巖石的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與巖石本質(zhì)性

巖石的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與巖石本質(zhì)性

1巖石本質(zhì)性命題根據(jù)地球科學(xué)視野和工程地質(zhì)學(xué)原理，有許多關(guān)于巖石力學(xué)特性和問(wèn)題的文獻(xiàn)。作者在早期的研究工作中就曾作這樣的嘗試;谷德振等[2~4]也對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的論述。在20世紀(jì)初,巖石力學(xué)界和工程地質(zhì)學(xué)界所開(kāi)展的世紀(jì)學(xué)術(shù)進(jìn)展總結(jié)也含有這方面的討論[5~7]。陳宗基[8~10]在許多論著或講演中曾闡述過(guò)地質(zhì)因素的重要作用。巖石力學(xué)的研究對(duì)象是巖石。雖然研究目標(biāo)是探討巖石的力學(xué)性能及其工程行為,而且主要應(yīng)用力學(xué)學(xué)科的原理和方法,但是巖石卻同其他工程材料又有所不同,因而有其特殊性。巖石是一種自然造物,是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中,經(jīng)歷了多種地球動(dòng)力作用才得以形成的,并由此獲得其本質(zhì)性。巖石演化循環(huán),經(jīng)過(guò)成巖、構(gòu)造變形和次生蛻化才使其具有現(xiàn)今面貌,從而奠定巖石的物理本屬性,構(gòu)成力學(xué)評(píng)價(jià)之基礎(chǔ)。當(dāng)進(jìn)行巖石的力學(xué)本構(gòu)性研究及巖石工程評(píng)價(jià)時(shí),物理本屬性的力學(xué)表現(xiàn)至為重要,如能與其形成根源聯(lián)系起來(lái),必可得到新的理解,從而縮小不確定性。放眼到地球科學(xué)視野來(lái)深化和延拓巖石力學(xué)學(xué)科也許是更上一層樓的一個(gè)支承。本文簡(jiǎn)要地論述了巖石循環(huán)的地質(zhì)作用,提出并討論了巖石地質(zhì)本質(zhì)性命題,側(cè)重闡述了巖石的物質(zhì)性、結(jié)構(gòu)性和賦存性,及其同地質(zhì)演化的密切關(guān)系。作為巖石力學(xué)研究對(duì)象的巖石,同其他工程建筑材料的不同之處就在于它的地質(zhì)演化及所形成的地質(zhì)本質(zhì)性。通過(guò)對(duì)巖石本質(zhì)性的認(rèn)識(shí),本文探討了巖石物理本屬性,包括不均一性、不連續(xù)性及時(shí)態(tài)性的成因及其同地質(zhì)本質(zhì)性的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,文中還討論了巖石力學(xué)本構(gòu)性研究中對(duì)介質(zhì)力學(xué)屬性的考慮。本文試圖通過(guò)巖石地質(zhì)本質(zhì)性、物理本屬性到力學(xué)本構(gòu)性的討論,建立巖石力學(xué)與地質(zhì)學(xué)相互認(rèn)識(shí)和深入結(jié)合的知識(shí)通道。2巖石力學(xué)與地質(zhì)學(xué)的結(jié)合2.1地球科學(xué)的學(xué)科研究巖石力學(xué)將力學(xué)理論作為學(xué)科發(fā)展的研究目標(biāo),而巖石則是巖石力學(xué)研究的對(duì)象。巖石是一種地質(zhì)產(chǎn)物,也可稱(chēng)地質(zhì)體。廣義上講,巖石力學(xué)應(yīng)是力學(xué)與地質(zhì)學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科,若更有針對(duì)性地來(lái)看,巖石力學(xué)側(cè)重于固體力學(xué)與巖石地質(zhì)學(xué)的結(jié)合。巖石力學(xué)屬于應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科,它的研究任務(wù)是以巖石工程建設(shè)為己任,也包括地質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)工程。更廣更深的力學(xué)、地質(zhì)學(xué),與工程學(xué)科的結(jié)合勢(shì)在必行。因此,地質(zhì)學(xué)必然成為巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)科的支柱性基礎(chǔ)學(xué)科之一。那么,巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)科從地質(zhì)學(xué)中究竟能有何得益,地質(zhì)學(xué)在哪些領(lǐng)域?qū)r石力學(xué)與巖石工程學(xué)科的研究和發(fā)展可能做出貢獻(xiàn),這就是本文所試圖回答的主要問(wèn)題。地質(zhì)學(xué)(geology)是地球科學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科。地球科學(xué)(earthsciences)包括大氣、海洋、地理和固體地球科學(xué)等(見(jiàn)圖1)。固體地球科學(xué)(geo-sciences)則包含地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)和地球化學(xué)。從廣義和實(shí)用的角度看,地質(zhì)學(xué)同其他地球科學(xué)的分支有著密切的交叉,因而也含有與它們相關(guān)的研究?jī)?nèi)容。地質(zhì)學(xué)的研究對(duì)象是地球,尤其是地殼,重點(diǎn)在于研究它的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu),以及其形成、演化的地質(zhì)動(dòng)力作用和過(guò)程。地質(zhì)學(xué)的核心研究思路是地質(zhì)歷史的時(shí)空重建,在層序和構(gòu)造分析的基礎(chǔ)上,地質(zhì)學(xué)家采用了許多現(xiàn)代數(shù)理化科學(xué)和技術(shù)方法,從而使傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)科步入現(xiàn)代科學(xué)行列。從巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)科研究和發(fā)展的角度看,相關(guān)的地質(zhì)學(xué)研究主要涉及以下領(lǐng)域(見(jiàn)表1):(1)巖石地質(zhì)學(xué)科,包括礦物學(xué)、巖漿巖石學(xué)、沉積巖石學(xué)、變質(zhì)巖石學(xué)、地層學(xué)以及地球化學(xué)等,主要研究各類(lèi)巖石的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu),及其成巖和早期演化的地質(zhì)作用。(2)地質(zhì)構(gòu)造學(xué)科,包括大地構(gòu)造學(xué)、構(gòu)造物理學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等,以及地球物理學(xué),主要研究構(gòu)造形變、褶皺斷裂、巖石變形、構(gòu)造應(yīng)力等,從而論述地殼運(yùn)動(dòng)和區(qū)域構(gòu)造演化。(3)地質(zhì)動(dòng)力學(xué)科,主要研究?jī)?nèi)生動(dòng)力作用和外生動(dòng)力作用。內(nèi)生動(dòng)力作用是由地球內(nèi)能驅(qū)動(dòng)的地質(zhì)作用,如地震、火山、地?zé)岬?。