地壳岩体结构特征的工程地质分析

1、地壳岩体结构特征的工程地质分析第1页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二1.1 基本概念及研究意义结构面Structural plane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。其它如古剥蚀面、喷出岩间歇面、片理、片麻理、千枚理、风化夹层、次生夹泥层都属于结构面。由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面。岩石Rock不含有显著结构面的岩块。 岩体（Rockmass）由岩石构成的被各种显著结构面切割的天然地质体。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，其

2、主要特征：由岩体中含有的不同类型不同产状的结构面及其在空间的分布和组合的结构体所确定。 第2页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二第3页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二 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。 岩体可含有几种结构体。每种结构体空间以空间上相似形的方式存在为特点。相邻结构体既相互独立，有互相联合。 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： 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

3、载下内部的应力分布和应力状况。 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。第4页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二 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。 因此,结构体体研究岩体式研究岩体变形和破坏的最小单元。 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

4、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力学性质、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第5页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二 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，千枚理，板劈理，片岩 软弱夹层。第6页，共24页，2022年，5月20日，10点4

5、4分，星期二构 节理（X型节理，张节理）（扭性节理，张性节理）造 断层（正断层，逆断层，走滑断层） 结（张性断层，压性断层，扭性断层）构面 层间错动带，羽状裂隙，破劈理。第7页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二 浅 部 卸荷断裂 结 构 重力扩展变形破裂次 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 第8页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二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

6、结构面A.贯通性宏观结构面断层或充填型连续性好，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.显现结构面裂隙或非充填型硬性结构面，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.隐微结构面非贯通型短小闭合，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第9页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二1.2.2 岩体分类 1.

7、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。 第10页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二 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10.5m。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

8、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5030cm），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。散体状结构 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。第11页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二1.2.2.2 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

9、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。) 第12页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二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 150BRQD(岩石质量指标） 分数 203D不连续面性状（粗糙夹泥） 分数 300C不连续面间距（2m3m)分数 205E地下水（干燥流动）分数

10、150F不连续面产状条件（很好很差） 分数 0-12等级划分I 很好 RMR 10081II 好 RMR 8061III 中等 RMR 6041IV 差 RMR 4021V 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 306B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 457C地下水（无至大量） 分数 256RSR的变化范围 25100Q 系统 Q=RQD/Jn . Jr/Ja . Jw/SRF 乘积法

11、串联系统 （Baton, 1974)RQD岩石质量指标 0100Jn裂隙组数，无裂破裂 ，0.520 Jr裂隙粗糙度，粗糙镜面，40.5 Ja裂隙蚀变程度，新鲜蚀变夹泥，0.7520 Jw裂隙水折减系数，干燥特大水流，10.05SRF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 Q 4001000 极好 Q 100400 很好 Q 40100 好 Q 1040 一般 Q 4 10 坏 Q 14 很坏 Q 0.11 坏 Q 0.010.1 特坏 Q 0.0010.01Z系统 Z=I . f .

12、 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0.0120 表13 岩体质量分类代表性方案第13页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二1.2.2.3 分类标准的定量化岩体质量指标岩体质量分类的研究趋势：从单因素単指标向多因素多指标、多因素综合指标的方向发展。 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

13、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。第14页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二 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+46.5 第15页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二1.3 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

14、性。岩石的沉积环境不同，同一类岩石的工程地质性质有差别。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。第16页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二其主要工程特征有：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.

15、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。岩体原生结构特征的亚相、微相分析 1软弱夹层的亚相、微相分析河流相沉积岩的软弱夹层可以分若干亚相、微相。沉积层顶部泥岩、粉砂岩软弱夹层亚相可分为洪泛相泥岩层、 第17页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二和天然堤相粉砂质泥岩层。它们的现场环境有很大区别，促成结构构造的差别。前者水平层理，泥裂构造；后者常常具有微波层理，粒度粗，工程地质性要好些。2 砂岩体中原生结构面的微相分析。经岩相学者研究，搬运泥沙的粒度、河水的流态、流速具有不一定相关关

16、系。所以研究粒度、岩体的结构、构造推测古环境、气候与流速等沉积环境。对于地质工程，工程师依据沉积环境预测空间岩体的工程地质性质。第18页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二1.4 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 .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。 .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。3确定构造体系 所谓构造体系是指中同一个正应力场内具有成生联系的构造形迹的组合。 例如，新华夏系，纬向构造体系，经向构造体系都有一套特有的结构面。鉴别方法 4确定构造应力场的先后 采用结构面的配套方法，结

17、构面的切割关系，确定体系的先后顺序。 第19页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二1.4.2 走滑断裂区岩体结构特征分析 （1）走滑断裂的基本组合模式 典型的走滑断裂系统发育在相对稳定的地块中，也可 于板块转换断层接触带，它是最大、最小主应力近于水平的地应力环境下的产物，大多属于脆性剪切破裂。按地质力学观点，断裂组合可有多种形式，但某一主干断层与其伴生的不同次序的断裂的组合形式，可视为基本模式。巴杰利（1959）曾提出一对共额走滑断层与各序次断裂共生 组合的理想模式（图1-8）。 （2）多期构造的地质力学分析重合；正交；斜接第20页，共24页，2022年，5月20日，10点

18、44分，星期二第21页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二1.5 岩体结构特征的统计分析 结构面统计主要统计优势方位，间距，长度，连续率等。结构面优势方向：结构面较发育的方位。 结构面统计中由于类规模大，一般都有专题研究，C类结构面规模小，具体反映在岩块或大试件试验成果中。而B类结构面适合野外实测，即在岩体中目测的裂隙系统。有多种测量方法，如岩心裂隙测量法（RQD），取样窗法（sampling window），又可称为面积测量方法和路线精测法（line scaning）。实践表明，路线精测法较为完整。第22页，共24页，2022年，5月20日，10点44分，星期二 为了客观反映统计数据的正确性，需要进行资料校正（P26、27）