工程地质学--第六章-岩体的工-程地质性质及岩体工程分类

第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类中国地质大学（武汉）工程学院工程地质学EngneeringGeology工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/8中国地质大学工程学院2第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类•第一节岩体的结构特征•第二节岩体的变形与强度性质•第三节岩体的工程分类工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/8中国地质大学工程学院3岩体结构包括结构面和结构体两个要素。结构面是指发育于岩体中，具有一定方向和延伸性，有一定厚度的地质界面。如断层、节理、层理及不整合面等。结构体是指由结构面切割而成的岩石块体。一、结构面的类型(一)地质成因类型•原生结构面•构造结构面•次生结构面第一节岩体的结构特征(二)力学成因类型•张性结构面•剪性结构面工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/8中国地质大学工程学院4岩体结构面的类型及其特征成因类型地质类型主要特征工程地质评价产状分布性质原生结构面沉积结构面1层理层面2软弱夹层3不整合面、假整合面4沉积间断面一般与岩层产状一致，为层间结构面海相岩层中此类结构面分布稳定，陆相岩层中呈交错状，易尖灭层面、软弱夹层等结构面较为平整；不整合面及沉积间断面多由碎屑泥质物构成，且不平整国内外较大的坝基滑动及滑坡很多由此类结构面所造成的，如奥斯汀、圣·弗朗西斯、马尔帕塞坝的破坏，瓦依昂水库附近的巨大滑坡岩浆岩结构面1侵入体与围岩接触面2岩脉岩墙接触面3原生冷凝节理岩脉受构造结构面控制，而原生节理受岩体接触面控制接触面延伸较远，比较稳定，而原生节理往往短小密集与围岩接触面可具熔合及破碎两种不同的特征，原生节理一般为张裂面，较粗糙不平一般不造成大规模的岩体破坏，但有时与构造断裂配合，也可形成岩体的滑移，如有的坝肩局部滑移变质结构面1片理2片岩软弱夹层产状与岩层或构造方向一致片理短小，分布极密，片岩软弱夹层延展较远，具固定层次结构面光滑平直，片理在岩层深部往往闭合成隐蔽结构面，片岩软弱夹层具片状矿物，呈鳞片状在变质较浅的沉积岩，如千枚岩等路堑边坡常见塌方。片岩夹层有时对工程及地下洞体稳定也有影响构造结构面1节理（X型节理、张节理）2断层（冲断层、捩断层、横断层）3层间错动4羽状裂隙、劈理产状与构造线呈一定关系，层间错动与岩层一致张性断裂较短小，剪切断裂延展较远，压性断裂规模巨大，但有时为横断层切割成不连续状张性断裂不平整，常具次生充填，呈锯齿状，剪切断裂较平直，具羽状裂隙，压性断层具多种构造岩，成带状分布，往往含断层泥、糜棱岩对岩体稳定影响很大，在上述许多岩体破坏过程中，大都有构造结构面的配合作用。此外常造成边坡及地下工程的塌方、冒顶次生结构面1卸荷裂隙2风化裂隙3风化夹层4泥化夹层5次生夹泥层受地形及原结构面控制分布上往往呈不连续状，透镜状，延展性差，且主要在地表风化带内发育一般为泥质物充填，水理性质很差在天然及人工边坡上造成危害，有时对坝基、坝肩及浅埋隧洞等工程亦有影响，但一般在施工中予以清基处理工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/85(一)地质成因类型1.原生结构面是岩体在成岩过程中形成的结构面。可分为沉积结构面、岩浆结构面和变质结构面三类。•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。•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。•变质结构面在变质过程中形成，分为残留结构面和重结晶结构面。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。工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/86(二)力学成因类型1、张性结构面是由拉应力形成的，如羽毛状张裂面、纵张及横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等•特点：张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎带较宽,易被充填,常含水丰富，导水性强2、剪性结构面是剪应力形成的，破裂面两侧岩体产生相对滑移，如逆断层、平移断层以及多数正断层等。•特点：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等。工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/87•走向、倾向、倾角•结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度。如图，当结构面与最大主应力的夹角为锐角时，岩体将沿结构面产生滑动破坏（图a）；当夹角为直角时，表现为切过结构面，产生剪断、岩体破坏（图b）；当夹角为0时，则表现为平行结构面的劈裂拉张破坏（图c）。•abc二、结构面特征及其对岩体力学性质的影响1、结构面产状工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/882、结构面的连续性•结构面的连续性反映结构面的贯通程度，•线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各段长度之和(Σa)与测线长度的比值。baaK1K1变化在0～1之间，K1值愈大说明结构面的连续性愈好K1＝1时，结构面完全贯通。工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/893、结构面的密度结构面的密度反映结构面发育的密集程度。1）线密度(Kd)是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数(条／m)。2）间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。Kd与d互为倒数关系如果测线水平布置，且与结构面法线的夹角为α，结构面的倾角为β时:cossincossin'ddKLnK工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/810•用线密度来估算岩体质量指标RQD(rockqualitydesignation))11.0(1001.0dkkeRQDd岩体质量指标RQD：长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比。%10010钻孔总进尺的岩心长度之和长度大于cmRQD工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/8114、结构面的形态•结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。