第6章-岩体结构

长沙理工大学土木与建筑学院SchoolofCivilEngineeringandArchitecture《工程地质》严聪：Tel:[phone]Email:[e-mail]岩体的结构特性31岩体稳定性分析32岩质边坡稳定性分析33工程地质第六章岩体结构与稳定性分析第一节岩体的结构特性工程地质指在漫长的地质历史过程中形成的，具有一定的结构和构造，并与工程建筑有关的天然地质体。岩体的概念工程地质岩石与岩体的区别1.岩石一般指较均质的岩块，而岩体常是由多种岩石组成；2.岩石的工程性质只针对由岩块测出的各种指标而言。岩体的工程性质首先取决于结构面的性质；工程地质3.岩石的破坏只有本身强度有关。岩体的变形与破坏主要受结构面的控制；4.岩石中不存在应力，岩体中存在天然地应力。岩石与岩体的区别工程地质二、岩体结构（1）岩体包括结构面和结构体。（2）结构面和结构体的组合特征就叫岩体结构。（3）结构面的概念；（4）结构体的概念1.岩体结构的概念工程地质岩体结构实例2.岩体结构的类型块状结构镶嵌结构碎裂结构层状结构层状碎裂结构散体结构工程地质工程地质三、结构面1.结构面的成因类型结构面包括：岩层层面、裂隙面、断层面、不整合面等。（1）原生结构面（2）构造结构面（3）次生结构面按成因可分为工程地质1.结构面的成因类型（1）原生结构面:系成岩阶段形成的结构面。包括以下三类：原生结构面a.沉积结构面b.火成结构面c.变质结构面三、结构面工程地质1.结构面的成因类型（2）构造结构面：构造应力作用下于岩体中形成的破裂面。构造结构面a.节理(X型节理、张节理)b.断层（正断层、逆断层、平推断层）c.层间错动d.羽状裂隙劈理。工程地质1.结构面的成因类型（3）次生结构面:岩体形成后，受风化、卸荷及地下水作用在岩体中形成的结构面。次生结构面a.卸荷裂隙b.风化裂隙c.风化夹层d.泥化夹层e.次生夹泥层工程地质2.结构面特征的研究结构面的规模结构面的形态结构面物质组成结构面密集程度结构面延展性结构面张开度结构面充填特征结构面的特征三、结构面工程地质3.软弱夹层（1）软弱夹层定义（2）软弱夹层意义（3）软弱夹层分类软弱夹层三、结构面工程地质3.软弱夹层（1）软弱夹层定义在上下坚硬岩层中夹有力学强度低、厚度薄、延伸远、泥质炭质含量高遇水易软化的软弱岩层。工程地质3.软弱夹层（2）软弱夹层的意义是控制岩体稳定的极端重要的因素。（3）软弱夹层分类按成因分为原生软弱夹层、次生软弱夹层、构造软弱夹层。工程地质4.泥化夹层（1）定义：地下水对泥质软弱夹层的作用主要表现在泥化和软化两个方面。（2）软化是指泥岩夹层在水的作用下失去干粘土坚硬的状态而成为软粘土状态。（3）泥化是使软弱夹层的含水量增大到大于塑限的程度，抗剪强度变得很低三、结构面工程地质（4）泥化标志：4.泥化夹层a.含水量大于塑限。b.缩系数0.5~1.0MPa-1,为高压缩性。c.f=0.17-0.25，c=50kPa。工程地质（5）泥化夹层的形成条件：a.物质条件：母岩中含粘土矿物多；b.构造作用，在岩层分界面上形成连续的主滑面；软弱岩石本身则产生变形、破碎，产生节理带鳞片状劈理带，形成细颗粒。c.地下水：使土粒分散，联结力减弱，进入塑态甚至流态。工程地质层间剪切带示意图（1）节理带（2）劈理带（3）泥化错动带工程地质课堂思考？岩石和岩体的工程意义有何不同？工程地质四、结构体1.概述：结构体特征可用结构体形状、块度及产状描述。结构体与结构面的依存性表现在三个方面：（1）结构体形状与结构面组数密切相关。（2）结构体块度或尺寸与结构面间距密切相关。（3）结构体级序与结构面级序具有相关性工程地质2.结构体的研究内容（1）结构体的形式岩体受结构面切割而产生的单元块体的几何形状称结构体的形式。（2）结构体块度结构面密度越小，结构体块度越大。（2）结构体的产状用最大结构面的走向表示。与临空面和作用力有关。