地质与地球物理研究所--岩石工程地质力学原理-王思敬院士讲座2

岩石工程地质力学原理(第一篇)王思敬中国科学院地质与地球物理研究所岩石工程地质力学原理1概述2工程地质力学的基本原理3岩石组合的工程地质力学分析4构造体系的地质力学分析5初始地应力场及其地质力学分析6岩体结构面及其力学属性7岩体结构类型及其特性8水文地质结构与渗流分析9不良的工程地质力学背景10工程地质力学的稳定性分析11结语岩体结构面及其力学属性结构面是岩体内具有一定方向，延展较大、厚度较小的二维面状地质界面，包括物质的分异面及结构的不连续面，如层理、层面、节理、断层等。结构面是在岩体形成，演化过程中产生和发展而来的(表2)。在岩体建造、形变和次生蜕变过程中，岩体内不断形成结构面，它们的特性还在不断变化。不同成因的地质结构面往往在产状、分布及特性上有所不同，因而在岩体变形破坏过程中作用也不同。结构面及其成因类型表2岩体结构的形成和演化地质体结构的形成已形成结构的演化不均一性结构不连续性结构Ⅰ建造过程沉积过程沉积建造的层组结构韵律互层结构互层结构薄层结构夹层结构厚层结构沉积结构面层面、层理软弱夹层不整合面沉积间断面原生岩浆活动岩浆岩体结构岩基顺层侵入体岩脉、岩墙岩流层火成结构面接触面原生节理流层原生变质作用变质岩层组结构块状结构板状、片状结构夹层结构厚层结构变质结构面片理片麻理软弱夹层板理剥理原生表2岩体结构的形成和演化（续）地质体结构的形成已形成结构的演化不均一性结构不连续性结构Ⅱ构造变形褶皱结构流动复式褶皱挤压紧逼褶皱挤压复式褶皱舒缓波状褶皱断裂牵引褶皱断裂结构深大断裂区域断裂断层节理劈理层间错动岩层截透镜化Ⅲ次生改变次生结构体风化松散结构溶蚀架空结构卸荷松弛结构次生充填结构次生结构面风化裂隙卸荷裂隙古风化面次生夹泥风化夹层风化破碎带泥化夹层溶蚀裂隙岩体结构面及其力学属性（1）沉积结构面沉积结构面是沉积和岩石成岩过程中形成的，包括层理、层面、层间错动面、软弱夹层、以及沉积间断面和不整合面。层理是岩石成层的不均一物质分异面，在构造或风化作用下才分开成为层面。当沉积物质逐次分层沉积，且物质差异较大，则成岩后保留不连续界面，即成为层面。层面一般结合较好。岩层的褶皱作用使层面产生错动，结合破坏，形成层间错动面。结构面及其成因类型岩体结构面及其力学属性软弱夹层是沉积结构面中常遇到的工程地质问题。尤其是经过构造和次生作用往往形成泥化夹层，对岩体稳定性影响更加显著。原生软弱夹层常见的有碎屑岩中的页岩、炭质页岩、粘土岩夹层；浅变质类复理石建造中板岩、页岩夹层；碳酸岩系中钙质页岩、泥质灰岩夹层等。沉积间断及不整合面对工程而言是大型软弱结构面，但不是经常能遇到的。不整合面一般波状起伏，结合不良，常是地下水通道。结构面及其成因类型（2）火成结构面火成结构面是岩浆侵入、喷溢、冷凝所形成的结构面，包括岩浆岩与围岩的接触面，流线、流层、和原生冷凝节理等。侵入岩体与围岩的接触面有不同的特征，有的呈热力变质接触，胶结良好，有的则呈蚀变带，结合松软成为软弱结构面。在热力接触带附近的围岩中有时也发育挤压破裂结构面，岩石比较破碎。流线、流层在一般情况胶合良好，仅在风化带中有所剥开。火成岩系中在多次岩流间，往往夹有凝灰岩夹层或古风化夹层，成为软弱结构面，影响岩体的稳定。侵入岩体中在与围岩接触面平行的方向上冷凝节理发育。在火成岩及浅成侵入岩体中往往形成陡立的节理，构成柱状结构体。结构面及其成因类型岩体结构面及其力学属性岩体结构面及其力学属性（3）变质结构面变质结构面是区域变质作用所形成结构面如片理、板理、剥理及其它片麻状结构，以及由于原岩物质组成不均一或变形过程流动分异而造成的软弱夹层，如云母片岩、绿泥石片岩、滑石片岩等。结构面及其成因类型岩体结构面及其力学属性（4）构造结构面构造结构面受构造应力作用在岩体中所产生的破裂面或破碎带，包括节理、断层及层间错动面等统称为构造结构面。