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1、第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论3.1 概述概述3.2 岩体结构的物质基础岩体结构的物质基础3.2.1 岩石的成分与岩石的成分与结构构3.2.2 岩石的成岩岩石的成岩环境与岩相境与岩相变化化3.2.3 岩石的成岩石的成层条件及其厚度条件及其厚度变化化3.2.4 岩石岩石组合特征及其划分依据合特征及其划分依据3.2.5 岩石的物理力学性岩石的物理力学性质3.4 岩体结构的力学效应岩体结构的力学效应3.3 岩体结构岩体结构3.3.1 结构面的构面的类型及特征型及特征3.4.1 岩体变形机制岩体变形机制3.4.2 岩体破坏机制岩体破坏机制1基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论3.1
2、概述概述定定义：岩体是在地：岩体是在地质历史史时期形成的具有一定期形成的具有一定组分和分和结构构的地的地质体。将其作体。将其作为工程建工程建设的的对象象时，称，称为“工程岩体工程岩体”。 它它赋存于一定的地存于一定的地质环境中，并随着地境中，并随着地质环境的演化而不断境的演化而不断变化。化。 岩体岩体结构，反映岩体的本构，反映岩体的本质： 岩体岩体结构的不同，岩体构的不同，岩体物理力学性物理力学性质、工程、工程岩体岩体变性、破坏性、破坏的的难易程度易程度与与方式方式也不同；也不同； 岩体岩体结构构还控制了岩体的控制了岩体的水文地水文地质条件、条件、风化作用化作用； 岩体岩体结构不同，岩体构不同
3、，岩体稳定性的特征定性的特征完全不同。（完全不同。（组合角度）合角度）2基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论3.2 岩体结构的物质基础岩体结构的物质基础 物物质成分成分和和结构构是岩体的两个基本特性，是岩体的两个基本特性，岩体岩体结构构组成要素成要素有两个基本有两个基本单元：元：结构面构面和和结构体构体。 结构面构面是指岩体中力学是指岩体中力学强强度相度相对薄弱的部位，是岩体中的地薄弱的部位，是岩体中的地质界面（如界面（如层面、断裂、面、断裂、风化卸荷裂隙等）。化卸荷裂隙等）。 使岩体力学性能具有不使岩体力学性能具有不连续性、不均一性和各向异性。性、不均一性和各向异性。 它决定了岩体
4、的它决定了岩体的介介质特征和力学属性特征和力学属性； 结构面的存在，尤其是构面的存在，尤其是较弱弱结构面的存在，构面的存在，对岩体岩体变形破坏形破坏方式及岩体方式及岩体稳定性定性常常起常常起控制作用控制作用，常常成，常常成为切割面或滑切割面或滑动面；面； 结构面是表生作用的活构面是表生作用的活跃地地带，成，成为岩体次生演岩体次生演变的重要控的重要控制因素。制因素。3基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论 结构体构体是指由是指由结构面所切割成的岩石构面所切割成的岩石块体，即体，即岩岩块。 在岩体在岩体结构中，构中，结构面居主构面居主导地位，随着地位，随着结构面的构面的类型、型、发育程度、
5、形状与育程度、形状与组合情况不同，岩体合情况不同，岩体结构构类型迥然不同。型迥然不同。 工程地工程地质工作，首先要工作，首先要对地地层岩性岩性进行系行系统的研究，分析岩的研究，分析岩性岩相性岩相变化特征，并化特征，并进行岩体工程地行岩体工程地质分分类，即，即工程地工程地质岩岩组（粒（粒组）的划分）的划分。把工程地。把工程地质性性质相近的岩相近的岩层组合体划合体划归到一起，到一起，构成工程地构成工程地质评价的独立价的独立单元，即元，即工程地工程地质岩岩组。在。在进行工程地行工程地质岩岩组划分划分时，要，要特特变关注关注软弱、松弱、松软、破碎岩、破碎岩层，以便于在，以便于在进行工程地行工程地质综合
6、合评价价时，加以全面，加以全面论证和和重点分析重点分析。 岩石形成于漫岩石形成于漫长的地的地质历史史时期，要研究岩体的物期，要研究岩体的物质特征，特征，就要充分考就要充分考虑其形成的地其形成的地质环境境，如：，如：成岩作用、成岩成岩作用、成岩历史史与成与成岩后的岩后的次生次生变化化等。等。4基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论3.2.1 岩石的成分与岩石的成分与结构构 岩石的成分和岩石的成分和结构不同，是岩石工程地构不同，是岩石工程地质性性质差异的主要原差异的主要原因：因： 对碎屑岩碎屑岩类岩石，决定其工程地岩石，决定其工程地质性性质的主要是的主要是颗粒粒径、粒粒径、胶胶结物与胶物与
