工程地质 岩体结构

第三章岩体结构控制论3.1概述3.2岩体结构的物质基础3.3岩体结构3.4岩体结构的力学效应重点：1、基本概念：岩体、结构面、结构体、岩体结构；2、基本原理：岩体结构控制论的基本思想；岩体结构的基本类型；环境因素和岩体结构力学效应。3、基本方法：结构面调查的主要内容。3.1概述•问题：•什么是岩体？•什么是岩体结构？•为什么说岩体结构控制岩体的变形、破坏和力学性质？•岩体结构控制论的基本思想是什么？•讲述内容：•一、岩体和岩体结构•二、岩体结构控制论的基本思想一、岩体和岩体结构•岩体是在地质历史时期形成的具有一定组分和结构的地质体。•岩体结构是岩体结构单元在岩体内的排列、组合形式。二、岩体结构控制论的基本思想层次一：基础理论层次二：应用岩体结构控制论是岩体力学基础理论3.2岩体结构的物质基础•问题：1.岩体的基本特性有哪些？岩体结构的物质基础什么？2.岩体物质特征的研究内容有哪些？3.何谓工程地质岩组？何谓工程地质岩组划分？其意义何在？4.工程地质岩组划分需考虑哪些因素？基本思路如何？•讲述内容：•一、岩体物质特征的研究内容•二、工程地质岩组及其划分一、岩体物质特征的研究内容1.岩石的成分与结构2.岩石的成岩环境与岩相变化3.岩石的成层条件和厚度变化4.岩石的组合特征5.岩石的物理力学性质一、岩体物质特征的研究内容二、工程地质岩组及其划分1.工程地质岩组：把工程地质性质相近的岩层组合体划归到一起构成工程地质评价的独立单元。2.工程地质岩组划分：在对地层岩性进行系统研究及分析岩性岩相变化特征的基础上，对岩体及其组成单元进行工程地质分类的工作。其主要目的是为工程设计、施工人员应用。3.岩石（体）工程地质性质分类：普氏系数和RQD级别坚固程度代表性岩石fⅠ最坚固最坚固、致密、有韧性的石英岩、玄武岩和其他各种特别坚固的岩石。20Ⅱ很坚固很坚固的花岗岩、石英斑岩、硅质片岩，较坚固的石英岩，最坚固的砂岩和石灰岩。15Ⅲ坚固致密的花岗岩，很坚固的砂岩和石灰岩，石英矿脉，坚固的砾岩，很坚固的铁矿石。10Ⅲa坚固坚固的砂岩、石灰岩、大理岩、白云岩、黄铁矿，不坚固的花岗岩。8Ⅳ比较坚固一般的砂岩、铁矿石6Ⅳa比较坚固砂质页岩，页岩质砂岩。5Ⅴ中等坚固坚固的泥质页岩，不坚固的砂岩和石灰岩，软砾石。4Ⅴa中等坚固各种不坚固的页岩，致密的泥灰岩。3Ⅵ比较软软弱页岩，很软的石灰岩，白垩，盐岩，石膏，无烟煤，破碎的砂岩和石质土壤。2Ⅵa比较软碎石质土壤，破碎的页岩，粘结成块的砾石、碎石，坚固的煤，硬化的粘土。1.5Ⅶ软软致密粘土，较软的烟煤，坚固的冲击土层，粘土质土壤。1Ⅶa软软砂质粘土、砾石，黄土。0.8Ⅷ土状腐殖土，泥煤，软砂质土壤，湿砂。0.6Ⅸ松散状砂，山砾堆积，细砾石，松土，开采下来的煤。0.5Ⅹ流沙状流沙，沼泽土壤，含水黄土及其他含水土壤。0.3•普氏系数（f）：又称岩石的坚固性系数，是区分岩石坚固程度的系数,其值等于岩石的单向抗压强度(MPa)除以10。按坚固性系数对岩石可钻性分级表岩石的RQD分类•RQD=100×长度大于等于10cm的岩芯累计长度/统计段的钻孔总进尺RQD岩体完整性90好75~90较好50~75较差25~50差＜25极差•4、工程地质岩组划分的学术思路（孙玉科，2002）：•(1)岩石建造是划分岩组的准则,如谷德振先生所划分的10大岩组即:①碳酸岩建造②碎屑岩建造、③复理式建造④含煤建造⑤含盐建造⑥岩浆岩建造⑦火山岩建造⑧变质岩建造⑨构造岩岩组⑩风化岩岩组。这些可称为一级岩组；•(2)在每一岩组中根据不同的地质因素,如沉积环境、地质时代、构造作用、岩石物质成分等进行细分。这些岩组可称为二级岩组；•(3)在二级岩组基础上考虑相同或近似的工程地质性质、包括岩石强度相近、水理性质相近、结构面组合相近、结构体类似等等，这样划分出的岩组可称为三级岩组。3.3岩体结构•问题：1.什么是岩体结构？其组成要素或组成单元有哪些?2.