第一章__地壳岩体结构特征的工程地质分析(XXXX版)

地壳岩体结构特征的工程地质分析•本章学习内容和要求掌握岩体、岩体结构、结构面、结构体的基本概念，建造和改造在岩体结构形成中的作用，研究岩体结构的意义；掌握结构面的成因类型，了解其主要特征，岩体结构分类和岩体质量分类的代表性方案；了解岩体原生结构特征的成因及特征，岩体结构的岩相分析方法；了解岩体结构特征的改造以及岩体构造结构特征的地质力学分析方法；掌握结构面统计调查的路线精测法及其资料校正方法，岩体结构特征定量化研究的程序，了解岩体结构统计分析的意义及作用。•本章学习重点和难点本章重点：（1）岩体结构的概念，岩体结构的形成及演化规律；（2）岩体结构类型划分及其研究意义、岩体结构类型的实用价值；（3）岩体结构的统计方法－路线精测法。本章难点：（1）结构面成因类型的空间分布特征，岩体结构分类；（2）岩体结构介质模型应用。按介质的连续性特征，不同的力学理论适用于不同的岩体结构介质。岩体（rockmass）：通常指地质体中与工程建设有关的那一部分岩石，它处于一定的应力状态、被各种结构面所分割。岩体具有一定的结构特征，它由岩体中含有的不同类型的结构面及其在空间的分布和组合状况所确定。结构面（structuralplane）：是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸（或具有一定厚度）的地质界面（或带）。如岩层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面（discontinuities）。结构体（structuralbody）：结构面在空间的分布和组合将岩体切割成形状、大小不同的块体，称结构体。§1.1基本概念及研究意义§1.1基本概念及研究意义岩体结构特征的形成岩体结构特征是在漫长的地质历史发展过程中形成的，是建造与改造两者综合作用的产物。它以特定的建造（如沉积岩建造、火成岩建造和变质岩建造）为其物质基础。建造确定了岩体的原生结构特征；而岩体经历的不同时期、不同程度的构造作用改造以及浅、表生作用（如风化、卸荷、地下水作用等，主要是地壳浅、表部岩体）改造，使岩体结构趋于复杂化。§1.1基本概念及研究意义岩体的天然应力状态十分复杂，与构造应力场、岩体的结构特征及所处的地貌部位等因素相关。将“岩体”广泛运用到工程地质学研究当中，也不过才几十年，但它代表一个极为重要的发展阶段。之前评价岩体（岩石材料性质）——之后评价岩体（岩体结构特征、岩体的力学属性、岩体的变形破坏机制与过程等）§1.1基本概念及研究意义工程地质之所以要将岩体的结构特征作为重要研究对象，意义如下：（1）岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。只有掌握岩体的结构特征，才有可能阐明岩体在不同荷载下内部的应力分布和应力分异状况。§1.1基本概念及研究意义（2）岩体的结构特征对岩体在一定荷载条件下的变形破坏方式和强度特征起着重要的控制作用。岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定性的控制面。§1.1基本概念及研究意义坝基岩体由泥盆纪砂岩、板岩组成，地层中夹有一层由层间错动和地下水的活动造成的板岩泥化夹层，倾角一般小于10。，其内摩擦系数f＝0.24～0.30(内摩擦角φ＝14。～17。)，抗剪强度低上犹江电站坝基内板岩泥化夹层例如在岩石坝基的深部滑动抗滑稳定性分析中，有些结构面为切割面(包括横向切割面和侧向切割面,详见第十一章P445)，而有些成为滑移控制面。§1.1基本概念及研究意义结构面影响地下洞室围岩的稳定结构面影响边坡岩体的稳定性图8-2顺向坡（a）αβ;(b)αββααβ（a）(b)abcd§1.1基本概念及研究意义（3）靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确定了外营力对岩体的改造进程。