工程地質分析原理 第一章地殼巖體結構特征的工程地質分析 1 1基本概念及研究意義巖體 rockmass 通常指地質體中與工程建設有關的那一部分巖石 它處于一定的地質環境 被各種結構面所分割 巖體具有一定的結構特征 它由巖體中含有的不同類型的結構面及其在空間的分布和組合狀況所確定 結構面是指巖體中具有一定方向 力學強度相對較低 兩向延伸 或具有一定厚度 的地質界面 或帶 如巖層層面 軟弱夾層 各種成因的斷裂 裂隙等 由于這種界面中斷了巖體的連續性 故又稱不連續面 結構體 結構面在空間的分布和組合可將巖體切割成形狀 大小不同的塊體 稱結構體 工程地質之所以要將巖體的結構特征作為重要研究對象 意義如下 巖體中的結構面是巖體力學強度相對薄弱的部位 它導致巖體力學性能的不連續性 不均一性和各向異性 只有掌握巖體的結構特征 才有可能闡明巖體不同荷載下內部的應力分布和應力狀況 巖體的結構特征對巖體在一定荷載條件下的變形破壞方式和強度特征起著重要的控制作用 巖體中的軟弱結構面 常常成為決定巖體穩定性的控制面 各結構面分別為確定壩肩巖體抗滑穩定的分割面和滑移控制面 靠近地表的巖體 其結構特征在很大程度上確定了外營力對巖體的改造進程 這是由于結構面往往是風化 地下水等各種外營力較活動的部位 也常常是這些營力的改造作用能深入巖體內部的重要通道 往往發展為重要的控制面 總之 對巖體的結構特征的研究 是分析評價區域穩定性和巖體穩定性的重要依據 研究結構面最關鍵的是研究各類結構面的分布規律 發育密度 表面特征 連續特征以及它們的空間組合形式等 1 2巖體結構特征及主要類型1 2 1結構面的主要類型及特征 結構面的成因分類 原生結構面 構造結構面及淺表生結構面沉積結構面 層理 層面 軟弱夾層 不整合面 原假整合面 古沖刷面等 生火成結構面 侵入體與圍巖接結觸面 巖脈 巖墻接觸面 噴出巖構的流線 流面 冷凝節理面變質結構面 片理 片麻理 板劈理 片巖軟弱夾層 構節理 X型節理 張節理 造結斷層 正斷層 逆斷層 走滑斷層 構面層間錯動帶 羽狀裂隙 破劈理 淺部卸荷斷裂淺結 構重力擴展變形破裂表面生結表卸荷裂隙構部風化裂隙面結風化夾層構泥化夾層面次生夾泥 結構面規模等級劃分 按其對巖體力學行為所起控制作用 可劃分為三個等級 即貫通性宏觀軟弱面 A類 顯現結構面 B類 和隱微結構面 C類 1 2 2巖體分類1 2 2 1巖體結構分類按建造特征可將巖體劃分為塊體狀 或整體狀 結構 塊狀結構 層狀結構 碎塊狀結構和散體狀結構等類型 塊體狀結構 代表巖性均一 無軟弱面的巖體 含有的原生結構面具有較強的結合力 間距大于1m 通常出現在厚層的碳酸鹽巖 碎屑巖 花崗巖 閃長巖 原生節理不太發育的流紋巖 安山巖 玄武巖 凝灰角礫巖中等 塊體結構 代表巖性較均一 含有2 3組較發育的軟弱結構面的巖體 結構面間距1 0 5m 成巖裂隙較發育的厚層砂巖或泥巖 槽狀沖刷面發育的河流相砂巖體等沉積巖 原生節理發育的火山巖體等 層狀結構 代表一組連續性好 抗剪性能顯著較低的軟弱面的巖體 一般巖性不均一 可進一步分為層狀 軟弱面間距50 30cm 薄層狀 間距小于30cm 還可以據不均一程度劃分出軟硬相間的互層狀結構 碎塊狀結構 代表含有多組密集結構面的巖體 巖體被分割成碎塊狀 以某些動力變質巖為典型 如溪洛渡泡灰巖 另外按巖體的改變程度可劃分為完整的 塊裂化或板裂化 碎裂化 散體化的等四個等級 1 2 2 2巖體的工程分類工程應用分類是以巖體穩定性或巖體質量評價為基礎的分類 為綜合性分類 目前主要考慮三方面因素的指標 即與巖石工程性質有關的指標 力學性質 巖體后期改造有關的指標 巖體結構 和巖體賦存條件方面的指標 地下水或地應力 通常有 RMR 賓尼亞斯基分類 Bieniawski 巴頓的Q分類 谷德振的巖體質量指標Z系統分類 1979 見表1 3 分類方案 巖體質量指標計算公式及方法 參數 RMR系統 RMR A B C D E F和差綜合法 并聯系統 T Bieniawski 1973 A 巖石強度 點荷載 單軸壓 分數15 0 B RQD 巖石質量指標 分數20 3 