河海大学工程地质四.pptx
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1、概述1.1.基本概念及研究意义基本概念及研究意义 岩体岩体(rockmassrockmass)通常)通常指地质体中与工程建设有关的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。类型的结构面及其在空间的分布和组合状况所确定。结构面结构面是是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、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)。如岩两向延
2、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。层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。包括物质包括物质分异面、不连续面和软弱夹层。分异面、不连续面和软弱夹层。结构体结构体:结构面在空间的分布和组合可将岩体切割成: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。形状、大小不同的块体,称结构体。2.2.岩体的工程地质特征岩体的工程地质特征岩体是岩体是复杂的复杂的地质体地质体形成过程复杂:是地质历史的产物,经历过多期形成过程复杂:是地质历史的产物,经历过多期构造运动。构造运动。组成复杂:岩性、风化状态的多样性组成复杂:岩性、风化状态的多
3、样性结构复杂:存在大量各种成因的结构面结构复杂: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。岩体中存在复杂的天然应力场、温度场和渗流场。3.3.岩体的结构特征的研究意义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,它导致岩岩体中的结构面是岩体力学强度
4、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。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
5、移控制面。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。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。和岩体稳定性的重要依据。研究结构面最
6、关键的是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、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表面特征、连续特征以及它们的空间组合形式等。4.1 4.1 岩体结构特征及主要类型岩体结构特征及主要类型1.1.结构面的成因类型结构面的成因类型原生结构面原生结构面物质分异面物质分异面沉积岩的层理、层面、沉积间断面及沉积岩的层理、层面、沉积间断面及沉积软弱夹层等陡属于沉积结构面。沉积软弱夹层等陡属于沉积结构面。火成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
7、触面及岩浆间歇喷溢所形成的若若接触节理、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。面。变质结构面变质结构面变质结构面可分为残留的变质结构面可分为残留的变余结构面变余结构面和和变成的重结晶结构面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。有绢云母、绿泥石等鳞片状矿物密集并定向排列。重结晶结构重结晶结构面主要有片理和片麻理面主要有片理和片麻理。沉积结构面沉积结构面玄玄武武岩岩的的原原生生柱柱状状裂裂隙隙沉积岩的层间裂隙沉积岩的层间裂隙次生结构面次生结构面节理(节
8、理(X X型节理,张节理)型节理,张节理)断层(正断层,逆断层,走滑断层)断层(正断层,逆断层,走滑断层)层间错动带,羽状裂隙,破劈理层间错动带,羽状裂隙,破劈理内动力形成的结构面内动力形成的结构面构构造造裂裂隙隙外动力形成的结构面外动力形成的结构面主要是由风化作用、主要是由风化作用、卸荷及人类活动所形成卸荷及人类活动所形成的结构面,其特点是只的结构面,其特点是只分布在地表或地表以下分布在地表或地表以下数十米的范围内。数十米的范围内。有有风化裂隙风化裂隙、卸荷卸荷裂隙裂隙和和次生夹泥层次生夹泥层。次生裂隙:地壳运动在岩体中形成的构造裂隙,风化和卸荷作次生裂隙:地壳运动在岩体中形成的构造裂隙,风
9、化和卸荷作用形成的裂隙。用形成的裂隙。2.2.结构面的特征结构面的特征规模规模:机构面的规模大小相差悬殊。大者可延展数十公里,宽: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。很微小的不连续裂隙。方位方位:即结构面的产状:即结构面的产状延续性延续性:表征结构面延伸长度和展布范围的指标。:表征结构面延伸长度和展布范围的指标。间距间距:指相邻结构面间的垂直距离,通常是指一组结构面的平: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。均间距。
