1、1,一、地质构造 二、岩体结构的物质基础 三、岩体结构 四、岩体结构的力学效应,第3章 地质构造与岩体结构控制论,2,一、地质构造,1.基本概念 地质构造是地壳在其漫长的发展历史过程中遭受构造运动作用后，所形成的地层形态（如地壳中岩层或岩体的位置、产状及相互关系等），或者说地质构造是构造运动在岩石圈中留下的形迹 有学者认为，有些地质构造也许是在外力地质作用下形成的，例如在塔克拉玛干沙漠观察地貌特点时，古沙漠如果能变质成岩，其岩层是弯曲的，具备褶皱构造的特点）,3,2. 地壳运动方向水平运动，即地壳运动时所产生的作用力沿地面水平方向发生，这种运动使岩层遭受到巨大的水平挤压，并最终产生一系列复杂的
2、地质构造型式，如一些大型复杂的褶皱构造和巨大的逆掩断层、平移断层等 地壳的垂直运动，即作用力的方向与地表垂直，它引起地壳局部地区的上升或下降，不断改变着海陆轮廓，并伴随有岩层的倾斜、弯曲和断裂的发生。,一、地质构造,4,一、地质构造,3.地壳运动方式 一种是容易被人们看到或感觉到的迅速、剧烈的运动。如火山活动和地震等，能在很短的时间里明显破坏和改变该地区的地壳，甚至形成新的物质成分和新的地质构造，并立刻为人们所感知。但从整个地球来看，这种地壳运动的影响是很有限。 另一种是不易被觉察的长期、缓慢的运动。如造山运动；而长期、缓慢的地壳运动则影响范围广阔的地壳。例如，号称“世界屋脊”的喜马拉雅山区，
3、是现代地球上海拔最高的地区。可是，有足够的证据证明，在约5000万年以前这里却是一片汪洋大海。经现代科学技术方法测定，直到目前，整个喜马拉雅山区仍以每年约23mm的速度上升。,5,一、地质构造,4.地质构造的类型：,（1） 褶皱构造：原来呈水平或近水平状态的岩层，受到构造运动所产生的强大水平力挤压后产生柔性弯曲，但未失去其连续性，这种弯曲的地层形态称为 。,6,褶曲：褶皱构造中岩石的每一个弯曲（一个完整的波形）都称为一个褶曲,褶皱构造的形成 褶曲的两种基本形态,一、地质构造,4.地质构造的类型：,7,向斜和背斜：褶曲被分为两种基本形态。 大体把褶曲平分的理想面称轴面；轴面与水平面交线称轴线 从
4、褶曲的横断面上看，岩层面上弯曲最大的一点称脊；同一岩层面上所有弯曲最大点的连线称为褶曲的脊线,水平面； 轴面； OC轴线；a中的AB及b中的AC脊线,8,一、地质构造,褶曲的分类 根据在横剖面上的形态或轴面的位置，可分为对称褶曲、不对称褶曲、倒转褶曲、平卧褶曲。 根据在纵剖面上的形态或脊线的形态，可分为水平褶曲；倾伏褶曲；短轴褶曲；穹窿和构造盆地。,水平褶曲：褶曲的脊线近水平。 倾伏褶曲：褶曲的脊线沿一定方向向上或向下倾伏。 穹窿和构造盆地：同层岩层向四面下倾的称穹窿；同层岩层向四面翘起的称构造盆地。,9,10,褶皱构造的工程地质评价,容易遇到工程地质问题,翼部,轴部,一般来说，没有特殊不良的
5、影响。 但对深路堑、挖方高边坡及隧道工程等，需具体情况具体分析,11,1）一般来说，没有特殊不良的影响,褶皱构造翼部的工程地质评价,归结为倾斜岩层的产状与路线或隧道轴线走向的关系问题,2）对深地堑、挖方高边坡及隧道工程等，则需具体分析,有利：路线垂直岩层走向，或路线与岩层走向平行但岩层倾向与边坡倾向相反 不利：路线与岩层走向平行，边坡与岩层倾向一致 最不利：路线与岩层走向平行，边坡与岩层倾向一致，但边坡坡角大于岩层倾角,12,轴部： 从岩层的产状来说，是岩层倾向发生显著变化的地方。 从构造作用对岩层整体性的影响来说，又是岩层受应力作用最集中的地方所以，在轴部，不论公路、隧道或桥梁工程，容易遇到
