《巖體的地質(zhì)特征》PPT課件.ppt

第1章 巖體地質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征,1.1 幾個(gè)基本概念 1.2 巖塊及其特征 1.3 結(jié)構(gòu)面地質(zhì)特征 及對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響 1.4 巖體結(jié)構(gòu)特征及結(jié)構(gòu)控制論 1.5 結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬（自學(xué)）,1.巖石（Rock）礦物、巖屑的集合體。, 1.1 幾個(gè)基本概念,2.結(jié)構(gòu)面（Structural Plane） 指地質(zhì)歷史發(fā)展過(guò)程中，在巖體內(nèi)形成的具有一定的延伸方向和長(zhǎng)度，厚度相對(duì)較小的地質(zhì)界面或帶。,4.巖體（Rockmass）是指地質(zhì)歷史過(guò)程中形成的，由巖塊和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)組成的，具有一定的結(jié)構(gòu)并賦存于一定的天然應(yīng)力狀態(tài)和地下水等地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。,3.巖塊（Rock block 或 Rock）指不含顯著結(jié)構(gòu)面的巖石塊體，是構(gòu)成巖體的最小巖石單元體。,第1章 巖體地質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征,思考題,1、巖塊與巖體有哪些區(qū)別？ 2、試比較土與巖有那些異同點(diǎn)？,一、巖塊的物質(zhì)組成,第1章 巖體地質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征,1.2 巖塊及其特征,巖塊力學(xué)性質(zhì) 取決于組成巖石的礦物成分及其相對(duì)含量,粘土礦物,硅酸鹽類礦物,碳酸鹽類礦物,氧化物類礦物,二、巖塊的結(jié)構(gòu)特征,巖塊的結(jié)構(gòu)是指巖石內(nèi)礦物顆粒的大小、形狀、排列方式及微結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況與粒間連結(jié)方式等反映在巖塊構(gòu)成上的特征。,結(jié)晶連結(jié)是礦物顆粒通過(guò)結(jié)晶相互嵌合在一起，它是通過(guò)共用原子或離子使不同晶粒緊密接觸。,巖石的粒間連結(jié)分結(jié)晶連結(jié)與膠結(jié)連結(jié)。,膠結(jié)連結(jié)是礦物顆粒通過(guò)膠結(jié)物連結(jié)在一起。硅質(zhì)膠結(jié)的巖塊強(qiáng)度最高；鐵質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)的次之；泥質(zhì)膠結(jié)的巖塊強(qiáng)度最低。,第1章 巖體地質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征,二、巖塊的結(jié)構(gòu)特征,微結(jié)構(gòu)面 削弱巖石強(qiáng)度，形成各向異性,顆粒形狀 強(qiáng)度： 粒狀、柱狀片狀鱗片狀,顆粒大小 強(qiáng)度： 粗粒細(xì)粒,三、巖石風(fēng)化 巖石=礦物組成和結(jié)構(gòu)改變=巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)改變（強(qiáng)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(zhì)與結(jié)構(gòu)特征,風(fēng)化,巖塊的風(fēng)化程度可用定性指標(biāo)和某些定量指標(biāo)表述 定性指標(biāo)主要有：顏色、礦物蝕變程度、破碎程度及開(kāi)挖錘擊技術(shù)特征等。 定量指標(biāo)主要有風(fēng)化空隙率指標(biāo)和波速指標(biāo)等。,風(fēng)化空隙率指標(biāo)(Iw)是快速浸水后風(fēng)化巖塊吸入水的質(zhì)量與干燥巖塊質(zhì)量之比。 波速指標(biāo) 縱波波速（cp） 波速比 風(fēng)化系數(shù),硬質(zhì)巖石按波速指標(biāo)的風(fēng)化分級(jí)表 巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-94）,一、結(jié)構(gòu)面的成因類型,(一)地質(zhì)成因類型 (二)力學(xué)成因類型,第1章 巖體地質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征, 1.3 結(jié)構(gòu)面地質(zhì)特征 及對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響,巖 體 結(jié) 構(gòu) 面 成因類型及其特征,(一)地質(zhì)成因類型 1.