（构造地质学专业论文）块裂型岩质边坡稳定性分析与有效加固.pdf

中南人学顸十学位论文 摘要 摘要 本文从岩体结构特征着手，运用地质控制理论基本原理和方法，深入研究结 构面的发育规律及地质特征，分析岩体结构和岩体赋存环境地质条件对岩体力学 性质的决定作用，得出地质因素决定着岩体的力学介质类型，控制着岩体在不同 条件下的变形破坏机制的结论。进而分析影响岩质边坡稳定性的各种因素，分析 边坡破坏类型，探讨岩质边坡变形破坏机理，及其控制性因素，结果表明，控制 岩坡变形破坏形式并决定其稳定性的最主要因素是地质构造与岩体结构。 文中以块裂型岩质边坡为研究重点，运用赤平投影图解法和解析几何方法， 详细分解楔形破坏体，分析其产生的基本条件，在各种工程地质条件下楔体的受 力情况，评价其稳定性。文中还试着将图解法和解析法有机结合起来，探索实现 楔体分析自动化的有效途径，提出了基本思路及有关注意的问题，并编程实现了 初步的功能，证明其思路的可行性。 文章结合三板溪水电站进水口工程边坡的地质情况，将有关理论和探索出的 分析方法运用于实际工程，详细分析工程区地质构造条件、岩体力学介质及变形 破坏机制，对可能形成的不稳定块体作了详细论证，得出区内不可能发生大规模 边坡破坏的结论。并进一步将节理和裂隙等小规模结构面纳入考虑，综合分析工 程边坡整体及局部的稳定性，将加固的重点定位于浅表部位，提出“全面防护， 重点加固”的加固原则，及以喷锚法为主要手段的加固方案。 关键词：块裂岩体，岩坡，稳定性分析，楔形体，喷锚支护，加固 ! 塑尘堂堡堂堡笙塞i ! 翌 a b s t r a c t w i t ha n a l y z i n gt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i co fr o c km a s s ，u s i n gt h e b a s i cp r i n c i p l e so ft h eg e o l o g yc o n t r o lt h e o r i e s ，t h i s t h e s i sr e s e a r c h e s t h o r o u g h l yt h ed e v e l o p m e n ta n dg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r a l p l a n e ，a n a l y z e st h ee f f e c t o fs t r u c t u r eo fr o c km a s sa n dl t se n v i r o n m e n t c o n d i t i o n so nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i t c o m e st ot h ec o n c l u s i o nt h a t g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sd e c i d et h em e c h a n i c a lm e d i u mt y p eo f t h er o c km a s s a n dh o wi td e f o r m sa n db r e a k su n d e rd i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s t h e n 【h et h e s i sa n a l y z e st h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es t a b i l i t yo fr o c k s l o p ea n di t sd i s r u p t i o nt y p e s ，s t u d i e sh o w r o c ks l o p ec o m e st od i s r u p ta n d w h a ti st h ec o n t r o lf a c t o r a sar e s u l t ，i ti sa f f i r m e dt h a ti t i sg e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa n ds t r u c t u r eo ft h er o c km a s st h a tc o n t r o l st h ed e f o r m a t i o na n d b r e a ko fr o c ks l o p ea n dj t ss t a b i l i t y b l o c kf r a c t u r er o c ks l o p ei st h ek e yp o i n tt h et e x tr e s e a r c h e s u s i n gt h e m e t h o d so fs t e r e o g r a p h i cp r o j e c t i o n a n da n a l y t i cg e o m e t r y ，t h ep a p e r r