第2章

巖體結構及其完整性第2章

巖體結構及其完整性1引言結構面結構面切割成的結構體巖體巖體結構是研究巖體力學的基礎巖體結構控制巖體的變形、破壞等力學效應巖體結構分類、結構面特征、巖體結構現場調查方法及巖體完整性工程應用引言結構面巖體巖體結構是研究巖體力學的基礎巖體結構控制巖體的22.1巖體結構分類2.1.1巖體結構（1）結構面定義：巖體內開裂的和易開裂的地質界面，如節理、層理、劈理、裂隙、斷層等等。結構面的作用與其規模和形態有關。特點：橫向延展表現出面的幾何特性；物質分異面或不連續面；常具有一定厚度，充有一定物質（例如：節理由兩個面及面間的水或氣組成；斷層及層間錯動是由上下盤兩個面及其間充填的斷層泥和水構成的實體組成）；變形機理是兩面閉合或滑移；破壞機理是沿面滑動或追蹤開裂。2.1巖體結構分類2.1.1巖體結構3結構面分級及其特征級序分級依據力學效應力學屬性*地質構造特征I級延展幾公里至幾十公里以上，貫通巖體，破碎帶寬度達數米至數十米1.形成巖體力學作用邊界；2.巖體變形和破壞的控制條件;3.構成獨立的力學介質單元1.屬軟弱結構面；2.構成獨立力學模型——軟弱夾層斷層較大II級延展數百米至數公里，破碎帶寬度比較窄，幾厘米至數米1.形成塊裂體邊界；2.控制巖體變形和破壞方式；3.構成次級地應力場邊界屬于軟弱結構面小斷層，層間錯動面III級延展十幾米至幾十米，無破碎帶，面內不夾泥，有的有泥膜1.參與塊裂巖體切割；2.劃分II級巖體結構類型的重要依據；3.構成次級地應力場邊界多數屬堅硬結構面，少數軟弱結構面不夾泥，大節理或小斷層開裂的層面IV級延展短，未錯動，不夾泥，有的呈弱結合狀態，統計結構面1.劃分II級巖體結構類型的基本依據；2.確定巖體力學性質，結構效應的基礎3.有的為次級地應力場邊界堅硬結構面節理，劈理，層理，次生裂隙V級結構面小，且連續性差，統計結構面1.巖體內形成應力集中；2.決定巖體力學性質和結構效應的依據之一堅硬結構面不連續小節理，隱節理，層面，片理面*軟弱結構面是指結構面內夾有軟弱物質的，而無充填者為堅硬結構面規模：按規模分有五級二類。結構面分級及其特征級序分級依據力學效應力學屬性*地質構造特征42.1.1巖體結構（2）結構體定義：由結構面切割而成的巖塊，與結構面相互依存。其形狀和尺寸取決于結構面的形態、組數、產狀。結構體的典型狀態：柱狀板狀錐形2.1.1巖體結構（2）結構體柱狀板狀錐形5結構體分類：塊狀結構體，包括柱狀、楔錐狀結構體，各向尺寸接近相等，力學表現以壓碎、滾動、滑動為主；板狀結構體，板的厚度與延展長度（或寬度）比小于1：15，力學表現主要為彎曲變形和潰折破壞。結構體塊度：可以用1立方米巖體內含有的結構體數表示，也可以用單個結構體尺寸表示。結構體產狀：以結構體表面上最大結構面的長軸方向的產狀說明。結構體分類：62.1.1巖體結構（3）巖體結構組成定義：不同類型的巖體結構單元在巖體內組合和排列形式（孫廣忠，1988）。結構面結構體巖體結構單元巖體結構單元組合巖體結構單元排列巖體結構三要素堅硬結構面軟弱結構面塊狀結構體板狀結構體2.1.1巖體結構（3）巖體結構組成結構面巖體結構單元巖體72.1.2巖體結構分類根據結構面和結構體組合情況，可分為四大類七亞類巖體結構類型I整體、塊狀結構II層狀結構III碎裂結構IV散體結構I1整體結構I2塊狀結構II1層狀結構II2薄層（板）狀結構III1鑲嵌碎裂結構III2層狀碎裂結構III3（夾泥）碎裂結構2.1.2巖體結構分類根據結構面和結構體組合情況，可分為四8整體結構巖性：單一且構造變形輕微的巨厚層沉積巖、變質巖和火成巖體；結構面發育情況：不發育，延展性差，組數一般不超過2組；結構面強度：結構面摩擦系數tanφ≥0.6，結構體間結合力強；完整性：巖體呈完整或基本完整狀態，結構面間距dp>1.0m;水的影響：地下水作用不明顯，滲流對巖體特性影響不大；工程特性：整體結構的巖體，其變形、破壞與工程作用有關；在深埋或高地應力區的堅硬巖層中開挖，引起應力釋放，可能導致巖爆，而且一般沿裂隙端部產生；較堅硬巖層中可能產生微弱的塑性變形。整體結構巖性：單一且構造變形輕微的巨厚層沉積巖、變質巖和火成9塊狀結構巖性：單一或由強度相近的巖層共同組成的構造變形輕微的中厚層沉積巖、變質巖和火成巖體；結構面發育情況：以IV、V結構面為主，將巖體切割成巖塊集合；結構面強度：巖塊之間結合力強，一般tanφ＝0.4～0.6；完整性：結構面間距dp＝0.5～1.0m;水的影響：地下水作用主要表現為使較堅硬巖石軟化；工程特性：微小壓縮變形，可能出現剪切滑移；可能出現塊體滑移，穩定性分析是要注意結構面的特性及組合，尤其是II、III及結構面的存在；在深埋或地震危險區條件下開挖，由于隱型微裂隙存在，可能出現巖爆；有一定自穩能力，可局部出現不穩定塊體，產生超挖。塌方和崩塌現象。塊狀結構巖性：單一或由強度相近的巖層共同組成的構造變形輕微的10層狀結構巖性：單一或不同性質的巖層互層，有的還有極薄的軟弱夾層；結構面發育情況：以III、IV級結構面（層理、片理、節理）為主，延展性較好，一般有2～3組結構面，層面居多；結構面強度：層間結合力較差，tanφ＝0.3～0.5；水的影響：要注意地下水滲透壓力所引起的問題，地下水的軟化、泥化作用明顯；工程特性：巖體變形受巖層組合和結構面控制；在緩傾斜和陡立巖層中，拱頂和邊墻可出現彎曲拗折現象；軟弱面特別是軟弱夾層面的抗剪強度控制巖體的前切滑移破壞；穩定性分析是要注意巖層的組合、層面特性及其結合力、巖層產狀，尤其是軟弱夾層、層間錯動的存在和II、III及結構面的組合情況。