岩石的地质结构与岩石本质性

岩石的地质结构与岩石本质性

1岩石本质性命题根据地球科学视野和工程地质学原理，有许多关于岩石力学特性和问题的文献。作者在早期的研究工作中就曾作这样的尝试;谷德振等[2~4]也对此进行了系统的论述。在20世纪初,岩石力学界和工程地质学界所开展的世纪学术进展总结也含有这方面的讨论[5~7]。陈宗基[8~10]在许多论著或讲演中曾阐述过地质因素的重要作用。岩石力学的研究对象是岩石。虽然研究目标是探讨岩石的力学性能及其工程行为,而且主要应用力学学科的原理和方法,但是岩石却同其他工程材料又有所不同,因而有其特殊性。岩石是一种自然造物,是在漫长的地质历史中,经历了多种地球动力作用才得以形成的,并由此获得其本质性。岩石演化循环,经过成岩、构造变形和次生蜕化才使其具有现今面貌,从而奠定岩石的物理本属性,构成力学评价之基础。当进行岩石的力学本构性研究及岩石工程评价时,物理本属性的力学表现至为重要,如能与其形成根源联系起来,必可得到新的理解,从而缩小不确定性。放眼到地球科学视野来深化和延拓岩石力学学科也许是更上一层楼的一个支承。本文简要地论述了岩石循环的地质作用,提出并讨论了岩石地质本质性命题,侧重阐述了岩石的物质性、结构性和赋存性,及其同地质演化的密切关系。作为岩石力学研究对象的岩石,同其他工程建筑材料的不同之处就在于它的地质演化及所形成的地质本质性。通过对岩石本质性的认识,本文探讨了岩石物理本属性,包括不均一性、不连续性及时态性的成因及其同地质本质性的关系。在此基础上,文中还讨论了岩石力学本构性研究中对介质力学属性的考虑。本文试图通过岩石地质本质性、物理本属性到力学本构性的讨论,建立岩石力学与地质学相互认识和深入结合的知识通道。2岩石力学与地质学的结合2.1地球科学的学科研究岩石力学将力学理论作为学科发展的研究目标,而岩石则是岩石力学研究的对象。岩石是一种地质产物,也可称地质体。广义上讲,岩石力学应是力学与地质学相结合的交叉学科,若更有针对性地来看,岩石力学侧重于固体力学与岩石地质学的结合。岩石力学属于应用基础学科,它的研究任务是以岩石工程建设为己任,也包括地质资源的开发工程。更广更深的力学、地质学,与工程学科的结合势在必行。因此,地质学必然成为岩石力学与岩石工程学科的支柱性基础学科之一。那么,岩石力学与岩石工程学科从地质学中究竟能有何得益,地质学在哪些领域对岩石力学与岩石工程学科的研究和发展可能做出贡献,这就是本文所试图回答的主要问题。地质学(geology)是地球科学的一个分支学科。地球科学(earthsciences)包括大气、海洋、地理和固体地球科学等(见图1)。固体地球科学(geo-sciences)则包含地质学、地球物理学和地球化学。从广义和实用的角度看,地质学同其他地球科学的分支有着密切的交叉,因而也含有与它们相关的研究内容。地质学的研究对象是地球,尤其是地壳,重点在于研究它的物质组成和结构,以及其形成、演化的地质动力作用和过程。地质学的核心研究思路是地质历史的时空重建,在层序和构造分析的基础上,地质学家采用了许多现代数理化科学和技术方法,从而使传统的地质学科步入现代科学行列。从岩石力学与岩石工程学科研究和发展的角度看,相关的地质学研究主要涉及以下领域(见表1):(1)岩石地质学科,包括矿物学、岩浆岩石学、沉积岩石学、变质岩石学、地层学以及地球化学等,主要研究各类岩石的物质组成和结构,及其成岩和早期演化的地质作用。(2)地质构造学科,包括大地构造学、构造物理学、地质力学、地球动力学、构造地质学等,以及地球物理学,主要研究构造形变、褶皱断裂、岩石变形、构造应力等,从而论述地壳运动和区域构造演化。(3)地质动力学科,主要研究内生动力作用和外生动力作用。内生动力作用是由地球内能驱动的地质作用,如地震、火山、地热等。外生动力作用的研究也可称地圈动力学,主要研究地球浅表层岩石圈和大气圈、水圈、生物圈的相互作用、动力过程及岩土运动和浅表层地质演化,包括崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、地面塌陷、地面裂缝,以及地下水渗流、岩土潜蚀、土地浸没、土地侵蚀、沉积、堆积作用、土地沙化、盐碱化和岩溶化、岩石风化、卸荷作用等。(4)历史地质学科,是以某些地质时代为主的综合地质研究,如前寒武纪地质学,中、新生代地质学,第四纪地质学等,尤其是第四纪地质学同岩石表生演化及工程地质环境研究的关系最为密切。(5)工程地质学科,主要包括工程地质学、水文地质学和环境地质学等。