河海大学工程地质第四章

• 结构体：结构面在空间的分布和组合可将岩体切割成形 状、大小不同的块体，称结构体。
• 2.岩体的工程地质特征
• ⑴岩 体是复 杂的地 质体
• 形成过程复杂：是地质历史的产物，经历过多期 构造运动。
• 组成复杂：岩性、风化状态的多样性 • 结构复杂：存在大量各种成因的结构面
• 处于复杂的、变化的地质环境中
• 2.岩体的流变特征
• 流变性——物体在外部条件不变的情况下，应力或应变随时 间而变化的性质。有蠕变和松弛两种表现形式。
•
⑴蠕变:在应力一定的条件下变形随时间的持续而逐渐增长
的现象。
•
⑵松弛：在变形保持一定时，应力随时间的增长而逐渐减小
的现象。
• ⑶岩体的蠕变曲线，因恒定荷载大 小不同可分为两种类型。一类是在较 小的恒定荷载作用下（σ<σ∞），变 形随时间增长，变形速率递减最后趋 于稳定。另一类为趋于非稳定的蠕变 ，即当恒定荷载超过某一极限值后（ σ＞σ∞），变形随时间不断增长，最 终导致破坏。
沉积成因的、岩浆活动成因的、变质成因的
分布：成层条件好，层次多、有韵律、分布广、 厚度大、延伸远、产状稳定、且与岩层一致。
次生型:
风化、地下水外营力作用形成的夹层
分布：产状不稳定，厚度变化大，成层条件不好 ，主要分布在风化卸荷带或地下水循环带内
构造型:
层间错动带;断层破碎带
分布：厚度变化大，延续通过多种岩性，倾角变
组，无危险结构
岩体稳定，可视 为均质弹性各向
同性体
块状 柱状
有少量贯穿性裂隙，间 距0.7~1.5m。一般为2~3
组，有少量分离体
结构面互相牵制 ，岩体基本稳定 ，接近弹性各向
同性体
层状 板状 透镜体
有层理、片理、节理， 常有层间错动面
变形和强度受层 面及层面控制， 可视为各向异性 弹塑性体，稳定
性较差
• 典型的蠕变曲线可分为三个阶段：
• ①初始蠕变阶段，如上图中的OA段。其特点是变形速率逐渐减
• 泥化夹层在长期渗水作用下的演变趋势——化学成分的变化（ 主要发生盐类的溶解、阳离子的交换、碳酸钙的溶蚀、游离氧 化物的溶解、胶溶及氧化还原反应）；渗透稳定的变化（恶化机械管涌、爆发式挤出破坏）；抗剪强度的变化(降低）。
• 泥化夹层在特定条件下的流变特性和长期强度——泥化夹层 具有流变性，宜取长期强度或剩余强度(约峰值的80％)；反 复荷载作用下取残余强度；动力强度(振动对泥化夹层强度的 影响程度与振动的振幅、频率和夹层的孔隙比有关。)
的岩爆
可沿结构面滑 塌，软岩可产
生塑性变形
易发生规模较 大的岩体失稳 ，地下水加剧
失稳 易发生规模较 大的岩体失稳 ，地下水加剧
失稳
• 4.3岩体的主要力学特性
• 岩体易于岩块变形，并且其强度显著低于岩块的强度。
• 1.岩体的变形特征
•
岩体的变形包括结构面变形和结构体变形。如图所示，岩
体的应力－应变曲线可分为四个阶段：图中OA段曲线呈凹状缓
外营力较活动的部位，也常常是这些营力的改造作用能深入岩
体内部的重要通道，往往发展为重要的控制面。
总之，对岩体的结构特征的研究，是分析评价区域稳定
性和岩体稳定性的重要依据。
研究结构面最关键的是研究各类结构面的分布规律、发育密
度、表面特征、连续特征以及它们的空间组合形式等。
4.1 岩体结构特征及主要类型
• ②外动力形成的结构面
• 构造裂 隙
•
主要是由风化作
用、卸荷及人类活动所
形成的结构面，其特点
是只分布在地表或地表
以下数十米的范围内。
• ——有风化裂隙、卸 荷裂隙和次生夹泥层 。
• △次生裂隙：地壳运动在岩体中形成的构造裂隙，风化和卸荷 作用形成的裂隙。
• 2.结构面的特征
• ⑴规模：机构面的规模大小相差悬殊。大者可延展数十公里 ，宽度可达数十米。规模小的延展仅数十厘米或数十米，甚至可 以十很微小的不连续裂隙。 • ⑵方位：即结构面的产状
• 1.结构面的成因类型
• ⑴原生结构面——物质分异面
• ①沉积结构面
•
沉积岩的层理、层面、沉积间断面
及沉积软弱夹层等陡属于沉积结构面。
• ②火成结构面
•
岩浆侵入、喷溢及冷凝过程中形成的结构面，如流面、冷
凝节理、侵入体与围岩的接触面及岩浆间歇喷溢所形成的若若接
触面。
• ③变质结构面
•
变质结构面可分为残留的变余结构面和变成的重结晶结构