層狀結構巖性：單一或不同性質的巖層互層，有的還有極薄的軟弱夾11薄層狀結構巖性：巖層組合復雜；結構面發育情況：薄層為主，層理、片理顯著發育；結構面強度：多為泥膜、碎屑和泥土充填，tanφ＝0.3左右；完整性：結構面平均間距dp<30cm；水的影響：引起巖層軟化、泥化及結構面失穩；工程特性：在壓應力作用下表現出壓縮、擠出和膨脹現象；此類巖體中的峒室頂板和邊墻易產生拗折；結構面的抗剪強度及薄板結構體強度控制巖體的前切滑移破壞。薄層狀結構巖性：巖層組合復雜；12鑲嵌碎裂結構巖性：單一，巖質堅硬；結構面發育情況：IV、V級結構面密度大、組數多，結構面延展性差；結構面強度：粗造、閉合、無充填物（或夾少量碎屑），巖塊棱角明顯，彼此鑲嵌咬合，結構面上tanφ＝0.4～0.6；水的影響：地下水滲透性變化大；工程特性：巖體變形、破壞過程中，結構體的鑲嵌咬合力起決定作用。鑲嵌碎裂結構巖性：單一，巖質堅硬；13層狀碎裂結構巖性：復雜多變，軟硬相間明顯；結構面發育情況：存在一組近似平行的軟弱破碎帶（I、II級結構面）與完整程度相對良好的巖層（骨架巖層）相間存在；結構面強度：結構面上tanφ＝0.2～0.4；水的影響：地下水的軟化、泥化作用明顯；工程特性：軟弱破碎帶往往導致巖體坍塌、滑移。層狀碎裂結構巖性：復雜多變，軟硬相間明顯；14（夾泥）碎裂結構巖性：復雜多變，組合不一；結構面發育情況：多級結構面發育，結構體的大小和形態均不相同；結構面強度：被軟弱物質充填，結構面上tanφ<0.2；水的影響：地下水作用明顯；工程特性：巖體整體強度很低，塑性大，變形具有明顯的時間效應；此類巖體中開挖工程，易發生坍落、滑移、片幫、側向擠出和底臌等現象。（夾泥）碎裂結構巖性：復雜多變，組合不一；15散體結構巖性：復雜，呈松散狀態；結構面發育情況：有的為塊夾泥，有的泥夾塊；結構面強度：巖體的tanφ<0.2；水的影響：地下水作用強烈，可引起泥化、軟化、崩解、膨脹，甚至化學反應；工程特性：此類巖體具有明顯的塑性或流變特征，變形破壞嚴重，持續時間長，應予以特別關注。散體結構巖性：復雜，呈松散狀態；162.2結構面的表觀引子：結構面的形態有閉合度、粗糙度、貫通性等，統稱為結構面的表觀性質。2.2.1結構面的閉合度、粗糙度、貫通性和結合性（1）閉合度定義：又稱張開度，是指結構面兩側巖壁的垂直分離距離，其空隙由空氣或水充填，它與被充填的結構面厚度是不同的。閉合不連續面張開不連續面充填不連續面張開度厚度2.2結構面的表觀引子：結構面的形態有閉合度、粗糙度、貫通17閉合度對巖體影響：閉合度的大小對結構面抗剪強度、結構面和巖體的滲透性有很大影響。分級：為便于野外定性鑒別，凡閉合度大于3mm的認為是張開的，小于0.1mm已不易肉眼判別，因此將閉合度分為三檔：閉合度張開寬度（mm）閉合<1.0微張開1.0～3.0張開>3.0現場鑒別時，應注意描述縫隙兩側巖壁的性質的變化，有無充填物，膠結狀況及賦水狀況。閉合度對巖體影響：閉合度的大小對結構面抗剪強度、結構面和巖體18粗糙度定義：結構面相對于平均面的固有表面不平整度和波紋度，也稱起伏差。對巖體的影響：結構面的粗造度是決定結構面結合好壞及其力學性質的重要因素。分類：中等規模（幾米）結構面的粗造度按形態分有三種：臺階形、波浪形和平面形。每種按程度分為三級：粗糙的、平坦的和光滑的。形成九類。不同粗糙度結構面抗剪強度存在如下關系：同種形態的粗糙程度打者強度高如：I>II>III，IV>V>VI，VII>VIII>IX相同粗糙程度的強度由臺階形到平坦形到平面形依次降低如：I>IV>VII，II>V>VIII，III>IX，VI>IX。但不能理解我由I到IX依次遞減。粗糙度定義：結構面相對于平均面的固有表面不平整度和波紋度，也19粗糙度分類I粗糙臺階形II平坦臺階形III表面光滑臺階形IV粗糙波浪形V平坦VI表面光滑VII粗糙平面形VIII平坦IX表面光滑臺階形的波浪形的平面形的粗糙的平坦的表面光滑的粗糙的平坦的表面光滑的粗糙的平坦的表面光滑的粗糙度分類I粗糙臺階形臺階形的波浪形的平面形的20粗糙度測定方法：①選擇典型的結構面或可能發生剪切破壞面，根據每個平面的尺寸和滑動方向確定測試方向X；②將長鋼尺沿X方向放在結構面上，選定測量間隔ΔX（一般取5cm）③將每個測量間隔初作為測點（如遇小臺階就以突變處為測點），用深度游標卡尺測量直尺到結構面表面的垂直距離Yi，則結構面的粗糙度就用Y表示XYΔxΔxyi粗糙度測定方法：XYΔxΔxyi21貫通性定義：是指結構面在某一方向延伸并對工程所在地段巖體有影響的長度，即貫穿工程部位的程度。一般通過觀測露頭上結構面的跡線長度來度量（與區域地質調查中對結構面規模的劃分不同）。分類：從工程應用角度出發，分為全貫通、半貫通和微貫通。