这是由于结构面往往是风化、地下水等各种外营力较活跃的部位，也常常是这些营力的改造作用能深入岩体内部的重要通道，往往发展为重要的控制面。坚硬岩石组成的斜坡前缘卸荷裂隙导致崩塌示意图①灰岩；②砂页岩互层；③石英岩软硬岩性互层的陡坡局部崩塌示意图1砂岩；2页岩§1.1基本概念及研究意义此外，对岩体结构特征的研究还可以推广于宏观地质体，应用于区域构造稳定性评价。宏观地质体中的莫霍面、构造层的分界面、区域性大断层等相当于地质体中的巨型结构面。地形高度（）地壳厚度（）喜马拉雅山南麓地震带西藏横断山地震带川滇地震带甘、川地震带喜马拉雅山冈底斯山唐古拉山昆仑山柴达山阿尔金山天山青藏高原图1-2青藏高原地壳厚度剖面和地震带位置（据时振梁等）莫霍面§1.1基本概念及研究意义总之，对岩体结构特征的研究，是分析评价区域稳定性和岩体稳定性的重要依据。研究结构面最关键的是研究各类结构面的分布规律、发育密度、表面特征、连续特征以及它们的空间组合形式等。§1.1基本概念及研究意义1.2.1结构面的主要类型及特征结构面的成因分类（最基本的分类方法）：原生结构面、构造结构面及浅、表生结构面。其主要特征及工程地质评价详见表1-1。沉积结构面：层理，层面，软弱夹层，不整合面，假整合面，古冲刷面等。火成结构面：侵入体与围岩接触面，岩脉、岩墙接触面，喷出岩的流线、流面，冷凝节理面等。变质结构面：片理，片麻理，板劈理，片岩软弱夹层等。原生结构面§1.2岩体结构特征及主要类型§1.2岩体结构特征及主要类型节理（X型节理，张节理）断层（正断层，逆断层，走滑断层）层间错动带，羽状裂隙，破劈理构造结构面浅表生结构面浅部结构面表部结构面卸荷断裂重力扩展变形破裂卸荷裂隙风化裂隙风化夹层泥化夹层次生夹泥§1.2岩体结构特征及主要类型§1.2岩体结构特征及主要类型续表1-1§1.2岩体结构特征及主要类型结构面规模等级划分：按其对岩体力学行为所起控制作用，可划分为三个等级，即贯通性宏观软弱面（A类）、显现结构面（B类）和隐微结构面（C类）。§1.2岩体结构特征及主要类型按岩体结构面规模及其力学效应：将结构面分为5级（孙广忠）。§1.2岩体结构特征及主要类型表6-2结构面分级及其特征（据孙广忠，1988）级序分级依据力学效应力学属性地质构造特征Ⅰ级结构面延展长、几公里至几十公里以上，破碎带宽度达数十米1.形成岩体力学作用边界2.岩体变形和破坏的控制条件3.构成独立的力学介质单元1.属于软弱结构面2.构成独立的力学模型—软弱夹层较大的断层Ⅱ级延展规模与研究的岩体相若，破碎带宽度比较窄，几厘米至数米1.形成块裂岩体边界2.控制岩体变形和破坏方式3.构成次级地应力场边界属于软弱结构面小断层层间错动面Ⅲ级延展长度短，从十几米至几十米，无破碎带，面内不夹泥，有的具有泥膜1.参与块裂岩体切割2.构成次级地应力场边界少数属于软弱结构面不夹泥大节理或小断层开裂的层面Ⅳ级延展短，未错动、不夹泥，有的呈弱结合状态1.是岩体力学性质，结构效应的基础2.有的为次级地应力场边界节理劈理层面次生裂隙Ⅴ级结构面小，且连续性差1.岩体内形成应力集中2.岩体力学性质、结构效应的基础不连续的小节理隐节理层面片里面1.2.2岩体分类分类方案多，可归结为岩体结构分类和岩体工程应用分类两种分类系统，发展趋势是：力图使分类指标定量化。岩体结构分类岩体结构是建造和改造这两方面的综合产物，岩体结构类型划分也必须从这两方面综合考虑。按建造特征可将岩体划分为块体状（或整体状）结构、块状结构、层状结构、碎块状结构和散体状结构等类型。§1.2岩体结构特征及主要类型块体状结构：代表岩性均一、无软弱面的岩体，含有的原生结构面具有较强的结合力，间距大于1m。通常出现在厚层的碳酸盐岩、碎屑岩；花岗岩、闪长岩；原生节理不太发育的流纹岩、安山岩、玄武岩、凝灰角砾岩中。块状结构：代表岩性较均一、含有2～3组较发育的软弱结构面的岩体，结构面间距1～0.5m。成岩裂隙较发育的厚层砂岩或泥岩，槽状冲刷面发育的河流相砂岩体等沉积岩，原生节理较发育的火山岩体等。§1.2岩体结构特征及主要类型层状结构：代表含有一组连续性好，抗剪性能显著较低的软弱面的岩体，一般岩性不均一。