1、關于巖體地質與結構特征第1頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三1.巖石（Rock）礦物、巖屑的集合體。 1.1 幾個基本概念2.結構面（Structural Plane） 指地質歷史發展過程中，在巖體內形成的具有一定的延伸方向和長度，厚度相對較小的地質界面或帶。4.巖體（Rockmass）是指地質歷史過程中形成的，由巖塊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。3.巖塊（Rock block 或 Rock）指不含顯著結構面的巖石塊體，是構成巖體的最小巖石單元體。第1章 巖體地質與結構特征第2頁，共50頁，2022年，5月20

2、日，23點33分，星期三思考題1、巖塊與巖體有哪些區別？2、試比較土與巖有那些異同點？第3頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三一、巖塊的物質組成第1章 巖體地質與結構特征1.2 巖塊及其特征 巖塊力學性質主要取決于組成巖石的礦物成分及其相對含量粘土礦物硅酸鹽類礦物碳酸鹽類礦物氧化物類礦物第4頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三二、巖塊的結構特征巖塊的結構是指巖石內礦物顆粒的大小、形狀、排列方式及微結構面發育情況與粒間連結方式等反映在巖塊構成上的特征。結晶連結是礦物顆粒通過結晶相互嵌合在一起，它是通過共用原子或離子使不同晶粒緊密接觸。巖石的粒間連結分結

3、晶連結與膠結連結。膠結連結是礦物顆粒通過膠結物連結在一起。硅質膠結的巖塊強度最高；鐵質、鈣質膠結的次之；泥質膠結的巖塊強度最低。第5頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三第1章 巖體地質與結構特征二、巖塊的結構特征微結構面 削弱巖石強度，形成各向異性顆粒形狀 強度： 粒狀、柱狀片狀鱗片狀顆粒大小 強度： 粗粒礦物組成和結構改變=巖塊的物理力學性質改變（強度降低、抗變形性能減弱、空隙率增大，滲透性加大）第1章 巖體地質與結構特征風化巖塊的風化程度可用定性指標和某些定量指標表述定性指標主要有：顏色、礦物蝕變程度、破碎程度及開挖錘擊技術特征等。定量指標主要有風化空隙率指標和波速指

4、標等。第7頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三風化空隙率指標(Iw)是快速浸水后風化巖塊吸入水的質量與干燥巖塊質量之比。波速指標 縱波波速（cp） 波速比 風化系數 第8頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三硬質巖石按波速指標的風化分級表 巖土工程勘察規范（GB50021-94）第9頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三一、結構面的成因類型(一)地質成因類型第1章 巖體地質與結構特征 1.3 結構面特征(二)力學成因類型第10頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三巖體結構面的類型及其特征3.片麻理4.板理及千枚理

5、受地形及原始結構面和臨空面產狀控制第11頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三(一)地質成因類型1.原生結構面巖體在成巖過程中形成的結構面。 沉積結構面是沉積巖在沉積和成巖過程中形成的，有層理面、軟弱夾層、沉積間斷面和不整合面等。 巖漿結構面是巖漿侵入及冷凝過程中形成的結構面，包括巖漿巖體與圍巖的接觸面、各期巖漿巖之間的接觸面和原生冷凝節理等。 變質結構面在變質過程中形成，殘留結構面和重結晶結構面2.構造結構面 是巖體在構造應力作用下形成的各種破裂面，包括斷層、節理、劈理和層間錯動面等。3.次生結構面 是巖體形成后在外營力作用下產生的結構面，包括卸荷裂隙、風化裂隙、次生夾泥

6、層和泥化夾層等。第12頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三(二)力學成因類型張性結構面是由拉應力形成的，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，導水性強剪性結構面是剪應力形成的，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現象發育。第13頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三二、結構面的規模級 指大斷層或區域性斷層。控制工程建設地區的地殼穩定性，直接影響工程巖體穩定性；級 指延伸長

7、而寬度不大的區域性地質界面。級 指長度數十米至數百米的斷層、區域性節理、延伸較好的層面及層間錯動等。、級結構面控制著工程巖體力學作用的邊界條件和破壞方式，它們的組合往往構成可能滑移巖體的邊界面，直接威脅工程安全穩定性第14頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三級 指延伸較差的節理、層面、次生裂隙、小斷層及較發育的片理、劈理面等。是構成巖塊的邊界面，破壞巖體的完整性，影響巖體的物理力學性質及應力分布狀態。 級結構面主要控制著巖體的結構、完整性和物理力學性質，數量多且具隨機性，其分布規律不太容易搞清楚，需用統計方法進行研究級 又稱微結構面。常包含在巖塊內，主要影響巖塊的物理力學

