工程地質(zhì)第四章

1、第四章 巖體的工程(gngchng)性質(zhì) 共二十三頁(yè)一、巖體1.巖體 是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史過(guò)程中形成的，具有一定的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，并與工程建筑有關(guān)的天然地質(zhì)體巖石在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)，由于遭受內(nèi)力(nil)、外力地質(zhì)作用的影響，在巖體里面會(huì)形成各種裂隙，形成不連續(xù)、各向異性的非均勻地質(zhì)體。 共二十三頁(yè)2.巖體的主要(zhyo)特征 巖體是地質(zhì)體的一部分，因此，巖石、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及巖體中的天然應(yīng)力狀態(tài)對(duì)巖體的穩(wěn)定有很大影響。要研究巖體，不僅要研究現(xiàn)狀還要研究其歷史。巖體中的結(jié)構(gòu)面是巖體力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)薄弱的部位，它將導(dǎo)致巖體力學(xué)性能不連續(xù)性、不均一性和各向異性。軟弱的結(jié)構(gòu)面常常形成巖體穩(wěn)定性的控制面

2、。巖體在工程荷載的作用下產(chǎn)生變形和破壞，主要受各種結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其組合形式的控制。巖體結(jié)構(gòu)特征不同，巖體的變形與破壞機(jī)制也不同。巖體中存在天然的應(yīng)力場(chǎng)，在多數(shù)情況下，巖體中不僅存在自重(zzhng)應(yīng)力還有構(gòu)造應(yīng)力，這些應(yīng)力的存在，使得巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)復(fù)雜化。共二十三頁(yè)二、巖體結(jié)構(gòu)(jigu) 1.結(jié)構(gòu)單元 結(jié)構(gòu)面：指存在于巖體中的各種不同成因、不同特 征的地質(zhì)界面，指巖體中已開(kāi)裂的地質(zhì)界面，如：斷層(duncng)、節(jié)理、層理、軟弱夾層及不整合面等；結(jié)構(gòu)體：由結(jié)構(gòu)面切割后形成的巖石塊體；2.巖體結(jié)構(gòu) 指巖體結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩個(gè)要素的組合特征。 共二十三頁(yè)三、結(jié)構(gòu)面的類型(lixng)及特征

3、1.結(jié)構(gòu)面類型共二十三頁(yè)共二十三頁(yè)2.結(jié)構(gòu)面的特征(tzhng)（1）結(jié)構(gòu)面的規(guī)模 結(jié)構(gòu)面對(duì)(min du)巖體力學(xué)性質(zhì)及巖體穩(wěn)定性的影響程度，首先取決于結(jié)構(gòu)面的延展性及其規(guī)模 結(jié)構(gòu)面的規(guī)模 一級(jí)結(jié)構(gòu)面：區(qū)域性的斷裂破碎帶，延展數(shù)十公里以上。它直接關(guān)系到工程所在區(qū)域的穩(wěn)定性，一般在規(guī)劃選點(diǎn)時(shí)盡量避開(kāi)。 二級(jí)結(jié)構(gòu)面：延展性較強(qiáng)，貫穿整個(gè)工程地區(qū)或在一定工程范圍內(nèi)切斷整個(gè)巖體的結(jié)構(gòu)面。它的組合與分布，控制了山體及工程巖體的破壞方式及滑動(dòng)邊界。 三級(jí)結(jié)構(gòu)面：包括走向與傾向方向，延伸有限。這些結(jié)構(gòu)面控制巖體的破壞和滑移機(jī)理，常常是工程穩(wěn)定的控制性因素及邊界條件。 四級(jí)結(jié)構(gòu)面：延展性差，一般在數(shù)米至數(shù)十

