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1、第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論3.1 概述概述3.2 巖體結構的物質基礎巖體結構的物質基礎3.2.1 巖石的成分與結構巖石的成分與結構3.2.2 巖石的成巖環(huán)境與巖相變化巖石的成巖環(huán)境與巖相變化3.2.3 巖石的成層條件及其厚度變化巖石的成層條件及其厚度變化3.2.4 巖石組合特征及其劃分依據(jù)巖石組合特征及其劃分依據(jù)3.2.5 巖石的物理力學性質巖石的物理力學性質3.4 巖體結構的力學效應巖體結構的力學效應3.3 巖體結構巖體結構3.3.1 結構面的類型及特征結構面的類型及特征3.4.1 巖體變形機制巖體變形機制3.4.2 巖體破壞機制巖體破壞機制1基礎教學第三章第三章 巖體結構控

2、制論巖體結構控制論3.1 概述概述定義定義：巖體是在地質歷史時期形成的具有一定：巖體是在地質歷史時期形成的具有一定組分和結構組分和結構的地質的地質體。將其作為工程建設的對象時，稱為體。將其作為工程建設的對象時，稱為“工程巖體工程巖體”。它賦存于一定的地質環(huán)境中，并隨著地質環(huán)境的演化而不斷它賦存于一定的地質環(huán)境中，并隨著地質環(huán)境的演化而不斷變化。變化。巖體結構，反映巖體的本質：巖體結構，反映巖體的本質：巖體結構的不同，巖體巖體結構的不同，巖體物理力學性質物理力學性質、工程、工程巖體變性、破壞巖體變性、破壞的的難易程度難易程度與與方式方式也不同；也不同；巖體結構還控制了巖體的巖體結構還控制了巖體的

3、水文地質條件、風化作用水文地質條件、風化作用；巖體結構不同，巖體巖體結構不同，巖體穩(wěn)定性的特征穩(wěn)定性的特征完全不同。（組合角度）完全不同。（組合角度）2基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論3.2 巖體結構的物質基礎巖體結構的物質基礎 物質成分物質成分和和結構結構是巖體的兩個基本特性，是巖體的兩個基本特性，巖體結構巖體結構組成要素組成要素有兩個基本單元：有兩個基本單元：結構面結構面和和結構體結構體。結構面結構面是指巖體中力學強度相對薄弱的部位，是巖體中的地是指巖體中力學強度相對薄弱的部位，是巖體中的地質界面（如層面、斷裂、風化卸荷裂隙等）。質界面（如層面、斷裂、風化卸荷裂隙等）。使

4、巖體力學性能具有不連續(xù)性、不均一性和各向異性。使巖體力學性能具有不連續(xù)性、不均一性和各向異性。它決定了巖體的它決定了巖體的介質特征和力學屬性介質特征和力學屬性；結構面的存在，尤其是較弱結構面的存在，對巖體結構面的存在，尤其是較弱結構面的存在，對巖體變形破壞變形破壞方式及巖體穩(wěn)定性方式及巖體穩(wěn)定性常常起常常起控制作用控制作用，常常成為切割面或滑動面；，常常成為切割面或滑動面；結構面是表生作用的活躍地帶，成為巖體次生演變的重要控結構面是表生作用的活躍地帶，成為巖體次生演變的重要控制因素。制因素。3基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論 結構體結構體是指由結構面所切割成的巖石塊體，即是指

5、由結構面所切割成的巖石塊體，即巖塊巖塊。在巖體結構中，結構面居主導地位，隨著結構面的類型、發(fā)在巖體結構中，結構面居主導地位，隨著結構面的類型、發(fā)育程度、形狀與組合情況不同，巖體結構類型迥然不同。育程度、形狀與組合情況不同，巖體結構類型迥然不同。工程地質工作，首先要對地層巖性進行系統(tǒng)的研究，分析巖工程地質工作，首先要對地層巖性進行系統(tǒng)的研究，分析巖性巖相變化特征，并進行巖體工程地質分類，即性巖相變化特征，并進行巖體工程地質分類，即工程地質巖組工程地質巖組（粒組）的劃分（粒組）的劃分。把工程地質性質相近的巖層組合體劃歸到一起，。把工程地質性質相近的巖層組合體劃歸到一起，構成工程地質評價的獨立單元，

