岩石工程地质力学道理(第一篇)课件

1、岩石工程地质力学道理(第一篇)岩石工程地质力学原理（第一篇 ） 岩石工程地质力学道理(第一篇)岩石工程地质力学原理 1 概述 2 工程地质力学的基本原理 3 岩石组合的工程地质力学分析 4 构造体系的地质力学分析 5 初始地应力场及其地质力学分析 6 岩体结构面及其力学属性 7 岩体结构类型及其特性 8 水文地质结构与渗流分析 9 不良的工程地质力学背景 10 工程地质力学的稳定性分析 11 结语岩石工程地质力学道理(第一篇)概述 工程地质力学是地质科学和工程学科密切相关的一个应用地球科学分支。它的研究的主要目的是认识地质体的组成、结构、赋存状态、工程力学性能，以及工程地质力学作用和过程，并在

2、此基础上对岩土工程的规划、设计、施工，以及有关的工程安全提供科学依据。 地质体是一种自然造物，它是地质历史的产物，其形成是受地质作用支配的。同时,它还赋存于地质系统中,因而保持着其间的相互依存和相互作用关系。因此，对地质体的组成、结构、特性和分布，以及发育规律的认识，要求有深刻的地质研究。岩石工程地质力学道理(第一篇)概述 地质学家应用力学的理论探讨地质构造的形成和演化可以追溯到十九世纪末至二十年代初，如Hans Cloos和我国李四光先生（李四光，1963）等，他们采用“泥巴试验”模拟了褶皱断裂的组构机制。但是，应用力学的理论来研究地质体的结构及其工程特性则应归功到在谷德振先生指导下中国科学

3、院地质研究所工程地质学家的数十年的努力成果。岩石工程地质力学道理(第一篇) 建国之前，严格的工程地质学科尚未建立起来。 建国之初，前苏联的工程地质学理论对中国工程地质工作者曾有过重要的帮助。 建国十年中，谷德振先生侧重地指出构造的重要性（谷德振，1963）；随后他又将从构造，概括到结构的概念。 19621965年谷德振先生和水电部建设总局李杰先生合作主持了中国科学院和水电部的“水利水电工程地质”总结工作。得到的共识是要发展工程地质力学理论和方法，就是说要以力学的理论和方法来认识地质构造现象，评价工程地质条件，分析工程岩体的稳定性和渗漏问题，把地质研究与力学分析紧密结合起来。概述岩石工程地质力学

4、道理(第一篇)概述 谷德振，1965；孙玉科与李建国，1965；王思敬，1965，1966，但是由于文革的到来，水利水电工程地质一书到1972年才得到出版。 谷德振先生和他的研究集体于1969-1970及以后几年中在甘肃金川镍矿开展了系统的研究，对岩体结构的类型划分，岩体变形破坏机理及稳定性分析等都提出了新的成果，岩体工程地质力学的框架才初步构成。岩石工程地质力学道理(第一篇)概述 结合参加第24届国际地质大会的准备工作，王思敬主笔撰写了“岩体工程地质力学的原理和方法”，在中国科学1972年第一期上以集体署名发表，正式提出了岩体工程地质力学的学科命题。随后，经过扩展，并由王思敬、黄鼎成在铁道部

5、第一勘察设计院作了系统讲学，而后于1976年在科学出版社出版的岩体工程工程地质力学问题专刊上发表。不久，于1979年谷德振先生专著岩体工程地质基础（谷德振，1979）一书问世，系统地论述了岩体工程地质力学的理论和工作方法。岩石工程地质力学道理(第一篇)概述 1978年向第一届全国工程地质学术会议介绍了有关成果（谷德振、王思敬，1983;1985）； 1981年在“奥地利萨尔茨堡地质力学第30届讨论会”作了特邀报告（Gu Dezhen and Wang Sijing，1981;1982）； 1980、1984年在国际地质大会上作了交流（谷德振等，1980；Wang Sijing et al.，1

6、984）。 有关金川露天矿变形破坏机制和结构控制的研究在第四届国际岩石力学大会上也作了交流，并在Rock Mechanics上发表（Wang Sijing，1981）。岩石工程地质力学道理(第一篇)概述 在80年代和90年代里，建立了中国科学院地质研究所工程地质力学开放研究实验室, 成为岩体工程地质力学研究中心.在此期间出版了10集岩体工程地质力学问题，3册工程地质力学研究共刊登有关论文198篇，其中相当一部分论文来自中国科学院以外的工程地质学家和岩石力学家。岩体工程地质力学的研究方向和理论渐趋成熟（王思敬，1984；Wang Sijing，1986）。岩石工程地质力学道理(第一篇) 研究工作

7、转入到更广泛的实践和深入的应用，撰写了系统的专著，如地下工程稳定分析（王思敬、杨志法等，1984），边坡岩体稳定分析（孙玉科等，1985），岩体结构力学（孙广忠，1985），坝基稳定分析（王思敬，1990），区域稳定性研究（李兴唐、许兵等，1987）。所有这些成果构成了岩体工程地质力学的理论体系和工作方法。概述岩石工程地质力学道理(第一篇)概述 在某些领域则提出了一些专题研究总结,如断裂力学问题(黄建安，王思敬等，1985), 数值分析(王思敬，1987)，变形体系(杨志法，张连弟，1987), 地质力学模拟实验研究(杜永廉，1987)，岩体工程地质力学工作的基本内容和程序问题(徐嘉谟，198