外生?dòng)力作用的研究也可稱(chēng)地圈動(dòng)力學(xué),主要研究地球淺表層巖石圈和大氣圈、水圈、生物圈的相互作用、動(dòng)力過(guò)程及巖土運(yùn)動(dòng)和淺表層地質(zhì)演化,包括崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、地面塌陷、地面裂縫,以及地下水滲流、巖土潛蝕、土地浸沒(méi)、土地侵蝕、沉積、堆積作用、土地沙化、鹽堿化和巖溶化、巖石風(fēng)化、卸荷作用等。(4)歷史地質(zhì)學(xué)科,是以某些地質(zhì)時(shí)代為主的綜合地質(zhì)研究,如前寒武紀(jì)地質(zhì)學(xué),中、新生代地質(zhì)學(xué),第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)等,尤其是第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)同巖石表生演化及工程地質(zhì)環(huán)境研究的關(guān)系最為密切。(5)工程地質(zhì)學(xué)科,主要包括工程地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)和環(huán)境地質(zhì)學(xué)等。它們的研究對(duì)象相同,應(yīng)用目的一致,但在研究手段上有所異同,在學(xué)科方向上各有側(cè)重。它們同巖石力學(xué)雖然學(xué)科屬性有所差異,但互補(bǔ)性強(qiáng),其發(fā)展過(guò)程就是學(xué)科交叉、滲透和合作的歷程。工程地質(zhì)學(xué)是一門(mén)應(yīng)用性強(qiáng)的地質(zhì)學(xué)科,主要研究工程建設(shè)的地質(zhì)條件和問(wèn)題及其治理。它重點(diǎn)研究工程地質(zhì)作用,即人類(lèi)工程活動(dòng)和地質(zhì)環(huán)境的相互作用和制約。工程地質(zhì)學(xué)的主要學(xué)科領(lǐng)域有工程巖土學(xué)(土質(zhì)學(xué))、工程地質(zhì)力學(xué)、地質(zhì)動(dòng)力學(xué)、工程水文地質(zhì)學(xué)、工程環(huán)境地質(zhì)學(xué)、地質(zhì)災(zāi)害學(xué)、資源工程地質(zhì)學(xué)、城市地質(zhì)學(xué)、專(zhuān)門(mén)工程地質(zhì)學(xué)、區(qū)域工程地質(zhì)學(xué)以及地質(zhì)工程學(xué)等。工程地質(zhì)學(xué)由于廣闊的應(yīng)用性導(dǎo)致其學(xué)科的綜合性,幾乎得到地質(zhì)學(xué)中所有學(xué)科領(lǐng)域的支持,其中有一部分同時(shí)也是巖石力學(xué)的支持學(xué)科,或者是巖石力學(xué)工作中有時(shí)可能涉及到的領(lǐng)域。所以在本文寫(xiě)作中只能就巖石力學(xué)研究的若干關(guān)鍵性地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行探討,討論其巖石力學(xué)意義及研究方向,勢(shì)必與工程地質(zhì)學(xué)的覆蓋面有一定的重疊。2.2基于巖相學(xué)科知識(shí)融合的方法巖石力學(xué)家大多認(rèn)識(shí)到地質(zhì)學(xué)是巖石力學(xué)的重要基礎(chǔ)學(xué)科,在巖石力學(xué)的本構(gòu)建模及巖石工程分析計(jì)算中試圖盡可能地考慮巖石特性及地質(zhì)條件,但是地質(zhì)科學(xué)涵蓋著大量分支學(xué)科,從何入手仍是很大的問(wèn)題。地質(zhì)學(xué)家也很熱心于為巖石工程建設(shè)做出自己的貢獻(xiàn),然而難于確定適當(dāng)?shù)那腥朦c(diǎn)和深入的方向。顯然,構(gòu)建一條地質(zhì)學(xué)和巖石力學(xué)間相互溝通的知識(shí)通道是必要的。事實(shí)上,巖石力學(xué)及土力學(xué)同地質(zhì)學(xué)的結(jié)合從一開(kāi)始就被認(rèn)為是學(xué)科發(fā)展的要點(diǎn)之一。Terzaghi和Müller教授皆為后人做出了楷模。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)、土力學(xué)與巖土工程學(xué)會(huì)及工程地質(zhì)與環(huán)境學(xué)會(huì)合作構(gòu)建了國(guó)際地質(zhì)巖土工程學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)(FederationofInternationalGeo-engineeringSocieties,FIGS)。聯(lián)合會(huì)約定的分工如下:工程地質(zhì)做出地質(zhì)建模,巖土力學(xué)進(jìn)行計(jì)算分析,巖土工程開(kāi)展設(shè)計(jì)和施工(見(jiàn)圖2(a))。這一方案思路簡(jiǎn)潔可行,但要融合成為整體尚有很大空間,需做大量工作。作者在FIGS的三角關(guān)系圖上添加了一些合作的環(huán)節(jié)(見(jiàn)圖2(b))。巖石工程分析計(jì)算所需參數(shù)的確定和選擇應(yīng)由地質(zhì)研究圈劃出相對(duì)均一單元體,而后根據(jù)巖石力學(xué)本構(gòu)關(guān)系的要求,通過(guò)試驗(yàn)和分析得出結(jié)果。巖石工程的設(shè)計(jì)應(yīng)同地質(zhì)調(diào)查結(jié)合開(kāi)展勘探和測(cè)試工作,并同巖土力學(xué)分析結(jié)合開(kāi)展試驗(yàn)和模擬研究,以提高巖石工程設(shè)計(jì)的可靠性。工程地質(zhì)學(xué)家、巖石力學(xué)學(xué)家需同設(shè)計(jì)、施工工程師密切結(jié)合,通過(guò)多元知識(shí)的綜合集成方可設(shè)計(jì)和建成高質(zhì)量的巖石工程。多學(xué)科的合作歸根到底是學(xué)科之間知識(shí)的交互和融合,因此必須建立一條知識(shí)通道。地質(zhì)學(xué)和巖石力學(xué)之間的通道應(yīng)從兩頭開(kāi)通。在通道中間應(yīng)有知識(shí)轉(zhuǎn)化的接口,將通道聯(lián)成整體。中間接口的意義在于取得雙方的共識(shí),以達(dá)到學(xué)科知識(shí)交融的目的。從地質(zhì)科學(xué)來(lái)看,最基本的問(wèn)題在于巖石力學(xué)研究中應(yīng)該如何看待巖石。作為巖石力學(xué)研究對(duì)象和巖石工程所處的介質(zhì),巖石應(yīng)區(qū)別于其他人工材料,那么它的特殊性何在,這就需要追究巖石的本質(zhì)性,而從地質(zhì)學(xué)趨向巖石力學(xué)的知識(shí)通道也就從此處進(jìn)口。圖3是學(xué)科知識(shí)溝通的內(nèi)涵。所謂本質(zhì)性指物體的內(nèi)在的固有特性,它在本質(zhì)上制約著物體的其他有關(guān)表現(xiàn)和行為。巖石是一種地質(zhì)體,它的本質(zhì)性來(lái)源于其地質(zhì)成因和演化,同其他人工材料有著本質(zhì)的區(qū)別,可稱(chēng)為地質(zhì)本質(zhì)性。作為巖石力學(xué)研究對(duì)象而言,巖石地質(zhì)本質(zhì)性包含其物質(zhì)性、結(jié)構(gòu)性、賦存性以及演化時(shí)態(tài)性。工程地質(zhì)學(xué)家重點(diǎn)研究工程巖體長(zhǎng)期地質(zhì)演化所形成的物質(zhì)組成,即其物質(zhì)性;長(zhǎng)期應(yīng)力歷史中形成的結(jié)構(gòu)特性,即其結(jié)構(gòu)性;長(zhǎng)期同周?chē)刭|(zhì)環(huán)境的有機(jī)聯(lián)系,即賦存性。在這些研究中,貫穿始終的是地質(zhì)作用和演化過(guò)程,而且從其演化趨勢(shì)來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的工程地質(zhì)作用和巖體的工程行為。巖石地質(zhì)本質(zhì)性的研究必將導(dǎo)致巖石物理本屬性的揭示,以及其成因和展布規(guī)律。巖石物理本屬性指物理特性的整體展布和格局,如不均一性、各向異性、不連續(xù)性及其時(shí)態(tài)性。這些本屬性也必然具有很強(qiáng)的時(shí)態(tài)性,隨著時(shí)間和條件的變化而改變。地質(zhì)學(xué)家對(duì)巖石地質(zhì)本質(zhì)性有了深入掌握后,方可認(rèn)識(shí)其物理本屬性。在此基礎(chǔ)上,地質(zhì)學(xué)家將可進(jìn)一步理解巖石的變形破壞機(jī)制及其力學(xué)本構(gòu)性。巖石力學(xué)家只有進(jìn)一步認(rèn)識(shí)這些實(shí)質(zhì)性因素,才可考慮它們的作用,建立更加符合實(shí)際的巖石力學(xué)模型和科學(xué)合理的本構(gòu)關(guān)系。而地質(zhì)學(xué)家在理解巖石本構(gòu)性的基礎(chǔ)上又可返回到巖石本質(zhì)性的深入研究中,以期同巖石力學(xué)進(jìn)一步結(jié)合。3巖石成因發(fā)展的地質(zhì)作用3.1關(guān)于大石山組巖漿巖和沉積巖的組成要素地球上巖土是地殼物質(zhì),是地球演化的產(chǎn)物。某階段的巖土物質(zhì)可成為下階段物質(zhì)演化的起點(diǎn)。一階段的穩(wěn)態(tài)演變可經(jīng)歷漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)代,礦物組分逐漸變化。由一階段物質(zhì)轉(zhuǎn)化為另種組分也常有很長(zhǎng)的過(guò)渡期,形成過(guò)渡型礦物組分和不同的物態(tài)。對(duì)巖石的考察地質(zhì)學(xué)家可追溯它的由來(lái),然而更重要的是推測(cè)它的未來(lái)。以今推古到以古及今,再去以今推后,這是地質(zhì)分析的重要原理之一。從三大類(lèi)巖石的全球旋回來(lái)看,巖漿巖是由幔源物質(zhì)構(gòu)成的,屬原生巖類(lèi)。而沉積巖則是已有巖石經(jīng)破碎后再度堆積和膠結(jié)而成的,是典型的次生巖類(lèi)。巖漿巖和沉積巖在進(jìn)入高溫、高壓條件下形成變質(zhì)巖類(lèi),也屬次生巖類(lèi)。但值得注意的是,作為次生巖類(lèi)的沉積巖類(lèi)又成為變質(zhì)巖類(lèi)的源巖。已形成的沉積巖類(lèi)和變質(zhì)巖類(lèi)可再次以源巖組分進(jìn)入新的沉積巖中。而已經(jīng)形成的各類(lèi)巖石在強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)中可能進(jìn)入地殼深部,與巖漿產(chǎn)生混熔,形成新的巖漿源。巖石旋回的驅(qū)動(dòng)力為地殼運(yùn)動(dòng)同地表物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的耦合作用,它表現(xiàn)為地殼隆升或仰沖,使巖漿上涌,產(chǎn)生巖漿巖,同時(shí)造成表層巖石剝蝕和運(yùn)移的條件,形成沉積巖;而地殼的下沉或俯沖則可使地球表層被巖石卷入地殼深部,產(chǎn)生變質(zhì)巖,甚至進(jìn)入上地幔巖漿源區(qū),進(jìn)入漿源中。如此旋回不已,通過(guò)各類(lèi)地質(zhì)作用形成復(fù)雜而多樣的巖石,造成巖石的多樣性。3.2地殼巖漿活動(dòng)及巖石學(xué)特征巖石成巖作用和早期演化決定著巖石的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu),也是奠定地殼物質(zhì)基礎(chǔ)的主要地質(zhì)作用(見(jiàn)表2)。它包含了多種地質(zhì)作用,并構(gòu)成地殼演化的基本過(guò)程。成巖地質(zhì)作用可分為三大類(lèi):巖漿活動(dòng)、沉積作用和變質(zhì)作用,相應(yīng)形成三大巖類(lèi)(見(jiàn)表2)。巖漿活動(dòng)是地殼巖石的初始物質(zhì)源泉,所形成的巖漿巖為原始巖類(lèi)。巖漿從漿源流進(jìn)地殼巖層后逐漸冷凝的過(guò)程為巖漿侵入活動(dòng),結(jié)果形成侵入巖漿巖。它的礦物組成取決于巖漿的主成分,如酸性巖、基性巖、堿性巖等,但通過(guò)巖漿分異及巖漿與圍巖相互作用可形成多種巖性的巖石。后期巖漿活動(dòng)退化過(guò)程中可能再做小規(guī)模的侵入活動(dòng),形成小巖體或巖脈。巖漿從漿源流經(jīng)地殼巖層后達(dá)到地面,便出現(xiàn)火山活動(dòng),產(chǎn)生溢流或噴發(fā),并相應(yīng)形成火山巖系。溢流巖同噴發(fā)巖有時(shí)相互交替,形成復(fù)雜的巖組。溢流巖的成分主要取決于相應(yīng)的巖漿,如酸性流紋巖、基性玄武巖等。噴發(fā)巖則常同地表沉積物混雜,形成火山沉積巖系。地球表層在陸地高處受大氣、水和生物圈的作用,發(fā)生巖石的剝蝕,包括各類(lèi)侵蝕作用,如風(fēng)蝕、浪蝕、喀斯特化、潛蝕等。從母巖剝離出來(lái)的巖石在重力、水力、風(fēng)力作用下搬運(yùn)到異地堆積或水域中沉積下來(lái),完成成土過(guò)程后,通過(guò)漫長(zhǎng)的固結(jié)和膠結(jié)作用才形成沉積巖類(lèi),包括碎屑和化學(xué)沉積巖等。在地殼深處具有一定的高溫、高壓條件下,已形成的巖石受到巖石變質(zhì)作用,產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和礦物組成的根本改變,形成不同變質(zhì)程度的變質(zhì)巖類(lèi)。3.3在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中實(shí)行巖石風(fēng)化作用巖石在形成后又經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的地質(zhì)演化才構(gòu)成現(xiàn)今在地殼表層所見(jiàn)的巖石(見(jiàn)表2)。巖石后期演化的地質(zhì)作用主要可歸納為構(gòu)造形變、蝕變和風(fēng)化三大類(lèi),其作用主要是造成巖石結(jié)構(gòu)和組成的改變,或稱(chēng)改造。在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中巖石產(chǎn)生構(gòu)造形變,主要是結(jié)構(gòu)的變化,同時(shí)也有礦物組成的改變,包括生成構(gòu)造應(yīng)力礦物,形成構(gòu)造巖,包括斷層巖等。巖石蝕變作用是巖石形成后在地殼一定深處受到深部流體,尤其是水熱作用而產(chǎn)生的礦物組成的改變。巖石風(fēng)化作用是巖石在地表?xiàng)l件下產(chǎn)生變異的一系列地質(zhì)作用,包括應(yīng)力卸荷、物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化等作用?；瘜W(xué)風(fēng)化作用,如水解作用、淋濾作用等,強(qiáng)烈地改變巖石的礦物組成。3.4巖石力學(xué)特性巖石的全球旋回和漫長(zhǎng)的成巖和演化歷史表明,巖石是地質(zhì)歷史產(chǎn)物,它具有多樣性,種類(lèi)繁多,并形成不均一性。巖石的非穩(wěn)定時(shí)態(tài)性非常突出,大多處于演化的某種階段,演化進(jìn)展程度不一,屬于過(guò)渡性產(chǎn)物。即使是同一種巖石,其所具有的組成、結(jié)構(gòu)和物性也不盡相同,所包含的各種物理參數(shù)和力學(xué)性能差異很大。因此,要想對(duì)巖石的力學(xué)特性及其在工程條件下的表現(xiàn)有比較深入的認(rèn)識(shí)和理解,光靠少數(shù)力學(xué)參數(shù)是不夠的,而需要掌握其全息信息,尤其是礦物組成和結(jié)構(gòu)。巖石全息性能參數(shù)及對(duì)巖石成巖和演化程度信息的掌握是巖石工程和力學(xué)研究以及評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。