《地質(zhì)學(xué)》課件-巖體的結(jié)構(gòu)特征與主要力學(xué)特征

第四章巖體的工程地質(zhì)特性第一節(jié)巖體的結(jié)構(gòu)特征第二節(jié)巖體的主要力學(xué)特性第三節(jié)地應(yīng)力的工程地質(zhì)研究第四節(jié)巖體的工程地質(zhì)分類概述1、巖體定義：巖體通常指工程影響范圍內(nèi)的地質(zhì)體，它由處于一定應(yīng)力狀態(tài)、被各種結(jié)構(gòu)面切割的巖石所組成。巖體是地質(zhì)體的一部分，它是由各種各樣的巖石建造組合而成，后期又受不同時(shí)期及不同性質(zhì)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及次生地質(zhì)作用的影響，是非均質(zhì)的、各向異性的不連續(xù)體。一個(gè)巖體的規(guī)模、大小，可視所研究的工程地質(zhì)問題所涉及的范圍和巖體的特點(diǎn)而定。巖體和巖石有區(qū)別的。巖體時(shí)有一種或多種巖石組成，甚至可以是不同成因巖石的組合體?？梢岳斫鉃楸唤Y(jié)構(gòu)面切割，多裂隙的不聯(lián)系介質(zhì)；巖石則為完整的巖塊。2、巖體(rockmass)＝結(jié)構(gòu)面(discontinuities)+巖石(rocks)3、工程巖體有地基巖體、邊坡巖體和地下洞室圍巖。巖體結(jié)構(gòu)巖體由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組成。結(jié)構(gòu)面定義：巖體中力學(xué)強(qiáng)度較低的部位或巖性相對(duì)軟弱的夾層，構(gòu)成巖體的不連續(xù)面，稱為結(jié)構(gòu)面。

結(jié)構(gòu)面實(shí)際上是地質(zhì)發(fā)展歷史中巖體內(nèi)形成的具有一定方向、一定規(guī)模、一定形態(tài)和一定特征的地質(zhì)界面。巖體中存在的各類地質(zhì)界面：斷層面、節(jié)理面、裂隙面、層面、不整合面、接觸面等。結(jié)構(gòu)體被結(jié)構(gòu)面所圍限的巖塊稱為結(jié)構(gòu)體。第一節(jié)巖體的結(jié)構(gòu)特征巖體結(jié)構(gòu)特征的研究意義巖體的結(jié)構(gòu)特征是指巖體中結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的形狀、規(guī)模、性質(zhì)及其組合關(guān)系的特征。巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)面，常常成為決定巖體穩(wěn)定性的控制面?？拷乇淼膸r體，其結(jié)構(gòu)特征在很大程度上確定了外營(yíng)力對(duì)巖體的改造進(jìn)程。這是由于結(jié)構(gòu)面往往是風(fēng)化、地下水等各種外營(yíng)力較活動(dòng)的部位，也常常是這些營(yíng)力的改造作用能深入巖體內(nèi)部的重要通道，往往發(fā)展為重要的控制面。研究結(jié)構(gòu)面最關(guān)鍵的是研究各類結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律、發(fā)育密度、表面特征、連續(xù)特征以及它們的空間組合形式等。結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面的幾何特征直接控制巖體中巖塊的大小，同時(shí)控制巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析和地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析中的邊界條件，即控制滑體的形狀、規(guī)模及其趨勢(shì)。具有工程意義的巖體結(jié)構(gòu)面主要包括地層層面和節(jié)理等。