4、米的范圍內(nèi)的節(jié)理、片理等，它們僅在小范圍內(nèi)將巖體切割成塊狀。五級(jí)結(jié)構(gòu)面：延展性極差的一些微小裂隙。它主要影響巖塊的力學(xué)性質(zhì)。巖塊的破壞由于微裂隙的存在具有隨機(jī)性。 共二十三頁(yè)（2）結(jié)構(gòu)(jigu)面形態(tài) 起伏(qf)度（起伏角、起伏高度）平直型：包括大多數(shù)層面、片理和剪切破裂面。 波狀起伏型：如波痕層面、輕度揉曲的片理 鋸齒狀型：張扭性結(jié)構(gòu)面 不規(guī)則型：結(jié)構(gòu)面曲折不平，如沉積間斷面 粗糙度極粗糙平滑鏡面結(jié)構(gòu)面的形態(tài)特征粗糙一般共二十三頁(yè)（3）結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)(wzh)組成 結(jié)構(gòu)面上物質(zhì)軟弱松散，含泥物質(zhì)及水理性質(zhì)不良的黏土礦物，抗剪強(qiáng)度很低，對(duì)巖體穩(wěn)定的影響(yngxing)較大 （4）結(jié)構(gòu)面的密

5、集程度 密集程度反映巖體的完整性，它決定巖體變形和破壞的力學(xué)機(jī)制。結(jié)構(gòu)面越密集，巖體變形越大，強(qiáng)度越低，滲透性越高。表征指標(biāo)：線密度 單位長(zhǎng)度上的結(jié)構(gòu)面條數(shù)。 結(jié)構(gòu)面間距 同一組結(jié)構(gòu)面的平均間距。共二十三頁(yè)（5）結(jié)構(gòu)(jigu)面的延展性 （6）結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)度和填充(tinchng)膠結(jié)特征 結(jié)構(gòu)面的延展性也稱連續(xù)性，結(jié)構(gòu)面在其走向和傾斜線方向二維方向上的連通程度，是決定巖體穩(wěn)定性的決定性因素。類型：非連通的、半連通的、連通的表征指標(biāo)：線連續(xù)性系數(shù) 在某一結(jié)構(gòu)面的延長(zhǎng)線上，結(jié)構(gòu)面各段 長(zhǎng)度之和與整個(gè)線段長(zhǎng)度的比值。 面連續(xù)性系數(shù) 巖體內(nèi)包含結(jié)構(gòu)面的斷面上，結(jié)構(gòu)面面積之和與整個(gè)斷面面積的比值 張

6、性斷裂面，為次生充填和地下水活動(dòng)提供條件，顯著降低其抗剪強(qiáng)度；產(chǎn)生靜、動(dòng)水壓力，影響巖體穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)面經(jīng)充填膠結(jié)后，力學(xué)性質(zhì)有所改善，改善程度因充填物不同而不同。共二十三頁(yè)3.軟弱(runru)夾層共二十三頁(yè)4.結(jié)構(gòu)(jigu)體 （1）結(jié)構(gòu)體與結(jié)構(gòu)面相互依存：結(jié)構(gòu)體形狀與結(jié)構(gòu)面組數(shù)密切相關(guān)，巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面組數(shù)越多，結(jié)構(gòu)體形狀越復(fù)雜；結(jié)構(gòu)體塊度或尺寸(ch cun)與結(jié)構(gòu)面間距密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)面間距越大，結(jié)構(gòu)體塊度（尺寸(ch cun)）越大。結(jié)構(gòu)體級(jí)序與結(jié)構(gòu)面級(jí)序有相互依存的關(guān)系 （2）結(jié)構(gòu)體的類型：柱狀、塊狀、板狀、楔形、菱形、錐形等； 強(qiáng)烈破碎部位可能有 片狀、鱗片狀、碎塊狀、碎屑狀。共二十

7、三頁(yè)5.巖體結(jié)構(gòu)(jigu)的類型 共二十三頁(yè)6.不同(b tn)結(jié)構(gòu)類型巖體的工程地質(zhì)性質(zhì) 整體塊狀結(jié)構(gòu)巖體：結(jié)構(gòu)面稀疏、延展性差、結(jié)構(gòu)體塊度大且常為硬質(zhì)巖石，故整體強(qiáng)度高、變形特征接近于各向同性的均質(zhì)彈性體，變形模量、承載能力與抗滑能力均較高，抗風(fēng)化能力一般也較強(qiáng)，故這類巖體具有良好的工程地質(zhì)性質(zhì)，是較理想的各類工程建筑地基、邊坡巖體及洞室圍巖。 層狀結(jié)構(gòu)巖體：結(jié)構(gòu)面以層面與不密集的節(jié)理為主，結(jié)構(gòu)面多閉合微張狀、一般風(fēng)化微弱、結(jié)合力一般不強(qiáng)，結(jié)構(gòu)體塊度較大且保持著母巖巖塊性質(zhì)，故這類巖體總體變形模量和承載能力均較高，可作為工程建筑地基，但應(yīng)注意結(jié)構(gòu)面結(jié)合力不強(qiáng)的情況。 碎裂結(jié)構(gòu)巖體：節(jié)理、

