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1、第2章地下工程岩体结构与力学性质 2 1地下岩体结构类型 2 2结构面类型与特征 2 3岩体结构力学特征 2 1地下岩体结构类型 2 1 1岩体的结构岩体结构 rockmassstructure 指岩体中结构面与结构体的排列组合关系 基本的岩体结构单元有两类四种 概述 岩体 岩块和分割它们的不连续面组成的地质体 不连续面 也被称为结构面 断层 软弱层面 大多数节理 软弱片理和软弱带等各种力学因素形成的破裂面和破裂带 地下工程岩体 指地下工程所处于的岩体 包括建筑 水利 矿山 交通等领域的工程 地下工程岩体两个特点 存在各种结构面 岩体始终处于一定的地应力和渗流作用下 结构体指岩体中被结构面切割
2、围限的岩石块体 它不同于岩块的概念 结构体的规模取决于结构面的密度 与结构面对应 划分为五级 结构体规模常用块度模数 单位体积内 级结构体数 或结构体体积来表示 结构体常见的形状 柱状 板状 楔形 菱形 2 1 2岩体结构类型 根据结构面对岩体力学性质和围岩稳定性的影响 工程地质学将岩体划分为4种结构类型 整体与块状结构层状结构碎裂状结构散体状结构 以原生构造节理为主 只具有少量贯穿性较好的节理裂隙 多呈闭合型 裂隙结构面间距大于0 7m 一般不超过1 2组 基本无危险结构面组成的落石掉块 偶有少量分离体 整体性好 强度高 结构面互相牵制 岩体稳定 可视为均质弹性各向同性体 可能发生的岩土工程
3、问题为不稳定结构体的局部滑动或坍塌 以及深埋洞室的岩爆 主要为均质 巨块状岩浆岩 变质岩 巨厚层 厚层沉积岩 正变质岩 块状岩浆岩 变质岩 主要结构形状为巨块状 块状 柱状 1整体与块状结构 有层理 片理 节理 常有层间错动 接近均一的各向异性体 其变形及强度特征受层面及岩层组合控制 可视为弹塑性体 稳定性较差 可能发生不稳定结构体滑塌 特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形 主要为多层近似平行的薄层及中厚层状沉积岩 副变质岩 主要结构形状为层状 板状 透镜体 2层状结构 含镶嵌结构 层状碎裂结构和碎裂结构 主要结构形状为块状 断层 断层破碎带 片理 层理及层间结构面较发育 裂隙结构面间距0
4、 25 0 5m 结构面组数一般在2组以上 完整性很差 整体强度很低 并受断裂等软弱结构面控制 多呈弹塑性介质 稳定性很差 可能发生规模较大的岩体失稳 地下水问题 3碎裂结构 主要为构造影响剧烈的断层破碎带 强风化带 全风化带 主要结构形状为碎屑状 颗粒状 断层破碎带交叉 构造及风化裂隙密集 结构面及组合错综复杂 并多充填粘性土 形成许多大小不一的分离岩块 完整性遭到极大破坏 稳定性极差 岩体属性接近松散体介质 可能发生的岩土工程问题为易引起规模较大的岩体失稳 地下水量加剧 岩体失稳 4散体状结构 一 结构面的成因类型 一 地质成因类型原生结构面构造结构面次生结构面 二 力学成因类型张性结构面
5、剪性结构面 2 2结构面特征 岩体结构面的类型及其特征 一 地质成因类型1 原生结构面 岩体在成岩过程中形成的结构面 沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的 有层理面 软弱夹层 沉积间断面和不整合面等 岩浆结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面 包括岩浆岩体与围岩的接触面 各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等 变质结构面在变质过程中形成 分为残留结构面和重结晶结构面 2 构造结构面是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面 包括断层 节理 劈理和层间错动面等 3 次生结构面是岩体形成后在外营力作用下产生的结构面 包括卸荷裂隙 风化裂隙 次生夹泥层和泥化夹层等 二 力学成因类型1 张性
6、结构面是由拉应力形成的 如羽毛状张裂面 纵张及横张破裂面 岩浆岩中的冷凝节理等特点 张开度大 连续性差 形态不规则 面粗糙 起伏度大及破碎带较宽 易被充填 常含水丰富 导水性强2 剪性结构面是剪应力形成的 破裂面两侧岩体产生相对滑移 如逆断层 平移断层以及多数正断层等 特点 连续性好 面较平直 延伸较长并有擦痕镜面等 二 结构面的规模 级指大断层或区域性断层 控制工程建设地区的地壳稳定性 直接影响工程岩体稳定性 级指延伸长而宽度不大的区域性地质界面 级指长度数十米至数百米的断层 区域性节理 延伸较好的层面及层间错动等 级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式 它们的组合往往构成可能滑