6、工程地质问题。主要是由于岩层破碎而产生的岩体稳定问题和向斜轴部地下水的问题。这些问题在隧道工程中往往显得更为突出，容易产生隧道塌顶和涌水现象，有时会严重影响正常施工。,褶皱构造轴部的工程地质评价,13,一、地质构造,褶皱构造对工程建设的影响 在褶皱山区，岩层强烈破碎，顺向坡岩体极易沿层面或节理面产生滑动。台湾基隆河畔1974年9月发生的顺层滑坡，破坏了周围的村庄、道路，阻断了河流。 在背斜、向斜的脊部，张性节理发育，加速了风化作用进行，造成岩体强度的降低，并最终发育成背斜谷、向斜谷或背、向斜式冲沟，对公路、铁路建设造成很大困难。,14,一、地质构造,褶皱构造对工程建设的影响 背、向斜的核部往往
7、构造应力很大，在工程中一旦遇到，应加强应力和变形测试，减少构造应力对工程危害。 采矿巷道及地下隧道宜布置在背斜的核部，而尽量避免布置在向斜的轴部，因为能有效利用顶板岩体的自然成拱作用。而布置在向斜的核部的巷道，一旦两帮岩石下滑，造成顶部岩石冒落事故。,15,一、地质构造,（2）倾斜构造 一般认为，倾斜构造是原来水平或近水平沉积的地层，在地壳运动的影响下产状改变而发生倾斜变化，此时岩层面与水平面就有了一定的倾角。 但不可否认，自然界中有的地层在沉积中就是倾斜的，例如洪积地层。如果在其后的漫长地质岁月中变质成岩，其产状显然也是倾斜的。 除此以外，还有的地层在大的空间范围内可能属于褶皱构造，是一个背
8、斜或一个向斜的一翼岩层，但在一定的工程范围内，则表现为单向倾斜的构造形式。 对某个具体工程而言，显然也可作为倾斜构造来看待。,4.地质构造的类型：,16,一、地质构造,如果在一定的地质区域内，一系列岩层的倾斜方向及倾斜角度都基本一致，则称其为单斜构造。 但在有的行业中，对倾斜岩层却有自己特有的命名方法，例如，在采矿行业中，交角大于45o的煤层被称为急倾斜煤层,倾斜构造,17,18,一、地质构造,倾向线与其水平面上的投影线之间的夹角称为倾斜岩层的倾角。,岩层产状要素示意图,4.地质构造的类型：,(2)倾斜构造,倾角,19,20,一、地质构造,倾斜岩层产状的表示方法 在地形地质图上岩层的走向用“”
9、表示，倾向用“ ”表示，倾角以角度形式写在“”一侧或下方。 文字表示方法是走向在前，倾向在走向之后，最后为岩层倾角。如图所示，设某倾斜岩层的走向线为a-a，其走向为北偏东30 （在地质学上，规定走向的标记自北开始），表示为N 30 E；,4.地质构造的类型：,(2)倾斜构造,21,一、地质构造,(3)断裂构造：岩层受构造应力作用发生断裂，使原有的连续、完整性遭受破坏而形成的地层形态被称为断裂构造。按断裂面两侧岩层的位移情况，断裂构造可分为节理和断层。,4.地质构造的类型：,22,狭义的节理构造裂隙,岩层受构造应力作用发生断裂，沿断裂面两侧的岩层未发生移动或仅发生了微小的错动的构造称构造裂隙或构
10、造节理，有时简称节理。分为以下3种：剪节理：因地壳运动引起的剪应力作用而形成的断裂构造，其特点是：裂缝平直、延伸方向稳定、裂隙面平整光滑；通常切穿岩石中的颗粒；有两组同时出现，相交呈“X”形；多为闭合性节理。,23,狭义的节理构造裂隙,张节理岩层在地壳运动过程中受张拉应力作用产生的节理，张节理在褶皱构造的核部最为发育。其特点是：裂口稍长，断裂面粗糙不平，面上无擦痕，裂面常绕过颗粒并很快在岩石中尖灭。 压性节理岩层受到强大的挤压作用时所形成的节理，节理面与最大主应力方向垂直，呈紧闭状态并密集成群分布。,24,一、地质构造,广义节理除构造裂隙以外，岩体的原生裂隙和风化裂隙以及其它次生裂隙也常被混为