什么是结构面？结构面有哪些类型各有何特征？3.结构面调查的主要内容有哪些？4.什么是结构体？其稳定性受哪些因素影响？5.岩体结构可分为哪些基本类型，各有何特征？•讲述内容：•一、岩体结构的组成要素；二、结构面；•二、结构体；四、岩体结构的基本类型。一、岩体结构的组成要素结构体•所谓结构面，系指岩体中具有一定方位和厚度，两向延伸的地质界面，结构面可分为两大类：物质分异面（如，层面、片理面、软弱夹层、岩浆侵入面等）和岩体中的不连续面（如断层、节理、风化与卸荷裂隙等）。•结构体：被结构面切割所形成的岩块。二、结构面•结构面类型及特征（一）成因类型：1、沉积结构面；2、火成结构面；3、变质结构面；4、构造结构面；5、表生结构面（二）力学类型1、破裂结构面；2、破碎结构面；3、层状结构面；4、泥化结构面•结构面调查的主要内容：•1、规模；2、几何形态；3、光滑度；4、张开度及充填物；5、连通性；6、密集程度1、结构面的规模一级结构面:区域性断裂破碎带。长一般数十公里，破碎带宽至少数米以上。控制工程所在区域的稳定性二级结构面：断层、层间错动带、沉积间断面软弱夹层、大型接触破碎带。长数百到数千米，宽一到数米。控制山体及工程岩体的破坏方式及滑动边界三级结构面：断层、大型节理、风化夹层和卸荷裂隙，长数十到数百米，宽不超过一米。工程岩体稳定的控制性因素及边界条件四级结构面：节理、片理、劈理。一般长数米，无明显宽度。小范围内将岩体切割成块状五级结构面：延展性差，无厚度之别，分布随机，为数甚多的微小裂隙。影响岩块的力学性质2、结构面的几何形态•(1)平直型包括一般的岩层面、片理、劈理、剪节理、原生节理等。•(2)波状起伏型如具波痕的层理、轻度揉曲的片理、沿走向或倾向呈舒缓波状的破裂结构面等。•(3)曲折型一般呈锯齿状或不规则的弯曲状，如具交错层理和具龟裂纹的岩层面、缝合线、沉积间断面，以及沿已有裂隙而发育的次生结构面等。•波浪型尤其是曲折型结构面，抗剪切滑移的能力较大，具有重要的工程意义。3、结构面的光滑度或粗糙度•根据结构面的光滑度或粗糙度，可将结构面分为：极粗糙、粗糙、一般、光滑、镜面五个等级。结构面越粗糙，其抗剪强度的摩擦系数(φ值)越大。4、结构面的结合状态及充填物紧闭型结构面一般干净无充填物，两壁结合紧密，结构面的抗剪强度取决于结构面的形态、起伏差、粗糙度以及两壁岩石性质。闭合型结构面内一般具有泥质、铁质薄膜等，其抗剪强度不仅取决于形态和两壁岩石性质，而且还取决于薄膜的物质成分和亲水性。张开型结构面，以两壁张开的程度可分为微张开的(0.2~1.0mm)、张开的(1.0～5.0mm)、宽张开的(5.0mm)。微张开的结构面两壁岩石常有多处保持点接触，其抗剪强度比张开的结构面大。而张开的和宽张开的结构面，其抗剪强度则主要取决于充填物的成分和厚度，如当充填物为粘土时，其抗剪强度比充填物为砂、岩屑时的低。三、结构体•结构体：在岩体中受各种各级结构面，切割并包围的岩石块体及岩石块体的集合体。自然界中结构体的形状非常复杂，常见的形状有立方体、锥体、菱面体、板状、柱状及楔状等六种，如下图所示。结构体大小、形状、产状及所处的工程位置常表现出不同的稳定性。5、结构面的连通性•是指在某一定空间范围内的岩体中，结构面沿走向、倾向的连通程度（如下图）。结构面的抗剪强度与其连通程度有关，连通的结构面其抗剪强度低；而非连通的短小结构面，抗剪强度大，岩体强度仍受岩石强度控制。6、结构面的密集程度线密集度K：单位长度上的结构面条数K=n/LK=1/M1+1/M2结构面间距d：同一组结构面的平均间距d=M裂隙度K/m-10~11~1010~100100~1000结构面密集程度疏密非常密压碎或糜棱化结构面的密集程度分类四、岩体结构基本类型及特征整体整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。