它们的研究对象相同,应用目的一致,但在研究手段上有所异同,在学科方向上各有侧重。它们同岩石力学虽然学科属性有所差异,但互补性强,其发展过程就是学科交叉、渗透和合作的历程。工程地质学是一门应用性强的地质学科,主要研究工程建设的地质条件和问题及其治理。它重点研究工程地质作用,即人类工程活动和地质环境的相互作用和制约。工程地质学的主要学科领域有工程岩土学(土质学)、工程地质力学、地质动力学、工程水文地质学、工程环境地质学、地质灾害学、资源工程地质学、城市地质学、专门工程地质学、区域工程地质学以及地质工程学等。工程地质学由于广阔的应用性导致其学科的综合性,几乎得到地质学中所有学科领域的支持,其中有一部分同时也是岩石力学的支持学科,或者是岩石力学工作中有时可能涉及到的领域。所以在本文写作中只能就岩石力学研究的若干关键性地质问题进行探讨,讨论其岩石力学意义及研究方向,势必与工程地质学的覆盖面有一定的重叠。2.2基于岩相学科知识融合的方法岩石力学家大多认识到地质学是岩石力学的重要基础学科,在岩石力学的本构建模及岩石工程分析计算中试图尽可能地考虑岩石特性及地质条件,但是地质科学涵盖着大量分支学科,从何入手仍是很大的问题。地质学家也很热心于为岩石工程建设做出自己的贡献,然而难于确定适当的切入点和深入的方向。显然,构建一条地质学和岩石力学间相互沟通的知识通道是必要的。事实上,岩石力学及土力学同地质学的结合从一开始就被认为是学科发展的要点之一。Terzaghi和Müller教授皆为后人做出了楷模。进入21世纪以来,国际岩石力学学会、土力学与岩土工程学会及工程地质与环境学会合作构建了国际地质岩土工程学会联合会(FederationofInternationalGeo-engineeringSocieties,FIGS)。联合会约定的分工如下:工程地质做出地质建模,岩土力学进行计算分析,岩土工程开展设计和施工(见图2(a))。这一方案思路简洁可行,但要融合成为整体尚有很大空间,需做大量工作。作者在FIGS的三角关系图上添加了一些合作的环节(见图2(b))。岩石工程分析计算所需参数的确定和选择应由地质研究圈划出相对均一单元体,而后根据岩石力学本构关系的要求,通过试验和分析得出结果。岩石工程的设计应同地质调查结合开展勘探和测试工作,并同岩土力学分析结合开展试验和模拟研究,以提高岩石工程设计的可靠性。工程地质学家、岩石力学学家需同设计、施工工程师密切结合,通过多元知识的综合集成方可设计和建成高质量的岩石工程。多学科的合作归根到底是学科之间知识的交互和融合,因此必须建立一条知识通道。地质学和岩石力学之间的通道应从两头开通。在通道中间应有知识转化的接口,将通道联成整体。中间接口的意义在于取得双方的共识,以达到学科知识交融的目的。从地质科学来看,最基本的问题在于岩石力学研究中应该如何看待岩石。作为岩石力学研究对象和岩石工程所处的介质,岩石应区别于其他人工材料,那么它的特殊性何在,这就需要追究岩石的本质性,而从地质学趋向岩石力学的知识通道也就从此处进口。图3是学科知识沟通的内涵。所谓本质性指物体的内在的固有特性,它在本质上制约着物体的其他有关表现和行为。岩石是一种地质体,它的本质性来源于其地质成因和演化,同其他人工材料有着本质的区别,可称为地质本质性。作为岩石力学研究对象而言,岩石地质本质性包含其物质性、结构性、赋存性以及演化时态性。工程地质学家重点研究工程岩体长期地质演化所形成的物质组成,即其物质性;长期应力历史中形成的结构特性,即其结构性;长期同周围地质环境的有机联系,即赋存性。在这些研究中,贯穿始终的是地质作用和演化过程,而且从其演化趋势来预测未来的工程地质作用和岩体的工程行为。岩石地质本质性的研究必将导致岩石物理本属性的揭示,以及其成因和展布规律。岩石物理本属性指物理特性的整体展布和格局,如不均一性、各向异性、不连续性及其时态性。这些本属性也必然具有很强的时态性,随着时间和条件的变化而改变。地质学家对岩石地质本质性有了深入掌握后,方可认识其物理本属性。在此基础上,地质学家将可进一步理解岩石的变形破坏机制及其力学本构性。岩石力学家只有进一步认识这些实质性因素,才可考虑它们的作用,建立更加符合实际的岩石力学模型和科学合理的本构关系。而地质学家在理解岩石本构性的基础上又可返回到岩石本质性的深入研究中,以期同岩石力学进一步结合。3岩石成因发展的地质作用3.1关于大石山组岩浆岩和沉积岩的组成要素地球上岩土是地壳物质,是地球演化的产物。