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1、地壳岩体结构特征的 工程地质分析,本章学习内容和要求,掌握岩体、岩体结构、结构面、结构体的基本概念，建造和改造在岩体结构形成中的作用，研究岩体结构的意义； 掌握结构面的成因类型，了解其主要特征，岩体结构分类和岩体质量分类的代表性方案； 了解岩体原生结构特征的成因及特征，岩体结构的岩相分析方法； 了解岩体结构特征的改造以及岩体构造结构特征的地质力学分析方法； 掌握结构面统计调查的路线精测法及其资料校正方法，岩体结构特征定量化研究的程序，了解岩体结构统计分析的意义及作用。,本章学习重点和难点,本章重点： （1）岩体结构的概念，岩体结构的形成及演化规律； （2）岩体结构类型划分及其研究意义、岩体结构
2、类型的实用价值； （3）岩体结构的统计方法路线精测法。 本章难点： （1）结构面成因类型的空间分布特征，岩体结构分类； （2）岩体结构介质模型应用。按介质的连续性特征，不同的力学理论适用于不同的岩体结构介质。,岩体（rock mass）：通常指地质体中与工程建设有关的那一部分岩石，它处于一定的应力状态、被各种结构面所分割。岩体具有一定的结构特征，它由岩体中含有的不同类型的结构面及其在空间的分布和组合状况所确定。 结构面（structural plane）：是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸（或具有一定厚度）的地质界面（或带）。如岩层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。由于这
3、种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面（discontinuities）。 结构体（structural body）：结构面在空间的分布和组合将岩体切割成形状、大小不同的块体，称结构体。,1.1 基本概念及研究意义,1.1 基本概念及研究意义,岩体结构特征的形成 岩体结构特征是在漫长的地质历史发展过程中形成的，是建造与改造两者综合作用的产物。 它以特定的建造（如沉积岩建造、火成岩建造和变质岩建造）为其物质基础。建造确定了岩体的原生结构特征；而岩体经历的不同时期、不同程度的构造作用改造以及浅、表生作用（如风化、卸荷、地下水作用等，主要是地壳浅、表部岩体）改造，使岩体结构趋于复杂化。,1.1 基
4、本概念及研究意义,岩体的天然应力状态十分复杂，与构造应力场、岩体的结构特征及所处的地貌部位等因素相关。 将“岩体”广泛运用到工程地质学研究当中，也不过才几十年，但它代表一个极为重要的发展阶段。 之前评价岩体（岩石材料性质）之后评价岩体（岩体结构特征、岩体的力学属性、岩体的变形破坏机制与过程等）,1.1 基本概念及研究意义,工程地质之所以要将岩体的结构特征作为重要研究对象，意义如下： （1）岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。只有掌握岩体的结构特征，才有可能阐明岩体在不同荷载下内部的应力分布和应力分异状况。,1.1 基本概念及研究意义,（
5、2）岩体的结构特征对岩体在一定荷载条件下的变形破坏方式和强度特征起着重要的控制作用。岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定性的控制面。,1.1 基本概念及研究意义,坝基岩体由泥盆纪砂岩、板岩组成，地层中夹有一层由层间错动和地下水的活动造成的板岩泥化夹层，倾角一般小于10。，其内摩擦系数f0.24 0.30(内摩擦角 14。 17。) ，抗剪强度低,上犹江电站坝基内板岩泥化夹层,例如在岩石坝基的深部滑动抗滑稳定性分析中，有些结构面为切割面(包括横向切割面和侧向切割面,详见第十一章P445)，而有些成为滑移控制面。,1.1 基本概念及研究意义,结构面影响地下洞室围岩的稳定,结构面影响边坡岩体的稳