8、7), 断续节理岩体弹性常数的预测(寇日明，王思敬，1990),岩体结构优势面理论(罗国煜、李生林，1990)等. 岩石工程地质力学道理(第一篇)概述 在岩体工程地质力学研究的发展过程中，曾经经历过5个重要的命题讨论。第一命题是岩体的结构性；第二命题是岩体结构的形成与演化; 第三命题是岩体结构的力学属性；第四命题是工程岩体的稳定性；第五命题是工程结构与岩体结构的相互作用及其调谐。岩石工程地质力学道理(第一篇)概述 关于工程结构和岩体结构的依存关系和相互作用问题已在80年代初提出（Gu Dezhen and Wang Sijing，1982），并在90年代初有初步研究和发表（王思敬，1990；W

9、ang Sijing，1995）。在进一步的研究中将会引入系统科学和非线性科学的应用（梁炯鋆，黄鼎成等，1992；杨志法，1993；秦四清、张倬元等，1993；黄志全，1999；王思敬和李焯芬，2001），从而得到新的发展和在岩体工程、环境工程领域的更广泛的应用（王思敬、黄鼎成等，1988；Wang Sijing，1993；张倬元（主编），1994；王思敬（主编），1995；Wang Sijing & Dai Fuchu，1996）。岩石工程地质力学道理(第一篇) 在工程地质力学研究中,首先是进行地质作用和过程的力学分析。这时要以地质学研究关于沉积建造、岩浆活动和变质作用特征，以及构造

10、体系所揭示的地质发展历史为依据,通过力学分析帮助我们认识和概括地质规律，研究地质力学作用的物理机制和动力过程。概述岩石工程地质力学道理(第一篇)概述 工程地质力学研究还要求对地质体的工程性能和表现场进行力学分析。这时着重于应用力学定律和方法，描述和研究地质体的受力历史和形变过程，从而认识并定量地表达地质体的结构及其工程地质特性的本质和工程地质规律，以及在此基础上对工程作用下及环境影响下地质体未来的变形和失稳进行预测。岩石工程地质力学道理(第一篇)概述 综上所述，工程地质力学应是地学范畴的一门边缘学科，成为工程地质学的基本理论之一。它的理论研究重点内容有两方面： 1)探索地质体结构在地质历史中的

11、演化过程，从而取得对工程建设前的地质体结构和特性的认识。这实际是地质力学作用的研究； 2)探索工程建设作用下地质体结构的转化过程，从而获得对工程岩体稳定性的认识，并作为可靠预测的基础。这也就是工程地质力学作用的研究。岩石工程地质力学道理(第一篇)概述 在掌握地质体结构和力学特性的基础上，考虑地壳应力状态和水文地质条件进行工程地质体的稳定性评价和变形破坏规律预测，为工程建设的规划、设计、施工和运营，以及工程减灾服务。岩石工程地质力学道理(第一篇)工程地质力学的基本原理1）地质体有特定结构，即具有结构性 工程地质力学的研究对象是工程建设涉及的上部地壳。它是由各级地质体组合构成的。应将地质体看作结构

12、物，而且它是有特定结构的。工程地质力学研究的中心环节是抓住地质体的结构分析，认识工程地质力学作用的本质和规律。可以说，工程地质力学就是地质问题的结构控制学说的发展。岩石工程地质力学道理(第一篇)工程地质力学的基本原理2）地质体结构由结构面和结构体组合构成 上部地壳中各级地质体的结构，可以用结构面、结构体组合模式来描述和分析。地质体中的各种断裂和界面形成了结构面系统，而结构面组合围限则形成结构体。结构面和结构体的有规律组合，规定着地质体的结构特性，决定着地质体的工程力学特性和工程地质条件。岩石工程地质力学道理(第一篇)工程地质力学的基本原理3）地质体结构是通过地质演化形成的， 并具有应力历史 地

13、质体结构是在一定的地质历史过程中形成的，包括岩石建造、构造形变和次生改变）。 在岩石建造阶段中，沉积过程，岩浆活动和变质作用所形成的物质组成原生结构，在很大程度上控制着后期的构造形变和次生改变。但是，构造结构和次生结构对岩体特性的影响很显著，往往造成突出的工程地质问题。地质体结构的工程地质特性和其成因及类型虽然有有密切联系，但是，总体上乃是多期地质作用的结果。岩石工程地质力学道理(第一篇)工程地质力学的基本原理4）地质体结构具有分级性，不同尺度结构具自相似性 按结构面的规模进行分级，在此基础上作相应的地质体分级。对不同规模的工程地质问题，要抓住相应级别的地质体及相应的结构进行评价。地质体可划分

14、为五级，即地块、山体、岩体、块体和岩块，以及其相应的工程地质问题。 对某一工程地质问题而言，其更大高级别的地质体的研究给出背景条件，本级的研究给出问题的边界，次一级地质体的研究给出问题的特性参数。所以，工程地质研究的范围往往比工程建设直接涉及的更大，通常称为外围研究。岩石工程地质力学道理(第一篇)工程地质力学的基本原理5）地质体结构具有多样性，可划分为类型 根据工程的实践经验，可将岩体结构划分为块状、层状，碎裂结构三大类。整体块状和层状结构基本上保持岩石建造阶段形成的原生结构，当然，一般说来也会受到一定程度的构造形变和次生改变，但未受本质的扰动。碎裂结构是受到强烈的构造形变和次生改变作用而形成