11、节理，这些裂隙主要有：岩浆岩中的冷凝裂隙、沉积岩中的干缩裂隙和层理、风化裂隙、卸荷裂隙、工程震动等作用引起的裂隙等等,(3)断裂构造：,4.地质构造的类型：,25,一、地质构造,劈理和片理 劈理 岩体在构造应力作用下形成的沿一定方向大致相互平行的密集型细微裂面称为劈理（沿该面岩石常能被劈成薄板）。劈理主要发育在变质岩中，也能在构造应力比较强烈的其它岩层中存在。一般情况下劈理不会破坏岩体的完整性。 片理 强烈的变质作用使矿物压扁、拉长并定向排列，重新结晶，由此形成的相互平行，密集排列的薄片状构造形迹称为片理。片理是变质岩中特有的构造现象。片理属于流劈理的范畴,26,裂隙的工程地质评价,岩体中的裂
12、隙，在工程上除有利于开挖外，对岩体的强度和稳定性均有不利的影响。 岩体中存在裂隙，破坏了岩体的整体性，促进岩体风化速度，增强岩体的透水性，因而使岩体的强度和稳定性降低。 当裂隙主要发育方向与路线走向平行，倾向与边坡一致时，不论岩体的产状的如何，边坡都容易发生崩塌等不稳定现象。 如果岩体存在裂隙，还会影响爆破作业的效果。所以，当裂隙可能成为影响工程设计的重要因素时，应当对裂隙进行深入的调查研究，详细论证裂隙对岩体工程建筑条件的影响，采取相应措施，以保证建筑物的稳定和正常使用。,27,28,岩层岩体的接触关系,整合接触在地壳下降比较稳定的地区，接触面上下的两层岩层相互平行，接触面产状致密，岩层沉积
13、没有间断，这种岩层接触关系称为整合接触。,一、地质构造,29,岩层岩体的接触关系,伪整合接触 在地壳下降不稳定的地区，岩层的沉积就有可能出现间断，当岩层的沉积不连续（缺少某个时期的地层沉积）或存在一个古风化剥蚀面，但接触面上下的岩层却又相互平行时，这种岩层接触关系称为伪整合接触或假整合接触，也有的称为平行不整合接触。,一、地质构造,30,岩层岩体的接触关系,不整合接触 如果岩层的沉积不连续或存在一个古风化剥蚀面且接触面上下的岩层又不平行时，其接触关系称为不整合接触或角度不整合接触。,一、地质构造,31,一、地质构造,32,一、地质构造,岩层岩体的接触关系 侵入接触 侵入岩浆岩与周围其它岩体之间
14、的接触关系称为侵入接触，在侵入接触的接触面附近，岩石常发生变质作用。但如果岩浆岩与上部沉积岩的接触关系如下图所示，则这种接触关系显然属于沉积接触关系而非侵入接触关系,1更早形成的岩浆岩； 2古风化带； 3较晚形成的沉积地层,1,2,3,33,不整合的工程地质评价,不整合接触中的不整合面，是下伏古地貌的剥蚀面。 它常有比较大的起伏，同时常有风化层或底砾存在，层间结合差，地下水发育。 当不整合面与斜坡倾向一致时，如开挖路基，经常会成为斜坡滑移的边界条件，对工程建筑不利。,34,二、岩体结构的物质基础,岩体结构理论在工程地质条件成因演化论基础上，以构造作用为主的各种作用所赋予岩体的特殊性质，即裂隙性