6、即構成工程地質評價的獨立單元，即工程地質巖組工程地質巖組。在進行工程地。在進行工程地質巖組劃分時，要質巖組劃分時，要特變關注特變關注軟弱、松軟、破碎巖層，以便于在進軟弱、松軟、破碎巖層，以便于在進行工程地質綜合評價時，加以全面論證和行工程地質綜合評價時，加以全面論證和重點分析重點分析。巖石形成于漫長的地質歷史時期，要研究巖體的物質特征，巖石形成于漫長的地質歷史時期，要研究巖體的物質特征，就要充分考慮就要充分考慮其形成的地質環(huán)境其形成的地質環(huán)境，如：，如：成巖作用、成巖歷史成巖作用、成巖歷史與成與成巖后的巖后的次生變化次生變化等。等。4基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論3.2.1

7、 巖石的成分與結構巖石的成分與結構 巖石的成分和結構不同，是巖石工程地質性質差異的主要原巖石的成分和結構不同，是巖石工程地質性質差異的主要原因：因：對碎屑巖類巖石，決定其工程地質性質的主要是對碎屑巖類巖石，決定其工程地質性質的主要是顆粒粒徑、顆粒粒徑、膠結物與膠結程度、粘土礦物含量膠結物與膠結程度、粘土礦物含量等；等；對碳酸鹽巖，要特變關注其對碳酸鹽巖，要特變關注其可溶性可溶性，而可溶性取決于其成，而可溶性取決于其成 分與組構，成分尤為重要；分與組構，成分尤為重要；對巖漿巖，應特別重視其礦物成分與化學成分、粒徑與對巖漿巖，應特別重視其礦物成分與化學成分、粒徑與結結晶性狀晶性狀?；鹕綆r物質成分與

8、結構變化很大，尤其應對軟硬相間的?；鹕綆r物質成分與結構變化很大，尤其應對軟硬相間的多層結構給予重點關注；多層結構給予重點關注；變質巖巖石系列千差萬別，變質巖的成分、結構與變質巖巖石系列千差萬別，變質巖的成分、結構與變質程變質程度度有著十分密切的關系。有著十分密切的關系。礦物的集中和定向排列，往往成為巖體礦物的集中和定向排列，往往成為巖體的軟弱帶。的軟弱帶。5基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論3.2.2 巖石的成巖環(huán)境與巖相變化巖石的成巖環(huán)境與巖相變化 巖石的成巖環(huán)境與巖相變化巖石的成巖環(huán)境與巖相變化，很大程度決定了巖石的均一，很大程度決定了巖石的均一性與各向異性：性與各向異性：

9、沉積巖成巖環(huán)境復雜，形成過程差別很大，由此決定巖性、沉積巖成巖環(huán)境復雜，形成過程差別很大，由此決定巖性、巖相變化與層厚；巖相變化與層厚；巖漿巖成因類型同樣復雜，巖性巖相隨之變化。要特別注巖漿巖成因類型同樣復雜，巖性巖相隨之變化。要特別注意意巖漿分異巖漿分異及其及其巖性巖相分帶巖性巖相分帶、巖脈的分布及其接觸帶巖脈的分布及其接觸帶?；鹕綆r分布很廣，成因類型不同，其巖性巖相變化顯著，巖火山巖分布很廣，成因類型不同，其巖性巖相變化顯著，巖石組合更為復雜。海底噴發(fā)的火山巖類型，它往往與海底沉積巖石組合更為復雜。海底噴發(fā)的火山巖類型，它往往與海底沉積巖交互產生，構成不利的巖石組合，形成較差的工程地質條件

10、；交互產生，構成不利的巖石組合，形成較差的工程地質條件；變質巖大多形成于高溫高壓下，其物質成分和結構均發(fā)生變質巖大多形成于高溫高壓下，其物質成分和結構均發(fā)生劇烈變化，往往產生劇烈變化，往往產生軟弱的巖層與巖組軟弱的巖層與巖組，如千枚巖、綠泥石片巖、，如千枚巖、綠泥石片巖、石墨片巖等；石墨片巖等；6基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論3.2.3 巖石的成層條件及其厚度變化巖石的成層條件及其厚度變化 對沉積巖及對沉積巖及負變質巖負變質巖，巖石成層特點直接關系到巖體介，巖石成層特點直接關系到巖體介質的連續(xù)性與各向異性質的連續(xù)性與各向異性：沉積巖，應特別重視濱海及河湖相巖層，其厚度往往特