原生結(jié)構(gòu)面巖體在成巖過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)面。 沉積結(jié)構(gòu)面是沉積巖在沉積和成巖過(guò)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(jié)構(gòu)面是巖漿侵入及冷凝過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)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(jié)理等。 變質(zhì)結(jié)構(gòu)面在變質(zhì)過(guò)程中形成，殘留結(jié)構(gòu)面和重結(jié)晶結(jié)構(gòu)面 2.構(gòu)造結(jié)構(gòu)面 是巖體在構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的各種破裂面，包括斷層、節(jié)理、劈理和層間錯(cuò)動(dòng)面等。 3.次生結(jié)構(gòu)面 是巖體形成后在外營(yíng)力作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)面，包括卸荷裂隙、風(fēng)化裂隙、次生夾泥層和泥化夾層等。,(二)力學(xué)成因類型 張性結(jié)構(gòu)面是由拉應(yīng)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(jié)理等。 特點(diǎn)：張開(kāi)度大、連續(xù)性差、形態(tài)不規(guī)則、面粗糙，起伏度大及破碎帶較寬,易被充填,常含水豐富，導(dǎo)水性強(qiáng) 剪性結(jié)構(gòu)面是剪應(yīng)力形成的，破裂面兩側(cè)巖體產(chǎn)生相對(duì)滑移，如逆斷層、平移斷層以及多數(shù)正斷層等。 特點(diǎn)：連續(xù)性好，面較平直，延伸較長(zhǎng)并有擦痕鏡面等現(xiàn)象發(fā)育。,二、結(jié)構(gòu)面的規(guī)模,級(jí) 指大斷層或區(qū)域性斷層?？刂乒こ探ㄔO(shè)地區(qū)的地殼穩(wěn)定性，直接影響工程巖體穩(wěn)定性； 級(jí) 指延伸長(zhǎng)而寬度不大的區(qū)域性地質(zhì)界面。 級(jí) 指長(zhǎng)度數(shù)十米至數(shù)百米的斷層、區(qū)域性節(jié)理、延伸較好的層面及層間錯(cuò)動(dòng)等。 、級(jí)結(jié)構(gòu)面控制著工程巖體力學(xué)作用的邊界條件和破壞方式，它們的組合往往構(gòu)成可能滑移巖體的邊界面，直接威脅工程安全穩(wěn)定性,級(jí) 指延伸較差的節(jié)理、層面、次生裂隙、小斷層及較發(fā)育的片理、劈理面等。是構(gòu)成巖塊的邊界面，破壞巖體的完整性，影響巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)力分布狀態(tài)。 級(jí)結(jié)構(gòu)面主要控制著巖體的結(jié)構(gòu)、完整性和物理力學(xué)性質(zhì)，數(shù)量多且具隨機(jī)性，其分布規(guī)律不太容易搞清楚，需用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行研究 級(jí) 又稱微結(jié)構(gòu)面。常包含在巖塊內(nèi)，主要影響巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)?？刂茙r塊的力學(xué)性質(zhì)；,二、結(jié)構(gòu)面的規(guī)模,走向、傾向、傾角 結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng)力間的關(guān)系控制著巖體的破壞機(jī)理與強(qiáng)度。 據(jù)單結(jié)構(gòu)面理論，巖體中存在一組結(jié)構(gòu)面時(shí)，巖體的極限強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面傾角間的關(guān)系為：,三、 產(chǎn)狀,四 連續(xù)性 結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性反映結(jié)構(gòu)面的貫通程度。 1、線連續(xù)性系數(shù)：指沿結(jié)構(gòu)面延伸方向，結(jié)構(gòu)面各段長(zhǎng)度之和(a)與測(cè)線長(zhǎng)度的比值。 