某阶段的岩土物质可成为下阶段物质演化的起点。一阶段的稳态演变可经历漫长的地质时代,矿物组分逐渐变化。由一阶段物质转化为另种组分也常有很长的过渡期,形成过渡型矿物组分和不同的物态。对岩石的考察地质学家可追溯它的由来,然而更重要的是推测它的未来。以今推古到以古及今,再去以今推后,这是地质分析的重要原理之一。从三大类岩石的全球旋回来看,岩浆岩是由幔源物质构成的,属原生岩类。而沉积岩则是已有岩石经破碎后再度堆积和胶结而成的,是典型的次生岩类。岩浆岩和沉积岩在进入高温、高压条件下形成变质岩类,也属次生岩类。但值得注意的是,作为次生岩类的沉积岩类又成为变质岩类的源岩。已形成的沉积岩类和变质岩类可再次以源岩组分进入新的沉积岩中。而已经形成的各类岩石在强烈的地壳运动中可能进入地壳深部,与岩浆产生混熔,形成新的岩浆源。岩石旋回的驱动力为地壳运动同地表物质运动的耦合作用,它表现为地壳隆升或仰冲,使岩浆上涌,产生岩浆岩,同时造成表层岩石剥蚀和运移的条件,形成沉积岩;而地壳的下沉或俯冲则可使地球表层被岩石卷入地壳深部,产生变质岩,甚至进入上地幔岩浆源区,进入浆源中。如此旋回不已,通过各类地质作用形成复杂而多样的岩石,造成岩石的多样性。3.2地壳岩浆活动及岩石学特征岩石成岩作用和早期演化决定着岩石的物质组成和结构,也是奠定地壳物质基础的主要地质作用(见表2)。它包含了多种地质作用,并构成地壳演化的基本过程。成岩地质作用可分为三大类:岩浆活动、沉积作用和变质作用,相应形成三大岩类(见表2)。岩浆活动是地壳岩石的初始物质源泉,所形成的岩浆岩为原始岩类。岩浆从浆源流进地壳岩层后逐渐冷凝的过程为岩浆侵入活动,结果形成侵入岩浆岩。它的矿物组成取决于岩浆的主成分,如酸性岩、基性岩、碱性岩等,但通过岩浆分异及岩浆与围岩相互作用可形成多种岩性的岩石。后期岩浆活动退化过程中可能再做小规模的侵入活动,形成小岩体或岩脉。岩浆从浆源流经地壳岩层后达到地面,便出现火山活动,产生溢流或喷发,并相应形成火山岩系。溢流岩同喷发岩有时相互交替,形成复杂的岩组。溢流岩的成分主要取决于相应的岩浆,如酸性流纹岩、基性玄武岩等。喷发岩则常同地表沉积物混杂,形成火山沉积岩系。地球表层在陆地高处受大气、水和生物圈的作用,发生岩石的剥蚀,包括各类侵蚀作用,如风蚀、浪蚀、喀斯特化、潜蚀等。从母岩剥离出来的岩石在重力、水力、风力作用下搬运到异地堆积或水域中沉积下来,完成成土过程后,通过漫长的固结和胶结作用才形成沉积岩类,包括碎屑和化学沉积岩等。在地壳深处具有一定的高温、高压条件下,已形成的岩石受到岩石变质作用,产生结构和矿物组成的根本改变,形成不同变质程度的变质岩类。3.3在构造应力场中实行岩石风化作用岩石在形成后又经过长期的地质演化才构成现今在地壳表层所见的岩石(见表2)。岩石后期演化的地质作用主要可归纳为构造形变、蚀变和风化三大类,其作用主要是造成岩石结构和组成的改变,或称改造。在构造应力场中岩石产生构造形变,主要是结构的变化,同时也有矿物组成的改变,包括生成构造应力矿物,形成构造岩,包括断层岩等。岩石蚀变作用是岩石形成后在地壳一定深处受到深部流体,尤其是水热作用而产生的矿物组成的改变。岩石风化作用是岩石在地表条件下产生变异的一系列地质作用,包括应力卸荷、物理风化、化学风化和生物风化等作用。化学风化作用,如水解作用、淋滤作用等,强烈地改变岩石的矿物组成。3.4岩石力学特性岩石的全球旋回和漫长的成岩和演化历史表明,岩石是地质历史产物,它具有多样性,种类繁多,并形成不均一性。岩石的非稳定时态性非常突出,大多处于演化的某种阶段,演化进展程度不一,属于过渡性产物。即使是同一种岩石,其所具有的组成、结构和物性也不尽相同,所包含的各种物理参数和力学性能差异很大。因此,要想对岩石的力学特性及其在工程条件下的表现有比较深入的认识和理解,光靠少数力学参数是不够的,而需要掌握其全息信息,尤其是矿物组成和结构。岩石全息性能参数及对岩石成岩和演化程度信息的掌握是岩石工程和力学研究以及评价的基础。4岩石力学传统物体的本质性指其自身物性和结构所生成的内在本性。岩石力学家常说岩石是一种特殊材料。地质学家认为岩石与其他材料相比,其特殊性可归结于其地质本质性。由于其赋存性及长期的演化过程,岩石也具有演化性。4.1岩石的物质性岩石是矿物的结合体,矿物是岩石的“细胞”。岩石的物质性主要取决于在成岩和演化过程中形成的某种矿物组合。4.1.1岩浆岩的矿物组成岩浆岩是原始岩类,岩浆的成分决定着岩浆岩的物质组分。