對巖體的影響：隨貫通程度不同而異。全貫通結構面多為規模較大的構造斷裂或軟弱層面，對工程巖體變形、破壞類型和規模起控制作用；微貫通結構面使巖體強度降低，變形加大，相對來說對工程巖體影響小。貫通性結構面穿越巖體工程地段的程度代表性結構面全貫通貫穿整個巖體工程地段構造斷裂、軟弱層面、構造節理、小斷層半貫通貫穿巖體工程地段1/3～2/3構造節理、小斷層微貫通貫穿巖體工程地段<1/3節理裂隙貫通性定義：是指結構面在某一方向延伸并對工程所在地段巖體有影22結合性定義：是巖體結構面形態、堅固程度的綜合表現，取決于結構面的閉合度、粗糙度、貫通性、充填物的性質和厚度等因素。分類：若結構面閉合、干凈且無充填物，結構面粗糙，結構體之間剛性接觸，則結合性好，結構面抗剪強度高；相反，結構面貫通性好且多為張開的，結構面中為巖屑、巖粉、泥質物所充填，則結構面結合性差，抗剪強度低。影響因素：結構面充填物成分和膠結性的影響顯著。例：某壩址的細砂巖中結構面為硅質膠結時，濕抗壓強度為152.8MPa；為鈣質膠結時，降至65.5MPa；為泥質膠結時，僅為38.8MPa。結合性定義：是巖體結構面形態、堅固程度的綜合表現，取決于結構232.2.2結構面的分布特性結構面的非確定性：同一級別的結構面，其空間分布特征如產狀、形態、規模、密度和張開度等，表現出隨機性。研究方法：認識結構面參數分布性，探討用概率法描述和建立數學模型。（1）結構面間距分布特征結構面間距：是指相鄰結構面間的垂直距離，以同組結構面的平均間距表示。分布特征：不是一個確定值，服從某種統計規律。例：武鋼程潮鐵礦-220m水平50多條進路的礦巖結構面調查，得其概率密度分布函數為x——結構面間距；λs——結構面平均密度。2.2.2結構面的分布特性結構面的非確定性：同一級別的結構242.2.2結構面的分布特性（2）結構面間距分布特征結構面產狀：走向、傾向、傾角。隨機性顯著。例：潘別桐、井蘭如對某地結晶巖體中北西構造區V級結構面得產狀分布直方圖和密度分布函數曲線。0.200.160.120.080.040260280300320340360f(θ)走向θ0.320.280.240.200.160.120.080.0400204060f(a)傾向a0.20.10180200220240260f(β)傾角βn=68β=221σβ=4.46n=119θ=314.5σθ=4.51n=118a=24.74σa=3.442.2.2結構面的分布特性（2）結構面間距分布特征0.20252.2.2結構面的分布特性（3）結構面跡長分布特征結構面間距：是指結構面與露頭的交線長度，在一定程度上表征結構面規模。統計方法：測線測量法和統計窗法。例：武鋼程潮鐵礦-220m水平1#至10#采場的結構面跡長分布特征為負指數分布。2.2.2結構面的分布特性（3）結構面跡長分布特征262.3巖體結構的現場調查法2.2.1調查種類和內容調查種類定性的：巖體結構的定性描述是工程巖體穩定性分析的基礎。定量的：測取定量數據往往是為了進一步認識結構特征。調查內容：巖石種類、層位關系、巖石的風化程度；結構面產狀、組數、間距、粗糙度、閉合度、貫通性及結構面類型等；結構面充填物、膠結物的性質和成分、充填物厚度；區域地質構造運動的層次；主要軟弱結構面與地下巖石工程軸線的關系；調查地點的地下水賦存情況、水量、水壓等等。注意事項：調查計劃、測點布置，數據處理。2.3巖體結構的現場調查法2.2.1調查種類和內容272.3.2結構面產狀的測取常用方法：地質羅盤和經緯儀。前者在測傾角時，要使測試方向與走向垂直，后者用于有磁場的場合，如磁鐵礦。經緯儀測量法儀器和工具：經緯儀、刻度盤、照明燈具。刻度盤由羅盤改成，用剛度較大的指針代替磁針并在指針端部和刻盤中心焊8cm豎直鐵絲。測量原理：①A點放置經緯儀，B點放置刻度盤；②經緯儀調平，使零度方向與巷道中心線重合；③將經緯儀對準結構面J，打開刻度盤，小鏡一面緊貼結構面上，刻度盤0-180度線（OB線）垂直于走向；④調平刻度盤并移動指針，使中心鐵絲和經緯儀中的十字豎線重合，此時指針讀數為羅盤角α，經緯儀讀數為β（經緯角）；⑤β－α就是結構面相對于巷道中心線傾向線方向。利用經緯儀事先測的巷道中心線方向，即可求取結構面的真正傾向。2.3.2結構面產狀的測取常用方法：地質羅盤和經緯儀。前者28經緯儀測量法結果分析：走向：不論結構面和經緯儀處于什么位置，走向γ可由下式獲得：α——羅盤角；β——經緯角。傾向：（β－α），與走向垂直，需參考巷道軸線方位及結構面傾向的關系確定。例：β＝300，α＝160，巷道軸線方向NS，結構面傾向大致NW，求傾向和走向。解：根據傾向處在NW，則傾角為走向為，即N50E。經緯儀測量法結果分析：292.3.3結構面調查結果應用（1）確定優勢結構面優勢結構面：同在巖體中有多組結構面情況下，只有以組（或二組）主要結構面才對巖體的力學效應起作用。確定方法：赤平投影法，作結構面極射投影，繪制等密度圖，尋找優勢結構面。例：武鋼程潮鐵礦-220m9#采區可以看出優勢結構面有四組：其中2和4組結構面傾角陡且與進路軸線夾角小于30度，影響較大。