10、反映岩体的完整性。粗糙度粗糙度:结构面的形态有:结构面的形态有平直的平直的、波状的波状的、锯齿状的锯齿状的、台阶状的台阶状的和和不规则状的不规则状的几种。几种。起伏程度用起伏程度用起伏差起伏差和和起伏角起伏角表示。表示。结构面侧壁强度结构面侧壁强度:它可以反映结构面经受风化的程度。:它可以反映结构面经受风化的程度。张开度张开度:指结构面两壁间的垂直距离。:指结构面两壁间的垂直距离。充填物充填物:结构面内常见有砂、粘土、角砾、岩屑及硅质、钙: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
11、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,变形和强度不通同时,变形和强度不通节理组数节理组数:节理组数的多少,决定了岩石块体的大小及岩体的: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。结构类型。块体大小块体大小:由数组结构面:由数组结构面切割而成的岩石块体,一般切割而成的岩石块体,一般称为结构体。称为结构体。体积节理组数体积节理组数J J是单是单位体积通过的总节理数。可位体积通过的总节理数。可根据此来堆块体大小进行分根据此来堆块体大小进行分类。类。原生型原生型:沉积成因的、岩浆活动成因的、变质成因的沉积成因的
12、、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、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。厚度大、延伸远、产状稳定、且与岩层一致。次生型次生型:风化、地下水外营力作用形成的夹层风化、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,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主要分布在风化卸荷带或地下水循环带内构造型构造型:层间错动带层间错动带;断层破碎带断层破碎带分布:厚度变化大,延续通过多种岩性,倾角变分布:厚度变化大,延续通过多种岩性,倾角变化大,可能彼此相交。化大,可能
13、彼此相交。3.3.软弱夹层软弱夹层夹在岩体中的泥质和炭质含量高,遇水易软化,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。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软弱夹层的成因与分类v长委(据葛洲坝的研究成果)长委(据葛洲坝的研究成果)建议建议:软岩夹层软岩夹层:夹在坚硬岩体中的薄层软弱岩层夹在坚硬岩体中的薄层软弱岩层碎块夹层碎块夹层:80%:80%以上粒径大于以上粒径大于2mm2mm的粗碎屑(碎块、的粗碎屑(碎块、砾石)砾石),粘粒含量少于粘粒含量少于10%10%碎屑夹层碎屑夹层:2:20.5mm0.5mm的细碎屑的细碎屑30%,2
14、mm30%,2mm的粗碎屑的粗碎屑303050%,50%,粘粒粘粒101030%30%泥化夹层泥化夹层:结构松散结构松散,粘粒含量粘粒含量30%,30%,含水量高含水量高,密度低。密度低。黄委(据小浪底的研究成果)建议: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)软岩夹层(砂岩间的页岩、粘土岩、粉砂岩薄层)泥化夹层泥化夹层泥化夹层泥化夹层按粒度成分和厚度变化可分为按粒度成分和厚度变化可分为:全泥型全泥型:厚度大于:厚度大于3mm,不夹角砾,不夹角砾泥夹粉砂和粉砂夹泥型泥夹粉砂和粉砂夹泥型:角砾含量小于:角砾含量小于10%的的粉土层粉土层泥膜型泥膜型:不含角砾的薄
15、粘土层:不含角砾的薄粘土层泥夹角砾型泥夹角砾型:角砾含量小于:角砾含量小于10%的粘土层的粘土层角砾夹泥型角砾夹泥型:角砾含量在:角砾含量在1050%的粘性土层的粘性土层泥化夹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。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;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:构造破坏是形
16、成泥化夹层的主导因素:裂隙化破坏了硬岩对裂隙化破坏了硬岩对软岩的保护作用软岩的保护作用;层间错动对软弱岩层的研磨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:地下水和风化作用是泥化夹层的必要条件:地下水的浸泡、软地下水的浸泡、软化、泥化、溶解和崩解作用化、泥化、溶解和崩解作用;风化的机械破坏和风化作用。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基本特征泥化夹层的结构特征泥化夹层的结构特征具有具有明显错动面和分带性明显错动面和分带性,通常可,通常可有三种不同的构造影响带,即有三种不同的构造影响带,即节理带节理带、劈理带劈理带和和泥化带泥化带泥化夹层的矿物成分
17、和化学成分泥化夹层的矿物成分和化学成分矿物成分以矿物成分以粘土矿物粘土矿物为为主,与主,与母岩性质和后期改造母岩性质和后期改造程度有关;粒度成分以程度有关;粒度成分以粘粒粘粒和和粉粉粒粒为主;主要化学成分位为主;主要化学成分位SiO2SiO2、Al2O3Al2O3、Fe2O3Fe2O3泥化夹层的水理性质泥化夹层的水理性质泥化夹层的泥化夹层的膨胀量膨胀量与与膨胀力膨胀力,主要,主要与粘土矿物成分和微结构面的发育程度有关,以与粘土矿物成分和微结构面的发育程度有关,以蒙脱石蒙脱石为主为主的夹层,膨胀量可大的夹层,膨胀量可大8;泥化夹层具有;泥化夹层具有明显渗流层状分带现明显渗流层状分带现象象和和渗流
