第一章岩体的结构特征

第一章岩体的地质与结构特征主要内容：1、基本概念岩块、结构面、岩体2、岩块的物质组成、结构特征及风化程度3、结构面的成因类型、分级、特征、软弱结构面4、岩体成因及其特征、岩体的结构特征岩块、结构面、岩体一、基本概念岩石(Rock)－－各种矿物的集合体。1.结构面(StructuralPlane、discontinuities)－－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。包括：层面、不整合面、节理、断层、片理面、劈理、软弱夹层、卸荷裂隙和风化裂隙等。显著结构面(能明显地将岩石切割开来的分界面)、不显著结构面(微结构面)(包含在岩石块体内结合比较牢固的面如微层面、微裂隙等)沪蓉西高速扁担垭隧道掌子面岩体岩块、结构面、岩体3.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。2.岩块(Rockblock)－－把不含显著结构面的岩石块体称为岩块，它是构成岩体的最小岩石单元体（intactrock,structuralelement）。10岩石是各种矿物的集合体，是地质作用的产物。大部分新鲜岩块质地坚硬致密,孔隙小而少,抗水性强,透水性弱,力学强度高－－其物理力学特点主要由矿物组成和结构构造等决定。岩块的物理力学性质受物质组成、结构构造与风化程度的影响（一）岩块的物质组成造岩矿物类型：含氧盐、氧化物、氢氧化物、卤化物、硫化物和自然元素等。硅酸盐、碳酸盐和氧化物类矿物是构成岩石最常见矿物，其常见矿物如：石英、长石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、角闪石、云母、绿泥石、蒙脱石、高岭石等。二、岩块－－不含显著结构面的岩石块体1岩块的物质组成1.岩石的矿物成分及其相对含量是决定新鲜岩块力学性质的一个重要因素•岩块中硬度大的粒状、柱状矿物越多，其强度愈高：石英、长石、辉石、角闪石等•岩块中硬度小的片状矿物越多，其强度愈低：云母、绿泥石、蒙脱石、高岭石等（1）硅酸盐类矿物及相应岩石的物理力学特点矿物：长石、辉石、角闪石、橄榄石等，晶体呈粒状、柱状，硬度大。常见岩石：花岗岩、闪长岩、玄武岩岩石物理力学特点：1）强度高，抗变形能力好；2）易风化成高岭石、水云母等。010（2）粘土矿物（特殊的硅酸盐类矿物）矿物：高岭石、水云母、蒙脱石三类，晶体呈薄片状、或鳞片状，硬度小。常见岩石：泥岩、页岩等。岩石物理力学特点：1）强度低，抗变形能力差；2）极易风化。矿物成分及其相对含量对新鲜岩块力学性质的影响（3）碳酸盐类矿物矿物：方解石、白云石等。常见岩石：石灰岩、白云岩、泥质灰岩、泥灰岩等。岩石物理力学特点：受CaCO3和泥质的含量影响大。CaCO3含量越高，岩石强度高、抗变形和抗风化性能好；泥质含量高，力学性质较差。碳酸盐岩体常发育岩溶现象。1矿物成分及其相对含量对新鲜岩块力学性质的影响（4）氧化物类矿物矿物：石英等，等轴状，硬度大，化学性质稳定。常见岩石：石英砂岩等。岩石物理力学特点：石英含量越高，岩石强度更大和抗变形性能更好2.岩石成因和类型对岩块力学性质的影响•岩浆岩：以粒状硅酸盐、石英等为主，岩块物理力学性质一般很好。岩石成因和类型对岩块力学性质的影响01粗碎屑岩其力学性质在很大程度上取决于胶结物，与碎屑成分也有关•沉积岩：细碎屑岩如页岩、泥岩等力学性质很差碳酸盐岩力学性质与组成成分的含量有关1岩块的物质组成岩石成因和类型对岩块力学性质的影响浅变质岩千枚岩、板岩等含片状矿物多，力学性质较差•变质岩：与母岩类型及变质程度有关深变质岩片麻岩、石英岩等含粒柱状矿物多，力学性质好10（二）岩块的结构与构造1.岩块的结构指岩石内矿物颗粒的大小、形状和排列方式、微结构面发育情况、粒间连结方式等在岩块构成上所表现出的特征。其中，矿物颗粒间的连结和微结构面的发育特征对岩块的力学性质影响很大。（1）连结类型（结晶连结和胶结连结）•结晶连结矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩、部分沉积岩。