11、別沉積巖，應特別重視濱海及河湖相巖層，其厚度往往特別大。還要注意不整合面、巖層層面強度，尤其是軟弱夾層，常是大。還要注意不整合面、巖層層面強度，尤其是軟弱夾層，常是工程地質條件中的關鍵因素之一；工程地質條件中的關鍵因素之一；在變質作用下，可形成明顯的定向排列或層狀結構。由于在變質作用下，可形成明顯的定向排列或層狀結構。由于構造作用，還會產生層間錯動。因而變質巖成層條件復雜，單層構造作用，還會產生層間錯動。因而變質巖成層條件復雜，單層厚度變化明顯；厚度變化明顯；巖漿巖的成層性不明顯，只是熔巖流表現(xiàn)出一定的成層特巖漿巖的成層性不明顯，只是熔巖流表現(xiàn)出一定的成層特點。火山巖有較好的成層性。在火山巖中

12、常夾有碎屑巖，形成不點?；鹕綆r有較好的成層性。在火山巖中常夾有碎屑巖，形成不穩(wěn)定的層狀結構。穩(wěn)定的層狀結構。7基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論3.2.4 巖石組合特征及其劃分依據(jù)巖石組合特征及其劃分依據(jù) 巖石組合特征是研究巖體結構物質特征的基礎工作巖石組合特征是研究巖體結構物質特征的基礎工作：巖石組合首先考慮巖石的巖石組合首先考慮巖石的軟硬程度軟硬程度，其次是，其次是巖層的厚度巖層的厚度，第三是巖體中第三是巖體中各類夾層的發(fā)育特征各類夾層的發(fā)育特征；每一巖組均有其一定的巖石組合特征，具有每一巖組均有其一定的巖石組合特征，具有相似的工程地相似的工程地質特性質特性。要結合工程區(qū)的

13、具體情況，尋找其規(guī)律性；。要結合工程區(qū)的具體情況，尋找其規(guī)律性；巖組巖組劃分不宜過大劃分不宜過大，否則，會掩蓋巖體強度的薄弱環(huán)節(jié)。，否則，會掩蓋巖體強度的薄弱環(huán)節(jié)。巖組劃分必須建立在巖組劃分必須建立在建造的基礎建造的基礎上。各種建造的地質體，上。各種建造的地質體，在不同的大地構造單元中，差異性很大。在不同的大地構造單元中，差異性很大。8基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論3.2.5 巖石的物理力學性質巖石的物理力學性質 巖體可由一種巖石，亦可由多種巖石構成。巖石的物巖體可由一種巖石，亦可由多種巖石構成。巖石的物理力學性質對工程巖體的穩(wěn)定性重要作用理力學性質對工程巖體的穩(wěn)定性重要作

14、用：巖石或巖體的物理力學性質在很大程度上巖石或巖體的物理力學性質在很大程度上受控于其地質受控于其地質屬性屬性；巖石的巖石的物理力學性質及其參數(shù)物理力學性質及其參數(shù)主要包括孔隙度或孔隙比、主要包括孔隙度或孔隙比、膨脹性、水理性質、彈性參數(shù)、變形參數(shù)、抗壓強度、抗拉強膨脹性、水理性質、彈性參數(shù)、變形參數(shù)、抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度等；度、抗剪強度等；從巖石和巖體工程地質性所進行的工程分類（或分級）從巖石和巖體工程地質性所進行的工程分類（或分級）具有重要的工程應用價值。具有重要的工程應用價值。9基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論3.3 巖體結構巖體結構 “巖體結構巖體結構”：由結構

15、面和結構體共同組成的結構形態(tài)，不：由結構面和結構體共同組成的結構形態(tài)，不同類型的基本單元在巖體內組合、排列的形式。同類型的基本單元在巖體內組合、排列的形式。巖體結構受巖體中巖體結構受巖體中結構面的空間分布與組合形式結構面的空間分布與組合形式控制?？刂啤＝Y構面為巖體中具有一定方位和厚度、兩向延伸的結構面為巖體中具有一定方位和厚度、兩向延伸的地質界面地質界面，結構面分為兩大類：結構面分為兩大類：物質分異面物質分異面，如層面、片理面、軟弱夾層、巖漿侵入接觸，如層面、片理面、軟弱夾層、巖漿侵入接觸面等；面等；巖體中的不連續(xù)面巖體中的不連續(xù)面，如斷層、節(jié)理、風化與卸荷裂隙等。，如斷層、節(jié)理、風化與卸荷裂

16、隙等。結構體的發(fā)育受結構面發(fā)育、排列與組合的制約。結構體的發(fā)育受結構面發(fā)育、排列與組合的制約。結構面往結構面往往是巖體結構的控制因素。往是巖體結構的控制因素。10基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論3.3.1 結構面的類型及特征結構面的類型及特征1 1）結構面成因類型和特征）結構面成因類型和特征序序號號成因成因地質類型地質類型主要特征主要特征1沉積結構面沉積結構面層面，軟弱夾層，沉積層面，軟弱夾層，沉積間斷面間斷面產狀與巖層一致，一般延續(xù)性較強，產狀與巖層一致，一般延續(xù)性較強，易受構造及次生作用而惡化易受構造及次生作用而惡化2火成結構面火成結構面火成接觸面，巖流層面，火成接觸面，

17、巖流層面，冷凝節(jié)理冷凝節(jié)理產狀受巖漿巖形態(tài)控制，接觸面一般產狀受巖漿巖形態(tài)控制，接觸面一般延伸遠，原生節(jié)理則較短小，火成延伸遠，原生節(jié)理則較短小，火成巖巖流流間可有泥質物填充間可有泥質物填充3變質結構面變質結構面片理，軟弱夾層片理，軟弱夾層產狀有區(qū)域性，延續(xù)一般較差，在深產狀有區(qū)域性，延續(xù)一般較差，在深部一般閉合部一般閉合4構造結構面構造結構面劈理、節(jié)理、斷層，層劈理、節(jié)理、斷層，層間破碎夾層間破碎夾層產狀和巖層產狀有一定關系，特性和產狀和巖層產狀有一定關系，特性和力學成因關系密切力學成因關系密切5表生結構面表生結構面卸荷裂隙，風化裂隙，卸荷裂隙，風化裂隙，風化夾層，泥化夾層，風化夾層，泥化夾

18、層，層面及裂隙夾泥層面及裂隙夾泥在地表部位發(fā)育，延續(xù)性不強，產狀在地表部位發(fā)育，延續(xù)性不強，產狀變化大，結構面常有泥質物充填變化大，結構面常有泥質物充填11基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論2 2）結構面的力學類型和特征）結構面的力學類型和特征 按影響結構面力學特性的主要因素，將結構面劃分以下四種力按影響結構面力學特性的主要因素，將結構面劃分以下四種力學類型：學類型：破裂結構面破裂結構面巖體中無充填的巖體中無充填的節(jié)理、片理、劈節(jié)理、片理、劈理等，它們在法理等，它們在法向應力作用下呈向應力作用下呈剛性接觸，屬硬剛性接觸，屬硬性結構面。這類性結構面。這類結構的抗剪強度結構的抗剪強

19、度主要取決于結構主要取決于結構面的幾何特征。面的幾何特征。12基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論 破碎結構面破碎結構面 如斷層破碎帶、風化破碎帶及層間破碎夾層如斷層破碎帶、風化破碎帶及層間破碎夾層等，可有不同程度的膠結。等，可有不同程度的膠結。13基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論 層狀結構面層狀結構面 巖體中成層的不連續(xù)面，如層面、層理及軟巖體中成層的不連續(xù)面，如層面、層理及軟弱夾層等。弱夾層等。14基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論 泥化結構面泥化結構面 為塑性泥質組成的軟弱結構面，如斷層泥、為塑性泥質組成的軟弱結構面，如斷層泥、層間錯動泥化

20、夾層、裂隙夾泥、層面夾泥。由于泥質富集，這類層間錯動泥化夾層、裂隙夾泥、層面夾泥。由于泥質富集，這類結構面易變形，強度低。結構面易變形，強度低。15基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論3.4 巖體結構的力學效應巖體結構的力學效應 巖體結構的力學效應實質上就是探討巖體結構的力學效應實質上就是探討巖體結構對巖體力學行巖體結構對巖體力學行為與力學作用的影響為與力學作用的影響。大量實踐與試驗研究表明，巖體的應力傳播、巖體的變形破大量實踐與試驗研究表明，巖體的應力傳播、巖體的變形破壞以及巖體力學介質無不受控于巖體結構。壞以及巖體力學介質無不受控于巖體結構。必須劃分必須劃分軟弱結構面軟弱結構

