第三章巖體結構控制論,第三章巖體結構控制論,第三章巖體結構控制論,第三章巖體結構控制論,3.1概述,3.2巖體結構的物質基礎,3.2.1巖石的成分與結構,3.2.2巖石的成巖環境與巖相變化,3.2.3巖石的成層條件及其厚度變化,3.2.4巖石組合特征及其劃分依據,3.2.5巖石的物理力學性質,3.4巖體結構的力學效應,3.3巖體結構,3.3.1結構面的類型及特征,3.4.1巖體變形機制,3.4.2巖體破壞機制,第三章巖體結構控制論,第三章巖體結構控制論,3.1概述,“巖體”：地質歷史過程中形成的，由巖塊(結構體)和結構面網絡組成的，具有一定的結構并賦存于一定的天然應力狀態和地下水等地質環境中的地質體。,“工程巖體”：巖體作為工程建設的對象,“巖體結構”,第三章巖體結構控制論,3.1概述,巖體結構，反映巖體的本質：巖體結構的不同，巖體物理力學性質、工程巖體變形、破壞的難易程度與方式也不同；巖體結構還控制了巖體的水文地質條件、風化作用；巖體結構不同，巖體穩定性的特征完全不同。,第三章巖體結構控制論,3.2巖體結構的物質基礎,物質成分,結構,巖體兩個基本特性,結構面,結構體,結構面是指巖體中力學強度相對薄弱的部位，是巖體中的地質界面（如層面、斷裂、風化卸荷裂隙等），使巖體力學性能具有不連續性、不均一性和各向異性，它決定了巖體的介質特征和力學屬性。,第三章巖體結構控制論,一、工程荷載范圍內（一般小于10MPa），工程巖體的破壞有相當一部分是沿軟弱結構面破壞的。,二、在工程荷載作用下，結構面及其充填物的變形是巖體變形的主要組分，控制著工程巖體的變形特征。,三、結構面是巖體中滲透水流的主要通道。在工程荷載作用下，結構面的變形又將極大地改變巖體的滲透性、應力分布及其強度。,四、工程荷載作用下，巖體中的應力分布也受結構面及其力學性質的影響。,結構面的工程意義,第三章巖體結構控制論,在巖體結構中，結構面居主導地位，隨著結構面的類型、發育程度、性狀與組合情況不同，巖體結構類型迥然不同。,巖石是巖體結構的物質基礎。,一、任何巖體都要經歷巖石的建造過程，它既是建立巖體的物質基礎過程，也是各種原生結構面與巖性組合的形成過程。,二、巖體結構組成的兩個基本單元之一的結構體完全是由巖石構成的，它的性質就是巖石塊體的性質。,第三章巖體結構控制論,工程地質工作，首先要對地層巖性進行系統的研究，分析巖性巖相變化特征，并進行巖體工程地質分類，即工程地質巖組（粒組）的劃分。把工程地質性質相近的巖層組合體劃歸到一起，構成工程地質評價的獨立單元，即工程地質巖組。,巖石形成于漫長的地質歷史時期，要研究巖體的物質特征，就要充分考慮其形成的地質環境、成巖作用、成巖歷史與成巖后的次生變化等。,巖性編錄,在進行工程地質巖組劃分時，要特變關注軟弱、松軟、破碎巖層，以便于在進行工程地質綜合評價時，加以全面論證和重點分析。,第三章巖體結構控制論,3.2.1巖石的成分與結構,巖石的成分和結構不同，是巖石工程地質性質差異的主要原因：,對碳酸鹽巖，要特變關注其可溶性，而可溶性取決于其成分與組構，成分尤為重要；,對碎屑巖類巖石，決定其工程地質性質的主要是顆粒粒徑、膠結物與膠結程度、粘土礦物含量等；,第三章巖體結構控制論,對巖漿巖，應特別重視其礦物成分與化學成分、粒徑與結晶性狀?；鹕綆r物質成分與結構變化很大，尤其應對軟硬相間的多層結構給予重點關注；巖體的軟弱帶。,變質巖巖石系列千差萬別，變質巖的成分、結構與變質程度有著十分密切的關系。礦物的集中和定向排列，往往成為巖體的軟弱帶。,第三章巖體結構控制論,3.2.2巖石的成巖環境與巖相變化,巖石的成巖環境與巖相變化，很大程度決定了巖石的均一性與各向異性：,沉積巖成巖環境復雜，形成過程差別很大，由此決定巖性、巖相變化與層厚；,巖漿巖成因類型同樣復雜，巖性巖相隨之變化。要特別注意巖漿分異及其巖性巖相分帶、巖脈的分布及其接觸帶。,第三章巖體結構控制論,火山巖分布很廣，成因類型不同，其巖性巖相變化顯著，巖石組合更為復雜。