優勢結構面走向傾向傾角走向與進路軸線夾角1234NW77SW28SE135NE17NESESWNW22607470132845172.3.3結構面調查結果應用（1）確定優勢結構面優勢結構面302.3.3結構面調查結果應用（2）估算巖石的RQD指標RQD指標：長度在10cm（含10cm）以上的巖芯累計長度占鉆孔總長的百分比，稱為巖石質量指標RQD，反映巖體完整程度的指標。估算方法：Priest和Huston（1976），節理密度λs與RQD間的關系：當λs＝6～16條/m時，有（3）工程巖體分級的基礎已有的巖體分級方法和工程巖體分級標準，都依賴于現場調查。現場調查結果可用于：認識結構體形態、結構面類型、成因、展布規律以及它們與巖石工程的關系2.3.3結構面調查結果應用（2）估算巖石的RQD指標312.3.3結構面調查結果應用（4）建立結構面空間分布模型結構面空間分布：客觀上是隨機的，露頭調查是有限的。蒙特卡洛模擬法：根據現場測得的結構面幾何參數分布函數，建立概率模型的隨機函數，然后通過抽樣計算出參數的統計特性，并給出近似值。例：潘別桐、井蘭如對墩子石地區花崗巖閃長石結構面進行了模擬。模擬結構面網絡圖1:579實測結構面網絡圖1:10002.3.3結構面調查結果應用（4）建立結構面空間分布模型模322.3.3結構面調查結果應用（5）表示巖體結構的各向異性測線上某一組結構面密度λsi的計算：θ＝α－α1；α1－結構面法線與正北夾角；

α－測線方向與正北夾角；λi－結構面在法線方向上密度。2.3.3結構面調查結果應用（5）表示巖體結構的各向異性33表示巖體結構的各向異性當有幾組結構面時，沿某一方向的結構面密度λs為θi－第i組結構面法線與待求密度測線間夾角。因此，結構面密度隨測線方向變化。研究表明，在二維情況下，必存在一個最大密度方向和一個最小密度方向，則結構面引起的各向異性可由此合理確定工程中錨桿布置和排水孔方位。例：巷道工程沿方向λmax布置時，錨桿間距應比工程沿λmin方向布置時適當減小。表示巖體結構的各向異性當有幾組結構面時，沿某一方向的結構面密342.4巖體的完整性巖體完整性：巖體結構的綜合反映，取決于結構面切割程度、結構體大小以及塊體間結合狀態等因素，是巖體工程中采用的概括性指標。評價方法：定性和定量。2.4.1巖體完整性的定量指標常用定量指標完整性系數Kv；巖體體積節理系數Jv；巖體質量指標RQD；節理平均間距dp；巖塊尺寸指標BSD；巖體與巖塊靜動彈模比等。從不同測面、不同程度上反映巖體完整性。2.4巖體的完整性巖體完整性：巖體結構的綜合反映，取決于結352.4.1巖體完整性的定量指標（1）完整性系數巖體中聲波波速Vpm：與巖石成分、結構面發育程度、結構面性狀、充填物性質、含水狀態等因素有關。巖石中聲波波速Vpr：反映近似完整巖石的物理性質。通常，Vpr>Vpm，因此對同種巖石有下列關系Kv－完整性系數，又稱龜裂系數。測試方法：單孔法或雙孔法。在孔中置入聲波發射（接受）探頭，由聲波儀讀數。2.4.1巖體完整性的定量指標（1）完整性系數362.4.1巖體完整性的定量指標（2）巖體體積節理數巖體體積節理數Jv：單位巖體內所含的節理（結構面）條數。測量方法：在巖體露頭上設測線統計不同組結構面數目。測線5～10m。注意事項：除成組結構面外，對延伸長度>1m的分散節理也要統計，但對已為硅質、鐵質、鈣質充填再膠結的結構面不統計。應用：國際巖石力學學會建議可根據Jv的大小描述巖塊2.4.1巖體完整性的定量指標（2）巖體體積節理數372.4.1巖體完整性的定量指標（3）巖體質量指標巖體質量指標RQD：是巖體結構面密度、結構面蝕變程度和充填物性質的綜合指標。國外使用較多，美國人迪爾（D.U.Deere）的定義Lp－≥10cm的巖芯累計長度；L－鉆孔總長。測量方法：采用小口徑的鉆頭（直徑17/8英寸的金剛石鉆頭），雙層巖芯管鉆進。注意事項：考慮我國鉆具現狀，測定時要用修正的金剛石鉆頭（直徑54.1cm）鉆取長度大于10cm巖芯。2.4.1巖體完整性的定量指標（3）巖體質量指標382.4.1巖體完整性的定量指標（4）塊體尺寸指標塊體質量指標BSD：我國能源部成都勘測設計院對巖塊塊度三維空間的測量統計分析，提出了用塊體尺寸指標BSD表示塊度l1，l2，l3－≥10cm的巖塊長度；L1，L2，L3－測線長度。測量方法：與巖體體積節理數Jv相似。BSD是無量綱的，目前使用較少。2.4.1巖體完整性的定量指標（4）塊體尺寸指標392.4.2巖體完整性指標間的相關性挪威帕爾姆斯特拉姆（A.Palmstrpom，1975）通過對非粘性巖體的RQD與Jv關系的研究，給出了關系曲線和經驗公式我國能源部成都勘測設計研究院的研究成果得出BSD與Jv、Kv及dp均有較好相關性這些相關性為工程應用時選擇評價指標、實現評價巖體完整性的一致性和可比性打下基礎。2.4.2巖體完整性指標間的相關性挪威帕爾姆斯特拉姆（A.402.4.2巖體完整性指標間的相關性我國鐵道部科研院西南所對10多座隧道的巖體Kv與Jv的統計分析，得到的曲線和回歸公式進一步區間分析：2.4.2巖體完整性指標間的相關性我國鐵道部科研院西南所對412.4軟弱結構面性質軟弱結構面：是指巖體中的斷層、層間錯動面軟夾層等地質界面。特點：延展性長，質地松軟（或破碎）。2.4.1斷層的一般特征地質力學觀點分類（李四光）壓性斷層、張性斷層、扭性斷層、壓扭性斷層、張扭性斷層；相關概念斷層規模和性質：斷層帶寬度、斷距以及斷層中充填物。