第一章 地壳岩体结构特征的工程地质

第一章地壳岩体结构特征的工程地质分析1.1基本概念及研究意义岩体（rockmass）通常指地质体中与工程建设有关的那一部分岩石，它处于一定的地质环境、被各种结构面所分割。岩体具有一定的结构特征，它由岩体中含有的不同类型的结构面及其在空间的分布和组合状况所确定。结构面是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸（或具有一定厚度）的地质界面（或带）。如岩层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面。结构体：结构面在空间的分布和组合可将岩体切割成形状、大小不同的块体，称结构体。工程地质之所以要将岩体的结构特征作为重要研究对象，意义如下：⑴岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。只有掌握岩体的结构特征，才有可能阐明岩体不同荷载下内部的应力分布和应力状况。⑵岩体的结构特征对岩体在一定荷载条件下的变形破坏方式和强度特征起着重要的控制作用。岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定性的控制面，各结构面分别为确定坝肩岩体抗滑稳定的分割面和滑移控制面。⑶靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确定了外营力对岩体的改造进程。这是由于结构面往往是风化、地下水等各种外营力较活动的部位，也常常是这些营力的改造作用能深入岩体内部的重要通道，往往发展为重要的控制面。总之，对岩体的结构特征的研究，是分析评价区域稳定性和岩体稳定性的重要依据。研究结构面最关键的是研究各类结构面的分布规律、发育密度、表面特征、连续特征以及它们的空间组合形式等。1.2岩体结构特征及主要类型1.2.1结构面的主要类型及特征结构面的成因分类：原生结构面、构造结构面及浅表生结构面沉积结构面：层理，层面，软弱夹层，不整合面，原假整合面，古冲刷面等。生火成结构面：侵入体与围岩接结触面，岩脉、岩墙接触面，喷出岩构的流线、流面，冷凝节理面变质结构面：片理，片麻理，板劈理，片岩软弱夹层。构节理（X型节理，张节理）造结断层（正断层，逆断层，走滑断层）构面层间错动带，羽状裂隙，破劈理。浅部卸荷断裂浅结、构重力扩展变形破裂表面生结表卸荷裂隙构部风化裂隙面结风化夹层构泥化夹层面次生夹泥结构面规模等级划分：按其对岩体力学行为所起控制作用，可划分为三个等级，即贯通性宏观软弱面（A类）；显现结构面（B类）；和隐微结构面（C类）。类型主要特征力学性质代表性结构面A.贯通性宏观结构面连续性好，延伸方向确定，通常具一定厚度与方向破坏岩体的连续性，构成岩体力学性质作用边界，控制岩体变形破坏方向，稳定性计算的边界层面，软弱夹层，断层面或断层破碎带B.显现结构面硬性结构面，随机断续分布，延伸长度米级-数十米，具有统计优势方位破坏岩体的完整性，使岩体力学性质具各向异性特征，影响岩体变形破坏方式各类原生和构造裂隙，表生破裂结构面C.隐微结构面短小闭合，长度从毫米级至厘米级，随机分布可有统计优势方位影响岩块的强度和变形破坏特征岩石的隐微裂隙1.2.2岩体分类1.2.2.1岩体结构分类按建造特征可将岩体划分为块体状（或整体状）结构、块状结构、层状结构、碎块状结构和散体状结构等类型。块体状结构：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、凝灰角砾岩中等。块体结构：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，原生节理发育的火山岩体等。层状结构：代表一组连续性好，抗剪性能显著较低的软弱面的岩体，一般岩性不均一。可进一步分为层状（软弱面间距50～30cm），薄层状（间距小于30cm）。还可以据不均一程度划分出软硬相间的互层状结构。