第1讲-岩体地质与结构特征

1高等岩石力学AdwancedRockMechanics贾洪彪王亮清章广成2教材：《岩体力学》，刘佑荣、唐辉明主编，化工出版社参考书：《岩石力学与工程》，蔡美峰等，科学出版社《EngineeringRockMechanics》，J.A.Hudson、J.P.Harrison著《岩体力学性质》，李先炜编，煤炭工业出版社《岩体结构力学》，孙广忠，科学出版社《岩体力学》，肖树芳，地质出版社《岩体力学的力学基础》，李明庆，湖南科技出版社3456湖北南漳1月20日晚7时30分，城关镇海市蜃楼酒店背后突发山体滑坡，将该酒店部分房屋掩埋，14人被困。789101112第1讲岩体地质与结构特征一、岩体力学的研究内容二、岩体的地质特征三、岩体的结构特征四、岩体的地应力13“岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对周围物理环境中力场的反应”(美国科学院岩石力学委员会，1966)“岩石力学主要是与工程和采矿中遇到的那种规模的岩体有关，因而它也可以看作对易于接近的岩体在应力和环境条件变化下性态和特性的研究”(J.C.Jeager,N.G.W.Cook，1979)“岩石力学是一门认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能的科学”（王思敬，1998）14（一）岩体(石)力学15岩体力学：是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。16分支学科工程岩体力学——为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。构造岩体力学——为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。破碎岩石力学——为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。主要研究的领域与问题水利水电工领域a)坝基及坝肩稳定性、防渗加固理论和技术b)引水隧道设计、施工及加固理论技术c)大跨度高边墙地下厂房的围岩稳定及加固技术d)高速水流冲刷的岩石力学问题e)水库诱发地震的预报问题f)库岸稳定及加固方法2.采矿工程a)露天矿山边坡设计及加固技术b)井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题,特别是软岩巷道和深部开采地压控制c)采场稳定性及开采优化(采场结构、开采顺序、开挖步骤等)设计问题d)矿井突水预测、预报及预处理理论和技术e)岩爆、煤及瓦斯突出预测及预处理理论和技术f)采空区处理及地面沉降问题:g)岩石采挖破碎问题17交通建设工程a)线路边坡稳定性分析b)隧道设计和施工技术c)隧道施工中的地质超前预报及处理d)高地应力的岩爆理论及处理e)隧道入口施工技术及洞口边坡设计及支护措施f)地铁施工技术土木工程a)建筑地基处理与加固技术b)地下硐室、地下建筑空间的设计、施工与加固c)岩质边坡的稳定与支护d)地质灾害防治问题18石油工程a)岩石应力与岩石渗透性b)岩石力学与地球物理勘探综合研究c)钴探技术与井壁稳定性d)岩石力学与采油技术(水压致裂、水平钻孔)e)油层压缩及地表沉陷f)石油、天然气储运技术及环境影响191980年6月3日5点35分，湖北远安盐池河磷矿发生岩崩，摧毁整个盐池河矿务局，死亡284人。20500550600650700750盐池河滑崩体800柳山中央斜井平硐采场1采场2采场3采场4采场5采场6ZbdZbd0234J5Zbd0Zbd789850mⅠⅠⅠⅣⅢN2122水利2324桥梁25道路26采矿27Vajont水库:库容10亿m3，坝高267m，是当时世界上最高的双曲拱坝。282.6亿m3的灰岩山体以20m/s以上的速度滑入水库。29最大涌浪高度250m，越过坝顶高度达150m，库水迅猛泻向下游。3031323334长江雷劈石滑坡排水工程承重阻滑工程猴子岭拦石工程链子崖危岩体监测工程危岩体锚固工程35裂缝监测电阻式测缝计裂缝监测手段36链子崖前部监测措施与锚索治理措施链子崖前部监测墩链子崖前部锚索37链子崖前部锚索治理措施锚索头李鹏题字邹家华题字3839露天矿的边坡垂直高度600～700m。随着边坡的加高加陡，边坡稳定性维护的难度越来越大，边坡滑移和倾倒破坏事故的发生日益频繁，严重威胁矿山的安全生产，制约矿山生产能力的提高。另一方面，提高边坡角又是减少剥离和生产成本的重要手段。一个年产千万吨的矿山，边坡角每提高1就可减少剥离量0.5~1.5亿吨，节省成本1~3亿元，经济效益极为显著。这是一把双刃剑。我国大型露天矿同国外相比，边坡角普遍偏缓5左右。（二）研究内容40矿体矿体边坡岩体力学研究框图边坡岩体地质特征（地层、岩性、结构面特征及分布、地下水等）岩块、结构面力学性质（室内试验：求变形、强度参数）应力条件（建筑物作用力、天然应力、水压力、地震力等）地质模型建立（平、剖面图）岩体力学性质，力学参数（现场试验、模拟试验）开挖后的重分布应力、大小力学模型建立（介质模型、应力、岩体力学参数、变形破坏机理…..）稳定性分析计算（刚体极限平衡理论、有限元…..）综合评价工程设计要求工程设计处理方案或修改角施工安全系数稳定、合理不稳定、不合理工程地质研究方法试验法数学、力学分析法综合评价法42（三）岩体力学的形成与进展1、形成历史1951年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成了独具一格的奥地利学派。1951年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。1956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。1957年，第一本《岩石力学》专著出版。1959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作者的关注和研究。1962年，成立国际岩石力学学会(ISRM)。1966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。432、发展阶段（1）初始阶段（19世纪末~20世纪初）岩石力学的萌芽时期，产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题。（2）经验理论阶段（20世纪初~20世纪30年代）根据生产经验提出地压理论，并开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题，代表性理论：平衡拱理论。44（3）经典理论阶段（20世纪30年代~20世纪60年代）学科形成的重要阶段。弹性力学和塑性力学被引入岩石力学，确定了一系列经典计算公式，形成围岩与支护共同作用的理论。结构面对岩体力学性质的影响受到重视，岩石力学文献和专著的出版，实验方法的完善，岩体工程技术问题的解决，这些都说明岩石力学发展成为独立的学科。形成了“连续介质理论”和“地质力学理论”两大学派。（4）现代发展阶段（20世纪60年代以后）岩石力学理论和实践的新进展阶段，最主要的特点是用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩石力学问题，把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等的最新成果引入岩石力学。流变学、断裂力学、非连续介质力学、数值方法、灰色理论、人工智能、非线性理论用于岩石力学和工程实践。45现代岩石力学的三大突破岩体工程地质力学“材料”概念“不连续介质”概念计算岩石力学非线性理论不确定性理论和系统科学理论进入岩石力学实用阶段第1讲岩体地质与结构特征一、岩体力学的研究内容二、岩体的地质特征三、岩体的结构特征四、岩体的地应力46474849岩体（Rockmass）是指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。50结构面（StructuralPlane）指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。岩块/岩石（Rockblock或Rock）指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。岩石（Rock）矿物、岩屑的集合体。51521、组成岩石的主要矿物成份岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿等等。黄铁矿和石英萤石岩块的力学性质主要取决于组成岩石的矿物成分及其相对含量。粘土矿物硅酸盐类矿物碳酸盐类矿物氧化物类矿物组成岩石的矿物2、岩石的结构岩石的结构是指岩石中矿物和岩屑颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面。岩石结构连结类型：结晶连结和胶结连结。微结构面削弱岩块的强度，导致各向异性颗粒形状强度：粒状、柱状片状鳞状颗粒大小强度：粗粒细粒•岩石中的微结构面，是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空隙。包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等。•岩石中的微结构面一般是很小的，通常需在显微镜下观察才能见到，但它们对岩石工程性质的影响却是相当大的。•有些专家认为缺陷是影响岩石力学性质的决定性因素。岩石====矿物组成和结构改变==岩块的物理力学性质改变（强度降低、抗变形性能减弱、空隙率增大，渗透性加大）风化衡量岩石的风化程度的指标：•定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程度及开挖锤击技术特征等。•定量指标主要有风化空隙率指标和波速指标等。3、岩块的风化风化空隙率指标(Iw)：快速浸水后风化岩块吸入水的质量与干燥岩块质量之比。rdwwmmIcwcwfk'rpcpvvvk波速指标•纵波波速（cp）•波速比(kv)风化系数硬质岩石按波速指标的风化分级表风化程度vcp（m/s）kvkf全风化500~10000.2~0.4-强风化1000~20000.4~0.60.4中等风化2000~40000.6~0.80.4~0.8微风化4000~50000.8~0.90.8~0.9未风化50000.9~1.00.9~1.0《岩土工程勘察规范》（GB50021-2002）第1讲岩体地质与结构特征一、岩体力学的研究内容二、岩体的地质特征三、岩体的结构特征四、岩体的地应力60岩体结构指岩体中结构面与结构体的排列组合关系。具有一定的结构是岩体的显著特征之一。（一）结构面621、结构面的类型原生结构面构造结构面次生结构面地质成因类型力学成因类型张性结构面剪性结构面Ⅰ级指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳定性；Ⅱ级指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。Ⅲ级指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。Ⅱ、Ⅲ级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性2、结构面的规模Ⅳ级指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律具统计规律，需用统计方法进行研究。Ⅴ级又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。3、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分为：平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的。)2(Lharctgi侧壁起伏角(i)abcdeLhiββ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。级12345678910JRC0-22-44-66-88-1010-1212-1414-1616-1818-205100cm比例尺标准剖面4、结构面的组合关系结构面的组合关系控制着可能滑移岩体的几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型，它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。任何坚硬岩体的块体滑移破坏，都必须具备一定的几何边界条件。因此，在研究岩体稳定性时，必须研究结构面之间及其与临空面之间的组合关系，确定可