斷層帶：由斷層破碎帶和斷層影響帶組成。斷層破碎帶：破碎帶中粗碎巖屑稱為斷層角礫，細粒部分為糜棱巖，風化后為斷層泥。破碎帶寬度大小及變化與斷層成因類型、地應力條件及巖性密切相關。2.4軟弱結構面性質軟弱結構面：是指巖體中的斷層、層間錯動422.4.1斷層的一般特征斷層影響帶：是指靠近斷層破碎帶上、下盤巖體中的一部分，在斷層錯動作用下，產生節理發育的壓碎帶，其厚度可由幾十厘米到幾十米。斷層影響帶寬度與巖性關系極大。在堅硬巖體中較寬，灰巖、頁巖、板巖、大理巖等軟巖體中則較窄；也與力學成因有關，扭性斷層寬度小，壓性斷層最寬。斷層帶空間分布特征：一般斷層面彎曲起伏；斷層帶厚度變化與力學成因有關。壓性：透鏡體或扁豆狀，厚薄變化大扭性：厚度變化小，多呈舒展漸變張性：厚度多變，甚至出現尖滅。2.4.1斷層的一般特征斷層影響帶：是指靠近斷層破碎帶上、下432.4.2軟夾層的性質軟夾層：是指存在于相對堅硬巖層中的強度很低的薄層。特點：厚度薄，產狀與上下巖層基本一致。分類（依成因）：原生軟夾層（粘土夾層、頁巖夾層、泥灰巖夾層）次生軟夾層（泥化夾層）（1）軟夾層工程地質劃分（根據巖性）軟巖夾層：粘土巖、泥灰巖、薄層煤、石膏層等，φ＝22～31，變形模量<2.0*103MPa；破碎夾層：夾層為碎屑和巖塊，粒徑大于2mm，φ＝24～30，變形模量<（0.2～1.0）*103MPa；由粗、細碎屑組成的，φ＝17～42，變形模量<（0.05～0.2）*103MPa；泥化夾層：高嶺土、伊利石、蒙托石，性質變化大，易受水影響，塑性和流變性明顯，φ＝8.5～17，變形模量0.05*103MPa；2.4.2軟夾層的性質軟夾層：是指存在于相對堅硬巖層中的強442.4.2軟夾層的性質（2）軟夾層力學性質取決于夾層的物質成分、夾層厚度及夾層面的起伏差等。夾層物質成分：隨粘土含量增加，抗剪強度降低；隨碎屑成分增加和顆粒增大，強度增加。夾層厚度：隨厚度增加，強度迅速降低，但有限度。2.4.2軟夾層的性質（2）軟夾層力學性質452.4.2軟夾層的性質夾層面起伏差：夾層厚度小于層面起伏差，夾層強度愈高；反之，夾層厚度大于起伏差，強度降低。此外，夾層力學性質還要受夾層結構特征（如軟硬互層）和地下水的影響。2.4.2軟夾層的性質夾層面起伏差：夾層厚度小于層面起伏差46第2章

巖體結構及其完整性第2章

巖體結構及其完整性47引言結構面結構面切割成的結構體巖體巖體結構是研究巖體力學的基礎巖體結構控制巖體的變形、破壞等力學效應巖體結構分類、結構面特征、巖體結構現場調查方法及巖體完整性工程應用引言結構面巖體巖體結構是研究巖體力學的基礎巖體結構控制巖體的482.1巖體結構分類2.1.1巖體結構（1）結構面定義：巖體內開裂的和易開裂的地質界面，如節理、層理、劈理、裂隙、斷層等等。結構面的作用與其規模和形態有關。特點：橫向延展表現出面的幾何特性；物質分異面或不連續面；常具有一定厚度，充有一定物質（例如：節理由兩個面及面間的水或氣組成；斷層及層間錯動是由上下盤兩個面及其間充填的斷層泥和水構成的實體組成）；變形機理是兩面閉合或滑移；破壞機理是沿面滑動或追蹤開裂。2.1巖體結構分類2.1.1巖體結構49結構面分級及其特征級序分級依據力學效應力學屬性*地質構造特征I級延展幾公里至幾十公里以上，貫通巖體，破碎帶寬度達數米至數十米1.形成巖體力學作用邊界；2.巖體變形和破壞的控制條件;3.構成獨立的力學介質單元1.屬軟弱結構面；2.構成獨立力學模型——軟弱夾層斷層較大II級延展數百米至數公里，破碎帶寬度比較窄，幾厘米至數米1.形成塊裂體邊界；2.控制巖體變形和破壞方式；3.構成次級地應力場邊界屬于軟弱結構面小斷層，層間錯動面III級延展十幾米至幾十米，無破碎帶，面內不夾泥，有的有泥膜1.參與塊裂巖體切割；2.劃分II級巖體結構類型的重要依據；3.構成次級地應力場邊界多數屬堅硬結構面，少數軟弱結構面不夾泥，大節理或小斷層開裂的層面IV級延展短，未錯動，不夾泥，有的呈弱結合狀態，統計結構面1.劃分II級巖體結構類型的基本依據；2.確定巖體力學性質，結構效應的基礎3.有的為次級地應力場邊界堅硬結構面節理，劈理，層理，次生裂隙V級結構面小，且連續性差，統計結構面1.巖體內形成應力集中；2.決定巖體力學性質和結構效應的依據之一堅硬結構面不連續小節理，隱節理，層面，片理面*軟弱結構面是指結構面內夾有軟弱物質的，而無充填者為堅硬結構面規模：按規模分有五級二類。結構面分級及其特征級序分級依據力學效應力學屬性*地質構造特征502.1.1巖體結構（2）結構體定義：由結構面切割而成的巖塊，與結構面相互依存。其形狀和尺寸取決于結構面的形態、組數、產狀。結構體的典型狀態：柱狀板狀錐形2.1.1巖體結構（2）結構體柱狀板狀錐形51結構體分類：塊狀結構體，包括柱狀、楔錐狀結構體，各向尺寸接近相等，力學表現以壓碎、滾動、滑動為主；板狀結構體，板的厚度與延展長度（或寬度）比小于1：15，力學表現主要為彎曲變形和潰折破壞。結構體塊度：可以用1立方米巖體內含有的結構體數表示，也可以用單個結構體尺寸表示。結構體產狀：以結構體表面上最大結構面的長軸方向的產狀說明。