地壳岩体结构特征的工程地质分析

地壳岩体结构特征的工程地质分析,本章学习内容和要求,掌握岩体、岩体结构、结构面、结构体的基本概念，建造和改造在岩体结构形成中的作用，研究岩体结构的意义；掌握结构面的成因类型，了解其主要特征，岩体结构分类和岩体质量分类的代表性方案；了解岩体原生结构特征的成因及特征，岩体结构的岩相分析方法；了解岩体结构特征的改造以及岩体构造结构特征的地质力学分析方法；掌握结构面统计调查的路线精测法及其资料校正方法，岩体结构特征定量化研究的程序，了解岩体结构统计分析的意义及作用。,本章学习重点和难点,本章重点：（1）岩体结构的概念，岩体结构的形成及演化规律；（2）岩体结构类型划分及其研究意义、岩体结构类型的实用价值；（3）岩体结构的统计方法路线精测法。本章难点：（1）结构面成因类型的空间分布特征，岩体结构分类；（2）岩体结构介质模型应用。按介质的连续性特征，不同的力学理论适用于不同的岩体结构介质。,岩体（rockmass）：通常指地质体中与工程建设有关的那一部分岩石，它处于一定的应力状态、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（structuralplane）：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。由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面（discontinuities）。结构体（structuralbody）：结构面在空间的分布和组合将岩体切割成形状、大小不同的块体，称结构体。,1.1基本概念及研究意义,1.1基本概念及研究意义,岩体结构特征的形成岩体结构特征是在漫长的地质历史发展过程中形成的，是建造与改造两者综合作用的产物。它以特定的建造（如沉积岩建造、火成岩建造和变质岩建造）为其物质基础。建造确定了岩体的原生结构特征；而岩体经历的不同时期、不同程度的构造作用改造以及浅、表生作用（如风化、卸荷、地下水作用等，主要是地壳浅、表部岩体）改造，使岩体结构趋于复杂化。,1.1基本概念及研究意义,岩体的天然应力状态十分复杂，与构造应力场、岩体的结构特征及所处的地貌部位等因素相关。将“岩体”广泛运用到工程地质学研究当中，也不过才几十年，但它代表一个极为重要的发展阶段。之前评价岩体（岩石材料性质）之后评价岩体（岩体结构特征、岩体的力学属性、岩体的变形破坏机制与过程等）,1.1基本概念及研究意义,工程地质之所以要将岩体的结构特征作为重要研究对象，意义如下：（1）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，才有可能阐明岩体在不同荷载下内部的应力分布和应力分异状况。,1.1基本概念及研究意义,（2）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。,1.1基本概念及研究意义,坝基岩体由泥盆纪砂岩、板岩组成，地层中夹有一层由层间错动和地下水的活动造成的板岩泥化夹层，倾角一般小于10。，其内摩擦系数f0.240.30(内摩擦角14。17。)，抗剪强度低,上犹江电站坝基内板岩泥化夹层,例如在岩石坝基的深部滑动抗滑稳定性分析中，有些结构面为切割面(包括横向切割面和侧向切割面,详见第十一章P445)，而有些成为滑移控制面。,1.1基本概念及研究意义,结构面影响地下洞室围岩的稳定,结构面影响边坡岩体的稳定性,1.1基本概念及研究意义,（3）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跃的部位，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。,坚硬岩石组成的斜坡前缘卸荷裂隙导致崩塌示意图灰岩；砂页岩互层；石英岩,软硬岩性互层的陡坡局部崩塌示意图1砂岩；2页岩,1.1基本概念及研究意义,此外，对岩体结构特征的研究还可以推广于宏观地质体，应用于区域构造稳定性评价。宏观地质体中的莫霍面、构造层的分界面、区域性大断层等相当于地质体中的巨型结构面。,1.1基本概念及研究意义,总之，对岩体结构特征的研究，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。,1.1基本概念及研究意义,1.2.1结构面的主要类型及特征结构面的成因分类（最基本的分类方法）：原生结构面、构造结构面及浅、表生结构面。