c s e a r c h e sd e t a i l e d l yw e d g e s h a p e db l o c k ，a n a l y s e st h eb a s i cc o n d i t i o n st o g c n e r a t eo n ea n dh o wa l l k i n d s o ff o r c ed i s t r i b u t eo ni t i nd i f f e r e n t e n v i r o n m e n t s ，a n ds t u d i e sh o wt oe s t i m a t ei t ss t a b i l i t y f u r t h e r m o r e ，t h e a u t h o rt r i e st oc o m b i n et h et w om e t h o d s ，t os e e ka f t e raw a yt oa n a l y z e w i t hc o m p u t e rt h ep r o b a b l ew e d g e si ns l o p e t h eb a s i ci d e aa n ds o m e p r o b l e m si n r e a l i z a t i o nh a v eb e e nb r o u g h tf o r w a r d ，a n ds e v e r a lp r i m a r y s t e p sh a v eb e e nr e a l i z e db yt h ea u t h o rw i t hv b a ，w h i c hc o n f i r m e d t h e f e a s i b i l i t yo ft h ei d e a l i n k i n g t ot h e g e o l o g i c a lp r o j e c t ，t h e s t a b i l i t y a n a l y s i s a n d r e i n f o r c e m e n td e s i g no fi n f a l ls l o p eo fs a n b a n x ih y d r o e l e c t r i cs t a t i o n t h e a u t h o ru s e sa n dt e s t st h et h e o r i e sa n dm e t h o d si nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g a f t e rs t u d y i n gt h o r o u g h l yt h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dr o c kc h a r a c t e r i s t i c s ， t h ep a p e ra n a l y z e st h ep o s s i b l ei n s t a b l eb l o c k sc u tb yt h es t r u c t u r a lp l a n e s a n de s t i m a t e st h e i rs t a b i l i t i e sr e s p e c t i v e l y t h ea n a l y s i se x c l u d e dt h ep o s s i b i l i t yt h a tt h es l o p e sw o u l dd i s r u p to n al a r g es c a l eu n d e rc o m m o nc o n d i t i o n s t h e nt h ef i e l dn e a rt h es l o p ep l a n e 中硒人：学硕十学位论文 摘要 b e c o m et h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nr e i n f o r c i n gt h es l o p e sb e c a u s eo ft h e a f f e c t i o no fj o i n t sa n df r a c t u r e st h a tl o c a t ed e n s e l yi nt h i sp o s i t i o n sm o s t l y s oi ti sp r o p o s e dt h a ts h o t c r e t ea n db o l ts u p p o r ts h o u l db ea d o p t e da sm a i n m e t h o da n dt h er e i n f o r c e m e n ts h o u l db e f o c u s e do nt h i si m p o r t a n tp a r t s a n dg i v ea t t e n t i o nt ow h o l ee n g i n e e r i n gr e g i o na