同时,由于沉积岩和变质岩皆属于次生岩类,故岩浆岩也代表了地壳岩石的基本物质组成,主要造岩矿物有石英、长石和云母、角闪石等暗色矿物等。上述造岩矿物的力学硬度及强度有很大差异。石英强度最高;长石含有解理,故强度次之;而暗色矿物呈鳞片状或针状,刚度小、强度低。矿物力学特性的差异直接影响着岩石的力学性能及其不均一性。典型的岩浆岩如花岗岩,常含有较多的石英和长石,各占40%~50%,而暗色矿物仅占10%~20%。但是,不同岩类的矿物比例不同,且含有某些特殊矿物,从而呈现出岩石的多样性。沉积岩属于次生岩类,它的矿物组成反映了原岩的次生变化及在沉积之前在地面和水域所产生的变化。除典型的造岩矿物外,还含有大量的黏土、次生蚀变矿物、盐类等。化学沉积岩则主要为碳酸盐或其他盐类组成。变质岩也属于次生岩类,浅变质岩基本上保留原岩的组成。原岩在高温高压作用下可能产生熔融和再结晶,形成深变质岩,如花岗片麻岩,其矿物组成则又类似于岩浆岩。在岩石组构中,矿物晶体或原岩颗粒之间由基质充填。在结晶岩中它们的物质组成同颗粒相近似,但一般以隐晶或非晶质物态出现。在沉积岩中,充填物分为泥质、钙质和硅质,其中泥质最软弱,硅质最强,但钙质和硅质均属于坚硬充填物。如上所述,岩石成岩后即具有力学强度的差异,其中软弱组分起着降低岩石强度的作用,而且其增大了岩石的环境敏感性,在后期演化过程中易于变异。4.1.2地壳表浅部储岩岩石风化岩石在后期演化过程中,既有坚硬组分向软弱物质的转化,也有软弱组分向坚硬物质的转化,表现为原生矿物向次生矿物的转化。从岩石的工程力学性能来看,岩石软化则是重点考察的对象。岩石弱化的后期演化主要为蚀变和风化过程,表现为成岩矿物向黏土矿物的转化,岩石成岩后在地壳深部即可发生岩浆剩余液蚀变,后来到地壳表浅部可发生水热蚀变。蚀变主要为原有的暗色矿物和长石类矿物向更软弱矿物及黏土类矿物转化,产生绿泥石等软弱矿物。对岩石力学特性影响最严重的为高岭石化和蒙脱石化。岩石蚀变一般沿断裂发生,具有局部性特征,但可极大地降低岩石的力学特性,增大其亲水性,使其水理特性恶化。岩石风化是在地壳表层或地面发生的。在大气、水和生物的作用下,岩石中矿物组成出现巨大的变异,形成风化壳。其全风化层成为土状物,强风化层也大部分由风化土组成。风化壳中各层岩石有不同程度风化,物理、水理和力学特性也在不同程度上恶化。图4为岩石风化过程中矿物组分的变化路径(KT和SKM均为风化花岗岩岩样,箭头表示风化岩矿物变异过程)。由石英、长石和少量暗色矿物构成的原岩在风化过程中大部分暗色矿物变成黏土如高岭土等,而长石则不同程度地风化为黏土,石英最为稳定,基本上不受影响。4.1.3岩石力学及工程研究的基本问题岩石物质性主要为矿物组成及其变异。虽然造岩矿物占主要地位,但从岩石力学及工程研究来看,应着重于软弱组分的研究,尤其是黏土化的确定,而最重要的是高岭石化和蒙脱石化的测定。岩石黏土化的结果并不限于力学参数的降低,也可能影响其均一性,甚至是力学本构模型的改变。4.2岩石结构4.2.1岩浆岩中生节理的生长和发育岩石结构性在这里包括不同尺度结构体的形态和排列,以及它们之间的连接特征。岩石结构性综合体现着对岩石力学特性的影响。岩石结构随着成岩而形成,并在后期的构造作用和次生演化中强化和确立(见表3)。岩石中发育胶结和断结两种方式,在成岩后一般具有结晶和胶结结合。但是出现在晶体内的解理、微裂纹,以及晶体之间、晶体与基质之间或颗粒与胶结物质间的微裂隙,构成岩石中的原生损伤。在成岩过程中也同期形成宏观裂隙,常称原生节理。沉积岩在排水固结过程中产生一或两组垂直节理,其走向与沉积盆地和边界地壳活动有关。沉积原生节理受岩层厚度控制,而节理密度则随岩层厚度的减小而增大。岩浆岩中原生节理与其流动方向有关,如在花岗岩中一般发育两组陡立、一组平缓节理。火山岩在快速冷凝过程中常产生冷凝节理,典型的为玄武岩中的柱状节理。4.2.2错误岩石在构造变形过程中产生大量断裂,成为构造结构面,形成岩石断裂结构系统,是岩石结构性的基础。岩石断裂结构有以下重要特点:(1)断裂分级和尺度分级受构造应力场展布和应力梯度的影响,在一定规模的岩石地块中常发育不同延展长度和不同切割深度的断裂,而且具有尺度分级性。断裂分级有助于岩石工程的多尺度研究。规模长大的断层由于大错动变形,形成断层岩,改变了原岩的物质组成和状态,出现鳞片状、粉粒状结构和黏土物质,增强了岩石的物质变异。(2)不同组的破裂力学机制在一定的构造应力场条件下,断裂往往是多组同时出现,不同组的断裂具有不同的破裂力学机制。