第二章 岩块和岩体的地质特征.doc

第二章 岩块和岩体的地质特征第一节 概 述岩体与岩块本质的区别：岩体中存在有各种各样的结构面；不同于自重应力（场）的天然应力场和地下水。第二节 岩 块一、岩块的物质组成（substance composition）1 岩块（rock or rock block）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。国内外，有些学者又称为结构体（structural element）、岩石材料（rock material）及完整岩石（intact rock）等等。2 岩石（rock）具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集合体。3岩块的力学性质一般取决于组成岩块的矿物成分及其相对含量。造岩矿物五大类：含氧盐、氧化物及氢氧化物、卤化物、硫化物、自然元素。其中，含氧盐中的硅酸盐、碳酸盐及氧化物类矿物最常见，构成99.9%的岩石。（1）硅酸盐类矿物：长石、辉石、角闪石、橄榄石及云母和粘土矿物等。长石、辉石、角闪石和橄榄石，硬度大，呈粒、柱状晶形，如含此类矿物多的岩石：花岗岩、闪长岩及玄武岩等，强度高，抗变形性能好。多生成于高温环境，易风化成高岭石、水云母等，无以橄榄石的基性斜长石等抗风化能力最差，长石、角闪石次之。粘土矿物：属层状硅酸盐类矿物，主要有高岭石、水云母（伊利石）和蒙脱石三类，具薄片状或鳞片状构造，硬度小。含此类矿物多的岩石如粘土岩、粘土质岩，物理力学性质差，并具有不同程度的胀缩性。（2）碳酸盐类矿物是石灰岩和白云岩类的主要造岩矿物。岩石的物理力学性质取决于岩石中CaCO3及酸不溶物的含量。CaCO3含量，如纯灰岩、白云岩等强度高，抗变形和抗风化性能比较好；泥质含量，如泥质灰岩、泥灰岩等，力学性质较差；硅质含量，岩石性质将娈好。碳酸盐类岩体中，常发育岩溶现象。（3）氧化物类矿物以石英最常见，是地壳岩石的主要造岩矿物。硬度大，化学性质稳定。石英，岩块的强度和抗变形性能明显增强。4岩块的矿物组成与岩石的成因及类型密切相关（1）岩浆岩：多以硬度大的粒柱状硅酸盐、石英等矿物为主，物理力学性质一般很好。（2）沉积岩：粗碎屑岩如砂砾岩等，力学性质很大程度上取决于胶结物成分及其类型；细碎屑岩如页岩、泥岩等，多以片状的粘土矿物为主，力学性质一般很差。（3）变质岩：与母岩类型及变质程度有关。浅变质岩如千枚岩、板岩等，多含片状矿物（如绢云母、绿泥石及粘土矿物等），岩块力学性质较差。深变质岩如片麻岩、混合岩、石英岩等，多以粒状矿物（如长石、石英、角闪石等）为主，力学性质好。二、岩块的结构与构造（structure and construct）1岩块的结构（岩石结构）指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。二者对岩块（石）的工程性质影响最大。（1）岩石中结构连结的类型有两种：结晶连结(crystal connect)如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩。胶结连结(cementing connect)如沉积碎屑岩、部分粘土岩，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。从胶结物来看，硅质胶结的岩石（块）强度最高，铁质、钙质胶结次之，泥质胶结强度最低，且抗水性差。从胶结类型来看，基底式胶结（a）强度最高，孔隙式胶结（c）次之，接触式胶结（b）最低,见图2.1。图2.1 碎屑岩胶结类型（2）微结构面指存在于矿物颗粒内部或颗粒之间的软弱面或缺陷（空隙），包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层面及片理面、片麻理面等。降低岩块的强度，导致岩块力学性质的明显各向异性。2岩块的构造指矿物集合体之间及其与其它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向构造等等。三、岩块的风化程度（weathering extent）风化程度，岩块的空隙率和变形随之增大，强度降低，渗透性加大。如：花岗岩类岩石破裂雨水中的H2CO3分解H2CO3与长石、云母、角闪石等矿物作用Fe、Mg、K、Na等可溶盐析出与游离SiO2被地下水带走岩屑、粘土物质和石英颗粒留于原地。1定性指标：颜色、矿物蚀变（ablation）程度、破碎程度及开挖锤击技术特征等。2定量指标：（1）风化空隙率指标（Iw）（Hamral，1961）：快速浸水后风化岩块吸入水的质量与干燥岩块质量之比。