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岩土力学知识
第三节岩体结构及其工程性质
一.大体概念:
1.结构面:
指发育于岩体中,具有必然方向和延伸性,有必然厚度的备种地质界面,如断层、节理、层理及不整合面等.由于这种界面中断了岩体的持续性,故又称不持续面。
2.结构体:
结构面在空间的散布和组合可将岩体切割成形状、大小不同的块体,称结构体.
3.岩体:
通常把在地质历史进程中形成的,具有必然的岩石成份和必然结构,并赋存于必然地应力状态的地质环境中的地质体。
4.岩体结构:
结构面和结构体的排列与组合形成。
包括结构面和结构体两个要素。
二.岩体结构特点:
1.结构面的特点及性质
(1)类型
结构面的成因分类:
原生结构面、构造结构面及次生结构面,如下表所示:
成因类型
地质类型
主要特征
工程地质评价
产 状
分 布
性 质
原生结构面
沉积结构面
一般与岩层产状一致,为层间结构面
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
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
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、圣佛兰西靳,马尔巴赛坝的破坏.瓦依昂坝附近的巨大滑坡
岩浆结构面
2.岩脉、岩墙接触面
3.原生冷凝节理
岩脉受构造结构面控制.而原生节理受岩体接触面控制
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坏两种不同的特征。
原生节理一般为张裂面,较粗糙不平
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
变质结构面
弱夹层
产状与岩层或构造方向一致
片理短小,分布极密.片岩软弱夹层延展较远,具固定层次
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、岩片状矿物.呈鳞片状
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
构造结构面
1.节理(X型节理,张节理)
2.断层(正断层,逆断层,走滑断层)
4.羽状裂隙劈理
产状与构造线呈一定关系,层间带动与岩层一致
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
张性断裂不平整,常具次生充填.呈锯齿状,剪切断裂较平直.具羽状裂晾,压性断层具多种构造岩,成带状分布,往往含断层泥、糜棱岩
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
次生结构面
受地形及原结构面控制
分布上往往呈不连续状,透镜体,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
(2)特征:
结构面的产状与最大主应力作用线方向之间的关系控制着岩体的破坏机理,进而控制着岩体的强度。
如图 β-结构面与最大主应力的夹角
(a)β为锐角,岩体将沿结构面产生滑动破坏
(b)β为直角,表现为切过结构面,产生剪断、岩体破坏
(c)β为0度,平行结构而的劈裂拉张破坏
连续性反映结构面的贯通程度.常用线连续性系数和面连续性系数表示.
线连续系数(K):
εa---各结构面长度之和;εb---完整岩石各段长度之和;
K转变在0—1之间.K值愈大,说明结构而持续性愈好;当K=1时.说明结构面完全贯通.
密度反映结构面发育的密集程度.经常使用间距、线密度等指标表示。
线密度(Kd)是指结构面法线方向上单位测线长度交切结构面的条数(条/m);间距(d)那么是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面之间的平均距离。
二者互为倒数关系。
即:
结构面的密度决定了岩体的完整性和岩块的块度。
一样来讲。
结构面发育愈密集,岩体的完整性愈差,岩块块度愈小。
进而致使岩体的力学性质变差,渗透性增强。
结构面的形态可从侧壁的起伏形态和粗糙度两方面来进行研究.
结构面侧壁的起伏形态可分为:
平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规那么状
的几种,见以下图。
而侧壁的起伏程度那么可用起伏角(i)表示如下:
结构面的粗糙度可用粗糙度系数(JRC)表示 它能够增加结构面的摩擦角.进而提高了岩体的强度。
据结构面的粗糙程度可将。
在实际工作中,可用剖面仪测出所研究结构面的粗糙剖面、然后与标准剖面进行比较,即可求得结构面的粗糙度系数(JRC).