15、。结合工程实践，对裂隙性进行系统理论研究，形成了岩体结构的理论。,35,基本概念,岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然体，也就是我们通常所说的石头。 岩体（Rockmass）：是指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。岩体是指一定工程范围内的自然地质体。它除本身是由岩石构成外，还包含了地应力及各种地质作用在岩石中所形成的各种构造痕迹（整合、不整合接触面，褶皱，断层，层理、节理、劈理、片理以及其它隐微裂隙）。,二、岩体结构的物质基础,36,物质成分与结构是岩体的两个基本特性。,二、岩体结构的物质基
16、础,37,38,二、岩体结构的物质基础,岩体结构控制论： 岩体结构的基本要素是：结构体（岩石）和结构面。其中结构体是被各种构造形迹和裂隙分割而成的岩石块体，其性质受岩石控制；结构面就是岩体中各种构造形迹或裂隙的地质界面。 结构面的存在是岩体不同于岩石概念的根本原因，结构面是岩体的重要组成单元。 岩体力学性质的好坏在大多数情况下都取决于结构面的性质，而非岩石本身的性质。,基本概念,39,二、岩体结构的物质基础,岩石是岩体结构的物质基础 工程地质中岩石 需要考虑的因素： 岩石成分与结构 地质环境与成岩作用 岩石成层条件及厚度变化 岩石组合特征及划分依据 岩石的物理力学性质,40,二、岩体结构的物质
17、基础,1.岩石的成分与结构是岩石工程地质性质不同的主要原因。对于碎屑岩应注意颗粒胶结、胶结程度；碳酸岩盐更注意其可溶性。考虑特殊的岩石建造，如含煤建造、含盐建造及以粘土岩为主的碎屑岩建造。,41,2.地质环境与成岩作用决定岩石的均一性和各向异性 如沉积岩的成岩环境，决定了岩性、岩相和层厚的变化，我们在临城实习常州沟组的砂岩、页岩。 如岩浆岩的岩浆分异、岩性岩相的分带、岩脉的分布； 再如变质岩往往形成软弱的片岩、千枚岩。,二、岩体结构的物质基础,42,3.岩石成层条件及厚度变化沉积岩厚度变化很大，特别是滨海及河湖相岩层 变质作用下，可形成明显的定向排列或层状结构，由于构造作用还会产生错动，厚度变
18、化明显 岩浆岩成层性不明显，只是熔岩流有成层特点,二、岩体结构的物质基础,43,二、岩体结构的物质基础,4.岩石组合特征的划分依据： 1) 岩石组合首先考虑岩石的软硬程度，其次是岩石厚度，第三是岩体中各类夹层的发育特征 。 2) 每一岩组均具有一定的岩石组合特征，具有相似的工程地质特性。如沉积旋回 3) 岩组划分不应过大，过大的岩组划分往往掩盖岩体强度的薄弱环节。 4) 岩组划分必须建立在建造的基础上，各种建造的地质体，在不同大地构造单元中，差异性很大。,44,5.岩石的工程地质性质,主要物理、水理性质：密度；孔隙性；吸水性；软化性；抗冻性 主要力学性质：岩石的变形；岩石的强度,二、岩体结构的
19、物质基础,45,岩石的工程地质性质,吸水率：岩石在常温常压下的自由吸水的质量。 可用吸水率计算大开空隙率。 岩浆岩与变质岩的吸水率0.1%-2%，沉积岩0.2%-7% 饱和吸水率：在高压或真空条件下的吸水质量， 可用于计算总开空隙率， 饱水系数：岩石的吸水率与饱和吸水率之比， 反映岩石中大、小开空隙率的比例关系,主要水理性质吸水性,46,岩石的工程地质性质,岩石受水作用后，强度和稳定性发生变化的性质。 决定于岩石的矿物成分、结构和构造特征。 粘土矿物含量高、孔隙度大、吸水率高的岩石，与水作用容易软化而丧失其强度和稳定性。 用软化系数表示，岩石在饱和状态下的极限抗压强度和在风干状态下的极限抗压强