层状结构类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。可进一步分为巨厚层状、厚层状、中厚层状、互层状和薄层状。碎裂结构类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碎裂结构类碎裂结构类碎裂结构类碎裂结构散体状结构岩体节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，岩石手捏即碎，属于碎石土类，可按碎石土类研究。3.4岩体结构的力学效应•问题：1.什么是岩体结构的力学效应？2.岩体结构如何控制岩体变形、岩体破坏和岩体力学介质的力学特性？3.环境因素对岩体力学性和变形破坏有何影响？•讲述内容：一、岩体变形机制；二、岩体破坏机制；三、岩体力学性质与力学介质；四、岩体赋存环境因素及结构的力学效应一、岩体变形机制•岩体变形当岩体赋存的环境改变时，岩体产生体积、形状变化和结构体相对移动等现象的总称。•岩体变形类型岩体变形可分为材料变形型与结构变形型两类。材料变形型可细分为结构体弹性变形、结构体粘性变形、结构面闭合变形和结构面错动变形。结构变形可细分为结构体滚动变形、板裂体结构变形、结构面滑动变形、软弱夹层压缩和挤出变形。•岩体变形机制指岩体变形的力学过程。如岩块压缩变形是岩块在全围压下体积缩小；岩块形状改变、岩块沿结构面滑动和结构体滚动是在剪应力作用下产生的；板裂结构体横向弯曲变形是在力矩作用下产生的等。•本构方程岩体变形与岩石性质、岩体结构、地应力及温度、湿度等的关系称为本构关系，可以写作下列表达式：岩体变形＝F（岩石、岩体结构、压力、温度、时间）这种本构关系的数学表达式称为本构方程。这个方程式的前两项为岩体的实体，第三、四项为岩体赋存环境，最后一项表征变形过程。•岩体结构对岩体变形的控制岩体的变形主要决定于结构面发育状况；结构面发育特征不仅控制变形量的大小而且控制变形性质及变形过程。块裂结构岩体变形主要沿贯通性结构面滑移形成；碎裂结构岩体变形则由；碎裂结构岩体变形则由Ⅲ、Ⅳ级结构面滑移及部分岩块变形构成；只有完整岩体的变形才受控于组成岩体的岩石变形特征。二、岩体破坏机制岩体破坏是岩体结构改组和结构丧失联结现象的总称。岩体中的应力超过岩体的最大强度，产生岩体破坏。岩体破坏时破裂面上应力作用方式和破坏过程称为破坏机制，它是研究岩体破坏的核心问题。岩体破坏机制类型不同结构的岩体，破坏时破坏机理不同，破坏类型也不同。基本的破坏类型共有6种：①张破裂；②剪破坏；③结构体滚动；④结构体沿结构面滑动；⑤梁板溃屈和弯折破坏；⑥倾倒失稳。完整结构岩体在低应力条件下呈脆性张破裂，在高应力条件下呈柔性剪破坏或塑性流动变形。块裂结构岩体的破坏主要是岩块沿软弱结构面滑动。板裂结构岩体的破坏，常以板裂体溃屈弯折、岩块沿结构面滑动以及倾倒失稳为主。碎裂结构岩体的破坏比较复杂，在低应力条例下，极大程度上受结构面及结构体形状控制，除结构体张破裂、沿结构面滑动以外，结构体滚动占有重要地位。在高应力条件下，结构面控制作用消失，其破坏作用机理与完整结构岩体基本相同，主要受岩石材料性质控制。三、岩体力学性质与力学介质块裂介质碎裂介质连续介质力学作用控制因素软弱结构面岩体结构及环境应力条件岩性、岩石组构及环境应力条件变形机制软弱结构面压缩、滑移结构体：压缩、剪切结构面：闭合、滑移岩展示会压缩及剪切破坏机制结构体沿软弱结构面滑移结构面：压碎、滚动、沿软弱结构面滑动结构体：组合倾倒、溃屈张破裂、剪破坏、流动变形应力传播机制软弱结构面上表面力结构单元传播连续传播岩体力学性质控制因素结构面起伏及填充状况岩性、结构及环境因素、结构效应显著岩性、结构及环境因素岩体力学原理及方法块裂介质岩体力学碎裂介质岩体力学连续介质岩体力学介质类型力学特性四、岩体赋存环境因素及结构的力学效应•岩体赋存于一定的地质环境之中，环境因素的力学效应表现在两个