7、胶结程度、粘土程度、粘土矿物含量物含量等；等； 对碳酸碳酸盐岩，要特岩，要特变关注其关注其可溶性可溶性，而可溶性取决于其成，而可溶性取决于其成 分与分与组构，成分尤构，成分尤为重要；重要； 对岩岩浆岩，岩，应特特别重重视其其矿物成分与化学成分、粒径与物成分与化学成分、粒径与结晶性状晶性状。火山岩物。火山岩物质成分与成分与结构构变化很大，尤其化很大，尤其应对软硬相硬相间的的多多层结构构给予重点关注；予重点关注； 变质岩岩石系列千差万岩岩石系列千差万别，变质岩的成分、岩的成分、结构与构与变质程程度度有着十分密切的关系。有着十分密切的关系。矿物的集中和定向排列，往往成物的集中和定向排列，往往成为岩体
8、岩体的的软弱弱带。5基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论3.2.2 岩石的成岩岩石的成岩环境与岩相境与岩相变化化 岩石的成岩岩石的成岩环境与岩相境与岩相变化化，很大程度决定了岩石的均一，很大程度决定了岩石的均一性与各向异性：性与各向异性： 沉沉积岩成岩岩成岩环境复境复杂，形成，形成过程差程差别很大，由此决定岩性、很大，由此决定岩性、岩相岩相变化与化与层厚；厚； 岩岩浆岩成因岩成因类型同型同样复复杂，岩性岩相随之，岩性岩相随之变化。要特化。要特别注注意意岩岩浆分异分异及其及其岩性岩相分岩性岩相分带、岩脉的分布及其接触岩脉的分布及其接触带。 火山岩分布很广，成因火山岩分布很广，成因类型不
9、同，其岩性岩相型不同，其岩性岩相变化化显著，岩著，岩石石组合更合更为复复杂。海底。海底喷发的火山岩的火山岩类型，它往往与海底沉型，它往往与海底沉积岩岩交互交互产生，构成不利的岩石生，构成不利的岩石组合，形成合，形成较差的工程地差的工程地质条件；条件； 变质岩大多形成于高温高岩大多形成于高温高压下，其物下，其物质成分和成分和结构均构均发生生剧烈烈变化，往往化，往往产生生软弱的岩弱的岩层与岩与岩组，如千枚岩、，如千枚岩、绿泥石片岩、泥石片岩、石墨片岩等；石墨片岩等；6基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论3.2.3 岩石的成岩石的成层条件及其厚度条件及其厚度变化化 对沉沉积岩及岩及负变质岩
10、岩，岩石成，岩石成层特点直接关系到岩体介特点直接关系到岩体介质的的连续性与各向异性性与各向异性： 沉沉积岩，岩，应特特别重重视滨海及河湖相岩海及河湖相岩层，其厚度往往特，其厚度往往特别大。大。还要注意不整合面、岩要注意不整合面、岩层层面面强强度，尤其是度，尤其是软弱弱夹层，常是，常是工程地工程地质条件中的关条件中的关键因素之一；因素之一； 在在变质作用下，可形成明作用下，可形成明显的定向排列或的定向排列或层状状结构。由于构。由于构造作用，构造作用，还会会产生生层间错动。因而。因而变质岩成岩成层条件复条件复杂，单层厚度厚度变化明化明显； 岩岩浆岩的成岩的成层性不明性不明显，只是熔岩流表，只是熔岩
11、流表现出一定的成出一定的成层特特点。火山岩有点。火山岩有较好的成好的成层性。在火山岩中常性。在火山岩中常夹有碎屑岩，形成不有碎屑岩，形成不稳定的定的层状状结构。构。7基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论3.2.4 岩石岩石组合特征及其划分依据合特征及其划分依据 岩石岩石组合特征是研究岩体合特征是研究岩体结构物构物质特征的基特征的基础工作工作： 岩石岩石组合首先考合首先考虑岩石的岩石的软硬程度硬程度，其次是，其次是岩岩层的厚度的厚度，第三是岩体中第三是岩体中各各类夹层的的发育特征育特征； 每一岩每一岩组均有其一定的岩石均有其一定的岩石组合特征，具有合特征，具有相似的工程地相似的工程地质
12、特性特性。要。要结合工程区的具体情况，合工程区的具体情况，寻找其找其规律性；律性； 岩岩组划分不宜划分不宜过大大，否，否则，会掩盖岩体，会掩盖岩体强强度的薄弱度的薄弱环节。 岩岩组划分必划分必须建立在建立在建造的基建造的基础上。各种建造的地上。各种建造的地质体，体，在不同的大地构造在不同的大地构造单元中，差异性很大。元中，差异性很大。8基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论3.2.5 岩石的物理力学性岩石的物理力学性质 岩体可由一种岩石，亦可由多种岩石构成。岩石的物岩体可由一种岩石，亦可由多种岩石构成。岩石的物理力学性理力学性质对工程岩体的工程岩体的稳定性重要作用定性重要作用： 岩石或