e.结构面的张开度
结构面两壁之间,一样不是最紧密接触,而是点接触或局部接触。
结构面的张开度是指结构面两壁间的平均距离.常以毫米为单位。
结构面经胶结后,力学性质有所改善。
改善的程度因胶结物成份不同而异,铁硅质胶结的强度最高,泥质及易溶盐类胶结的结构面强度最低,且抗水性差。
未胶结且具必然张开度的结构面,其力学性质取决于充填物成份、厚度、含水性及壁岩性质等。
就充填物成份来讲以砂质、角砾质性质最好。
粘土质、易溶盐类性质最差。
按结构面的规模及其力学效应,可将结构面划分为5级
级序
分级依据
力学效应
力学属性
地质构造特征
Ⅰ级
结构面延展长,几公里至几十公里以上贯通岩体,破碎带宽度达数至数十米
1.形成岩体力学作用边界
2.岩体变形和破坏的控制条件
1.属于软弱结构面
—一软弱夹层
较大的断层
Ⅱ级
延展规模与研究的岩体相关,破碎带宽度比较窄,几厘米至数米
1.形成块裂岩体边界
2.控制岩体变形和破坏方式
3.构成次级地应力场边界
属于软弱结构面
小断层
层间错动面
Ⅲ级
延长度短,从十几米至几十米,无破碎带,面内不夹泥,有的具有泥膜
1.参与块裂岩体切割
少数属于软弱结构面
不夹泥
大节理或小断层
开裂的层面
Ⅳ级
延展短、未错动、不夹泥,有的呈弱结合状态
1.是岩体力学性质、结构效应的基础
节理
劈理
层面
次生裂隙
Ⅴ级
结构面小,且连续性差
2.岩体力学性质、结构效应的基础
不连续的小节理
隐节理
层面
片理面
(3)软弱夹层
a.定义:
指岩体中那些性质软弱、有一定厚度的软弱结构面或软弱带,具有高压缩性和低强度的特征。
b.特征:
(a)由原岩的超固结胶结式结构。
变成了泥质散题结构或泥质定向结构;
(b)粘粒含量较原岩增多并达一定含量;
(c)含水量接近或超过塑限。
密度比原岩小;
(d)常具一定的膨胀性;
(e)力学强度比原岩大为降低。
压缩性较大;
(f)由于结构松散,因而抗冲刷能力低。
在渗透水流作用下,愚易产生渗透变形。
2.结构体特征
可用其规模、形态及其产状进行描述:
a.按不同级别结构面对岩岩体的切割,可将结构体划分为4级。
Ⅰ级结构体——地质体或称断块体
Ⅱ级结构体——岩块
Ⅲ级结构体——块体
Ⅳ级结构体——山体
b.大体形状有;柱状、块状、板状、楔形、锥形、菱形等。
一样来讲其稳固程度,板状结构体比柱状、块状的差.而楔状的比菱形及锥状的差。
c.产状一样用结构体表面上最大结构面的长轴方向表示,平卧的板状结构体比竖直的板状结构体对岩体稳固性的阻碍要大—些。
为了归纳地反映岩体结构面和结构体的成因、特点及其排列组合关系.将岩体结构划分为4大类和8个亚类。
结构类型
地 质 背 景
结构面特征
结构体形态
类
亚 类
整体块状结构
Ⅰ
整体结构(Ⅰ1)
岩性单一,构造变形轻微的巨厚层沉积岩、变质岩和火成岩体
结构面少.一般不超过3组.延展性极差.多闭合.无充填或夹少量碎屑
巨型块状
块状结构(Ⅰ2)
岩性单一,构造变形轻一中等的厚层沉积岩、变质岩和火成岩体
结构面—般2—3组,面多闭合,层间有一定的结合力
各种形状的块状
层状结构
Ⅱ
层状结构(Ⅱ1)
构造变形轻一中等的中一厚层的层状岩体
以层面、片理、节理为主.延展性较好。
一般有2-3组.层间结合力较差
厚板状,块状、柱状
薄层状结构(Ⅱ2)
同Ⅱ1但厚度小(<30cm),在构造作用下表现为相对强烈褶曲和层间错动
层理、片理发育.原生软弱夹层层间错动和小断层不时出现。
