岩体结构控制论

第三章岩体结构控制论,第三章岩体结构控制论,第三章岩体结构控制论,第三章岩体结构控制论,3.1概述,3.2岩体结构的物质基础,3.2.1岩石的成分与结构,3.2.2岩石的成岩环境与岩相变化,3.2.3岩石的成层条件及其厚度变化,3.2.4岩石组合特征及其划分依据,3.2.5岩石的物理力学性质,3.4岩体结构的力学效应,3.3岩体结构,3.3.1结构面的类型及特征,3.4.1岩体变形机制,3.4.2岩体破坏机制,第三章岩体结构控制论,第三章岩体结构控制论,3.1概述,“岩体”：地质历史过程中形成的，由岩块(结构体)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。,“工程岩体”：岩体作为工程建设的对象,“岩体结构”,第三章岩体结构控制论,3.1概述,岩体结构，反映岩体的本质：岩体结构的不同，岩体物理力学性质、工程岩体变形、破坏的难易程度与方式也不同；岩体结构还控制了岩体的水文地质条件、风化作用；岩体结构不同，岩体稳定性的特征完全不同。,第三章岩体结构控制论,3.2岩体结构的物质基础,物质成分,结构,岩体两个基本特性,结构面,结构体,结构面是指岩体中力学强度相对薄弱的部位，是岩体中的地质界面（如层面、断裂、风化卸荷裂隙等），使岩体力学性能具有不连续性、不均一性和各向异性，它决定了岩体的介质特征和力学属性。,第三章岩体结构控制论,一、工程荷载范围内（一般小于10MPa），工程岩体的破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。,二、在工程荷载作用下，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组分，控制着工程岩体的变形特征。,三、结构面是岩体中渗透水流的主要通道。在工程荷载作用下，结构面的变形又将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。,四、工程荷载作用下，岩体中的应力分布也受结构面及其力学性质的影响。,结构面的工程意义,第三章岩体结构控制论,在岩体结构中，结构面居主导地位，随着结构面的类型、发育程度、性状与组合情况不同，岩体结构类型迥然不同。,岩石是岩体结构的物质基础。,一、任何岩体都要经历岩石的建造过程，它既是建立岩体的物质基础过程，也是各种原生结构面与岩性组合的形成过程。,二、岩体结构组成的两个基本单元之一的结构体完全是由岩石构成的，它的性质就是岩石块体的性质。,第三章岩体结构控制论,工程地质工作，首先要对地层岩性进行系统的研究，分析岩性岩相变化特征，并进行岩体工程地质分类，即工程地质岩组（粒组）的划分。把工程地质性质相近的岩层组合体划归到一起，构成工程地质评价的独立单元，即工程地质岩组。,岩石形成于漫长的地质历史时期，要研究岩体的物质特征，就要充分考虑其形成的地质环境、成岩作用、成岩历史与成岩后的次生变化等。,岩性编录,在进行工程地质岩组划分时，要特变关注软弱、松软、破碎岩层，以便于在进行工程地质综合评价时，加以全面论证和重点分析。,第三章岩体结构控制论,3.2.1岩石的成分与结构,岩石的成分和结构不同，是岩石工程地质性质差异的主要原因：,对碳酸盐岩，要特变关注其可溶性，而可溶性取决于其成分与组构，成分尤为重要；,对碎屑岩类岩石，决定其工程地质性质的主要是颗粒粒径、胶结物与胶结程度、粘土矿物含量等；,第三章岩体结构控制论,对岩浆岩，应特别重视其矿物成分与化学成分、粒径与结晶性状。火山岩物质成分与结构变化很大，尤其应对软硬相间的多层结构给予重点关注；岩体的软弱带。,变质岩岩石系列千差万别，变质岩的成分、结构与变质程度有着十分密切的关系。矿物的集中和定向排列，往往成为岩体的软弱带。,第三章岩体结构控制论,3.2.2岩石的成岩环境与岩相变化,岩石的成岩环境与岩相变化，很大程度决定了岩石的均一性与各向异性：,沉积岩成岩环境复杂，形成过程差别很大，由此决定岩性、岩相变化与层厚；,岩浆岩成因类型同样复杂，岩性岩相随之变化。