第一章岩体的结构特征ppt课件.ppt

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(Structural Plane、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(Rock block)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（intact rock,structural element）。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 0 1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(k f )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50010000.20.4-强风化100020000.40.650000.91.00.91.01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1 5 1 50。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0.400.60，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0.52mm的细碎屑约为30，大于2mm的粗碎屑含量约为3050，粘粒占1030。（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：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70100m)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 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。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。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、倾向和倾角表示。结构面产状与斜坡（边坡）、地下洞室等的方位关系，决定着其是否存在不稳定条件，决定着岩块和岩体的变形、破坏机理。1.产状（orientation）结构面产状对岩块变形、破坏机理的影响含一条结构面的岩块的破坏情况：沿结构面滑移破坏剪切破坏劈裂拉张破坏结构面产状对岩体变形、破坏机理的影响逆向坡弯曲、倾倒破坏顺向坡潜在的平面滑移破坏结构面产状对岩体变形、破坏机理的影响结构面产状对岩体变形、破坏机理的影响结构面产状对岩体性质的影响单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极限强度与结构面倾角间的关系为：2(C j+3 tg j)(1 tg j ctg)sin 2 1 3=产状的表示方法:玫瑰花图、极点等密度图结构面的连续性反映结构面的贯通程度，通常用线连续性系数、迹长、面连续性系数表示。2.连续性（persistence）结构面特征及其对岩体性质的影响结构面的连续性反映结构面的贯通程度，通常用线连续性系数、迹长、面连续性系数表示。指沿结构面延伸方向，结构面各段长度之和(a)与测线长度的比值。K1 =K1 值在01之间，K1 值愈大，结构面的连续性愈好；当K1 1时，结构面完全贯通。（1）线连续性系数 K12.连续性（persistence）结构面特征及其对岩体性质的影响描述迹长（m）很低连续性20结构面连续性对岩体性质的影响（2）迹长 指岩体结构面在露头上的延伸长度。结构面连续性分级表结构面连续性对岩体性质的影响（3）面连续性系数指沿结构面延伸方向，结构面面积之和与总面积的比值。结构面连续性的工程意义：影响岩体的整体性、渗透性、强度、变形和破坏机理、稳定性。潜在的平面破坏稳定结构面的密度反映结构面发育的密集程度，常用线密度、间距等指标表示。（1）间距（spacing）结构面特征及其对岩体性质的影响3.密度同一组结构面：指产状相同或者相近的结构面。结构面的间距和密度结构面间距指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。构 线密度与结构面 K =1面 间距的关系：s（2）密度（裂隙率）结构面的间距和密度表征结构面发育的密集程度，表示岩体的完整性。1）线密度（线裂隙率或裂隙频率）K s指沿测线方向单位长度上结构面的条数(条m)。AB单 若：测线方向与结构面法线组 方向一致结s单 夹角为，结构面倾角为 ，则n 结构面条数 Kd 某组结构面的线密度Kd =L sin cos sin cos 构a结构面的间距和裂隙率b若：测线水平布置，其与结构面法线（倾向）的LL 一般取2050m组结面多组结构面：采用叠加法100aK =100vK =结构面的间距和密度指单位测量面积中结构面面积所占的百分率。2）面密度（面裂隙率）K a各结构面面积（长度 宽度）之和所测量的岩体面积指单位测量体积中结构面体积所占的百分率。3）体积密度（体积裂隙率）Kv各结构面体积（长度 宽度 厚度）之和所测量的岩体体积结构面的间距和裂隙率结构面密度（间距）的工程意义：控制着岩体的完整性和岩块的块度，是反映岩体的完整程度和岩石块体大小的重要指标。