c c o r d i n g l y k e yw o r d sb l o c kf r a c t u r er o c km a s s ，r o c ks l o p e ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ， w e d g e ，s h o t c r e t ea n db o l ts u p p o r t ，r e i n f o r c e m e n t 中南人学硕士学位论文 原创性声明 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：立趟二蹶上盔必翠日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 储繇李孥翩签绺：丝年卫月业日 中南大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 我国边坡工程建设现状及岩坡稳定的研究意义 我国是一个多山的国家，山区面积占国土陆地面积的6 9 ，在全国2 3 0 0 多个 行政县中，有1 5 0 0 多个山区县，山区人口占全国总人口的5 6 ，我国山区主要集 中分布在中西部地区，据不完全统计，西部1 2 个省( 自治区、直辖市) 的山区面积 占西部陆地总面积的8 6 以上。 滑坡是一种常见的山区地质灾害。我国作为一个多山的国家，与滑坡相关的 地质灾害时有发生，它几乎遍及全国各省区，特别是我国西南地区，滑坡更为频 繁。据不完全统计，西南地区发生的滑坡约占全国滑坡次数的一半以上，而我国 已受到或可能受到滑坡威胁的地区约占全国陆地面积l 5 至1 4 。在我国西部，地 形切割厉害，高山深谷，边坡分布之广、规模之大，足以让地学工作者感觉到研 究工作的艰巨性与紧迫性。 边坡的稳定与加固问题，几乎伴随着基础建设的每一个环节。随着人类社会 的发展，人类工程活动的加剧，山区城乡开发建设面临着许多特殊的工程问题， 如我国“西部大开发”基础工程建设中，由于场地地形条件的限制，很多时候不 得不进行人工开挖形成道路、房屋建筑等工程建设场地，此时，开挖形成的人工 高边坡的稳定性问题成为威胁工程建筑物安全的一项主要因素。例如2 0 0 1 年重庆 武隆发生的由于建筑边坡失稳造成的重大滑坡灾害，致使一幢9 层楼房被滑坡体 摧毁掩埋，造成7 9 人死亡、7 人受伤。当前，我国工程建设中出现的人工边坡高 度已达到4 0 0 6 0 0 米，天然边坡高度达5 0 0 1 0 0 0 米川。随着我国经济建设的快速 增长和综合国力的不断增强，一系列大型工程正在或即将开始兴建，如三峡工程、 长江和黄河上游拟建的一系列大( 巨) 型水力工程、南水北调工程、青藏铁路等 等，其数量和复杂性是前所未有的。形成的工程边坡不仅高，而且工程地质条件 也相当复杂，远非传统的岩土力学与材料力学所能解决的问题。岩土工程勘察规 范中就明确提出：“本规范适用于除水利工程、铁道工程、公路工程及核电站工 程以外的工程建设岩土工程勘察”。时值“西部大开发”的初始阶段，国家政府下 决心，大力兴建西部基础工程，其相当大一部分就是公路、铁路及水利水电工程， 而高大岩质边坡的出现是其中不可回避的问题。这一来，如何评价边坡岩体的稳 定性以及如何进行稳定加固的问题，就越发显得重要与紧迫。 为了把边坡工程中事故的发生率和危害性控制到最低限度，必需事先对高边 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 坡进行安全评估，在此基础上决定是否对其进行加固及怎样进行加固，以确保建 设场地及其相关的工程构筑物在营运期间的安全。 1 2 边坡工程研究的概况 1 2 1 地质工程的概念及其基本理论 边坡稳定性分析及相关问题，属于地质工程研究的范畴。“地质工程 ( g e o e n g i n e e r i n g ) ”这一述语，由r e g o o d m a n 于1 9 7 4 年首次提出：1 9 7 6 年e h o e k 提出了“岩石边坡工程”的概念；1 9 8 4 年孙广忠 2 】在第二届全国工程地质大 会上提出了“地质工程”的命题，并给出了明确定义。根据孙广忠院士的定义， 地质工程是以地质体做建筑材料，以地质体做工程结构，以地质环境做建筑环境 建筑起来的一种特殊工程，其研究领域包括地基、边坡、地下工程、钻井、地质 灾害防治及地质环境整治等。 地质工程是以地质体建造起来的工程，这一特点决定了地质工程的基本理论 为地质控制论，所有工作必需以分析实际地质条件为出发点。地质控制作用体现 在地质构造、岩土体结构及地质体赋存环境因素对研究对象的控制作用上，这是 地质控制论的基本内容，也是地质工程的基本理论。 1 2 2 边坡工程学主要研究内容 边坡地质工程学的主要研究内容至少包括以下几个方面：( 1 ) 边坡地质体的 形成演化机制；( 2 ) 边坡地质体稳定性分析理论与方法；( 3 ) 边坡地质体的预测 预报理论与方法；( 4 ) 边坡工程的稳定性设计：( 5 ) 边坡地质体的加固改造理论 与方法；( 6 ) 边坡地质体的工程监测技术与方法：( 7 ) 边坡地质工程的管理与决 策；( 8 ) 边坡地质工程的监理等。这些内容可概括为四个组成部分，即边坡工程 地质基础、边坡稳定性设计、边坡地质体改造及边坡工程管理等( 图1 1 ) 。 ( 1 ) 边坡工程地质基础工程实践中发生的岩土体失稳事故，究其原因，除 了地质与工程严重脱节外，通常还有忽视工程地质基础研究或对边坡工程地质基 础研究不够及判定分析失误等问题。目前广泛兴起的交通、水利、矿山等工程建 设中，均不同程度地存在对边坡工程地质基础研究和重视不够，因不了解地质情 况和不遵循地质规律而导致工程失事或经济浪费的问题。加强和重视边坡工程地 质基础研究，是搞好边坡地质工程的关键步骤之一。 ( 2 ) 边坡稳定性设计边坡地质体具有耗散结构和非线性特征等复杂性，不 仅仅是一种地质材料，也是一种地质结构和地质环境，同时具有自身的稳定潜能。 中南大学硕士学位论文 第1 章绪论 边坡地质工程 边坡工程 地质基础 地 质 基 础 理 论测陵 边 坡 变 形 破 坏 与 演 化 机 制 边 坡 破 坏 后 】互 动 学 边坡稳定ll 边坡地质li 边坡工 性设计ii 体改造li 程管理 边 坡 稳 定 性 理 论 与 方 法 边 坡 稳 定 性 预 测 预 报 边 坡 稳 定 性 设 计 与 决 策 陲 边 坡 工 程 监 理 边 坡 工 程 控 制 与 反 馈 图1 1 边坡地质工程学主要研究内容框架图 从这个意义上说，边坡工程设计就是边坡的稳定性设计，包括稳定性评价、稳定 性预测及稳定性设计与决策等内容，主要指选择合适的边坡外形即稳定坡角和坡 高等的设计，包括经济边坡与稳定安全边坡的矛盾统一问题；而边坡稳定性决策 实际相当于广义的工程设计概念，指对不稳定边坡或临界自然灾害边坡选择最优 的防治方案，并制订出详细的方案计划，包括平面布罱、结构类型、方案的综合 比较以及费用估算等，是决策者对边坡地质体改选的主要决策依据。 ( 3 ) 边坡地质体改造边坡地质体改造包括地质体防护、支护、灌浆加固、 坡形改造、环境改造等方面的内容，是在边坡稳定性设计的基础上，依据边坡地 质体变形破坏特点、稳定程度和阶段，完成具体的工程结构的计算、设计和施工 工作。边坡地质体的改造是指对边坡地质体的结构、性质及边坡地质环境的改造， 这里突出体现了边坡地质体既是被改造对象又是建筑结构和材料的特点。随着地 质体改造技术的不断进步，当前和今后地质工程发展的一个重要趋势就是强调对 地质体的改造。我们在进行工程建设方案的比较和选择时，不用再象以前那样一 味地牵就于场地地质条件，一味地回避不良地质地段；相反，我们采取主动的方 式改造不良地质，使之符合工程需要，真正做到地质服务于工程。 ( 4 ) 边坡工程管理边坡工程管理贯穿于边坡地质工程全过程，是工程的灵 魂、枢纽和桥梁，它包括边坡工程的信息化管理体系、质量保证体系、风险决策 与安全体系等基本内容，可以概括为边坡工程监测、边坡工程监理及边坡工程控 制与反馈等三个部分。 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 t 2 3 边坡( 岩坡) 工程的发展与现状 二战后世界各国水利、交通和建筑等工程的大量兴建，以及采矿事业的迅速 发展，提出了大量的岩石力学研究课题，人们普遍认识到系统开展岩石力学研究 的重要性。19 5 4 年索柯洛夫斯基根据松散介质极限平衡理论提出的边坡稳定性的 数学计算方法，在岩质边坡稳定性问题的研究中得到较多的应用。法国的塔罗布 尔于1 9 5 7 、1 9 5 8 年先后编著的岩体力学和岩石力学在木工程中的应用 两书的正式出版，进一步促使世界各国认识到岩体力学研究的重要性，以及对岩 质边坡稳定性问题研究的迫切要求。 二十世纪六、七十年代几起大型滑坡及岩体失稳事件，以及我国道路、水电 建设过程中出现的大量灾害事故，使国内外工程地质工作者逐渐意识到，斜坡的 失稳破坏，不仅与岩性有关，还受边坡地质体内部的结构控制，岩体结构是控制 边坡岩体变形破坏的决定性因素。同时，斜坡的变形破坏具有时效特征，斜坡的 演化是一个时效过程或累进破坏的过程，每一类斜坡的失稳，都有其典型的时效 变形破坏过程( l m u l e r ，1 9 6 3 ) 。这些过程的力学机制只有用岩石( 体) 力学理论 才能作出接近实际的解释，因而张倬元、王兰生等 3 1 引进了岩石( 体) 力学的有关 概念及理论，来分析研究斜坡岩体的变形破坏，并从实践中归纳出了有代表性的 变形破坏机制模式将边坡地质体的形成演化机制与其变形破坏的全过程联系起 来，将边坡稳定研究工作纳入了科学的轨道。1 9 7 3 年e h o e k 教授发表了岩石边 坡工程一书，专门论述了岩质边坡稳定性分析问题，及对不稳定边坡所采取的 管理及决策。1 9 7 9 年谷德振【4 】的岩体工程地质力学基础专著，石根华的( ( t h e o r y o fb l o c k ) ( 块体理论) 极大地推动了国内岩体稳定的力学分析。 八、九十年代，边坡稳定性研究理论逐渐发展趋向成熟。借助于数值和物理 模拟手段，在系统科学方法的指导下。对边坡地质体赋存环境、内部应力状态、 变形破坏机制、影响稳定性作用因素等，有了更为全面的认识和理解。人们发现， 由于边坡地质体的复杂性，很多因素是不确定性的，采用单一的数值( 安全系数) ， 无法全面而准确地表述边坡岩体的稳定状态。