第三章 岩体结构控制论.

第三章岩体结构控制论3.1概述3.2岩体结构的物质基础3.3岩体结构3.4岩体结构的力学效应3.1概述•问题：•什么是岩体？什么是岩体结构？为什么说岩体结构控制岩体的变形、破坏和力学性质？岩体结构控制论的基本思想是什么？•要点：•一、岩体和岩体结构•二、岩体结构控制论的基本思想一、岩体和岩体结构•岩体是在地质历史时期形成的具有一定组分和结构的地质体。•岩体结构是岩体结构单元在岩体内的排列、组合形式。二、岩体结构控制论的基本思想层次一：基础理论层次二：应用岩体结构控制论是岩体力学基础理论3.2岩体结构的物质基础•问题：•岩体结构的物质基础是什么？何谓工程地质岩组？何谓工程地质岩组划分？其意义何在？工程地质岩组划分需考虑哪些因素？基本思路如何？•要点：•一、岩石是岩体结构的物质基础•二、工程地质岩组与工程地质岩组划分工程地质岩组划分•工程地质岩组：把工程地质性质相近的岩层组合体划归到一起构成工程地质评价的独立单元。•工程地质岩组划分：在对地层岩性进行系统研究及分析岩性岩相变化特征的基础上，对岩体及其组成单元进行工程地质分类的工作。其主要目的是为工程设计、施工人员应用。•岩石（体）工程地质性质分类：普氏系数和RQD•工程地质岩组划分的学术思路（转下页）：工程地质岩组划分的学术思路•工程地质岩组划分的学术思路（孙玉科，2002）：•(1)岩石建造是划分岩组的准则,如谷德振先生所划分的10大岩组即:①碳酸岩建造②碎屑岩建造、③复理式建造④含煤建造⑤含盐建造⑥岩浆岩建造⑦火山岩建造⑧变质岩建造⑨构造岩岩组⑩风化岩岩组。这些可称为一级岩组；•(2)在每一岩组中根据不同的地质因素,如沉积环境、地质时代、构造作用、岩石物质成分等进行细分。这些岩组可称为二级岩组；•(3)在二级岩组基础上考虑相同或近似的工程地质性质、包括岩石强度相近、水理性质相近、结构面组合相近、结构体类似等等，这样划分出的岩组可称为三级岩组。3.3岩体结构•问题：•什么是岩体结构？其组成要素或组成单元有哪些?•什么是结构面？结构面有哪些类型各有何特征？•什么是结构体？其稳定性受哪些因素影响？•岩体结构可分为哪些基本类型，各有何特征？结构面和结构体结构体•所谓结构面，系指岩体中具有一定方位和厚度，两向延伸的地质界面，结构面可分为两大类：物质分异面（如，层面、片理面、软弱夹层、岩浆侵入面等）和岩体中的不连续面（如断层、节理、风化与卸荷裂隙等）。•结构体：被结构面切割所形成的岩块。结构面的类型、特征及分级一、成因分类：•（1）原生结构面岩体在成岩过程中形成的结构面。•a、沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。•b、岩浆结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等。•c、变质结构面在变质过程中形成，主要有片理和软弱夹层。•（2）构造结构面是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面，包括断层、节理、劈理和层间错动面等。•（3）次生结构面是岩体形成后在外营力作用下产生的结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。结构面的类型、特征及分级•二、力学类型•1、破裂结构面；2、破碎结构面•3、层状结构面；4、泥化结构面•三、结构面分级•Ⅰ级：较大的断层；Ⅱ级：小断层、层间错动带；•Ⅲ级：不夹泥大节理或小断层、开裂的层面；•Ⅳ：节理、劈理、层面、次生裂隙；Ⅴ级不连续的小节理、隐节理及层面、片理面。岩体结构基本类型和特征(1)整体与块状结构主要为均质、巨块状岩浆岩、变质岩，巨厚层、厚层沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩；主要结构形状为巨块状、块状、柱状；以原生构造节理为主，只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于0.7m，一般不超过1～3组，无危险结构面组成的落石掉块，偶有少量分离体。整体性强度高，结构面互相牵制，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体，可能发生的岩土工程问题为不稳定结构体的局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆。1、结构面的规模一级结构面:区域性断裂破碎带。长一般数十公里，破碎带宽至少数米以上。控制工程所在区域的稳定性二级结构面：断层、层间错动带、沉积间断面软弱夹层、大型接触破碎带。长数百到数千米，宽一到数米。控制山体及工程岩体的破坏方式及滑动边界三级结构面：断层、大型节理、风化夹层和卸荷裂隙，长数十到数百米，宽不超过一米。