结构面多为泥胶、碎屑和泥质物充填。
—般结合力差
板状或薄板状
碎裂结构
Ⅲ
镶嵌结构 (Ⅲ1)
一般发育于脆硬岩层,节理,劈理组数多,密度大
以节理、劈理等小结构面为主组数多,密度大,但延展性差,闭合无充填或夹少量碎屑
形态、大小不—棱角显著。
层状碎裂结构 (Ⅲ2)
软硬相间的岩石组合.井常有近于平行的软弱破碎带存在
软弱夹层和各种成因类型的破碎带发育,大致平行分布,以构造节理等小型结构面为主
以碎块状和板柱状为主
碎裂结构(Ⅲ3)
岩性复杂,构造破碎强烈;弱风化带
各类结构面皆发育,彼此交切多被充填结构面光滑度不等,形态不同
碎屑和大小、形态不同的岩块
散体结构
Ⅳ
构造破碎带及剧一强风化带
节理,劈理密集.破碎带呈块夹泥或泥包块的松软状态
泥、岩粉,碎屑、碎块,碎片等
(1)结构面的变形特性
a.法向变形特性
在同一岩体中,取一块不含结构面的完整岩块试件和一块含结构面的岩石试件。
然后,分别对这两块试件进行单向压
缩试验可得到如图:
设不含结构面试件的法向变形为△Vr,含结构面试件的法向变形为△Vt,则结构面的闭合变形△Vj为:
△Vj=△Vt-△Vr
应力-应变曲线上某点的切线斜率定义为结构面的法向刚度(Kn),它是反映结构面法向变形性质的主要参数。
结构面的剪切变形有两种基本类型:
一类为塑性变形型.如泥化夹层、光滑平直的破裂面等一般具这类变形特征;
另—类为脆性变形.σn-△Vj曲线有明显的峰值点和应力降。
当应力降于—定值后趋于稳定.不在随位移变化而变
化。
如粗糙结构面等常具这种变形特征。
把剪力-应变曲线上某点的切线斜率定义为结构面的剪切刚度(Ks),它是反映结构面剪切变形性质的主要参数。
(2)岩体变形参数的确定及变形曲线类型
a.承压板法
试验一般在平巷中进行。
利用巷道顶板作反力,以油压千斤顶施加压力.通过刚性承压板将压力传至底部平直光滑的
岩面上.用百分表测量岩体变形值。
按下式计算.即:
w*(1-μ^2)*p*D/W
式中:
Em为岩体的变形模量(MPa);W为岩体的变形量(cm);P为承压板单位面积上的压力(MPa);D为承压板直径或
边长(cm);μ为岩体的泊松比;,ω为与承压板刚度和形状有关的系数,圆形板取.方形板取.
利用钻孔膨胀计对一定长度的孔壁施加均匀压力,同时测量孔壁的径向变形。
利用下式计算岩体的变形模量和弹性
模量,即:
式中:
Em为岩体的径向变形(cm);p为计算压力,等于试验压力与初始压力之差(MPa);d为实测点的钻孔直径(cm);
其余符号意义同前。
通过测量岩体中纵波和横波的传播速度,来确定其变形参数,即:
Emd=ρ*Vp^2(1+μd)(1+2μd)/(1-μd);
或 Emd=2ρ*Vs^2(1+μd);
Gmd=ρ*Vs^2;
μd=(Vp^2-2*Vs^2)/(2*(Vp^2-Vs^2));
式中:
Emd为岩体的动弹性模量(GPa);μd为岩体的动泊松比;Gmd为岩体的动剪切模量(GPa)为岩体的密度(g/cm2);
vp为纵波速度(m/s);vs为横波速度(m/s).
(3).节理化岩体变形模量的估算
比尼卫斯基根据岩体变形模量实测资料,并用CSIR分类法对岩体进行了分类.建立了如下的统计关系
当RMR≥55时, Em=2RME-100
当RME<55时, Em=10^((RME-100)/40)
式中:
Em为岩体的变形模量(GPa);RMR为CSIR分类求得的岩体质量评分值.