因此逐渐发展了边坡稳定性研究的 可靠分析理论( 祝玉学口】，1 9 9 3 ) ，并借助非线性科学理论，如灰色系统理论、神 经网络理论、分形理论、尖点突变模型、自组织理论等，应用于解释边坡变形破 坏过程及失稳方式和失稳时空预报等( 陈明华，赵其华，秦四清，唐辉明等) ，取 得了大量有意义的成果。 1 9 9 3 年孙广忠教授发表的工程地质与地质工程一书，将边坡稳定性研究 纳入边坡工程之中，叙述了边坡地质工程设计的内容是寻求经济、安全实用的边 坡外形和边坡角，同时还谈到稳定边坡角的概念及其影响因素，以及边坡变形破 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 坏和加固等。三峡工程的兴建，极大地推进了岩体力学的深入研究，我国学者在 岩体结构、岩石流变以及岩坡与围岩稳定性等方面都取得了举世瞩目的成果，在 国际上占有重要地位。罗国煜等1 6 1 p j 在工程地质定性分析的基础上，将最优化理论、 模糊数学和灰色预测等引入岩体不稳定块体的确定，系统地提出了优势面理论， 取得了良好的效果。张兴瞄j 、胡得富等纠提出了边坡最危险滑动面的随机搜索法。 王书法等对非连续变形分析方法( d d a ) 中边界约束方法进行了推广，将其应用 于节理岩质边坡变形规律的数值模拟。吴强 1 1 】运用可靠度分析方法中的蒙特卡洛 法对边坡进行稳定性分析，确定边坡失效概率值。陆晓敏等1 1 2 i 首次在块体单元法 中引入弹粘塑性流变模型来分析裂隙岩质边坡的变形及稳定性，以块体元模型来 反映裂隙岩体变形的不连续性，在单元之闻引入接触面单元来模拟岩体中的结构 面，在接触面单元中引入弹粘塑性模型来研究岩体变形的时间效应及稳定性，并 把此理论应用于裂隙岩质边坡的变形及稳定分析。陆峰等【l3 j 引入人工神经网络 ( a n n ) 方法，用于岩质边坡稳定性安全系数估算，并以工程实例证实其可行性。 综上所述，边坡工程研究的发展经历了从现象认识一地质分析一岩体力学分 析机制分析一定量评价的发展历程。在近十几年中，边坡工程研究理论取得了 多方面的进步，并在工程实践中得到了广泛应用，累积了大量经验。 1 2 4 边坡工程研究中存在的问题 伴随着基础建设的高速发展和大量的工程实践活动，边坡工程研究领域里取 得了许多可喜成绩，另一方面，也显得不够系统和深入，存在着一些必须纠正的 问题，主要表现在以下几个方面： 1 1 边坡地质体是人类工程活动的有机组成部分，它或是工程的背景，或是工 程的材料或结构，或兼而有之。边坡工程是一类特殊工程，其地质体有着较强自 稳能力和非线性的演化历史。现有的研究中，忽视或未重视边坡的这些特点。 2 ) 基础地质研究被忽视。中青年一代，把主要精力投入到追求稳定性分析的 精度上或计算理论的改进和优化方面，而对边坡地质体的建造、改造过程及作用 这些对边坡地质体稳定起决定或控制作用的因素的研究甚少，显得头重脚轻。 3 ) 虽已意识到地质分析的重要性，但在具体工程设计中，很多人仍忽视地质 分析，舍不得投入大量工作，从而造成许多不必要的工程失误或浪费。 4 ) 边坡地质灾害的防治工作中，存在严重脱节现象，即地质工程师与设计工 程师出于专业知识和认知方式的差异，两者常常发生分歧，使得大量有价值的地 质资料不能有效地应用于工程中，造成浪费。 5 ) 边坡工程设计理论和方法远未成熟，需更多的实践检验和测试反馈，以修 中南大学硕士学位论文第l 章绪论 正或完善现有工程结构的设计方法和思路的不足。 6 ) 在边坡勘察设计中，选择何种设计方案，布置多少勘探量较适宜，是边坡 工程实践中急待回答的问题，也是边坡科学应该解决的问题。 7 ) 边坡地质工程不是边坡工程地质与基础工程学的简单组合，它是将边坡的 勘察、评价、设计及治理相整合，全面系统地分析研究与决策的问题。因此，边 坡地质工程学科理论的分析研究也是值得进一步开展的问题。现有的边坡科学难 以满足实际需要，工程实践需要新的理论。 综上所述，边坡工程领域里现在主要存在三个方面的问题，即理论与实践脱 节问题、方法论与认识论的问题及工程管理问题，这些方面是值得我们地学工作 者下苦功夫去研究的课题。 1 3 课题来源、研究意义与研究内容 本课题结合三板溪水电站进水口岩质高边坡稳定性评价与加固项目开展研 究。工作区地层为元古界板溪群清水江组，岩性主要为厚层至巨厚层变余凝灰质 粉、细砂岩，总体属于块裂岩体介质。本文以块裂岩体边坡为研究对象，研究其 变形破坏机理，评价其稳定性，并寻求有效的加固方法与手段。作者从岩体力学 性质及岩体变形破坏机制分析着手，研究了边坡岩体的变形破坏类型，在此基础 上，集中研究块裂型岩质边坡，深入探讨楔形破坏型岩坡的变形破坏机制、其稳 定性判定及其有效加固方法。文中还把节理和浅表生裂隙纳入考虑范围，对可能 产生的不稳定块体分层次作出详细讨论，对边坡岩体的稳定性作出综合评价，并 设计出具体加固方案。 本课题的研究成果为该具体工程边坡加固方案的优化选择，为其设计和组织 施工提供科学依据，确保工程进度和工程质量。同时，如前所述，它在边坡工程 乃至整个地质工程的领域里也具有相当的理论意义和工程实用价值。本课题主要 从以下几个方面来进行研究： 1 ) 从岩体结构着手，探讨岩体变形破坏机制，评价岩体力学性质； 2 ) 分析边坡岩体稳定性影响因素，对比各种稳定性分析方法的适用性条件； 3 ) 重点研究楔体变形破坏机制，借用赤平投影和矢量运算等多种方法，对其 作出定量分析，并探索用v b a 实现楔体分析自动化的可行方法； 4 ) 对实际工程边坡的稳定性进行综合分析与科学评价，并设计出有效加固方 案，应用于工程实践。 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 投入工作量及主要成果 ( 1 ) 投入的工作量 本课题历时1 6 个月，完成的工作量如下： 1 ) 现场工作5 5 个月，完成了三板溪水电站库区工程地质初步勘察野外工作， 其中，1 1 0 0 0 工程地质测绘3 2 k m 2 ，1 1 0 0 0 实测地质剖面16k m ，布置观测点1 0 5 6 个，工程钻探2 1 5 8 m ，洞探2 2 0 m ，岩石强度原位测试4 组，采取岩样6 8 件，节 理产状统计5 0 0 条。 2 ) 编写v b a 程序5 4 0 0 多行。 ( 2 ) 取得的主要成果 1 ) 从岩体的结构特征及其力学性质的控制因素着手，深入研究岩质边坡变形 破坏机理及其影响因素，得出地质构造和岩体结构是边坡岩体最主要的控稳因素 的结论。 2 ) 着重研究边坡中楔体的几何边界条件、受力情况及稳定性，明确提出对倾 楔体和同倾楔体的概念，并引入矢量运算法，对楔体受力及其稳定性作定量分析。 3 ) 着眼于计算机在地质工程领域中的应用，详细分析赤平投影的基本原理，t 圣 编程实现赤平投影的成图及读图等功能；探索岩坡中不稳定块体分析程序化的有： 效途径，并首次将赤平投影法与解析几何法有机结台起来，成功编制成“楔体嬲 析程序”。 4 ) 通过工程地质测绘、工程钻探、取样试验及节理统计等工作方法，初步查 明工程区内的地层岩性、构造规模和特征、水文地质条件等基本地质情况。在此 基础上，深入研究区内构造性质和活动性，以及岩体力学性质等，进而对全区工 程岩体稳定性进行综合评价。 5 ) 将自行编制的“楔体分析程序”运用于工程实际，对工程高边坡内可能存 在的不稳定楔体进行详细分析和必要的稳定性验算，得出区内不会发生大规模边 坡失稳破坏的结论，有效地指导工程边坡加固方案的选择和具体设计，实现计算 机在具体工程实践中的应用。 中南大学硕七学位论文第2 章岩体结构及岩体力学性质 第2 章岩体结构及岩体力学性质 岩体是在地质历史过程中形成的，由岩石单元体( 岩块) 和结构面网络组成 的，具有一定的结构并赋存于一定天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体口】。 结构面是地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定方向、一定规模，一定 形态及特性的地质界面。结构面的存在，破坏了岩体的完整性，它标志着结构面 的切割方式和程度。结构体( 岩块) 是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。岩块的力学性质主要取决于组成岩块的矿物成分及其相对 含量，以及风化程度等因素。结构面的发育，使岩体形成一种独特的割裂结构。 岩体内这些结构面的规模、性质及其组合关系在很大程度上决定了岩体的力学作 用过程，决定了岩体变形破坏的类型。 2 1 岩体结构的力学效应 2 11 岩体结构特征 具有一定的结构是岩体的显著特征之一。岩体在其形成与存在过程中，长期 经受着复杂的改造作用，生成了各种不同类型和规模的结构面，如断层、节理、 层理、片理、裂隙等，受这些结构面的切割，使岩体形成一种独特的割裂结构。 岩体的力学性质及其力学作用不仅受岩体的岩性控制，更主要是受岩体中结构面 以及由此形成的岩体结构所控制。岩体与一般的连续介质的重大差别就在于它是 被各种各样裂缝切割着的多裂隙体，岩体内裂缝的规模、性质及其组合关系在很 大程度上决定了岩体的力学作用过程。结构面的存在，使得岩体表现为不同力学 性质的介质类型，在力的作用下，具有不同的力学机制，岩体结构不同，它具有 的变形破坏规律是不同的1 4 】 15 】 1 6 1 。在地质工程的岩体失稳事故中，绝大部分与岩 体结构面有关，结构面与岩体失稳直接或间接联系，因而对结构面的研究成为岩 体力学研究的中心内容。 根据结构体的几何形状、结构面的地质特征及其排列组合关系等，据岩土 工程勘察规范把岩体划分为以下五类：整体状结构、块状结构、层状结构、碎 裂状结构和散体状结构( 表2 1 ) 。 中南大学硕士学位论文第2 章岩体结构及岩体力学性质 表2 - 1岩体结构类型划分表 岩体结 岩体地质 结构体 结构面发育情况 岩体工程 可能发生的岩 构类型 类 型形状特征 土工程问题 巨块状岩浆 以层面和原生、构造节 岩和变质 理为主，多呈闭合型，岩体稳定，可视 摧体状巨块状间距大于1 5 m ，一般 为均质弹性各 岩，巨厚层 为1 2 组，无危险结向同性体 局部滑动或坍 沉积岩 构。 塌，深埋洞室的 有少量贯穿性节理裂结构面互相牵岩爆 厚层状沉积 块状、隙，结构面间距制，岩体基本稳 块状岩，块状岩浆 柱状0 7 1 5 m 。