一、結(jié)構(gòu)面的成因類型（一）原生結(jié)構(gòu)面定義：在巖石成巖過程形成的。有以下三類：1、沉積結(jié)構(gòu)面沉積巖的層理、層面、間斷面及軟弱夾層等都屬于沉積結(jié)構(gòu)面。間斷面包括假整合面和不整合面，起伏不平，構(gòu)成一個(gè)軟弱帶。軟弱夾層強(qiáng)度低，遇水易軟化。2、火成結(jié)構(gòu)面巖漿侵入、噴溢及冷凝過程中形成的結(jié)構(gòu)面，如流層、冷凝節(jié)理、侵入體與圍巖接觸面及巖漿間歇性噴溢所形成的軟弱接觸面。3、變質(zhì)接觸帶變余結(jié)構(gòu)面和變成的重結(jié)晶結(jié)構(gòu)面。前者為沉積巖淺變質(zhì)所具有，層面仍保留，但在層面上有絹云母、綠泥石等鱗片狀礦物密集并呈定向排列。重結(jié)晶結(jié)構(gòu)面主要有片理和片麻理等。玄武巖的原生柱狀裂隙沉積巖的層間裂隙片麻結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)面的成因類型（二）次生結(jié)構(gòu)面1、內(nèi)動(dòng)力形成的結(jié)構(gòu)面包括節(jié)理、劈理、斷層、層間剪切帶，也稱構(gòu)造節(jié)理。斷層、層間剪切帶，規(guī)模大，有充填物，工程性質(zhì)很差。節(jié)理、劈理等一般無充填物或較薄的充填物，影響巖體的完整性和力學(xué)性質(zhì)。2、外力形成的結(jié)構(gòu)面由風(fēng)化、卸荷及人類活動(dòng)所形成的結(jié)構(gòu)面。構(gòu)造裂隙卸荷裂隙剪節(jié)理（剪切裂隙）河谷地區(qū)的卸荷裂隙鏈子崖一、結(jié)構(gòu)面的成因類型成因類型原生結(jié)構(gòu)面次生結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面火成結(jié)構(gòu)面變質(zhì)結(jié)構(gòu)面內(nèi)動(dòng)力形成結(jié)構(gòu)面外動(dòng)力形成結(jié)構(gòu)面綜合動(dòng)力形成結(jié)構(gòu)面地質(zhì)類型層理、層面、沉積間斷面、沉積軟弱夾層侵入體與圍巖接觸面、火山熔巖層面、冷凝節(jié)理變余層理、片理構(gòu)造節(jié)理、斷層、劈理、層間錯(cuò)動(dòng)面風(fēng)化裂隙、卸荷裂隙、爆破、次生充填軟弱夾層泥化夾層結(jié)構(gòu)面的基本類型(1)方位：即結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。(2)間距：系指相鄰結(jié)構(gòu)面間的垂直距離，通常是指一組結(jié)構(gòu)面的平均間距。它是反映巖體的完整程度和巖塊大小的重要指標(biāo)(3)延續(xù)性：它是表征結(jié)構(gòu)面延伸長(zhǎng)度和展布范圍的指標(biāo)。(4)粗糙度：結(jié)構(gòu)面的平整光滑程度不同，抗剪強(qiáng)度也不同。結(jié)構(gòu)面的形態(tài)有平直的、波狀的、鋸齒狀的、臺(tái)階狀的和不規(guī)則狀的幾種。結(jié)構(gòu)面的起伏程度可用起伏差及起伏角表示，結(jié)構(gòu)面的粗糙程度可用粗糙度系數(shù)(JRC)表示。二、結(jié)構(gòu)面的特征分級(jí)ⅠⅡⅢⅣ間距（m）>20.5～20.1～0.5<0.1描述不發(fā)育較發(fā)育發(fā)育極發(fā)育完整性完整塊狀碎裂破碎節(jié)理間距與完整性的關(guān)系結(jié)構(gòu)面的貫通性巖體的面連續(xù)性結(jié)構(gòu)面的粗糙度

(5)結(jié)構(gòu)面?zhèn)缺趶?qiáng)度：它可以反映結(jié)構(gòu)面經(jīng)受風(fēng)化的程度，可用施密特回彈儀或點(diǎn)荷載儀測(cè)定節(jié)理壁的強(qiáng)度。

(6)張開度：指結(jié)構(gòu)面兩壁間的垂直距離。結(jié)構(gòu)面的張開度通常不大，一般小于1mm。

(7)充填物：結(jié)構(gòu)面內(nèi)常見的充填物有砂、粘土、角礫、巖屑及硅質(zhì)、鈣質(zhì)、石膏質(zhì)沉淀物，結(jié)構(gòu)面經(jīng)膠結(jié)后強(qiáng)度會(huì)提高，其中以鐵或硅質(zhì)膠結(jié)者強(qiáng)度最高，泥質(zhì)及易溶鹽類膠結(jié)者強(qiáng)度低、抗水性差。未膠結(jié)的充填物強(qiáng)度低，充填物厚度不同時(shí)，結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度也不同。二、結(jié)構(gòu)面的特征(8)滲流：結(jié)構(gòu)面內(nèi)有無滲流及流量的大小，對(duì)結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)、有效應(yīng)力的大小及施工的難易程度均有重要的影響。(9)節(jié)理組數(shù)：節(jié)理組數(shù)的多少，決定了巖石塊體的大小及巖體的結(jié)構(gòu)類型(10)塊體大小：由數(shù)組結(jié)構(gòu)面切割而成的巖石塊體，一般稱為結(jié)構(gòu)體。二、結(jié)構(gòu)面的特征結(jié)構(gòu)體的形狀三、軟弱夾層定義：一般認(rèn)為軟弱夾層是在堅(jiān)硬的層狀巖層中夾有強(qiáng)度低、泥質(zhì)或碳質(zhì)含量高、遇水易軟化、延伸較廣和厚度較薄的軟弱夾層。也有人將一切產(chǎn)狀平緩的軟弱薄層狀地質(zhì)體劃歸夾層的范疇。軟弱夾層的強(qiáng)度和變形參數(shù)如下：摩擦系數(shù)f＜0.5