其主要特征及工程地质评价详见表1-1。,沉积结构面：层理，层面，软弱夹层，不整合面，假整合面，古冲刷面等。火成结构面：侵入体与围岩接触面，岩脉、岩墙接触面，喷出岩的流线、流面，冷凝节理面等。变质结构面：片理，片麻理，板劈理，片岩软弱夹层等。,原生结构面,1.2岩体结构特征及主要类型,1.2岩体结构特征及主要类型,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,构造结构面,浅表生结构面,浅部结构面,表部结构面,卸荷断裂重力扩展变形破裂卸荷裂隙风化裂隙风化夹层泥化夹层次生夹泥,1.2岩体结构特征及主要类型,1.2岩体结构特征及主要类型,续表1-1,1.2岩体结构特征及主要类型,结构面规模等级划分：按其对岩体力学行为所起控制作用，可划分为三个等级，即贯通性宏观软弱面（A类）、显现结构面（B类）和隐微结构面（C类）。,1.2岩体结构特征及主要类型,按岩体结构面规模及其力学效应：将结构面分为5级（孙广忠）。,1.2岩体结构特征及主要类型,表6-2结构面分级及其特征（据孙广忠，1988）,1.2.2岩体分类分类方案多，可归结为岩体结构分类和岩体工程应用分类两种分类系统，发展趋势是：力图使分类指标定量化。岩体结构分类岩体结构是建造和改造这两方面的综合产物，岩体结构类型划分也必须从这两方面综合考虑。按建造特征可将岩体划分为块体状（或整体状）结构、块状结构、层状结构、碎块状结构和散体状结构等类型。,1.2岩体结构特征及主要类型,块体状结构：代表岩性均一、无软弱面的岩体，含有的原生结构面具有较强的结合力，间距大于1m。通常出现在厚层的碳酸盐岩、碎屑岩；花岗岩、闪长岩；原生节理不太发育的流纹岩、安山岩、玄武岩、凝灰角砾岩中。块状结构：代表岩性较均一、含有23组较发育的软弱结构面的岩体，结构面间距10.5m。成岩裂隙较发育的厚层砂岩或泥岩，槽状冲刷面发育的河流相砂岩体等沉积岩，原生节理较发育的火山岩体等。,1.2岩体结构特征及主要类型,层状结构：代表含有一组连续性好，抗剪性能显著较低的软弱面的岩体，一般岩性不均一。可进一步分为层状（软弱面间距5030cm）、薄层状（间距小于30cm）。还可以据岩性不均一程度划分出软硬相间的互层状结构。碎块状结构：代表含有多组密集结构面的岩体，岩体被分割成碎块状，以某些动力变质岩为典型，如溪洛渡泡灰岩。另外，按岩体改造的程度可划分为完整的、块裂化或板裂化、碎裂化和散体化等四个等级。岩体结构分类已被广泛采用，划分依据和各结构类型岩体的主要特征如图1-4。,1.2岩体结构特征及主要类型,块裂,1.2岩体结构特征及主要类型,1.2岩体结构特征及主要类型,岩体的工程应用分类工程应用分类是以岩体稳定性或岩体质量评价为基础的分类，为综合性分类。目前主要考虑三方面因素的指标：即与岩石工程性质有关的指标（力学性质）、岩体后期改造有关的指标(岩体结构)和岩体赋存条件方面的指标（地下水或地应力等）(表1-3)。通常有:宾尼亚斯基的RMR分类（1973）;巴顿的Q系统分类（1974）;谷德振的岩体质量指标Z系统分类（1979）。此种分类力图将类型与岩体稳定性分析和定量评价以及对策设计等实际问题联系起来，因而受到地质和工程界的重视。（可详见工程地质勘察教材或其它文献）,1.2岩体结构特征及主要类型,1.2岩体结构特征及主要类型,分类标准的定量化岩体质量指标20世纪70年代以来岩体分类中采用了“岩体质量指标”或“综合特征指标”来判别岩体性能的优劣，因而含有这类指标的分类又被称为岩体质量分级，如上所述的RMR、Q和Z系统。分类中有了定量指标作为依据，更便于将作过详细勘探测试研究的场地的经验和成果应用于研究程度较差或处于勘测初级阶段的工地，从而达到简化和减少勘测程序和工作量的目的。分类中的定量指标还可用于讨论不同分类方案之间的相关性。如鲁弗里奇等根据新西兰多个工程的经验，对RMR、RSR和Q系统三者得出的如下关系式：,RMR=1.35lgQ+43RSR=0.77RMR+12.4RSR=13.3lgQ+46.5,1.2岩体结构特征及主要类型,方法举例RQD（RockQualityDesignation）分类RQD值：用直径75mm金刚石钻头和双层岩芯管钻进，大于等于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度百分比。