D 不連續面性狀 粗糙 夾泥 分數30 0 C 不連續面間距 2m 3m 分數20 5 E 地下水 干燥 流動 分數15 0 F 不連續面產狀條件 很好 很差 分數0 12 等級劃分 I很好RMR100 81II好RMR80 61III中等RMR60 41IV差RMR40 21V很差RMR 20 R S R 系統 RSR A B C和差綜合法 并聯系統 G Wickham 1974 A 地質 巖石類型 按三大巖類由硬質至破碎劃分四個等級 構造由整體 強烈斷裂褶皺分為四等 分數30 6 B 節理裂隙特征 按整體至極密集分為6個等級 按走向傾角與掘進方向關系折減 分數45 7 C 地下水 無至大量 分數25 6 RSR的變化范圍25 100 Q系統 Q RQD Jn Jr Ja Jw SRF 乘積法串聯系統 Baton 1974 RQD 巖石質量指標0 100 Jn 裂隙組數 無裂 破裂 0 5 20Jr 裂隙粗糙度 粗糙 鏡面 4 0 5Ja 裂隙蝕變程度 新鮮 蝕變夾泥 0 75 20Jw 裂隙水折減系數 干燥 特大水流 1 0 05 SRF 應力折減系數 表示洞室開挖中巖性和地應力對圍巖抗變形能力的折減 高者可達20 高應力狀態巖石趨于流動 低者2 5 接近地表的堅硬巖石 很好Q400 1000極好Q100 400很好Q40 100好Q10 40一般Q4 10壞Q1 4很壞Q0 1 1壞Q0 01 0 1特壞Q0 001 0 01 Z系統 Z I f R乘積法 串聯系統 谷德振 1979 I 完整性系數 I V2m V2rVm 巖體中縱波速Vr 巖石中縱波速f 結構面抗剪強度系數R 巖石堅固系數 為巖石濕單軸抗壓強度的百分之一 Z的變化范圍為0 01 20 表1 3巖體質量分類代表性方案 1 2 2 3分類標準的定量化 巖體質量指標70年代以來巖體分類中采用了 巖體質量指標 或 綜合特征指標 來判別巖體性能的優劣 因而含有這類指標的分類又被稱為巖體質量分級 如上所述的RMR Q和Z系統 分類中有了定量指標作為依據 更便于將作過詳細勘探測試研究的場地的經驗和成果應用于研究程度較差或處于勘探初級階段的工地 從而達到簡化或減少勘探程序和工作量的目的 分類中 為了探討不同分類方案之間的相關性 魯弗里奇等根據新西蘭多個工程的經驗 對RMR RSR和Q系統三者得出的如下關系式 RMR 1 35lgQ 43RSR 0 77RMR 12 4RSR 13 3lgQ 46 5 1 3巖體原生結構特征的巖相分析巖相的橫向變化引起巖性及厚度的變化 從而引起巖體的力學性質在橫向上的差異性 充分了解巖相變化可以更好地提供面上資料 為工程建設服務 1 3 1河流相沉積巖巖體結構特征的巖相分析 主要相模式及其工程地質特征 高彎度河流沉積相模式及該相巖體的主要工程地質特征坡降緩 彎度大 流態穩定 水流較深 單向環流為主 其主要工程特征有 a 巖體具層狀或軟硬相間互層狀結構特征 b 砂巖體抗風化性能弱 強度具明顯自下而上的遞變規律如四川白堊系紅層的砂巖 辮狀 游蕩型 河流沉積相模式特點 坡降陡 河床不穩定 彎度小 水淺 流態不穩定 具復雜環境的河流沉積模式 巖體主要工程地質特征 a 巖體具層狀或塊狀結構特征 巖體中以含泥砂礫的滯留礫石層為其主要軟弱層 斷續分布 起伏差大 多呈槽狀 b 砂巖體具較高的抗風化能力和強度 巖體原生結構特征的亞相 微相分析a 軟弱夾層的亞相 微相分析b 砂巖體中原生結構面的微相分析 1 3 2變質巖巖體結構特征的巖相分析1 3 2 1葉理發育程度的巖相分析及其應用變質巖葉理質量分級可以為評價變質巖巖體工程地質特性提供了重要依據 具體來說 葉理指標可對同一地區或不同地區類型巖石的葉理發育程度 表1 5 作出對比評價 還可用于定量評價巖石 體 的各向異性特征 通過相關分析 作為確定巖石 體 某些重要力學參數的依據 葉理指標還可作為巖體潛在剪動 滑動 帶演變程度的判據 1 3 2 2變質軟弱巖帶的巖相分析及其應用 軟弱巖帶工程地質特征的演化分析a 空間展布特征受氣 液通道斷裂控制b 斷裂的演化經歷確定了變質巖帶的力學特征c 