6、定性,1.1 基本概念及研究意义,（3）靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确定了外营力对岩体的改造进程。这是由于结构面往往是风化、地下水等各种外营力较活跃的部位，也常常是这些营力的改造作用能深入岩体内部的重要通道，往往发展为重要的控制面。,坚硬岩石组成的斜坡前缘卸荷裂隙导致崩塌示意图 灰岩；砂页岩互层；石英岩,软硬岩性互层的陡坡局部崩塌示意图 1砂岩；2页岩,1.1 基本概念及研究意义,此外，对岩体结构特征的研究还可以推广于宏观地质体，应用于区域构造稳定性评价。宏观地质体中的莫霍面、构造层的分界面、区域性大断层等相当于地质体中的巨型结构面。,1.1 基本概念及研究意义,总之，对岩体结构特征
7、的研究，是分析评价区域稳定性和岩体稳定性的重要依据。 研究结构面最关键的是研究各类结构面的分布规律、发育密度、表面特征、连续特征以及它们的空间组合形式等。,1.1 基本概念及研究意义,1.2.1 结构面的主要类型及特征 结构面的成因分类（最基本的分类方法）：原生结构面、构造结构面及浅、表生结构面。其主要特征及工程地质评价详见表1-1。,沉积结构面：层理，层面，软弱夹层，不整合面，假整合面，古冲刷面等。 火成结构面：侵入体与围岩接触面，岩脉、岩墙接触面，喷出岩的流线、流面，冷凝节理面等。 变质结构面：片理，片麻理，板劈理，片岩软弱夹层等。,原生结构面,1.2 岩体结构特征及主要类型,1.2 岩体
8、结构特征及主要类型,节理（X型节理，张节理） 断层（正断层，逆断层，走滑断层） 层间错动带，羽状裂隙，破劈理,构造结构面,浅表生结构面,浅部结构面,表部结构面,卸荷断裂 重力扩展变形破裂 卸荷裂隙 风化裂隙 风化夹层 泥化夹层 次生夹泥,1.2 岩体结构特征及主要类型,1.2 岩体结构特征及主要类型,续表1-1,1.2 岩体结构特征及主要类型,结构面规模等级划分： 按其对岩体力学行为所起控制作用，可划分为三个等级，即贯通性宏观软弱面（A类）、显现结构面（B类）和隐微结构面（C类）。,1.2 岩体结构特征及主要类型,按岩体结构面规模及其力学效应：将结构面分为5级（孙广忠）。,1.2 岩体结构特征
9、及主要类型,表6-2 结构面分级及其特征（据孙广忠，1988）,1.2.2 岩体分类 分类方案多，可归结为岩体结构分类和岩体工程应用分类两种分类系统，发展趋势是：力图使分类指标定量化。 岩体结构分类 岩体结构是建造和改造这两方面的综合产物，岩体结构类型划分也必须从这两方面综合考虑。 按建造特征可将岩体划分为块体状（或整体状）结构、块状结构、层状结构、碎块状结构和散体状结构等类型。,1.2 岩体结构特征及主要类型,块体状结构：代表岩性均一、无软弱面的岩体，含有的原生结构面具有较强的结合力，间距大于1m。通常出现在厚层的碳酸盐岩、碎屑岩；花岗岩、闪长岩；原生节理不太发育的流纹岩、安山岩、玄武岩、凝
10、灰角砾岩中。 块状结构：代表岩性较均一、含有23组较发育的软弱结构面的岩体，结构面间距10.5m。成岩裂隙较发育的厚层砂岩或泥岩，槽状冲刷面发育的河流相砂岩体等沉积岩，原生节理较发育的火山岩体等。,1.2 岩体结构特征及主要类型,层状结构：代表含有一组连续性好，抗剪性能显著较低的软弱面的岩体，一般岩性不均一。可进一步分为层状（软弱面间距5030cm）、薄层状（间距小于30cm）。还可以据岩性不均一程度划分出软硬相间的互层状结构。 碎块状结构：代表含有多组密集结构面的岩体，岩体被分割成碎块状，以某些动力变质岩为典型，如溪洛渡泡灰岩。 另外，按岩体改造的程度可划分为完整的、块裂化或板裂化、碎裂化和
11、散体化等四个等级。 岩体结构分类已被广泛采用，划分依据和各结构类型岩体的主要特征如图1-4。,1.2 岩体结构特征及主要类型,块裂,1.2 岩体结构特征及主要类型,1.2 岩体结构特征及主要类型,岩体的工程应用分类 工程应用分类是以岩体稳定性或岩体质量评价为基础的分类，为综合性分类。目前主要考虑三方面因素的指标：即与岩石工程性质有关的指标（力学性质）、岩体后期改造有关的指标(岩体结构)和岩体赋存条件方面的指标（地下水或地应力等） (表1-3) 。 通常有:宾尼亚斯基的RMR分类 （1973）; 巴顿的Q系统分类（1974）; 谷德振的岩体质量指标Z系统分类（1979）。 此种分类力图将类型与岩