15、的。原生结构受到强烈的扰动和破坏；最严重者变为松软结构，属于土类(Hwong Ting-cheng, 1978)。岩石工程地质力学道理(第一篇)工程地质力学的基本原理 6）地质体的工程力学特性主要取决于它的结构性，是主导的内在因素 这是通过结构的力学效应反映出来的。地质结构面的影响最关键，它造成地质体的不连续性，因而使它区别于理想的连续介质。地质体中结构面的不同组合，一方面影响到应力的传递，造成应力的局部集中和不均匀分布，另一方面，从根本上影响到地质体的变形和强度特性，造成其各向异性和不均一性。 地质体的应力应变关系很是复杂的，往往包括节理的压密段(表现为硬化)、线性变形段，以及屈服点以后的强

16、化段和峰值后的应变软化。因此，应以非线性本构关系来表征。地质体变形的时间效应，往往很明显，应作为结构流变体来描述。 地质体的本构性质取决于结构类型，因而它也有类型划分。不同的介质结构所具有的不同力学介质特性，可采用不同的本构关系或力学模型来表征和分析。 岩石工程地质力学道理(第一篇)工程地质力学的基本原理 7）地质体结构对岩体的变形、破坏起主导的控制作用 地质体结构是岩体稳定性的内在因素。结构控制作用主要表现于对稳定程度，失稳范围和规模的影响，对变形、破坏机制的影响，以及对变形、破坏发展阶段和过程的影响。正确评价岩体稳定性的前提，是在结构研究的基础上做好变形、破坏机制的预测。岩石工程地质力学道

17、理(第一篇)工程地质力学的基本原理 8）地质体结构分析是成功的工程力学分析的基础 应力分析、变形分析及稳定分析，是工程地质力学评价的中心环节，应建立在地质体结构分析的基础上。在地质研究的基础上得到地质模型，经过结构特性及边界条件的分析，建立地质力学模型，并采用适当的数学或物理分析方法，解决问题。岩石工程地质力学道理(第一篇)工程地质力学的基本原理 9）地质体和工程建筑物之间具有相互依存和相互作用关系 地质体和工程建筑物的相互依存关系表现为工程地质力学作用。地质体对工程建筑物的影响，往往表现为地质体自身的失稳运动对工程的威胁；而工程荷载作用下引起的地质体运动，同样也影响工程建筑物的安全。工程建筑

18、物地质体结构的改变所导致的间接影响，有时有更大的危害，而事先不易觉察，常难于可靠地预测。岩石工程地质力学道理(第一篇)工程地质力学的基本原理 10）工程地质力学研究的方向是地质学和力学的结合 工程地质力学研究要求应用力学的基本理论工程地质研究中应用力学的基本理论、分析方法和测试方法。但是，地质研究方法仍然是基本的方法，包括地层、岩石、地质年代和构造分析、新构造、地貌分析等。在力学分析中，不连续介质力学的应用和发展是工程地质力学的特色，而数值分析途径和电子计算机的应用使得工程地质力学问题有可能得到实际解决。岩石工程地质力学道理(第一篇)岩石组合的工程地质力学分析 岩石是岩体结构的物质组成，它是影

19、响形成不同岩体结构的重要因素。工程所辖地区的岩体是由各种不同岩石组合而成的，很少是单一类型的岩石。因之，探讨岩石的组合特征是研究岩体结构的物质基础所必须的。岩石工程地质力学道理(第一篇)岩石组合的工程地质力学分析 岩石组合是拥有各种各样岩石的。从岩性上来看，有性质坚硬且脆的岩石，亦有软弱半坚硬的岩石。在岩石组合中，每种岩石的组织结构也是不同的。有粗粒、细粒组合；薄层、厚层组合；块状、层状组合。有时有夹层、透镜体等等。岩石工程地质力学道理(第一篇)岩石组合的工程地质力学分析 岩体可由各种同一的，坚硬的岩石组合而成，岩石的组织结构也近似一致，这种岩体就可视为坚硬均质，各向同性的介质。岩体若由组织结

20、构一致的软弱柔韧的岩石组合而成，这种岩体可视为软弱均质，各向同性的介质。若岩体由坚硬及柔韧岩石以不同比例组合而成，组织结构也有很大差异时，这种岩体就应视为不均质的，各向异性的介质。 地壳上各类岩石的形成环境及分布规律是很复杂的，在坚硬岩体中常常有软弱夹层，在软弱岩石中则往往有坚硬的岩石夹层。这些夹层在岩体稳定分析时，确有着它特殊的重要意义。岩石工程地质力学道理(第一篇)岩石组合的工程地质力学分析 在岩体工程地质力学研究中，岩组是指岩石的工程地质组合而言。每一岩组都有其一定的岩石组合特征，并应具有相似的工程地质特性，如块状石英砂岩岩组，泥质条带灰岩夹薄层页岩岩组、中厚层大理岩岩组、云母石英片岩岩

21、组等等。工程地质岩组的划分必需以岩体工程地质力学的观点为出发点。主要考虑岩石的成因类型和岩性岩相的变化以及岩石的成层条件及厚度变化。岩组划分也必须在建造类型基础上进行（表1）。岩石工程地质力学道理(第一篇)表1 岩组类型及特征 岩组类型沉积环境岩石组成工程地质特性碳酸岩建造震旦系到三叠系以前，海相沉积，陆相淡水沉积石灰岩，白云岩、泥状灰岩，生物碎屑灰岩，礁灰岩，红色细粒灰岩，白云岩化灰岩，各种泥灰岩岩溶发育，形成架空结构碎屑岩建造各个时代海相沉积，内陆河湖相沉积，滨海滨湖粗粒沉积，远海远湖细粒沉积砾岩、砂岩、砂质页岩、页岩、粘土岩、少量灰岩（常呈透镜体出现）多是软弱相间组合，含软弱夹层层状不均

