地下建筑结构 第二章 地下工程岩体结构与力学性质.

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主要为均质、巨块状岩浆岩、变 质岩,巨厚层、厚层沉积岩、正 变质岩、块状岩浆岩、变质岩; 主要结构形状为巨块状、块状、 柱状。
1 整体与块状结构
2 层状结构
有层理、片理、节理,常有层间错动。 接近均一的各向异性体,其变形及强度特征受层面及岩层组合
控制,可视为弹塑性体,稳定性较差,可能发生不稳定结构体 滑塌,特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形。 主要为多层近似平行的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩;主 要结构形状为层状、板状、透镜体。
岩体 :岩块和分割它们的不连续面组成的地质体 。 不连续面:也被称为结构面。(断层、软弱层面、大多数
节理、软弱片理和软弱带等各种力学因素形成的破裂面和 破裂带 ) 地下工程岩体:指地下工程所处于的岩体(包括建筑、水 利、矿山、交通等领域的工程) 。 地下工程岩体两个特点:存在各种结构面、岩体始终处于 一定的地应力和渗流作用下。
特点: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,易被充填,常含水丰 富,导水性强
2、剪性结构面是剪应力形成的,破裂面两侧岩体 产生相对滑移,如逆断层、平移断层以及多数正 断层等。
特点:连续性好,面较平直,延伸较长并有擦痕 镜面等。
二、结构面的规模
Ⅰ级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区 的地壳稳定性,直接影响工程岩体稳定性;
N
N
12
9
10
8
7
8
W
E
W
E6
5
6
4 4
3
2
2
S
0
0
2
4
6
8 10 12
T=10cm T=30cm T=50cm T=70cm
七 形态
结构面的形态可以用侧壁的 起伏形态及粗糙度来反映。
结构面侧壁的起伏形态分为: 平直的、波状的、锯齿状的、 台阶状的和不规则状的。
侧壁的起伏程度可用起伏角
Ⅴ级 又称微结构面。常包含在岩块内,主要影响 岩块的物理力学性质,控制岩块的力学性质。
三、 产状
走向、倾向、倾角 结构面与最大主应
力间的关系控制着 岩体的破坏机理与 强度。
据单结构面理论,岩体中存在一组结构面时,岩体的极限强 度与结构面倾角间的关系为:
1
3

2(C j 3tg j (1 tg j ctg ) sin
结构体指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。它不同于 岩块的概念。
结构体的规模取决于结构面的密度,与结构面对应,划分 为五级。
结构体规模常用块度模数(单位体积内Ⅳ级结构体数)或 结构体体积来表示。
结构体常见的形状:柱状、板状、楔形、菱形
2.1.2 岩体结构类型
根据结构面对岩体力学性质和围岩稳定性的影响, 工程地质学将岩体划分为4种结构类型:
3 碎裂结构
含镶嵌结构、层状碎裂结构和碎裂结构;主要结构形状为块 状;断层、断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育, 裂隙结构面间距0.25~0.5m,结构面组数一般在2组以上。
完整性很差,整体强度很低,并受断裂等软弱结构面控制, 多呈弹塑性介质,稳定性很差。可能发生规模较大的岩体失 稳,地下水问题。
结构面张开度分级表
描述
很紧密 紧密
部分张开 张开
中等宽的 宽的
很宽的 极宽的 似洞穴的
结构面张开度 (mm)
<0.1 0.1~0.25 0.25~0.5
0.5~2.5 2.5~10
>10
10~100 100~1000
>1000
分类 闭合结构面 裂开结构面 张开结构面
Ⅳ级及部分Ⅲ级结构面的产状、迹长、间距及张 开度等几何特征参数,服从一定的随机分布规律。
未胶结的结构面,力学性质取决于其充填情况,可分为: 薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填4类 1 薄膜充填是结构面两壁附着一层极薄的矿物膜,厚度 多小于1mm,多明显降低结构面的强度。 2 断续充填结构面的力学性质与充填物性质、壁岩性质 及结构面的形态有关。 3 连续充填结构面的力学性质主要取决于充填物性质。 4 厚层充填结构面的力学性质很差,主要取决于充填物 性质,岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。
邻结构面的平均距离。
Kd与d互为倒数关系
如果测线水平布置,且与结构面法线的夹角为α ,
结构面的倾角为β 时:
Kd

