《工程地质原理》软弱岩石的工程地质研究

第二章 软弱岩石的工程地质研究
§2.4 构造岩的工程地质研究
⑶ 断层角砾岩
➢ 在张拉、挤压、剪切错动过程中都可形成。性质取决于胶结程度和胶结物。 ①张性角砾岩：角砾大小悬殊、棱角分明、胶结疏散，充填较细的岩屑、 粉末和次生矿物。 ②压性角砾岩：角砾较小、次棱角状、扁豆状、椭圆状，长轴平行主断层 面，胶结紧密、空隙较小。 ③扭性角砾岩：角砾更均匀、细小，磨圆度好。
强风化 弱（中等） 微风化
未、新鲜
VP（岩规，硬岩） ＜500 500~1000 1000~2000 2000~4000 4000~5000
＞5000
VP（岩规，软岩）
Ky（岩规，硬岩）
Ky（岩规，软岩） Kv（岩规，硬岩） Kv（岩规，软岩）
＜300
＜0.2 ＜0.1
300~700
0.2~0.4 0.1~0.3
⑷ 片状岩
➢ 主要分布于软岩中的压性、压扭性断层带。 ➢ 强烈挤压错动形成劈理和片理+重结晶矿物及细小碎屑定向排列。
特征：
①片状构造和鳞片变晶结构； ②可见揉皱带； ③可见糜棱岩化； ④片理产状与断层产状一致； ⑤性质不良、岩性软弱、强度低。
第二章 软弱岩石的工程地质研究
§2.4 构造岩的工程地质研究
700~150 ＜0.4 ＜0.3 0.4~0.6 0.3~0.5
1500~3000
0.4~0.8
0.3~0.8 0.6~0.8 0.5~0.8
3000~4000 0.8~0.9 0.8~0.9
0.8~0.9
＞4000 0.9~1.0 0.9~1.0
0.9~1.0
Kv（水电）
＜0.4
0.4~0.6
0.6~0.8
1、影响风化的因素
⑴岩石的成分与结构。
➢ 影响风化的速度、程度和风化岩特性。主要看： ①生成条件与风化条件的差异；②颜色； ③化学活动性；④均匀性。
⑵地质构造。
➢ 影响完整性→空隙率→增大岩石与地下水等风化 因素的接触面积→促使风化向内部和纵深发展
⑶气候。
➢ 决定气温、雨量、湿度，影响大：干旱地区；温 湿地区；湿热地区。
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§2.3风化岩的工程地质研究
❖ 风化的定义：地表以及接近地表的岩石或矿物，由于 温度变化、大气、水溶液和生物的作用，在原地所发 生的一系列物理化学变化。
❖ 风化的普遍存在性 ❖ 研究的意义（建基面的确定、地基处理方案的确定）
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§2.3 风化岩的工程地质研究
泽消失 可折断或捏碎 变质
强风化颜仅 心色断保色改口持变中原，具裂呈原隙干岩发砌结育块构,石岩,状但体
部分矿 物保持 原有特
征
表面和裂 弱风化隙面变色，
断口新鲜
结构大部分完 好，但风化裂 隙发育，裂隙
面风化剧烈
沿节理 裂隙面 出现次 生风化
矿物
微风化
沿节理面 略有变色
结构未变，除 构造节理外， 少见风化裂隙
⑸ 压碎岩
➢ 多分布于坚硬岩中的压性和压扭性断层带，也可见于张扭性断层。
特征：
①原岩碎裂成5~15cm的具有棱角的岩块，岩块无转动或显著位 移；
②裂隙呈不规则网状，充填松散的碎屑、岩粒、岩脉； ③呈碎裂镶嵌结构，咬合较牢固； ④性质差异较大，充填岩脉时，强度较高。
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§2.4 构造岩的工程地质研究
原因：岩性突变、地下 水位
⑶在一定条件下低部界线 （厚度）具有突变性，槽 状、囊状风化。
原因：断层破碎带、岩 脉、不稳定矿物富集带。
⑷在一定条件下可存在风化 夹层。
原因：层间错动带、软 硬互层、岩脉、片理板 理面。
分带 名称
颜色光泽
岩体结构的变 化及破碎情况
矿物成 分的变 化情况
颜色已全 结构已完全破 仅石英 全风化 改变,光 坏,呈松散状或 未风化
§2.4 构造岩的工程地质研究
⑵ 分带的确定性以及带与带之间的过渡性。
⑶ 具有明显的方向性：
➢ 垂直断裂带及平行断裂带在力学性质、渗透性和组成结构 上差异明显。
⑷ 渗透性质具双重性
透水性：平行断层面具有较强，甚至很强的透水性，从而 导致突水和渗透变形。 隔水性：垂直断层面具隔水性，主要指压性、压扭性断层
▪ 具有明显的膨胀性.尤以蒙脱石为主时，膨胀量可达8%； ▪ 渗流层状分带性以及集中渗流.