8、性質。控制巖塊的力學性質；二、結構面的規模第15頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三走向、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。據單結構面理論，巖體中存在一組結構面時，巖體的極限強度與結構面傾角間的關系為：三、 產狀第16頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三四 連續性結構面的連續性反映結構面的貫通程度。1、線連續性系數：指沿結構面延伸方向，結構面各段長度之和(a)與測線長度的比值。 K1變化在01之間，K1值愈大說明結構面的連續性愈好，當K11時，結構面完全貫通。2、跡長：結構面與巖體露頭交線的長度。第17頁，共50頁，20

9、22年，5月20日，23點33分，星期三 結構面連續性分級表 第18頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三五 密度結構面的密度反映結構面發育的密集程度。1、線密度(Kd)是指結構面法線方向單位測線長度上交切結構面的條數(條m)。2、間距(d)則是指同一組結構面法線方向上兩相鄰結構面的平均距離。 Kd與d互為倒數關系如果測線是水平布置的，且與結構面法線的夾角為，結構面的傾角為時:第19頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三 結構面間距分級表第20頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三用線密度來估算巖體質量指標RQD(rock quali

10、ty designation)巖體質量指標RQD：長度大于10cm的巖心長度之和與鉆孔總進尺的百分比。第21頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三六 張開度結構面的張開度是指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。如在層流條件下，平直而兩壁平行的單個結構面的滲透系數(Kf)可表達為：第22頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三 級及部分級結構面的產狀、跡長、間距及張開度等幾何特征參數，服從某種隨機分布規律。 結構面張開度分級表第23頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33

11、分，星期三七 形態結構面的形態可以用側壁的起伏形態及粗糙度來反映。結構面側壁的起伏形態分為：平直的、波狀的、鋸齒狀的、臺階狀的和不規則狀的。側壁的起伏程度可用起伏角(i)表示第24頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三結構面的粗糙度用粗糙度系JRC表示 (joint roughness coefficient) 。隨粗糙度的增大，結構面的摩擦角也增大。根據標準粗糙度剖面將結構面的粗糙度系數劃分為10級。第25頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三八 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

12、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26頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三1.4 巖體結構特征及結構控制論一、巖體的組成巖體是由結構面網絡及其所圍限的巖塊 (結構體)所組成。具有一定的結構是巖體的顯著特征之一。巖

13、體中存在著復雜的天然應力狀態和地下水，這是巖體與其他材料的根本區別之一第1章 巖體地質與結構特征第27頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三二、巖體的結構巖體結構(rockmass structure)指巖體中結構面與結構體的排列組合關系。1 結構體特征結構體(structural element)指巖體中被結構面切割圍限的巖石塊體。它不同于巖塊的概念。結構體的規模取決于結構面的密度，密度愈小，結構體的規模愈大,與結構面對應,劃分為四級。 常用塊度模數（單位體積內的級結構體數) 或結構體體積來表示結構體規模。結構體常見的形狀有： 柱狀、板狀、楔形及菱形等。 形狀不同，穩定性

14、不同。第28頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三結構體的形狀示意圖第29頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三2巖體的結構類型第30頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三三、巖體結構控制論 工程實踐表明，巖體的應力傳播、變形破壞以及巖體力學介質屬性無不受控于巖體結構。巖體結構對工程巖體控制作用主要表現在三方面：即巖體的應力傳播特征、巖體的變形與破壞特征及工程巖體的穩定性。 第31頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三 巖體結構控制論基本思想 1）具有一定結構的巖體，往往具有與之相對應的力學屬性。發育于巖體中的結構

15、面，是抵抗外力的薄弱環節。軟弱結構面是巖體變形破壞的重要控制因素或邊界 2）巖體的應力傳播特征 3）巖體的變形與破壞特征及工程巖體的穩定性 巖體變形與連續介質變形明顯不同，并且結構面變形起到控制作用。因此，巖體的變形主要它由結構體變形與結構面變形兩部分構成。塊狀結構巖體變形主要沿貫通性結構面滑移形成；碎裂狀結構巖體變形則由、級結構面滑移及部分巖塊變形構成；只有完整巖體的變形才受控于組成巖體的巖石變形特征。第32頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三 巖體變形機制受巖體結構控制巖體結構整體狀結構碎裂狀結構塊狀結構變形成分主要的巖塊壓縮變形結構面滑移變形結構體滑移及壓縮變形次要

16、的微結構面錯動結構體及結構面壓縮及結構體性狀改變結構體壓縮及形狀改變側脹系數小于0.5常大于0.5極微小變形系數結構體壓縮及形狀改變壓密沿結構面滑移控制巖體變形的主要因素巖石、巖相特征及級結構面特征開裂的不連續的、級結構面貫通的、級結構面，主要為軟弱結構面第33頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三 巖體的破壞機制也受控于巖體結構： 結構控制有：巖體破壞難易程度、巖體破壞的規模、巖體破壞的過程及巖體破壞的主要方式等。巖體破壞機制受巖體結構控制整塊體結構巖體塊狀結構巖體碎裂狀結構巖體散體狀結構巖體張破裂剪破壞結構體沿結構面滑動結構體張破裂結構體剪破裂結構體流動變形結構體沿結構