8、裂隙發(fā)育、常有泥質(zhì)充填物質(zhì)，結(jié)合力不強(qiáng)，其中層狀巖體常有平行層面的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，結(jié)構(gòu)體塊度不大，巖體完整性破壞較大，其中鑲嵌結(jié)構(gòu)巖體因其結(jié)構(gòu)體為硬質(zhì)巖石，尚具較高的變形模量和承載能力，工程地質(zhì)性能尚好；而層狀碎裂結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)巖體則變形模量、承載能力均不高，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。散體結(jié)構(gòu)巖體：節(jié)理、裂隙很發(fā)育，巖體十分破碎(p su)，巖石手捏即碎，屬于碎石土類，可按碎石土類研究。 共二十三頁(yè)四、巖體的主要力學(xué)(l xu)性質(zhì)影響巖體力學(xué)性質(zhì)的因素：巖石的力學(xué)性質(zhì)，結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成、發(fā)育程度、組合類型及力學(xué)性質(zhì)。1.巖體的變形特性（1）巖體的應(yīng)力應(yīng)變曲線特征變形組成：結(jié)構(gòu)面變形和結(jié)構(gòu)體變形四個(gè)階

9、段(jidun)：OA節(jié)理壓密閉合變形階段、AB彈性變形階段、 BC塑性變形階段、CD段破壞階段類型：直線型 巖體堅(jiān)硬、致密、均勻、完整 上凹形 巖體堅(jiān)硬、裂隙發(fā)育、裂隙無(wú)充填；或有軟弱夾層 下凹形 軟弱夾層較發(fā)育；節(jié)理裂隙較發(fā)育且有軟弱充填物； 巖石性質(zhì)軟弱；巖體深處有軟弱夾層；巖體風(fēng)化 復(fù)合型 組成巖體的巖石、結(jié)構(gòu)體性質(zhì)不均勻；結(jié)構(gòu)體分布不 均勻；結(jié)構(gòu)面分布不均勻共二十三頁(yè)（2）變形指標(biāo)變形模量：巖體在無(wú)側(cè)限受壓條件下應(yīng)力與總應(yīng)變之比。彈性模量：巖體無(wú)側(cè)限受壓條件下應(yīng)力與彈性應(yīng)變之比。動(dòng)彈性模量：用動(dòng)力法根據(jù)彈性波在巖體中的傳播速度測(cè)得的彈性模量。2.巖體的流變特性流變性：介質(zhì)在外部條件不

10、變的條件下，應(yīng)力或應(yīng)變隨時(shí)間變化的性質(zhì)。表現(xiàn)形式：蠕變 應(yīng)力一定的條件下，變形隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸(zhjin)增長(zhǎng)的現(xiàn)象。 松弛 變形保持一定，應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸減小的現(xiàn)象。共二十三頁(yè)3.巖體的強(qiáng)度(qingd)特性（1）巖體的破壞方式 脆性破壞、塊體滑移，層狀彎折，追蹤破裂，塑性流動(dòng)。（2）巖體的剪切特性和剪切強(qiáng)度 類型：抗剪強(qiáng)度 沿已有的破裂面發(fā)生剪切滑動(dòng)時(shí)的強(qiáng)度 抗剪斷(jin dun)強(qiáng)度 垂直壓力作用下的巖體剪斷強(qiáng)度 抗切強(qiáng)度 壓應(yīng)力等于零時(shí)的抗剪斷強(qiáng)度剪切特性：巖體剪應(yīng)力剪位移曲線類型 脆性破壞型堅(jiān)硬完整巖體 塑性破壞型半堅(jiān)硬或軟弱破碎巖體 巖體的剪切強(qiáng)度曲線 峰值強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的正應(yīng)

