河海大学工程地质第四章

第四章岩体的工程地质特性•概述•4.1岩体的结构特征•4.2岩体的主要力学特征•4.3岩体的天然应力状态•4.4岩体的工程分类概述1.基本概念及研究意义•岩体（rockmass）通常指地质体中与工程建设有关的那一部分岩石，它处于一定的地质环境、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。包括物质分异面、不连续面和软弱夹层。•结构体：结构面在空间的分布和组合可将岩体切割成形状、大小不同的块体，称结构体。2.岩体的工程地质特征⑴岩体是复杂的地质体•形成过程复杂：是地质历史的产物，经历过多期构造运动。•组成复杂：岩性、风化状态的多样性•结构复杂：存在大量各种成因的结构面•处于复杂的、变化的地质环境中⑵岩体的强度主要取决于结构面的强度⑶岩体的变形主要取决于结构面闭合、压缩、张裂和剪切滑移，岩体的破坏形式主要取决结构面的结合形式⑷岩体中存在复杂的天然应力场、温度场和渗流场。3.岩体的结构特征的研究意义⑴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，才有可能阐明岩体不同荷载下内部的应力分布和应力状况。⑵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，各结构面分别为确定坝肩岩体抗滑稳定的分割面和滑移控制面。⑶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动的部位，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。总之，对岩体的结构特征的研究，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。4.1岩体结构特征及主要类型1.结构面的成因类型⑴原生结构面——物质分异面沉积岩的层理、层面、沉积间断面及沉积软弱夹层等陡属于沉积结构面。②火成结构面岩浆侵入、喷溢及冷凝过程中形成的结构面，如流面、冷凝节理、侵入体与围岩的接触面及岩浆间歇喷溢所形成的若若接触面。③变质结构面变质结构面可分为残留的变余结构面和变成的重结晶结构面两种。前者为沉积岩浅变质所具有，层面仍保留，但在层面上有绢云母、绿泥石等鳞片状矿物密集并定向排列。重结晶结构面主要有片理和片麻理。①沉积结构面玄武岩的原生柱状裂隙沉积岩的层间裂隙⑵次生结构面——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①内动力形成的结构面构造裂隙②外动力形成的结构面主要是由风化作用、卸荷及人类活动所形成的结构面，其特点是只分布在地表或地表以下数十米的范围内。——有风化裂隙、卸荷裂隙和次生夹泥层。△次生裂隙：地壳运动在岩体中形成的构造裂隙，风化和卸荷作用形成的裂隙。2.结构面的特征⑴规模：机构面的规模大小相差悬殊。大者可延展数十公里，宽度可达数十米。规模小的延展仅数十厘米或数十米，甚至可以十很微小的不连续裂隙。⑵方位：即结构面的产状⑷延续性：表征结构面延伸长度和展布范围的指标。⑶间距：指相邻结构面间的垂直距离，通常是指一组结构面的平均间距。反映岩体的完整性。⑸粗糙度：结构面的形态有平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的几种。起伏程度用起伏差和起伏角表示。⑹结构面侧壁强度：它可以反映结构面经受风化的程度。⑺张开度：指结构面两壁间的垂直距离。⑻充填物：结构面内常见有砂、粘土、角砾、岩屑及硅质、钙质、石膏质沉淀物。铁或硅质胶结者强度最高，泥质及易溶盐类胶结者强度低、抗水性差。未胶结的充填物强度低，充填厚度不同时，变形和强度不通⑼节理组数：节理组数的多少，决定了岩石块体的大小及岩体的结构类型。⑽块体大小：由数组结构面切割而成的岩石块体，一般称为结构体。