岩体结构及其完整性课件.ppt

第2章岩体结构及其完整性,引言,结构面结构面切割成的结构体,岩体,岩体结构是研究岩体力学的基础,岩体结构,控制岩体的变形、破坏等力学效应,岩体结构分类、结构面特征、岩体结构现场调查方法及岩体完整性,工程应用,2.1 岩体结构分类,2.1.1 岩体结构（1）结构面定义：岩体内开裂的和易开裂的地质界面，如节理、层理、劈理、裂隙、断层等等。结构面的作用与其规模和形态有关。特点：横向延展表现出面的几何特性；物质分异面或不连续面；常具有一定厚度，充有一定物质（例如：节理由两个面及面间的水或气组成；断层及层间错动是由上下盘两个面及其间充填的断层泥和水构成的实体组成）；变形机理是两面闭合或滑移；破坏机理是沿面滑动或追踪开裂。,结构面分级及其特征,*软弱结构面是指结构面内夹有软弱物质的，而无充填者为坚硬结构面,规模：按规模分有五级二类。,2.1.1 岩体结构,（2）结构体定义：由结构面切割而成的岩块，与结构面相互依存。其形状和尺寸取决于结构面的形态、组数、产状。结构体的典型状态：,柱状,板状,锥形,结构体,分类：块状结构体，包括柱状、楔锥状结构体，各向尺寸接近相等，力学表现以压碎、滚动、滑动为主；板状结构体，板的厚度与延展长度（或宽度）比小于1：15，力学表现主要为弯曲变形和溃折破坏。结构体块度：可以用1立方米岩体内含有的结构体数表示，也可以用单个结构体尺寸表示。结构体产状：以结构体表面上最大结构面的长轴方向的产状说明。,2.1.1 岩体结构,（3）岩体结构组成定义：不同类型的岩体结构单元在岩体内组合和排列形式（孙广忠，1988）。,岩体结构三要素,2.1.2 岩体结构分类,根据结构面和结构体组合情况，可分为四大类七亚类,岩体结构类型,整体结构,岩性：单一且构造变形轻微的巨厚层沉积岩、变质岩和火成岩体；结构面发育情况：不发育，延展性差，组数一般不超过2组；结构面强度：结构面摩擦系数tan0.6，结构体间结合力强；完整性：岩体呈完整或基本完整状态，结构面间距dp1.0m;水的影响：地下水作用不明显，渗流对岩体特性影响不大；工程特性：整体结构的岩体，其变形、破坏与工程作用有关；在深埋或高地应力区的坚硬岩层中开挖，引起应力释放，可能导致岩爆，而且一般沿裂隙端部产生；较坚硬岩层中可能产生微弱的塑性变形。,块状结构,岩性：单一或由强度相近的岩层共同组成的构造变形轻微的中厚层沉积岩、变质岩和火成岩体；结构面发育情况：以IV、V结构面为主，将岩体切割成岩块集合；结构面强度：岩块之间结合力强，一般tan0.40.6；完整性：结构面间距dp0.51.0m;水的影响：地下水作用主要表现为使较坚硬岩石软化；工程特性：微小压缩变形，可能出现剪切滑移；可能出现块体滑移，稳定性分析是要注意结构面的特性及组合，尤其是II、III及结构面的存在；在深埋或地震危险区条件下开挖，由于隐型微裂隙存在，可能出现岩爆；有一定自稳能力，可局部出现不稳定块体，产生超挖。塌方和崩塌现象。,层状结构,岩性：单一或不同性质的岩层互层，有的还有极薄的软弱夹层；结构面发育情况：以III、IV级结构面（层理、片理、节理）为主，延展性较好，一般有23组结构面，层面居多；结构面强度：层间结合力较差，tan0.30.5；水的影响：要注意地下水渗透压力所引起的问题，地下水的软化、泥化作用明显；工程特性：岩体变形受岩层组合和结构面控制；在缓倾斜和陡立岩层中，拱顶和边墙可出现弯曲拗折现象；软弱面特别是软弱夹层面的抗剪强度控制岩体的前切滑移破坏；稳定性分析是要注意岩层的组合、层面特性及其结合力、岩层产状，尤其是软弱夹层、层间错动的存在和II、III及结构面的组合情况。