K1變化在01之間，K1值愈大說(shuō)明結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性愈好，當(dāng)K11時(shí)，結(jié)構(gòu)面完全貫通。 2、跡長(zhǎng)：結(jié)構(gòu)面與巖體露頭交線的長(zhǎng)度。,結(jié)構(gòu)面連續(xù)性分級(jí)表,五 密度 結(jié)構(gòu)面的密度反映結(jié)構(gòu)面發(fā)育的密集程度。 1、線密度(Kd)是指結(jié)構(gòu)面法線方向單位測(cè)線長(zhǎng)度上交切結(jié)構(gòu)面的條數(shù)(條m)。 2、間距(d)則是指同一組結(jié)構(gòu)面法線方向上兩相鄰結(jié)構(gòu)面的平均距離。 Kd與d互為倒數(shù)關(guān)系 如果測(cè)線是水平布置，且與結(jié)構(gòu)面法線的夾角為，結(jié)構(gòu)面的傾角為時(shí):,結(jié)構(gòu)面間距分級(jí)表,用線密度來(lái)估算巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD(Rock quality designation),巖體質(zhì)量指標(biāo)RQD：長(zhǎng)度大于10cm的巖心長(zhǎng)度之和與鉆孔總進(jìn)尺的百分比。,六 張開(kāi)度 張開(kāi)度是指結(jié)構(gòu)面兩壁面間的垂直距離。 結(jié)構(gòu)面兩壁面一般不是緊密接觸，使結(jié)構(gòu)面實(shí)際接觸面積減少，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(gè)結(jié)構(gòu)面的滲透系數(shù)(Kf)可表達(dá)為：,級(jí)及部分級(jí)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、跡長(zhǎng)、間距及張開(kāi)度等幾何特征參數(shù)，服從某種隨機(jī)分布規(guī)律。,結(jié)構(gòu)面張開(kāi)度分級(jí)表,七 形態(tài) 結(jié)構(gòu)面的形態(tài)可以用側(cè)壁的起伏形態(tài)及粗糙度來(lái)反映。 結(jié)構(gòu)面?zhèn)缺诘钠鸱螒B(tài)分為：平直的、波狀的、鋸齒狀的、臺(tái)階狀的和不規(guī)則狀的。,側(cè)壁的起伏程度可用起伏角(i)表示,結(jié)構(gòu)面的粗糙度用粗糙度系JRC表示 (joint roughness coefficient) 。 隨粗糙度的增大，結(jié)構(gòu)面的摩擦角也增大。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)粗糙度剖面將結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)劃分為10級(jí)。,八 充填膠結(jié)特征,結(jié)構(gòu)面膠結(jié)后力學(xué)性質(zhì)有所增強(qiáng)，F(xiàn)e質(zhì)膠結(jié)的強(qiáng)度最高，泥質(zhì)與易溶鹽類膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度最低，且抗水性差。,未膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面，力學(xué)性質(zhì)取決于其充填情況，可分為：薄膜充填、斷續(xù)充填、連續(xù)充填及厚層充填4類 1 薄膜充填是結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度。 2 斷續(xù)充填結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)與充填物性質(zhì)、壁巖性質(zhì)及結(jié)構(gòu)面的形態(tài)有關(guān)。 3 連續(xù)充填結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)主要取決于充填物性質(zhì)。 4 厚層充填結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)很差，主要取決于充填物性質(zhì)，巖體往往易于沿這種結(jié)構(gòu)面滑移而失穩(wěn)。,1.4 巖體結(jié)構(gòu)特征及結(jié)構(gòu)控制論,一、巖體的組成 巖體是由結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)及其所圍限的巖塊 (結(jié)構(gòu)體)所組成。 具有一定的結(jié)構(gòu)是巖體的顯著特征之一。 巖體中存在著復(fù)雜的天然應(yīng)力狀態(tài)和地下水，這是巖體與其他材料的根本區(qū)別之一,第1章 巖體地質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征,二、巖體的結(jié)構(gòu) 巖體結(jié)構(gòu)(rockmass structure)指巖體中結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體的排列組合關(guān)系。 