⑥物理力学性质差，具有“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）的特点；
⑦在长期渗水作用下:
▪ 化学成分发生变化:溶解（盐类、游离氧化物）、溶蚀（CaCO3）、胶溶 （SiO2）、阳离子交换（如Na+、 K+与Ca+、 Mg+）、氧化还原反应等；
⑹ 碎块岩 （属影响带）
➢ 因低序次构造形成的节理和劈理密集带，原岩成碎 块状（块体一般大于20cm），块度较大时（常见于 岩浆岩和变质岩）称构造块状岩，矿物成分、结构、 构造及产状基本保持原貌。
➢ 有岩脉充填时，性质与母岩相近。
简要总结：
▪ 不完整性 ▪ 不对称性 ▪ 形成条件（岩性、应力大小、类型、作用时间） ▪ 断层三带（破碎带、影响带、交汇带）
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第二章 软弱岩石的工程地质研究
§2.1 软弱岩石的涵义
（1）据Rc的分类
▪ 坚硬岩石： Rc＞60MPa ▪ 半（次）坚硬岩：30～60MPa ▪ 软弱岩石：＜ 30MPa
（2）据成因对软弱岩石的分类
①软质岩（原生型，即通常所指的软岩）：
粘粒含量高、胶结差、片理发育， 常见的软质岩：粘土岩、泥岩、页岩、泥灰岩；凝灰岩；千枚岩、片岩
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§2.2 软弱夹层的工程地质研究
➢ 存在的普遍性，对岩体工程稳定的控制作用。
软弱夹层：由力学强度明显低于周围岩石强度的软弱介质充填、具有 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 等特点的结构面。
泥化夹层：岩体中受物理化学作用影响，其原状结构发生显著变异且 含有大量粘粒的软弱夹层。
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§2.4 构造岩的工程地质研究
3、构造岩的工程地质性质
⑴ 具有很强的差异性： ①不均匀性。
▪ 表现在不同的构造断裂带之间、同一构造断裂带的不同部 位、与母岩之间。宽度及变化幅度、类型、水理性质、物 理性质、力学性质、均有很大差异（尤其表现在“三带”： 破碎带、影响带、交汇带）。
4、风化分带
岩土工程勘察规范： ➢未风化、微风化、中等风化、强风化、全风化、残积土。
水利水电工程地质勘察规范： ➢新鲜岩体、微风化、弱风化、强风化、全风化。
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第二章 软弱岩石的工程地质研究
§2.3 风化岩的工程地质研究
5、风化分带的依据
以定性为主，定量指标以波速资料为主（波速和曲线形态）。
分带
残积土 全风化
▪承载能力差;
▪尤其f 、c 值低,易出现岩体滑动.
③变形模量小:
▪易产生较大的沉陷或不均匀变形,导致建筑物失稳.
④水理性质差:
▪遇水易软化,崩解； ▪含水量变化时易出现明显得膨胀或收缩; ▪长期高水头作用下,可能出现管涌或潜蚀现象.
⑤流变效应明显，长期强度低。
▪岩体强度随时间降低,影响长期其稳定性.
▪ 渗透稳定性恶化：机械管涌、爆发式挤出破坏; ▪ 抗剪强度降低.
⑧具有流变性，宜取长期强度或残余强度（约为峰值强度的70~80%）。
江阴长江公路大桥南锚碇基坑边坡
该边坡为人工开挖边坡，坡高30~66m，为缓倾顺向坡，由泥盆系中统 定山组的砂页岩组成。泥化夹层发育，边坡稳定性较差，虽经大量预应力岩 锚加固，仍产生滑塌破坏，危及工程安全施工。
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§2.4 构造岩的工程地质研究
2、构造岩的分带及其特征
➢ 分类和命名不统一，从工程角度，以破碎程度和工程地质特征为依据， 通常分为6类，可缺失。
⑴ 断层泥（构造粘土岩，半固结）
成因：在强烈构造压应力作用下，原岩被碾磨成松散破碎的泥质 物。赋存于压性、压扭性断层带。 成分：以粘土矿物为主，含有一定数量（＜70%）的碎块、碎屑、 岩粉，遇水后成塑性。 特征：成分复杂、颜色复杂，强度和变形差异大，多呈条带状、 透镜状分布，厚度薄，遇水具有软化、泥化、崩解或膨胀性。透 水性差。
成因与分类：无统一标准
❖ 也可分为：
▪ 原生型: ▪ 构造型:层间错动带;断层破碎带 ▪ 次生型:风化夹层
❖ 长委建议分为：
▪ 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,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
第二章 软弱岩石的工程地质研究
§2.3 风化岩的工程地质研究
第二章 软弱岩石的工程地质研究
§2.4 构造岩的工程地质研究
➢ 机械破碎+热动力作用
1、研究的主要目的
⑴ 分带评价工程性质的变化； ⑵ 分带评价工程地质问题； ⑶ 评价演变趋势、性质的稳定性； ⑷ 评价区域稳定性； ⑸ 鉴定性质和类型。
10~30% ▪ 泥化夹层:结构松散,粘粒含量>30%,含水量高,密度低.