,薄层状结构,岩性：岩层组合复杂；结构面发育情况：薄层为主，层理、片理显著发育；结构面强度：多为泥膜、碎屑和泥土充填，tan0.3左右；完整性：结构面平均间距dp30cm；水的影响：引起岩层软化、泥化及结构面失稳；工程特性：在压应力作用下表现出压缩、挤出和膨胀现象；此类岩体中的峒室顶板和边墙易产生拗折；结构面的抗剪强度及薄板结构体强度控制岩体的前切滑移破坏。,镶嵌碎裂结构,岩性：单一，岩质坚硬；结构面发育情况：IV、V级结构面密度大、组数多，结构面延展性差；结构面强度：粗造、闭合、无充填物（或夹少量碎屑），岩块棱角明显，彼此镶嵌咬合，结构面上tan0.40.6；水的影响：地下水渗透性变化大；工程特性：岩体变形、破坏过程中，结构体的镶嵌咬合力起决定作用。,层状碎裂结构,岩性：复杂多变，软硬相间明显；结构面发育情况：存在一组近似平行的软弱破碎带（I、II级结构面）与完整程度相对良好的岩层（骨架岩层）相间存在；结构面强度：结构面上tan0.20.4；水的影响：地下水的软化、泥化作用明显；工程特性：软弱破碎带往往导致岩体坍塌、滑移。,（夹泥）碎裂结构,岩性：复杂多变，组合不一；结构面发育情况：多级结构面发育，结构体的大小和形态均不相同；结构面强度：被软弱物质充填，结构面上tan0.2；水的影响：地下水作用明显；工程特性：岩体整体强度很低，塑性大，变形具有明显的时间效应；此类岩体中开挖工程，易发生坍落、滑移、片帮、侧向挤出和底臌等现象。,散体结构,岩性：复杂，呈松散状态；结构面发育情况：有的为块夹泥，有的泥夹块；结构面强度：岩体的tan0.2；水的影响：地下水作用强烈，可引起泥化、软化、崩解、膨胀，甚至化学反应；工程特性：此类岩体具有明显的塑性或流变特征，变形破坏严重，持续时间长，应予以特别关注。,2.2 结构面的表观,引子：结构面的形态有闭合度、粗糙度、贯通性等，统称为结构面的表观性质。2.2.1 结构面的闭合度、粗糙度、贯通性和结合性（1）闭合度定义：又称张开度，是指结构面两侧岩壁的垂直分离距离，其空隙由空气或水充填，它与被充填的结构面厚度是不同的。,闭合度,对岩体影响：闭合度的大小对结构面抗剪强度、结构面和岩体的渗透性有很大影响。分级：为便于野外定性鉴别，凡闭合度大于3mm的认为是张开的，小于0.1mm已不易肉眼判别，因此将闭合度分为三档：闭合度 张开宽度（mm）闭合 3.0现场鉴别时，应注意描述缝隙两侧岩壁的性质的变化，有无充填物，胶结状况及赋水状况。,粗糙度,定义：结构面相对于平均面的固有表面不平整度和波纹度，也称起伏差。对岩体的影响：结构面的粗造度是决定结构面结合好坏及其力学性质的重要因素。分类：中等规模（几米）结构面的粗造度按形态分有三种：台阶形、波浪形和平面形。每种按程度分为三级：粗糙的、平坦的和光滑的。形成九类。不同粗糙度结构面抗剪强度存在如下关系：同种形态的粗糙程度打者强度高如：I II III，IV V VI，VII VIII IX相同粗糙程度的强度由台阶形到平坦形到平面形依次降低如：I IV VII，II V VIII，III IX，VI IX。但不能理解我由I到IX依次递减。,粗糙度分类,I 粗糙台阶形 II 平坦台阶形 III 表面光滑台阶形 IV 粗糙波浪形V 平坦VI 表面光滑VII 粗糙平面形VIII 平坦IX 表面光滑,台阶形的,波浪形的,平面形的,粗糙的,平坦的,表面光滑的,粗糙的,平坦的,表面光滑的,粗糙的,平坦的,表面光滑的,粗糙度,测定方法：选择典型的结构面或可能发生剪切破坏面，根据每个平面的尺寸和滑动方向确定测试方向X；将长钢尺沿X方向放在结构面上，选定测量间隔X（一般取5cm）将每个测量间隔初作为测点（如遇小台阶就以突变处为测点），用深度游标卡尺测量直尺到结构面表面的垂直距离Yi，则结构面的粗糙度就用Y表示,贯通性,定义：是指结构面在某一方向延伸并对工程所在地段岩体有影响的长度，即贯穿工程部位的程度。