海底噴發的火山巖類型，它往往與海底沉積巖交互產生，構成不利的巖石組合，形成較差的工程地質條件。,變質巖大多形成于高溫高壓下，其物質成分和結構均發生劇烈變化，往往產生軟弱的巖層與巖組。如千枚巖、綠泥石片巖、石墨片巖等；,第三章巖體結構控制論,3.2.3巖石的成層條件及其厚度變化,對沉積巖及負變質巖，巖石成層特點直接關系到巖體介質的連續性與各向異性：沉積巖，應特別重視濱海及河湖相巖層，其厚度往往特別大。,我國內陸湖盆的沉積，如中生代紅層，不僅厚度變化大，而且往往形成厚薄不等的透鏡體，對工程巖體穩定不利。還要注意不整合面、巖層層面強度，尤其是軟弱夾層，常是工程地質條件中的關鍵因素之一；,第三章巖體結構控制論,在變質作用下，可形成明顯的定向排列或層狀結構。由于構造作用，還會產生層間錯動。因而變質巖成層條件復雜，單層厚度變化明顯；,巖漿巖的成層性不明顯，只是熔巖流表現出一定的成層特點。火山巖有較好的成層性。在火山巖中常夾有碎屑巖，形成不穩定的層狀結構。,第三章巖體結構控制論,3.2.4巖石組合特征及其劃分依據,巖石組合特征是研究巖體結構物質特征的基礎工作：,巖石組合首先考慮巖石的軟硬程度，其次是巖層的厚度，第三是巖體中各類夾層的發育特征；,每一巖組均有其一定的巖石組合特征，具有相似的工程地質特性。要結合工程區的具體情況，尋找其規律性，如沉積旋回，進行系統劃分。,巖組劃分不宜過大，否則，會掩蓋巖體強度的薄弱環節。,巖組劃分必須建立在建造的基礎上。各種建造的地質體，在不同的大地構造單元中，差異性很大。,第三章巖體結構控制論,3.2.5巖石的物理力學性質,巖體可由一種巖石，亦可由多種巖石構成。巖石的物理力學性質對工程巖體的穩定性重要作用：,巖石或巖體的物理力學性質在很大程度上受控于其地質屬性；,巖石的物理力學性質及其參數主要包括孔隙度或孔隙比、膨脹性、水理性質、彈性參數、變形參數、抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度等；,從巖石和巖體工程地質性所進行的工程分類（或分級）具有重要的工程應用價值。,第三章巖體結構控制論,3.3巖體結構,“巖體結構”：由結構面和結構體共同組成的結構形態，不同類型的基本單元在巖體內組合、排列的形式。,“結構面”為巖體中具有一定方位和厚度、兩向延伸的地質界面，結構面分為兩大類：,物質分異面，如層面、片理面、軟弱夾層、巖漿侵入接觸面等；,巖體中的不連續面，如斷層、節理、風化與卸荷裂隙等。,結構面是在建造和改造的過程中形成的，其空間分布于特征與其成因類型密切相關，按成因分類：,第三章巖體結構控制論,3.3.1結構面的類型及特征,1）結構面成因類型和特征（地質成因類型）,第三章巖體結構控制論,3.3.1結構面的類型及特征,1）結構面成因類型和特征（力學成因類型）,剪性結構面：剪應力形成的，破裂面兩側巖體產生相對滑移如逆斷層、平移斷層以及多數正斷層等。特點：連續性好，面較平直，延伸較長并有擦痕鏡面等。,第三章巖體結構控制論,3.3.1結構面的類型及特征,1）結構面成因類型和特征（力學成因類型）,張性結構面：由拉應力形成如羽毛狀張裂面、縱張及橫張破裂面、巖漿巖中的冷凝節理等。,特點：張開度大、連續性差、形態不規則、面粗糙，起伏度大及破碎帶較寬，易被充填，常含水豐富，導水性強。,第三章巖體結構控制論,2）結構面的力學類型和特征,按影響結構面力學特性的主要因素，將結構面劃分以下四種力學類型：,破裂結構面巖體中無充填的節理、片理、劈理等，它們在法向應力作用下呈剛性接觸，屬硬性結構面?？辜魪姸戎饕Q于結構面的幾何特征。,第三章巖體結構控制論,破碎結構面如斷層破碎帶、風化破碎帶及層間破碎夾層等，可有不同程度的膠結。不同組分物質成條帶狀或透鏡狀分布。,抗剪強度主要取決于：填充物的成分結構膠結程度。變化幅度大！,第三章巖體結構控制論,層狀結構面巖體中成層的不連續面，如層面、層理及軟弱夾層等。,抗剪強度主要取決于：結構面的膠結程度及軟層本身的抗剪強度，變化幅度相對小。