原子或离子作用力，其强度较高。结构与构造10•胶结连结矿物颗粒通过胶结物连结在一起，岩块强度：等粒结构＞非等粒结构；细粒结构＞粗粒结构；斑状结构中，细粒基质＞玻璃基质。晶粒愈细，愈均匀，玻璃质愈少，则强度越高相同成分的粗粒花岗岩C=120MPa细粒花岗岩C=250MPa如沉积碎屑岩等胶结物成分与胶结类型不同，岩块力学性质不同：岩块强度：1）硅质胶结＞铁质、钙质胶结＞泥质胶结（抗水性最差）2）基质胶结＞孔隙式胶结＞接触式胶结连结类型结晶连结和胶结连结结晶结构不同，岩块力学性质不同：10（2）微结构面岩块的结构与构造指存在于矿物颗粒内部或颗粒间的弱面或缺陷，包括矿物解理面、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层面及片理面、片麻理面等。微结构面将大大降低岩石的强度。试验证明（Hoek等）：若岩石存在缺陷，当其受力（拉或压）时，在微结构面（微裂隙、微孔隙等）末端，易形成应力集中，使裂隙可能沿末端继续扩展，导致岩石在较小力的作用下破坏。12.岩块的构造指矿物集合体之间及其与其他组分之间的排列组合方式。如：岩浆岩中的流线、流面构造，沉积岩中的微层状构造，变质岩中的片状构造及其定性构造等。岩块的结构与构造010（三）岩石的风化程度风化作用==矿物组成和结构构造改变==岩石物理力学性质改变：强度降低、抗变形性能减弱、空隙率增大，渗透性增大岩块的风化程度•岩石风化程度的表示方法（定性方法和定量方法）风化程度：全风化、强风化、弱风化、微风化定性方法－－根据颜色、破碎程度、矿物成分的变化及开挖锤击特征等定性指标来判断。1定性表示岩块的风化程度0微风化：结构构造基本未变，仅裂隙面颜色略有改变，裂隙少见，仅裂隙面矿物轻微变异并有铁锰质薄膜，锤击声清脆。弱风化：表面和裂隙面大部分变色，端口中心部分较新鲜；结构构造部分破坏，风化裂隙发育，有次生矿物，时夹少量岩屑；裂隙面出现风化矿物或风化夹层，锤击声不够清脆。强风化：大部分变色，岩块中心部分尚较新鲜；结构构造大部分破坏，呈岩块岩屑时夹粘土；除石英外长石、云母等多风化成次生矿物，时夹少量岩屑；锤击声哑，可用锹镐开挖。全风化：完全变色，常呈黄褐色、棕色、红色等；结构构造彻底改变，有时保持原岩状态，除石英外，其余矿物大部分风化成次生矿物，呈土状，手捻即碎；锤击声哑，锹镐可挖动。1定量表示岩块的风化程度0定量方法－－根据风化空隙率指标和波速指标来判断。风化空隙率指标(Iw)－－指将风化岩块快速浸水后,风化岩块吸入水的质量与干燥岩块质量之比。波速指标－－指用风化岩块的纵波速度(vcp)、波速比(kv)和风化系数(kf)等指标来评价岩石（岩块）的风化程度。风化岩块vrp新鲜岩块cw新鲜岩块风化程度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(弱风化)2000~40000.6~0.80.4~0.8微风化4000~50000.8~0.90.8~0.9未风化50000.9~1.00.9~1.01定量表示岩块的风化程度0硬质岩石按波速指标的风化分级表《岩土工程勘察规范》（GB50021-94）10结构面对工程岩体的完整性、渗透性、物理力学性质及应力传递等有显著的影响，是造成岩体非均质、非连续、各向异性和非线弹性的本质原因之一三、结构面－－层面、节理、断层、软弱夹层、裂隙等（一）结构面的成因类型（地质和力学）•地质成因类型原生结构面岩体在成岩过程中形成的结构面沉积结构面岩浆结构面变质结构面构造结构面岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面次生结构面岩体形成后在外营力作用下产生的结构面10岩体结构面的类型及其特征3.片麻理4.