一般通过观测露头上结构面的迹线长度来度量（与区域地质调查中对结构面规模的划分不同）。分类：从工程应用角度出发，分为全贯通、半贯通和微贯通。对岩体的影响：随贯通程度不同而异。全贯通结构面多为规模较大的构造断裂或软弱层面，对工程岩体变形、破坏类型和规模起控制作用；微贯通结构面使岩体强度降低，变形加大，相对来说对工程岩体影响小。,结合性,定义：是岩体结构面形态、坚固程度的综合表现，取决于结构面的闭合度、粗糙度、贯通性、充填物的性质和厚度等因素。分类：若结构面闭合、干净且无充填物，结构面粗糙，结构体之间刚性接触，则结合性好，结构面抗剪强度高；相反，结构面贯通性好且多为张开的，结构面中为岩屑、岩粉、泥质物所充填，则结构面结合性差，抗剪强度低。影响因素：结构面充填物成分和胶结性的影响显著。例：某坝址的细砂岩中结构面为硅质胶结时，湿抗压强度为152.8MPa；为钙质胶结时，降至65.5MPa；为泥质胶结时，仅为38.8MPa。,2.2.2 结构面的分布特性,结构面的非确定性：同一级别的结构面，其空间分布特征如产状、形态、规模、密度和张开度等，表现出随机性。研究方法：认识结构面参数分布性，探讨用概率法描述和建立数学模型。（1）结构面间距分布特征结构面间距：是指相邻结构面间的垂直距离，以同组结构面的平均间距表示。分布特征：不是一个确定值，服从某种统计规律。例：武钢程潮铁矿-220m水平50多条进路的矿岩结构面调查，得其概率密度分布函数为x结构面间距；s结构面平均密度。,2.2.2 结构面的分布特性,（2）结构面间距分布特征结构面产状：走向、倾向、倾角。随机性显著。例：潘别桐、井兰如对某地结晶岩体中北西构造区V级结构面得产状分布直方图和密度分布函数曲线。,2.2.2 结构面的分布特性,（3）结构面迹长分布特征结构面间距：是指结构面与露头的交线长度，在一定程度上表征结构面规模。统计方法：测线测量法和统计窗法。例：武钢程潮铁矿-220m水平1#至10#采场的结构面迹长分布特征为负指数分布。,2.3 岩体结构的现场调查法,2.2.1 调查种类和内容调查种类定性的：岩体结构的定性描述是工程岩体稳定性分析的基础。定量的：测取定量数据往往是为了进一步认识结构特征。调查内容：岩石种类、层位关系、岩石的风化程度；结构面产状、组数、间距、粗糙度、闭合度、贯通性及结构面类型等；结构面充填物、胶结物的性质和成分、充填物厚度；区域地质构造运动的层次；主要软弱结构面与地下岩石工程轴线的关系；调查地点的地下水赋存情况、水量、水压等等。注意事项：调查计划、测点布置，数据处理。,2.3.2 结构面产状的测取,常用方法：地质罗盘和经纬仪。前者在测倾角时，要使测试方向与走向垂直，后者用于有磁场的场合，如磁铁矿。经纬仪测量法仪器和工具：经纬仪、刻度盘、照明灯具。刻度盘由罗盘改成，用刚度较大的指针代替磁针并在指针端部和刻盘中心焊8cm竖直铁丝。测量原理：A点放置经纬仪，B点放置刻度盘；经纬仪调平，使零度方向与巷道中心线重合；将经纬仪对准结构面J，打开刻度盘，小镜一面紧贴结构面上，刻度盘0-180度线（OB线）垂直于走向；调平刻度盘并移动指针，使中心铁丝和经纬仪中的十字竖线重合，此时指针读数为罗盘角，经纬仪读数为（经纬角）；就是结构面相对于巷道中心线倾向线方向。利用经纬仪事先测的巷道中心线方向，即可求取结构面的真正倾向。