块状结晶岩类断裂的发展主要受构造应力水平控制,而层状沉积岩类断裂的发育除与应力场有关外,还受到岩层褶皱变形的制约。(3)断裂的再活动地壳构造运动是分期进行的,同一地块往往经受多期构造运动。后期构造运动一般使原有的断裂再活动,有时也产生新的断裂。断裂的再活动引起其在不同方向上的运动,从而改变断裂的特性。构造断裂的配套组合在整体上决定着岩石的不连续结构特征。4.2.3因合作用的岩石构造环境岩石在次生演化中的松弛和软化是主要作用,但同时也产生次生裂隙。岩石中晶体或颗粒由于基质或胶结物蚀变或风化而脱开连接,形成散离结构,并在温度和应力作用下产生裂隙。此外,受应力释放的影响,原有结构面张开,并诱发新的裂隙,造成岩石的碎裂化。岩石蚀变和风化皆从原有断裂开始,所以蚀变和风化首先造成断裂面岩石的蜕化,产生黏土物质或泥质物充填。岩石蚀变和风化可造成在强作用带内岩石的成土化,同时在相当大范围内发生岩石结构的蜕化、物理–水理性能的恶化及力学强度的大幅度降低。4.2.4构造运动的进一步加载构造断裂配套指在同一期构造运动所产生的地壳应力场中断裂的发育过程,以及不同力学类型和展布的断裂的成套组合。以结晶岩为代表的浑厚块状岩体在构造应力加载初期往往产生两组陡立的交叉断裂,称为平面X–断裂,其中一组为左旋断裂,另一组为右旋断裂。X–断裂的锐角所对为最大构造主压应力方向。在高温高压条件下X–断裂可加宽到正交,沿X–断裂可扩展为走向平移断层,有时伴有羽状断裂(见图5)。在进一步水平加载条件下,地块向上抬升,垂直应力转化为最小主应力,遂产生平缓断裂,可扩展为逆断层(中倾角)或逆掩断层(低倾角)。断层面上擦痕平行构造最大主应力方向,其仰冲方向为构造运动的指向。由于这种平缓断裂可有不同的倾向,形成在剖面上的交叉,故称侧面X–断裂。构造运动的进一步加载可造成平行最大主应力方向的陡倾角张性断裂,有时可扩展为横断层。在很多情况下沿锐角相交的平面X–断裂产生追踪张断裂,其延展方向与横张断裂方向相同。以沉积岩类为代表的层状岩体在构造应力加载初期同样产生两组陡立的交叉断裂,即平面X–断裂,其展布与结晶岩岩体中断裂相同。在构造加载初期,地层物质仍保留部分塑性性能,平面X–断裂可加宽到正交。这种平面X–断裂往往沿原生节理发育(见图6)。在进一步水平加载条件下,地层开始褶皱变形,其产状变化的结果是使原有断裂的产状也随之变化。图7为初期的平面X–断裂在岩层由水平变为陡立过程中的变化及其代表产状的极点移动轨迹(箭头表示变化轨迹)。当构造荷载使岩层向上拱起或向下弯曲时,垂直应力转化为最小主应力,遂产生平缓断裂,可扩展为逆断层(中倾角)或逆掩断层(低倾角)。由于层面和软弱夹层的抗剪强度低,常产生层面错动,因而侧面X–断裂受到制约。有时断裂延展与层间错动面相通或反之。当岩层褶皱变形进一步发展达到陡倾时,岩层发生横向拉张,形成横张断裂。由于岩层产状的变化,早期的平面X–断裂呈现与岩层走向垂直、倾向两侧的产状。故横张断裂也可迁就它发育,但断裂的力学机制却由平移转为拉张,同时,产生新的侧面X–断裂,使断裂组数增加。综上所述,一期构造运动在结晶岩体中形成的断裂包括平面X–断裂、侧面X–断裂和横张断裂。在一般情况下,构造断裂可沿原有的原生节理错动和扩展。在层状岩体中,断裂构造的发育过程与在结晶岩中相似,但由于层状岩体的褶皱变形,早期产生的断裂随褶皱过程的发展而改变产状,形成追踪断裂,同时,晚期可多次生成新的侧面X–断裂,使断裂构造格局更加复杂。4.2.5构造配套组合分析难度地壳的构造运动往往是多期的,后期的构造运动方向有所改变。由于前期构造断裂的配套格局已经形成,后期的断裂一般只迁就原有断裂,加以扩展。但因应力场的主方向改变,断裂面的错动方向与原断裂的错动方向不同,应按新应力场条件活动,从而改变其力学类型(见图8,其中图8(a)~(e)所示为构造主压应力方向逐次改变时断裂力学属性的变化)。再次断裂活动会使断裂延展,恶化断裂的性状,也会形成更多断层。如若前期断裂活动轻微,则后期除部分迁就原断裂外,仍然可产生新断裂。由于多期构造运动形成的断裂格局甚为复杂,进行构造配套组合分析难度很大。多期构造分析的基本点在于确定“构造线”,即与构造运动主压力方向相垂直的压性结构面,如逆掩断层、区域性紧逼褶皱轴面、区域性片理或片麻理面等。在一个地区出现多种产状不同的“构造线”标志时,表明岩体受多期强烈的构造作用。在多期构造作用条件下,断裂面上会出现不同的错动迹象,如擦痕方向、次级羽状裂隙的排列、岩层的错断方位、断层透镜体的排列、劈理的排列和方向等。