结构类型 岩体地质类型
整体状 结构
巨块状岩浆岩、 变质岩，巨厚层
沉积岩
块状 结构
厚层状沉积岩， 块状岩浆岩、变
质岩
层状 结构
多韵律的薄层、 中厚层状沉积岩
，副变质岩
碎裂状 构造影响严重的
结构
破碎岩层
散体状结构
断层破碎带，强 风化及全风化带
结构体 结构面发育情况
岩土工程特征
巨块状
以层面、原生、构造节 理为主，多呈闭合型， 间距大于1.5m，一般1~2
• ⑽块体大小：由数组结构 面切割而成的岩石块体，一 般称为结构体。
• 体积节理组数Jｖ——是单 位体积通过的总节理数。可 根据此来堆块体大小进行分 类。
• 3.软弱夹层——夹在岩体中的泥质和炭质含量高，遇水易 软化，延伸长、厚度薄，物理力学性质差的软弱岩层。
• ⑴软弱夹层的成因与分 类 原生型:
• 地下水和风化作用是泥化夹层的必要条件：地下水的浸泡、软 化、泥化、溶解和崩解作用；风化的机械破坏和风化作用。
• ②泥化夹层的基本特征
• 泥化夹层的结构特征——具有明显错动面和分带性，通常可 有三种不同的构造影响带，即节理带、劈理带和泥化带
• 泥化夹层的矿物成分和化学成分——矿物成分以粘土矿物为 主，与母岩性质和后期改造程度有关；粒度成分以粘粒和粉 粒为主；主要化学成分位SiO2、Al2O3、Fe2O3
黄委（据小浪底的研究成果）建议：
▪软岩夹层（砂岩间的页岩、粘土岩、粉砂岩薄层） ▪泥化夹层
泥化夹层按粒度成分和厚度变化可分为:
▪全泥型：厚度大于3mm，不夹角砾 ▪泥夹粉砂和粉砂夹泥型：角砾含量小于10%的 粉土层 ▪泥膜型：不含角砾的薄粘土层 ▪泥夹角砾型：角砾含量小于10%的粘土层 ▪角砾夹泥型：角砾含量在10~50%的粘性土层
• ⑺张开度：指结构面两壁间的垂直距离。 • ⑻充填物：结构面内常见有砂、粘土、角砾、岩屑及硅质、
钙质、石膏质沉淀物。铁或硅质胶结者强度最高，泥质及易溶盐 类胶结者强度低、抗水性差。未胶结的充填物强度低，充填厚度 不同时，变形和强度不通 • ⑼节理组数：节理组数的多少，决定了岩石块体的大小及岩体 的结构类型。
坡（节理压密闭合造成）；AB段是结构面压密后的弹性变形阶
段；BC段呈曲线形（表明岩体已产生微破裂或塑性பைடு நூலகம்形）；C点
的应力值是岩体的峰值强度；过C点后产生应力降表明岩体进入
全面的破坏阶段。
•
变形模量和弹性模量是表征岩体变
形的重要参数。如图示，岩体在反复荷
载作用下对应于每一级压力的变形，均
有弹性变形εe和ep两部分。变形模量E0
和弹性模量Ee分别为：
• 岩体的变形模量可以表示岩体质量的好坏
• 根据岩体中结构面发育情况、充填情况及岩石性质的差异， 岩体在加载变形过程中，其压力P与变形W的关系曲线可以 分为三种类型： • ——直线型：岩体节理不发育，岩体坚硬完整 • 。——上凹型：岩土中节理发育且充填不好。 • ——上凸型：岩性软弱或深部埋藏有软弱夹层。
碎块状
断层、节理、片理、层 理发育，结构面间距
0.25~0.5m，一般在3组 以上，有许多分离体
整体强度很低， 并受软弱结构面 控制，呈弹塑性 体，稳定性很差
碎屑状
构造和风化裂隙密集， 结构面错综复杂，多充 填粘性土，形成无序小
块和碎屑
完整性遭极大破 坏，稳定性极差 ，接近松散体介
质
岩土工程问题
局部滑动或坍 塌，深埋洞室
• ⑶间距：指相邻结构面间的垂直距离，通常是指一组结构面 的平均间距。反映岩体的完整性。 • ⑷延续性：表征结构面延伸长度和展布范围的指标。
• ⑸粗糙度：结构面的形 态有平直的、波状的、锯齿 状的、台阶状的和不规则状 的几种。起伏程度用起伏差 和起伏角表示。
• ⑹结构面侧壁强度：它可以反映结构面经受风化的程度。
• ⑵岩体的强度主要取决于结构面的强度
• ⑶岩体的变形主要取决于结构面闭合、压缩、张裂和剪切滑移 ，岩体的破坏形式主要取决结构面的结合形式
• ⑷岩体中存在复杂的天然应力场、温度场和渗流场。 • 3.岩体的结构特征的研究意义 ⑴岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它导致
岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。只有掌握 岩体的结构特征，才有可能阐明岩体不同荷载下内部的应力 分布和应力状况。