22、一性复理式建造地槽褶皱带及地台区的活动带复理式沉积的岩性包括除砾岩以外的，按粒度成分最多种多样的岩石组合薄层组合，层状不均一性，各向异性含煤建造陆相碎屑沉积泥盆纪以后，各个时代岩石组合：粘土岩、页岩、砂岩有时夹有灰岩及火山沉积岩多层组合，层状不均一性，含软弱夹层含盐建造陆相，滨海相，滨湖相粘土岩，页岩，砂质页岩及钙质页岩等，含钾盐、钠盐、石膏、芒硝等多层组合，层状不均一性，含可溶夹层岩石工程地质力学道理(第一篇)表1 岩组类型及特征 （续）岩组类型沉积环境岩石组成工程地质特性岩浆岩建造深成、浅成各个地质时代岩浆结晶分异相深成及浅成岩浆岩如橄榄岩，辉绿岩，闪长岩，花岗岩，伟晶岩，细晶岩呈基岩，岩

23、株，岩脉等形式产出均一块体组合火山岩建造岩浆喷出及溢流形成的岩石玄武岩，流纹岩，安山岩，凝灰岩，凝灰质砂岩，斑脱岩等厚层组合，含软弱夹层及沉积间断层变质岩建造高温高压变质形成的岩石，有接触变质，动力变质，区域变质岩各种片岩，片麻岩，石英岩，大理岩，斜长角闪岩等层状各向异性，夹相对软弱层构造岩建造由构造运动所形成的各岩体各种物质成分的断层泥，糜棱岩，角砾岩，压碎岩等，厚度不一，视断层规模而不同，可由几十公分到几十米，甚至上千米（1公里左右）构造破碎结构风化岩岩组风化作用为主变化而形成的风化壳，风化囊或风化沟，不同风化系数的岩（土）风化壳分层结构，破碎泥化岩石工程地质力学道理(第一篇)岩石组合的工

24、程地质力学分析 1 )碳酸岩建造大多为海相沉积，也有与碎屑岩共生的陆相淡水灰岩。碳酸岩建造岩性均为碳酸盐岩类岩石。岩石成分为石灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩、纯大理岩、硅质灰岩、硅质白云岩、泥质白云岩、白云岩等。除此，在建造中还常见在灰岩层中夹有砂、页岩等。 2 )碎屑岩建造从岩相来看，碎屑岩的沉积环境是多种多样的。有海相沉积，亦有内陆河湖相沉积，有滨海、滨湖的粗大颗粒沉积，亦有远海远湖的细屑颗粒沉积。大都为机械沉积作用。碎屑岩建造的岩性也是比较复杂的，主要为、砂岩、粘土岩、页岩等。建造中有时为单一的岩石组成，有时为多种岩石组合而成。 岩石工程地质力学道理(第一篇)岩石组合的工程地质力学分析 3)

25、 复理式建造复理式建造也是碎屑岩建造的一种。但它是地壳活动带所特有的建造。复理式建造最突出的特点是在沉积旋廻中有明显的韵律性，即在每个旋廻中由极粗、粗、中、细、微等颗粒的岩石组成，它们顺序沉积，组成一套有规律的沉积建造。主要的岩性为砂质岩，粘土岩，有时夹有灰岩等。 4 )含煤建造含煤建造是沉积建造的一种。含煤建造的岩相为陆相，过渡相和浅海相。以含煤层或煤线为其特征而区别于其它沉积建造。含煤建造的岩性，多为各种不同成分，不同粒度的碎屑岩和粘土岩，也有石灰岩，铝质岩，燧石层等。有时也遇到火山碎屑岩沉积。 岩石工程地质力学道理(第一篇)岩石组合的工程地质力学分析 5)含盐建造这种建造有的属于滨海泻湖

26、相的碎屑沉积建造，亦有陆相的碎屑沉积建造。岩石组合大都为粘土岩及页岩、砂质页岩，钙质页岩等，其中含有钾盐及钠盐，还有硫酸盐类如芒硝、石膏等。 6 )岩浆岩建造岩浆岩建造包括深成火成岩。岩性有橄榄辉石岩类（超基性岩），辉长岩类（基性岩）、闪长岩类（中性岩）、花岗岩类（酸性岩）、正长岩类（偏酸性岩）等等。岩石工程地质力学道理(第一篇)岩石组合的工程地质力学分析 7 )火山岩建造这种建造亦是岩浆岩建造，但它的形成过程则有所异。有喷出式的，亦有溢流式的，溢流形成的有明显的流动构造及冷却收缩构造。喷发式的火山岩沉积建造，有的为海底或湖底喷发，有的则为陆地喷发。火山岩建造中的岩性是多种多样的，火山岩包括各

27、种玻璃熔岩黑曜岩、松脂岩、珍珠岩、玄武岩、辉绿岩、安山岩、粗面岩、流纹岩，各种玢岩、石英斑岩等等。岩石工程地质力学道理(第一篇) 8) 变质岩建造变质岩建造是一种次生的极其复杂的建造，它的复杂程度由它的母岩物质组成及变质过程中的物理环境所决定的。因而变质岩的矿物组成，组织结构就特别复杂，岩石的名称就特别繁多。根据这些特点可将变质岩建造分成不同的岩组，如石英岩组、板岩组、片岩组、大理岩组、变质火山岩组、正片麻岩组、副片麻岩组以及由上述不同岩石互相组合的特殊岩组。岩石组合的工程地质力学分析岩石工程地质力学道理(第一篇)岩石组合的工程地质力学分析 9 )构造岩组构造岩是一种次生的岩组，是由构造运动所