碎块状结构：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，如溪洛渡泡灰岩。另外按岩体的改变程度可划分为完整的、块裂化或板裂化，碎裂化、散体化的等四个等级。1.2.2.2岩体的工程分类工程应用分类是以岩体稳定性或岩体质量评价为基础的分类。为综合性分类，目前主要考虑三方面因素的指标：即与岩石工程性质有关的指标（力学性质）、岩体后期改造有关的指标(岩体结构)和岩体赋存条件方面的指标（地下水或地应力）。通常有:RMR(宾尼亚斯基分类，Bieniawski);巴顿的Q分类;谷德振的岩体质量指标Z系统分类（1979）。(见表1-3。)分类方案岩体质量指标计算公式及方法参数RMR系统RMR=A+B+C+D+E+F和差综合法（并联系统）（T.Bieniawski,1973)A—岩石强度（点荷载.单轴压)分数15—0B—RQD(岩石质量指标）分数20—3D—不连续面性状（粗糙—夹泥）分数30—0C—不连续面间距（2m—3m)分数20—5E—地下水（干燥—流动）分数15—0F—不连续面产状条件（很好—很差）分数0—-12等级划分I很好RMR100—81II好RMR80—61III中等RMR60—41IV差RMR40—21V很差RMR=20RSR系统RSR=A+B+C和差综合法（并联系统）（G.Wickham,1974)A—地质（岩石类型：按三大岩类由硬质至破碎划分四个等级。构造由整体—强烈断裂褶皱分为四等），分数30—6B—节理裂隙特征（按整体至极密集分为6个等级，按走向倾角与掘进方向关系折减）分数45—7C—地下水（无至大量）分数25—6RSR的变化范围25—100Q系统Q=RQD/Jn.Jr/Ja.Jw/SRF乘积法串联系统（Baton,1974)RQD—岩石质量指标0—100Jn—裂隙组数，无裂—破裂，0.5—20Jr—裂隙粗糙度，粗糙—镜面，4—0.5Ja—裂隙蚀变程度，新鲜—蚀变夹泥，0.75—20Jw—裂隙水折减系数，干燥—特大水流，1—0.05SRF—应力折减系数，表示洞室开挖中岩性和地应力对围岩抗变形能力的折减，高者可达20（高应力状态岩石趋于流动），低者2.5（接近地表的坚硬岩石）很好Q400—1000极好Q100—400很好Q40—100好Q10—40一般Q4—10坏Q1—4很坏Q0.1—1坏Q0.01—0.1特坏Q0.001—0.01Z系统Z=I.f.R乘积法（串联系统）谷德振，1979I—完整性系数，I=V2m/V2rVm—岩体中纵波速Vr—岩石中纵波速f—结构面抗剪强度系数R—岩石坚固系数（为岩石湿单轴抗压强度的百分之一）Z的变化范围为0.01—20表1—3岩体质量分类代表性方案1.2.2.3分类标准的定量化—岩体质量指标70年代以来岩体分类中采用了“岩体质量指标”或“综合特征指标”来判别岩体性能的优劣，因而含有这类指标的分类又被称为岩体质量分级，如上所述的RMR、Q和Z系统。分类中有了定量指标作为依据，更便于将作过详细勘探测试研究的场地的经验和成果应用于研究程度较差或处于勘探初级阶段的工地，从而达到简化或减少勘探程序和工作量的目的。分类中，为了探讨不同分类方案之间的相关性，鲁弗里奇等根据新西兰多个工程的经验，对RMR、RSR和Q系统三者得出的如下关系式：RMR=1.35lgQ+43RSR=0.77RMR+12.4RSR=13.3lgQ+46.51.3岩体原生结构特征的岩相分析岩相的横向变化引起岩性及厚度的变化，从而引起岩体的力学性质在横向上的差异性。充分了解岩相变化可以更好地提供面上资料，为工程建设服务。1.3.1河流相沉积岩岩体结构特征的岩相分析⑴：主要相模式及其工程地质特征①高弯度河流沉积相模式及该相岩体的主要工程地质特征坡降缓，弯度大，流态稳定，水流较深，单向环流为主。其主要工程特征有：a.岩体具层状或软硬相间互层状结构特征；b.砂岩体抗风化性能弱，强度具明显自下而上的递变规律如四川白垩系红层的砂岩。