岩体是由各种不同形态的岩块和结构面组成的地质体.因此其强度必然受到岩块和结构面强度及其组合形式的控制。
一般情况下.岩体的强度既不等于岩块的强度.也不等于结构面的强度,而是两者共同影响表现出来的强度。
本节主要讨
论结构面与岩体的剪切强度及岩体的抗压强度。
1.结构面的剪切强度
根据结构面的形态、连续性、充填情况及力学性质,可将结构面分为平直光滑无充填的、粗糙起伏无充填的、非贯通
断续的及软弱充填的等4类。
各类结构面的剪切强度分述如下:
a.平直光滑无充填结构面的剪切强度
这类结构面以光滑破裂面及磨光面为代表,是摩擦剪切作用的产物,其剪切强度接近于人工磨光面的摩擦强度。
设剪
切强度为τ,则:
式中:
σ为法向应力;Фi为结构面的摩擦角。
b.粗糙起伏无充填结构面的剪切强度
这种结构面的大体持点是具有起伏度.当法向应力较小时.剪切进程中可引发上滑效应(又称剪胀效应);当法向应力达到必然值时,凸起面被剪断。
帕顿(Patton,1966)理想化石膏模型实验:
假定结构面为规那么的锯齿形,起伏角为i.起伏差为δ,受法向应力σ和剪应力τ作用,那么:
当法向应力较低时,剪切应力为:
τ=σ*tg(Фi+i);
当法向应力较高时,剪切应力为:
τ=Cb+tgФb;
其中,Cb和Фb分别为结构面凸起部分岩石的内聚力和内摩擦角。
由以上两式能够得出剪断结构面凸起部份的条件
σT=Cb/(tg(Фj+i)-tgФb);
结构面起伏形态不规则的粗糙面,巴顿(Barton,1977)根据大量试验资料得出τ=σc*Фb
Фbσc.非贯通断续结构面的剪切强度
这类结构面的剪切强度由各段结构面剪切强度和非贯通段(岩桥)岩石的剪断强度两部分组成。
因此,整个结构面强度取
决于结构面和岩块性质以及结构面的连续性,即
τ=(k1Cj+(1-k1)*Cm)+σ(k1tgФj+(1-k1)*tgФm);
式中:
Cj、Cm分别为结构面和岩石的内聚力;Фj、Фm分别为结构面和岩石的内摩擦角;K1为结构面的线连续性系数.
c.具充填的软弱结构面的剪切强度
这类结构面的剪切强度,主要取决于充填物成分、结构、厚度及充填度等情况.
由上图可知,结构面的剪切强度随充填物碎屑含量增加及颗粒变粗而增高,随粘较含量增加而降低。
结构面的充填度常用充填物厚度(d)与结构面的起伏差(δ)之比来表示。
它对结构面剪切强度的影响表现在强度随充填度
(d/δ)增大而降低。
岩体的剪切强度:
岩体中任一方向的剪切面,在一定的法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力。
岩体的剪切强度也分为剪断强度、摩擦强度和抗切强度3种。
试验和理论研究都表明:
岩体的剪切强度主要受结构面、应力状态、岩性及风化程度等因素控制。
在高应力条件下
,岩体的剪切强度接近于岩块强度.在低应力条件下,岩体的剪切强度主要受结构面控制。
一般情况下,岩体的剪切强度包络线不一条简单的曲线,而是有一定上、下限的曲线族。
下限是结构面的剪切强度
,上限是岩块的剪断强度,如上图。
由于原位岩体实验费用高周期长,一般情况难以普遍采用。
在工程中常对岩体作出合理的估算。
下面介绍两种节理
化岩体强度的估算方法:
(1)利用单结构面理论估算岩体强度
为了研究节理化岩体的强度,耶格(Jaeger,1960)发展了的单结构面理论,具体如下:
若岩体中发育有—组结构
面AB,结构面的内聚力为Cj,内摩擦角为φj,则岩体沿结构面AB发生滑动破坏的条件,根据莫尔强度理论为:
σ1-σ3=2(Cj+σ3*tgФj)/)(1-c*tgФjtgβ)*sin(2β)
式中:
β为结构面AB的倾角。
由上式可知:
岩体的强度(σ1-σ3)随β角的变化而变化,当β→90度时或β→Фj时,岩体不可能沿结构面破坏,
而只能产生剪断岩块破坏。
图中(b)给出厂这两种破坏的强度包络线。
如果岩体中含有二组以上结构面,且假定各组结构面只有相同的性质时.岩体强度的确定方法是分步运用单结构面
理论.分别绘出每一组结构面单独存在时的强度包络线,这些曲线的最小包络线即为含多组结构面岩体的强度包络线。
(2)利用霍克-布朗经验强度方程估算岩体强度
霍克和布朗于1980年根据岩体性态方面的理论和实践经验,提出了岩块和岩体破坏时的判据为:
σ1=σ3+(m*σc+s*σc^2)^(1/2)
式中:
σ1、σ3分别为破坏时最大、最小主应力;σc为岩块的单轴抗压强;m、s为与岩石性质及其结构面待征有关
的系数,其值可查表求得:
由上式,分别令σ1=0和σ3=0时,则岩体的单轴抗压强度(σmc)和单袖抗拉强度(σmt)分别为
σmc=(sσc^2)(1/2)
σmt=(m-(m^2+4*s))/2
通过有关资料调查后,可以用
(2)、(3)、(4)式对岩体强度进行估算.