岩土工程勘察规范GB50021-2001,1.2岩体结构特征及主要类型,RMR（RockMassRating）分类Bieniawski（1973）提出，其分类系统由岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水5类参数组成。,1.2岩体结构特征及主要类型,SMR（SlopeMassRating）分类Romana据自己和同行们的工程实践经验，引进不连续面边坡面产状关系、边坡破坏模式、边坡开挖方法等几个参数，提出了用于边坡的岩体质量评价方法SMR方法。SMRRMR（F1F2F3）F4,1.2岩体结构特征及主要类型,1.2岩体结构特征及主要类型,巴顿岩体质量分类（Q系统）巴顿（1974）等提出，其分类指标为：式中：RQD岩石质量指标；Jn节理组系数；Jr节理粗糙度系数；Ja节理蚀变影响系数；Jw节理水折减系数；SRF应力折减系数。,1.2岩体结构特征及主要类型,事实上，Q指标可看成三个参数的函数：RQD/Jn粗略表示岩石块度，代表岩块尺寸，反映岩体结构的影响；Jr/Ja代表嵌合岩块间抗剪强度，反映节理壁或节理充填物的粗糙度和摩擦特性；Jw/SRF表示岩体中各种应力的存在对岩体质量的折减。,1.2岩体结构特征及主要类型,岩体质量指标分类（RMQ）简称M法，由我国水利水电部提出，其指标为：KR为岩石软化系数。,1.2岩体结构特征及主要类型,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,岩相的横向变化引起岩性及厚度的变化，从而引起岩体的力学性质在横向上的差异性。因此，采用岩相分析的理论与方法，充分了解岩相变化可以更好地阐明其结构特征，为工程建设服务。以沉积岩建造和变质岩建造为例。,1.3.1河流相沉积岩岩体结构特征的岩相分析河流沉积主要相模式及其工程地质特征河流沉积建造大体上可归为三种相模式，即高弯度河流、低弯度河流、辫状（网状或游荡型）河流。其主要工程地质特征分别如下：,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,（1）高弯度河流沉积相模式特点：河床坡降缓、弯度大、水流较深、流态较稳定、以单向环流为主的河流沉积模式。其三度空间结构形式如图1-5（a）。,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,岩体工程地质特征：a.岩体具层状或软硬相间互层状结构特征。天然堤和洪泛相（合称顶部相）的泥岩、粉砂岩为这类岩体中分布稳定的软弱层。板状产出，分布广，厚几厘米数米。该层顶部有时可见呈扁豆体状分布的上一旋回的滞留砾岩，如果富含泥砾，为软弱夹层。但往往厚度薄、连续性差，分布范围小。模式中砂岩体厚度与古河流水深相近（图1-5（b），厚度变化小。这类河流近期的沉积物中，被上覆连续性好的粘土层封闭而固结度较差的饱水边滩相粉细砂层，在外荷载尤其是动荷载条件下，可出现震动液化导致上覆土层沉陷，也为重要的软弱层。相模式中还有一些水流事件性变化造成的沉积物，如废弃河道、决口扇等沉积物，使岩体结构更加复杂化。,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,b.砂岩体抗风化性能弱，强度具明显自下而上的递变规律。边滩相砂岩体其物质主要来源于附近上游区的冲刷凹岸，搬运距离短，矿物成分的成熟度低，即易磨损及易风化的矿物或岩屑含量较高。大多为泥钙质胶结的长石砂岩或硬砂岩，抗风化能力低。如四川白垩系红层这类砂岩体的全风化深度可超过20m。单向环流，上升段水流流速随高度增加而降低，砂岩体的粒度成分由下而上逐渐变细，愈靠近上部混入的悬移质成分也愈多，而靠近底部的砂体，成岩过程中其固结和钙质胶结物的补给条件一般较上部有利。最终造成砂岩体强度由下向上递减，有的甚至相差数倍。总之，这类相模式岩体以具有连续性较好的低强度的软弱层为其主要特征。岩体抗滑稳定性差、抗风化能力弱。,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,（2）辫状（游荡型）河流沉积相模式特点：坡降陡、河床不稳定、弯度小、水浅、流态不稳定、具复杂环流的河流沉积模式。其三度空间形式如图1-6。,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,岩体主要工程地质特征：a.岩体具层状或块状结构特征。岩体中以含泥砾的滞留砾岩层为其主要软弱层，断续分布，起伏差大，多呈槽状。顶部的泥质粉砂岩通常被冲刷殆尽，或呈零星分布。见图1-7。