河海大学工程地质第四章.ppt

第四章岩体的工程地质特性 概述4 1岩体的结构特征4 2岩体的主要力学特征4 3岩体的天然应力状态4 4岩体的工程分类 概述 1 基本概念及研究意义岩体 rockmass 通常指地质体中与工程建设有关的那一部分岩石 它处于一定的地质环境 被各种结构面所分割 岩体具有一定的结构特征 它由岩体中含有的不同类型的结构面及其在空间的分布和组合状况所确定 结构面是指岩体中具有一定方向 力学强度相对较低 两向延伸 或具有一定厚度 的地质界面 或带 如岩层层面 软弱夹层 各种成因的断裂 裂隙等 包括物质分异面 不连续面和软弱夹层 结构体 结构面在空间的分布和组合可将岩体切割成形状 大小不同的块体 称结构体 2 岩体的工程地质特征 岩体是复杂的地质体 形成过程复杂 是地质历史的产物 经历过多期构造运动 组成复杂 岩性 风化状态的多样性 结构复杂 存在大量各种成因的结构面 处于复杂的 变化的地质环境中 岩体的强度主要取决于结构面的强度 岩体的变形主要取决于结构面闭合 压缩 张裂和剪切滑移 岩体的破坏形式主要取决结构面的结合形式 岩体中存在复杂的天然应力场 温度场和渗流场 3 岩体的结构特征的研究意义 岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位 它导致岩体力学性能的不连续性 不均一性和各向异性 只有掌握岩体的结构特征 才有可能阐明岩体不同荷载下内部的应力分布和应力状况 岩体的结构特征对岩体在一定荷载条件下的变形破坏方式和强度特征起着重要的控制作用 岩体中的软弱结构面 常常成为决定岩体稳定性的控制面 各结构面分别为确定坝肩岩体抗滑稳定的分割面和滑移控制面 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 总之 对岩体的结构特征的研究 是分析评价区域稳定性和岩体稳定性的重要依据 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 4 1岩体结构特征及主要类型 1 结构面的成因类型 原生结构面 物质分异面 沉积岩的层理 层面 沉积间断面及沉积软弱夹层等陡属于沉积结构面 火成结构面 岩浆侵入 喷溢及冷凝过程中形成的结构面 如流面 冷凝节理 侵入体与围岩的接触面及岩浆间歇喷溢所形成的若若接触面 变质结构面 变质结构面可分为残留的变余结构面和变成的重结晶结构面两种 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定向排列 重结晶结构面主要有片理和片麻理 沉积结构面 玄武岩的原生柱状裂隙 次生结构面 节理 X型节理 张节理 断层 正断层 逆断层 走滑断层 层间错动带 羽状裂隙 破劈理 内动力形成的结构面 构造裂隙 外动力形成的结构面 主要是由风化作用 卸荷及人类活动所形成的结构面 其特点是只分布在地表或地表以下数十米的范围内 有风化裂隙 卸荷裂隙和次生夹泥层 次生裂隙 地壳运动在岩体中形成的构造裂隙 风化和卸荷作用形成的裂隙 2 结构面的特征 规模 机构面的规模大小相差悬殊 大者可延展数十公里 宽度可达数十米 规模小的延展仅数十厘米或数十米 甚至可以十很微小的不连续裂隙 方位 即结构面的产状 延续性 表征结构面延伸长度和展布范围的指标 间距 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 反映岩体的完整性 粗糙度 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 起伏程度用起伏差和起伏角表示 结构面侧壁强度 它可以反映结构面经受风化的程度 张开度 指结构面两壁间的垂直距离 充填物 结构面内常见有砂 粘土 角砾 岩屑及硅质 钙质 石膏质沉淀物 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 充填厚度不同时 变形和强度不通 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 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 体积节理组数J 是单位体积通过的总节理数 可根据此来堆块体大小进行分类 原生型 沉积成因的 岩浆活动成因的 变质成因的分布 成层条件好 层次多 有韵律 分布广 厚度大 延伸远 产状稳定 且与岩层一致 次生型 风化 地下水外营力作用形成的夹层分布 产状不稳定 厚度变化大 成层条件不好 