它们的工程地质性质与力学成因、规模、多次活动及次生变化有密切关系，而共产状，分布主要取决于构造应力场条件。劈理是在岩层褶皱变形及断裂错动中产生的密集剪切破裂面。结构面及其成因类型岩体结构面及其力学属性节理的力学成因或为平面X型剪切面，或为侧面的X型剪切面，少数张性裂隙追踪X型节理而发育。由于节理分布较密，几组节理的组合往往影响到岩体的局部稳定性。断层为规模较大的构造结构面，有显著位移，并形成构造岩。如前所述，断层可分为冲断层(包括仰冲、俯冲、逆掩断层)、捩断层及横断层等。断层面的特征及破碎带物质状态主要取决于断层的力学成因及岩层岩性。在工程范围内断层大都对岩体稳定有一定影响，其中有些直接威胁到工程的安全，而必须进行处理。结构面及其成因类型岩体结构面及其力学属性原生软弱夹层经构造运动影响而产生层间错动面，往往形成破碎泥化夹层。它们的特点是沿薄层软弱夹层或其顶部发育，受错动成为碎屑及鳞片，间夹泥质物或是成为角砾状碎屑含于塑性夹泥中。构造运动作用除了促使夹层错动成破碎泥化夹层外，另一方面又可将夹层错断，使之成为不连贯的透镜体，对岩体稳定有利。结构面及其成因类型岩体结构面及其力学属性(5)次生结构面由于岩体受卸荷、风化、地下水等次生作用所形成的结构面为次生结构面，如卸荷裂隙、风化裂隙、风化夹层、泥化夹层、次生夹泥层等。结构面及其成因类型岩体结构面及其力学属性卸荷裂隙是岩体在地表，尤其是受深切河谷影响，构造应力释放及调整所形成的破裂。它可以进一步受重力、风化及岸坡物理地质作用的影响而张开或位移。在块状脆性坚硬岩体中较为常见。风化裂隙一般沿原结构面发育，且限于表层风化带内。但含易风化矿物的岩层所形成的风化夹层则可能延至岩体较溧部位，如断层风化、岩豚风化、夹层风化等。结构面及其成因类型岩体结构面及其力学属性泥化夹层及次生夹泥层主要是在地下水作用下形成的。泥化作用在粘土岩，粘土页岩、泥质板岩、泥质灰岩等软弱夹层的顶部较为发育。共上覆砂岩或灰岩岩性坚硬，沿层面往往有过错动，地下水循环集中，以致形成泥化夹层。次生夹泥可沿层面、节理、断层形成，在两岸地下水活动带内，尤其是河床深槽两侧常见，主要是地下水所捐细颗粒泥质物，重新沉积、充填而成的。结构面及其成因类型岩体结构面及其力学属性次生结构面的产状及分布受地形影响较大，对河谷及岸坡岩体稳定影响较为显著，在坝基、坝肩、隧洞口、路堑边坡等工程部位应特别注意。结构面及其成因类型岩体结构面及其力学属性当研究岩体结构面时，我们应当注意以下几个问题：（1）有些结构面上物质软弱破碎，含泥质物及水理性质不良的粘土矿物，抗剪强度低，它们对岩体稳定性影响最大，我们称之为软弱结构面。对于这种软弱结构面的研究应予以充分的注意，并且对其矿物物质组成也要进行分析。结构面类型及其工程地质特性（2）有些结构面延展性较强，在一定工程范围内切割整个岩体，对稳定性影响较大,常作为确定性结构面处理。而另一些结构面比较短小，互相不连贯，岩体强度育一部分仍受岩石强度控制，可作为随机性结构面处理。（3）当结构面密集程度很高，成带分布，有较大宽度时，常作为软弱结构带处理。岩体结构面及其力学属性结构面类型及其工程地质特性岩体结构面及其力学属性为研究各类结构面的力学特性，确定抗剪强度参数（表3），应注意以下几方面因素:(1)结构面的充填情况无充填时结构面表现为刚性接触面；充填少时结构面在剪切变形中呈现部分的刚性接触；充填物较厚时，其抗剪切强度就代表结构面的抗剪强度。(2)充填物的组成、结构及状态充填物可为原状的软弱夹层、错动破碎的角砾岩、构造碎屑物和糜棱岩，或为次生的泥质物，它们具有不同的变形和剪切特性。充填物的粘土含量、分布及亲水矿物成分对抗剪强度影响很大。