（2）波速指标（据岩土工程勘察规范GB50021-2001）（附表A.0.3，岩石按风化程度分类）波速比（Kv）： 风化系数（Kf）：其中：Vcp、Vrp分别为风化岩块和新鲜岩块的纵波速度（m/s）；、分别为风化岩块和新鲜岩块的饱和单轴抗压强度（Mpa）。第三节 结构面结构面（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、厚度相对较小的宏观地质界面或带。“不连续面（discontinuities）或节理（joint）”一、结构面的成因类型（1）地质成因类型原生结构面：岩体在成岩过程中形成的。（包括沉积结构面如层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面；岩浆结构面；变质结构面）构造结构面：断层、节理、劈理和层间错动面等。次生结构面：如卸荷、风化裂隙和次生夹泥和泥化夹层等。（2）力学成因类型剪性结构面：剪应力引起，如逆断层、平移断层以及多数正断层。连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等现象发育。张性结构面：拉应力引起。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。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等特征。其构造岩多为角砾岩，易被充填。含水丰富，导水性强。二、结构面的规模及分级（1）按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，可将结构面分为如下5级，见表21：（2）从工程地质测绘观点来看，可分为两大类：表21 结构面分级及其特性级序分级依据地质类型力学属性对岩体稳定性的作用级延伸数km至数十km以上，破碎带宽约数米至数十米以上。大断层，区域性断层。属于软弱结构面，构成独立的力学介质单元。影响区域稳定性，山体稳定性。级延伸数百米至数千米，破碎带宽约数十厘米至数米。较大的断层、层间错动、不整合面及原生软弱夹层等。属于软弱结构面，形成块裂边界。控制工程区的山体稳定性或岩体稳定性。级延伸数十米至数百米，宽度数厘米至1m左右。各种类型的断层、区域性节理、层面及层间错动带等。多数属于坚硬结构面，少数属软弱结构面。影响或控制工程岩体如地下洞室围岩及边坡岩体的稳定性。级延伸数十厘米至2030m，宽度为零至数厘米不等，统计结构面。节理、层面、次生裂隙、小断层、片理、劈理、卸荷裂隙、风化裂隙等。坚硬结构面。影响岩体的完整性和力学性质，是岩体分类及岩体结构研究的基础。级连续性差，刚性接触的细小或隐微裂面，统计结构面。隐节理、微层面、微裂隙和线理等。硬性（坚硬）结构面。分布随机，降低岩块强度，是岩块力学性质效应基础。注：结构面内夹有软弱物质者属于软弱结构面，无充填者则属于坚硬结构面。三、结构面特征及其对岩体性质的影响主要就级结构面进行讨论。（数十厘米至2030m，宽度为0至数厘米）1 产状（结构面与1间的关系控制着岩体的破坏机理与强度）图2.2 结构面产状对破坏机理的影响示意图（a）结构面与最大主平面的夹角为锐角，岩体滑动破坏；（b）当=0时，横切结构面产生剪断岩体破坏；（c）当=90时，平行结构面的劈裂拉张破坏。1-3=2（cj+3tgj）/（1-tgjctg）sin2,式中：cj、j分别为结构面的粘聚力和磨擦角。2连续性反映结构面的贯通程度。用线连续性系数（k1）、迹长和面连续性系数（k2）表示。 图2.3 结构面的连续性系数计算图示3密度反映结构面发育的密集程度，常用线密度（kd）和间距表示。线密度（kd）：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）d 间距4张开度（e）（mm）指结构面两壁面间的垂直距离。5形态可从侧壁的起伏形态及粗糙度两方面描述。起伏形态平直的、波状的、锯齿状、台阶状和不规则状的。粗糙度粗糙系数JRC。6充填胶结特征（1）Fe、Si质胶结的强度最高，往往与岩石强度差别不大；泥质、易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。（2）就充填物成分来说以砂质、砾质等粗粒充填的结构面性质最好；以粘土质（如高岭石、绿泥石、水云母、蒙脱石等）和易溶盐类充填的结构面性在最差。7结构面的组合（特征）关系控制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。四、软弱结构面主要包括原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其它夹泥层等。