28、形成的断层破碎带及岩浆岩侵入所形成的破碎带中的产物，是由机械作用及热动力作用的结果。所有这些动力形成的岩石通称为构造岩。构造岩种类是繁多的，有断层泥、麋棱岩、角砾岩、压碎岩、劈理带破碎岩、褶皱扭曲带破碎岩地下水浸染岩石带。岩石工程地质力学道理(第一篇) 10 )风化岩组风化岩是典型次生岩组，是以风化作用为主而促使母岩的物质成分，组织结构及色泽逐渐变化而形成的岩组。由于母岩种类繁多，各个地区自然条件的差异，风化产物则大小相同。风化残余棕红色粘土层，基岩出露的地区形成了地表面的风化壳。风化岩带的分类，大致可分为：残积土层、全风化岩带、强风化岩带、弱风化岩带、微风化岩带。岩石组合的工程地质力学分析岩

29、石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析褶皱断裂体系的形成过程 地质体的结构是长时期地质历史发展的产物，主要取决于构造变形过程。这个过程实质上是岩体内部应力应变依时间进程的具体表现。 岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 岩石的单轴及三轴试验表明，试件内应力应变及变形破裂的基本规律可以概括如下： （1）三轴应力下发生应变椭球休，它的几何轴与主应力轴一致。 （2）试件内，在任一与主应力斜交的方向上产生法向应力及剪应力。 （3）达到极限状态时，在大体上与最大主应力轴相交为45的方向上出现一对共轭的X剪切面。 褶皱断裂体系的形成过程岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地

30、质力学分析 4）主应力的继续作用，导致试件的进一步变形及破坏，如岩石颗粒的重排列、再结晶；压劈理、流劈理的出现；迭瓦式及羽状裂隙的产生；试件的侧向膨张及裂隙面的张开等。 5）不同物质材料的试件往往有不同的变形特征，有的以塑性变形为主，有的以脆性破裂为主。 上述一些规律，大体上反映了整体块状地质体一次构造变形过程。层状地质体在构造变形过程中产生复杂的褶皱断裂体系。图1概括了不同褶皱地层的一次构造体系。 褶皱断裂体系的形成过程岩石工程地质力学道理(第一篇)图1 褶皱断裂构造体系的形成过程及地质力学分析 岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 I平缓岩层区：仅出现一对X型高角度剪切破裂

31、.有时同等发育，有时一组发育，一组不显，大部为节理系统，断层少见。此时需注意它与倒转平缓岩层的区别。 II岩层褶皱区：岩体中的裂隙继续发展，并加密、加长、加宽，沿着已有x裂隙逐渐发展为张节理。原剪切裂隙由于岩层变位也改变着它的走向、倾向及倾角。与此同时，在侧面上(ac横剖面)则出现另外的X型剪切破裂，随着作用力的持续加强，冲断层(仰冲、俯冲、层间错动)则逐步形成。在平面上表现为走向裂隙及走向断层，往往被横断层及捩断层所错开，共同组成米字型断裂型式。 褶皱断裂体系的形成过程岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 III背斜轴区：当岩层紧逼褶皱隆起时，于背斜轴部往往出现次一级应力场，

32、又形成一对X型剪切破裂，并逐渐发展为纵向张性断层，于侧面上呈阶梯式、地垒式、地堑式正断层及逆断层。这种变形往往使第H种情况下的断裂系统复杂化。 这一对X型节理的锐角一般较小，水平擦痕也较显著，需注意它与冲断层、横断层的相互影响。 褶皱断裂体系的形成过程岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 IV岩层强烈变形区：当岩层发生强烈褶皱及断裂时，岩体构造变形已达到了累积阶段，构成上述I，II，III三种情况构造的复合体。此时构造体系在侧面上则出现迭瓦式冲断层、交叉式冲断层、明显层间错动及逆掩断层，并出现旋转构造、帚状构造等，甚而因冲断距过大，还可导致次一级构造如羽状构造、劈理、拖拉褶皱等

33、。在平面上，冲断层及逆掩断层，往往受横向张断层及斜向平移捩断层所切割呈不连续状，它们共同构成复杂的构造网络。此时在纵剖面上(bc面)则出现由横断层及捩断层所形成的阶梯式、地堑式、地垒式构造。在这个阶段需注意构造的序次。 褶皱断裂体系的形成过程岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 在整个岩体构造变形的过程中，主应力轴，尤其是中间主应力轴是在转化的。在平缓岩层区中间主应力轴是铅直的，而在岩层褶皱的背斜轴区中间主应力轴转为水平。当岩层紧逼褶皱隆起时最小主应力轴转为铅直，才产生侧面X型断裂。 褶皱断裂体系的形成过程岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 地壳运动中,构造主