要特别注意岩浆分异及其岩性岩相分带、岩脉的分布及其接触带。,第三章岩体结构控制论,火山岩分布很广，成因类型不同，其岩性岩相变化显著，岩石组合更为复杂。海底喷发的火山岩类型，它往往与海底沉积岩交互产生，构成不利的岩石组合，形成较差的工程地质条件。,变质岩大多形成于高温高压下，其物质成分和结构均发生剧烈变化，往往产生软弱的岩层与岩组。如千枚岩、绿泥石片岩、石墨片岩等；,第三章岩体结构控制论,3.2.3岩石的成层条件及其厚度变化,对沉积岩及负变质岩，岩石成层特点直接关系到岩体介质的连续性与各向异性：沉积岩，应特别重视滨海及河湖相岩层，其厚度往往特别大。,我国内陆湖盆的沉积，如中生代红层，不仅厚度变化大，而且往往形成厚薄不等的透镜体，对工程岩体稳定不利。还要注意不整合面、岩层层面强度，尤其是软弱夹层，常是工程地质条件中的关键因素之一；,第三章岩体结构控制论,在变质作用下，可形成明显的定向排列或层状结构。由于构造作用，还会产生层间错动。因而变质岩成层条件复杂，单层厚度变化明显；,岩浆岩的成层性不明显，只是熔岩流表现出一定的成层特点。火山岩有较好的成层性。在火山岩中常夹有碎屑岩，形成不稳定的层状结构。,第三章岩体结构控制论,3.2.4岩石组合特征及其划分依据,岩石组合特征是研究岩体结构物质特征的基础工作：,岩石组合首先考虑岩石的软硬程度，其次是岩层的厚度，第三是岩体中各类夹层的发育特征；,每一岩组均有其一定的岩石组合特征，具有相似的工程地质特性。要结合工程区的具体情况，寻找其规律性，如沉积旋回，进行系统划分。,岩组划分不宜过大，否则，会掩盖岩体强度的薄弱环节。,岩组划分必须建立在建造的基础上。各种建造的地质体，在不同的大地构造单元中，差异性很大。,第三章岩体结构控制论,3.2.5岩石的物理力学性质,岩体可由一种岩石，亦可由多种岩石构成。岩石的物理力学性质对工程岩体的稳定性重要作用：,岩石或岩体的物理力学性质在很大程度上受控于其地质属性；,岩石的物理力学性质及其参数主要包括孔隙度或孔隙比、膨胀性、水理性质、弹性参数、变形参数、抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等；,从岩石和岩体工程地质性所进行的工程分类（或分级）具有重要的工程应用价值。,第三章岩体结构控制论,3.3岩体结构,“岩体结构”：由结构面和结构体共同组成的结构形态，不同类型的基本单元在岩体内组合、排列的形式。,“结构面”为岩体中具有一定方位和厚度、两向延伸的地质界面，结构面分为两大类：,物质分异面，如层面、片理面、软弱夹层、岩浆侵入接触面等；,岩体中的不连续面，如断层、节理、风化与卸荷裂隙等。,结构面是在建造和改造的过程中形成的，其空间分布于特征与其成因类型密切相关，按成因分类：,第三章岩体结构控制论,3.3.1结构面的类型及特征,1）结构面成因类型和特征（地质成因类型）,第三章岩体结构控制论,3.3.1结构面的类型及特征,1）结构面成因类型和特征（力学成因类型）,剪性结构面：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。,第三章岩体结构控制论,3.3.1结构面的类型及特征,1）结构面成因类型和特征（力学成因类型）,张性结构面：由拉应力形成如羽毛状张裂面、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。,第三章岩体结构控制论,2）结构面的力学类型和特征,按影响结构面力学特性的主要因素，将结构面划分以下四种力学类型：,破裂结构面岩体中无充填的节理、片理、劈理等，它们在法向应力作用下呈刚性接触，属硬性结构面。抗剪强度主要取决于结构面的几何特征。,第三章岩体结构控制论,破碎结构面如断层破碎带、风化破碎带及层间破碎夹层等，可有不同程度的胶结。不同组分物质成条带状或透镜状分布。,抗剪强度主要取决于：填充物的成分结构胶结程度。变化幅度大！,第三章岩体结构控制论,层状结构面岩体中成层的不连续面，如层面、层理及软弱夹层等。