7、移岩体的边界面 直接威胁工程安全稳定性 级指延伸较差的节理 层面 次生裂隙 小断层及较发育的片理 劈理面等 是构成岩块的边界面 破坏岩体的完整性 影响岩体的物理力学性质及应力分布状态 级结构面主要控制着岩体的结构 完整性和物理力学性质 数量多且具随机性 其分布规律具统计规律 需用统计方法进行研究 级又称微结构面 常包含在岩块内 主要影响岩块的物理力学性质 控制岩块的力学性质 二 结构面的规模 走向 倾向 倾角结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度 三 产状 据单结构面理论 岩体中存在一组结构面时 岩体的极限强度与结构面倾角间的关系为 四连续性结构面的连续性反映结构面的贯通程度 1
8、 线连续性系数 指沿结构面延伸方向 结构面各段长度之和 a 与测线长度的比值 K1变化在0 1之间 K1值愈大说明结构面的连续性愈好 当K1 1时 结构面完全贯通 2 面连续性系数 指沿结构面延伸方向 结构面面积之和与总面积的比值 结构面连续性分级表 五密度结构面的密度反映结构面发育的密集程度 1 线密度 Kd 是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数 条 m 2 间距 d 则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离 Kd与d互为倒数关系如果测线水平布置 且与结构面法线的夹角为 结构面的倾角为 时 结构面间距分级表 用线密度来估算岩体质量指标RQD rockqualitydes
9、ignation 岩体质量指标RQD 长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比 六张开度结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离 结构面两壁面一般不是紧密接触 使结构面实际接触面积减少 导致结构面粘聚力降低和渗透性增大 如在层流条件下 平直而两壁平行的单个结构面的渗透系数 Kf 可表达为 结构面张开度分级表 级及部分 级结构面的产状 迹长 间距及张开度等几何特征参数 服从一定的随机分布规律 七形态 结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映 结构面侧壁的起伏形态分为 平直的 波状的 锯齿状的 台阶状的和不规则状的 侧壁的起伏程度可用起伏角 i 表示 结构面的粗糙度用粗糙度系JR
10、C jointroughnesscoefficient 表示 随粗糙度的增大 结构面的摩擦角也增大 根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10级 八充填胶结特征 结构面胶结后力学性质有所增强 Fe质胶结的强度最高 泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低 且抗水性差 未胶结的结构面 力学性质取决于其充填情况 可分为 薄膜充填 断续充填 连续充填及厚层充填4类1薄膜充填是结构面两壁附着一层极薄的矿物膜 厚度多小于1mm 多明显降低结构面的强度 2断续充填结构面的力学性质与充填物性质 壁岩性质及结构面的形态有关 3连续充填结构面的力学性质主要取决于充填物性质 4厚层充填结构面的力学性质很差 主要取
11、决于充填物性质 岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳 九软弱结构面 软弱结构面是岩体中具有一定厚度的软弱带 层 与两盘岩体相比具有高压缩和低强度等特征 在产状上多属缓倾角结构面 主要包括原生软弱夹层 构造及挤压破碎带 泥化夹层及其他夹泥层等 特性 1 由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构或泥质定向结构2 粘粒含量很高3 含水量接近或超过塑限4 密度比原岩小5 常具有一定的胀缩性6 力学性质比原岩差7 强度低8 压缩性高9 易产生渗透变形 十 结构面的组合关系结构面的组合关系控制着可能滑移岩体的几何边界条件 形态 规模 滑动方向及滑移破坏类型 它是工程岩体稳定性预测与评价的基础 任何坚硬岩体