4巖石力學(xué)傳統(tǒng)物體的本質(zhì)性指其自身物性和結(jié)構(gòu)所生成的內(nèi)在本性。巖石力學(xué)家常說(shuō)巖石是一種特殊材料。地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為巖石與其他材料相比,其特殊性可歸結(jié)于其地質(zhì)本質(zhì)性。由于其賦存性及長(zhǎng)期的演化過(guò)程,巖石也具有演化性。4.1巖石的物質(zhì)性巖石是礦物的結(jié)合體,礦物是巖石的“細(xì)胞”。巖石的物質(zhì)性主要取決于在成巖和演化過(guò)程中形成的某種礦物組合。4.1.1巖漿巖的礦物組成巖漿巖是原始巖類(lèi),巖漿的成分決定著巖漿巖的物質(zhì)組分。同時(shí),由于沉積巖和變質(zhì)巖皆屬于次生巖類(lèi),故巖漿巖也代表了地殼巖石的基本物質(zhì)組成,主要造巖礦物有石英、長(zhǎng)石和云母、角閃石等暗色礦物等。上述造巖礦物的力學(xué)硬度及強(qiáng)度有很大差異。石英強(qiáng)度最高;長(zhǎng)石含有解理,故強(qiáng)度次之;而暗色礦物呈鱗片狀或針狀,剛度小、強(qiáng)度低。礦物力學(xué)特性的差異直接影響著巖石的力學(xué)性能及其不均一性。典型的巖漿巖如花崗巖,常含有較多的石英和長(zhǎng)石,各占40%~50%,而暗色礦物僅占10%~20%。但是,不同巖類(lèi)的礦物比例不同,且含有某些特殊礦物,從而呈現(xiàn)出巖石的多樣性。沉積巖屬于次生巖類(lèi),它的礦物組成反映了原巖的次生變化及在沉積之前在地面和水域所產(chǎn)生的變化。除典型的造巖礦物外,還含有大量的黏土、次生蝕變礦物、鹽類(lèi)等?；瘜W(xué)沉積巖則主要為碳酸鹽或其他鹽類(lèi)組成。變質(zhì)巖也屬于次生巖類(lèi),淺變質(zhì)巖基本上保留原巖的組成。原巖在高溫高壓作用下可能產(chǎn)生熔融和再結(jié)晶,形成深變質(zhì)巖,如花崗片麻巖,其礦物組成則又類(lèi)似于巖漿巖。在巖石組構(gòu)中,礦物晶體或原巖顆粒之間由基質(zhì)充填。在結(jié)晶巖中它們的物質(zhì)組成同顆粒相近似,但一般以隱晶或非晶質(zhì)物態(tài)出現(xiàn)。在沉積巖中,充填物分為泥質(zhì)、鈣質(zhì)和硅質(zhì),其中泥質(zhì)最軟弱,硅質(zhì)最強(qiáng),但鈣質(zhì)和硅質(zhì)均屬于堅(jiān)硬充填物。如上所述,巖石成巖后即具有力學(xué)強(qiáng)度的差異,其中軟弱組分起著降低巖石強(qiáng)度的作用,而且其增大了巖石的環(huán)境敏感性,在后期演化過(guò)程中易于變異。4.1.2地殼表淺部?jī)?chǔ)巖巖石風(fēng)化巖石在后期演化過(guò)程中,既有堅(jiān)硬組分向軟弱物質(zhì)的轉(zhuǎn)化,也有軟弱組分向堅(jiān)硬物質(zhì)的轉(zhuǎn)化,表現(xiàn)為原生礦物向次生礦物的轉(zhuǎn)化。從巖石的工程力學(xué)性能來(lái)看,巖石軟化則是重點(diǎn)考察的對(duì)象。巖石弱化的后期演化主要為蝕變和風(fēng)化過(guò)程,表現(xiàn)為成巖礦物向黏土礦物的轉(zhuǎn)化,巖石成巖后在地殼深部即可發(fā)生巖漿剩余液蝕變,后來(lái)到地殼表淺部可發(fā)生水熱蝕變。蝕變主要為原有的暗色礦物和長(zhǎng)石類(lèi)礦物向更軟弱礦物及黏土類(lèi)礦物轉(zhuǎn)化,產(chǎn)生綠泥石等軟弱礦物。對(duì)巖石力學(xué)特性影響最嚴(yán)重的為高嶺石化和蒙脫石化。巖石蝕變一般沿?cái)嗔寻l(fā)生,具有局部性特征,但可極大地降低巖石的力學(xué)特性,增大其親水性,使其水理特性惡化。巖石風(fēng)化是在地殼表層或地面發(fā)生的。在大氣、水和生物的作用下,巖石中礦物組成出現(xiàn)巨大的變異,形成風(fēng)化殼。其全風(fēng)化層成為土狀物,強(qiáng)風(fēng)化層也大部分由風(fēng)化土組成。風(fēng)化殼中各層巖石有不同程度風(fēng)化,物理、水理和力學(xué)特性也在不同程度上惡化。圖4為巖石風(fēng)化過(guò)程中礦物組分的變化路徑(KT和SKM均為風(fēng)化花崗巖巖樣,箭頭表示風(fēng)化巖礦物變異過(guò)程)。由石英、長(zhǎng)石和少量暗色礦物構(gòu)成的原巖在風(fēng)化過(guò)程中大部分暗色礦物變成黏土如高嶺土等,而長(zhǎng)石則不同程度地風(fēng)化為黏土,石英最為穩(wěn)定,基本上不受影響。4.1.3巖石力學(xué)及工程研究的基本問(wèn)題巖石物質(zhì)性主要為礦物組成及其變異。雖然造巖礦物占主要地位,但從巖石力學(xué)及工程研究來(lái)看,應(yīng)著重于軟弱組分的研究,尤其是黏土化的確定,而最重要的是高嶺石化和蒙脫石化的測(cè)定。巖石黏土化的結(jié)果并不限于力學(xué)參數(shù)的降低,也可能影響其均一性,甚至是力學(xué)本構(gòu)模型的改變。4.2巖石結(jié)構(gòu)4.2.1巖漿巖中生節(jié)理的生長(zhǎng)和發(fā)育巖石結(jié)構(gòu)性在這里包括不同尺度結(jié)構(gòu)體的形態(tài)和排列,以及它們之間的連接特征。巖石結(jié)構(gòu)性綜合體現(xiàn)著對(duì)巖石力學(xué)特性的影響。巖石結(jié)構(gòu)隨著成巖而形成,并在后期的構(gòu)造作用和次生演化中強(qiáng)化和確立(見(jiàn)表3)。巖石中發(fā)育膠結(jié)和斷結(jié)兩種方式,在成巖后一般具有結(jié)晶和膠結(jié)結(jié)合。但是出現(xiàn)在晶體內(nèi)的解理、微裂紋,以及晶體之間、晶體與基質(zhì)之間或顆粒與膠結(jié)物質(zhì)間的微裂隙,構(gòu)成巖石中的原生損傷。在成巖過(guò)程中也同期形成宏觀裂隙,常稱(chēng)原生節(jié)理。沉積巖在排水固結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生一或兩組垂直節(jié)理,其走向與沉積盆地和邊界地殼活動(dòng)有關(guān)。沉積原生節(jié)理受巖層厚度控制,而節(jié)理密度則隨巖層厚度的減小而增大。巖漿巖中原生節(jié)理與其流動(dòng)方向有關(guān),如在花崗巖中一般發(fā)育兩組陡立、一組平緩節(jié)理?；鹕綆r在快速冷凝過(guò)程中常產(chǎn)生冷凝節(jié)理,典型的為玄武巖中的柱狀節(jié)理。4.2.2錯(cuò)誤巖石在構(gòu)造變形過(guò)程中產(chǎn)生大量斷裂,成為構(gòu)造結(jié)構(gòu)面,形成巖石斷裂結(jié)構(gòu)系統(tǒng),是巖石結(jié)構(gòu)性的基礎(chǔ)。巖石斷裂結(jié)構(gòu)有以下重要特點(diǎn):(1)斷裂分級(jí)和尺度分級(jí)受構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)展布和應(yīng)力梯度的影響,在一定規(guī)模的巖石地塊中常發(fā)育不同延展長(zhǎng)度和不同切割深度的斷裂,而且具有尺度分級(jí)性。斷裂分級(jí)有助于巖石工程的多尺度研究。規(guī)模長(zhǎng)大的斷層由于大錯(cuò)動(dòng)變形,形成斷層巖,改變了原巖的物質(zhì)組成和狀態(tài),出現(xiàn)鱗片狀、粉粒狀結(jié)構(gòu)和黏土物質(zhì),增強(qiáng)了巖石的物質(zhì)變異。(2)不同組的破裂力學(xué)機(jī)制在一定的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)條件下,斷裂往往是多組同時(shí)出現(xiàn),不同組的斷裂具有不同的破裂力學(xué)機(jī)制。塊狀結(jié)晶巖類(lèi)斷裂的發(fā)展主要受構(gòu)造應(yīng)力水平控制,而層狀沉積巖類(lèi)斷裂的發(fā)育除與應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)外,還受到巖層褶皺變形的制約。