結構體分類：522.1.1巖體結構（3）巖體結構組成定義：不同類型的巖體結構單元在巖體內組合和排列形式（孫廣忠，1988）。結構面結構體巖體結構單元巖體結構單元組合巖體結構單元排列巖體結構三要素堅硬結構面軟弱結構面塊狀結構體板狀結構體2.1.1巖體結構（3）巖體結構組成結構面巖體結構單元巖體532.1.2巖體結構分類根據結構面和結構體組合情況，可分為四大類七亞類巖體結構類型I整體、塊狀結構II層狀結構III碎裂結構IV散體結構I1整體結構I2塊狀結構II1層狀結構II2薄層（板）狀結構III1鑲嵌碎裂結構III2層狀碎裂結構III3（夾泥）碎裂結構2.1.2巖體結構分類根據結構面和結構體組合情況，可分為四54整體結構巖性：單一且構造變形輕微的巨厚層沉積巖、變質巖和火成巖體；結構面發育情況：不發育，延展性差，組數一般不超過2組；結構面強度：結構面摩擦系數tanφ≥0.6，結構體間結合力強；完整性：巖體呈完整或基本完整狀態，結構面間距dp>1.0m;水的影響：地下水作用不明顯，滲流對巖體特性影響不大；工程特性：整體結構的巖體，其變形、破壞與工程作用有關；在深埋或高地應力區的堅硬巖層中開挖，引起應力釋放，可能導致巖爆，而且一般沿裂隙端部產生；較堅硬巖層中可能產生微弱的塑性變形。整體結構巖性：單一且構造變形輕微的巨厚層沉積巖、變質巖和火成55塊狀結構巖性：單一或由強度相近的巖層共同組成的構造變形輕微的中厚層沉積巖、變質巖和火成巖體；結構面發育情況：以IV、V結構面為主，將巖體切割成巖塊集合；結構面強度：巖塊之間結合力強，一般tanφ＝0.4～0.6；完整性：結構面間距dp＝0.5～1.0m;水的影響：地下水作用主要表現為使較堅硬巖石軟化；工程特性：微小壓縮變形，可能出現剪切滑移；可能出現塊體滑移，穩定性分析是要注意結構面的特性及組合，尤其是II、III及結構面的存在；在深埋或地震危險區條件下開挖，由于隱型微裂隙存在，可能出現巖爆；有一定自穩能力，可局部出現不穩定塊體，產生超挖。塌方和崩塌現象。塊狀結構巖性：單一或由強度相近的巖層共同組成的構造變形輕微的56層狀結構巖性：單一或不同性質的巖層互層，有的還有極薄的軟弱夾層；結構面發育情況：以III、IV級結構面（層理、片理、節理）為主，延展性較好，一般有2～3組結構面，層面居多；結構面強度：層間結合力較差，tanφ＝0.3～0.5；水的影響：要注意地下水滲透壓力所引起的問題，地下水的軟化、泥化作用明顯；工程特性：巖體變形受巖層組合和結構面控制；在緩傾斜和陡立巖層中，拱頂和邊墻可出現彎曲拗折現象；軟弱面特別是軟弱夾層面的抗剪強度控制巖體的前切滑移破壞；穩定性分析是要注意巖層的組合、層面特性及其結合力、巖層產狀，尤其是軟弱夾層、層間錯動的存在和II、III及結構面的組合情況。層狀結構巖性：單一或不同性質的巖層互層，有的還有極薄的軟弱夾57薄層狀結構巖性：巖層組合復雜；結構面發育情況：薄層為主，層理、片理顯著發育；結構面強度：多為泥膜、碎屑和泥土充填，tanφ＝0.3左右；完整性：結構面平均間距dp<30cm；水的影響：引起巖層軟化、泥化及結構面失穩；工程特性：在壓應力作用下表現出壓縮、擠出和膨脹現象；此類巖體中的峒室頂板和邊墻易產生拗折；結構面的抗剪強度及薄板結構體強度控制巖體的前切滑移破壞。薄層狀結構巖性：巖層組合復雜；58鑲嵌碎裂結構巖性：單一，巖質堅硬；結構面發育情況：IV、V級結構面密度大、組數多，結構面延展性差；結構面強度：粗造、閉合、無充填物（或夾少量碎屑），巖塊棱角明顯，彼此鑲嵌咬合，結構面上tanφ＝0.4～0.6；水的影響：地下水滲透性變化大；工程特性：巖體變形、破壞過程中，結構體的鑲嵌咬合力起決定作用。鑲嵌碎裂結構巖性：單一，巖質堅硬；59層狀碎裂結構巖性：復雜多變，軟硬相間明顯；結構面發育情況：存在一組近似平行的軟弱破碎帶（I、II級結構面）與完整程度相對良好的巖層（骨架巖層）相間存在；結構面強度：結構面上tanφ＝0.2～0.4；水的影響：地下水的軟化、泥化作用明顯；工程特性：軟弱破碎帶往往導致巖體坍塌、滑移。層狀碎裂結構巖性：復雜多變，軟硬相間明顯；60（夾泥）碎裂結構巖性：復雜多變，組合不一；結構面發育情況：多級結構面發育，結構體的大小和形態均不相同；結構面強度：被軟弱物質充填，結構面上tanφ<0.2；水的影響：地下水作用明顯；工程特性：巖體整體強度很低，塑性大，變形具有明顯的時間效應；此類巖體中開挖工程，易發生坍落、滑移、片幫、側向擠出和底臌等現象。（夾泥）碎裂結構巖性：復雜多變，組合不一；61散體結構巖性：復雜，呈松散狀態；結構面發育情況：有的為塊夾泥，有的泥夾塊；結構面強度：巖體的tanφ<0.2；水的影響：地下水作用強烈，可引起泥化、軟化、崩解、膨脹，甚至化學反應；工程特性：此類巖體具有明顯的塑性或流變特征，變形破壞嚴重，持續時間長，應予以特別關注。散體結構巖性：復雜，呈松散狀態；622.2結構面的表觀引子：結構面的形態有閉合度、粗糙度、貫通性等，統稱為結構面的表觀性質。2.2.1結構面的閉合度、粗糙度、貫通性和結合性（1）閉合度定義：又稱張開度，是指結構面兩側巖壁的垂直分離距離，其空隙由空氣或水充填，它與被充填的結構面厚度是不同的。