一般为2 3定，接近弹性各 岩和变质岩 组，有少量分离体向同性体 多韵律薄 变形和强度受 层、中厚层层状、有层理、片理、节理， 层面控制，可视 可沿结构面滑 层状为各向异性弹塌，软岩可产生 状沉积岩板状常有层间错动 副变质岩 塑性体，稳定性塑性变形 较差 断层、节理、片理、层 整体强度很低， 易发生规模较 构造影响严理发育，结构面间距并受软弱结构 大的岩体失稳， 碎裂状重的破碎岩碎块状 o 2 5 - 05 0 m ，一般3 组 面控制，呈弹塑 地下水加剧失 ，云以上，有许多分离体性体，稳定性很 稳 差 断层破碎 构造和风化裂隙密集，完整性遭极大易发生规模较 散体状带，强风化碎屑状 结构面错综复杂，多充破坏，稳定性极大的岩体失稳， 填粘性土，形成无序小著，接近松散体地下水加剧失 及全风化带 块和碎屑介质稳 说明：引自岩土工程勘察规范* g b 50 0 2 卜20 0 1 2 i 2 岩体变形破坏机制 岩体是结构面与岩石结构体的复合体，其表现出的力学性质是其结构面和结构 体综合作用的结果。在外力作用下，岩体的变形包括四个部分，即： f 结构体压缩变形( 体积缩小) 岩体变形 薹笺箬翟蠡萋凳；鬃婪萎凳童物挤出， i 结构面剪切滑移变形( 位置改变) 其中结构面变形成分一般占主要，岩体内结构面愈发育，这种变形成分的作用愈 大。结构面发育程度，不仅决定着岩体变形量的大小，而且决定着变形成分及变 形过程。 9 中南大学硕十学位论文第2 章岩体结构及岩体力学性质 岩体破坏机制同样受岩体结构控制，在软弱结构面切割下形成的块裂结构岩 体，在外力作用下优先的破坏方式为块裂体沿软弱结构面滑移。完整岩体的破坏 机制，则与其赋存环境的应力状态即围压条件密切相关，在低围压作用下完整岩 体多呈张裂破坏，较高围压下呈剪破裂和塑性变形，高围压下则呈流动变形。碎 裂岩体的破坏机制，很大程度上也是与其存在环境的地应力条件有关。大量资料 证明，在低围压下碎裂岩体的破坏与其结构密切有关，其力学性质明显具有结构 效应，岩体变形曲线具塑性特征，其破坏方式主要为沿结构面剪切滑移和微破裂 面追踪发展。在高围压作用下这类岩体则转化为连续介质，其破坏方式和完整岩 体相类似”7 1 。 2 2 结构面性质及其对岩体性质的影响 22 1 结构面规模分级 结构面的发育情况决定着岩体的结构类型，影响其力学性质，从而影响工程 岩体力学作用及其稳定性，这种影响主要反映在结构面的地质特征上，其中结构 面的规模具有最重要的意义。根据结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其 力学效应，可将结构面分为5 级，如表2 2 所示。 表2 2岩体结构面规模等级划分表( 据刘佑荣) 级序 地质构造特征力学效应 力学属性主要结构面 结构面延展长几公里至几形成岩体力学作用边界；属于软弱结构 火断层及区域 i 十公里以f ：贯通岩体破岩体变形破坏的控制条件；面，构成独立的 性断裂 碎带宽度达数米至数十米 构成独立的力学介质单元 力学介质单元 延展规模0 研究的岩体相形成块裂岩体边界：控制岩 属于软弱结构 断层、不整合 i i 当，破碎带宽度比较窄，几体变形和破坏方式：构成次 面、层问错动面 厘米至数米级地应力场边界 皿 及软弱夹层等 延展长度婀，从十几米至几参与块裂岩体切割；划分岩多数属硬性结不夹泥的大节 i i i 十米，无破碎带，不夹泥体结构类型的重要依据：构构面，少数属软理或小断层开 有的夹泥膜成次级地应力场边界弱结构面裂的层面等 延展短，从数米至l 几米， 划分岩体结构类型的依据； 一般为硬性结节理、劈理、层 朱错动，坷i 央泥，有的呈弱岩体力学性质、结构将就的 构面面、次生裂隙等 结合状态基础；次级地应力场边界 岩体内形成应力集中；岩体小节理、隐节理、 v 结构面小，且连续性差硬性结构面 力学性质结构效应的基础 层面、叶理面 o 中南大学硕士学位论文 第2 章岩体结构及岩体力学性质 2 2 2 结构面特征参数及其作用 结构面对岩体力学性质的影响是不言而喻的，但其影响程度则主要取决于结 构面的发育情况。除了结构面的规模外，结构面特征对岩体力学性质也有重要影 响，如岩性完全相同的两种岩体，由于结构面的空间方位、连续性、密度、形态、 张开度及其组合关系等的不同，在外力作用下，这两种岩体将呈现出完全不同的 力学反应【l ”。因此研究结构面特征及其力学将就是十分必要的，下面主要就、 级结构面进行讨论。 ( 1 ) 产状结构面的产状常用走向、倾向和倾角表示。结构面与最大主应力 间的关系控制着岩体的强度及破坏机理。如图2 - 1 所示，当结构面与最大主平面的 夹角卢为一定角度时，岩体将沿结构面滑移破坏，当口= o 。时，表现为横切结构 面产生剪断岩体破坏：当卢= 9 0 。时，则表现为结构面的劈裂拉张破坏。随破坏方 式不同，岩体强度也发生变化。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o - 。一矿。与结构面倾角口间的关系为： 2 ( c ，+ 口，t a n p ，) q - - 0 32 矿i - j 瓦面- 厕j - l l | ll ll y ) ? ( 、疋 f flfl ff l lll li “3 f fff ff a )b ) c ) 图2 - 1结构面产状对破坏机理的影响示意图( 据刘佑荣) 式中，g ，f ，分别为结构面的粘聚力和摩擦角。可见，当围压矿。不变时，岩体强度 口一盯，随结构面倾角p 变化而变化。 ( 2 ) 连续性结构面的连续性反映结构面的贯通程度，常用线连续性系数、 迹长和面连续性系数表示。线连续性系数m 是指沿结构面延伸方向上，结构面各 段长度之和与测线长度的比值。丘变化在o 1 之间，值愈大说明结构面的连续性 愈好，当m = l 时，结构面完全贯通。