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§2.2 软弱夹层的工程地质研究
泥化夹层形成的基本条件:
（1）软弱岩层是形成泥化夹层的物质基础：
提供泥质和炭质矿物；
（2）构造破坏是形成泥化夹层的主导因素：
层间错动对软弱岩层的研磨作用； 裂隙化破坏了硬岩对软岩的保护作用。
0.8~1.0
＞1.0
VP ：纵波波速（m/s)； Ky ：风化系数，风化岩与新鲜岩的饱和单轴抗压强度之比； KV ：波速比，风化岩与新鲜岩的纵波波速之比。
➢花岗岩的强风化与全风化、全风化与残积土的划分，宜采用标准贯入击数N63.5：
N63.5≥50为强风化， 50＞ N63.5 ≥30为全风化，
N63.5 ＜30为残积土。
②渗透特性具有分带性。
▪ 碎块岩（尤其是构造块状岩）：强透水 ▪ 压碎岩、张性断层角砾岩：中性透水 ▪ 角砾岩：弱透水~不透水 ▪ 片状岩、糜棱岩、断层泥：隔水
③不同带的强度和变形模量差异大。
▪ 强度以断层泥、糜棱岩为研究重点。 ▪ 变形以糜棱岩、片状岩、角砾岩、压碎岩为研究重点，因
厚度大。
第二章 软弱岩石的工程地质研究
节理面 有铁锰 质渲染
第二章 软弱岩石的工程地质研究
§2.3 风化岩的工程地质研究
3、风化岩的工程地质研究
内容：岩体的风化分带及各带岩体工程性质的定性和定量评价。 目的：
①确定建基面：重要性。 ②确定风化岩的改造利用（处理深度、处理方法）。 ③确定风化岩的物理力学性质。 ④评价变形、不均匀变形和抗滑稳定性。
（3）地下水和风化作用是形成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； 风化的机械破坏和化学作用。
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 ▪泥夹碎屑型：角砾含量小于10%的粘土层 ▪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 ▪角砾夹泥型：角砾含量在10~50%的粘性土层
第二章 软弱岩石的工程地质研究
§2.2 软弱夹层的工程地质研究
泥化夹层的基本特性
①具有明显的错动面和分带性（裂隙带、劈理带、糜棱岩带、泥化带）； ②矿物成分以粘土矿物为主； ③粒度成分以粘粒和粉粒为主； ④化学成分以SiO2、 Al2O3 、 Fe2O3为主(含量比母岩高），次为CaO、
MgO 、 Na2O 、K2O等(含量比母岩低）； ⑤水理性质:
⑷地貌。
➢ 决定风化产物的保存和地下水补给。
⑸地下水。
➢ 取决于地下水的埋深、化学成分和循环条件。 作用：溶滤、水解、水化。
第二章 软弱岩石的工程地质研究
§2.3 风化岩的工程地质研究
2、风化壳的特征
⑴随深度具有分带性。
一般为全风化→强风化 →弱风化→微风化，全 风化和强风化可缺失。
⑵在一定条件下具有突变性。
第二章 软弱岩石的工程地质研究
§2.4 构造岩的工程地质研究
⑵ 糜棱岩
成因：受强烈挤压、剪切错动和碾磨作用，原岩结构构造已被全部破 坏，大部分矿物已难于鉴定。赋存于压性、压扭性断层带。 成分：粘土矿物、石英、长石残晶、重结晶和新生的动力变质矿物。 特征：
①原岩结构构造已全部破坏； ②变质矿物呈定向排列； ③颜色多呈灰绿色、黄绿色（因动力变质矿物颜色为暗绿色）； ④具有明显的带状构造； ⑤石英具有波状消光现象； ⑥物理力学性质差异大。
②构造岩或破碎岩（构造型）：
机械破碎、热动力变质作用（重结晶及变质矿物）。 常见的构造岩：断层破碎带、侵入接触带。
③风化岩（次生型，组成变差、结构疏松）：
物理风化、化学风化、生物风化
第二章 软弱岩石的工程地质研究
§2.1 软弱岩石的涵义
（3）软岩的工程地质特征
①粘粒含量高或胶结差、结构疏松； ②强度低: