構特征的亞相、微相分析

a.

軟弱夾層的亞相、微相分析

b.

砂巖體中原生結構面的微相分析。第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2變質巖巖體結構特征的巖相分析1.3.2.1葉理發(fā)育程度的巖相分析及其應用

變質巖葉理質量分級可以為評價變質巖巖體工程地質特性提供了重要依據。具體來說，葉理指標可對同一地區(qū)或不同地區(qū)類型巖石的葉理發(fā)育程度（表1-5）作出對比評價，還可用于定量評價巖石（體）的各向異性特征，通過相關分析，作為確定巖石（體）某些重要力學參數的依據。葉理指標還可作為巖體潛在剪動（滑動）帶演變程度的判據。第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2.2變質軟弱巖帶的巖相分析及其應用：

①.

軟弱巖帶工程地質特征的演化分析

a.

空間展布特征受氣—液通道斷裂控制

b.

斷裂的演化經歷確定了變質巖帶的力學特征

c.

表生改造確定了變質巖性能的近期變化②.

軟弱巖帶巖體質量分級中的巖相分析對巖石展開薄片巖相鑒定、X射線衍射分析、有效空隙率、彈性波速、磁化率、傳導率和有關力學實驗，證明變質巖的蝕變程度可以作為巖體分級的一個重要依據。第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4巖體構造結構特征的地質力學分析

1.4.1構造斷裂的基本組合模式

⑴.根據構造斷裂組合規(guī)律去分析評價區(qū)域構造穩(wěn)定性或巖體穩(wěn)定性具有重大影響的構造結構特征。⑵.通過追溯應力場演變史來闡明具有復雜歷史的構造斷裂的工程地質性質。第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

構造地質學構造地質學的現(xiàn)代研究，提出按變形(破壞)力學機制對構造斷裂進行分類(Mattauer等，1980)，將其劃分為剪切(shearing)，代表斷層和與斷層相伴的張性拉裂(fracturiug)；彎曲(bending)，代表柔性“同心”或“平行”褶皺；壓扁(flattening)，代表強烈擠壓條件下劈理、葉理等韌性變形；流動（flowing)代表高溫條件下巖石呈固熔狀態(tài)的粘滯流動變形。構造斷裂的形成過程，表現(xiàn)為兩種機制類型的組合。通常隨深度加深和溫度增高，呈如下序列：剪切或拉裂拉裂與彎曲彎曲彎曲與壓扁壓扁壓扁與流動流動。

第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.2大型推覆構造巖體結構特征分析

龍門山中北段推覆構造發(fā)育，按構造分區(qū)，可將巖體劃分成厚皮構造、薄皮構造和接觸擾動帶。2.4.2.1厚皮構造結構特征這一帶巖體主要由高角度的逆斷層推至接近地表的中下構造層物質組成。以塑性、韌性變形破裂為主，疊加接近地表處所產生的脆性破裂。具體特征為（1）系列陡傾逆沖斷裂構成巖體個宏觀格架。（2）變質巖以壓扁流動形成的密集片理化為其主要特征。（3）巖漿巖以S型花崗巖為典型代表，屬地殼重溶型（與逆沖斷層摩擦熱有關）巖漿巖中韌性斷裂和其他類型類型動力變質現(xiàn)象發(fā)育。第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月上述特征也是這一帶巖體遭受風化，并在重力作用下容易發(fā)生變形破壞的重要原因。較完整的巖漿巖可儲備很高的彈性應變能，在區(qū)域剝蝕和現(xiàn)代地貌形成過程中，容易產生應變能釋放而造成的淺表生變形破裂結構。第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.2.2薄皮構造巖體結構特征

這一帶以彎曲和剪切造成的淺部褶皺斷裂為其主要特征，伴有表部重力滑動構造。具體特征為：（1）系列上疊式弧型斷裂構成巖體的宏觀格架。（2）淺部巖層強烈彎曲褶皺，層間錯動發(fā)育。錯動在硬軟接觸面尤為明顯，削弱了層間聯(lián)結能力和抗剪強度，成為巖體在重力場條件下變形破壞的重要控制面。1.4.3伸展帶巖體結構特征分析

裂谷是區(qū)域隆起背景上以斷陷谷為特征的大型復雜地塹系；如大洋裂谷、大陸裂谷和陸間裂谷。（1）裂谷深部斷裂的基本形式斷裂基本模式（見圖）第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

（2）裂谷區(qū)覆蓋巖體結構特征上述不同模式斷裂系統(tǒng)的近期活動，在區(qū)域穩(wěn)定性分析中具有重要的意義。如它對淺表層巖體構造結構的形成和演化的控制作用。第一類斷裂模式，蓋層結構以垂向或陡傾大斷裂為分割邊界，呈明顯分帶或分塊特征，裂網絡受深部斷裂格架控制，拉張最強烈的部位往往出現(xiàn)在地幔隆起軸附近。第二類斷裂模式，蓋層隨裂谷擴展而出現(xiàn)拉張破裂，但斷裂網絡并不一定與深部斷裂相吻合。拉張最強烈的部位往往出現(xiàn)在裂谷的一側(如圖1一17模式b的東側)，或兩側（如模式C）第27頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.4走滑斷裂區(qū)巖體結構特征分析（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)境下的產物，大多屬于脆性剪切破裂。按地質力學觀點，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1-19）。80年代以來大量調查證明，實際情況要復雜一些（圖1-2