第六节有关岩体的基本概念

第六节有关岩体的基本概念第六节有关岩体的基本概念一、岩体的基本特征和类型以上介绍的岩石力学性质，都是以对小型岩石试件（岩块）进行实验和研究为基础的，它与大范围天然岩体的力学性质相比有很大差别。为了有效地解决与工程有关的岩石力学实际问题，必须了解岩体的基本特征和其有关力学性质。（一）岩体的基本特征概括来说，岩体在以下三个方面与实验室内制作的岩石试件有显著不同：岩体以自然状态埋藏在地下一定深度处，处于特定的天然物理环境（地应力、地温、地下水等）之中，这些因素无疑将对岩体的物理力学性质有很大影响；岩体由一定数量的岩石组成，没有特定的自然边界。岩体的范围常根据解决问题的需要来圈定；岩体中存在各种地质构造和弱面。岩体在自然状态下经历了漫长的地质作用过程。在地应力作用下，岩体内部保留了各种永久变形的形态和各种地质构造形迹，如不整合、褶皱、断层、节理、裂隙等等。根据上述特征，岩体定义为自然界中由各种岩性和各种结构特征的岩石所组成的集合体。从工程实际来看，大多数情况下遇到的岩体是含有各种弱面的坚硬天然岩石。因此，从抽象的、典型化的概念来说，可以把岩体看作---------------------------------------64第一篇钻眼爆破与井巷支护技术——是由结构面和受它包围的结构体共同组成的。所谓“结构面”，是指在地质发展历史中，尤其是地质构造变形过程中形成的，具有一定方向、延展较大、厚度较小的二维面状地质界面，它包括岩石物质的分界面和不连续面，如岩体中存在的层面、节理、断层、软弱夹层等，可统称为结构面。结构面是岩体的重要组成单元，它的性质影响到岩体的性质。所谓“结构体”，是指由不同产状的结构面相互切割而形成的单元块体，也称单元岩块。结构体的四周都被结构面包围，常见的结构体大都是有棱有角的多面体，如立方体、长方体、柱状体、板状体、菱形体、梯形体、楔形体、锥形体等。结构体也是岩体的重要组成部分，它本身的物质组成和排列组合方式也影响到岩体的力学性质。因此，从力学角度来看，岩体也与岩石有许多区别，其中比较明显的特征可归纳为以下几点：岩体的非均质性岩体可以由一种或几种岩石组成，而且以后者居多。对于由多种岩石组成的岩体，由于在自然条件下组成岩石的物质成分、组织结构及其组合状况经常变化，所以一般认为岩体是非均质的。例如，对于倾斜层状岩体，无论是铅直方向还是水平方向，其非均质性都十分明显；对于水平或近水平的层状岩体，在铅直方向上的非均质性也是明显的，而在水平方向，尽管岩石种类在一定范围内可能没有明显变化，但物质组成、岩性岩相也有变化，所以严格地说岩体都是非均质的。只有在少数情况下，在某些局部范围内，如果不存在软、硬悬殊的夹层，岩石的物理力学性质基本一致，才可看作是均质体。岩体除了因物质成分不同造成的非均质性外，由于各种非均质结构面切割的结果也会呈现出明显的结构非均质性。其中当岩体被自然裂隙和采动裂隙切割成由几十厘米至几十米的结构岩块时，会对顶板稳定性造成不利的影响。岩体的各向异性各向异性是指物体的全部或部分物理力学特性随方向不同而表现出一定差异的性质。岩体的许多物理力学性质，如弹性模量，抗压、抗拉强度，声波的传播速度等，就随加载或测试方向不同而有显著差别。岩体的各向异性也和非均质性类似，不仅由于物质成分、结构致密程度不同而造成，而且也受到各种结构面的影响。由于结构面的方位不同，数量---------------------------------------65——最新矿山井巷工程施工综合技术与标准规范实用手册不等，规模不一，性质各异，会造成岩体具有各向异性。如结构面组数较少且各自发育程度不同的岩体，其各向异性会表现得很明显；反之，结构面组数多、各自都很发育、方向十分复杂的岩体，其各向异性反而表现得不明显。所以，岩体中组成岩石的成层条件及其分布规律，结构面特性及其发育状况等都会导致岩体具有各向异性。岩体的非连续性由于岩体被各种结构面所切割，因此从原则上说岩体属于非连续体。但是随着被切割的岩块大小、形态和性质不同，岩块的排列和相互接触状态的差异，及其不连续程度都会有所不同。因此，在研究工程问题，尤其是进行岩体稳定性分析时，往往根据岩体的不同结构类型把岩体分别看作是非连续体、似连续体或连续体。例如，受结构面影响明显的层状、块状结构岩体和碎裂结构岩体可视为非连续体；结构发育密集的碎裂结构及结构面不规则密集分布的散体结构岩体可看成似连续体；而只有那些整体结构岩体和部分块状、中厚层状结构的岩体才可看作是连续体。为了对岩体的特性有较全面的了解，在表中对岩石和岩体特性的不同之点进行了简要对比。表岩石和岩体特征对比特征岩石岩体由一种或一种以上的岩石组合而成，是由结晶矿物、非晶质基质、碎屑颗粒、胶物质组成岩块的集合体，即由结构面和结构体共结物质分别组合构成同组成根据成分及矿物颗粒性质不同可分为结晶根据结构面、结构体性质不同，大体分结构结构，碎屑结构及生物化学和胶体化学沉为整体结构，块状结构，层状结构，碎积的致密结构裂结构及散体结构除受构造影响而有一些隐微裂隙外，一般由于结构面发育程度不同，结构体形态、完整性完整性好，不易分散解体大小不一，其完整性悬殊由于岩石组合不同，结构面和结构体特均质性绝大多数岩石致密均质，可看作均匀介质征不同，呈明显的非均质性岩石内包含层面时具各向异性特点，同一不论岩石组合状况如何，由于结构面方各向异性层面内则显示各向同性。