•岩体完整性差，呈薄层状，结构面发育，间距一般小于10cm
•岩体完整性差，岩块镶嵌紧密，结构面较发育到很发育，间距一般30-10cm
•岩体较破碎，结构面很发育，间距一般小于10cm •岩体破碎，岩块夹岩屑或泥质物 •岩体破碎，岩屑或泥质物夹岩块
⑵ 岩土工程勘察规范（GB 50021-2001）实行的分类标准
⑵岩体的结构特征对岩体在一定荷载条件下的变形破坏方式和
强度特征起着重要的控制作用。岩体中的软弱结构面，常常成
为决定岩体稳定性的控制面，各结构面分别为确定坝肩岩体抗
滑稳定的分割面和滑移控制面。
⑶靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确定了外营力对
岩体的改造进程。这是由于结构面往往是风化、地下水等各种
• 泥化夹层的水理性质——泥化夹层的膨胀量与膨胀力，主要 与粘土矿物成分和微结构面的发育程度有关，以蒙脱石为主 的夹层，膨胀量可大8％；泥化夹层具有明显渗流层状分带现 象和渗流集中的特点。
• 泥化夹层的物理力学性质——主要由夹层内物质成分、结构特 征、上下界面形态决定。物理力学性质差：“三高”（高含水量 、高崩解性、高分散性）“三低”（低重度、低强度、低模量）
河海大学工程地质第四 章
2020年6月1日星期一
概述
•1. 基本概念及研究意义 • 岩体（rockmass）通常指地质体中与工程建设有关的
那一部分岩石，它处于一定的地质环境、被各种结构面所 分割。岩体具有一定的结构特征，它由岩体中含有的不同 类型的结构面及其在空间的分布和组合状况所确定。 • 结构面是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、 两向延伸（或具有一定厚度）的地质界面（或带）。如岩 层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。包括物质 分异面、不连续面和软弱夹层。
•碎裂结构 •碎块状结构 •碎屑状结构
•岩 体 结 构 特 征
•岩体完整，呈巨块状，结构面不发育，间距大于100cm •岩体较完整，呈块状，结构面轻度发育，间距一般100-50cm •岩体较完整，呈次块状，结构面中等发育，问距一般50-30cm •岩体完整，呈巨厚层状，结构面不发育，间距大于100cm •岩体较完整，呈厚层状，结构面轻度发育，间距一般100-50cm •岩体较完整，呈中厚层状，结构面中等发育，间距一般50-30cm •岩体较完整或差，呈互层状，结构面较发育，间距一般30-10cm
• ⑵泥化夹层
• ——是软弱夹层中物理力学性质最差、强度最低的关键部位， 对岩体稳定性往往起控制作用，是软弱夹层工程地质研究的重点 •。①泥化夹层形成的基本条件 • 软弱夹层是形成泥化夹层的物质基础：提供泥质和炭质矿物；
• 构造破坏是形成泥化夹层的主导因素：裂隙化破坏了硬岩对 软岩的保护作用；层间错动对软弱岩层的研磨作用。
4.岩体结构分类
⑴ 水利水电工程地质勘察规范（GB 50287-99）实行的分类标准:4大类12亚类
•类 型 •块
状 •结 构
•层 •状 •结 •构
•碎 裂结 •构散
体 •结 构
•亚 类 •整体状结构
•块状结构 •次块状结构 •巨厚层状结构 •厚层状结构 •中厚层状结构 •互层状结构 •薄层状结构 •镶嵌碎裂结构
面两种。前者为沉积岩浅变质所具有，层面仍保留，但在层面
上有绢云母、绿泥石等鳞片状矿物密集并定向排列。重结晶结
构面主要有片理和片麻理。
• 玄武岩的原生柱状裂 隙
• 沉积岩的层间裂隙
• ⑵次生结构面
• ①内动力形成的结构面
• ——节理（X型节理，张节理）
• ——断层（正断层，逆断层，走滑断层
• ）——层间错动带，羽状裂隙，破劈理
❖ 长委（据葛洲坝的研究成果）建议：
▪ 软岩夹层:夹在坚硬岩体中的薄层软弱岩层
▪ 碎块夹层:80%以上粒径大于2mm的粗碎屑（ 碎块、砾石）,粘粒含量少于10%
▪ 碎屑夹层:2~0.5mm的细碎屑30%,>2mm的粗 碎屑30~50%,粘粒10~30%
▪ 泥化夹层:结构松散,粘粒含量>30%,含水量高, 密度低。