结构面的连续性对岩体的变形、破坏机理、 强度及渗透性都有很大影响。 ( 3 ) 密度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 中南大学硕十学位论文第2 章岩体结构及岩体力学性质 指标表示。线密度k 。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 ) ，间距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，两者互为 倒数关系。结构面的密度控制着岩体的完整性和岩块的块度。一般来说，结构面 发育愈密集，岩体的完整性愈差，岩块的块度愈小，进而导致岩体的力学性质变 差，渗透性增强。普里斯特等【1 9 1 ( 1 9 7 9 ) 提出用线密度k d 来估算岩体质量指标r q d 为： 月q d = 1 0 0 p _ o 博一( 0 1 k 。+ 1 ) ( 式2 2 ) ( 4 ) 张开度结构面的张开度是指结构面两壁面问的垂直距离。结构面两壁 面一般不是紧密接触的，而是呈点接触或局部接触，接触点大部分位于起伏或锯 齿状的凸起点。由于结构面实际接触面积减少，必然导致其粘聚力降低。当结构 面张开且被外来物质充填时，则其强度将主要由充填物决定。另外，结构面的张 开度对岩体的渗透性有很大的影响。 ( 5 ) 形态及充填胶结特征结构面的形态对岩体的力学性质及水力学性质存 在明显的影响，结构面的形态可以从侧壁的起伏形态及粗糙度两方面进行研究。 具一定张开度的结构面往往被外来物质所充填胶结，其力学性质取决于充填物成 分、厚度、含水性及胶结程度。 ( 6 ) 结构面的组合关系结构面的组合关系控常4 着可能滑移岩体的几何边界 条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型，它是工程岩体稳定性预测与评价 的基础。任何岩体的滑移破坏，都必须具备一定的几何边界条件。因此，在研究 岩体稳定性时，必须研究结构面之间及其与临空面之间的组合关系，确定可能失 稳块体的形态、规模和可能滑移方向 等。结构面组合关系的分析可用赤平投 影、实体投影和三角几何计算法进行， 对此后文将有专门论述。 大量野外实测统计数据表明， 级及部分i i i 级结构面的产状、迹长、间 距及张开度等几何特征参数，通常不是 一个确定值，而是服从于某种随机分布 规律，常见的分布函数有正态分布、均 匀分布、对数正态分布及负指数分布等 ( f s h e r 、潘别桐【2 0 l 、严春风等) 。 0au 图2 - 2 结构面剪切变形的基本类型示意图 中南大学硕士学位论文 第2 章岩体结构及岩体力学性质 2 2 3 结构面剪切变形特征 在岩体中取一含结构面的岩块试件，在剪力仪上进行剪切试验，可得如图2 - 2 所示的剪应力r 与结构面剪切位移a “间的关系曲线。图2 3 为灰岩节理面的r a 曲线，从这些资料与试验研究表明1 1 7 1 ，结构面的剪切变形有如下特征： 1 ) 结构面的剪切变形曲线均为非线性曲线，按其剪切变形机理可分为脆性变 形型和塑性变形型两类。研究表明，有一定宽度的构造破碎带、挤压带、软弱夹 层及含有较厚充填物的裂隙、节理、泥化夹层和夹泥层等软弱结构面的f 一4 “曲 线，多属于塑性变形型。其特点是无明显的峰值强度和应力降，且峰值强度与残 余强度相差很小，曲线的斜率是连续变化的，且具流变性。而那些无充填且较粗 糙的硬性结构面，其r a “曲线则属于脆性变形型。特点是开始时剪切变形随应 力增加缓慢，曲线较陡。峰值后剪切变形增加较快，有明显的峰值强度和应力降， 当应力降至一定值后趋于稳定，残余强度明显低于峰值强度。 2 ) 结构面的峰值位移受其风化程度的影响，风化后的峰值位移比新鲜的大， 这是由于结构面遭受风化后，原有的两壁岩石强度下降且互锁程度变差之故。 3 ) 对同类结构面而言，遭受风化的结构面，剪切刚度比未风化的小1 2 ：- 1 4 。 r 12 0 8 0 4 0 a ) 新鲜面 b ) 风化面 图2 3 不同法向荷载下灰岩节理面剪切变形曲线( 据b a n n d i 等) 4 ) 结构面的剪切刚度具有明显的尺寸效应，在同一法向应力作用下，其剪切 刚度随被剪切结构面的规模增大而降低。 5 ) 结构面的剪切刚度随法向应力的增大而增大。 同一节理，在相同的法向应力下，若其上下块接触的位置不一样，其剪切曲 8 4 o 6 2 8 4 0 2 2 2 1 1 0 0 一日山=一b 中南大学硕士学位论文第2 章岩体结构及岩体力学性质 线也将表现出很大的不同，图2 4 中的两条曲线是一条花岗岩节理在法向应力为 8 2 m p a 时的剪切曲线，曲线a 是试验前上下试块处于互锁状态，滑动一开始就伴 随着剪胀现象，曲线b 是试验前上下试块有一定的错位，剪力很小时就产生滑动， 而剪应力随剪切位移不断上升，但两种状态的最终稳定后的剪应力差不多，说明 节理面的初始接触状态只对剪切曲线有影响，而对剪切强度影响不大。 b a r t o n 【2 2 】用模型材料制成的粗糙的张性节理面，进行了一系列的剪切试验， 发现达到峰值剪切强度时，剪切位移为节理面长度的人约1 ，然后峰值强度下降 至残余强度，此时的位移大约为节理面长度的1 0 。 图2 - 4 节理在升i 同接触状态下的剪切