,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,b.砂岩体具较高的抗风化能力和强度。心滩相砂（砾）岩体是水流绕心滩时分时合的侧向加积物，矿物成分较边滩相更复杂，但成熟度较好，以钙质胶结的长石石英砂岩或石英砂岩为主，抗风化能力较边滩相砂岩强。辫状河流坡降陡，砂岩体颗粒较粗，常含有砾石或卵石，悬移质成分很少。砂岩体粗细交错，原始透水性比边滩相砂岩体强，顶部又无连续的粘土隔水层，固结和胶结条件好。因此，其砂岩体强度一般较边滩相砂岩体高。总之，辫状（游荡型）河流相模式岩体的抗滑稳定性较强。但当零星分布有泥岩体时，可能造成不均匀变形。,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,（3）低弯度河流沉积相模式其特征介于上述两类之间，可具有连续性较好、厚度较薄的顶部相泥岩粉砂岩软弱层。,岩体原生结构特征的亚相、微相分析通过对沉积环境的地貌或微地貌分析，亦即亚相、微相分析，可进一步阐明上述各相模式中的软弱夹层或软弱结构面的某些细微特征。a.软弱夹层的亚相、微相分析由于生成环境不同，其展布特征、岩性及构造和结构特征、以及顶、底面形态特征也有明显差异。如高弯（或低弯）度河流沉积旋回顶部的泥质粉砂岩软弱层按亚相分析，可细分为洪泛相泥岩层和天然堤相粉砂质泥岩层。高弯度河流相中，有时还可见有由河流侧蚀作用造成的崩塌泥岩块层，或因堵塞河流而形成的堰塞泥岩层。,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,而辫状河流相砂岩中有时可见穿插其中呈波状起伏、分枝带状的薄层泥岩，推测为枯水季节局部死水区悬移质沉积物所构成，削弱了砂岩体的整体强度。具体详见表1-4。,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,b.砂岩体中原生结构面的微相分析根据岩相学研究，流水沉积岩的层理类型与被搬运泥沙的粒度、水流流态和水流强度三者之间有一定关系。eg.高弯度河流的边滩相砂岩体，水流流速和粒度成分自下而上的递变规律，致使层理类型也由下向上从大型板状交错层理、递变为平行层理和小型波状交错层理。而辫状河流的砂岩体则以发育大型槽状交错层理、楔形交错层理、逆行沙波层理等，无明显递变规律。,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,通过微相分析，可将流水沉积岩的层理划分为图1-8所示各类型，它是论证岩体或岩块的各向异性性质和强度特征的重要依据。,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,河流沉积相分析在工程地质分析中具有广泛的应用前景。已有的实践证明，它在岩体的区域性变化规律，选择有利的的建筑场地和评价岩体稳定性以及判定岩石的优势结构面方向等方面，均具有重要的意义。,1.3岩体原生结构特征的岩相分析,一、构造层及构造体系的确定工程地质分析中，对岩体的构造结构特征，最关心以下两个方面：（1）根据构造断裂组合规律（亦即应用特定的组合模式）去分析评价对区域构造稳定性或岩体稳定性具有重大影响的构造结构特征。（2）通过追溯应力场演变史来阐明具有复杂经历的构造断裂的工程地质性质。,1.4岩体构造结构特征的地质力学分析,构造地质学构造地质学的现代研究，提出按变形（破坏）力学机制对构造断裂进行分类(Mattauer等，1980)，将其划分为剪切(shearing)，代表断层和与断层相伴的张性拉裂(fracturing)；弯曲(bending)，代表柔性“同心”或“平行”褶皱；压扁(flattening)，代表强烈挤压条件下劈理、叶理等韧性变形；流动（flowing)代表高温条件下岩石呈固熔状态的粘滞流动变形。构造断裂的形成过程，表现为两种（或多种）机制类型的组合。通常随深度加深和温度增高，呈如下序列：剪切或拉裂拉裂与弯曲弯曲弯曲与压扁压扁压扁与流动流动。按此序列，地壳可划分为上、中、下三个构造层，见图1-12。,1.4岩体构造结构特征的地质力学分析,1.4岩体构造结构特征的地质力学分析,二、典型走滑断层断裂共生组合分析（1）走滑断裂组合的基本模式典型的走滑断裂系统发育在相对稳定的地块中，也可见于板块转换断层接触带，它是最大、最小主应力近于水平的地应力环境下的产物，大多属于脆性剪切破裂。按地质力学观点，断裂组合可有多种形式，但某一主干断层与其伴生的不同次序的断裂的组合形式，可视为基本模式。