•结构面侧壁的起伏形态：平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的。•侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。)2(Lharctgi工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/812•结构面的粗糙度用粗糙度系JRC(jointroughnesscoefficient)表示。•随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。•根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10级。工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/813三、岩体的结构•岩体是由结构面网络及其所围限的岩块(结构体)所组成。•具有一定的结构是岩体的显著特征之一。•岩体中存在着复杂的天然应力状态和地下水，这是岩体与其他材料的根本区别之一。•岩体结构(rockmassstructure)指岩体中结构面与结构体的排列组合关系。1结构体特征•结构体(structuralelement)指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。它不同于岩块的概念。•结构体的规模取决于结构面的密度，密度愈小，结构体的规模愈大,与结构面对应,划分为五级。工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/814结构体形状：柱状、板状、楔形、菱形工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/8152岩体的结构类型岩体结构类型岩体地质类型主要结构形状结构面发育情况岩土工程特征可能发生的岩土工程问题整体状结构均质，巨块状岩浆岩、变质岩，巨厚层沉积岩、正变质岩巨块状以原生构造节理为主，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于15m，一般不超过1～2组，无危险结构面组成的落石掉块整体性强度高，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体不稳定结构体的局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆块状结构厚层状沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩块状、柱状只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，裂隙结构面间距0.7～1.5m。一般为2～3组，有少量分离体整体强度较高，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及中厚层状沉积岩、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碎裂状结构构造影响严重的破碎岩层块状断层、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，稳定性很差易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳散体状结构构造影响剧烈的断层破碎带，强风化带，全风化带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易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/816整体状结构与块状结构工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/817层状结构工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/818碎裂状结构工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/819散体状结构工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/820一、法向变形性质1.法向变形特征•两块试件（含结构面、不含结构面）做变形试验，得变形曲线σｎ-ΔＶ，设不含结构面的岩块变形为ΔＶｒ，含结构面的岩块变形为ΔＶｔ，则结构面的变形（法向闭合变形）ΔＶｊ为：ΔＶｊΔＶｔΔＶｒΔＶｊ＝ΔＶｔ－ΔＶｒ第二节结构面的变形与强度性质工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/821应力-变形关系曲线ABC工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/822法向刚度Ｋｎ（normalstiffness）是指在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力，在数值上等于σｎ-Ｖｊ曲线上一点的切线斜率。jnnVK2.法向刚度工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/823•粗糙结构面，呈脆性变形型•平直结构面，呈塑性变形型•结构面变形与风化程度有关•结构面的剪切刚度，随法向应力的增大而增大，随结构面的规模增大而降低。1、剪切变形特征二、结构面的剪切变形性质工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/824•剪切刚度KS（shearstiffness）是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前τ-u曲线上任一点的切线斜率。uKs2.剪切刚度工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/825（一）平直无充填的结构面•平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。•特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。•这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：jjCtg三、结构面的强度性质工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/826（二）粗糙起伏无充填的结构面剪切特点：•①当σ较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了τ•②当σ较大时，将剪断凸起而运动，也增大了τσττ工程地质学概论:第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类2020/3/8271、规则锯齿形结构面（1）σ较小，剪胀作用iiiinnsincoscoss