板理及千枚理受地形及原始结构面和临空面产状控制10结构面特征结构面特征结构面特征•力学成因类型(1)张性结构面－－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－－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现象发育软弱结构面•按结构面内是否有充填物质进行分类(1)硬性结构面－－指没有充填物的结构面,如节理、层理、片理、劈理、卸荷裂隙等(2)软弱结构面－－结构面内有充填物的结构面，如断层破碎带、层间错动带、接触破碎带、软弱夹层、泥化夹层等。特点：与两盘岩体相比，软弱结构面压缩性高、强度低、透水性好等特征。工程意义：对岩体的变形、破坏和稳定性起控制作用。其中，泥化夹层的性质最差。软弱结构面－－泥化夹层泥化夹层－－由含泥质的软弱夹层（粘土岩类）经一系列的地质作用演化而成。如：硬岩夹软岩（粘土岩），若发生层间错动，软岩破碎，为地下水提供良好的通道，而地下水的流动使破碎的岩石颗粒分散、含水量增大，岩石软化成塑性状态（泥化），同时水还使其中的可溶性盐类溶解、流失，其物理力学性质变得更差。•特点:(1)原岩结构变成泥质松散状结构或泥质定向结构；（2）粘粒含量很高（大于30％）；（3）含水量接近或超过塑限，密度比原岩小；（4）具有膨胀性；（5）强度低，压缩性高；（6）抗冲刷能力差，易产生渗透变形。软弱结构面－－软弱夹层软弱夹层－－指在坚硬的层状岩层中夹有强度低、泥质或炭质含量高、遇水易软化、延伸较广和厚度较薄的软弱岩层。统计资料表明，软弱夹层自身的强度和变形模量均为其相邻两坚硬岩层的15150。•一般软弱夹层的强度和变形参数:(1)摩擦系数（2）饱和抗压强度（3）变形模量f0.5Rb10MPaE01000MPa•易形成软弱夹层的岩石:泥岩、泥质粉砂岩、粉质砂泥岩、炭质细砂岩、泥质、砂质、炭质等页岩、泥灰岩、粉砂岩、泥质板岩、云母片岩等等。软弱结构面－－软弱夹层•软弱夹层的类型：（据长江水利委员会）(1)软岩夹层如粘土岩等，易风化，浸水崩解、膨胀或溶解，其变形和强度具有明显的时效性。单轴抗压强度15MPa,峰值摩擦系数0.40～0.60，变形模量2000MPa（2）碎块夹层由80％以上粒径大于2mm的粗碎屑组成，碎块表面有泥膜。（3）碎屑夹层碎屑夹层中粒径为0.5～2mm的细碎屑约为30％，大于2mm的粗碎屑含量约为30％～50％，粘粒占10％～30％。（4）泥化夹层粘土类岩石经过一系列地质作用变成结构松散、密度小、含水量大、粘粒含量高、等于或大于塑限的土。结构面特征(二)结构面的规模与分级结构面的规模与大小不仅影响岩体的力学性质，而且影响工程岩体力学特性及其稳定性。按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，将结构面分成5级：•Ⅰ级指延伸几km～几十km以上,破碎带宽几m～几百m的大断层或区域性断层(断裂带)(如汶川大地震龙门山断裂,长500km,此次断裂250多km,破碎带最大宽度70~100m)•Ⅱ级指延伸几百m～几km，破碎带宽几十cm～几m工程意义：软弱结构面，影响区域岩体稳定性，控制工程岩体变形、破坏和稳定性。的区域性地质界面（断层、层间错动、接触破碎带、风化夹层等）。工程意义：软弱结构面，控制工程区岩体变形、破坏和稳定性，影响工程布局。结构面的规模与分级•Ⅴ级即微结构面。工程意义:硬性结构面,影响岩块的物理力学性质。•Ⅲ级指延伸几十m～几百m，宽几cm～1m左右的断层、区域性节理、层间错动、接触破碎带、软弱夹层、风化夹层等。工程意义：多数为软弱结构面，影响或控制岩体的稳定性。•Ⅳ级指延伸长度几cm～几十m，宽几cm以内的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等结构面。工程意义：硬性结构面，影响岩体的完整性和力学性质，是工程岩体分级及岩体研究的基础，是结构面统计分析和模拟的对象。(三)结构面特征及其对岩体性质的影响结构面的特征包括产状、连续性、密度、形态、张开度、充填胶结特征及其组合关系.其对岩体力学性质有不同的影响－－即结构面在空间的分布状态，用走向、