巴杰利（1959）曾提出一对共轭走滑断层与各序次断裂共生组合的理想模式（图1-19），他把低序次断裂变形视为是主断层错动时派生的分主应力的产物。,1.4岩体构造结构特征的地质力学分析,1.4岩体构造结构特征的地质力学分析,20世纪80年代以来，大量调查证明，实际情况要复杂一些。一些研究者提出了如图1-20所示单剪状态下的断裂组合模式。两种模式的差别：主要表现在分主应力与断层的夹角，前者明显大于后者。近期研究表明，最大主应力方向在断裂附近因错动而偏转，其偏转方向与岩体所处的应力状态有关，即压缩条件下，主应力向与断层夹角减小的方向偏转图1-20（b）下；在拉张应力条件下，则向夹角增大方向偏转图1-20（b）上。,1.4岩体构造结构特征的地质力学分析,1.4岩体构造结构特征的地质力学分析,此外，上述断裂组合模式的下述特征，在研究岩体构造结构特征分析中有重要意义：a）各序次断裂以及主应力与各序次分应力之间的夹角有一定规律。以巴杰利模式为例（图1-19），1a与1b及2a与2b之间夹角2大体等于90（为岩石内摩擦角），随围压的增高2更接近90。,1.4岩体构造结构特征的地质力学分析,b）断裂的上述共生组合并不只限于走滑断层。以极射赤平投影图来表示各断裂的组合情况，由于大部分低序次断裂与主干断裂一样，均与包含最大、最小主应力的主平面近于正交，因而当走滑断层与地面（即赤平面）正交时，各断裂面的极点和最大、最小主应力方向极点均分布在圆周线上，极点之间弧距代表相互间的夹角（图1-21a）。如果断层面以其它角度与赤平面相交，各极点将以特定的角度关系分布在与断层面正交的圆弧线上（图1-21b）。,1.4岩体构造结构特征的地质力学分析,1.4岩体构造结构特征的地质力学分析,c）随着岩层褶皱的形成与发展，不同部位的三向应力状态将复杂化，将构成更复杂的断裂空间组合形式。但仍可以视为上述模式的特定组合，即可将上述模式称为断裂共生组合的基本模式。d）断裂组合与其它一些微构造和显微构造形迹（如显示压应力方向的缝合线、显示拉应力方向的拉裂缝中的纤维生长方向，以及反映剪切变形方向的晶体中的位错等）之间也存在着成生联系，对后者的研究更有助于确定断裂的空间组合形式。,1.4岩体构造结构特征的地质力学分析,三、典型地区多期构造的地质力学分析通过追溯区域构造应力场的演变史，追溯区域构造格架的形成和活动史，可进而阐明在现行构造应力场作用下，不同断裂可能以什么方式活动，判明区域构造应力的集中部位等。这对于区域稳定性分析具有重要意义。,1.4岩体构造结构特征的地质力学分析,岩体结构的各种自然特征或性能总含有一定的随机性，因而只有从足够的测试资料中求出统计规律，才能准确地取得用于岩体稳定性分析评价的代表性特征和指标。岩体结构模式定量化，主要是通过对结构面优势方向、间距、长度、连续率等特征的量化统计分析来实现，从而建立可供稳定性分析计算直接采用的岩体结构量化模式。,1.5结构面的特征描述及统计分析,1.5.1结构面的现场测量和资料校正（1）结构面统计调查的路线精测法结构面统计中由于类规模大，一般都有专题研究，C类结构面规模小，其力学效应已反映在岩块或大试件试验成果中。而B类结构面适合野外实测，即岩体中可目测的裂隙系统。有多种测量方法，如岩心裂隙测量法（RQD），取样窗法（samplingwindow，又可称为面积测量方法）和路线精测法（linescaning）。实践表明，从统计分析角度考虑，路线精测法较为完善。,路线精测法的工作原理在工作面（或掌子面）上设置相互垂直的18条测线，组成一个测网（掌子面上测网中心十字交叉点与隧洞中轴线重合）。每一条测线用钢卷尺来代替，将钢卷尺拉直固定在工作面上，然后逐条地测量结构面，记录每一条结构面与测线交点的位置（即卷尺读数）、产状、延续状况、张开情况、充填情况及表面特征等。,研究证明，采用六条测线可取得近似的精度，除中心十字线一对外，另两对分别距中心测线1m（图1-27）。不过，精简测线主要是由于掘进时在掌子面测量的时间不能太长，因此在工作时间不受限制的其它部位进行测量时，测线的数量和布局可视具体情况而定。,（2）资料校正由于某些测量条件（如测线长度、测线方位）或自然条件（如风化程度等）的限制，常会造成结构面“被测机率不均等”现象，因此，为了客观反映统计数据的正确性，需要进行资料校正（P34、35）。,通常要进行两方面的校正：长度校正通常以测线中最长线段的长度Ls作为标准长度，拟校正的测线Ln上某一方位实测的数目校正后为：N校正后的数目，N实测数目，Ls最长线段，Ln实测长度。