飽和抗壓強(qiáng)度Rb≤10MPa

變形模量E0≤1000MPa軟弱夾層軟弱夾層軟弱夾層

三、軟弱夾層（一）軟弱夾層的成因與分類長(zhǎng)江流域規(guī)劃委員會(huì)等單位按成因分為：成因原生型次生型構(gòu)造型沉積型、噴發(fā)沉積型、淺變質(zhì)軟弱礦物富集型層間擠壓錯(cuò)動(dòng)形成的層間剪切帶風(fēng)化型、充填型三、軟弱夾層（二）軟弱夾層的特性長(zhǎng)委會(huì)劃分四類夾層1、軟弱夾層常見有粘土夾層、疏松泥灰?guī)r、石膏層、碳質(zhì)條帶等。2、塊狀?yuàn)A層由80﹪以上粒徑大于2mm的粗碎屑組成。3、碎屑夾層粒徑為0.5～2mm的細(xì)碎屑約占30﹪，大于2mm的粗碎屑約占30﹪～50﹪，粘粒占10﹪～30﹪4、泥化結(jié)構(gòu)粘土礦物巖石經(jīng)過一系列地質(zhì)作用變成塑泥的過程，叫泥化。天然含水量大于或等于塑限。是軟弱夾層中最壞的一種。三、軟弱夾層4、泥化結(jié)構(gòu)粘土礦物巖石經(jīng)過一系列地質(zhì)作用變成塑泥的過程，叫泥化。天然含水量大于或等于塑限。形成具備三個(gè)條件：（1）物質(zhì)基礎(chǔ)。粘土鹽類夾層。（2）構(gòu)造作用。破壞原來粘土巖類夾層的完整性，為地下水滲入提供通道；原巖礦物顆粒聯(lián)接也會(huì)受到破壞。（3）地下水。水在粘粒周圍形成結(jié)合水膜，使巖石處于塑態(tài)甚至流態(tài)。標(biāo)志：其天然含水量等于或大于塑限。特點(diǎn)：濕度高、密度小、強(qiáng)度低、變形大。軟弱夾層

特點(diǎn)厚度薄多呈相互平行，延伸長(zhǎng)度和寬度不一的多層狀結(jié)構(gòu)松散巖性、厚度、性狀和延伸范圍，常有很大變化力學(xué)強(qiáng)度低，與其結(jié)構(gòu)、礦物成分和顆粒組成有關(guān)泥化夾層

特點(diǎn)成分：粘粒含量明顯增多結(jié)構(gòu)：由固結(jié)或超固結(jié)變成了泥質(zhì)散狀結(jié)構(gòu)物理狀態(tài)：干容重減小,天然含水量增高,接近塑限具有一定的膨脹性力學(xué)強(qiáng)度：較原巖大為降低，壓縮性大抗沖刷能力低，易于產(chǎn)生滲透變形四、巖體的結(jié)構(gòu)類型《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，將巖體結(jié)構(gòu)劃分為：4個(gè)大類和11個(gè)亞類，其基本特征見表4-6。類型亞類特征整體塊狀結(jié)構(gòu)整體狀結(jié)構(gòu)塊狀結(jié)構(gòu)次塊狀結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)整體層狀結(jié)構(gòu)塊層狀結(jié)構(gòu)互層狀結(jié)構(gòu)薄層狀結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)散體結(jié)構(gòu)碎塊狀結(jié)構(gòu)碎屑狀結(jié)構(gòu)表4-6巖體結(jié)構(gòu)分類表《港口工程地質(zhì)勘察規(guī)范》