第四节 岩 体一、岩体的定义与组成岩体（rockmass）：指在地质历史过程中形成的，由岩石单元体（或称岩块）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。二、岩体的结构特征1岩体结构（rockmass structure）：指岩体中结构面与结构体的排列组合特征。包括两个要素或结构单元：结构面和结构体。2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。“岩块”与“结构体”的区别：只有级结构面切割的级结构体才称为“岩块”。规模（取决于结构面的密度）、形态（柱状、板状、楔状和菱形等）和产状（长轴方向）来描述结构体特征。3岩体的结构类型划分见岩土工程勘察规范GB50021-2001附录A，表A.0.4五类：整体状结构、块状结构、层状结构、碎裂状结构和散体状结构。三、岩体成因与岩体特征根据地质学的岩石成因分类，岩体分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。1岩浆岩（magmatic rock）以花岗岩和玄武岩最常见。（1）特点：无层理，产状复杂，其岩相则表现在结晶程度上。（2）根据岩浆活动方式：深成岩：抗风化能力弱，完整性差，岩体力学性能差；浅成岩：岩石力学性质较好，抗风化能力强；喷出岩：结构复杂，均一性差，各向异性显著，岩体力学性能较差。2沉积岩（又叫水成岩）（sedimentary rock）层理构造，岩体呈层状结构（1）该类岩石的性质主要取决于胶结物成分，胶结方式及碎屑成分；（2）其中凝灰岩和凝灰质页岩，结构疏松强度低，抗风化与抗水性能差；（3）多致密坚硬，强度较高，是良好的建筑石材，但存在岩溶现象。3变质岩（metamorphic rock）一般地，与沉积岩相比，其性质要相对好些。但其中常发育有片理、片麻理等结构面，使岩石连结力减弱并呈现明显的各向异性。片理（面）：岩石中片状或长条状矿物是连续的平行、定向排列，形成平行、密集而不甚平坦的破裂面。片麻理：长石为主的粒状矿物中断续夹有部分平行定向排列的片、柱状矿物，是呈带状分布，为一种特殊的片理构造。按成因分为三大类：第五节 岩体的工程分类一、岩块（石）的工程分类1迪尔（Deere）和米勒（Miller）的双指标分类（1966年）单轴抗压强度（）和单轴抗压强度（）与切线模量Et之比值作为分类指标。2岩石坚硬程度分类岩土工程勘察规范（GB50021-2001）分为五类：坚硬程度坚硬岩软坚硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度fr（Mpa）f6060fr3030fr515fr5fr5二、岩体的工程分类1岩体质量分级（工程岩体分级标准GB50218-94）采用二级分级法：先按BQ初步分级；然后针对工程岩体特点，考虑天然应力、地下水和结构面的影响，再按修正后的BQ分级。 岩体基本质量（rock mass basic guality）（BQ）：岩体所固有的影响工程岩体稳定性的最基本属性。它是由岩石坚硬程度和岩体完整程度所决定的。由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。两种方法：定性划分和定量指标。定量指标法：岩石坚硬程度岩石单轴饱和抗压强度（Rc），为实测值。当无条件实测时，也可用实测的岩石点荷载强度指数换算：点荷载强度指数（Point Load Strength Index）：直径50mm圆柱形试件径向加压时的点荷载强度。岩体完整程度岩体完整性系数（Kv），为实测值。当无条件取实测时值，可用指岩体体积节理数（Jv），按表查出。岩体基本质量指标（BQ）：BQ=90+3Rc+250Kv式中，当Rc90Kv+30时，取Rc=90Kv+30；当Kv0.04Rc+0.4时，取Kv=0.04Rc+0.4；其中Kv=（Vpm/Vpr）2Vpm岩体弹性纵波速度（km/s）；Vpr岩石弹性纵波速度（km/s）。工程岩体（也叫围岩）的稳定性，除与岩体基本质量的好坏有关外，还受地下水、主要软弱结构面、天然应力的影响。结合工程特点，考虑各影响因素来修正岩体基本质量指标：BQ=BQ-100（k1+k2+k3）式中：k1为地下水影响修正系数； k2为主要软弱面产状影响修正系数； k3为天然应力影响修正系数。2岩体地质力学分类（RMR分类）（Rock Mass Rating）由南非科学和工业研究委员会（Council for Scientific and Industrial Research）提出的CSIR分类指标值RMR包括岩