34、压力方向往往呈多轮廻变化,每次的大的轮廻可形成新的构造层,其间常有地层不整合或假整合分割.初次构造运动产生的构造系统构成基底构造层.以后的构造运动可产生新的断裂,并使已有的断层活动,但其活动方式将受新的构造应力场制约.这样便形成多构造层的复合,原则上,较新的上构造层中断裂组数较下构造层少,错动方式也较简单。褶皱断裂体系的形成过程岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 野外地质构造调查所得的情况往往非常复杂，其原因除上述多期的地壳运动外,还有：(1)各地区的岩性物性不同，基底的形态不同，变形、破裂现象有很大差异。(2)在岩层的褶皱变形和断裂错动中，产生次一级，甚至第三级的应力场，导

35、致相应一级的变形和破裂。(3)从构造运动的作用力来看，一般情况下符合水平压力的作用。但有的地区出现扭力作用的扭动构造体系；有的地区如岩浆岩地区、也可能出现垂直顶托作用。 褶皱断裂体系的形成过程岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 1）确定构造线 所谓构造线是指与构造运动压力相垂直的平面与地面的交线。它是岩体受压缩而产生三维变形的最大延伸方向。垂直构造线的方向，是代表压力的最大主应力的方向，它是变形、破裂的主导因素。因此，抓住了构造线，就等于抓住了关键，便于掌握整个应力场的情况。 构造配套的地质力学分析方法 岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 构造线的方向可用下

36、列构造形迹的方向作代表： 褶皱轴的走向，尤其是紧密线性褶皱最具代表性。但要注意是否为横断层切割，错动拖拉，而引起方位上的改变； 区域性陡倾岩层、直立岩层、片理、片麻结构等，要注意避免局部现象的误解； 冲断层（包括仰冲、俯冲，逆掩断层，层间错动面等)的走向，也要注意是否为横断层切割错断而改变方位。构造配套的地质力学分析方法 岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 平卧柱状构造轴向、帚状构造走向、线排列展布方向、应力矿物的定向排列等，这些小型构造及微构造，经过细致研究，也可作构造线的标志。 确定构造线是构造体系分析的基础，要根据多种标志综合判断。并且应结合区域构造地质情况分析，以免将

37、局部变位了的构造方向误认为构造线方向。 构造配套的地质力学分析方法 岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 2）分析构造线的次序 一个地区往往经受多次强烈的构造运动，应力场也发生过不止一次的变化，在一地区可能发现几组构造线方向。分析构造线的次序就是认识某地区有几次应力场，各代表哪些构造运动幕次，也就是不同应力场的先后次序。为此，要调查区域地质发展史(包括沉积过程、地层时代、岩浆活动及变质特征等),注意发生地层不整合的时期，同时分析各组构造线对不同岩系的切割关系,以及各组构造线的互相穿插关系。最后，确定每组构造线所代表的构造运动和构造层。构造配套的地质力学分析方法 岩石工程地质力学

38、道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 3）构造体系及其复合关系的分析 划分构造体系的工作就是构造配套，即确定在各次构造运动的应力场中产生的，有成生联系的各组构造形迹相对于构造线的从属关系。 以下举例说明上述的构造体系的地质力学分析。 某露天矿地区发育前震旦纪变质岩系，由结晶混合岩组、云母、石英片岩、片麻岩组及大理岩组构成。本地区有两次构造线，一次是以区域性片理、片麻结构产状及迭瓦式的走向冲断层Fl、F5、F6、F16等所代表的北西向构造线，另一次是以冲断层F8为代表的近东西向构造线(图2)。构造配套的地质力学分析方法 岩石工程地质力学道理(第一篇)NP2Q1f11f12f13f14NP1123

39、45F8f9EWS. 近东西构造体系P1. 北西构造体系f10NSWEP2AnZb2AnZb1AnZb12AnZb13AnZb11AnZb2F1P1F5F16F52F51f9f7f5f5F63f4f3f2f1fFF3F5f14f11-f10f7f8F3F5(F8)F1F16f6f1f51冲断层；2 横断层；3 捩断层；4 背斜轴；5 区域构造压力方向；Q1 早第四纪砂岩、粘土岩，nZb 前震旦纪变质岩系，花岗岩，矿体，P1 北西向构造线构造压力方向，P2 东西向构造线构造压力方向图2 某露天矿地区构造复合关系的分析岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 本区前震旦纪碎屑岩及碳酸盐

40、岩建造，经吕梁运动产生强烈褶皱及变质作用，形成混合岩、片岩片麻岩及大理岩组，并有花岗岩，白岗岩、伟晶花岗岩的侵入，以后本区隆起变为古陆。这时已经形成北西向构造线。 本区第二期岩浆岩为正长花岗岩，伟晶花岗岩，斜长细晶岩等，大致属加里东期。 第三期岩浆岩为花岗斑岩，辉绿岩等多种岩浆岩，大致属海西期。 构造配套的地质力学分析方法 岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 从主要岩浆岩的展布及F1大断层活动情况看，构造压力方向长期没有改变。中生代期间在本区古陆外侧形成一系列红色盆地，仍作北西方向延展。同时F1断层使变质岩系逆掩于红层之上，说明北西向构造线未变。但是红色盆地中又发育东西向的冲

41、断层及南北向的张性横断层，切穿第四系底部的地层。矿区东西向F8断层使变质岩系逆冲于老第四纪砂岩及粘土岩上，并截断北西向F1等一系列走向断层。这就是东西向构造线，可能是较新的构造体系。 构造配套的地质力学分析方法 岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 北西向构造线是由北东南西向区域水平压力所造成的。除走向北西的一系列冲断层外，还形成一对平面的X型剪切断裂，其中左行逆时针错动的为北东东向小断层flf5及F8，右行顺时针错动的为北北东向断层f6。另外，北北东向断层f7一f9在产状上看也可能属于北西向构造线中的扭断裂，但其错动方向明显地表示受东西向构造线控制，即南北向压力的影响。 构造