整體狀結(jié)構(gòu)(近似各向同性連續(xù)介質(zhì)）

塊狀結(jié)構(gòu)（巖軟弱夾層滑動(dòng)）

層狀結(jié)構(gòu)（順層滑動(dòng)、層間張裂及巖層彎曲折斷）

碎裂狀結(jié)構(gòu)（沿結(jié)構(gòu)面的滑移和張裂、結(jié)構(gòu)體的剪切、張裂及塑性流動(dòng)）

散體結(jié)構(gòu)（大型斷裂破碎帶、巖漿侵入接觸破碎帶及強(qiáng)烈風(fēng)化帶）第二節(jié)巖體的主要力學(xué)特性巖體的變形往往包括了結(jié)構(gòu)面的變形和結(jié)構(gòu)體的變形兩部分。一、巖體的變形特征單軸壓縮條件下巖石變形特征（變形階段劃分）

1）OA段曲線，屬于微裂隙壓密階段;2）AB段曲線，屬于彈性變形階段;3）BC段曲線，屬于初級(jí)膨脹階段，產(chǎn)生微破裂或塑性變形;4）CD段曲線，屬于破壞階段1.應(yīng)力-應(yīng)變曲線2.巖體的變形指標(biāo)ABCDE3.巖體壓力－變形曲線的三種基本類型a)巖體節(jié)理不發(fā)育，巖體堅(jiān)硬完整b)巖體節(jié)理發(fā)育且充填不好，加載初期逐漸壓密，后期變陡，直至最后直線階段c)荷載較低時(shí)，P-W呈直線關(guān)系，它反映巖體軟弱或深部埋藏有軟弱夾層4、動(dòng)彈性模量（Ed）巖體中的一點(diǎn)受動(dòng)載荷沖擊后將產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)以彈性波的形式向外擴(kuò)散。在生產(chǎn)上用動(dòng)力法測(cè)定巖體的動(dòng)態(tài)變形參數(shù)。5、巖體靜彈性模量（Ee）與動(dòng)彈性模量（Ed）關(guān)系。

Ee=jEdJ是折減系數(shù)，與巖體完整性有關(guān)。二、巖體的流變特性1、定義流變性：物體在外部條件不變的情況下，應(yīng)力或變形隨時(shí)間而變化的性質(zhì)。有蠕變和松弛。蠕變：在應(yīng)力一定的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間的持續(xù)而逐漸增長(zhǎng)的現(xiàn)象。松弛：在變形保持不變時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減小的現(xiàn)象。試驗(yàn)和工程實(shí)踐表明，巖石和巖體具有流變性。2、典型的蠕變曲線恒定荷載大小不同分為兩種類型：一類是在較小的恒定荷載作用下（σ<σ∞），變形隨時(shí)間增長(zhǎng)，變形速率遞減最后趨于穩(wěn)定；另一類恒定荷載超過某一極限后（σ〉σ∞），變形隨時(shí)間不斷增長(zhǎng)，最終導(dǎo)致破壞。典型蠕變曲線可分為以下三個(gè)階段：初始蠕變階段，OA段，變形速率逐漸減少，又稱阻尼蠕變階段。等速蠕變階段，AB段，變形緩慢平穩(wěn)，應(yīng)變隨時(shí)間呈等速增長(zhǎng)。加速蠕變階段。BC段，變形速率加快直到破壞。巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度：長(zhǎng)期應(yīng)力超過某一臨界應(yīng)力時(shí)，巖石才經(jīng)蠕變破壞，這一臨界應(yīng)力稱為巖石長(zhǎng)期強(qiáng)度。取決于巖石及結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)和含水量等因素三、脆性與塑性破壞巖體的剪應(yīng)力－剪位移曲線巖體的破壞機(jī)制巖體變性破壞的形式四、巖體的強(qiáng)度性質(zhì)巖體強(qiáng)度的意義巖體強(qiáng)度涵蓋了“巖石+結(jié)構(gòu)面”兩部分，僅僅研究巖石的強(qiáng)度對(duì)工程沒有太大的實(shí)際意義。在壩基抗滑穩(wěn)定性（表層滑動(dòng)、淺層滑動(dòng)、深層滑動(dòng)）、巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，需要巖體和結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)。巖石、結(jié)構(gòu)面和巖體強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系巖石、結(jié)構(gòu)面和巖體強(qiáng)度的對(duì)比1：巖石；2-結(jié)構(gòu)面；3-巖體1.平直光滑無充填結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度

τ=σtanφ2.粗糙起伏無充填結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度規(guī)則鋸齒結(jié)構(gòu)面(1)

當(dāng)法向應(yīng)力較小時(shí),存在所謂的爬坡效應(yīng)

τ=σtan(φb+i)式中:φb為結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角,i為齒面的起伏角。(2)

當(dāng)法向應(yīng)力較大時(shí),將剪斷鋸齒

τ=σtanφ+c由上