,经纬仪测量法,结果分析：走向：不论结构面和经纬仪处于什么位置，走向可由下式获得：罗盘角；经纬角。倾向：（），与走向垂直，需参考巷道轴线方位及结构面倾向的关系确定。例：300，160，巷道轴线方向NS，结构面倾向大致NW，求倾向和走向。解：根据倾向处在NW，则倾角为走向为，即N50E。,2.3.3 结构面调查结果应用,（1）确定优势结构面优势结构面：同在岩体中有多组结构面情况下，只有以组（或二组）主要结构面才对岩体的力学效应起作用。确定方法：赤平投影法，作结构面极射投影，绘制等密度图，寻找优势结构面。例：武钢程潮铁矿-220m9#采区可以看出优势结构面有四组：其中2和4组结构面倾角陡且与进路轴线夹角小于30度，影响较大。,2.3.3 结构面调查结果应用,（2）估算岩石的RQD指标RQD指标：长度在10cm（含10cm）以上的岩芯累计长度占钻孔总长的百分比，称为岩石质量指标RQD，反映岩体完整程度的指标。估算方法：Priest和Huston（1976），节理密度s与RQD间的关系：当s616条/m时，有（3）工程岩体分级的基础已有的岩体分级方法和工程岩体分级标准，都依赖于现场调查。现场调查结果可用于：认识结构体形态、结构面类型、成因、展布规律以及它们与岩石工程的关系,2.3.3 结构面调查结果应用,（4）建立结构面空间分布模型结构面空间分布：客观上是随机的，露头调查是有限的。蒙特卡洛模拟法：根据现场测得的结构面几何参数分布函数，建立概率模型的随机函数，然后通过抽样计算出参数的统计特性，并给出近似值。例：潘别桐、井兰如对墩子石地区花岗岩闪长石结构面进行了模拟。,模拟结构面网络图1:579,实测结构面网络图1:1000,2.3.3 结构面调查结果应用,（5）表示岩体结构的各向异性测线上某一组结构面密度si的计算：1；1 结构面法线 与正北夹角；测线方向 与正北夹角；i 结构面在法 线方向上密度。,表示岩体结构的各向异性,当有几组结构面时，沿某一方向的结构面密度s为i第i组结构面法线与待求密度测线间夹角。因此，结构面密度随测线方向变化。研究表明，在二维情况下，必存在一个最大密度方向和一个最小密度方向，则结构面引起的各向异性可由此合理确定工程中锚杆布置和排水孔方位。例：巷道工程沿方向max布置时，锚杆间距应比工程沿min方向布置时适当减小。,2.4 岩体的完整性,岩体完整性：岩体结构的综合反映，取决于结构面切割程度、结构体大小以及块体间结合状态等因素，是岩体工程中采用的概括性指标。评价方法：定性和定量。2.4.1 岩体完整性的定量指标常用定量指标 完整性系数Kv；岩体体积节理系数Jv；岩体质量指标RQD；节理平均间距dp；岩块尺寸指标BSD；岩体与岩块静动弹模比等。从不同测面、不同程度上反映岩体完整性。,2.4.1 岩体完整性的定量指标,（1）完整性系数岩体中声波波速Vpm：与岩石成分、结构面发育程度、结构面性状、充填物性质、含水状态等因素有关。岩石中声波波速Vpr：反映近似完整岩石的物理性质。通常，Vpr Vpm，因此对同种岩石有下列关系Kv完整性系数，又称龟裂系数。测试方法：单孔法或双孔法。在孔中置入声波发射（接受）探头，由声波仪读数。,2.4.1 岩体完整性的定量指标,（2）岩体体积节理数岩体体积节理数Jv：单位岩体内所含的节理（结构面）条数。测量方法：在岩体露头上设测线统计不同组结构面数目。测线510m。注意事项：除成组结构面外，对延伸长度1m的分散节理也要统计，但对已为硅质、铁质、钙质充填再胶结的结构面不统计。