②辫状（游荡型）河流沉积相模式特点：坡降陡，河床不稳定，弯度小，水浅，流态不稳定，具复杂环境的河流沉积模式。岩体主要工程地质特征：a.岩体具层状或块状结构特征：岩体中以含泥砂砾的滞留砾石层为其主要软弱层，断续分布，起伏差大，多呈槽状；b.砂岩体具较高的抗风化能力和强度。⑵.岩体原生结构特征的亚相、微相分析a.软弱夹层的亚相、微相分析b.砂岩体中原生结构面的微相分析。1.3.2变质岩岩体结构特征的岩相分析1.3.2.1叶理发育程度的岩相分析及其应用变质岩叶理质量分级可以为评价变质岩岩体工程地质特性提供了重要依据。具体来说，叶理指标可对同一地区或不同地区类型岩石的叶理发育程度（表1-5）作出对比评价，还可用于定量评价岩石（体）的各向异性特征，通过相关分析，作为确定岩石（体）某些重要力学参数的依据。叶理指标还可作为岩体潜在剪动（滑动）带演变程度的判据。1.3.2.2变质软弱岩带的岩相分析及其应用：①.软弱岩带工程地质特征的演化分析a.空间展布特征受气—液通道断裂控制b.断裂的演化经历确定了变质岩带的力学特征c.表生改造确定了变质岩性能的近期变化②.软弱岩带岩体质量分级中的岩相分析对岩石展开薄片岩相鉴定、X射线衍射分析、有效空隙率、弹性波速、磁化率、传导率和有关力学实验，证明变质岩的蚀变程度可以作为岩体分级的一个重要依据。1.4岩体构造结构特征的地质力学分析1.4.1构造断裂的基本组合模式⑴.根据构造断裂组合规律去分析评价区域构造稳定性或岩体稳定性具有重大影响的构造结构特征。⑵.通过追溯应力场演变史来阐明具有复杂历史的构造断裂的工程地质性质。构造地质学构造地质学的现代研究，提出按变形(破坏)力学机制对构造断裂进行分类(Mattauer等，1980)，将其划分为剪切(shearing)，代表断层和与断层相伴的张性拉裂(fracturiug)；弯曲(bending)，代表柔性“同心”或“平行”褶皱；压扁(flattening)，代表强烈挤压条件下劈理、叶理等韧性变形；流动（flowing)代表高温条件下岩石呈固熔状态的粘滞流动变形。构造断裂的形成过程，表现为两种机制类型的组合。通常随深度加深和温度增高，呈如下序列：剪切或拉裂拉裂与弯曲弯曲弯曲与压扁压扁压扁与流动流动。1.4.2大型推覆构造岩体结构特征分析龙门山中北段推覆构造发育，按构造分区，可将岩体划分成厚皮构造、薄皮构造和接触扰动带。2.4.2.1厚皮构造结构特征这一带岩体主要由高角度的逆断层推至接近地表的中下构造层物质组成。以塑性、韧性变形破裂为主，叠加接近地表处所产生的脆性破裂。具体特征为（1）系列陡倾逆冲断裂构成岩体个宏观格架。（2）变质岩以压扁流动形成的密集片理化为其主要特征。（3）岩浆岩以S型花岗岩为典型代表，属地壳重溶型（与逆冲断层摩擦热有关）岩浆岩中韧性断裂和其他类型类型动力变质现象发育。上述特征也是这一带岩体遭受风化，并在重力作用下容易发生变形破坏的重要原因。较完整的岩浆岩可储备很高的弹性应变能，在区域剥蚀和现代地貌形成过程中，容易产生应变能释放而造成的浅表生变形破裂结构。1.4.2.2薄皮构造岩体结构特征这一带以弯曲和剪切造成的浅部褶皱断裂为其主要特征，伴有表部重力滑动构造。具体特征为：（1）系列上叠式弧型断裂构成岩体的宏观格架。（2）浅部岩层强烈弯曲褶皱，层间错动发育。错动在硬软接触面尤为明显，削弱了层间联结能力和抗剪强度，成为岩体在重力场条件下变形破坏的重要控制面。1.4.3伸展带岩体结构特征分析裂谷是区域隆起背景上以断陷谷为特征的大型复杂地堑系；如大洋裂谷、大陆裂谷和陆间裂谷。（1）裂谷深部断裂的基本形式断裂基本模式（见图）（2）裂谷区覆盖岩体结构特征上述不同模式断裂系统的近期活动，在区域稳定性分析中具有重要的意义。如它对浅表层岩体构造结构的形成和演化的控制作用。第一类断裂模式，盖层结构以垂向或陡倾大断裂为分割边界，呈明显分带或分块特征，裂网络受深部断裂格架控制，拉张最强烈的部位往往出现在地幔隆起轴附近。第二类断裂模式，盖层随裂谷扩展而出现拉