(3)斷裂的再活動(dòng)地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是分期進(jìn)行的,同一地塊往往經(jīng)受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)一般使原有的斷裂再活動(dòng),有時(shí)也產(chǎn)生新的斷裂。斷裂的再活動(dòng)引起其在不同方向上的運(yùn)動(dòng),從而改變斷裂的特性。構(gòu)造斷裂的配套組合在整體上決定著巖石的不連續(xù)結(jié)構(gòu)特征。4.2.3因合作用的巖石構(gòu)造環(huán)境巖石在次生演化中的松弛和軟化是主要作用,但同時(shí)也產(chǎn)生次生裂隙。巖石中晶體或顆粒由于基質(zhì)或膠結(jié)物蝕變或風(fēng)化而脫開(kāi)連接,形成散離結(jié)構(gòu),并在溫度和應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂隙。此外,受應(yīng)力釋放的影響,原有結(jié)構(gòu)面張開(kāi),并誘發(fā)新的裂隙,造成巖石的碎裂化。巖石蝕變和風(fēng)化皆從原有斷裂開(kāi)始,所以蝕變和風(fēng)化首先造成斷裂面巖石的蛻化,產(chǎn)生黏土物質(zhì)或泥質(zhì)物充填。巖石蝕變和風(fēng)化可造成在強(qiáng)作用帶內(nèi)巖石的成土化,同時(shí)在相當(dāng)大范圍內(nèi)發(fā)生巖石結(jié)構(gòu)的蛻化、物理–水理性能的惡化及力學(xué)強(qiáng)度的大幅度降低。4.2.4構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步加載構(gòu)造斷裂配套指在同一期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的地殼應(yīng)力場(chǎng)中斷裂的發(fā)育過(guò)程,以及不同力學(xué)類(lèi)型和展布的斷裂的成套組合。以結(jié)晶巖為代表的渾厚塊狀巖體在構(gòu)造應(yīng)力加載初期往往產(chǎn)生兩組陡立的交叉斷裂,稱(chēng)為平面X–斷裂,其中一組為左旋斷裂,另一組為右旋斷裂。X–斷裂的銳角所對(duì)為最大構(gòu)造主壓應(yīng)力方向。在高溫高壓條件下X–斷裂可加寬到正交,沿X–斷裂可擴(kuò)展為走向平移斷層,有時(shí)伴有羽狀斷裂(見(jiàn)圖5)。在進(jìn)一步水平加載條件下,地塊向上抬升,垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)化為最小主應(yīng)力,遂產(chǎn)生平緩斷裂,可擴(kuò)展為逆斷層(中傾角)或逆掩斷層(低傾角)。斷層面上擦痕平行構(gòu)造最大主應(yīng)力方向,其仰沖方向?yàn)闃?gòu)造運(yùn)動(dòng)的指向。由于這種平緩斷裂可有不同的傾向,形成在剖面上的交叉,故稱(chēng)側(cè)面X–斷裂。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步加載可造成平行最大主應(yīng)力方向的陡傾角張性斷裂,有時(shí)可擴(kuò)展為橫斷層。在很多情況下沿銳角相交的平面X–斷裂產(chǎn)生追蹤張斷裂,其延展方向與橫張斷裂方向相同。以沉積巖類(lèi)為代表的層狀巖體在構(gòu)造應(yīng)力加載初期同樣產(chǎn)生兩組陡立的交叉斷裂,即平面X–斷裂,其展布與結(jié)晶巖巖體中斷裂相同。在構(gòu)造加載初期,地層物質(zhì)仍保留部分塑性性能,平面X–斷裂可加寬到正交。這種平面X–斷裂往往沿原生節(jié)理發(fā)育(見(jiàn)圖6)。在進(jìn)一步水平加載條件下,地層開(kāi)始褶皺變形,其產(chǎn)狀變化的結(jié)果是使原有斷裂的產(chǎn)狀也隨之變化。圖7為初期的平面X–斷裂在巖層由水平變?yōu)槎噶⑦^(guò)程中的變化及其代表產(chǎn)狀的極點(diǎn)移動(dòng)軌跡(箭頭表示變化軌跡)。當(dāng)構(gòu)造荷載使巖層向上拱起或向下彎曲時(shí),垂直應(yīng)力轉(zhuǎn)化為最小主應(yīng)力,遂產(chǎn)生平緩斷裂,可擴(kuò)展為逆斷層(中傾角)或逆掩斷層(低傾角)。由于層面和軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度低,常產(chǎn)生層面錯(cuò)動(dòng),因而側(cè)面X–斷裂受到制約。有時(shí)斷裂延展與層間錯(cuò)動(dòng)面相通或反之。當(dāng)巖層褶皺變形進(jìn)一步發(fā)展達(dá)到陡傾時(shí),巖層發(fā)生橫向拉張,形成橫張斷裂。由于巖層產(chǎn)狀的變化,早期的平面X–斷裂呈現(xiàn)與巖層走向垂直、傾向兩側(cè)的產(chǎn)狀。故橫張斷裂也可遷就它發(fā)育,但斷裂的力學(xué)機(jī)制卻由平移轉(zhuǎn)為拉張,同時(shí),產(chǎn)生新的側(cè)面X–斷裂,使斷裂組數(shù)增加。綜上所述,一期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在結(jié)晶巖體中形成的斷裂包括平面X–斷裂、側(cè)面X–斷裂和橫張斷裂。在一般情況下,構(gòu)造斷裂可沿原有的原生節(jié)理錯(cuò)動(dòng)和擴(kuò)展。在層狀巖體中,斷裂構(gòu)造的發(fā)育過(guò)程與在結(jié)晶巖中相似,但由于層狀巖體的褶皺變形,早期產(chǎn)生的斷裂隨褶皺過(guò)程的發(fā)展而改變產(chǎn)狀,形成追蹤斷裂,同時(shí),晚期可多次生成新的側(cè)面X–斷裂,使斷裂構(gòu)造格局更加復(fù)雜。4.2.5構(gòu)造配套組合分析難度地殼的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)往往是多期的,后期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)方向有所改變。由于前期構(gòu)造斷裂的配套格局已經(jīng)形成,后期的斷裂一般只遷就原有斷裂,加以擴(kuò)展。但因應(yīng)力場(chǎng)的主方向改變,斷裂面的錯(cuò)動(dòng)方向與原斷裂的錯(cuò)動(dòng)方向不同,應(yīng)按新應(yīng)力場(chǎng)條件活動(dòng),從而改變其力學(xué)類(lèi)型(見(jiàn)圖8,其中圖8(a)~(e)所示為構(gòu)造主壓應(yīng)力方向逐次改變時(shí)斷裂力學(xué)屬性的變化)。再次斷裂活動(dòng)會(huì)使斷裂延展,惡化斷裂的性狀,也會(huì)形成更多斷層。如若前期斷裂活動(dòng)輕微,則后期除部分遷就原斷裂外,仍然可產(chǎn)生新斷裂。由于多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的斷裂格局甚為復(fù)雜,進(jìn)行構(gòu)造配套組合分析難度很大。多期構(gòu)造分析的基本點(diǎn)在于確定“構(gòu)造線(xiàn)”,即與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主壓力方向相垂直的壓性結(jié)構(gòu)面,如逆掩斷層、區(qū)域性緊逼褶皺軸面、區(qū)域性片理或片麻理面等。在一個(gè)地區(qū)出現(xiàn)多種產(chǎn)狀不同的“構(gòu)造線(xiàn)”標(biāo)志時(shí),表明巖體受多期強(qiáng)烈的構(gòu)造作用。在多期構(gòu)造作用條件下,斷裂面上會(huì)出現(xiàn)不同的錯(cuò)動(dòng)跡象,如擦痕方向、次級(jí)羽狀裂隙的排列、巖層的錯(cuò)斷方位、斷層透鏡體的排列、劈理的排列和方向等。圖9所示為金川露天礦巖體構(gòu)造斷裂配套組合分析。第一期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的主壓力為P1,其地質(zhì)證據(jù)為F1逆掩斷層。