主要分布在风化卸荷带或地下水循环带内构造型 层间错动带 断层破碎带分布 厚度变化大 延续通过多种岩性 倾角变化大 可能彼此相交 3 软弱夹层 夹在岩体中的泥质和炭质含量高 遇水易软化 延伸长 厚度薄 物理力学性质差的软弱岩层 软弱夹层的成因与分类 长委 据葛洲坝的研究成果 建议 软岩夹层 夹在坚硬岩体中的薄层软弱岩层碎块夹层 80 以上粒径大于2mm的粗碎屑 碎块 砾石 粘粒含量少于10 碎屑夹层 2 0 5mm的细碎屑30 2mm的粗碎屑30 50 粘粒10 30 泥化夹层 结构松散 粘粒含量 30 含水量高 密度低 黄委 据小浪底的研究成果 建议 软岩夹层 砂岩间的页岩 粘土岩 粉砂岩薄层 泥化夹层泥化夹层按粒度成分和厚度变化可分为 全泥型 厚度大于3mm 不夹角砾泥夹粉砂和粉砂夹泥型 角砾含量小于10 的粉土层泥膜型 不含角砾的薄粘土层泥夹角砾型 角砾含量小于10 的粘土层角砾夹泥型 角砾含量在10 50 的粘性土层 泥化夹层 是软弱夹层中物理力学性质最差 强度最低的关键部位 对岩体稳定性往往起控制作用 是软弱夹层工程地质研究的重点 泥化夹层形成的基本条件 软弱夹层是形成泥化夹层的物质基础 提供泥质和炭质矿物 构造破坏是形成泥化夹层的主导因素 裂隙化破坏了硬岩对软岩的保护作用 层间错动对软弱岩层的研磨作用 地下水和风化作用是泥化夹层的必要条件 地下水的浸泡 软化 泥化 溶解和崩解作用 风化的机械破坏和风化作用 泥化夹层的基本特征 泥化夹层的结构特征 具有明显错动面和分带性 通常可有三种不同的构造影响带 即节理带 劈理带和泥化带 泥化夹层的矿物成分和化学成分 矿物成分以粘土矿物为主 与母岩性质和后期改造程度有关 粒度成分以粘粒和粉粒为主 主要化学成分位SiO2 Al2O3 Fe2O3 泥化夹层的水理性质 泥化夹层的膨胀量与膨胀力 主要与粘土矿物成分和微结构面的发育程度有关 以蒙脱石为主的夹层 膨胀量可大8 泥化夹层具有明显渗流层状分带现象和渗流集中的特点 泥化夹层的物理力学性质 主要由夹层内物质成分 结构特征 上下界面形态决定 物理力学性质差 三高 高含水量 高崩解性 高分散性 三低 低重度 低强度 低模量 泥化夹层在长期渗水作用下的演变趋势 化学成分的变化 主要发生盐类的溶解 阳离子的交换 碳酸钙的溶蚀 游离氧化物的溶解 胶溶及氧化还原反应 渗透稳定的变化 恶化 机械管涌 爆发式挤出破坏 抗剪强度的变化 降低 泥化夹层在特定条件下的流变特性和长期强度 泥化夹层具有流变性 宜取长期强度或剩余强度 约峰值的80 反复荷载作用下取残余强度 动力强度 振动对泥化夹层强度的影响程度与振动的振幅 频率和夹层的孔隙比有关 4 岩体结构分类 水利水电工程地质勘察规范 GB50287 99 实行的分类标准 4大类12亚类 岩土工程勘察规范 GB50021 2001 实行的分类标准 4 3岩体的主要力学特性 岩体易于岩块变形 并且其强度显著低于岩块的强度 1 岩体的变形特征 岩体的变形包括结构面变形和结构体变形 如图所示 岩体的应力 应变曲线可分为四个阶段 图中OA段曲线呈凹状缓坡 节理压密闭合造成 AB段是结构面压密后的弹性变形阶段 BC段呈曲线形 表明岩体已产生微破裂或塑性变形 C点的应力值是岩体的峰值强度 过C点后产生应力降表明岩体进入全面的破坏阶段 变形模量和弹性模量是表征岩体变形的重要参数 如图示 岩体在反复荷载作用下对应于每一级压力的变形 均有弹性变形 e和ep两部分 变形模量E0和弹性模量Ee分别为 岩体的变形模量可以表示岩体质量的好坏 根据岩体中结构面发育情况 充填情况及岩石性质的差异 岩体在加载变形过程中 其压力P与变形W的关系曲线可以分为三种类型 2 岩体的流变特征 流变性 物体在外部条件不变的情况下 应力或应变随时间而变化的性质 有蠕变和松弛两种表现形式 蠕变 在应力一定的条件下变形随时间的持续而逐渐增长的现象 松弛 在变形保持一定时 应力随时间的增长而逐渐减小的现象 岩体的蠕变曲线 因恒定荷载大小不同可分为两种类型 一类是在较小的恒定荷载作用下 变形随时间增长 变形速率递减最后趋于稳定 另一类为趋于非稳定的蠕变 即当恒定荷载超过某一极限值后 变形随时间不断增长 最终导致破坏 典型的蠕变曲线可分为三个阶段 初始蠕变阶段 如上图中的OA段 其特点是变形速率逐渐减小 所以又称为阻尼阶段 等速蠕变阶段 如图中的AB段 其变形缓慢平稳 应变随时间呈近于等速的增长 加速蠕变阶段 如图中的BC段 本阶段的特点是变形速率加快直到岩体的破坏 从图中知 当岩体所受的长期应力超过某一临界应力值时 岩体才经蠕变发展至破坏 这一临界应力值称为岩体的长期强度 