20、度的比，小数表示。 软化系数越大越好，表示岩石在水作用下的强度和稳定性越好。软化系数小于0.75的岩石，认为是软化性较强的岩石，工程性质比较差。,主要物理性质软化性,47,岩石的工程地质性质,岩石抵抗冻融破坏的性能。通常用抗冻系数表示。 KR抗冻系数：岩样在正负25摄氏度的温度区间内，反复降温、冻结、升温、融解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强度的比值。（抗压强度的降低率）小于20%-25%的岩石，抗冻的(KR75%)。 岩石在反复冻融后强度降低，主要原因是： 构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时，由于矿物的胀缩不均而导致岩石结构的破坏； 当温度降到0摄氏度以
21、下时，岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。,主要物理性质抗冻性,48,岩石的工程地质性质,在弹性变形范围内，变形性能一般用弹性模量和泊松比两个指标来表征。 弹性模量：应力与应变之比。弹性模量越大，变形越小，岩石抵抗变形的能力越强。国际单位制：帕斯卡（Pa） 泊松比：横向应变与纵向应变之比。泊松比越大，表示岩石受力作用后的横向变形越大。岩石的泊松比一般在0.2-0.4之间。 严格来说，岩石不是理想的弹性体，因而表达岩石变形特性的物理量也不是一个常数。通常所提供的弹性模量和泊松比，只是在一定条件下的平均值。,主要力学性质-岩石的变形,49,
22、岩石的工程地质性质,岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应力称为岩石的强度。 抗压强度：岩石抵抗压缩破坏的能力。与岩石的结构和构造有关，同时受矿物成分等影响，差别很大。 抗拉强度：岩石抵抗拉伸破坏的能力。 抗剪强度：岩石抵抗剪切破坏的能力。（抗剪断强度、抗剪强度、抗切强度） 抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最低。 抗剪强度约为抗压强度的10%-40%；抗拉强度仅是抗压强度的2%-16%。,主要力学性质-岩石的强度,50,岩石的工程地质性质,岩石的地质特征 矿物成分高强度的矿物成分未必有高的岩石强度。 结构胶结程度，硅质铁质、钙质泥质 构造片状、板状和千枚状 岩石形成后的外部因素 风
23、化作用 水,影响岩石工程性质的因素,51,三、岩体结构,岩体结构受结构面的空间分布与组合形式控制。 岩体结构：指结构面的发育程度及其组合关系；或者指结构体的规模、形态及其排列形式所表现的空间形态。 结构面分为两大类： 物质分异面，如层面、软弱夹层、岩浆侵入接触面等 。岩体中的不连续面，如断层、节理、风化与卸荷裂隙等,52,1.结构面的类型及特征,成因类型与特征(直观),三、岩体结构,53,1.结构面的类型及特征,力学类型与特征(抽象) 1) 破裂结构面 岩体中无填充的节理、片理和劈理等，在法向应力下呈现刚性接触，属硬性结构面。其抗剪强度主要取决于结构面的几何特性，如起伏度、粗糙度等。受力应变硬