体积节理组数Jｖ——是单位体积通过的总节理数。可根据此来堆块体大小进行分类。原生型:沉积成因的、岩浆活动成因的、变质成因的分布：成层条件好，层次多、有韵律、分布广、厚度大、延伸远、产状稳定、且与岩层一致。次生型:风化、地下水外营力作用形成的夹层分布：产状不稳定，厚度变化大，成层条件不好，主要分布在风化卸荷带或地下水循环带内构造型:层间错动带;断层破碎带分布：厚度变化大，延续通过多种岩性，倾角变化大，可能彼此相交。3.软弱夹层——夹在岩体中的泥质和炭质含量高，遇水易软化，延伸长、厚度薄，物理力学性质差的软弱岩层。⑴软弱夹层的成因与分类长委（据葛洲坝的研究成果）建议：软岩夹层:夹在坚硬岩体中的薄层软弱岩层碎块夹层:80%以上粒径大于2mm的粗碎屑（碎块、砾石）,粘粒含量少于10%碎屑夹层:2~0.5mm的细碎屑30%,2mm的粗碎屑30~50%,粘粒10~30%泥化夹层:结构松散,粘粒含量30%,含水量高,密度低。黄委（据小浪底的研究成果）建议：软岩夹层（砂岩间的页岩、粘土岩、粉砂岩薄层）泥化夹层泥化夹层按粒度成分和厚度变化可分为:全泥型：厚度大于3mm，不夹角砾泥夹粉砂和粉砂夹泥型：角砾含量小于10%的粉土层泥膜型：不含角砾的薄粘土层泥夹角砾型：角砾含量小于10%的粘土层角砾夹泥型：角砾含量在10~50%的粘性土层⑵泥化夹层——是软弱夹层中物理力学性质最差、强度最低的关键部位，对岩体稳定性往往起控制作用，是软弱夹层工程地质研究的重点。①泥化夹层形成的基本条件•软弱夹层是形成泥化夹层的物质基础：提供泥质和炭质矿物；•构造破坏是形成泥化夹层的主导因素：裂隙化破坏了硬岩对软岩的保护作用；层间错动对软弱岩层的研磨作用。•地下水和风化作用是泥化夹层的必要条件：地下水的浸泡、软化、泥化、溶解和崩解作用；风化的机械破坏和风化作用。②泥化夹层的基本特征•泥化夹层的结构特征——具有明显错动面和分带性，通常可有三种不同的构造影响带，即节理带、劈理带和泥化带•泥化夹层的矿物成分和化学成分——矿物成分以粘土矿物为主，与母岩性质和后期改造程度有关；粒度成分以粘粒和粉粒为主；主要化学成分位SiO2、Al2O3、Fe2O3•泥化夹层的水理性质——泥化夹层的膨胀量与膨胀力，主要与粘土矿物成分和微结构面的发育程度有关，以蒙脱石为主的夹层，膨胀量可大8％；泥化夹层具有明显渗流层状分带现象和渗流集中的特点。•泥化夹层的物理力学性质——主要由夹层内物质成分、结构特征、上下界面形态决定。物理力学性质差：“三高”（高含水量、高崩解性、高分散性）“三低”（低重度、低强度、低模量）•泥化夹层在长期渗水作用下的演变趋势——化学成分的变化（主要发生盐类的溶解、阳离子的交换、碳酸钙的溶蚀、游离氧化物的溶解、胶溶及氧化还原反应）；渗透稳定的变化（恶化-机械管涌、爆发式挤出破坏）；抗剪强度的变化(降低）。•泥化夹层在特定条件下的流变特性和长期强度——泥化夹层具有流变性，宜取长期强度或剩余强度(约峰值的80％)；反复荷载作用下取残余强度；动力强度(振动对泥化夹层强度的影响程度与振动的振幅、频率和夹层的孔隙比有关。)4.岩体结构分类⑴水利水电工程地质勘察规范（GB50287-99）实行的分类标准:4大类12亚类类型亚类岩体结构特征块状结构整体状结构岩体完整，呈巨块状，结构面不发育，间距大于100cm块状结构岩体较完整，呈块状，结构面轻度发育，间距一般100-50cm次块状结构岩体较完整，呈次块状，结构面中等发育，问距一般50-30cm层状结构巨厚层状结构岩体完整，呈巨厚层状，结构面不发育，间距大于100cm厚层状结构岩体较完整，呈厚层状，结构面轻度发育，间距一般100-50cm中厚层状结构岩体较完整，呈中厚层状，结构面中等发育，间距一般50-30cm互层状结构岩体较完整或差，呈互层状，结构面较发育，间距一般30-10cm薄层状结构岩体完整性差，呈薄层状，结构面发育，间距一般小于10cm碎裂结构镶嵌碎裂结构岩体完整性差，岩块镶嵌紧密，结构