12、的块体滑移破坏 都必须具备一定的几何边界条件 因此 在研究岩体稳定性时 必须研究结构面之间及其与临空面之间的组合关系 确定可能失稳块体的形态 规模和可能滑移方向等 结构面组合关系的分析可用赤平投影 立体投影和三角几何计算法等进行 2 3岩体的力学性质 2 3 1岩体的变形性质 2 3 2岩体的强度性质 2 3 1岩体的变形性质 一 岩体变形试验及其变形参数确定 二 岩体变形参数估算 三 岩体变形曲线类型及其特征 四 影响岩体变形性质的因素 在受力条件改变时岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和 而结构变形通常包括结构面闭合 充填物的压密及结构体转动和滑动等变形 从岩体的定义 岩块 结构面 岩体岩
13、体变形 岩块变形 结构面闭合 充填物压缩 其他变形 在一般情况下 岩体的结构变形起着控制作用 一 岩体变形试验及其变形参数确定 静力法的基本原理 在选定的岩体表面 槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载 并测定其岩体的变形值 然后绘制出压力 变形关系曲线 计算出岩体的变形参数 动力法的基本原理 用人工方法对岩体发射 或激发 弹性波 声波或地震波 并测定其在岩体中的传播速度 然后根据波动理论求岩体的变形参数 1 承压板法 刚性承压板法柔性承压板法 是与承压板形状与刚度有关的系数 对于圆形板 0 785 对于方形板 0 886 2 钻孔变形法 优点 对岩体扰动小 可以在地下水位以下和相当深的部位进行 试验方
14、向基本上不受限制 而且试验压力可以达到很大 在一次试验中可以同时量测几个方向的变形 便于研究岩体的各向异性 缺点 试验涉及的岩体体积小 代表性受到局限 3 狭缝法 常见岩体的弹性模量和变形模量 几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量 岩体的变形模量比岩块的小 而且受结构面发育程度及风化程度等因素影响十分明显 不同地质条件下的同一岩体 其变形模量相差较大 试验方法不同 压力大小不同 岩体变形模量不同 二 岩体变形参数估算 一是在现场地质调查的基础上 建立适当的岩体地质力学模型 利用室内小试件试验资料来估算 二是在岩体质量评价和大量试验资料的基础上 建立岩体分类指标与变形参数之间的经验关系 并用于变
15、形参数估算 1 层状岩体变形参数估算 层状岩体的地质力学模型假设各岩层厚度相等为S 且性质相同 层面的张开度可忽略不计假设岩块的变形参数为E 和G 层面的变形参数为Kn Ks 取n t坐标系 n垂直层面 t平行层面 由岩块和层面组成单元体 1 法向应力 n作用下的岩体变形参数 1 沿n方向加荷 2 沿t方向加荷 2 剪应力作用下的岩体变形参数 2 裂隙岩体变形参数的估算 1 用RMR值估算岩体变形模量 2 用Q值估算纵波速度和岩体平均变形模量 三 岩体变形曲线类型及其特征 1 法向变形曲线直线型上凹型上凸型复合型 直线型 通过原点的直线 其方程为p f W KW加压过程中W随p成正比增加岩体岩
16、性均匀 结构面不发育或结构面分布均匀 岩体刚度大 不易变形 岩体较坚硬 完整 致密均匀 少裂隙 以弹性变形为主 接近于均质弹性体 岩体刚度低 易变形 由多组结构面切割且分布较均匀或岩性较软弱且均质或平行层面加压 有明显的塑性变形和回滞环 非弹性变形 陡直线型 缓直线型 上凹型 曲线方程为p f W dp dW随p增大而递增 dp dW 0层状及节理岩体多呈这类曲线 岩体刚度随循环次数增加而增大 弹性变形成分较大 多为垂直层面加压的较坚硬层状岩体 卸压曲线较陡 变形大部分为塑性变形 多为存在软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体或垂直层面加压的层状岩体 第二种情况 第一种情况 上凸型 曲线方程为p f W dp dW随p增加而递减 d2p dW2 0 结构面发育且有泥质充填的岩体 较深处埋藏有软弱夹层或岩性软弱的岩体常呈这类曲线 复合型 p W曲线呈阶梯或 S 型 结构面发育不均或岩性不均匀的岩体 常呈此类曲线 2 剪切变形曲线 峰值前曲线平均斜率小 破坏位移大 峰值后应力降很小或不变 多为沿软弱结构面剪切 峰值前曲线平均斜率较大 峰值强度较高 峰值后应力降较大 多为沿粗糙结构面 软弱岩体及剧风化
