1第一章 地壳岩体结构特征的工程地新

《工程地质学原理》长安大学地质工程系成玉祥[e-mail]第一章地壳岩体结构特征的工程地质分析一、岩体结构的概念，岩体结构的形成；二、岩体结构类型划分；三、岩体结构的统计方法－路线精测法。•一、基本概念•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。第一节基本概念及研究意义•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。二、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。三、岩体结构的研究意义•（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。•（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。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而有些成为滑移控制面。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•（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。•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。一、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。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。原生结构面第二节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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）。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)。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理面二、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。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。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。块裂一、充填型结构面的测量与描述•所谓充填型结构面，主要只有一定厚度的结构面，通常是各种规模的断层。第三节结构面的特征描述及统计分析•1、描述指标体系•（1）结构面的构造岩划分•（2）结构面物质组成的工程地质描述•（3）蚀变特征•2、现场调查方法一、非充填型结构面的测量与描述1、指标体系（1）方位：不连续面的空间位置，用倾向和倾角来描述。（2）组数：组成相互交叉裂隙系的裂隙组的数目，岩体可被单个不连续面进一步分割。（3）间距：相邻不连续面之间的垂直距离，通常指的是一组裂隙的平均间距或典型间距。（4）延续性：在露头中所观测到的不连续面的可追索长度。（5）迹长：结构面在露头上的出露长度。（6）粗糙度：固有的表面粗糙度和相对于不连续面平均平面的起伏程度。（7）隙壁强度：不连续面相邻岩壁的等效抗压强度。（8）张开度：不连续面两相邻岩壁的垂直距离，其中充填有空气或水。（9）充填物：隔离不连续面两相邻岩壁的物质，通常比母岩弱。（10）地下水：在单一的不连续面中或整个岩体中可见的水流和自由水分。（11）连通率：结构面的连通状况。2、现场测量方法•在工作面（或掌子面）上设置相互垂直的18条测线，组成一个测网（掌子面上测网中心十字交叉点与隧洞中轴线重合）。每一条测线用钢卷尺来代替，将钢卷尺拉直固定在工作面上，然后逐条地测量结构面，记录每一条结构面与测线交点的位置（即卷尺读数）、产状、延续状况、张开情况、充填情况及表面特征等。•2、资料校正•由于某些测量条件（如测线长度、测线方位）或自然条件（如风化程度等）的限制，常会造成结构面“被测机率不均等”现象，因此，为了客观反映统计数据的正确性，需要进行资料校正。AbcI1523I2523I3523II1141II2140II3250通常要进行两方面的校正：①长度校正通常以测线中最长线段的长度Ls作为标准长度，拟校正的测线Ln上某一方位实测的数目校正后为：N‘校正后的数目，N实测数目，Ls最长线段，Ln实测长度。LnLsddNddN②方位校正方位校正的最终结果是按测线垂直于拟校正的结构面组来确定结构面数。dddLddddNNcoscos二、结构面精测法成都理工大学聂德新教授通过几个大型水电工程的实践,提出了岩体结构研究的结构面精测法，即采用全面布网、逐条测量的方法来获得结构面的工程要素。岩体结构面精测的具体方法以平硐硐壁、硐顶为实测对象，布置5条测线，其中硐壁两条，硐顶两条，拱角一条，通过测尺读出各个结构面端点的相对坐标；然后测定结构面的产状，并对结构面的粗糙程度、起伏状况、张开、充填以及地下水状况等进行描述。三、结构面基本指标的量化分析•1、岩体结构面优势方向统计分析•优势方向就是岩体中结构面较发育的方位。可以有一个或多个。•某一优势方向中包括两方面内容，一是结构面集中程度最大的方向；二是平均方向（综合性方向）。•确定优势方向目前通常采用系统测量节理数据，然后用DIPS程序进行处理，求出结构面优势方向等数据。2、结构面间距与密度•a）对某优势结构面在某测线上的数量进行校正；b）某一测线上结构面平均间距：c）综合各测线，即得平均间距为：d）其倒数定义为结构面的密度：,IIINLS&&nIISnS11S1•3、裂隙迹长及延续性•4、裂面粗糙度•5、张开度•6、结构面连通率的估计课后作业1、岩体和岩石有何区别？2、试述研究岩体结构特征的意义。3、岩体结构类型有哪些？4、如何进行结构面现场测量？5、为什么要对现场测量结构面数据进行校正？