11、力的關(guān)系曲線 剪切強(qiáng)度參數(shù) 粘聚力、內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)共二十三頁(yè)（3）影響巖體強(qiáng)度(qingd)的主要因素試件的尺寸效應(yīng) 尺寸很小時(shí)，巖石的不均勻性影響巖石的性質(zhì)；尺寸較大時(shí)，巖石具有統(tǒng)計(jì)上的均一性。軟弱面效應(yīng) 軟弱面強(qiáng)度低、變形大、剛度小、易滲水、易風(fēng)化、易侵蝕、溶蝕、易變質(zhì)(bin zh)、各向異性摩擦效應(yīng) 低壓（土木工程） 界面的粗糙程度和巖石種類對(duì)摩擦系數(shù)影響很大； 中壓（采礦工程） 界面的粗糙程度和巖石種類對(duì)摩擦系數(shù)影響中等； 高壓（地球物理領(lǐng)域） 摩擦與界面的粗糙程度和巖石種類無(wú)關(guān)。共二十三頁(yè)圍壓效應(yīng) 可提高巖石強(qiáng)度(qingd)，并使巖石呈現(xiàn)塑性和粘性。時(shí)間效應(yīng) 加荷速率 加荷速

12、率快 動(dòng)荷載 荷載作用時(shí)間 短期外力彈性體 長(zhǎng)期外力塑性、流變性水的影響 水的物理地質(zhì)作用 水對(duì)節(jié)理、裂隙面的潤(rùn)滑作用，對(duì)巖體的軟化作用，對(duì)軟弱夾層的泥化作用。抗剪強(qiáng)度降低 水的化學(xué)地質(zhì)作用 溶解、溶蝕、溶濾作用，水化、水解作用，離子交換，氧化還原作用，脫碳酸作用，硫酸化和脫硫酸作用，混合作用 。礦物成分變質(zhì)，影響巖體結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性質(zhì) 水對(duì)巖體的力學(xué)作用 產(chǎn)生靜水壓力和動(dòng)水壓力共二十三頁(yè)五、工程(gngchng)巖體分級(jí)1.分級(jí)目的 滿足工程實(shí)際要求，確定巖體的設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)或參數(shù)，以使工程達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理、安全。分級(jí)類型：通用的分級(jí) 供各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域、各國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門籠統(tǒng)使用的分級(jí)。 專用的分級(jí) 針

13、對(duì)某一學(xué)科領(lǐng)域、某一具體工程、某一工程的具體部位巖體的特殊要求。2.工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)定級(jí)方法：初步定級(jí)和詳細(xì)定級(jí)（1）工程巖體質(zhì)量的初步定級(jí) 考慮指標(biāo)：巖石堅(jiān)硬(jinyng)程度和巖體完整程度共二十三頁(yè)巖石的堅(jiān)硬程度 巖石的堅(jiān)硬程度可根據(jù)巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度(kn y qin d)frk分為堅(jiān)硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖、極軟巖。巖石(ynsh)堅(jiān)硬程度的劃分 堅(jiān)硬程度類別 飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk（MPa） 堅(jiān)硬巖frk60較硬巖60frk30較軟巖30frk15軟巖15frk5極軟巖frk5共二十三頁(yè)巖石的完整程度 巖石的完整程度根據(jù)完整性指數(shù)劃分(hu fn)為完整、較完整、較破碎、破碎、極破碎。巖石(ynsh)的完整程度 完整程度等級(jí)完整性指數(shù)完整0.75較完整0.75-0.55較破碎0.55-0.35破碎0.35-0.15極破碎0.15（2）工程巖體質(zhì)量的詳細(xì)定級(jí) 在初步定級(jí)的基礎(chǔ)上考慮地下水狀態(tài)、初始應(yīng)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等因素進(jìn)行修正。共二十三頁(yè)內(nèi)容摘要第四章 巖體的工程性質(zhì)。要研究巖體，不僅要研究現(xiàn)