工程地质作业1.何谓岩体结构，它包括哪些要素？2.何谓软弱夹层、泥化夹层？泥化夹层的形成条件是什么？3.结构面的特征研究应该从哪些方面着手？第二节岩体稳定性分析工程地质地质分析块体力学分析有限元分析模型试验一、岩体稳定性的分析方法分析方法工程地质二、岩体结构的稳定性分析1.赤平极射投影的原理及作图方法点的投影是点；线段的投影是线段；面的投影是圆弧。如图点B、线段BO、面ABCD的投影分别为点M、线段MO、圆弧面AMC。工程地质赤平极射投影的原理说明若将赤道平面从球中拿出来，如下图：AC表示走向，MO表示倾向，FM的长短表示倾角大小。工程地质赤平极射投影的原理说明工程地质（2）赤平极射投影的作图方法a.认识吴氏网工程地质（2）赤平极射投影的作图方法b.赤平投影作图例：已知两结构面的产状为：J1:300，SE∠400;J2:3400,NE∠600。作此两结构面的赤平极射投影图,并求交线的倾向和倾角。工程地质1.画基圆，标出方向和角度。2.投影J1走向，AC为走向线3.投影倾角，K点为投影点4.用同样的方法投影J25.交点为M，MO方向为交线倾向，PM为交线倾角。OMKFWENSDBCAP工程地质课堂练习例：已知两结构面的产状为：J1:300，SE∠400;J2:3400,NE∠600。作此两结构面的赤平极射投影图，并求交线的倾向和倾角。工程地质课堂思考？当走向为1800时，该如何做赤平投影？2.岩体结构稳定性分析工程地质利用赤平极射投影分析的主要任务：（1）初步判断岩体结构的稳定性和稳定倾角；（2）对于可能滑动的边坡，提供滑动的方向。主要任务工程地质（1）一组结构面边坡稳定性分析2.岩体结构稳定性分析a.当岩层（结构面）的走向与边坡的走向一致时，可直接用赤平投影来判断。分3种情况：工程地质情况一：结构面投影位于边坡投影异侧时，边坡稳定；工程地质情况二：结构面投影位于边坡投影同侧内侧时，边坡基本稳定；工程地质情况三：结构面投影位于边坡投影同侧外侧时，边坡不稳。工程地质（1）一组结构面边坡稳定性分析b.当岩层的走向与边坡的走向斜交时若边坡稳定性发生破坏，从岩体结构的观点来看,须同时具备两个条件：第一，滑动面ADK；第二，垂直于结构面的切割面DEK，如图所示。DEK是推断的。不稳定体ADEK。削坡，即可得到稳定坡角。方法如下：工程地质例：结构面走向2800，倾向SW，倾角500，与边坡斜交。边坡走向3100，倾向SW。求稳定坡角。解：（1）根据结构面的产状，绘制结构面的赤平投影A-A（图下图）工程地质（2）切割面因为垂直于滑动面，故走向为100（1900）倾角900。据此绘制其赤平投影B-B。交A-A于M点。（3）根据边坡走向和倾向，再通过M点做边坡投影DMD。（4）根据边坡投影DMD，利用吴氏网可求得坡面倾角为540此角即为稳定坡角。工程地质c.特殊情况一：结构面走向与边坡走向成直交时，稳定坡角最大，为900。工程地质d.特殊情况二：结构面走向与边坡走向平行时，稳定坡角最小，结构面倾角即为稳定坡角。e.一般情况：结构面走向与边坡走向斜交时，稳定坡角由结构面倾角α变到900。工程地质工程地质2.岩体结构稳定性分析（2）二组结构面边坡稳定性分析a.最稳定结构：两结构面交线位于两边坡投影弧对侧。工程地质b.稳定结构：两结构面交线位于两边坡投影弧内侧。（2）二组结构面边坡稳定性分析工程地质c.较稳定结构：两结构面交线位于两边坡投影弧外侧。（2）二组结构面边坡稳定性分析工程地质d.较不稳定结构：两结构面交线位于两边坡投影弧之间，但结构面离坡面较远，在坡面没有出露点（2）二组结构面边坡稳定性分析工程地质e.不稳定结构：两结构面交线位于两边坡投影弧之间，且结构面在坡面没有出露点。（2）二组结构面边坡稳定性分析工程地质（3）三组及多组结构面边坡稳定性分析要分析其最不利的交点。稳定性分析时要分析倾角最大但又小于坡角的点来分析；推断稳定坡角时要选择倾角最小的点来分析。