它是構(gòu)造線(xiàn)標(biāo)志,其走向?yàn)镹NW向,與區(qū)域強(qiáng)烈褶皺的前震旦紀(jì)變質(zhì)巖系的走向平行。第二期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主壓力P2的證據(jù)為F8逆沖斷層,它的走向?yàn)镋W向,橫切前震旦紀(jì)變質(zhì)巖系,并將第四紀(jì)松散層仰沖到基巖上。在上述構(gòu)造作用下,各斷裂面表現(xiàn)出多次運(yùn)動(dòng)的形跡。由于第一次構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生了平面X–斷裂,如f1~f5等左旋斷層及f6右旋斷層,未產(chǎn)生重要的橫張斷層。同逆掩斷層F1走向相平行的側(cè)面X–斷裂,如F3,F5,F16等,多數(shù)傾向?yàn)镹E,同F(xiàn)1斷層傾向一致。第二期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了f7~f9等左旋斷裂及f11~f14等右旋斷裂。同時(shí)在第一期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中形成的F3,F5等逆斷層受近SN向的構(gòu)造壓力P2的作用,發(fā)生右旋錯(cuò)動(dòng),表現(xiàn)為水平向擦痕。斷層f10為第二期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的橫張斷裂,它可能是追蹤原來(lái)的右旋小斷裂發(fā)展而成的。4.3巖石賦存性與環(huán)境巖石是在地質(zhì)環(huán)境中生成、演化而形成的,并且作為工程巖體現(xiàn)今仍賦存于地質(zhì)環(huán)境中,受到地球表層圈相互作用的影響。因此,賦存性是巖石區(qū)別于其他人工材料的重要特征。巖石賦存性指其與周?chē)刭|(zhì)環(huán)境關(guān)系的密切程度,也即其同周?chē)刭|(zhì)環(huán)境相互作用的敏感性。巖石的賦存性取決于其自身特性,物質(zhì)松軟及結(jié)構(gòu)破碎巖石比較脆弱,對(duì)同等環(huán)境因素的作用敏感性強(qiáng),在應(yīng)力、水壓和溫度變化的條件下,其狀態(tài)和性能常表現(xiàn)為惡化。巖石的賦存狀態(tài)既取決于巖石本身的地質(zhì)環(huán)境敏感性,也取決于環(huán)境因素的強(qiáng)度。賦存環(huán)境的穩(wěn)定性與環(huán)境因素強(qiáng)度有關(guān)。但巖體環(huán)境敏感性可制約賦存環(huán)境的實(shí)際影響。高地應(yīng)力環(huán)境、地下水活躍循環(huán)帶以及強(qiáng)烈地質(zhì)動(dòng)力作用帶是對(duì)巖石不利的賦存環(huán)境。4.3.1巖石開(kāi)挖穩(wěn)定性的應(yīng)然方式地應(yīng)力包含現(xiàn)今自重應(yīng)力及巖石形成及演化過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力殘余值,尤其是構(gòu)造殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是原巖應(yīng)力未能充分釋放的表現(xiàn),其原因有二:一是應(yīng)力邊界解除不充分,二是巖石流變所引起的時(shí)效性。巖石中存在不可釋放的應(yīng)力,稱(chēng)為封存應(yīng)力或凍結(jié)應(yīng)力,或者定義為內(nèi)應(yīng)力,即巖石中在邊界充分解除很長(zhǎng)時(shí)間后仍然能夠保存的應(yīng)力。高地應(yīng)力條件下巖石在自然埋藏中擠壓緊密,巖石結(jié)構(gòu)效應(yīng)淡化,其物理力學(xué)性能強(qiáng)于低應(yīng)力條件下的巖石。當(dāng)巖石從高地應(yīng)力向低地應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí),聚集的應(yīng)變能釋放,伴隨著體積膨脹,結(jié)構(gòu)松弛,結(jié)構(gòu)效應(yīng)顯化,同時(shí),物理力學(xué)性能下降,甚至比長(zhǎng)期為低地應(yīng)力條件下的巖石更差。一般來(lái)說(shuō),應(yīng)力釋放可導(dǎo)致巖石中偏應(yīng)力增加,引起破裂或錯(cuò)動(dòng)。嚴(yán)重的單軸化應(yīng)力釋放可形成高應(yīng)力梯度,引發(fā)硬巖的巖爆或軟巖的塑性流動(dòng)。但巖石在應(yīng)力釋放過(guò)程中的表現(xiàn)復(fù)雜,同原三維地應(yīng)力狀態(tài)及釋放方式有關(guān),即同巖石的卸載應(yīng)力路徑有關(guān)。關(guān)于地應(yīng)力高低的相對(duì)定義,可取巖石單軸抗壓強(qiáng)度作為參照量(見(jiàn)表4),則地應(yīng)力系數(shù)可用應(yīng)力強(qiáng)度比表示:式中:σd為巖石地應(yīng)力,σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度。此定義可作為巖石開(kāi)挖穩(wěn)定性的初步判據(jù)。另一種定義的參照量為上覆巖石壓力,稱(chēng)為構(gòu)造殘余應(yīng)力比。設(shè)由上覆巖層所引起的水平應(yīng)力為則構(gòu)造殘余應(yīng)力比可定義為式中:γc為巖石容重,μ為巖石泊松比,h為上覆巖層厚度,σdh為地應(yīng)力水平分量。在測(cè)得地應(yīng)力水平最大主應(yīng)力分量后,可以評(píng)價(jià)構(gòu)造殘余應(yīng)力的大小:式中:σg為構(gòu)造殘余應(yīng)力。表4列出了對(duì)巖石地應(yīng)力環(huán)境的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。4.3.2地下水滲流作用下的巖石物質(zhì)地下水是巖石和周?chē)刭|(zhì)環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交互作用的主要介質(zhì),同時(shí)也是直接影響巖石物質(zhì)狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)的重要因素。在地下水作用下,巖石物質(zhì)的親水性得以表現(xiàn),發(fā)生軟化。隨滲透壓力的增加,巖石有效應(yīng)力降低,甚至造成巖石的破壞和失穩(wěn)。地下水一般按流域分布,包括補(bǔ)給區(qū)、徑流區(qū)和排泄區(qū)。在不同地區(qū),地下水循環(huán)活動(dòng)性不同,對(duì)巖石的影響也不同。位于飽和區(qū)和非飽和區(qū)的巖石形狀不同,在進(jìn)一步地下水動(dòng)態(tài)變化時(shí)可能產(chǎn)生急劇的變化,在地下水環(huán)境評(píng)價(jià)中應(yīng)予注意。表5列出了巖石賦存的地下水環(huán)境。4.3.3巖石動(dòng)力環(huán)境地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境指巖石所處周?chē)鷥?nèi)外地質(zhì)動(dòng)力作用的活動(dòng)性。巖石在活躍的地質(zhì)環(huán)境中受到周?chē)刭|(zhì)動(dòng)力作用的影響,易于進(jìn)一步惡化,相反,在平緩環(huán)境中巖石的工程性能則比較穩(wěn)定。在地球內(nèi)動(dòng)力作用下,地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境表現(xiàn)為斷層的活動(dòng)性及地震活動(dòng)性,而其綜合效應(yīng)可由地震烈度來(lái)表征(見(jiàn)表6)。巖石所處的地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境可劃分為5級(jí)。