24、化和应变软化，tan()增大0.20.4，c值增加100300kPa 2) 破碎结构面 如断层破碎带、风化破碎带、层间夹层破碎带等，可有不同程度的胶结。抗剪强度主要取决于填充物质的成分、结构和胶结强度。,三、岩体结构,54,力学类型与特征(抽象) 3) 层状结构面:指岩体中不连续的成层结构面，如层面、层理及软弱夹层等。结构面的强度主要取决于结构面的胶结程度及软层本身的剪切强度，变化幅度较小，变形呈应变软化曲线。具有波状起伏的波痕，将使岩层的抗剪强度大为提高。 4) 泥化结构面:塑性泥质组成的结构面，如断层泥、层间错动泥化夹层、裂隙夹泥和层面夹泥等。由于泥质富集，这类结构面易变形、强度低。其抗剪
25、强度主要取决于填充物的粘土矿物成分、微观结构、含水量和固结度。应力应变呈非线性增长，呈屈服剪切型。,1.结构面的类型及特征,三、岩体结构,55,三、岩体结构,1.结构面的类型及特征,结构面分级,56,2.岩体结构基本类型和特征,划分依据 首先要依据岩石组合特征 其次应充分反映岩体的不均一性和不连续性。,三、岩体结构,57,三、岩体结构,岩体结构类型的具体划分 (见课本4346页)要明白有、级结构划分，随着等级升高其连续性越差。 岩土工程勘察规范（GB50021-2001），在岩体的结构类型划分中去掉了镶嵌结构，并将层状碎裂结构和破碎结构一起归并为碎裂结构。,2.岩体结构基本类型和特征,58,5
26、9,块状结构,层状碎裂结构,碎裂结构,层状结构,镶嵌结构,散体结构,60,四、岩体结构的力学效应,实质上就是探讨岩体结构对力学作用的影响，也即是岩体的应力传播、岩体的变形破坏受岩体结构的控制。 1) 岩体变形机制 岩体变形与连续介质变形明显不同，由结构体变形与结构面变形两部分组成。岩体的变形主要决定于结构面的发育程度，如块裂结构岩体、碎裂结构岩体、完整结构岩体 2) 岩体破坏机制 岩体破坏的难易程度、破坏规模、破坏过程和破坏方式，张破坏、剪破坏和流动变形破坏。 3) 岩体力学性质与力学介质 研究方法采用典型地质单元力学试验与岩体地质研究相结合的综合研究方法。连续介质与非连续介质,61,四、岩体
27、结构的力学效应,4) 岩体赋存环境与结构力学效应 地应力与地下水是重要的因素。 随地应力的提高，对于整体结构，破坏强度逐步提高；对于碎裂结构岩体，结构面作用逐渐减小，结构体力学介质向连续转化。 地下水的力学效应表现在两个方面：孔隙水或裂隙水压力作用；软化作用。,总结，岩体结构的控制作用体现在如下方面：对工程岩体的特性起着本质作用；控制着工程岩体的变形与破坏；制约着工程岩体的稳定性。,62,四、岩体结构的力学效应,分析岩体结构对岩体稳定性的影响，注意如下问题在工程地质模型基础上，经过初步的结构分析，作出定性与宏观判断。依据岩体结构面与工程岩体的接触关系，可以准确确定岩体的边界条件。结构面的组合关
28、系控制着岩体的稳定性与失稳机制。岩体结构控制着地下水与地应力。通过起伏角、尺寸效应和结构面产状，可以充分反映岩体结构对岩体稳定性的控制作用。 最后将工程地质模型转化为力学模型，就能较准确的评价岩体稳定性。,63,主要内容,一、概念： 结构面、结构体 二、简答 岩石组合特征及其划分依据是什么？ 简述结构面的成因类型与力学类型？ 岩体结构划分的依据是什么？ 简述泥质结构面的特点？ 如何区分岩石和岩体？,64,三、分析 1、在如下的地形地质图中，指出黑色加粗曲线分别代表那类岩层(水平岩层、直立岩层和倾斜岩层）？,65,三、分析 2、说明该地区有那些褶曲类型，并作出相应解释 ？,K侏罗纪；T三叠纪； P二叠纪；C石炭纪； D泥盆纪；S志留纪；,