閉合不連續面張開不連續面充填不連續面張開度厚度2.2結構面的表觀引子：結構面的形態有閉合度、粗糙度、貫通63閉合度對巖體影響：閉合度的大小對結構面抗剪強度、結構面和巖體的滲透性有很大影響。分級：為便于野外定性鑒別，凡閉合度大于3mm的認為是張開的，小于0.1mm已不易肉眼判別，因此將閉合度分為三檔：閉合度張開寬度（mm）閉合<1.0微張開1.0～3.0張開>3.0現場鑒別時，應注意描述縫隙兩側巖壁的性質的變化，有無充填物，膠結狀況及賦水狀況。閉合度對巖體影響：閉合度的大小對結構面抗剪強度、結構面和巖體64粗糙度定義：結構面相對于平均面的固有表面不平整度和波紋度，也稱起伏差。對巖體的影響：結構面的粗造度是決定結構面結合好壞及其力學性質的重要因素。分類：中等規模（幾米）結構面的粗造度按形態分有三種：臺階形、波浪形和平面形。每種按程度分為三級：粗糙的、平坦的和光滑的。形成九類。不同粗糙度結構面抗剪強度存在如下關系：同種形態的粗糙程度打者強度高如：I>II>III，IV>V>VI，VII>VIII>IX相同粗糙程度的強度由臺階形到平坦形到平面形依次降低如：I>IV>VII，II>V>VIII，III>IX，VI>IX。但不能理解我由I到IX依次遞減。粗糙度定義：結構面相對于平均面的固有表面不平整度和波紋度，也65粗糙度分類I粗糙臺階形II平坦臺階形III表面光滑臺階形IV粗糙波浪形V平坦VI表面光滑VII粗糙平面形VIII平坦IX表面光滑臺階形的波浪形的平面形的粗糙的平坦的表面光滑的粗糙的平坦的表面光滑的粗糙的平坦的表面光滑的粗糙度分類I粗糙臺階形臺階形的波浪形的平面形的66粗糙度測定方法：①選擇典型的結構面或可能發生剪切破壞面，根據每個平面的尺寸和滑動方向確定測試方向X；②將長鋼尺沿X方向放在結構面上，選定測量間隔ΔX（一般取5cm）③將每個測量間隔初作為測點（如遇小臺階就以突變處為測點），用深度游標卡尺測量直尺到結構面表面的垂直距離Yi，則結構面的粗糙度就用Y表示XYΔxΔxyi粗糙度測定方法：XYΔxΔxyi67貫通性定義：是指結構面在某一方向延伸并對工程所在地段巖體有影響的長度，即貫穿工程部位的程度。一般通過觀測露頭上結構面的跡線長度來度量（與區域地質調查中對結構面規模的劃分不同）。分類：從工程應用角度出發，分為全貫通、半貫通和微貫通。

對巖體的影響：隨貫通程度不同而異。全貫通結構面多為規模較大的構造斷裂或軟弱層面，對工程巖體變形、破壞類型和規模起控制作用；微貫通結構面使巖體強度降低，變形加大，相對來說對工程巖體影響小。貫通性結構面穿越巖體工程地段的程度代表性結構面全貫通貫穿整個巖體工程地段構造斷裂、軟弱層面、構造節理、小斷層半貫通貫穿巖體工程地段1/3～2/3構造節理、小斷層微貫通貫穿巖體工程地段<1/3節理裂隙貫通性定義：是指結構面在某一方向延伸并對工程所在地段巖體有影68結合性定義：是巖體結構面形態、堅固程度的綜合表現，取決于結構面的閉合度、粗糙度、貫通性、充填物的性質和厚度等因素。分類：若結構面閉合、干凈且無充填物，結構面粗糙，結構體之間剛性接觸，則結合性好，結構面抗剪強度高；相反，結構面貫通性好且多為張開的，結構面中為巖屑、巖粉、泥質物所充填，則結構面結合性差，抗剪強度低。影響因素：結構面充填物成分和膠結性的影響顯著。例：某壩址的細砂巖中結構面為硅質膠結時，濕抗壓強度為152.8MPa；為鈣質膠結時，降至65.5MPa；為泥質膠結時，僅為38.8MPa。結合性定義：是巖體結構面形態、堅固程度的綜合表現，取決于結構692.2.2結構面的分布特性結構面的非確定性：同一級別的結構面，其空間分布特征如產狀、形態、規模、密度和張開度等，表現出隨機性。研究方法：認識結構面參數分布性，探討用概率法描述和建立數學模型。（1）結構面間距分布特征結構面間距：是指相鄰結構面間的垂直距離，以同組結構面的平均間距表示。分布特征：不是一個確定值，服從某種統計規律。例：武鋼程潮鐵礦-220m水平50多條進路的礦巖結構面調查，得其概率密度分布函數為x——結構面間距；λs——結構面平均密度。2.2.2結構面的分布特性結構面的非確定性：同一級別的結構702.2.2結構面的分布特性（2）結構面間距分布特征結構面產狀：走向、傾向、傾角。隨機性顯著。例：潘別桐、井蘭如對某地結晶巖體中北西構造區V級結構面得產狀分布直方圖和密度分布函數曲線。0.200.160.120.080.040260280300320340360f(θ)走向θ0.320.280.240.200.160.120.080.0400204060f(a)傾向a0.20.10180200220240260f(β)傾角βn=68β=221σβ=4.46n=119θ=314.5σθ=4.51n=118a=24.74σa=3.442.2.2結構面的分布特性（2）結構面間距分布特征0.20712.2.2結構面的分布特性（3）結構面跡長分布特征結構面間距：是指結構面與露頭的交線長度，在一定程度上表征結構面規模。統計方法：測線測量法和統計窗法。例：武鋼程潮鐵礦-220m水平1#至10#采場的結構面跡長分布特征為負指數分布。2.2.2結構面的分布特性（3）結構面跡長分布特征722.3巖體結構的現場調查法2.2.1調查種類和內容調查種類定性的：巖體結構的定性描述是工程巖體穩定性分析的基礎。