工程岩体稳定的控制性因素及边界条件四级结构面：节理、片理、劈理。一般长数米，无明显宽度。小范围内将岩体切割成块状五级结构面：延展性差，无厚度之别，分布随机，为数甚多的微小裂隙。影响岩块的力学性质返回2、结构面的几何形态•(1)平直型包括一般的岩层面、片理、劈理、剪节理、原生节理等。•(2)波状起伏型如具波痕的层理、轻度揉曲的片理、沿走向或倾向呈舒缓波状的破裂结构面等。•(3)曲折型一般呈锯齿状或不规则的弯曲状，如具交错层理和具龟裂纹的岩层面、缝合线、沉积间断面，以及沿已有裂隙而发育的次生结构面等。•波浪型尤其是曲折型结构面，抗剪切滑移的能力较大，具有重要的工程意义。返回3、结构面的光滑度或粗糙度•根据结构面的光滑度或粗糙度，可将结构面分为：极粗糙、粗糙、一般、光滑、镜面五个等级。结构面越粗糙，其抗剪强度的摩擦系数(φ值)越大。返回4、结构面的结合状态及充填物紧闭型结构面一般干净无充填物，两壁结合紧密，结构面的抗剪强度取决于结构面的形态、起伏差、粗糙度以及两壁岩石性质。闭合型结构面内一般具有泥质、铁质薄膜等，其抗剪强度不仅取决于形态和两壁岩石性质，而且还取决于薄膜的物质成分和亲水性。张开型结构面，以两壁张开的程度可分为微张开的(0.2~1.0mm)、张开的(1.0～5.0mm)、宽张开的(5.0mm)。微张开的结构面两壁岩石常有多处保持点接触，其抗剪强度比张开的结构面大。而张开的和宽张开的结构面，其抗剪强度则主要取决于充填物的成分和厚度，如当充填物为粘土时，其抗剪强度比充填物为砂、岩屑时的低。返回5、结构面的连通性•是指在某一定空间范围内的岩体中，结构面沿走向、倾向的连通程度（如下图）。结构面的抗剪强度与其连通程度有关，连通的结构面其抗剪强度低；而非连通的短小结构面，抗剪强度大，岩体强度仍受岩石强度控制。返回6、结构面的密集程度线密集度K：单位长度上的结构面条数K=n/LK=1/M1+1/M2结构面间距d：同一组结构面的平均间距d=M返回裂隙度K/m-10~11~1010~100100~1000结构面密集程度疏密非常密压碎或糜棱化结构面的密集程度分类三、结构体•结构体：在岩体中受各种各级结构面，切割并包围的岩石块体及岩石块体的集合体。自然界中结构体的形状非常复杂，常见的形状有立方体、锥体、菱面体、板状、柱状及楔状等六种，如下图所示。结构体大小、形状、产状及所处的工程位置常表现出不同的稳定性。返回整体层状结构整体状结构块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。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。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。碎裂结构类散体状结构碎裂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岩体节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，岩石手捏即碎，属于碎石土类，可按碎石土类研究。返回碎裂结构•(2)层状结构主要为多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩；主要结构形状为层状、板状、透镜体；有层理、片理、节理，常有层间错动。接近均一的各向异性体，其变形及强度特征受层面及岩层组合控制，可视为弹塑性体，稳定性较差，可能发生的岩土工程问题为不稳定结构体可能产生滑塌，特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形。•(3)碎裂状结构主要为构造影响严重的破碎岩层；主要结构形状为块状；断层、断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育，裂隙结构面间距0.25~0.5m，一般在3组以上，由许多分离体形成。完整性破坏较大，整体强度很低，并受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质，稳定性很差，可能发生的岩土工程问题为易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳。•(4)散体状结构主要为构造影响剧烈的断层破碎带，强风化带，全风化带；主要结构形状为碎屑状、颗粒状；断层破碎带交叉，构造及风化裂隙密集，结构面及组合错综复杂，并多充填粘性土，形成许多大小不一的分离岩块。完整性遭到极大破坏，稳定性极差，岩体属性接近松散体介质，可能发生的岩土工程问题为易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳。