03岩体结构控制论

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1、第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论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结构构3.2.2 岩石的成岩岩石的成岩环环境与岩相境与岩相变变化化3.2.3 岩石的成岩石的成层层条件及其厚度条件及其厚度变变化化3.2.4 岩石岩石组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 结结构面的构面的类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第三章第三章 岩体岩体结结构控制构

2、控制论论3.1 概述概述定定义义：岩体是在地：岩体是在地质历质历史史时时期形成的具有一定期形成的具有一定组组分和分和结结构构的地的地质质体。将其作体。将其作为为工程建工程建设设的的对对象象时时，称，称为为“工程岩体工程岩体”。它它赋赋存于一定的地存于一定的地质环质环境中，并随着地境中，并随着地质环质环境的演化而不断境的演化而不断变变化。化。岩体岩体结结构，反映岩体的本构，反映岩体的本质质：岩体岩体结结构的不同，岩体构的不同，岩体物理力学性物理力学性质质、工程、工程岩体岩体变变性、破坏性、破坏的的难难易程度易程度与与方式方式也不同；也不同；岩体岩体结结构构还还控制了岩体的控制了岩体的水文地水文地

3、质质条件、条件、风风化作用化作用；岩体岩体结结构不同，岩体构不同，岩体稳稳定性的特征定性的特征完全不同。（完全不同。（组组合角度）合角度）第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论3.2 岩体结构的物质基础岩体结构的物质基础 物物质质成分成分和和结结构构是岩体的两个基本特性，是岩体的两个基本特性，岩体岩体结结构构组组成要素成要素有两个基本有两个基本单单元：元：结结构面构面和和结结构体构体。结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对薄弱的部位，是岩体中的地薄弱的部位，是岩体中的地质质界面（如界面（如层层面、断裂、面、断裂、风风化卸荷裂隙等）。化卸荷裂隙等）。使岩体力学性能具有不使岩

4、体力学性能具有不连续连续性、不均一性和各向异性。性、不均一性和各向异性。它决定了岩体的它决定了岩体的介介质质特征和力学属性特征和力学属性；结结构面的存在，尤其是构面的存在，尤其是较较弱弱结结构面的存在，构面的存在，对对岩体岩体变变形破坏形破坏方式及岩体方式及岩体稳稳定性定性常常起常常起控制作用控制作用，常常成，常常成为为切割面或滑切割面或滑动动面；面；结结构面是表生作用的活构面是表生作用的活跃跃地地带带，成，成为为岩体次生演岩体次生演变变的重要控的重要控制因素。制因素。第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论 结结构体构体是指由是指由结结构面所切割成的岩石构面所切割成的岩石块块体，即体，即岩

5、岩块块。在岩体在岩体结结构中，构中，结结构面居主构面居主导导地位，随着地位，随着结结构面的构面的类类型、型、发发育程度、形状与育程度、形状与组组合情况不同，岩体合情况不同，岩体结结构构类类型迥然不同。型迥然不同。工程地工程地质质工作，首先要工作，首先要对对地地层层岩性岩性进进行系行系统统的研究，分析岩的研究，分析岩性岩相性岩相变变化特征，并化特征，并进进行岩体工程地行岩体工程地质质分分类类，即，即工程地工程地质质岩岩组组（粒（粒组组）的划分）的划分。把工程地。把工程地质质性性质质相近的岩相近的岩层组层组合体划合体划归归到一起，到一起，构成工程地构成工程地质评质评价的独立价的独立单单元，即元，即

6、工程地工程地质质岩岩组组。在。在进进行工程地行工程地质质岩岩组组划分划分时时，要，要特特变变关注关注软软弱、松弱、松软软、破碎岩、破碎岩层层，以便于在，以便于在进进行工程地行工程地质综质综合合评评价价时时，加以全面，加以全面论证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长的地的地质历质历史史时时期，要研究岩体的物期，要研究岩体的物质质特征，特征，就要充分考就要充分考虑虑其形成的地其形成的地质环质环境境，如：，如：成岩作用、成岩成岩作用、成岩历历史史与成与成岩后的岩后的次生次生变变化化等。等。第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论3.2.1 岩石的成分与岩石的成分与结结构构 岩石的

7、成分和岩石的成分和结结构不同，是岩石工程地构不同，是岩石工程地质质性性质质差异的主要原差异的主要原因：因：对对碎屑岩碎屑岩类类岩石，决定其工程地岩石，决定其工程地质质性性质质的主要是的主要是颗颗粒粒径、粒粒径、胶胶结结物与胶物与胶结结程度、粘土程度、粘土矿矿物含量物含量等；等；对对碳酸碳酸盐盐岩，要特岩，要特变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 分与分与组组构，成分尤构，成分尤为为重要；重要；对对岩岩浆浆岩，岩，应应特特别别重重视视其其矿矿物成分与化学成分、粒径与物成分与化学成分、粒径与结结晶性状晶性状。火山岩物。火山岩物质质成分与成分与结结构构变变化很大，尤其

8、化很大，尤其应对软应对软硬相硬相间间的的多多层结层结构构给给予重点关注；予重点关注；变质变质岩岩石系列千差万岩岩石系列千差万别别，变质变质岩的成分、岩的成分、结结构与构与变质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，往往成为为岩体岩体的的软软弱弱带带。第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论3.2.2 岩石的成岩岩石的成岩环环境与岩相境与岩相变变化化 岩石的成岩岩石的成岩环环境与岩相境与岩相变变化化，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：沉沉积积岩成岩岩成岩环环境复境复杂杂，形成，形成过过程差

9、程差别别很大，由此决定岩性、很大，由此决定岩性、岩相岩相变变化与化与层层厚；厚；岩岩浆浆岩成因岩成因类类型同型同样样复复杂杂，岩性岩相随之，岩性岩相随之变变化。要特化。要特别别注注意意岩岩浆浆分异分异及其及其岩性岩相分岩性岩相分带带、岩脉的分布及其接触岩脉的分布及其接触带带。火山岩分布很广，成因火山岩分布很广，成因类类型不同，其岩性岩相型不同，其岩性岩相变变化化显显著，岩著，岩石石组组合更合更为为复复杂杂。海底。海底喷发喷发的火山岩的火山岩类类型，它往往与海底沉型，它往往与海底沉积积岩岩交互交互产产生，构成不利的岩石生，构成不利的岩石组组合，形成合，形成较较差的工程地差的工程地质质条件；条件；

10、变质变质岩大多形成于高温高岩大多形成于高温高压压下，其物下，其物质质成分和成分和结结构均构均发发生生剧剧烈烈变变化，往往化，往往产产生生软软弱的岩弱的岩层层与岩与岩组组，如千枚岩、，如千枚岩、绿绿泥石片岩、泥石片岩、石墨片岩等；石墨片岩等；第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论3.2.3 岩石的成岩石的成层层条件及其厚度条件及其厚度变变化化 对对沉沉积积岩及岩及负变质负变质岩岩，岩石成，岩石成层层特点直接关系到岩体介特点直接关系到岩体介质质的的连续连续性与各向异性性与各向异性：沉沉积积岩，岩，应应特特别别重重视滨视滨海及河湖相岩海及河湖相岩层层，其厚度往往特，其厚度往往特别别大。大。还还要

11、注意不整合面、岩要注意不整合面、岩层层层层面面强强度，尤其是度，尤其是软软弱弱夹层夹层，常是，常是工程地工程地质质条件中的关条件中的关键键因素之一；因素之一；在在变质变质作用下，可形成明作用下，可形成明显显的定向排列或的定向排列或层层状状结结构。由于构。由于构造作用，构造作用，还还会会产产生生层间错动层间错动。因而。因而变质变质岩成岩成层层条件复条件复杂杂，单层单层厚度厚度变变化明化明显显；岩岩浆浆岩的成岩的成层层性不明性不明显显，只是熔岩流表，只是熔岩流表现现出一定的成出一定的成层层特特点。火山岩有点。火山岩有较较好的成好的成层层性。在火山岩中常性。在火山岩中常夹夹有碎屑岩，形成不有碎屑岩，

12、形成不稳稳定的定的层层状状结结构。构。第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论3.2.4 岩石岩石组组合特征及其划分依据合特征及其划分依据 岩石岩石组组合特征是研究岩体合特征是研究岩体结结构物构物质质特征的基特征的基础础工作工作：岩石岩石组组合首先考合首先考虑虑岩石的岩石的软软硬程度硬程度，其次是，其次是岩岩层层的厚度的厚度，第三是岩体中第三是岩体中各各类夹层类夹层的的发发育特征育特征；每一岩每一岩组组均有其一定的岩石均有其一定的岩石组组合特征，具有合特征，具有相似的工程地相似的工程地质质特性特性。要。要结结合工程区的具体情况，合工程区的具体情况，寻寻找其找其规规律性；律性；岩岩组组划分不宜

13、划分不宜过过大大，否，否则则，会掩盖岩体，会掩盖岩体强强度的薄弱度的薄弱环节环节。岩岩组组划分必划分必须须建立在建立在建造的基建造的基础础上。各种建造的地上。各种建造的地质质体，体，在不同的大地构造在不同的大地构造单单元中，差异性很大。元中，差异性很大。第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论3.2.5 岩石的物理力学性岩石的物理力学性质质 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质对工程岩体的工程岩体的稳稳定性重要作用定性重要作用：岩石或岩体的物理力学性岩石或岩体的物理力学性质质在很大程度上在很大程度上受控于其地受控于

14、其地质质属性属性；岩石的岩石的物理力学性物理力学性质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、膨膨胀胀性、水理性性、水理性质质、弹弹性参数、性参数、变变形参数、抗形参数、抗压压强强度、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质性所性所进进行的工程分行的工程分类类（或分（或分级级）具有重要的工程具有重要的工程应应用价用价值值。第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论3.3 岩体结构岩体结构 “岩体岩体结结构构”：由：由结结构面和构面和结结构体共同构体共同组组成的成的结结构形构形态态，不同，不同类类型的基本型的基本单单元在岩体

15、内元在岩体内组组合、排列的形式。合、排列的形式。岩体岩体结结构受岩体中构受岩体中结结构面的空构面的空间间分布与分布与组组合形式合形式控制。控制。结结构面构面为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、两向延伸的地地质质界面界面，结结构面分构面分为为两大两大类类：物物质质分异面分异面，如，如层层面、片理面、面、片理面、软软弱弱夹层夹层、岩、岩浆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连续面面，如断，如断层层、节节理、理、风风化与卸荷裂隙等。化与卸荷裂隙等。结结构体的构体的发发育受育受结结构面构面发发育、排列与育、排列与组组合的制合的制约约。结结构面往构面往往是

16、岩体往是岩体结结构的控制因素。构的控制因素。第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论3.3.1 结结构面的构面的类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，火成延伸远

17、，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变

18、化大，结构面常有泥质物充填第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论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，将结结构面划分以下四种力构面划分以下四种力学学类类型：型：破裂破裂结结构面构面岩体中无充填的岩体中无充填的节节理、片理、劈理、片理、劈理等，它理等，它们们在法在法向向应应力作用下呈力作用下呈刚刚性接触，属硬性接触，属硬性性结结构面。构面。这类这类结结构的抗剪构的抗剪强强度度主要取决于主要取决于结结构构面的几何特征。面的几何特征。第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论 破碎破碎结结构面构面 如断如断层层破

19、碎破碎带带、风风化破碎化破碎带带及及层间层间破碎破碎夹层夹层等，可有不同程度的胶等，可有不同程度的胶结结。第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论 层层状状结结构面构面 岩体中成岩体中成层层的不的不连续连续面，如面，如层层面、面、层层理及理及软软弱弱夹层夹层等。等。第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论 泥化泥化结结构面构面 为为塑性泥塑性泥质组质组成的成的软软弱弱结结构面，如断构面，如断层层泥、泥、层间错动层间错动泥化泥化夹层夹层、裂隙、裂隙夹夹泥、泥、层层面面夹夹泥。由于泥泥。由于泥质质富集，富集，这类这类结结构面易构面易变变形，形，强强度低。度低。第三章第三章 岩体岩体结结构控制构

