岩体地质与结构特征.ppt

岩体力学 ROCKMASS MECHANICS,黑龙江科技学院资环学院,采矿工程系,2,第1章 岩体地质与结构特征,1.1 几个基本概念 1.2 岩块及其特征 1.3 结构面特征 1.4 岩体结构特征及结构控制论,3,1.岩石（Rock）矿物、岩屑的集合体。, 1.1 几个基本概念,2.结构面（Structural Plane） 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。,4.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。,3.岩块（Rock block 或 Rock）指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。,4,思考题,1、岩块与岩体有哪些区别？ 2、试比较土与岩有那些异同点？,5,一、岩块的物质组成,1.2 岩块及其特征,岩块 力学性质主要取决于组成岩石的矿物成分及其相对含量,粘土矿物,硅酸盐类矿物,碳酸盐类矿物,氧化物类矿物,组成岩石的矿物,6,二、岩块的结构特征,岩块的结构是指岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。,结晶连结是矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触。,岩石的粒间连结分结晶连结与胶结连结。,胶结连结是矿物颗粒通过胶结物连结在一起。硅质胶结的岩块强度最高；铁质、钙质胶结的次之；泥质胶结的岩块强度最低。,7,二、岩块的结构特征,微结构面 削弱岩石强度，形成各向异性,颗粒形状 强度： 粒状、柱状片状鳞片状,颗粒大小 强度： 粗粒细粒,颗粒大小 强度： 粗粒细粒,颗粒形状 强度： 粒状、柱状片状鳞片状,8,三、岩块的风化程度 岩石=矿物组成和结构改变=岩块的物理力学性质改变,风化,岩块的风化程度可用定性指标和某些定量指标表述 定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程度及开挖锤击技术特征等。 定量指标主要有风化空隙率指标和波速指标等。,9,风化空隙率指标(Iw)是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 纵波波速（cp） 波速比 风化系数,10,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）,11,一、结构面的成因类型,(一)地质成因类型 (二)力学成因类型, 1.3 结构面特征,12,（一）地质成因结构面（Structural plane)类型1,13,（一）地质成因结构面（Structural plane)类型2,14,（一）地质成因结构面（Structural plane)类型3,15,(二)力学成因类型 张性结构面是由拉应力形成的，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。,16,剪性结构面：是剪应力形成的，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。,17,岩体结构面的类型及其特征,18,二、 结构面分级及其特性1,19,二、 结构面分级及其特性2,20,二、 结构面分级及其特性3,21,二、 结构面分级及其特性4,22,二、 结构面分级及其特性5,23,走向、倾向、倾角 结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度。 据单结构面理论，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：,三、 产状,24,四、贯通类型和连续性,1、贯通类型 非贯通性结构面：较短、不能贯通,岩块强度降低、变形增大. 半贯通性结构面：有一定长度、不能贯通,岩块强度降低、变形增大 贯通性结构面：长度较长、连续好、贯通整个岩体、构成岩体边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制,25,2、线连续性系数：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变化在01之间，K1值愈大说明结构面的连续性愈好，当K11时，结构面完全贯通。,26,3、面连续性系数（面切割度）Xe：在岩体中沿结构面延展平面上，结构面各块面积之和a与该断面面积A之比,Xe=a/A,27,岩体按切割度Xe的分类表,28,4、迹长：结构面与露头交线的长度。,结构面连续性分级表,国际岩石力学学会(ISRM，1978)建议： 用结构面的迹长来描述和评价结构面的连续性，并制订了相应的分级标准,29,五 密度 结构面的密度反映结构面发育的密集程度。 1、线密度(Kd)是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数(条m)，也称裂隙度。 2、间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。 Kd=n/L ， d =1/Kd=L/n Kd与d互为倒数关系 如果测线是水平布置的，且与结构面法线的夹角为，结构面的倾角为时:,30,结构面间距分级表,31,假设测线OC是水平布置的，且与结构面法线OA在水平面上的 投影线OB的夹角为，结构面的倾角为，则,体切割度Xv： 面切割度Xe与裂隙度K的乘积； 表示一组结构面对岩体的切割程度。,Xv K Xe,32,用线密度来估算岩体质量指标RQD(rock quality designation),岩体质量指标RQD：长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比。,33,六 张开度 结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。 结构面两壁面一般不是紧密接触，使结构面实际接触面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。 如在层流条件下，平直而两壁平行的单个结构面的渗透系数(Kf)可表达为：,34,级及部分级结构面的产状、迹长、间距及张开度等几何特征参数，服从某种随机分布规律。,结构面张开度分级表,35,七 形态 结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。 结构面侧壁的起伏形态分为：平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的。,侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示,36,结构面的粗糙度用粗糙度系数JRC表示 (joint roughness coefficient) 。 随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。 根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10级。,37,八 充填胶结特征,结构面胶结后力学性质有所增强，Fe质胶结的强度最高，泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。,未胶结的结构面，力学性质取决于其充填情况，可分为：薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填4类 1 薄膜充填是结构面两壁附着一层极薄的矿物膜，厚度多小于1mm，多明显降低结构面的强度。 2 断续充填结构面的力学性质与充填物性质、壁岩性质及结构面的形态有关。 3 连续充填结构面的力学性质主要取决于充填物性质。 4 厚层充填结构面的力学性质很差，主要取决于充填物性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。,38,1.4 岩体结构特征及结构控制论,一、岩体的组成 岩体是由结构面网络及其所围限的岩块 (结构体)所组成。 具有一定的结构是岩体的显著特征之一。 岩体中存在着复杂的天然应力状态和地下水，这是岩体与其他材料的根本区别之一,39,二、岩体的结构 岩体结构(rockmass structure)指岩体中结构面与结构体的排列组合关系。 1 结构体特征 结构体(structural element)指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。它不同于岩块的概念。 结构体的规模取决于结构面的密度，密度愈小，结构体的规模愈大,与结构面对应,划分为四级。 常用块度模数（单位体积内的级结构体数) 或结构体体积来表示结构体规模。 结构体常见的形状有： 柱状、板状、楔形及菱形等。 形状不同，稳定性不同。,40,结构体的形状示意图,41,2 岩体的结构类型,42,三、岩体结构控制论,工程实践表明，岩体的应力传播、变形破坏以及岩体力学介质属性无不受控于岩体结构。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。,43,岩体结构控制论基本思想 1）具有一定结构的岩体，往往具有与之相对应的力学属性。 2）岩体的应力传播特征 3）岩体的变形与破坏特征及工程岩体的稳定性 岩体变形与连续介质变形明显不同，并且结构面变形起到控制作用。因此，岩体的变形主要它由结构体变形与结构面变形两部分构成。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则由、级结构面滑移及部分岩块变形构成；只有完整岩体的变形才受控于组成岩体的岩石变形特征。,44,岩体变形机制受岩体结构控制,45,岩体的破坏机制也受控于岩体结构： 结构控制有：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。,岩体破坏机制受岩体结构控制,46,岩体变形破坏方式： a. 块状及层状结构岩体的块体滑移； b. 薄层状结构岩体的弯曲倾倒； c. 碎裂结构岩体的剪切破坏及塑性变形； d. 松散及破碎结构岩体的塑性