定量的：測取定量數據往往是為了進一步認識結構特征。調查內容：巖石種類、層位關系、巖石的風化程度；結構面產狀、組數、間距、粗糙度、閉合度、貫通性及結構面類型等；結構面充填物、膠結物的性質和成分、充填物厚度；區域地質構造運動的層次；主要軟弱結構面與地下巖石工程軸線的關系；調查地點的地下水賦存情況、水量、水壓等等。注意事項：調查計劃、測點布置，數據處理。2.3巖體結構的現場調查法2.2.1調查種類和內容732.3.2結構面產狀的測取常用方法：地質羅盤和經緯儀。前者在測傾角時，要使測試方向與走向垂直，后者用于有磁場的場合，如磁鐵礦。經緯儀測量法儀器和工具：經緯儀、刻度盤、照明燈具。刻度盤由羅盤改成，用剛度較大的指針代替磁針并在指針端部和刻盤中心焊8cm豎直鐵絲。測量原理：①A點放置經緯儀，B點放置刻度盤；②經緯儀調平，使零度方向與巷道中心線重合；③將經緯儀對準結構面J，打開刻度盤，小鏡一面緊貼結構面上，刻度盤0-180度線（OB線）垂直于走向；④調平刻度盤并移動指針，使中心鐵絲和經緯儀中的十字豎線重合，此時指針讀數為羅盤角α，經緯儀讀數為β（經緯角）；⑤β－α就是結構面相對于巷道中心線傾向線方向。利用經緯儀事先測的巷道中心線方向，即可求取結構面的真正傾向。2.3.2結構面產狀的測取常用方法：地質羅盤和經緯儀。前者74經緯儀測量法結果分析：走向：不論結構面和經緯儀處于什么位置，走向γ可由下式獲得：α——羅盤角；β——經緯角。傾向：（β－α），與走向垂直，需參考巷道軸線方位及結構面傾向的關系確定。例：β＝300，α＝160，巷道軸線方向NS，結構面傾向大致NW，求傾向和走向。解：根據傾向處在NW，則傾角為走向為，即N50E。經緯儀測量法結果分析：752.3.3結構面調查結果應用（1）確定優勢結構面優勢結構面：同在巖體中有多組結構面情況下，只有以組（或二組）主要結構面才對巖體的力學效應起作用。確定方法：赤平投影法，作結構面極射投影，繪制等密度圖，尋找優勢結構面。例：武鋼程潮鐵礦-220m9#采區可以看出優勢結構面有四組：其中2和4組結構面傾角陡且與進路軸線夾角小于30度，影響較大。優勢結構面走向傾向傾角走向與進路軸線夾角1234NW77SW28SE135NE17NESESWNW22607470132845172.3.3結構面調查結果應用（1）確定優勢結構面優勢結構面762.3.3結構面調查結果應用（2）估算巖石的RQD指標RQD指標：長度在10cm（含10cm）以上的巖芯累計長度占鉆孔總長的百分比，稱為巖石質量指標RQD，反映巖體完整程度的指標。估算方法：Priest和Huston（1976），節理密度λs與RQD間的關系：當λs＝6～16條/m時，有（3）工程巖體分級的基礎已有的巖體分級方法和工程巖體分級標準，都依賴于現場調查。現場調查結果可用于：認識結構體形態、結構面類型、成因、展布規律以及它們與巖石工程的關系2.3.3結構面調查結果應用（2）估算巖石的RQD指標772.3.3結構面調查結果應用（4）建立結構面空間分布模型結構面空間分布：客觀上是隨機的，露頭調查是有限的。蒙特卡洛模擬法：根據現場測得的結構面幾何參數分布函數，建立概率模型的隨機函數，然后通過抽樣計算出參數的統計特性，并給出近似值。例：潘別桐、井蘭如對墩子石地區花崗巖閃長石結構面進行了模擬。模擬結構面網絡圖1:579實測結構面網絡圖1:10002.3.3結構面調查結果應用（4）建立結構面空間分布模型模782.3.3結構面調查結果應用（5）表示巖體結構的各向異性測線上某一組結構面密度λsi的計算：θ＝α－α1；α1－結構面法線與正北夾角；

α－測線方向與正北夾角；λi－結構面在法線方向上密度。2.3.3結構面調查結果應用（5）表示巖體結構的各向異性79表示巖體結構的各向異性當有幾組結構面時，沿某一方向的結構面密度λs為θi－第i組結構面法線與待求密度測線間夾角。因此，結構面密度隨測線方向變化。研究表明，在二維情況下，必存在一個最大密度方向和一個最小密度方向，則結構面引起的各向異性可由此合理確定工程中錨桿布置和排水孔方位。例：巷道工程沿方向λmax布置時，錨桿間距應比工程沿λmin方向布置時適當減小。表示巖體結構的各向異性當有幾組結構面時，沿某一方向的結構面密802.4巖體的完整性巖體完整性：巖體結構的綜合反映，取決于結構面切割程度、結構體大小以及塊體間結合狀態等因素，是巖體工程中采用的概括性指標。評價方法：定性和定量。2.4.1巖體完整性的定量指標常用定量指標完整性系數Kv；巖體體積節理系數Jv；巖體質量指標RQD；節理平均間距dp；巖塊尺寸指標BSD；巖體與巖塊靜動彈模比等。從不同測面、不同程度上反映巖體完整性。2.4巖體的完整性巖體完整性：巖體結構的綜合反映，取決于結812.4.1巖體完整性的定量指標（1）完整性系數巖體中聲波波速Vpm：與巖石成分、結構面發育程度、結構面性狀、充填物性質、含水狀態等因素有關。巖石中聲波波速Vpr：反映近似完整巖石的物理性質。通常，Vpr>Vpm，因此對同種巖石有下列關系Kv－完整性系數，又稱龜裂系數。測試方法：單孔法或雙孔法。在孔中置入聲波發射