,第三章巖體結構控制論,泥化結構面為塑性泥質組成的軟弱結構面如斷層泥、層間錯動泥化夾層、裂隙夾泥、層面夾泥。泥質富集，結構面易變形，強度低。,抗剪強度主要取決于：填充物的粘土礦物成分、微觀結構、含水量、固結程度。,第三章巖體結構控制論,3）結構面分級,結構面在延展和延伸，寬窄、力學特性上規模不等，差異很大。其分級及特征：,第三章巖體結構控制論,4）結構面的指標參數,一、成因類型,二、規模,三、產狀包括走向、傾向、傾角。結構面與最大主應力間的關系控制著巖體的破壞機理與強度。結構面展布方向與受力方向不同，巖石的破壞方式與強度不同。,第三章巖體結構控制論,四、連續性反映結構面的貫通程度,五、密度反映結構面發育的密集程度,六、張開度結構面兩壁面間的垂直距離結構面兩壁面一般不是緊密接觸，使結構面實際接觸面積減少，導致結構面粘聚力降低和滲透性增大。,第三章巖體結構控制論,七、形態側壁的起伏形態及粗糙度來反映,平直的波狀的鋸齒狀的臺階狀的不規則狀的,側壁的起伏形態分為：,結構面的粗糙度用粗糙度系數（JRC）表示。根據標準粗糙度剖面將結構面的粗糙度系數劃分為10級。隨粗糙度的增大，結構面的摩擦角也增大。標準粗糙度剖面：,第三章巖體結構控制論,八、充填膠結特征結構面膠結后力學性質有所增強，Fe質膠結的強度最高，泥質與易溶鹽類膠結的結構面強度最低，且抗水性差。未膠結的結構面，力學性質取決于其充填情況，可分為薄膜充填、斷續充填、連續充填及厚層充填4類：1）薄膜充填是結構面兩壁附著一層極薄的礦物膜，厚度多小于1mm，多明顯降低結構面的強度。2）斷續充填結構面的力學性質與充填物性質、壁巖性質及結構面的形態有關。3）連續充填結構面的力學性質主要取決于充填物性質。4）厚層充填結構面的力學性質很差，主要取決于充填物性質，巖體往往易于沿這種結構面滑移而失穩。,第三章巖體結構控制論,九、軟弱結構面軟弱結構面是巖體中具有一定厚度的軟弱帶(層)，與兩盤巖體相比具有高壓縮和低強度等特征，在產狀上多屬緩傾角結構面。主要包括：原生軟弱夾層、構造及擠壓破碎帶、泥化夾層及其他夾泥層等。特性：由原巖的超固結膠結式結構變成了泥質散狀結構或泥質定向結構；粘粒含量很高；含水量接近或超過塑限；密度比原巖??；常具有一定的脹縮性；力學性質比原巖差；強度低；壓縮性高；易產生滲透變形。,第三章巖體結構控制論,十、結構面的組合關系結構面的組合關系控制著可能滑移巖體的幾何邊界條件、形態、規模、滑動方向及滑移破壞類型，它是工程巖體穩定性預測與評價的基礎。任何堅硬巖體的塊體滑移破壞，都必須具備一定的幾何邊界條件。因此，在研究巖體穩定性時，必須研究結構面之間及其與臨空面之間的組合關系，確定可能失穩塊體的形態、規模和可能滑移方向等。,第三章巖體結構控制論,第三章巖體結構控制論,第三章巖體結構控制論,第三章巖體結構控制論,3.4巖體結構的力學效應,巖體結構的力學效應實質：探討巖體結構對巖體力學行為與力學作用的影響。,巖體的應力傳播,巖體的變形破壞,巖體的力學介質,巖體結構,軟弱結構面,硬性結構面,巖體變形破壞的重要控制因素或邊界,劃分巖體結構、鑒別巖體力學介質類型的重要依據,控制,第三章巖體結構控制論,第三章巖體結構控制論,“硬性結構面”巖塊間呈剛性接觸的無任何充填的結構面。,“軟弱結構面”力學強度明顯低于圍巖，一般充填有一定厚度軟弱物質的結構面。如泥化、軟化、破碎薄夾層等。軟弱結構面是巖體中最容易產生變形和破壞的部位。它常常成為危險的切割面、滑移面或構成有害的壓縮變形帶，導致巖體產生不允許的變形或失穩。,第三章巖體結構控制論,3.4.1巖體變形機制,巖體變形的過程是力學變形過程：巖塊壓縮變形是巖塊在全圍壓下體積縮小；巖塊形狀改變、巖塊沿結構面滑動和結構體滾動是在剪應力作用下產生的；板裂結構體橫向彎曲傾倒變形是在力矩作用下產生的等。,巖體變形：結構體變形+結構面變形,第三章巖體結構控制論,巖體變形不僅與受力狀態（外因）密切相關，而且受巖體結構（內因）控制。不同結構的巖體變形不同：塊裂結構巖體最主要的變形是沿結構面滑動；完整結構巖體的變形，主要是