42、配套的地质力学分析方法 岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 东西向构造线，是由近南北向压力所造成的。较新构造体系基本上是在老构造体系上发展的。其中代表构造线的断层F8，在老构造体系中为捩断层，北盘西移达500米之多，但在较新构造体系中表现为变质岩系与下第四系之间的冲断层。北北东一组小断层f7一f9，由原剪切节理发展而来，在南北向压力作用下北西盘向西南移动。至于北西向断层除小断层f11一fl4外，还可能迁就原走向断层产生活动，在断层面上见有斜向及多组擦痕，角砾岩错碎，但纯为剪切性的北西向断裂尚很罕见。此外，矿区有一组近南北向，但走向折曲的张性横断层，如f10，也是受南北向压力的

43、明显标志。构造配套的地质力学分析方法 岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 地震是最新构造应力场的表现。本区近期地震活动性强烈，震中沿北西方向分布，受北西向构造线控制。但是根据地震台站观测的资料分析属于扭性错动，水平压力的方向来自北60o东，这是值得注意的。 构造配套的地质力学分析方法 岩石工程地质力学道理(第一篇)构造体系的地质力学分析 总之，由于长期地壳变动的结果，构造体系十分复杂。在分析时要具有应力场、应力应变，强度理论、破坏机制、断裂面组合，应力场转化、构造线，运动轮迴，应力再分配、构造复合等等基本概念，这就是地质力学方法。正确运用这些概念的关键是掌握地质建造及构造形迹

44、特征的第一性资料。但是由于地质条件的复杂，往往仍有许多构造现象一时不能认识清楚，不应忽视或曲解，而有待于深入地、认真地研究。 构造配套的地质力学分析方法 岩石工程地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 岩体中任何一点都受到力的作用，处于受力状态中。在工程开挖之前岩体中已经存在着的地应力场，称为初始应力场。在工程开挖后，初始地应力场受严重影响，引起变形，产生应力重分布，形成围岩的应力状态，称为次生应力场。 初始地应力的主要组成部分有自重应力，现今构造应力，残余构造应力等。初始地应力场的构成 岩石工程地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 1）自重应力 岩体中任一点上覆一定

45、厚度的岩石产生重力作用，引起该点的应力状态，称为自重应力。 2）构造应力 由于各种内力和外力的作用，地壳中现今仍存在着构造应力，驱动着地壳的构造形变和构造运动。地震的产生就是现今构造应力的反映。 现今构造应力的研究中地震机制分析是一项重要的手段，它的局限性在于地震区资料多，而在非地震区资料缺乏；只能提供主应力方向的资料，并不能获得绝对数值。除地震机制外，长期的缓慢变形，如地形变和断层蠕变等也可被用作现今地应力场的反演分析。初始地应力场的构成 岩石工程地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 3）残余应力 岩体在形成过程中经受着建造阶段和构造形变阶段形成它的原生应力状态，但经过次生变化

46、阶段，由于风化、卸荷而部分释放，但是还有一部分仍然保留在岩体中，称为残余应力。这里可分为两种情况，一种是边界约束未完全解除而保存的应力，另一种是内部约束造成的内应力。 岩体在地质建造和构造历史上形成的应力状态，在外力作用已经改变的条件下，能够 保存下来形成内应力，可以由粘弹性及弹塑性变形，应变能在内约束下储存来解释。初始地应力场的构成 岩石工程地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 岩体在高温高压条件下，矿物结晶和重结晶的温度压力不同，在外力移去后，后结晶的晶体格架可约束早时在温度较高压力较低时结晶的或较柔软的矿物的应力释放。这就使很多结晶岩浆岩体和变质岩体保存较高的内应力。 岩层

47、在褶皱和构造受压过程中，在一定条件下，即构造形变还不是十分强烈的条件下，出现粘弹性变形，经过很长时期的作用，由于构造运动变迁在外力移去后，变形逐渐恢复，但是过程缓慢，有相当一部分应力贮存在岩层中而不能一时释放出来。在进一步开挖的条件下还可释放出贮存的应变能。 初始地应力场的构成 岩石工程地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 在岩体产生弹塑性变形时，弹性单元贮存的变形能因为受塑性单元不能恢复变形的约束，在外力撤去后也不能完全释放，而受塑性单元强度极限的控制(图2-3)。 残余变形的一个共同特点，就是形成岩体的内应力状态。所谓内应力状态是物体在具有零应力自由面条件下，或在不受外力作用

48、下，内部仍处于应力状态。 初始地应力场的构成 岩石工程地质力学道理(第一篇)图3 弹塑性体残余应力原理示意图 0rerr岩石工程地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 残余变形的一个共同特点，就是形成岩体的内应力状态。所谓内应力状态是物体在具有零应力自由面条件下，或在不受外力作用下，内部仍处于应力状态。 内应力的另一个特征就是不能立即释放，这是和上述特征有联系的。由于残余应力属于受约束的应变能，所以在边界应力解除后，应力释放的范围较小，而且释放不完全。在边界有所推进后，再次产生部分的应力释放。所以，有些泮河隧洞或是浅埋平洞，虽然按弹性理论，应力应该已经基本上释放完毕，可是仍发现相当