在地球外動(dòng)力或內(nèi)外動(dòng)力耦合作用下,地質(zhì)動(dòng)力環(huán)境表現(xiàn)為脆弱地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育狀況及活躍程度(見(jiàn)表7)。5巖石地質(zhì)性質(zhì)的物理和力學(xué)解釋5.1巖石本屬性為地質(zhì)組構(gòu)的可行性探索巖石本質(zhì)性揭示了巖石的物理、力學(xué)特性和工程性狀的緣由,它的研究和界定無(wú)疑將為巖石力學(xué)與巖石工程提供重要的基礎(chǔ)。巖石物理本屬性可能是由地質(zhì)本質(zhì)性向巖石力學(xué)本構(gòu)性延展的一座橋梁。同時(shí),巖石物理本屬性本身也正是巖石力學(xué)本構(gòu)建模所必須考慮的基本因素和制約條件。從巖石的本質(zhì)性出發(fā),地質(zhì)學(xué)家可望在巖石物理本屬性的地質(zhì)組構(gòu)方面進(jìn)行深入的探索。針對(duì)巖石力學(xué)分析的目標(biāo),可將不均一性、各向異性和不連續(xù)性作為物理本屬性的基本特征來(lái)討論,此類(lèi)特征也是建立巖石物理模型的制約條件。5.1.1巖石強(qiáng)化過(guò)程巖石在長(zhǎng)期的成巖和演化過(guò)程中,由于其物質(zhì)和結(jié)構(gòu)不斷分異,形成多樣性,這是產(chǎn)生不均一性的根由。從巖石力學(xué)意義來(lái)看,重要的過(guò)程是從初始物質(zhì)組成中產(chǎn)生軟弱組分或原有組分的軟化,產(chǎn)生削弱原有結(jié)構(gòu)的不連續(xù)面,使巖石逐漸弱化。當(dāng)然在一定條件下也可能發(fā)生巖石強(qiáng)化過(guò)程,不過(guò)巖石弱化對(duì)巖石力學(xué)的應(yīng)用有更重要的意義。巖石的弱化或強(qiáng)化過(guò)程就是其不均一化的過(guò)程。巖石強(qiáng)烈弱化過(guò)程的地質(zhì)本質(zhì)則是巖石成土化過(guò)程。巖石不均一性可由巖石不均一系數(shù)來(lái)表征,它表示巖石中強(qiáng)弱不同組分的反差程度,例如軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度與硬性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度比、軟弱(破碎)巖組分與堅(jiān)硬(完整)巖組分抗壓強(qiáng)度比等(見(jiàn)表8)。不均一巖石強(qiáng)度不僅取決于不同強(qiáng)度組分的加權(quán)平均值,而且受不均一應(yīng)力場(chǎng)的制約,后者又主要受制于不同組分的彈性模量比值。5.1.2各向異性系數(shù)由于巖石中各種組分的排列具有方向性,因此出現(xiàn)各向異性。巖石的各向異性可用最弱方向的物理力學(xué)參數(shù)與最強(qiáng)方向的參數(shù)比來(lái)表征,稱(chēng)各向異性系數(shù)(γ)。參數(shù)優(yōu)劣差距不同,所產(chǎn)生的各向異性系數(shù)也有所不同。各向異性系數(shù)γ接近1.0時(shí),表明各向異性很弱,而小于0.3時(shí)則為強(qiáng)或極強(qiáng)各向異性。軟硬相間的物質(zhì)組分,如互層狀砂巖、頁(yè)巖,以及軟巖片狀顆粒,如頁(yè)巖、片巖,做定向排列可形成強(qiáng)各向異性巖石;成組性結(jié)構(gòu)面可形成復(fù)雜的各向異性結(jié)構(gòu)。5.1.3裂面為柔軟結(jié)構(gòu)面時(shí)的巖石缺陷巖石在成巖和地質(zhì)演化過(guò)程中形成了各類(lèi)結(jié)構(gòu)面,包括物質(zhì)界面和裂面,它們的組合構(gòu)成物理的不連續(xù)性,影響物理場(chǎng)分布的連續(xù)性。物質(zhì)界面,如層理、片麻理等,膠結(jié)密合,影響很小,而層面等同是物質(zhì)界面,但可脫開(kāi)形成裂面,對(duì)物理的不連續(xù)性的影響顯著增大。由構(gòu)造斷裂為主組成的裂面基本上決定著巖石的不連續(xù)性。斷層等受裂面兩側(cè)的剪切作用發(fā)生錯(cuò)動(dòng),物質(zhì)搓碎,裂隙發(fā)育成為大型軟弱面。層間錯(cuò)動(dòng)面也屬此類(lèi)。巖石蝕變、風(fēng)化作用常沿裂面發(fā)育,形成軟弱結(jié)構(gòu)面,有時(shí)初始的黏土質(zhì)軟弱結(jié)構(gòu)面受構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)影響進(jìn)一步弱化,后期在地下水作用下產(chǎn)生泥化結(jié)構(gòu)面。巖石不連續(xù)性的相反面則是其完整性(見(jiàn)表9)。巖石中裂面發(fā)育,延伸長(zhǎng)、密度高則不連續(xù)性強(qiáng);若裂面延伸長(zhǎng),尤其是發(fā)育軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí),可貫穿巖石的一定研究范圍,可認(rèn)為其不連續(xù)性甚高。同時(shí),若短小裂面發(fā)育,密度高、組數(shù)多,也可構(gòu)成高不連續(xù)性。同等不連續(xù)性的巖石,由于組成的裂面性質(zhì)不同,其總體特性仍有所不同。巖石不連續(xù)性通常以連通率或完整性系數(shù)來(lái)表征。連通率是指巖石沿某特定方向,在一定長(zhǎng)度上裂面可貫通的長(zhǎng)度與總長(zhǎng)度之比。由于裂面不太可能?chē)?yán)格地沿某一直線(xiàn)延伸,故應(yīng)考慮在剪應(yīng)力作用下,在一定寬度內(nèi)裂面可能擴(kuò)展而與鄰近的裂面相連,導(dǎo)致全長(zhǎng)的貫通。連通率可用下式表達(dá):式中:li為裂面長(zhǎng)度,ldj為裂面重疊長(zhǎng)度,L為總長(zhǎng)度。按經(jīng)驗(yàn)取值,一般對(duì)硬巖λ值可取該組裂面平均間距的1/2~1/3,而對(duì)軟巖可取1~1/2。巖石完整性系數(shù)常用現(xiàn)場(chǎng)巖石與新鮮完整原巖的聲波縱波速度比(Vm/Vp)的平方來(lái)表征。在物理意義上這是現(xiàn)場(chǎng)巖石與原巖的動(dòng)彈性性能比。動(dòng)彈性模量與工程巖石的變形模量相比未能包含殘余變形,靜態(tài)變形模量Es與巖石波速比(Vm/Vp)及巖石動(dòng)彈性模量Ed有如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系:5.2變形破壞的巖體模型對(duì)巖石本構(gòu)性有兩種不同的觀點(diǎn):一為連續(xù)力學(xué)觀點(diǎn);二是不連續(xù)力學(xué)觀點(diǎn)。從使用的目的出發(fā),常采取一種復(fù)合的觀點(diǎn),即斷續(xù)性觀點(diǎn)。其實(shí)斷續(xù)力學(xué)不僅適用,而且也比較符合實(shí)際的地質(zhì)本質(zhì)和物理本屬。問(wèn)題在于普適性的理論分析和方法尚研究得不夠,有待進(jìn)一步發(fā)展。本文無(wú)意評(píng)論各種巖石力學(xué)關(guān)于其本構(gòu)模型的研究,但就巖石的地質(zhì)本質(zhì)性而言,巖石的物質(zhì)結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的,應(yīng)該采用多元耦合力學(xué)模型來(lái)表征它。事實(shí)上,許多現(xiàn)有的巖石力學(xué)本構(gòu)模型也試圖在一種模型基礎(chǔ)上納入另一種模型要素,以求更符合實(shí)際。巖石,即使是小尺度的手標(biāo)本,也是不均一的,含有脆性強(qiáng)的結(jié)晶或巖質(zhì)顆粒、相對(duì)軟弱的暗色礦物、膠結(jié)物,在有局部蝕變或風(fēng)化的條件下還可能含有更軟弱的高嶺石、蒙脫石等黏土礦物。同時(shí),巖石中礦物結(jié)晶解理、晶粒或巖質(zhì)團(tuán)粒間接觸面、微裂隙等裂面發(fā)育。