18、集中渗流集中的特点。的特点。泥化夹层的物理力学性质泥化夹层的物理力学性质主要由夹层内物质成分、结构特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:征、上下界面形态决定。物理力学性质差:“三高三高”(高含水高含水量、高崩解性、高分散性量、高崩解性、高分散性)“三低三低”(低重度、低强度、低模低重度、低强度、低模量量)泥化夹层在长期渗水作用下的演变趋势泥化夹层在长期渗水作用下的演变趋势化学成分的变化化学成分的变化(主要发生盐类的溶解、阳离子的交换、碳酸钙的溶蚀、游离(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);氧化物的溶解、胶溶及氧化
19、还原反应);渗透稳定的变化渗透稳定的变化(恶恶化化-机械管涌、爆发式挤出破坏);机械管涌、爆发式挤出破坏);抗剪强度的变化抗剪强度的变化(降低降低)。)。泥化夹层在特定条件下的流变特性和长期强度泥化夹层在特定条件下的流变特性和长期强度泥化夹层泥化夹层具有流变性具有流变性,宜取长期强度或,宜取长期强度或剩余强度剩余强度(约峰值的约峰值的80);反反复荷载作用复荷载作用下取残余强度;下取残余强度;动力强度动力强度(振动对泥化夹层强度的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。影响程度与振动的振幅、频率和夹层的孔隙比有关。)4.4.岩体结构分类岩体结构分类 水利水电工程地质勘
20、察规范(水利水电工程地质勘察规范(GB 50287-99GB 50287-99)实行的分类标准)实行的分类标准:4:4大类大类1212亚类亚类类型类型亚亚 类类岩岩 体体 结结 构构 特特 征征块状块状结构结构整体状结构整体状结构岩体完整,呈巨块状,结构面不发育,间距大于岩体完整,呈巨块状,结构面不发育,间距大于100cm100cm块状结构块状结构岩体较完整,呈块状,结构面轻度发育,间距一般岩体较完整,呈块状,结构面轻度发育,间距一般100-50cm100-50cm次块状结构次块状结构岩体较完整,呈次块状,结构面中等发育,问距一般岩体较完整,呈次块状,结构面中等发育,问距一般50-30cm50
21、-30cm层层状状结结构构巨厚层状结构巨厚层状结构岩体完整,呈巨厚层状,结构面不发育,间距大于岩体完整,呈巨厚层状,结构面不发育,间距大于100cm100cm厚层状结构厚层状结构岩体较完整,呈厚层状,结构面轻度发育,间距一般岩体较完整,呈厚层状,结构面轻度发育,间距一般100-50cm100-50cm中厚层状结构中厚层状结构岩体较完整,呈中厚层状,结构面中等发育,间距一般岩体较完整,呈中厚层状,结构面中等发育,间距一般50-30cm50-30cm互层状结构互层状结构岩体较完整或差,呈互层状,结构面较发育,间距一般岩体较完整或差,呈互层状,结构面较发育,间距一般30-10cm30-10cm薄层状
22、结构薄层状结构岩体完整性差,呈薄层状,结构面发育,间距一般小于岩体完整性差,呈薄层状,结构面发育,间距一般小于10cm10cm碎裂碎裂结构结构镶嵌碎裂结构镶嵌碎裂结构岩体完整性差,岩块镶嵌紧密,结构面较发育到很发育,间距一般岩体完整性差,岩块镶嵌紧密,结构面较发育到很发育,间距一般30-10cm30-10cm碎裂结构碎裂结构岩体较破碎,结构面很发育,间距一般小于岩体较破碎,结构面很发育,间距一般小于10cm10cm散体散体结构结构碎块状结构碎块状结构岩体破碎,岩块夹岩屑或泥质物岩体破碎,岩块夹岩屑或泥质物碎屑状结构碎屑状结构岩体破碎,岩屑或泥质物夹岩块岩体破碎,岩屑或泥质物夹岩块 岩土工程勘察
23、规范(岩土工程勘察规范(GB 50021-2001GB 50021-2001)实行的分类标准实行的分类标准结构类型结构类型岩体地质类型岩体地质类型结构体结构体结构面发育情况结构面发育情况岩土工程特征岩土工程特征岩土工程问题岩土工程问题整体状整体状结结构构巨块状岩浆岩、巨块状岩浆岩、变质岩,巨厚层变质岩,巨厚层沉积岩沉积岩巨块状巨块状以层面、原生、构造节理以层面、原生、构造节理为主,多呈闭合型,间距为主,多呈闭合型,间距大于大于1.5m,一般,一般12组,组,无危险结构无危险结构岩体稳定,可视岩体稳定,可视为均质弹性各向为均质弹性各向同性体同性体局部滑动或坍塌,局部滑动或坍塌,深埋洞室的岩爆深埋
24、洞室的岩爆块块状状结结构构厚层状沉积岩,厚层状沉积岩,块状岩浆岩、变块状岩浆岩、变质岩质岩块块状状柱柱状状有少量贯穿性裂隙,间距有少量贯穿性裂隙,间距0.71.5m。一般为。一般为23组,组,有少量分离体有少量分离体结构面互相牵制,结构面互相牵制,岩体基本稳定,岩体基本稳定,接近弹性各向同接近弹性各向同性体性体层层状状结结构构多韵律的薄层、多韵律的薄层、中厚层状沉积岩,中厚层状沉积岩,副变质岩副变质岩层层状状板板状状透镜体透镜体有层理、片理、节理,常有层理、片理、节理,常有层间错动面有层间错动面变形和强度受层变形和强度受层面及层面控制,面及层面控制,可视为各向异性可视为各向异性弹塑性体,稳定弹
25、塑性体,稳定性较差性较差可沿结构面滑塌,可沿结构面滑塌,软岩可产生塑性软岩可产生塑性变形变形碎裂状碎裂状结结构构构造影响严重的构造影响严重的破碎岩层破碎岩层碎块状碎块状断层、节理、片理、层理断层、节理、片理、层理发育,结构面间距发育,结构面间距0.250.5m,一般在,一般在3组组以上,有许多分离体以上,有许多分离体整体强度很低,整体强度很低,并受软弱结构面并受软弱结构面控制,呈弹塑性控制,呈弹塑性体,稳定性很差体,稳定性很差易发生规模较大易发生规模较大的岩体失稳,地的岩体失稳,地下水加剧失稳下水加剧失稳散体状结构散体状结构断层破碎带,强断层破碎带,强风化及全风化带风化及全风化带碎屑状碎屑状构
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