以 或 表示 岩体的长期强度取决于岩石及结构面的性质 含水量等因素 3 岩体的强度性质 无充填结构面的强度取决于起伏形态 粗糙度和凸起体强度 平直光滑结构面 20 40 c 0 0 1MPa粗糙结构面正应力较小时 正应力较大时 突起体被剪断 不发生剪胀 各种岩石结构面基本摩擦角的近似值 有充填结构面的强度取决于充填物的成分 尤其是粒度成分 和厚度 随粘粒含量增加强度降低随厚度增加强度降低充填度 t h 充填物厚度与起伏差之比随充填度增加力学强度降低 充填度大于2时 结构面抗剪强度稳定于充填物强度 水利水电工程地质规范中软弱夹层的分类和抗剪强度取值 定义及别称别称 也叫初始应力 初应力定义 在未经人为扰动 工程荷载 工程开挖 的天然状态下 地壳岩体中所具有的内应力 其他 感生应力附加应力二次应力三次应力 4 3岩体的天然应力状态 自重应力 由岩体自重产生的应力 垂直自重应力 z hh 上覆岩土体厚度 m 容重 重度 水平自重应力 x y z 1 0 25 0 43 0 2 0 3 砼 1 6 深部淤泥 0 5 1特点 随h的增大而增大 z x y 普遍存在 天然应力的种类及特征 由构造运动产生的应力 活动应力 残余应力 无理论计算方法 仅依靠实测 现状 应力恢复法 应力解除法 水压致裂法 特点 不严格随h的增加而增加 具有明显的方向性 受构造运动方向控制 1 3为水平向 2为垂直向 也有例外 可比自重应力大得多 如二滩左岸37m深 1 近水平 66 3MPa 右岸53 5m 1 40 8MPa 分布的区域性 我国西南 西北高应力区 普遍存在应力卸荷带 全 强风化带 仅存于岩体中 构造应力 剩余应力 因风化剥蚀 由卸荷作用残留在岩体中的自相平衡的应力 垂直应力减小 水平应力保持不变 变异应力 由岩体的物理状态 化学性质或赋存条件等的变化而产生的应力 只局部存在 各向异性明显 如岩浆侵入接触带 喷出岩冷凝 据实测资料分析 很不成熟 很不完善 v随h的变化 以自重应力为主 约呈线性关系 v 0 024 0 027 h MPa h随h的变化 很复杂 1的方向和大小 具明显的区域性特点 主要取决于地质历史和构造运动的方式 方向 以自重应力为主的地区 以垂向为主 高地应力地区 以水平向为主 我国地应力活动分区见P58图 大概以甘 青交界 川 滇中部一线为界 东 西两部分近期构造应力活动方式不同 西部地区 主要受南北方向的挤压作用控制 1方向 NNW 近SN 东部地区 主要受东西方向的挤压作用控制 以秦岭纬向构造带为界 北部的华北 东北 1方向 NEE 近EW南部的华南 1方向 近EW NWW 东 西交界地带 复杂 双重控制 最大剪切应力随h的变化 在地壳1 2km之内比深部增加迅速 中等深度以上一般 20MPa 硬岩比软岩高得多 断层活动性与之关系密切 以压应力为主 2 地应力场的分布及变化规律 对工程建设的影响 对区域稳定性的影响 地震 活动性断裂 对岩体变形稳定的影响 对围岩稳定的影响 开挖后形成临空面 应力重分布 增加 r减小 收敛变形 山岩压力 岩爆 失稳 洞线选择很重要 对边坡的影响 河谷下切 卸荷回弹 a 卸荷带岩体 性质差 b 差异卸荷 基坑边坡剪切滑移 倾倒变形 如 小浪底 对地基基础的影响 基坑底部隆起 破坏坝轴线方向的选择 3 地应力研究的工程意义 定性评价与定量测量相结合研究内容和方法 构造应力场的演变史和现代地应力的基本特征方法 高地应力区存在及分布地质 地貌标志 岩组分析方法 定向取样 偏光显微镜及伦琴射线仪等观测矿物颗粒的应变状态 得出主应力方向 现场测定 构造应力图的编制 钻进中的岩饼 平硐中的岩爆 深切 陡峻的峡谷 地质力学分析法 断层错动机制解的赤平投影解析法 地震震源机制解 4 地应力的工程地质研究 区域地震地质条件分析 是否具备高应力条件 地形地貌分析 河谷及冲沟的发育程度及切割深度 切割深 条数多 山体支离破碎 应力释放 难以赋存高地应力 山体雄厚 具备赋存高地应力的条件 地层岩性 岩性软弱则难以赋存高地应力 岩体完整性 岩体破碎则难以赋存高地应力 岩体风化程度 全 强风化带则难以赋存高地应力 地应力的定性评价 4 4岩体的工程分类 岩石的质量指标RQD rockqualitydesignation 是采用直径为75mm的双层岩心管金刚石钻进 提取直径为54mm的岩心 将长度小于10cm的破碎岩心及软弱物质剔除 然后测量大于或等于10cm长柱状岩心的总长度 Lp Lp与本回次进尺长度之比即为RQD 节理岩体的地质力学分类RMR RockMassRating Z T 比尼威斯基于1973年提出的用