L sin
n
cos

sin
K
' d
cos
结构面间距分级表
描述 极密集的间距 很密集的间距
密集的间距 中等的间距 宽的间距 很宽的间距 极宽的间距
间距(mm) <20 20~60
5、常具有一定的胀缩性 6、力学性质比原岩差
7、强度低 8、压缩性高 9、易产生渗透变形
十、结构面的组合关系
结构面的组合关系控制着可能滑移岩体的几何边 界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型, 它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。
面积之和与总面积的比值。
结构面连续性分级表
描述 很低连续性
低连续性 中等连续性
高连续性 很高连续性
迹长(m) <1 1~3 3~10
10~20 >20
五 密度
结构面的密度反映结构面发育的密集程度。
1、线密度(Kd)是指结构面法线方向单位测线长度 上交切结构面的条数(条/m)。
2、间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相
4 散体状结构
主要为构造影响剧烈的断层破碎带,强风化带,全风化带; 主要结构形状为碎屑状、颗粒状;断层破碎带交叉,构造 及风化裂隙密集,结构面及组合错综复杂,并多充填粘性 土,形成许多大小不一的分离岩块。
完整性遭到极大破坏,稳定性极差,岩体属性接近松散体 介质,可能发生的岩土工程问题为易引起规模较大的岩体 失稳,地下水量加剧,岩体失稳。
60~200 200~600 600~2000 2000~6000 >6000
用线密度来估算岩体质量指标RQD(rock quality designation)
RQD 100e 0.1kd (0.1kd 1)
岩体质量指标RQD:长度大于10cm的岩心长度 之和与钻孔总进尺的百分比。
)
2
四 连续性
结构面的连续性反映结构面的贯通程度。 1、线连续性系数:指沿结构面延伸方向,结构面
各段长度之和(Σa)与测线长度的比值。
a K1
a b
K1变化在0~1之间,K1值愈大说明结构面的连续性
愈好,当K1=1时,结构面完全贯通。 2、面连续性系数:指沿结构面延伸方向,结构面
1卸荷裂隙 2风化裂隙 3风化夹层 4泥化夹层 5次生夹泥层
产状
一般与岩层产 状一致,为层 间结构面
岩脉受构造结 构面控制,而 原生节理受岩 体接触面控制
产状与岩层或 构造方向一致
产状与构造线 呈一定关系, 层间错动与岩 层一致
受地形及原结 构面控制
主要特征
分布
性质
海相岩层中此类结构面分 布稳定,陆相岩层中呈交 错状,易尖灭
第2章 地下工程岩体结构与力学性质
§2.1 地下岩体结构类型 §2.2 结构面类型与特征 §2.3 岩体结构力学特征
2.1 地下岩体结构类型
2.1.1 岩体的结构
岩体结构(rock mass structure)指岩体中结构面与结构 体的排列组合关系。
基本的岩体结构单元有两类四种 :
概述
整体与块状结构 层状结构 碎裂状结构 散体状结构
以原生构造节理为主,只具有少 量贯穿性较好的节理裂隙,多呈 闭合型,裂隙结构面间距大于 0.7m,一般不超过1~2组,基本 无危险结构面组成的落石掉块, 偶有少量分离体。
整体性好,强度高,结构面互相 牵制,岩体稳定,可视为均质弹 性各向同性体,可能发生的岩土 工程问题为不稳定结构体的局部 滑动或坍塌,以及深埋洞室的岩 爆。
RQD