面较发育到很发育，间距一般30-10cm碎裂结构岩体较破碎，结构面很发育，间距一般小于10cm散体结构碎块状结构岩体破碎，岩块夹岩屑或泥质物碎屑状结构岩体破碎，岩屑或泥质物夹岩块⑵岩土工程勘察规范（GB50021-2001）实行的分类标准结构类型岩体地质类型结构体结构面发育情况岩土工程特征岩土工程问题整体状结构巨块状岩浆岩、变质岩，巨厚层沉积岩巨块状以层面、原生、构造节理为主，多呈闭合型，间距大于1.5m，一般1~2组，无危险结构岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆块状结构厚层状沉积岩，块状岩浆岩、变质岩块状柱状有少量贯穿性裂隙，间距0.7~1.5m。一般为2~3组，有少量分离体结构面互相牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体层状结构多韵律的薄层、中厚层状沉积岩，副变质岩层状板状透镜体有层理、片理、节理，常有层间错动面变形和强度受层面及层面控制，可视为各向异性弹塑性体，稳定性较差可沿结构面滑塌，软岩可产生塑性变形碎裂状结构构造影响严重的破碎岩层碎块状断层、节理、片理、层理发育，结构面间距0.25~0.5m，一般在3组以上，有许多分离体整体强度很低，并受软弱结构面控制，呈弹塑性体，稳定性很差易发生规模较大的岩体失稳，地下水加剧失稳散体状结构断层破碎带，强风化及全风化带碎屑状构造和风化裂隙密集，结构面错综复杂，多充填粘性土，形成无序小块和碎屑完整性遭极大破坏，稳定性极差，接近松散体介质易发生规模较大的岩体失稳，地下水加剧失稳4.3岩体的主要力学特性•岩体易于岩块变形，并且其强度显著低于岩块的强度。1.岩体的变形特征岩体的变形包括结构面变形和结构体变形。如图所示，岩体的应力－应变曲线可分为四个阶段：图中OA段曲线呈凹状缓坡（节理压密闭合造成）；AB段是结构面压密后的弹性变形阶段；BC段呈曲线形（表明岩体已产生微破裂或塑性变形）；C点的应力值是岩体的峰值强度；过C点后产生应力降表明岩体进入全面的破坏阶段。变形模量和弹性模量是表征岩体变形的重要参数。如图示，岩体在反复荷载作用下对应于每一级压力的变形，均有弹性变形εe和ep两部分。变形模量E0和弹性模量Ee分别为：•岩体的变形模量可以表示岩体质量的好坏•根据岩体中结构面发育情况、充填情况及岩石性质的差异，岩体在加载变形过程中，其压力P与变形W的关系曲线可以分为三种类型：——直线型：岩体节理不发育，岩体坚硬完整。——上凹型：岩土中节理发育且充填不好。——上凸型：岩性软弱或深部埋藏有软弱夹层。2.岩体的流变特征•流变性——物体在外部条件不变的情况下，应力或应变随时间而变化的性质。有蠕变和松弛两种表现形式。⑴蠕变:在应力一定的条件下变形随时间的持续而逐渐增长的现象。⑵松弛：在变形保持一定时，应力随时间的增长而逐渐减小的现象。⑶岩体的蠕变曲线，因恒定荷载大小不同可分为两种类型。一类是在较小的恒定荷载作用下（σσ∞），变形随时间增长，变形速率递减最后趋于稳定。另一类为趋于非稳定的蠕变，即当恒定荷载超过某一极限值后（σ＞σ∞），变形随时间不断增长，最终导致破坏。•典型的蠕变曲线可分为三个阶段：①初始蠕变阶段，如上图中的OA段。其特点是变形速率逐渐减小，所以又称为阻尼阶段。②等速蠕变阶段，如图中的AB段。其变形缓慢平稳，应变随时间呈近于等速的增长。③加速蠕变阶段，如图中的BC段。本阶段的特点是变形速率加快直到岩体的破坏。从图中知，当岩体所受的长期应力超过某一临界应力值时，岩体才经蠕变发展至破坏，这一临界应力值称为岩体的长期强度，以τ∞或σ∞表示。△岩体的长期强度取决于岩石及结构面的性质、含水量等因素。3.岩体的强度性质⑴无充填结构面的强度•取决于起伏形态、粗糙度和凸起体强度。•平直光滑结构面:φ:20°～40°c:0～0.1MPa•粗糙结构面正应力较小时:正应力较大时:突起体被剪断,不发生剪胀tanc