20、控制论论3.4 岩体结构的力学效应岩体结构的力学效应 岩体岩体结结构的力学效构的力学效应实质应实质上就是探上就是探讨讨岩体岩体结结构构对对岩体力学行岩体力学行为为与力学作用的影响与力学作用的影响。大量大量实实践与践与试验试验研究表明，岩体的研究表明，岩体的应应力力传传播、岩体的播、岩体的变变形破形破坏以及岩体力学介坏以及岩体力学介质质无不受控于岩体无不受控于岩体结结构。构。必必须须划分划分软软弱弱结结构面构面与与硬性硬性结结构面构面。软软弱弱结结构面是岩体构面是岩体变变形形破坏的重要破坏的重要控制因素或控制因素或边边界界；硬性；硬性结结构面是划分岩体构面是划分岩体结结构、构、鉴别鉴别岩体力学介

21、岩体力学介质类质类型的重要依据。型的重要依据。“软软弱弱结结构面构面”是力学是力学强强度明度明显显低于低于围围岩，一般岩，一般充填有一定充填有一定厚度厚度软软弱物弱物质质的的结结构面构面。如泥化、。如泥化、软软化、破碎薄化、破碎薄夹层夹层等。等。软软弱弱结结构面是岩体中最容易构面是岩体中最容易产产生生变变形和破坏的部位。它常常成形和破坏的部位。它常常成为为危危险险的的切割面、滑移面或构成有害的切割面、滑移面或构成有害的压缩变压缩变形形带带，导导致岩体致岩体产产生不允生不允许许的的变变形或失形或失稳稳。第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论3.4.1 岩体变形机制岩体变形机制 指岩体指岩体变

22、变形的力学形的力学过过程。程。如，岩如，岩块压缩变块压缩变形是岩形是岩块块在全在全围压围压下体下体积缩积缩小；岩小；岩块块形状改形状改变变、岩、岩块块沿沿结结构面滑构面滑动动和和结结构体构体滚动滚动是在剪是在剪应应力作用下力作用下产产生的；生的；板裂板裂结结构体横向弯曲构体横向弯曲变变形是在力矩作用下形是在力矩作用下产产生的等。生的等。岩体岩体变变形可分形可分为为材料材料变变形形型与型与结结构构变变形形型两型两类类。材料材料变变形形可可细细分分为为结结构体构体弹弹性性变变形形、结结构体粘性构体粘性变变形形、结结构构面面闭闭合合变变形形和和结结构面构面错动变错动变形形。结结构构变变形形可可细细分

23、分为为结结构体构体滚动变滚动变形形、板裂体板裂体结结构构变变形形、结结构构面滑面滑动变动变形形、软软弱弱夹层压缩夹层压缩和和挤挤出出变变形形。第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论 岩体岩体变变形不形不仅仅与与受力状受力状态态（外因）（外因）密切相关，而且受密切相关，而且受岩体岩体结结构（内因）构（内因）控制。控制。不同不同结结构的岩体构的岩体变变形不同：形不同：块块裂裂结结构岩体构岩体最主要的最主要的变变形是形是沿沿结结构面滑构面滑动动；完整完整结结构岩体构岩体的的变变形，主要是岩石形，主要是岩石材料材料变变形形及微裂隙及微裂隙闭闭合和合和少量的少量的错动变错动变形形；板裂板裂结结构岩体

24、构岩体的的变变形主要是形主要是结结构构变变形形，包括板柱横向弯曲和，包括板柱横向弯曲和纵纵向向缩缩短；短；碎裂碎裂结结构构岩体岩体变变形更形更为为复复杂杂，几乎包括所有的，几乎包括所有的变变形成分。形成分。第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论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机制受控于结结构。构。结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难易程度、岩体破坏的易程度、岩体破坏的规规模、岩体破坏的模、岩体破坏的过过程、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第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论第三章第三章 岩体岩体结结构控制构控制论论