《地质学》课件-岩体的结构特征与主要力学特征

第四章岩体的工程地质特性第一节岩体的结构特征第二节岩体的主要力学特性第三节地应力的工程地质研究第四节岩体的工程地质分类概述1、岩体定义：岩体通常指工程影响范围内的地质体，它由处于一定应力状态、被各种结构面切割的岩石所组成。岩体是地质体的一部分，它是由各种各样的岩石建造组合而成，后期又受不同时期及不同性质的构造运动及次生地质作用的影响，是非均质的、各向异性的不连续体。一个岩体的规模、大小，可视所研究的工程地质问题所涉及的范围和岩体的特点而定。岩体和岩石有区别的。岩体时有一种或多种岩石组成，甚至可以是不同成因岩石的组合体。可以理解为被结构面切割，多裂隙的不联系介质；岩石则为完整的岩块。2、岩体(rockmass)＝结构面(discontinuities)+岩石(rocks)3、工程岩体有地基岩体、边坡岩体和地下洞室围岩。岩体结构岩体由结构面和结构体组成。结构面定义：岩体中力学强度较低的部位或岩性相对软弱的夹层，构成岩体的不连续面，称为结构面。

结构面实际上是地质发展历史中岩体内形成的具有一定方向、一定规模、一定形态和一定特征的地质界面。岩体中存在的各类地质界面：断层面、节理面、裂隙面、层面、不整合面、接触面等。结构体被结构面所围限的岩块称为结构体。第一节岩体的结构特征岩体结构特征的研究意义岩体的结构特征是指岩体中结构面和结构体的形状、规模、性质及其组合关系的特征。岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定性的控制面。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。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。结构面结构面的几何特征直接控制岩体中岩块的大小，同时控制岩质边坡稳定性分析和地下洞室围岩稳定性分析中的边界条件，即控制滑体的形状、规模及其趋势。具有工程意义的岩体结构面主要包括地层层面和节理等。

一、结构面的成因类型（一）原生结构面定义：在岩石成岩过程形成的。有以下三类：1、沉积结构面沉积岩的层理、层面、间断面及软弱夹层等都属于沉积结构面。间断面包括假整合面和不整合面，起伏不平，构成一个软弱带。软弱夹层强度低，遇水易软化。2、火成结构面岩浆侵入、喷溢及冷凝过程中形成的结构面，如流层、冷凝节理、侵入体与围岩接触面及岩浆间歇性喷溢所形成的软弱接触面。3、变质接触带变余结构面和变成的重结晶结构面。前者为沉积岩浅变质所具有，层面仍保留，但在层面上有绢云母、绿泥石等鳞片状矿物密集并呈定向排列。重结晶结构面主要有片理和片麻理等。玄武岩的原生柱状裂隙沉积岩的层间裂隙片麻结构一、结构面的成因类型（二）次生结构面1、内动力形成的结构面包括节理、劈理、断层、层间剪切带，也称构造节理。断层、层间剪切带，规模大，有充填物，工程性质很差。节理、劈理等一般无充填物或较薄的充填物，影响岩体的完整性和力学性质。2、外力形成的结构面由风化、卸荷及人类活动所形成的结构面。构造裂隙卸荷裂隙剪节理（剪切裂隙）河谷地区的卸荷裂隙链子崖一、结构面的成因类型成因类型原生结构面次生结构面沉积结构面火成结构面变质结构面内动力形成结构面外动力形成结构面综合动力形成结构面地质类型层理、层面、沉积间断面、沉积软弱夹层侵入体与围岩接触面、火山熔岩层面、冷凝节理变余层理、片理构造节理、断层、劈理、层间错动面风化裂隙、卸荷裂隙、爆破、次生充填软弱夹层泥化夹层结构面的基本类型(1)方位：即结构面的产状。(2)间距：系指相邻结构面间的垂直距离，通常是指一组结构面的平均间距。它是反映岩体的完整程度和岩块大小的重要指标(3)延续性：它是表征结构面延伸长度和展布范围的指标。(4)粗糙度：结构面的平整光滑程度不同，抗剪强度也不同。结构面的形态有平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的几种。结构面的起伏程度可用起伏差及起伏角表示，结构面的粗糙程度可用粗糙度系数(JRC)表示。二、结构面的特征分级ⅠⅡⅢⅣ间距（m）>20.5～20.1～0.5<0.1描述不发育较发育发育极发育完整性完整块状碎裂破碎节理间距与完整性的关系结构面的贯通性岩体的面连续性结构面的粗糙度