12、体稳定性分析和定量评价以及对策设计等实际问题联系起来，因而受到地质和工程界的重视。（可详见工程地质勘察教材或其它文献）,1.2 岩体结构特征及主要类型,1.2 岩体结构特征及主要类型,分类标准的定量化岩体质量指标 20世纪70年代以来岩体分类中采用了“岩体质量指标”或“综合特征指标”来判别岩体性能的优劣，因而含有这类指标的分类又被称为岩体质量分级，如上所述的RMR、Q和Z系统。 分类中有了定量指标作为依据，更便于将作过详细勘探测试研究的场地的经验和成果应用于研究程度较差或处于勘测初级阶段的工地，从而达到简化和减少勘测程序和工作量的目的。 分类中的定量指标还可用于讨论不同分类方案之间的相关性。如
13、鲁弗里奇等根据新西兰多个工程的经验，对RMR、RSR和Q系统三者得出的如下关系式：,RMR=1.35lgQ+43 RSR=0.77RMR+12.4 RSR=13.3lgQ+46.5,1.2 岩体结构特征及主要类型,方法举例 RQD（Rock Quality Designation）分类 RQD值：用直径75mm金刚石钻头和双层岩芯管钻进，大于等于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度百分比。 岩土工程勘察规范GB50021-2001,1.2 岩体结构特征及主要类型,RMR（Rock Mass Rating）分类 Bieniawski（1973）提出，其分类系统由岩块强度、RQD值、节理间距、节理
14、条件及地下水5类参数组成。,1.2 岩体结构特征及主要类型,SMR（Slope Mass Rating）分类 Romana据自己和同行们的工程实践经验，引进不连续面边坡面产状关系、边坡破坏模式、边坡开挖方法等几个参数，提出了用于边坡的岩体质量评价方法SMR方法。 SMRRMR（F1F2F3）F4,1.2 岩体结构特征及主要类型,1.2 岩体结构特征及主要类型,巴顿岩体质量分类（Q系统） 巴顿（1974）等提出，其分类指标为： 式中：RQD岩石质量指标；Jn节理组系数；Jr节理粗糙度系数；Ja节理蚀变影响系数；Jw节理水折减系数；SRF应力折减系数。,1.2 岩体结构特征及主要类型,事实上，Q指
15、标可看成三个参数的函数： RQD/Jn粗略表示岩石块度，代表岩块尺寸，反映岩体结构的影响； Jr/Ja代表嵌合岩块间抗剪强度，反映节理壁或节理充填物的粗糙度和摩擦特性； Jw/SRF表示岩体中各种应力的存在对岩体质量的折减。,1.2 岩体结构特征及主要类型,岩体质量指标分类（RMQ） 简称M法，由我国水利水电部提出，其指标为： KR为岩石软化系数。,1.2 岩体结构特征及主要类型,1.3 岩体原生结构特征的岩相分析,岩相的横向变化引起岩性及厚度的变化，从而引起岩体的力学性质在横向上的差异性。因此，采用岩相分析的理论与方法，充分了解岩相变化可以更好地阐明其结构特征，为工程建设服务。以沉积岩建造和
16、变质岩建造为例。,1.3.1 河流相沉积岩岩体结构特征的岩相分析 河流沉积主要相模式及其工程地质特征 河流沉积建造大体上可归为三种相模式，即高弯度河流、低弯度河流、辫状（网状或游荡型）河流。其主要工程地质特征分别如下：,1.3 岩体原生结构特征的岩相分析,（1）高弯度河流沉积相模式 特点：河床坡降缓、弯度大、水流较深、流态较稳定、以单向环流为主的河流沉积模式。其三度空间结构形式如图1-5（a）。,1.3 岩体原生结构特征的岩相分析,岩体工程地质特征： a.岩体具层状或软硬相间互层状结构特征。 天然堤和洪泛相（合称顶部相）的泥岩、粉砂岩为这类岩体中分布稳定的软弱层。板状产出，分布广，厚几厘米数米。该层顶部有时可见呈扁豆体状分布的上一旋回的滞留砾岩，如果富含泥砾，为软弱夹层。但往往厚度薄、连续性差，分布范围小。 模式中砂岩体厚度与古河流水深相近（图1-5（b），厚度变化小。 这类河流近期的沉积物中，被上覆连续性好的粘土层封闭而固结度较差的饱水边滩相粉细砂层，在外荷载尤其是动荷载条件下，可出现
