第二章 岩块和岩体的地质特征

第二章岩块和岩体的地质特征

第一节概述

岩体与岩块本质的区别：

①岩体中存在有各种各样的结构面；

②不同于自重应力（场）的天然应力场和地下水。

第二节岩块

一、岩块的物质组成（substance composition）

1．岩块（rock or rock block）

指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元。

国内外，有些学者又称为结构体（structural element）、岩石材料（rock material）及完整岩石（intact rock）等等。

2．岩石（rock）

具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集合体。

3．岩块的力学性质

一般取决于组成岩块的矿物成分及其相对含量。

造岩矿物五大类：含氧盐、氧化物及氢氧化物、卤化物、硫化物、自然元素。

其中，含氧盐中的硅酸盐、碳酸盐及氧化物类矿物最常见，构成99.9%的岩石。

（1）硅酸盐类矿物：长石、辉石、角闪石、橄榄石及云母和粘土矿物等。

①长石、辉石、角闪石和橄榄石，硬度大，呈粒、柱状晶形，如含此类矿物多的岩石：花岗岩、闪长岩及玄武岩等，强度高，抗变形性能好。多生成于高温环境，易风化成高岭石、水云母等，无以橄榄石的基性斜长石等抗风化能力最差，长石、角闪石次之。

②粘土矿物：属层状硅酸盐类矿物，主要有高岭石、水云母（伊利石）和蒙脱石三类，具薄片状或鳞片状构造，硬度小。含此类矿物多的岩石如粘土岩、粘土质岩，物理力学性质差，并具有不同程度的胀缩性。

（2）碳酸盐类矿物

是石灰岩和白云岩类的主要造岩矿物。岩石的物理力学性质取决于岩石中CaCO3及酸不溶物的含量。

CaCO3含量↑，如纯灰岩、白云岩等强度高，抗变形和抗风化性能比较好；

泥质含量↑，如泥质灰岩、泥灰岩等，力学性质较差；

硅质含量↑，岩石性质将娈好。

碳酸盐类岩体中，常发育岩溶现象。

（3）氧化物类矿物

以石英最常见，是地壳岩石的主要造岩矿物。

硬度大，化学性质稳定。石英↑，岩块的强度和抗变形性能明显增强。

4．岩块的矿物组成与岩石的成因及类型密切相关

（1）岩浆岩：多以硬度大的粒柱状硅酸盐、石英等矿物为主，物理力学性质一般很好。

（2）沉积岩：粗碎屑岩如砂砾岩等，力学性质很大程度上取决于胶结物成分及其类型；细碎屑岩如页岩、泥岩等，多以片状的粘土矿物为主，力学性质一般很差。

（3）变质岩：与母岩类型及变质程度有关。

浅变质岩如千枚岩、板岩等，多含片状矿物（如绢云母、绿泥石及粘土矿物等），岩块力学性质较差。

深变质岩如片麻岩、混合岩、石英岩等，多以粒状矿物（如长石、石英、角闪石等）为主，力学性质好。

二、岩块的结构与构造（structure and construct）

1．岩块的结构（岩石结构）

指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。

二者对岩块（石）的工程性质影响最大。

（1）岩石中结构连结的类型有两种：

①结晶连结(crystal connect)

如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩。

②胶结连结(cementing connect)

如沉积碎屑岩、部分粘土岩，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。

从胶结物来看，硅质胶结的岩石（块）强度最高，铁质、钙质胶结次之，泥质胶结强度最低，且抗水性差。

从胶结类型来看，基底式胶结（a）强度最高，孔隙式胶结（c）次之，接触式胶结（b）最低,见图2.1。

图2.1 碎屑岩胶结类型

（2）微结构面

指存在于矿物颗粒内部或颗粒之间的软弱面或缺陷（空隙），包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层面及片理面、片麻理面等。

降低岩块的强度，导致岩块力学性质的明显各向异性。

2．岩块的构造

指矿物集合体之间及其与其它组分之间的排列组合方式。

如岩浆岩中的流线、流面构造，沉积岩中的微层状构造，变质岩中的片状构造及其定向构造等等。

三、岩块的风化程度（weathering extent）

风化程度↑，岩块的空隙率和变形随之增大，强度降低，渗透性加大。

如：花岗岩类岩石→破裂→雨水中的H2CO3分解→H2CO3与长石、云母、角闪石等矿物作用→Fe、Mg、K、Na等可溶盐析出与游离SiO2被地下水带走→岩屑、粘土物质和石英颗粒留于原地。

1．定性指标：颜色、矿物蚀变（ablation）程度、破碎程度及开挖锤击技术特征等。

2．定量指标：

（1）风化空隙率指标（Iw）（Hamral，1961）：

快速浸水后风化岩块吸入水的质量与干燥岩块质量之比。

（2）波速指标（据《岩土工程勘察规范》GB50021-2001）（附表A.0.3，岩石按风化程度分类）

波速比（K v ）：rp cp

v V V K = 风化系数（K f ）：cw

cw f K σσ'= 其中：V cp 、V rp 分别为风化岩块和新鲜岩块的纵波速度（m/s ）；

cw σ'、cw σ分别为风化岩块和新鲜岩块的饱和单轴抗压强度（Mpa ）。

第三节 结构面

结构面（structural plane ）：指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度、厚度相对较小的宏观地质界面或带。

“不连续面（discontinuities ）或节理（joint ）”

一、结构面的成因类型

（1）地质成因类型

原生结构面：岩体在成岩过程中形成的。

（包括沉积结构面如层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面；岩浆结构面；变质结构面） 构造结构面：断层、节理、劈理和层间错动面等。

次生结构面：如卸荷、风化裂隙和次生夹泥和泥化夹层等。

（2）力学成因类型

剪性结构面：剪应力引起，如逆断层、平移断层以及多数正断层。

连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等现象发育。

张性结构面：拉应力引起。如羽毛状张裂面、纵张及横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等。

张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎带较宽等特征。

其构造岩多为角砾岩，易被充填。含水丰富，导水性强。

二、结构面的规模及分级

（1）按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，可将结构面分为如下5级，见表2－1：

（2）从工程地质测绘观点来看，可分为两大类：⎪⎪⎪⎪⎩

⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧Ⅴ级结构面Ⅳ级结构面

统计结构面Ⅲ级结构面

Ⅱ级结构面Ⅰ级结构面实测结构面结构面分级