图9所示为金川露天矿岩体构造断裂配套组合分析。第一期构造运动的主压力为P1,其地质证据为F1逆掩断层。它是构造线标志,其走向为NNW向,与区域强烈褶皱的前震旦纪变质岩系的走向平行。第二期构造运动主压力P2的证据为F8逆冲断层,它的走向为EW向,横切前震旦纪变质岩系,并将第四纪松散层仰冲到基岩上。在上述构造作用下,各断裂面表现出多次运动的形迹。由于第一次构造应力产生了平面X–断裂,如f1~f5等左旋断层及f6右旋断层,未产生重要的横张断层。同逆掩断层F1走向相平行的侧面X–断裂,如F3,F5,F16等,多数倾向为NE,同F1断层倾向一致。第二期构造运动产生了f7~f9等左旋断裂及f11~f14等右旋断裂。同时在第一期构造运动中形成的F3,F5等逆断层受近SN向的构造压力P2的作用,发生右旋错动,表现为水平向擦痕。断层f10为第二期构造运动中产生的横张断裂,它可能是追踪原来的右旋小断裂发展而成的。4.3岩石赋存性与环境岩石是在地质环境中生成、演化而形成的,并且作为工程岩体现今仍赋存于地质环境中,受到地球表层圈相互作用的影响。因此,赋存性是岩石区别于其他人工材料的重要特征。岩石赋存性指其与周围地质环境关系的密切程度,也即其同周围地质环境相互作用的敏感性。岩石的赋存性取决于其自身特性,物质松软及结构破碎岩石比较脆弱,对同等环境因素的作用敏感性强,在应力、水压和温度变化的条件下,其状态和性能常表现为恶化。岩石的赋存状态既取决于岩石本身的地质环境敏感性,也取决于环境因素的强度。赋存环境的稳定性与环境因素强度有关。但岩体环境敏感性可制约赋存环境的实际影响。高地应力环境、地下水活跃循环带以及强烈地质动力作用带是对岩石不利的赋存环境。4.3.1岩石开挖稳定性的应然方式地应力包含现今自重应力及岩石形成及演化过程中产生的应力残余值,尤其是构造残余应力。残余应力是原岩应力未能充分释放的表现,其原因有二:一是应力边界解除不充分,二是岩石流变所引起的时效性。岩石中存在不可释放的应力,称为封存应力或冻结应力,或者定义为内应力,即岩石中在边界充分解除很长时间后仍然能够保存的应力。高地应力条件下岩石在自然埋藏中挤压紧密,岩石结构效应淡化,其物理力学性能强于低应力条件下的岩石。当岩石从高地应力向低地应力状态转化时,聚集的应变能释放,伴随着体积膨胀,结构松弛,结构效应显化,同时,物理力学性能下降,甚至比长期为低地应力条件下的岩石更差。一般来说,应力释放可导致岩石中偏应力增加,引起破裂或错动。严重的单轴化应力释放可形成高应力梯度,引发硬岩的岩爆或软岩的塑性流动。但岩石在应力释放过程中的表现复杂,同原三维地应力状态及释放方式有关,即同岩石的卸载应力路径有关。关于地应力高低的相对定义,可取岩石单轴抗压强度作为参照量(见表4),则地应力系数可用应力强度比表示:式中:σd为岩石地应力,σc为岩石单轴抗压强度。此定义可作为岩石开挖稳定性的初步判据。另一种定义的参照量为上覆岩石压力,称为构造残余应力比。设由上覆岩层所引起的水平应力为则构造残余应力比可定义为式中:γc为岩石容重,µ为岩石泊松比,h为上覆岩层厚度,σdh为地应力水平分量。在测得地应力水平最大主应力分量后,可以评价构造残余应力的大小:式中:σg为构造残余应力。表4列出了对岩石地应力环境的评价标准。4.3.2地下水渗流作用下的岩石物质地下水是岩石和周围地质环境进行物质和能量交互作用的主要介质,同时也是直接影响岩石物质状态和应力状态的重要因素。在地下水作用下,岩石物质的亲水性得以表现,发生软化。随渗透压力的增加,岩石有效应力降低,甚至造成岩石的破坏和失稳。地下水一般按流域分布,包括补给区、径流区和排泄区。在不同地区,地下水循环活动性不同,对岩石的影响也不同。位于饱和区和非饱和区的岩石形状不同,在进一步地下水动态变化时可能产生急剧的变化,在地下水环境评价中应予注意。表5列出了岩石赋存的地下水环境。4.3.3岩石动力环境地质动力环境指岩石所处周围内外地质动力作用的活动性。岩石在活跃的地质环境中受到周围地质动力作用的影响,易于进一步恶化,相反,在平缓环境中岩石的工程性能则比较稳定。在地球内动力作用下,地质动力环境表现为断层的活动性及地震活动性,而其综合效应可由地震烈度来表征(见表6)。岩石所处的地质动力环境可划分为5级。在地球外动力或内外动力耦合作用下,地质动力环境表现为脆弱地质环境和地质灾害的发育状况及活跃程度(见表7)。5岩石地质性质的物理和力学解释5.1岩石本属性为地质组构的可行性探索岩石本质性揭示了岩石的物理、力学特性和工程性状的缘由,它的研究和界定无疑将为岩石力学与岩石工程提供重要的基础。