17、面滑動結構體轉動結構體組合體傾倒結構體組合體潰屈剪破壞流動變形第34頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三 巖體變形破壞方式：a. 塊狀及層狀結構巖體的塊體滑移；b. 薄層狀結構巖體的彎曲傾倒；c. 碎裂結構巖體的剪切破壞及塑性變形；d. 松散及破碎結構巖體的塑性變形第35頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三四、巖體成因與巖體特征（自學）1 巖漿巖體 無層理，產狀復雜。根據巖漿活動方式，巖漿巖可分為深成巖、淺成巖和噴出巖三類。2 沉積巖體 具有層理構造，巖體呈層狀結構。沉積巖包括他生沉積巖和自生沉積巖兩大類。3 變質巖體 多數巖石變質后都經歷了不同程度

18、的重結晶作用，結構較致密，抗水性增強，孔隙率較低，透水性弱，抗變形性能好，強度高。因此與沉積巖相比，變質巖的性質一般要好些。第36頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三 1、結構面的統計規律 結構面在巖體內的分布常具隨機性，特別是級和級結構面。這些結構面的各幾何參數可以看作隨機變量進行統計分析 1.5 結構面網絡模擬第37頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三 2、結構面統計方法 目前以測線法應用最為廣泛。 測線法它是在巖石露頭表面布置一條測線，逐一量測與測線相交切的各條結構面的幾何參數與地質力學特征。 結構統計步驟：（1）選擇測量區 巖體露頭好，能夠測

19、量到足夠多的結構面； 巖體新鮮； 測量區巖體巖性相同，并且位于同一構造單元內； 露頭面盡量平直切直立。第38頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三（2）測線布置，在選擇好的露頭巖面上布置測線，并將長約30m的測繩固定在測線上。測線布置應滿足要求：測線應盡量沿水平方向布置；拉直；當露頭面過高時，應標出刪節線。刪節寬度一般為結構面平均跡長的2-3倍，刪節線應與測線平行，記錄刪節線方位和長度。第39頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三（3）測量、記錄 測量以小組為單位，1人記錄；1-2人用羅盤量測結構面產狀；1-2人測量結構面半跡長（或刪節半跡長）和其它數據

20、。并將測量到的各種數據記錄在表中。測量時應注意凡是與測線相交的結構面都要量測，不能漏測或有選擇性地測量。當然對一些規模很小的或微結構面則可不測。編號位置（m）結構面產狀半跡長(m)隙寬(mm)端點類型結構面類型粗糙度充填膠結狀態備注傾向走向傾角123巖體結構面測線測量記錄表 記錄者 測線方位 年 月 日 記錄表編號 測量位置 露頭面產狀 露頭類型 測線號 巖石類型 露頭面尺寸 露頭條件 第40頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三1，2，3，4，5-結構面 結構面端點類型第41頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三 3、結構面網絡模擬 結構面網絡模擬是采

21、用Monte Carlo 隨機模擬方法在計算機上模擬巖體內的結構面網絡。它是建立在對結構面統計測量基礎上的，其模擬結果不僅與結構面的實際分布在統計規律上一致，而且還可以由局部到全體、由表及里，得到巖體整體的結構特征，有助于人們直觀了解巖體內結構面的分布規律，掌握人們一般情況下難以觀察、測量的巖體內部的結構特征。 Monte Carlo隨機模擬是利用隨機數生成方法，生成服從一定概率分布形式的隨機數序列。目前多運用數學的方法通過計算機編程計算來產生隨機數。在模擬中要首先生成0，1區間上的標準均勻分布隨機數，這樣逐組進行獲得每組結構面的隨機數。 第42頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33

22、分，星期三 用Monte Carlo進行結構面網絡模擬的假設條件： 由于結構面自身發育的差異、采樣條件的局限和計算機運算所受到的限制，在進行結構面網絡模擬時有些方面的因素要簡化處理，為此假設如下： 1）假設結構面形狀為薄圓盤狀。根據這一假設，結構面的大小和位置，可以用結構面中心點坐標和結構面半徑來反映； 2）假設結構面為平直薄板，也就是說每條結構面只有一個統一的產狀； 3）假設在整個模擬區域內，每組結構面的分布均遵循同一的概率模型。第43頁，共50頁，2022年，5月20日，23點33分，星期三 巖體結構面三維網絡模擬步驟如下：1）選擇適宜的巖體露頭，對結構面進行系統采樣；2）對所有結構面進行合理分組；3）對每組結構面分別建立概率模型；4）依次讀入每組結構面概率模型的基本數據，對每組結構面進行（5）（11）；5）初步確定正在模擬的當前組結構面的體密度及模擬區內結構面數目，進行（6）（11），生成該數目的結構面；6）生成每條結構面中心點坐標；7）生成每條結構面產狀（傾向、傾角）；8）生成每條結構面半徑；9）生成每條結構