应用：国际岩石力学学会建议可根据Jv的大小描述岩块,2.4.1 岩体完整性的定量指标,（3）岩体质量指标岩体质量指标RQD：是岩体结构面密度、结构面蚀变程度和充填物性质的综合指标。国外使用较多，美国人迪尔（D.U.Deere）的定义Lp10cm的岩芯累计长度；L钻孔总长。测量方法：采用小口径的钻头（直径17/8英寸的金刚石钻头），双层岩芯管钻进。注意事项：考虑我国钻具现状，测定时要用修正的金刚石钻头（直径54.1cm）钻取长度大于10cm岩芯。,2.4.1 岩体完整性的定量指标,（4）块体尺寸指标块体质量指标BSD：我国能源部成都勘测设计院对岩块块度三维空间的测量统计分析，提出了用块体尺寸指标BSD表示块度l1，l2，l310cm的岩块长度；L1，L2，L3测线长度。测量方法：与岩体体积节理数Jv相似。BSD是无量纲的，目前使用较少。,2.4.2 岩体完整性指标间的相关性,挪威帕尔姆斯特拉姆（A.Palmstrpom，1975）通过对非粘性岩体的RQD与Jv关系的研究，给出了关系曲线和经验公式我国能源部成都勘测设计研究院的研究成果得出BSD与Jv、Kv及dp均有较好相关性这些相关性为工程应用时选择评价指标、实现评价岩体完整性的一致性和可比性打下基础。,2.4.2 岩体完整性指标间的相关性,我国铁道部科研院西南所对10多座隧道的岩体Kv与Jv的统计分析，得到的曲线和回归公式进一步区间分析：,2.4 软弱结构面性质,软弱结构面：是指岩体中的断层、层间错动面软夹层等地质界面。特点：延展性长，质地松软（或破碎）。2.4.1 断层的一般特征地质力学观点分类（李四光）压性断层、张性断层、扭性断层、压扭性断层、张扭性断层；相关概念断层规模和性质：断层带宽度、断距以及断层中充填物。断层带：由断层破碎带和断层影响带组成。断层破碎带：破碎带中粗碎岩屑称为断层角砾，细粒部分为糜棱岩，风化后为断层泥。破碎带宽度大小及变化与断层成因类型、地应力条件及岩性密切相关。,2.4.1断层的一般特征,断层影响带：是指靠近断层破碎带上、下盘岩体中的一部分，在断层错动作用下，产生节理发育的压碎带，其厚度可由几十厘米到几十米。断层影响带宽度与岩性关系极大。在坚硬岩体中较宽，灰岩、页岩、板岩、大理岩等软岩体中则较窄；也与力学成因有关，扭性断层宽度小，压性断层最宽。断层带空间分布特征：一般断层面弯曲起伏；断层带厚度变化与力学成因有关。压性：透镜体或扁豆状，厚薄变化大扭性：厚度变化小，多呈舒展渐变张性：厚度多变，甚至出现尖灭。,2.4.2 软夹层的性质,软夹层：是指存在于相对坚硬岩层中的强度很低的薄层。特点：厚度薄，产状与上下岩层基本一致。分类（依成因）：原生软夹层（粘土夹层、页岩夹层、泥灰岩夹层）次生软夹层（泥化夹层）（1）软夹层工程地质划分（根据岩性）软岩夹层：粘土岩、泥灰岩、薄层煤、石膏层等，2231，变形模量2.0*103MPa；破碎夹层：夹层为碎屑和岩块，粒径大于2mm，2430，变形模量（0.21.0）*103MPa；由粗、细碎屑组成的，1742，变形模量（0.050.2）*103MPa；泥化夹层：高岭土、伊利石、蒙托石，性质变化大，易受水影响，塑性和流变性明显，8.517，变形模量0.05*103MPa；,2.4.2 软夹层的性质,（2）软夹层力学性质取决于夹层的物质成分、夹层厚度及夹层面的起伏差等。夹层物质成分：随粘土含量增加，抗剪强度降低；随碎屑成分增加和颗粒增大，强度增加。夹层厚度：随厚度增加，强度迅速降低，但有限度。,2.4.2 软夹层的性质,夹层面起伏差：夹层厚度小于层面起伏差，夹层强度愈高；反之，夹层厚度大于起伏差，强度降低。此外，夹层力学性质还要受夹层结构特征（如软硬互层）和地下水的影响。,