(5)结构面侧壁强度：它可以反映结构面经受风化的程度，可用施密特回弹仪或点荷载仪测定节理壁的强度。

(6)张开度：指结构面两壁间的垂直距离。结构面的张开度通常不大，一般小于1mm。

(7)充填物：结构面内常见的充填物有砂、粘土、角砾、岩屑及硅质、钙质、石膏质沉淀物，结构面经胶结后强度会提高，其中以铁或硅质胶结者强度最高，泥质及易溶盐类胶结者强度低、抗水性差。未胶结的充填物强度低，充填物厚度不同时，结构面的变形与强度也不同。二、结构面的特征(8)渗流：结构面内有无渗流及流量的大小，对结构面的力学性质、有效应力的大小及施工的难易程度均有重要的影响。(9)节理组数：节理组数的多少，决定了岩石块体的大小及岩体的结构类型(10)块体大小：由数组结构面切割而成的岩石块体，一般称为结构体。二、结构面的特征结构体的形状三、软弱夹层定义：一般认为软弱夹层是在坚硬的层状岩层中夹有强度低、泥质或碳质含量高、遇水易软化、延伸较广和厚度较薄的软弱夹层。也有人将一切产状平缓的软弱薄层状地质体划归夹层的范畴。软弱夹层的强度和变形参数如下：摩擦系数f＜0.5

饱和抗压强度Rb≤10MPa

变形模量E0≤1000MPa软弱夹层软弱夹层软弱夹层

三、软弱夹层（一）软弱夹层的成因与分类长江流域规划委员会等单位按成因分为：成因原生型次生型构造型沉积型、喷发沉积型、浅变质软弱矿物富集型层间挤压错动形成的层间剪切带风化型、充填型三、软弱夹层（二）软弱夹层的特性长委会划分四类夹层1、软弱夹层常见有粘土夹层、疏松泥灰岩、石膏层、碳质条带等。2、块状夹层由80﹪以上粒径大于2mm的粗碎屑组成。3、碎屑夹层粒径为0.5～2mm的细碎屑约占30﹪，大于2mm的粗碎屑约占30﹪～50﹪，粘粒占10﹪～30﹪4、泥化结构粘土矿物岩石经过一系列地质作用变成塑泥的过程，叫泥化。天然含水量大于或等于塑限。是软弱夹层中最坏的一种。三、软弱夹层4、泥化结构粘土矿物岩石经过一系列地质作用变成塑泥的过程，叫泥化。天然含水量大于或等于塑限。形成具备三个条件：（1）物质基础。粘土盐类夹层。（2）构造作用。破坏原来粘土岩类夹层的完整性，为地下水渗入提供通道；原岩矿物颗粒联接也会受到破坏。（3）地下水。水在粘粒周围形成结合水膜，使岩石处于塑态甚至流态。标志：其天然含水量等于或大于塑限。特点：湿度高、密度小、强度低、变形大。软弱夹层

特点厚度薄多呈相互平行，延伸长度和宽度不一的多层状结构松散岩性、厚度、性状和延伸范围，常有很大变化力学强度低，与其结构、矿物成分和颗粒组成有关泥化夹层

特点成分：粘粒含量明显增多结构：由固结或超固结变成了泥质散状结构物理状态：干容重减小,天然含水量增高,接近塑限具有一定的膨胀性力学强度：较原岩大为降低，压缩性大抗冲刷能力低，易于产生渗透变形四、岩体的结构类型《水利水电工程地质勘察规范》，将岩体结构划分为：4个大类和11个亚类，其基本特征见表4-6。类型亚类特征整体块状结构整体状结构块状结构次块状结构层状结构整体层状结构块层状结构互层状结构薄层状结构碎裂结构镶嵌碎裂结构碎裂结构散体结构碎块状结构碎屑状结构表4-6岩体结构分类表《港口工程地质勘察规范》