结构面类型及其工程地质特性表3现场测定的结构面抗剪强度N结构面类型上限平均下限tanφC(kPa)tanφC(kPa)tanφC(kPa)1破裂结构面1.103000.901800.721152破碎结构面0.801500.62980.45663层状结构面0.762000.57930.43404泥化结构面0.34630.25220.168岩体结构面及其力学属性(3)结构面的平整度和光滑度波状起伏的结构面在剪切变形过程中滑动角可局部增大，形成较大的抗剪阻力，而平整的结构面则很少产生滑动角增值的现象，抗剪阻力较小。光滑的结构面在剪切变形中主要发生摩擦力，而粗糙结构面除此之外还发生局部岩石的剪断，所以抗剪阻力较之光滑结构面高。结构面类型及其工程地质特性(4)结构面两侧岩石的力学性质结构面两侧岩石可能皆为坚硬的，也可能有一侧是软弱的。在两侧均为坚硬岩石的条件下，剪切破坏一般沿结构面发生。若一侧岩石软弱，强度很低，而结构面胶结良好，则剪切破坏可能部分地在软岩中发生。在软岩中的结构面上产生剪切破坏时，常局部地伴有两侧岩石的剪切破坏。岩体结构面及其力学属性结构面类型及其工程地质特性岩体结构面及其力学属性考虑上述几方面因素的综合作用，可将结构面划分为4种地质力学类型：（一）破裂结构面破裂结构面为岩体中的破裂面或物质分异的不连续面，包括节理、片理、劈理及坚硬岩体的层面等，在法向应力作用下很易密合，从而呈刚性接触，属于硬性结构面，其剪切变形可以呈滑动型，也可以是剪断型。这类结构面的抗剪强度取决于它的平整度和粗糙度。结构面类型及其工程地质特性)()(cctg式中：tg约为0.2—0.4；且△c达100—300kPa。平直和光滑的扭性节理，c值较小，tg亦较低，它们的强度表达式为ctg。波状起伏及弧形的压扭性节理，往往tg显著增加，但c值一般仍较低。这是因为沿着波状面滑动时产生滑动角增值，出现剪涨角的原因。它们的剪切强度可表达为ctg。结构面粗糙且不平整的张性节理，或羽状裂隙发育的错动面，在法向应力作用下两壁岩石咬合力很强。它们在剪切变形过程中伴随有局部岩石的剪断，c值很大，其剪切强度可表达为)(cctg。有些结构面既波状起伏，而且结构面也很粗糙，则剪切强度可表达为岩体结构面及其力学属性结构面类型及其工程地质特性根据实测6组节理剪切系数（）的统计，有以下剪切强度的数据(图６)。平均值：5108.19.0Pa；上限值：5100.31.1Pa；下限值：51015.172.0Pa。岩体结构面及其力学属性结构面类型及其工程地质特性就节理统计的结果而言，上限值和下限值相比，由于波状起伏而带来摩擦系数的增加达0.38；而由于粗糙度引起的c值增加(△c)达185kPa。可见，对于破裂结构面可以通过少量实测数据，按起伏差和粗糙度，选择适合原位特性的剪切强度参数。tg剪切应力(MPa)0.1法向应力(MPa)0.50.40.30.2dc0.10.20.30.50.4ab0.6a.破裂面；b.破碎面；c.层状面；d.泥化面图6地质结构面的剪切强度岩体结构面及其力学属性(二)破碎结构面破碎结构面为岩体内的破坏分离面，包括断层破碎带、风化破碎带、断层及层间错动面等。破碎结构面的充填物为角砾岩、碎屑、岩粉、鳞片及断层泥等。一般不同组分的充填物呈带状或透镜状分布，很不均一。在法向应力的作用下可产生显著的压密。结构面类型及其工程地质特性岩体结构面及其力学属性这类结构面中，一般充填物以碎屑，岩粉为主，或有一定程度胶结，因而在剪切变形过程中，岩块和碎屑咬合牢固，呈现很大的剪切阻力。但是达到峰值破坏后，剪切面上局部产生滚动摩擦，阻力下降，位移突然增加。这种变形具有应变软化的剪断型曲线。在这类结构面中，有些含有较多或较厚的泥质物充填，则也可能具有屈服剪切型的剪切变形曲线。破碎结构面的剪切强度主要取决于充填物的组成和胶结程度结构面类型及其工程地质特性岩体结构面及其力学属性结构面类型及其工程地质特性根据花岗岩中断层带、灰岩中断层带、泥质灰岩中层间错动面等破碎结构面的现场原位试验资料，平均抗剪强度为51098.062.0Pa。当断层带中泥质物或细软物质(岩粉)较多，并呈带状分布时，剪切强度则较低，51066.045.0