21、面與與硬性結構面硬性結構面。軟弱結構面是巖體變形。軟弱結構面是巖體變形破壞的重要破壞的重要控制因素或邊界控制因素或邊界；硬性結構面是劃分巖體結構、鑒別；硬性結構面是劃分巖體結構、鑒別巖體力學介質類型的重要依據(jù)。巖體力學介質類型的重要依據(jù)。“軟弱結構面軟弱結構面”是力學強度明顯低于圍巖，一般是力學強度明顯低于圍巖，一般充填有一定充填有一定厚度軟弱物質的結構面厚度軟弱物質的結構面。如泥化、軟化、破碎薄夾層等。軟弱結。如泥化、軟化、破碎薄夾層等。軟弱結構面是巖體中最容易產生變形和破壞的部位。它常常成為危險的構面是巖體中最容易產生變形和破壞的部位。它常常成為危險的切割面、滑移面或構成有害的壓縮變形帶，

22、導致巖體產生不允許切割面、滑移面或構成有害的壓縮變形帶，導致巖體產生不允許的變形或失穩(wěn)。的變形或失穩(wěn)。16基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論3.4.1 巖體變形機制巖體變形機制 指巖體變形的力學過程。指巖體變形的力學過程。如，巖塊壓縮變形是巖塊在全圍壓下體積縮小；巖塊形狀改如，巖塊壓縮變形是巖塊在全圍壓下體積縮?。粠r塊形狀改變、巖塊沿結構面滑動和結構體滾動是在剪應力作用下產生的；變、巖塊沿結構面滑動和結構體滾動是在剪應力作用下產生的；板裂結構體橫向彎曲變形是在力矩作用下產生的等。板裂結構體橫向彎曲變形是在力矩作用下產生的等。巖體變形可分為巖體變形可分為材料變形材料變形型與型與結

23、構變形結構變形型兩類。型兩類。材料變形材料變形可細分為可細分為結構體彈性變形結構體彈性變形、結構體粘性變形結構體粘性變形、結構結構面閉合變形面閉合變形和和結構面錯動變形結構面錯動變形。結構變形結構變形可細分為可細分為結構體滾動變形結構體滾動變形、板裂體結構變形板裂體結構變形、結構結構面滑動變形面滑動變形、軟弱夾層壓縮軟弱夾層壓縮和和擠出變形擠出變形。17基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論 巖體變形不僅與巖體變形不僅與受力狀態(tài)（外因）受力狀態(tài)（外因）密切相關，而且受密切相關，而且受巖體結巖體結構（內因）構（內因）控制?？刂啤２煌Y構的巖體變形不同：不同結構的巖體變形不同：塊裂結構

24、巖體塊裂結構巖體最主要的變形是最主要的變形是沿結構面滑動沿結構面滑動；完整結構巖體完整結構巖體的變形，主要是巖石的變形，主要是巖石材料變形材料變形及微裂隙閉合和及微裂隙閉合和少量的錯動變形少量的錯動變形；板裂結構巖體板裂結構巖體的變形主要是的變形主要是結構變形結構變形，包括板柱橫向彎曲和，包括板柱橫向彎曲和縱向縮短；縱向縮短；碎裂結構碎裂結構巖體變形更為復雜，幾乎包括所有的變形成分。巖體變形更為復雜，幾乎包括所有的變形成分。18基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論3.4.2 巖體破壞機制巖體破壞機制 巖體的破壞機制受控于結構。結構控制的主要方面有：巖體巖體的破壞機制受控于結構。結

25、構控制的主要方面有：巖體破壞的難易程度、巖體破壞的規(guī)模、巖體破壞的過程、巖體破壞破壞的難易程度、巖體破壞的規(guī)模、巖體破壞的過程、巖體破壞的主要方式。的主要方式。整塊體結構整塊體結構巖體巖體塊裂結塊裂結構巖體構巖體碎屑結構巖體碎屑結構巖體散體結構巖體散體結構巖體張破裂張破裂剪破壞剪破壞流動變形流動變形結構體結構體沿結構沿結構面滑動面滑動結構體破裂；結構體破裂；結構體剪破裂；結構體剪破裂；結構體流動變形；結構體流動變形；結構體沿結構面滑動；結構體沿結構面滑動；結構體滾動；結構體滾動；結構體組合體傾倒；結構體組合體傾倒；結構體組合體潰屈結構體組合體潰屈剪破壞剪破壞流動變形流動變形巖體破壞機制類型巖體破壞機制類型19基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論20基礎教學第三章第三章 巖體結構控制論巖體結構控制論21基礎教學