岩石物理本属性可能是由地质本质性向岩石力学本构性延展的一座桥梁。同时,岩石物理本属性本身也正是岩石力学本构建模所必须考虑的基本因素和制约条件。从岩石的本质性出发,地质学家可望在岩石物理本属性的地质组构方面进行深入的探索。针对岩石力学分析的目标,可将不均一性、各向异性和不连续性作为物理本属性的基本特征来讨论,此类特征也是建立岩石物理模型的制约条件。5.1.1岩石强化过程岩石在长期的成岩和演化过程中,由于其物质和结构不断分异,形成多样性,这是产生不均一性的根由。从岩石力学意义来看,重要的过程是从初始物质组成中产生软弱组分或原有组分的软化,产生削弱原有结构的不连续面,使岩石逐渐弱化。当然在一定条件下也可能发生岩石强化过程,不过岩石弱化对岩石力学的应用有更重要的意义。岩石的弱化或强化过程就是其不均一化的过程。岩石强烈弱化过程的地质本质则是岩石成土化过程。岩石不均一性可由岩石不均一系数来表征,它表示岩石中强弱不同组分的反差程度,例如软弱结构面抗剪强度与硬性结构面抗剪强度比、软弱(破碎)岩组分与坚硬(完整)岩组分抗压强度比等(见表8)。不均一岩石强度不仅取决于不同强度组分的加权平均值,而且受不均一应力场的制约,后者又主要受制于不同组分的弹性模量比值。5.1.2各向异性系数由于岩石中各种组分的排列具有方向性,因此出现各向异性。岩石的各向异性可用最弱方向的物理力学参数与最强方向的参数比来表征,称各向异性系数(γ)。参数优劣差距不同,所产生的各向异性系数也有所不同。各向异性系数γ接近1.0时,表明各向异性很弱,而小于0.3时则为强或极强各向异性。软硬相间的物质组分,如互层状砂岩、页岩,以及软岩片状颗粒,如页岩、片岩,做定向排列可形成强各向异性岩石;成组性结构面可形成复杂的各向异性结构。5.1.3裂面为柔软结构面时的岩石缺陷岩石在成岩和地质演化过程中形成了各类结构面,包括物质界面和裂面,它们的组合构成物理的不连续性,影响物理场分布的连续性。物质界面,如层理、片麻理等,胶结密合,影响很小,而层面等同是物质界面,但可脱开形成裂面,对物理的不连续性的影响显著增大。由构造断裂为主组成的裂面基本上决定着岩石的不连续性。断层等受裂面两侧的剪切作用发生错动,物质搓碎,裂隙发育成为大型软弱面。层间错动面也属此类。岩石蚀变、风化作用常沿裂面发育,形成软弱结构面,有时初始的黏土质软弱结构面受构造错动影响进一步弱化,后期在地下水作用下产生泥化结构面。岩石不连续性的相反面则是其完整性(见表9)。岩石中裂面发育,延伸长、密度高则不连续性强;若裂面延伸长,尤其是发育软弱结构面时,可贯穿岩石的一定研究范围,可认为其不连续性甚高。同时,若短小裂面发育,密度高、组数多,也可构成高不连续性。同等不连续性的岩石,由于组成的裂面性质不同,其总体特性仍有所不同。岩石不连续性通常以连通率或完整性系数来表征。连通率是指岩石沿某特定方向,在一定长度上裂面可贯通的长度与总长度之比。由于裂面不太可能严格地沿某一直线延伸,故应考虑在剪应力作用下,在一定宽度内裂面可能扩展而与邻近的裂面相连,导致全长的贯通。连通率可用下式表达:式中:li为裂面长度,ldj为裂面重叠长度,L为总长度。按经验取值,一般对硬岩λ值可取该组裂面平均间距的1/2~1/3,而对软岩可取1~1/2。岩石完整性系数常用现场岩石与新鲜完整原岩的声波纵波速度比(Vm/Vp)的平方来表征。在物理意义上这是现场岩石与原岩的动弹性性能比。动弹性模量与工程岩石的变形模量相比未能包含残余变形,静态变形模量Es与岩石波速比(Vm/Vp)及岩石动弹性模量Ed有如下经验关系:5.2变形破坏的岩体模型对岩石本构性有两种不同的观点:一为连续力学观点;二是不连续力学观点。从使用的目的出发,常采取一种复合的观点,即断续性观点。其实断续力学不仅适用,而且也比较符合实际的地质本质和物理本属。问题在于普适性的理论分析和方法尚研究得不够,有待进一步发展。本文无意评论各种岩石力学关于其本构模型的研究,但就岩石的地质本质性而言,岩石的物质结构是复杂的,应该采用多元耦合力学模型来表征它。事实上,许多现有的岩石力学本构模型也试图在一种模型基础上纳入另一种模型要素,以求更符合实际。岩石,即使是小尺度的手标本,也是不均一的,含有脆性强的结晶或岩质颗粒、相对软弱的暗色矿物、胶结物,在有局部蚀变或风化的条件下还可能含有更软弱的高岭石、蒙脱石等黏土矿物。同时,岩石中矿物结晶解理、晶粒或岩质团粒间接触面、微裂隙等裂面发育。