13、岩体的物理力学性岩石或岩体的物理力学性质在很大程度上在很大程度上受控于其地受控于其地质属性属性； 岩石的岩石的物理力学性物理力学性质及其参数及其参数主要包括孔隙度或孔隙比、主要包括孔隙度或孔隙比、膨膨胀性、水理性性、水理性质、弹性参数、性参数、变形参数、抗形参数、抗压强强度、抗拉度、抗拉强强度、抗剪度、抗剪强强度等；度等； 从岩石和岩体工程地从岩石和岩体工程地质性所性所进行的工程分行的工程分类（或分（或分级）具有重要的工程具有重要的工程应用价用价值。9基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论3.3 岩体结构岩体结构 “岩体岩体结构构”：由：由结构面和构面和结构体共同构体共同组成的成的结构
14、形构形态，不同，不同类型的基本型的基本单元在岩体内元在岩体内组合、排列的形式。合、排列的形式。 岩体岩体结构受岩体中构受岩体中结构面的空构面的空间分布与分布与组合形式合形式控制。控制。 结构面构面为岩体中具有一定方位和厚度、两向延伸的岩体中具有一定方位和厚度、两向延伸的地地质界面界面，结构面分构面分为两大两大类： 物物质分异面分异面，如，如层面、片理面、面、片理面、软弱弱夹层、岩、岩浆侵入接触侵入接触面等；面等； 岩体中的不岩体中的不连续面面，如断，如断层、节理、理、风化与卸荷裂隙等。化与卸荷裂隙等。 结构体的构体的发育受育受结构面构面发育、排列与育、排列与组合的制合的制约。结构面往构面往往是
15、岩体往是岩体结构的控制因素。构的控制因素。10基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论3.3.1 结构面的构面的类型及特征型及特征1 1）结构面成因类型和特征）结构面成因类型和特征序序号号成因成因地质类型地质类型主要特征主要特征1沉积结构面沉积结构面层面，软弱夹层，沉积层面，软弱夹层，沉积间断面间断面产状与岩层一致，一般延续性较强，产状与岩层一致，一般延续性较强，易受构造及次生作用而恶化易受构造及次生作用而恶化2火成结构面火成结构面火成接触面，岩流层面，火成接触面，岩流层面，冷凝节理冷凝节理产状受岩浆岩形态控制，接触面一般产状受岩浆岩形态控制，接触面一般延伸远，原生节理则较短小，火成延伸
16、远，原生节理则较短小，火成岩岩流流间可有泥质物填充间可有泥质物填充3变质结构面变质结构面片理，软弱夹层片理，软弱夹层产状有区域性，延续一般较差，在深产状有区域性，延续一般较差，在深部一般闭合部一般闭合4构造结构面构造结构面劈理、节理、断层，层劈理、节理、断层，层间破碎夹层间破碎夹层产状和岩层产状有一定关系，特性和产状和岩层产状有一定关系，特性和力学成因关系密切力学成因关系密切5表生结构面表生结构面卸荷裂隙，风化裂隙，卸荷裂隙，风化裂隙，风化夹层，泥化夹层，风化夹层，泥化夹层，层面及裂隙夹泥层面及裂隙夹泥在地表部位发育，延续性不强，产状在地表部位发育，延续性不强，产状变化大，结构面常有泥质物充填
17、变化大，结构面常有泥质物充填11基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论2 2）结构面的力学类型和特征）结构面的力学类型和特征 按影响按影响结构面力学特性的主要因素，将构面力学特性的主要因素，将结构面划分以下四种力构面划分以下四种力学学类型：型：破裂破裂结构面构面岩体中无充填的岩体中无充填的节理、片理、劈理、片理、劈理等，它理等，它们在法在法向向应力作用下呈力作用下呈刚性接触，属硬性接触，属硬性性结构面。构面。这类结构的抗剪构的抗剪强强度度主要取决于主要取决于结构构面的几何特征。面的几何特征。12基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论 破碎破碎结构面构面 如断如断层破碎破碎带、风