长度大于10cm的岩心长度之和 钻孔总进尺
100%
六 张开度
结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。 结构面两壁面一般不是紧密接触,使结构面实际接
触面积减少,导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。
如在层流条件下,平直而两壁平行的单个结构面的 渗透系数(Kf)可表达为:
Kf
ge2 12v
一般不造成大规模的岩体破坏,但 有时与构造断裂配合,也可形成岩 体的滑移,如有的坝肩局部滑移
片理短小,分布极 密,片岩软弱夹层 延展较远,具固定 层次
张性断裂较短小, 剪切断裂延展较远, 压性断裂规模巨大, 但有时为横断层切 割成不连续状
结构面光滑平直,片理在岩层 深部往往闭合成隐蔽结构面, 片岩软弱夹层具片状矿物,呈 鳞片状
Ⅱ级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。
Ⅲ级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、
延伸较好的层面及层间错动等。 Ⅱ、Ⅲ级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条 件和破坏方式,它们的组合往往构成可能滑移岩体 的边界面,直接威胁工程安全稳定性
二、结构面的规模
Ⅳ级 指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断 层及较发育的片理、劈理面等。是构成岩块的边界 面,破坏岩体的完整性,影响岩体的物理力学性质 及应力分布状态。 Ⅳ级 结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物 理力学性质,数量多且具随机性,其分布规律具统 计规律,需用统计方法进行研究。
张性断裂不平整,常具次生充 填,呈锯齿状,剪切断裂较平 直,具羽状裂隙,压性断层具 多种构造岩,成带状分布,往 往含断层泥、糜棱岩
在变质较浅的沉积岩,如千枚岩等 路堑边坡常见塌方。片岩夹层有时 对工程及地下洞体稳定也有影响
对岩体稳定影响很大,在上述许多 岩体破坏过程中,大都有构造结构 面的配合作用。此外常造成边坡及 地下工程的塌方、冒顶
§ 2.2 结构面的类型与特征
一、结构面的成因类型
(一)地质成因类型 原生结构面 构造结构面 次生结构面 (二)力学成因类型 张性结构面 剪性结构面
(一)地质成因类型
1.原生结构面 岩体在成岩过程中形成的结构面。 沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的,有层理
面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。 岩浆结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面,包括
(i)表示。
i arctg( 2h ) L
结构面的粗糙度用粗糙 度系JRC(joint roughness coefficient) 表示。
随粗糙度的增大,结构 面的摩擦角也增大。
根据标准粗糙度剖面将 结构面的粗糙度系数划 分为10级。
八 充填胶结特征
结构面胶结后力学性质有所增强,Fe质胶结的强度 最高,泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低,且抗水 性差。
九 软弱结构面
软弱结构面是岩体中具有一定厚度的软弱带(层), 与两盘岩体相比具有高压缩和低强度等特征,在产 状上多属缓倾角结构面。
主要包括原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化 夹层及其他夹泥层等。
特性:
1来自百度文库由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构 或泥质
定向结构
2、粘粒含量很高
3、含水量接近或超过塑限 4、密度比原岩小
岩体结构面的类型及其特征
成因类 型
沉积 结构
原面 生 岩浆 结 岩结 构 构面 面 变质
结构 面
构造结 构面
次生结 构面
地质类型
1层理层面 2软弱夹层 3不整合面、假整合面 4沉积间断面
1侵入体与围岩接触 面 2岩脉岩墙接触面 3原生冷凝节理
1片理 2片岩软弱夹层
1节理(X型节理、 张节理) 2断层(冲断层、捩 断层、横断层) 3层间错动 4羽状裂隙、劈理
岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原 生冷凝节理等。 变质结构面在变质过程中形成,分为残留结构面和重结晶 结构面。
2.构造结构面 是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种 破裂面,包括断层、节理、劈理和层间错动面等。
3.次生结构面 是岩体形成后在外营力作用下产生的结构面, 包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。
层面、软弱夹层等结构面较为平整; 不整合面及沉积间断面多由碎屑泥质 物构成,且不平整
工程地质评价
国内外较大的坝基滑动及滑坡很多由此类结 构面所造成的,如奥斯汀、圣·弗朗西斯、 马尔帕塞坝的破坏,瓦依昂水库附近的巨大 滑坡
接触面延伸较远, 比较稳定,而原生 节理往往短小密集
与围岩接触面可具熔合及破碎 两种不同的特征,原生节理一 般为张裂面,较粗糙不平
分布上往往呈不连 续状,透镜状,延 展性差,且主要在 地表风化带内发育
一般为泥质物充填,水理性质 很差
在天然及人工边坡上造成危害,有 时对坝基、坝肩及浅埋隧洞等工程 亦有影响,但一般在施工中予以清 基处理
(二)力学成因类型
1、张性结构面是由拉应力形成的,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
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