49、大的初始地应力，可能就是属于这种残余应力。 初始地应力场的构成 岩石工程地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 关于残余地应力的剥蚀理论认为，岩体中水平构造应力的残存是因为地形剥蚀，或冰山消融，垂直应力释放，而水平应力未能充分释放的结果。 初始地应力场的构成 岩石工程地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 构造应力场地质力学分析的任务是根据岩体中构造变形的形迹，反推构造作用力的性质和方向。 构造应力场分析是在构造体系分析的基础上进行的。首要的工作是寻找由于最大压应力作用而形成的构造形迹，它们的走向为构造线。与构造线有成生关系的构造形迹亦应加以综合考虑。构造应力场的地质力

50、学分析 岩石工程地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 对产状比较平缓的层状岩体，上述构造线在工程区不明显，则可以根据层面错动的逆向擦痕确定，其倾向方位即能代表最大构造压力的方向。扭性断裂面上根据其逆向错动或斜向错动也能确定最大构造压力的方向。 在岩层没有明显的褶皱或构造形变不太强烈的块状岩浆岩中，根据一对共轭的X-型断裂 J1 和J2，考虑其错动方向和错列特征确定水平构造作用力的方位。这时断裂的交线为中间主应力轴，并由图4所示求出最大和最小主应力的方向。 构造应力场的地质力学分析 岩石工程地质力学道理(第一篇)图4 共轭X-型断裂的应力分析 231岩石工程地质力学道理(第一篇)初

51、始地应力场及其地质力学分析 后期构造运动往往是沿原有断裂活动的，所以为了确定后期的构造应力场，要求对各组扭断裂多次活动的错动方向进行分析。走向滑动断层情况比较复杂，往往根据它的滑动方向还不易准确确定最大主应力方向。因为这时最大主应力不一定和正反扭组合的交叉断裂的交角平分线重合，但根据原来是平缓的压扭性断裂上再次活动的斜向错动迹向尚可大致确定水平构造力的方向。构造应力场的地质力学分析 岩石工程地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 当地质体受到构造形变时，在主构造应力场的基础上还会产生局部的和主应力场不一致的次级构造应力场。有时工程部位的岩体初始应力状态却主要次级应力场的影响典型的次

52、级构造应力场和褶皱、断裂有关。 构造应力场的地质力学分析 岩石工程地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 1）走向滑动断层被动盘的次一级应力场 如图5a所示，当断层一盘的地块产生相对另一盘的运动时，主动盘作用在断层上的法向力可以向被动盘传递，而切向力只能传递相当于断层抗滑阻力的那一部分，不能完全传递过去。因此，在断层另一侧被动盘中构造作用力方向有所改变。一般来说，被动盘中经断层传递过来的力和断层面法线间的夹角等于断层的内摩擦角。在断层带经过大距离错动，产生断层泥条带，强度降低到残余强度后，抗滑阻力很小，因此，被动盘中作用力方向和断层法线夹角很小，接近于平行。在具有蠕变滑动的断层带也

53、有类似的情况。 上述被动盘的次级应力场中常伴生入字型构造、出现和断层走向呈锐角相交的褶皱轴，剪切断裂或呈锐角相交的张性断裂等组合。 构造应力场的地质力学分析 岩石工程地质力学道理(第一篇)图5 次级构造应力场 FFFFabc岩石工程地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 2）横断层之间的次级应力场 当地层受横断层或斜向剪切断裂切割，受推挤力作用产生错动时，柔性地层错到和刚性地层接触的部位，这时地层向侧面沿走向伸长受到约束，相反有所缩短。在这种情况下地层中产生侧向压力，并诱导出和主构造压力有较大夹角的次一级压力，形成次级褶皱和次级构造线(图5b)。 构造应力场的地质力学分析 岩石工程

54、地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 3）侵入岩体周围的次级应力场 在深部物质上涌，形成侵入岩体的过程中，虽然同化部分上覆岩层，同时也对岩层起顶托作用，从而产生和区域构造应力场不一致的局部应力场。由于这一应力场的作用，常在围岩中产生局部的沿接触带的侵入挤压破碎带。构造应力场的地质力学分析 岩石工程地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 4）褶皱不同部位的次级应力场 岩层在褶皱过程中，尽管区域构造应力场可能保持不变，但在不同部位应力场有不同的变化。如图5c所示，在褶皱初期，地层内应力场分布比较均匀，并和区域构造应力场一致。随着褶皱过程，首先可能引起褶皱顶部产生和区域最大

55、压应力平行的局部拉应力场。进一步褶皱由于层面滑动而导致复杂的应力分布，以及顶部的层面拉裂。当褶皱发展到紧逼褶皱阶段，尽管地层的褶曲很复杂，伴有很多范围不大的局部应力场，但由于强烈塑性变形致使各部位在整体上挤压紧密，而具有比较一致的应力场。对于褶皱地层，除在背斜轴部出现局部拉应力场外，在褶皱的端部也可能出现次一级拉应力，和区域构造压力方向平行。当褶皱端部遇到刚度很大的断块，如岩浆岩体等轴向伸长受到约束，这时可产生局部的压应力场，和区域构造压力的方向垂直。 构造应力场的地质力学分析 岩石工程地质力学道理(第一篇)初始地应力场及其地质力学分析 构造应力场由于量测的资料较少，目前还很难根据地质资料作出比较准确的估计，只能大致上在量级上作出定性的评价。在相当于100200m上覆岩层条件下，初始地应力可分为三个量级： 1)初始地应力场的水平应力超过15 MPa的为高构造应力区，这时3rH，即水平应力大于三倍的上覆岩体自重； 2)初始