這些物質(zhì)結(jié)構(gòu)要素在應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展過(guò)程中首先表現(xiàn)為應(yīng)力的不均一分布,即使外荷載為三向壓力的情況下仍可產(chǎn)生偏應(yīng)力和拉應(yīng)力。當(dāng)外荷載為三軸不等壓時(shí),巖石內(nèi)局部偏應(yīng)力和拉應(yīng)力則會(huì)更大。外荷載一定程度的升高最終導(dǎo)致巖石中某些物質(zhì)組分的屈服或/及某些裂面的張開(kāi)或滑移,這時(shí)整體彈性變形結(jié)束。在進(jìn)一步加載時(shí),應(yīng)變率隨荷載的增加而加速增長(zhǎng),其實(shí)質(zhì)性則更復(fù)雜。物質(zhì)組分的屈服以裂面的張開(kāi)或滑移為主,或兩者兼而有之,而以何者為先,相互有無(wú)作用等不同的變形過(guò)程對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變曲線(xiàn)的趨向?qū)⒂兄匾绊憽r石達(dá)到破壞時(shí)的狀態(tài)自然更為復(fù)雜。以不連續(xù)性變形為主的塊裂或塊體運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)脆性特征,而以連續(xù)性變形為主的屈服或物質(zhì)顆粒滑移或流動(dòng)則呈現(xiàn)塑性特征。應(yīng)力、應(yīng)變?cè)诜逯禃r(shí)的狀態(tài)又決定著峰后的變形特征,呈現(xiàn)應(yīng)變軟化或應(yīng)變硬化現(xiàn)象。圖10為風(fēng)化花崗巖不同場(chǎng)址巖樣的三軸應(yīng)力–應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線(xiàn)。KT巖樣顯示出應(yīng)變軟化特性,而SKM巖樣顯示出應(yīng)變硬化特性。這兩種巖樣屬同一類(lèi)花崗巖的風(fēng)化物,但SKM的長(zhǎng)石風(fēng)化較嚴(yán)重,高嶺土含量較KT巖樣高15%~20%(見(jiàn)圖4)。尺度較大的原位試驗(yàn)塊體則更為復(fù)雜。它可能含有性能相差很大的結(jié)構(gòu)體,及不同級(jí)別、不同特性的結(jié)構(gòu)面,因而,它的變形破壞過(guò)程是復(fù)雜的,無(wú)法應(yīng)用單式本構(gòu)模型來(lái)表述。單一的本構(gòu)模型不論是不連續(xù)性或連續(xù)性的都是有用的,但只是極端情況,或者是極大的簡(jiǎn)化。作為普適的情況則需要兩者的結(jié)合,而由于兩者在同一系統(tǒng)中有著相互作用和影響,因而可能不是疊加,而應(yīng)是一種非線(xiàn)性耦合。圖11為殘余結(jié)構(gòu)甚強(qiáng)的風(fēng)化花崗巖在三軸壓力作用下的變形曲線(xiàn)及X–射線(xiàn)的CT影像(其中CT00與CT0接近,未列出其CT影像)。在加載初期,巖樣中出現(xiàn)較均勻的損傷(CT0,CT1)和屈服;而加載到接近峰值時(shí),沿結(jié)構(gòu)面的破壞便突現(xiàn)出來(lái)(CT2),峰值破壞(CT3)及峰后變形完全顯示為塊體碎裂化的特征(CT4,CT5)。整個(gè)巖樣的變形破壞表現(xiàn)為連續(xù)變形、沿殘余結(jié)構(gòu)面錯(cuò)動(dòng)和塊體碎裂化交織耦合的變形過(guò)程。5.3結(jié)構(gòu)面的空間展布構(gòu)建概念性結(jié)構(gòu)模型的目的是從為數(shù)較多的地質(zhì)描述中獲取主要結(jié)構(gòu)特征的概化表述,以便于理解其本質(zhì)特性,進(jìn)行力學(xué)分析。結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建主要考慮結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的集合和聯(lián)結(jié)。結(jié)構(gòu)面分為硬性結(jié)構(gòu)面和軟弱結(jié)構(gòu)面,也可分為定位結(jié)構(gòu)面和隨機(jī)結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)體分為硬性結(jié)構(gòu)體、軟弱結(jié)構(gòu)體和破碎結(jié)構(gòu)體。軟弱結(jié)構(gòu)面的空間展布在結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建中起主導(dǎo)作用;其次為軟弱結(jié)構(gòu)體和破碎結(jié)構(gòu)體的展布。軟弱結(jié)構(gòu)面的空間展布方式有二:一是條帶狀;二是交叉條帶狀。軟弱結(jié)構(gòu)體和破碎結(jié)構(gòu)體的展布也有兩種形式:一是伴隨軟弱結(jié)構(gòu)面呈條帶或交叉條帶分布;二是作基質(zhì)狀分布于軟弱面之間。硬性結(jié)構(gòu)面一般定向、成組遍布,但具有一定的隨機(jī)性,相對(duì)堅(jiān)硬的巖石結(jié)構(gòu)體則呈基質(zhì)狀展布于軟弱帶及破碎帶之間。圖12為不同巖石物質(zhì)結(jié)構(gòu)的代表性概念模型。5.4巖體物質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型如上所述,巖石現(xiàn)今的物質(zhì)結(jié)構(gòu)是極為復(fù)雜的,其多樣性和不均一性造成巖石之間的極大差異。但是從它們的成因和演化的總體路線(xiàn)上看是可以分類(lèi)的,同一類(lèi)型巖石應(yīng)具有本質(zhì)的共同性,因而分類(lèi)評(píng)價(jià)和分析成為基本的科學(xué)方法。綜合考慮巖石的成巖、演化過(guò)程,以及形成的主要物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu),結(jié)合其基本的工程特性,可以將工程巖體劃分為三大類(lèi):(1)節(jié)理狀巖體;(2)層狀巖體;(3)碎裂巖體。節(jié)理狀巖體(jointedrockmass)是以結(jié)晶巖類(lèi)為主的巖石,具有結(jié)晶連接,由造巖礦物組成,較少軟弱片狀礦物,很少黏土物質(zhì)。原生裂隙在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展,并受輕微或一般水平構(gòu)造作用,產(chǎn)生節(jié)理裂隙、小型錯(cuò)動(dòng)面或斷層,通常為場(chǎng)地的3,4級(jí)結(jié)構(gòu)面;貫穿場(chǎng)地的1,2級(jí)斷裂或軟弱結(jié)構(gòu)面稀少。次生和淺表層演化微弱。具有裂隙地下水,很少承壓水。這類(lèi)巖體具有1~3類(lèi)工程分級(jí)質(zhì)量。層狀巖體(laminatedrockmass)是以層狀沉積巖類(lèi)為主的巖石,具有膠結(jié)連接,由巖質(zhì)顆粒組成,泥質(zhì)膠結(jié)物中富含黏土物質(zhì)。硬巖與軟巖層常形成互層或夾層結(jié)構(gòu)。軟弱層狀巖體主要由薄層軟巖構(gòu)成,黏土物質(zhì)成層分布。曾在構(gòu)造作用下產(chǎn)生褶皺,以及在原生裂隙的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展,并產(chǎn)生構(gòu)造裂隙和斷裂,通常為場(chǎng)地的3,4級(jí)結(jié)構(gòu)面。貫穿場(chǎng)地的1,2級(jí)斷裂或軟弱結(jié)構(gòu)面稀少。后期次生和淺表層演化微弱。具有裂隙或脈狀地下水,有時(shí)遇承壓水層。這類(lèi)巖體一般為2~3類(lèi)工程分級(jí)質(zhì)量,差的可降為4類(lèi)。碎裂巖體(cataclasticrockmass)是原生塊狀或?qū)訝顜r體受到強(qiáng)烈的構(gòu)造作用或/及強(qiáng)烈的次生和淺表演化作用,產(chǎn)生強(qiáng)烈的變形和碎裂化,巖石松弛,裂隙張開(kāi),伴隨礦