1 結(jié)構(gòu)體特征 結(jié)構(gòu)體(structural element)指巖體中被結(jié)構(gòu)面切割圍限的巖石塊體。它不同于巖塊的概念。 結(jié)構(gòu)體的規(guī)模取決于結(jié)構(gòu)面的密度，密度愈小，結(jié)構(gòu)體的規(guī)模愈大,與結(jié)構(gòu)面對(duì)應(yīng),劃分為四級(jí)。 常用塊度模數(shù)（單位體積內(nèi)的級(jí)結(jié)構(gòu)體數(shù)) 或結(jié)構(gòu)體體積來(lái)表示結(jié)構(gòu)體規(guī)模。 結(jié)構(gòu)體常見(jiàn)的形狀有： 柱狀、板狀、楔形及菱形等。 形狀不同，穩(wěn)定性不同。,結(jié)構(gòu)體的形狀示意圖,2 巖體的結(jié)構(gòu)類型,三、巖體結(jié)構(gòu)控制論 工程實(shí)踐和研究表明，巖體結(jié)構(gòu)對(duì)工程巖體控制作用表現(xiàn)如下方面： 1）改變巖體的力學(xué)性質(zhì)。發(fā)育于巖體中的結(jié)構(gòu)面，是巖體的薄弱環(huán)節(jié)。降低了巖體的完整性，和力學(xué)強(qiáng)度，使巖體物理力學(xué)性質(zhì)變差。 2）巖體的應(yīng)力傳播特征 3）巖體的變形與破壞特征及工程巖體的穩(wěn)定性,巖體變形機(jī)制受巖體結(jié)構(gòu)控制,表明巖體變形受結(jié)構(gòu)面變形控制。 塊狀結(jié)構(gòu)巖體變形主要為貫通性結(jié)構(gòu)面滑移；碎裂狀結(jié)構(gòu)巖體變形則由、級(jí)結(jié)構(gòu)面滑移及部分巖塊變形構(gòu)成；完整巖體的變形才受控于巖石的變形特征。,巖體的破壞機(jī)制也受控于巖體結(jié)構(gòu)： 即：結(jié)構(gòu)控制巖體破壞的難易程度、破壞的規(guī)模和破壞的過(guò)程及巖體破壞的主要方式等。,巖體破壞機(jī)制受巖體結(jié)構(gòu)控制,巖體變形破壞方式： a. 塊狀及層狀結(jié)構(gòu)巖體的塊體滑移； b. 薄層狀結(jié)構(gòu)巖體的彎曲傾倒； c. 碎裂結(jié)構(gòu)巖體的剪切破壞及塑性變形； d. 松散及破碎結(jié)構(gòu)巖體的塑性變形。,四、巖體成因與巖體特征（自學(xué)）,1 巖漿巖體 無(wú)層理，產(chǎn)狀復(fù)雜。根據(jù)巖漿活動(dòng)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(gòu)造，巖體呈層狀結(jié)構(gòu)。沉積巖包括他生沉積巖和自生沉積巖兩大類。 3 變質(zhì)巖體 多數(shù)巖石變質(zhì)后都經(jīng)歷了不同程度的重結(jié)晶作用，結(jié)構(gòu)較致密，抗水性增強(qiáng)，孔隙率較低，透水性弱，抗變形性能好，強(qiáng)度高。因此與沉積巖相比，變質(zhì)巖的性質(zhì)一般要好些。,思考題,1、結(jié)構(gòu)面有哪些主要特征，它們是怎樣影響 巖體力學(xué)性質(zhì)的？ 2、何為巖體結(jié)構(gòu)控制論，巖體結(jié)構(gòu)對(duì)巖體的影響有哪些？ 3、試總結(jié)說(shuō)明三大類巖體的主要特征,1、結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)規(guī)律 結(jié)構(gòu)面在巖體內(nèi)的分布常具隨機(jī)性，特別是級(jí)和級(jí)結(jié)構(gòu)面。這些結(jié)構(gòu)面的各幾何參數(shù)可以看作隨機(jī)變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,1.5 結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬(自學(xué)),2、結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)方法 目前以測(cè)線法應(yīng)用最為廣泛。 測(cè)線法它是在巖石露頭表面布置一條測(cè)線，逐一量測(cè)與測(cè)線相交切的各條結(jié)構(gòu)面的幾何參數(shù)與特征。 結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)步驟： （1）選擇測(cè)量區(qū) 巖體露頭好，能夠測(cè)量到足夠多的結(jié)構(gòu)面； 巖體新鮮； 測(cè)量區(qū)巖體巖性相同，并且位于同一構(gòu)造單元內(nèi)； 露頭面盡量平直切直立。