工程地质（4）结构体滑移方向的分析a.两结构面交线位于两结构面倾向线之间。滑移方向为交线OC方向。工程地质b.两结构面交线位于两结构面倾向线之外。J1结构面的倾线方向为滑动方向。J2为切割面。（4）结构体滑移方向的分析工程地质（4）结构体滑移方向的分析c.交线与一组结构面的倾向线重合。则重合线就是滑动方向。J2为切割面工程地质作业工程地质第三节岩质边坡稳定性分析一、概述1.天然边坡2.人工开挖边坡3.土质边坡4.岩质边坡1.工程地质分析2.力学计算3.综合分析工程地质一、概述边坡分析的三步骤工程地质二、岩质边坡应力分布特征1.边坡形成后应力状态的变化（1）主应力迹线发生偏转。愈接近临空面大主应力愈平行于临空面小主应力愈与之正交。工程地质（2）坡脚附近最大主应力（临空面切向应力）显著增高。越接近坡面越高。最小主应力（径向应力）显著降低。于表面处降为零，甚至出现拉应力。1.边坡形成后应力状态的变化工程地质1.边坡形成后应力状态的变化（3）在坡面和坡顶交界处产生拉应力区。坡度越陡，拉应力范围越大。工程地质（4）剪应力迹线由直线变为近似圆弧线。弧的凹面朝向临空面方向。（5）坡面处径向应力等于零，故为单向应力状态。向坡内逐渐过渡到两向应力状态，甚至三向应力状态。1.边坡形成后应力状态的变化工程地质2.影响应力分布的主要因素（1）原始应力状态的影响（2）坡形的影响（3）岩体变形特征和结构特征的影响。影响因素工程地质（3）岩体变形特征和结构特征的影响工程地质d)软弱结构面交汇处（3）岩体变形特征和结构特征的影响工程地质课堂思考？高陡边坡为什么更不稳定？工程地质三、边坡的变形与破坏1.边坡变形（1）松弛张裂：一系列与坡面近于平行的的陡倾张开裂隙，使边坡岩体向临空方向张开。这种过程和现象称为松弛张裂。工程地质（1）松弛张裂：a.回弹裂隙：侧向应力减弱所致b.坡面、坡顶拉应力去裂隙：坡顶坡面拉应力集中区。c.坡脚应力集中带的张裂隙：此处的应力超过岩体的强度或软弱面的强度。三种情况卸荷工程地质a.使边坡岩体降低；b.使各种外力营力更容易渗入。它是边坡变形破坏的开始。（1）松弛张裂：影响工程地质1.边坡变形（2）蠕动a.定义：松动过的边坡岩体，在重力的作用下较长期的缓慢的变形称为蠕动。b.类型：蠕动分为表层蠕动和深层蠕动。蠕动工程地质a.表层蠕动：边坡上部的岩体在重力的作用下，发生向临空方向的缓慢变形，构成一个剪变带，其位移由坡面向坡内逐渐降低直至消失。从上到下发生“点头哈腰”现象。（2）蠕动工程地质b.深层蠕动：分为软弱基座蠕动和坡体蠕动软弱基座蠕动时，当上覆岩体具有一定柔性时，软弱层会出现揉曲；脆性层出现张性裂隙整体较脆时会产生不均匀沉陷。（2）蠕动工程地质坡体蠕动：岩体沿缓倾角的软弱结构面，向临空面方向缓慢移动的现象。形成的基本条件是有缓倾角的软弱结构面并有其他陡倾的裂隙。（2）蠕动工程地质平面破坏楔形破坏圆弧破坏倾倒破坏三、边坡的变形与破坏2.边坡破坏岩质边坡破坏类型工程地质四、影响边坡稳定性因素1.地貌条件：高陡边坡不稳定。2.岩石的性质：含粘土矿物成分的岩石边坡容易发生滑坡；脆性岩石容易发生崩塌。工程地质四、影响边坡稳定性因素3.岩体结构与地质构造：此为关键性的控制因素。4.地下水的作用：大多数岩质边坡的变形与破坏与地下水有关。5.其他因素：地震、爆破、风化工程活动。工程地质地下水对边坡稳定有何影响？课堂思考？工程地质五、边坡稳定性评价方法1.工程地质分析法2.极限平衡理论评价方法a.滑坡体是刚性体；b.都遵循库仑—摩尔定律及由此引申的准则；c.力相等时，土体处于极限平衡状态。（1）基本假定工程地质2.极限平衡理论评价方法a.边坡可能破坏模式分析；b.边坡可能失稳体的受力条件分析；c.确定计算参数；d.稳定性判别标准。工程地质作业1.影响边坡应力分布的因素有哪些？2.影响边坡稳定的因素有哪些？