可进一步分为层状（软弱面间距50～30cm）、薄层状（间距小于30cm）。还可以据岩性不均一程度划分出软硬相间的互层状结构。碎块状结构：代表含有多组密集结构面的岩体，岩体被分割成碎块状，以某些动力变质岩为典型，如溪洛渡泡灰岩。另外，按岩体改造的程度可划分为完整的、块裂化或板裂化、碎裂化和散体化等四个等级。岩体结构分类已被广泛采用，划分依据和各结构类型岩体的主要特征如图1-4。§1.2岩体结构特征及主要类型块裂§1.2岩体结构特征及主要类型§1.2岩体结构特征及主要类型岩体的工程应用分类工程应用分类是以岩体稳定性或岩体质量评价为基础的分类，为综合性分类。目前主要考虑三方面因素的指标：即与岩石工程性质有关的指标（力学性质）、岩体后期改造有关的指标(岩体结构)和岩体赋存条件方面的指标（地下水或地应力等）(表1-3)。通常有:宾尼亚斯基的RMR分类（1973）;巴顿的Q系统分类（1974）;谷德振的岩体质量指标Z系统分类（1979）。此种分类力图将类型与岩体稳定性分析和定量评价以及对策设计等实际问题联系起来，因而受到地质和工程界的重视。（可详见工程地质勘察教材或其它文献）§1.2岩体结构特征及主要类型§1.2岩体结构特征及主要类型分类标准的定量化－岩体质量指标20世纪70年代以来岩体分类中采用了“岩体质量指标”或“综合特征指标”来判别岩体性能的优劣，因而含有这类指标的分类又被称为岩体质量分级，如上所述的RMR、Q和Z系统。分类中有了定量指标作为依据，更便于将作过详细勘探测试研究的场地的经验和成果应用于研究程度较差或处于勘测初级阶段的工地，从而达到简化和减少勘测程序和工作量的目的。分类中的定量指标还可用于讨论不同分类方案之间的相关性。如鲁弗里奇等根据新西兰多个工程的经验，对RMR、RSR和Q系统三者得出的如下关系式：RMR=1.35lgQ+43RSR=0.77RMR+12.4RSR=13.3lgQ+46.5§1.2岩体结构特征及主要类型方法举例RQD（RockQualityDesignation）分类RQD值：用直径75mm金刚石钻头和双层岩芯管钻进，大于等于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度百分比。——《岩土工程勘察规范》GB50021-2001RQD值岩体质量评价0-25很差25-50差50-75一般75-90好90-100很好§1.2岩体结构特征及主要类型RMR（RockMassRating）分类Bieniawski（1973）提出，其分类系统由岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水5类参数组成。岩体地质力学分类（岩体权值系统）表4-6参数数值范围点荷载强度指标（MPa）104~102~41~2在此低范围内进行单轴压缩测试未扰动岩石材料强度单轴压缩强度（MPa）250100~25050~10025~505~251~511权值151274210钻孔岩芯质量RQD（％）90~10075~9050~7525~50252权值20171383不连续面间距2m0.6~2m200~600mm60~200mm60mm3权值20151085不连续面条件很粗糙面不连续不分离岩壁未风化轻微粗糙表面分离度1mm岩壁轻微风化轻微粗糙表面分离度1mm岩壁高度风化光滑表面或充填物5mm或分离度1～6mm连续软弱充填5mm或分离度5mm连续4权值302820100每10m隧道流水量（L/min）无1010~2525~125125或或或或或最大主应力节理水压00.10.1~0.20.2~0.50.5或或或或或地下水一般条件完全干燥潮湿淋水涌水5权值1510740不连续面条件的分类指标表4-7参数权值不连续面长度（持续性/连续性）1m61~3m43~10m210~20m120m0分离度（间隙）（mm）无60.150.1~1.041~5150粗糙度很粗糙6粗糙5轻微粗糙3平滑1光滑0硬充填物软充填物充填物无65mm45mm25mm25mm0风化未风化6轻微风化5中等