,（2）測(cè)線布置，在選擇好的露頭巖面上布置測(cè)線，并將長(zhǎng)約30m的測(cè)繩固定在測(cè)線上。測(cè)線布置應(yīng)滿足要求： 測(cè)線應(yīng)盡量沿水平方向布置；拉直；當(dāng)露頭面過(guò)高時(shí)，應(yīng)標(biāo)出刪節(jié)線。刪節(jié)寬度一般為結(jié)構(gòu)面平均跡長(zhǎng)的2-3倍，刪節(jié)線應(yīng)與測(cè)線平行，記錄刪節(jié)線方位和長(zhǎng)度。,（3）測(cè)量、記錄 測(cè)量以小組為單位，1人記錄；1-2人用羅盤量測(cè)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀；1-2人測(cè)量結(jié)構(gòu)面半跡長(zhǎng)（或刪節(jié)半跡長(zhǎng)）和其它數(shù)據(jù)。并將測(cè)量到的各種數(shù)據(jù)記錄在表中。測(cè)量時(shí)應(yīng)注意凡是與測(cè)線相交的結(jié)構(gòu)面都要量測(cè)，不能漏測(cè)或有選擇性地測(cè)量。當(dāng)然對(duì)一些規(guī)模很小的或微結(jié)構(gòu)面則可不測(cè)。,巖體結(jié)構(gòu)面測(cè)線測(cè)量記錄表 記錄者 測(cè)線方位 年 月 日 記錄表編號(hào) 測(cè)量位置 露頭面產(chǎn)狀 露頭類型 測(cè)線號(hào) 巖石類型 露頭面尺寸 露頭條件,1，2，3，4，5-結(jié)構(gòu)面 結(jié)構(gòu)面端點(diǎn)類型,3、結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬 結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬是采用Monte Carlo 隨機(jī)模擬方法在計(jì)算機(jī)上模擬巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)。它是建立在對(duì)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)測(cè)量基礎(chǔ)上的，其模擬結(jié)果不僅與結(jié)構(gòu)面的實(shí)際分布在統(tǒng)計(jì)規(guī)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(jié)構(gòu)特征，有助于人們直觀了解巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律。 Monte Carlo隨機(jī)模擬是利用隨機(jī)數(shù)生成方法，生成服從一定概率分布形式的隨機(jī)數(shù)序列。目前多運(yùn)用數(shù)學(xué)方法通過(guò)計(jì)算機(jī)編程計(jì)算來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)。,用Monte Carlo進(jìn)行結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬假設(shè)條件： 1）假設(shè)結(jié)構(gòu)面形狀為薄圓盤狀。根據(jù)這一假設(shè)，結(jié)構(gòu)面的大小和位置，可以用結(jié)構(gòu)面中心點(diǎn)坐標(biāo)和結(jié)構(gòu)面半徑來(lái)反映； 2）假設(shè)結(jié)構(gòu)面為平直薄板，也就是說(shuō)每條結(jié)構(gòu)面只有一個(gè)統(tǒng)一的產(chǎn)狀； 3）假設(shè)在整個(gè)模擬區(qū)域內(nèi)，每組結(jié)構(gòu)面的分布均遵循同一概率模型。,巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬步驟如下： 1）選擇適宜的巖體露頭，對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行系統(tǒng)采樣； 2）對(duì)所有結(jié)構(gòu)面進(jìn)行合理分組； 3）對(duì)每組結(jié)構(gòu)面分別建立概率模型； 4）依次讀入每組結(jié)構(gòu)面概率模型的基本數(shù)據(jù)，對(duì)每組結(jié)構(gòu)面進(jìn)行（5）（11）； 5）初步確定正在模擬的當(dāng)前組結(jié)構(gòu)面的體密度及模擬區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)面數(shù)目，進(jìn)行（6）（11），生成該數(shù)目的結(jié)構(gòu)面； 6）生成每條結(jié)構(gòu)面中心點(diǎn)坐標(biāo)； 7）生成每條結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