表生改造確定了變質巖性能的近期變化 軟弱巖帶巖體質量分級中的巖相分析對巖石展開薄片巖相鑒定 X射線衍射分析 有效空隙率 彈性波速 磁化率 傳導率和有關力學實驗 證明變質巖的蝕變程度可以作為巖體分級的一個重要依據 1 4巖體構造結構特征的地質力學分析1 4 1構造斷裂的基本組合模式 根據構造斷裂組合規律去分析評價區域構造穩定性或巖體穩定性具有重大影響的構造結構特征 通過追溯應力場演變史來闡明具有復雜歷史的構造斷裂的工程地質性質 構造地質學構造地質學的現代研究 提出按變形 破壞 力學機制對構造斷裂進行分類 Mattauer等 1980 將其劃分為剪切 shearing 代表斷層和與斷層相伴的張性拉裂 fracturiug 彎曲 bending 代表柔性 同心 或 平行 褶皺 壓扁 flattening 代表強烈擠壓條件下劈理 葉理等韌性變形 流動 flowing 代表高溫條件下巖石呈固熔狀態的粘滯流動變形 構造斷裂的形成過程 表現為兩種機制類型的組合 通常隨深度加深和溫度增高 呈如下序列 剪切或拉裂拉裂與彎曲彎曲彎曲與壓扁壓扁壓扁與流動流動 1 4 2大型推覆構造巖體結構特征分析龍門山中北段推覆構造發育 按構造分區 可將巖體劃分成厚皮構造 薄皮構造和接觸擾動帶 2 4 2 1厚皮構造結構特征這一帶巖體主要由高角度的逆斷層推至接近地表的中下構造層物質組成 以塑性 韌性變形破裂為主 疊加接近地表處所產生的脆性破裂 具體特征為 1 系列陡傾逆沖斷裂構成巖體個宏觀格架 2 變質巖以壓扁流動形成的密集片理化為其主要特征 3 巖漿巖以S型花崗巖為典型代表 屬地殼重溶型 與逆沖斷層摩擦熱有關 巖漿巖中韌性斷裂和其他類型類型動力變質現象發育 上述特征也是這一帶巖體遭受風化 并在重力作用下容易發生變形破壞的重要原因 較完整的巖漿巖可儲備很高的彈性應變能 在區域剝蝕和現代地貌形成過程中 容易產生應變能釋放而造成的淺表生變形破裂結構 1 4 2 2薄皮構造巖體結構特征這一帶以彎曲和剪切造成的淺部褶皺斷裂為其主要特征 伴有表部重力滑動構造 具體特征為 1 系列上疊式弧型斷裂構成巖體的宏觀格架 2 淺部巖層強烈彎曲褶皺 層間錯動發育 錯動在硬軟接觸面尤為明顯 削弱了層間聯結能力和抗剪強度 成為巖體在重力場條件下變形破壞的重要控制面 1 4 3伸展帶巖體結構特征分析裂谷是區域隆起背景上以斷陷谷為特征的大型復雜地塹系 如大洋裂谷 大陸裂谷和陸間裂谷 1 裂谷深部斷裂的基本形式斷裂基本模式 見圖 2 裂谷區覆蓋巖體結構特征上述不同模式斷裂系統的近期活動 在區域穩定性分析中具有重要的意義 如它對淺表層巖體構造結構的形成和演化的控制作用 第一類斷裂模式 蓋層結構以垂向或陡傾大斷裂為分割邊界 呈明顯分帶或分塊特征 裂網絡受深部斷裂格架控制 拉張最強烈的部位往往出現在地幔隆起軸附近 第二類斷裂模式 蓋層隨裂谷擴展而出現拉張破裂 但斷裂網絡并不一定與深部斷裂相吻合 拉張最強烈的部位往往出現在裂谷的一側 如圖1一17模式b的東側 或兩側 如模式C 1 4 4走滑斷裂區巖體結構特征分析 1 走滑斷裂的基本組合模式典型的走滑斷裂系統發育在相對穩定的地塊中 也可于板塊轉換斷層接觸帶 它是最大 最小主應力近于水平的地應力環境下的產物 大多屬于脆性剪切破裂 按地質力學觀點 斷裂組合可有多種形式 但某一主干斷層與其伴生的不同次序的斷裂的組合形式 可視為基本模式 巴杰利 1959 曾提出一對共額走滑斷層與各序次斷裂共生組合的理想模式 圖1 19 80年代以來大量調查證明 實際情況要復雜一些 圖1 20 1 5巖體結構特征的統計分析結構面統計主要統計優勢方位 間距 長度 連續率等 結構面統計中由于 類規模大 一般都有專題研究 C類結構面規模小 具體反映在巖塊或大試件試驗成果中 而B類結構面適合野外實測 即在巖體中目測的裂隙系統 有多種測量方法 如巖心裂隙測量法 RQD 取樣狀窗法 samplingwindow 又可稱為面積測量方法和路線精測法 linescaning 實踐表明 路線精測法較為完整 為了客觀反映統計數據的正確性 需要進行資料校正 P34 35 通常要進行兩方面的校