18、化破碎化破碎带及及层间破碎破碎夹层等，可有不同程度的胶等，可有不同程度的胶结。13基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论 层状状结构面构面 岩体中成岩体中成层的不的不连续面，如面，如层面、面、层理及理及软弱弱夹层等。等。14基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论 泥化泥化结构面构面 为塑性泥塑性泥质组成的成的软弱弱结构面，如断构面，如断层泥、泥、层间错动泥化泥化夹层、裂隙、裂隙夹泥、泥、层面面夹泥。由于泥泥。由于泥质富集，富集，这类结构面易构面易变形，形，强强度低。度低。15基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论3.4 岩体结构的力学效应岩体结构的力学效应 岩体岩体结构
19、的力学效构的力学效应实质上就是探上就是探讨岩体岩体结构构对岩体力学行岩体力学行为与力学作用的影响与力学作用的影响。 大量大量实践与践与试验研究表明，岩体的研究表明，岩体的应力力传播、岩体的播、岩体的变形破形破坏以及岩体力学介坏以及岩体力学介质无不受控于岩体无不受控于岩体结构。构。 必必须划分划分软弱弱结构面构面与与硬性硬性结构面构面。软弱弱结构面是岩体构面是岩体变形形破坏的重要破坏的重要控制因素或控制因素或边界界；硬性；硬性结构面是划分岩体构面是划分岩体结构、构、鉴别岩体力学介岩体力学介质类型的重要依据。型的重要依据。 “软弱弱结构面构面”是力学是力学强强度明度明显低于低于围岩，一般岩，一般充
20、填有一定充填有一定厚度厚度软弱物弱物质的的结构面构面。如泥化、。如泥化、软化、破碎薄化、破碎薄夹层等。等。软弱弱结构面是岩体中最容易构面是岩体中最容易产生生变形和破坏的部位。它常常成形和破坏的部位。它常常成为危危险的的切割面、滑移面或构成有害的切割面、滑移面或构成有害的压缩变形形带，导致岩体致岩体产生不允生不允许的的变形或失形或失稳。16基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论3.4.1 岩体变形机制岩体变形机制 指岩体指岩体变形的力学形的力学过程。程。 如，岩如，岩块压缩变形是岩形是岩块在全在全围压下体下体积缩小；岩小；岩块形状改形状改变、岩、岩块沿沿结构面滑构面滑动和和结构体构体滚动
21、是在剪是在剪应力作用下力作用下产生的；生的；板裂板裂结构体横向弯曲构体横向弯曲变形是在力矩作用下形是在力矩作用下产生的等。生的等。 岩体岩体变形可分形可分为材料材料变形形型与型与结构构变形形型两型两类。 材料材料变形形可可细分分为结构体构体弹性性变形形、结构体粘性构体粘性变形形、结构构面面闭合合变形形和和结构面构面错动变形形。 结构构变形形可可细分分为结构体构体滚动变形形、板裂体板裂体结构构变形形、结构构面滑面滑动变形形、软弱弱夹层压缩和和挤出出变形形。17基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论 岩体岩体变形不形不仅与与受力状受力状态（外因）（外因）密切相关，而且受密切相关，而且受岩体
22、岩体结构（内因）构（内因）控制。控制。 不同不同结构的岩体构的岩体变形不同：形不同： 块裂裂结构岩体构岩体最主要的最主要的变形是形是沿沿结构面滑构面滑动； 完整完整结构岩体构岩体的的变形，主要是岩石形，主要是岩石材料材料变形形及微裂隙及微裂隙闭合和合和少量的少量的错动变形形； 板裂板裂结构岩体构岩体的的变形主要是形主要是结构构变形形，包括板柱横向弯曲和，包括板柱横向弯曲和纵向向缩短；短； 碎裂碎裂结构构岩体岩体变形更形更为复复杂，几乎包括所有的，几乎包括所有的变形成分。形成分。18基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论3.4.2 岩体破坏机制岩体破坏机制 岩体的破坏机制受控于岩体的破坏
23、机制受控于结构。构。结构控制的主要方面有：岩体构控制的主要方面有：岩体破坏的破坏的难易程度、岩体破坏的易程度、岩体破坏的规模、岩体破坏的模、岩体破坏的过程、岩体破坏程、岩体破坏的主要方式。的主要方式。整块体结构整块体结构岩体岩体块裂结块裂结构岩体构岩体碎屑结构岩体碎屑结构岩体散体结构岩体散体结构岩体张破裂张破裂剪破坏剪破坏流动变形流动变形结构体结构体沿结构沿结构面滑动面滑动结构体破裂；结构体破裂；结构体剪破裂；结构体剪破裂；结构体流动变形；结构体流动变形；结构体沿结构面滑动；结构体沿结构面滑动；结构体滚动；结构体滚动；结构体组合体倾倒；结构体组合体倾倒；结构体组合体溃屈结构体组合体溃屈剪破坏剪破坏流动变形流动变形岩体破坏机制类型岩体破坏机制类型19基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论20基础教学第三章第三章 岩体岩体结构控制构控制论21基础教学