,抗剪强度主要取决于：结构面的胶结程度及软层本身的抗剪强度，变化幅度相对小。,第三章岩体结构控制论,泥化结构面为塑性泥质组成的软弱结构面如断层泥、层间错动泥化夹层、裂隙夹泥、层面夹泥。泥质富集，结构面易变形，强度低。,抗剪强度主要取决于：填充物的粘土矿物成分、微观结构、含水量、固结程度。,第三章岩体结构控制论,3）结构面分级,结构面在延展和延伸，宽窄、力学特性上规模不等，差异很大。其分级及特征：,第三章岩体结构控制论,4）结构面的指标参数,一、成因类型,二、规模,三、产状包括走向、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。结构面展布方向与受力方向不同，岩石的破坏方式与强度不同。,第三章岩体结构控制论,四、连续性反映结构面的贯通程度,五、密度反映结构面发育的密集程度,六、张开度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。,第三章岩体结构控制论,七、形态侧壁的起伏形态及粗糙度来反映,平直的波状的锯齿状的台阶状的不规则状的,侧壁的起伏形态分为：,结构面的粗糙度用粗糙度系数（JRC）表示。根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10级。随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。标准粗糙度剖面：,第三章岩体结构控制论,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。,第三章岩体结构控制论,九、软弱结构面软弱结构面是岩体中具有一定厚度的软弱带(层)，与两盘岩体相比具有高压缩和低强度等特征，在产状上多属缓倾角结构面。主要包括：原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其他夹泥层等。特性：由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构或泥质定向结构；粘粒含量很高；含水量接近或超过塑限；密度比原岩小；常具有一定的胀缩性；力学性质比原岩差；强度低；压缩性高；易产生渗透变形。,第三章岩体结构控制论,十、结构面的组合关系结构面的组合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。任何坚硬岩体的块体滑移破坏，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。,第三章岩体结构控制论,第三章岩体结构控制论,第三章岩体结构控制论,第三章岩体结构控制论,3.4岩体结构的力学效应,岩体结构的力学效应实质：探讨岩体结构对岩体力学行为与力学作用的影响。,岩体的应力传播,岩体的变形破坏,岩体的力学介质,岩体结构,软弱结构面,硬性结构面,岩体变形破坏的重要控制因素或边界,划分岩体结构、鉴别岩体力学介质类型的重要依据,控制,第三章岩体结构控制论,第三章岩体结构控制论,“硬性结构面”岩块间呈刚性接触的无任何充填的结构面。,“软弱结构面”力学强度明显低于围岩，一般充填有一定厚度软弱物质的结构面。如泥化、软化、破碎薄夹层等。软弱结构面是岩体中最容易产生变形和破坏的部位。它常常成为危险的切割面、滑移面或构成有害的压缩变形带，导致岩体产生不允许的变形或失稳。,第三章岩体结构控制论,3.4.1岩体变形机制,岩体变形的过程是力学变形过程：岩块压缩变形是岩块在全围压下体积缩小；岩块形状改变、岩块沿结构面滑动和结构体滚动是在剪应力作用下产生的；板裂结构体横向弯曲倾倒变形是在力矩作用下产生的等。,岩体变形：结构体变形+结构面变形,第三章岩体结构控制论,岩体变形不仅与受力状态（外因）密切相关，而且受岩体结构（内因）控制。不同结构的岩体变形不同：块裂结构岩体最主要的变形是沿结构面滑动；完整结构岩体的变形，主要是