结构面发育愈密集，岩体的完整性愈差，岩块的块度愈小，进而岩体的力学性质差，渗透性增强。岩体完整程度结构面发育程度主要结构面的结合程度主要结构面类型相应结构类型组数平均间距/m完整121.0结合好或结合一般 节理、裂隙、层面整体状或巨厚层状结构较完整 121.0结合差节理、裂隙、层面块状或厚层状结构231.00.4结合好或结合一般块状结构较破碎 231.00.4结合差节理、裂隙、层面、小断层裂隙块状或中厚层状结构30.40.2结合好镶嵌碎裂结构结合一般中、薄层状结构破碎30.40.2结合差各种类型结构面裂隙块状结构0.2结合一般或结合差碎裂状结构极破碎 无序结合很差散体结构岩体完整程度的定性划分（工程岩体分级标准（GB5021894）结构面的间距对岩体性质的影响描述间距（mm）极密集的间距6000结构面的间距和裂隙率结构面间距分级表（ISRM）(七级)指结构面两壁间的垂直距离。如果岩壁间具有粘土或其他充填物，称为充填结构面的宽度。结构面两壁面一般不是紧密接触的，结构面实际接触面积减少，导致结构面粘聚力降低，渗透性增大。结构面特征及其对岩体性质的影响4.张开度描述结构面张开度（mm）备注很紧密紧 密部分张开1.0结合好或结合一般 节理、裂隙、层面整体状或巨厚层状结构较完整 121.0结合差节理、裂隙、层面块状或厚层状结构231.00.4结合好或结合一般块状结构较破碎 231.00.4结合差节理、裂隙、层面、小断层裂隙块状或中厚层状结构30.40.2结合好镶嵌碎裂结构结合一般中、薄层状结构破碎30.40.2结合差各种类型结构面裂隙块状结构0.2结合一般或结合差碎裂状结构极破碎 无序结合很差散体结构岩体完整程度与岩体结构类型的定性划分(工程岩体分级标准）整体状结构层状结构块状结构碎裂结构散体状结构10（三）岩体的工程地质特征（自学）1.岩浆岩体深成岩岩性均一，变化小；岩体呈整体状或块状结构；岩石多为中粗粒结构，颗粒均匀，致密坚硬，孔隙率低；力学性质好；抗风化能力弱，风化带厚度大；常有多期岩脉穿插，岩体完整性遭到破坏。浅成岩岩石多为斑状结构，均一性较差；力学性质较好，抗风化能力强。喷出岩岩石多玻璃质，结构致密；岩石有气孔构造、杏仁构造或流动构造，原生节理较发育；岩体结构复杂，均一性差，若软弱夹层发育，其力学性质变差。岩浆岩与围岩接触带岩体的工程地质特征冷接触带热接触带没有发生变质作用和蚀变现象；少数为沉积接触，一般为断层接触；发育一定厚度的接触破碎带。发生接触变质和蚀变现象；接触部位岩石性质恶化，构成软弱结构面。102.沉积岩体（自学）具有层理构造，岩体呈层状结构；岩石成因、类型、物理力学性质差异大。3.变质岩体（自学）成因较复杂，其物理力学性质差异大。1（四）岩体结 构 控制论高速公路边坡破坏斜坡危岩体崩塌破坏露天矿边坡局部破坏The Vajont reservoir landslide三峡库区赵树岭滑坡物理模拟试验工程实践与试验研究表明：结构面是影响岩体力学性质、变形与破坏特征和岩体稳定性的重要因素；岩体的变形破坏、岩体的力学性质等均受岩体结构控制。岩体结构对工程岩体控制作用主要表现在三方面：即岩体的应力传播特征、岩体的变形与破坏特征及工程岩体的稳定性。矿山地下开采在岩体结构中，软弱结构面是岩体变形破坏的重要控制因素或边界；硬性结构面是划分岩体结构、鉴别岩体力学介质类型的重要依据。倾倒破坏岩体的变形由结构体变形与结构面变形两部分构成，结构面变形起到控制作用。因此，岩体的变形主要决定于结构面发育状况，它不仅控制岩体变形量的大小，而且控制岩体变形性质及变形过程。岩体结构整体状结构碎裂状结构块状结构变形成分主要的 岩块压缩变形结构面滑移变形结构体滑移及压缩变形次要的 微结构面错动结构体及结构面压缩及结构体性状改变结构体压缩及形状改变侧胀系数小于0.5常大于0.5极微小变形系数结构体压缩及形状改变压密沿结构面滑移控制岩体变形的主要因素岩石、岩相特征及级结构面特征开裂的不连续的、级结构面贯通的、级结构面，主要为软弱结构面1完整岩体的变形：受控于组成岩体的岩石变形特征；块状结构岩体变形：主要沿贯通性结构面滑移形成；碎裂状结构岩体变形：由、级结构面滑移及部分岩块变形构成。岩体变形机制整块体结构岩体块状结构岩体碎裂状结构岩体散体状结构岩体张破裂剪破坏流动变形结构体沿结构面滑动结构体张破裂；结构体剪破裂；结构体流动变形；结构体沿结构面滑动；结构体滚动；结构体组合体倾倒；结构体组合体溃屈剪破坏流动变形1岩体的破坏机制也受岩体结构控制。结构控制的主要方面有：岩体破坏难易程度、岩体破坏的规模、岩体破坏的过程及岩体破坏的主要方式等。岩体破坏的力学过程是岩体破坏机制。岩体破坏机制类型充分认识岩体结构的控制作用，将大大提高岩体变形破坏机理与稳定性分析的准确性。1分析岩体结构对岩体稳定性的控制作用，应注意如下几方面：（1）在建立岩体工程地质模型基础上，初步分析岩体结构，对岩体稳定性做出宏观与定性的判断；（2）分析岩体结构中的结构面，确定岩体中的控制性结构面和软弱结构面，及其与工程岩体的关系，可准确确定影响岩体稳定性的边界条件；（3）结构面的组合关系，尤其是软弱结构面的共同作用，控制着岩体变形破坏方式与失稳机制；（4）岩体结构同样控制工程岩体的环境因素。环境因素主要包括地应力与地下水。地应力主要受区域地质构造背景的控制，但对于具体工程，地应力的作用方式与大小仍受到岩体结构的制约。地下水的赋存、补给、排泄完全受控于岩体结构。（5）在岩体结构力学效应中，通过起伏角、尺寸效应和结构面产状，可充分反映岩体结构对岩体稳定性的控制作用。