一般块状岩石为位、发育程度及充填情况不一，岩体有各向同性体明显的各向异性---------------------------------------66第一篇钻眼爆破与井巷支护技术——续表特征岩石岩体矿物颗粒一般接触紧密，其间空隙充填胶多裂隙岩体由于各种结构面发育，一般连续性结较好，可认为是连续体属于非连续体与岩体相比，变形及泊松比小，但弹性模与岩块比，变形及泊松比大，但弹性模变形特征量大量小主要受软弱结构面及岩石组合控制。由是由微小结构起控制作用，其整体强度较于结构面、结构体的特性不同，其整体强度特征为均一，峰值强度比岩体大强度悬殊很大。具有明显的强度不均一性。峰值强度及残余强度比岩块小岩石在单向受压时以剪切破坏为主，有时多裂隙岩体为无拉伸材料，受拉极易开破坏机理出现拉断破坏，在围压状态下基本上是剪裂，受压时常沿软弱结构面产生破坏切破坏（二）岩体结构面的空间定位及其图示法由于结构面对岩体的强度和稳定性影响很大，因此，为了对岩体质量进行评估，需要有能反映岩体结构面的空间分布和其密集程度的定量方法，这类方法很多，其中比较常用的有以下两种：节理玫瑰图图节理玫瑰图节理玫瑰图是反映节理走向、倾向和倾角的一种图示法。图所示为节理走向玫瑰图，其绘制方法是在一个任意半径的半圆上，画上刻图网和磁北。根据某一规定面积内测得的每个节理走向的资料，按走向方位角的大小每或分组，统计每一组内的节理数和平均走向方位角，制成原始数据表。然后选取适当长度的单位线段作为节理数量的比例尺，自圆心沿半径引某一长度辐射直线，直线的方位代表该组内节理的平均走向方位角，直线的长度代表该组内节理的数量。最后用直线将各辐射直线的端点连起来，就得到节理走向玫瑰图。---------------------------------------67——最新矿山井巷工程施工综合技术与标准规范实用手册如果用类似的方法把测得的节理要素按倾向以或分组，求出每一组内的节理数目及平均倾向，便可得到节理倾向玫瑰图。如果把沿半径引出的辐射直线的长度代表各组节理的平均倾角，也可得到节理倾角玫瑰图。赤平极射投影图这是通过立体平画投影法得到的一种投影图，也是岩体力学中常用来表示结构面空间方位和倾角的方法之一。其原理是把空间的投影球比作一个地球，为了将球面上的点或线投影到赤道平面上，从相当于地球南极位置的极点向球面上的任一点发出射线。该射线必与投影球的赤道平面相交于某一点，该点就是球面上相应点的赤平极射投影。图赤平极射投影原理图例如，将一走向为南北、倾向东、倾角为的节理面按其产状置于球体中央，如图所示，则图中-弧即为该节理面的赤平极射投影曲线，该曲线的两个端点-的连线即表示节理面的走向，弧凹所向的方向是节理面的倾向。同时，弧顶越靠近赤道平面的圆周，表明该节理面倾角越小，当与重合时，表示节理面为水平面，与/重合时为垂直面，故线段的长度可表示节理面的倾角。赤平极射投影图可将节理面的方向和倾角一起反映出来，并可测算各节理面的组合关系，是目前反映节理产状和推求节理组合关系时应用较广的方法。（三）岩体的结构类型由于岩体中结构面性质、规模和切割密度等因素不同，岩体的力学性质和稳定性也就不同。按结构特征的不同，岩体可划分为以下几种基本类型：整体岩体（图01）它是指未受或仅受轻微构造变动的厚层沉积岩，岩层多呈水平或缓斜---------------------------------------68第一篇钻眼爆破与井巷支护技术—-—状，节理不发育，很少有断层，通常可认为是均质、连续介质。这类岩体本身有很高的力学强度和抗变形能力，岩体的整体强度接近于岩石的强度，因而常具有很好的自稳性能。图岩体结构的基本类型整体结构；块状结构；层状结构；碎裂结构；散体结构块状岩体（图）它是指遭受中等构造变动的厚层、中厚层沉积岩，岩层多为水平或倾斜状，节理发育，有小断层及偶有层间错动，岩石一般比较坚硬。这类沉积岩通常由岩体单一或强度相近的岩层组合而成，根据构造变动程度，可认为是连续介质或非连续介质。这类岩体的整体强度也较高，岩体的变形、破坏受结构面控制，它对一般跨度的巷硐是稳定的，开挖后在短时间内应力即能达到平衡。层状岩体（图）它是指构造比较简单的沉积岩，岩层可以成水平或倾斜陡急状。它可以由单一岩性或不同岩性的互层或夹层组合而成，岩层的单层厚度一般在-左右。这类岩体的特点是各个单层具有比较完整的层状组合，同时常含有粘结力很小的层理面、极薄层或薄层状的原生软弱夹层以及轻微的层间错动面，其节理发育程度不等。岩体的完整性随岩层变位程度而定，介质类型属于各向异性的非连续介质，其变形、破坏受岩层组合和结构面所控制，在跨度较大的巷硐顶部可能产生弯曲折断，而平行于巷硐侧壁的急斜岩层可能发生臌出及张裂。