这些物质结构要素在应力、应变发展过程中首先表现为应力的不均一分布,即使外荷载为三向压力的情况下仍可产生偏应力和拉应力。当外荷载为三轴不等压时,岩石内局部偏应力和拉应力则会更大。外荷载一定程度的升高最终导致岩石中某些物质组分的屈服或/及某些裂面的张开或滑移,这时整体弹性变形结束。在进一步加载时,应变率随荷载的增加而加速增长,其实质性则更复杂。物质组分的屈服以裂面的张开或滑移为主,或两者兼而有之,而以何者为先,相互有无作用等不同的变形过程对应力、应变曲线的趋向将有重要影响。岩石达到破坏时的状态自然更为复杂。以不连续性变形为主的块裂或块体运动呈现脆性特征,而以连续性变形为主的屈服或物质颗粒滑移或流动则呈现塑性特征。应力、应变在峰值时的状态又决定着峰后的变形特征,呈现应变软化或应变硬化现象。图10为风化花岗岩不同场址岩样的三轴应力–应变试验曲线。KT岩样显示出应变软化特性,而SKM岩样显示出应变硬化特性。这两种岩样属同一类花岗岩的风化物,但SKM的长石风化较严重,高岭土含量较KT岩样高15%~20%(见图4)。尺度较大的原位试验块体则更为复杂。它可能含有性能相差很大的结构体,及不同级别、不同特性的结构面,因而,它的变形破坏过程是复杂的,无法应用单式本构模型来表述。单一的本构模型不论是不连续性或连续性的都是有用的,但只是极端情况,或者是极大的简化。作为普适的情况则需要两者的结合,而由于两者在同一系统中有着相互作用和影响,因而可能不是叠加,而应是一种非线性耦合。图11为残余结构甚强的风化花岗岩在三轴压力作用下的变形曲线及X–射线的CT影像(其中CT00与CT0接近,未列出其CT影像)。在加载初期,岩样中出现较均匀的损伤(CT0,CT1)和屈服;而加载到接近峰值时,沿结构面的破坏便突现出来(CT2),峰值破坏(CT3)及峰后变形完全显示为块体碎裂化的特征(CT4,CT5)。整个岩样的变形破坏表现为连续变形、沿残余结构面错动和块体碎裂化交织耦合的变形过程。5.3结构面的空间展布构建概念性结构模型的目的是从为数较多的地质描述中获取主要结构特征的概化表述,以便于理解其本质特性,进行力学分析。结构模型的构建主要考虑结构面和结构体的集合和联结。结构面分为硬性结构面和软弱结构面,也可分为定位结构面和随机结构面。结构体分为硬性结构体、软弱结构体和破碎结构体。软弱结构面的空间展布在结构模型的构建中起主导作用;其次为软弱结构体和破碎结构体的展布。软弱结构面的空间展布方式有二:一是条带状;二是交叉条带状。软弱结构体和破碎结构体的展布也有两种形式:一是伴随软弱结构面呈条带或交叉条带分布;二是作基质状分布于软弱面之间。硬性结构面一般定向、成组遍布,但具有一定的随机性,相对坚硬的岩石结构体则呈基质状展布于软弱带及破碎带之间。图12为不同岩石物质结构的代表性概念模型。5.4岩体物质结构类型如上所述,岩石现今的物质结构是极为复杂的,其多样性和不均一性造成岩石之间的极大差异。但是从它们的成因和演化的总体路线上看是可以分类的,同一类型岩石应具有本质的共同性,因而分类评价和分析成为基本的科学方法。综合考虑岩石的成岩、演化过程,以及形成的主要物质组成和结构,结合其基本的工程特性,可以将工程岩体划分为三大类:(1)节理状岩体;(2)层状岩体;(3)碎裂岩体。节理状岩体(jointedrockmass)是以结晶岩类为主的岩石,具有结晶连接,由造岩矿物组成,较少软弱片状矿物,很少黏土物质。原生裂隙在原有基础上进一步发展,并受轻微或一般水平构造作用,产生节理裂隙、小型错动面或断层,通常为场地的3,4级结构面;贯穿场地的1,2级断裂或软弱结构面稀少。次生和浅表层演化微弱。具有裂隙地下水,很少承压水。这类岩体具有1~3类工程分级质量。层状岩体(laminatedrockmass)是以层状沉积岩类为主的岩石,具有胶结连接,由岩质颗粒组成,泥质胶结物中富含黏土物质。硬岩与软岩层常形成互层或夹层结构。软弱层状岩体主要由薄层软岩构成,黏土物质成层分布。曾在构造作用下产生褶皱,以及在原生裂隙的基础上进一步发展,并产生构造裂隙和断裂,通常为场地的3,4级结构面。贯穿场地的1,2级断裂或软弱结构面稀少。后期次生和浅表层演化微弱。具有裂隙或脉状地下水,有时遇承压水层。这类岩体一般为2~3类工程分级质量,差的可降为4类。碎裂岩体(cataclasticrockmass)是原生块状或层状岩体受到强烈的构造作用或/及强烈的次生和浅表演化作用,产生强烈的变形和碎裂化,岩石松弛,裂隙张开,伴随矿