整体状结构(近似各向同性连续介质）

块状结构（岩软弱夹层滑动）

层状结构（顺层滑动、层间张裂及岩层弯曲折断）

碎裂状结构（沿结构面的滑移和张裂、结构体的剪切、张裂及塑性流动）

散体结构（大型断裂破碎带、岩浆侵入接触破碎带及强烈风化带）第二节岩体的主要力学特性岩体的变形往往包括了结构面的变形和结构体的变形两部分。一、岩体的变形特征单轴压缩条件下岩石变形特征（变形阶段划分）

1）OA段曲线，属于微裂隙压密阶段;2）AB段曲线，属于弹性变形阶段;3）BC段曲线，属于初级膨胀阶段，产生微破裂或塑性变形;4）CD段曲线，属于破坏阶段1.应力-应变曲线2.岩体的变形指标ABCDE3.岩体压力－变形曲线的三种基本类型a)岩体节理不发育，岩体坚硬完整b)岩体节理发育且充填不好，加载初期逐渐压密，后期变陡，直至最后直线阶段c)荷载较低时，P-W呈直线关系，它反映岩体软弱或深部埋藏有软弱夹层4、动弹性模量（Ed）岩体中的一点受动载荷冲击后将产生振动，这种振动以弹性波的形式向外扩散。在生产上用动力法测定岩体的动态变形参数。5、岩体静弹性模量（Ee）与动弹性模量（Ed）关系。

Ee=jEdJ是折减系数，与岩体完整性有关。二、岩体的流变特性1、定义流变性：物体在外部条件不变的情况下，应力或变形随时间而变化的性质。有蠕变和松弛。蠕变：在应力一定的条件下，应变随时间的持续而逐渐增长的现象。松弛：在变形保持不变时，应力随时间的增长而逐渐减小的现象。试验和工程实践表明，岩石和岩体具有流变性。2、典型的蠕变曲线恒定荷载大小不同分为两种类型：一类是在较小的恒定荷载作用下（σ<σ∞），变形随时间增长，变形速率递减最后趋于稳定；另一类恒定荷载超过某一极限后（σ〉σ∞），变形随时间不断增长，最终导致破坏。典型蠕变曲线可分为以下三个阶段：初始蠕变阶段，OA段，变形速率逐渐减少，又称阻尼蠕变阶段。等速蠕变阶段，AB段，变形缓慢平稳，应变随时间呈等速增长。加速蠕变阶段。BC段，变形速率加快直到破坏。岩石长期强度：长期应力超过某一临界应力时，岩石才经蠕变破坏，这一临界应力称为岩石长期强度。取决于岩石及结构面的性质和含水量等因素三、脆性与塑性破坏岩体的剪应力－剪位移曲线岩体的破坏机制岩体变性破坏的形式四、岩体的强度性质岩体强度的意义岩体强度涵盖了“岩石+结构面”两部分，仅仅研究岩石的强度对工程没有太大的实际意义。在坝基抗滑稳定性（表层滑动、浅层滑动、深层滑动）、岩质边坡稳定性评价中，需要岩体和结构面的强度参数。岩石、结构面和岩体强度的对应关系岩石、结构面和岩体强度的对比1：岩石；2-结构面；3-岩体1.平直光滑无充填结构面的抗剪强度

τ=σtanφ2.粗糙起伏无充填结构面的抗剪强度规则锯齿结构面(1)

当法向应力较小时,存在所谓的爬坡效应

τ=σtan(φb+i)式中:φb为结构面的基本摩擦角,i为齿面的起伏角。(2)

当法向应力较大时,将剪断锯齿

τ=σtanφ+c由上