1.目的:
a.对岩体进行归类
b.定性或定量的评价各类岩体质量、工程建筑条件,为工程设计和施工提供地质依据。
2.主要考虑因素:
主要考虑三方面因素的指标:
即与岩石工程性质有关的指标(力学性质)、岩体后期改造有关的指标(岩体结构)
和岩体赋存条件方面的指标(地下水或地应力)。
主要有RQD、RMR(比尼卫斯基分类,Bieniawski)、巴顿的Q分类。
现介绍如下:
分类
根据金刚石钻进的岩芯采取率,提出用RQD值来评价岩体质量的优劣。
RQD值为大于10cM的岩芯累计长度与钻孔进尺
长度之比的百分率。
据RQD值将岩体分为5类:
RQD值(%)
0-25
25-50
50-75
75-90
90-100
岩体质量评价
很差
差
一般
好
很好
分类(T.Bieniawski,1973)
岩体质量指标计算公式及方式:
RMR=A+B+C+D+E+F 为和差综合法(并联系统)
A—岩石强度(点荷载.单轴压) 分数15—0
B—RQD(岩石质量指标) 分数20—3
C—不持续面间距(>2m—<3m) 分数20—5
D—不持续面性状(粗糙—夹泥) 分数30—0
E—地下水(干燥—流动) 分数15—0
F—不持续面产状条件(专门好—很差) 分数0—-12
RMR分类表
评分值(RMR)
100—81
80—61
60—41
40—21
<=20
分级
I
II
III
IV
V
质量描述
很好
好
中等
差
很差
c.巴顿岩体质量(Q)分类
岩体质量指标计算公式及方法:
Q=(RQD/Jn)*(Jr/Jn)*(Jw/SWF)
RQD─岩石质量指标;Jn0为节理组数,无裂—破裂,—20;Jr─节理粗糙度系数粗糙—镜面,4—;Ja─节理
蚀变系数,新鲜—蚀变夹泥,—20;Jw─节理水折减系数,干燥—特大水流,1—;SRF─应力折减系数。
按Q值对岩体的分类
Q值
〈
岩体分类
异常差
极差
很差
差
一般
好
很好
极好
异常好
据:
地下及覆土火药炸药仓库设计安全规范
岩土体结构分类
结构特征
岩石抗压强度(×105Pa)
岩体纵波弹性波速(m/sec)
n
整体状结构
岩体呈整体或巨厚层状,节理极不发育,无控制性结构面;B0为1~2,M<
>300
>4000
>
块状结构
岩体呈块状或厚层状,节理不发育,结构面以节理为主,多呈闭合(如砾岩等);B0为2~3,M为~2
>200
3000~4500
~
碎块状结构
岩体呈中厚层或块状结构,节理发育,结构面以节理劈理为主,相互穿插切割成块(如花岗岩等);B0为3~4,M为2~5
>100
2000~3500
~
散体状结构
土体呈均质巨厚层状(如黄土等)
-
<1000
-
注:
B0为节理数据,M为节理量每米节理条数,Cv为岩体纵波波速(m/sec),Ce为岩块纵波波速(m/sec)。
岩石RQD是岩石的质量指标,用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进,持续取芯,回次钻进所取岩芯中,长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值,以百分比表示。
针对RQD值不能全面反映裂隙间距、块体大小和随机表象的多重尺度等问题,介绍了三种岩体质量评判图,即基于裂隙岩体分数维结构之上的分维岩体质量图、考虑裂隙长度的积存长度图、成立在不同岩块频度基础上的岩块积存频度图.依照不同图解对岩体质量进行了评判,并对岩体完整性作了划分.三种图解能较全面地反映岩体质量的特点,说明它们是RQD值的有利补充.
冶金矿山工程的围岩稳固性和可崩性评判经常使用的方式有:
RQD分类法、岩体地质力学分类即RMR法、巴顿岩体质量分类即Q值法.
第七章建筑工程的工程地质问题
第四节地下工程的围岩分类
围岩分类是为解决地下洞室的围岩稳固和支护问题而成立的。
因此围岩分类是围绕地下洞室的稳固性和支护的阻碍因素而作为分类原那么,这些因素要紧有:
岩体的结构特点和完整状态;岩体强度;岩石的风化程度;地下水的阻碍;区域构造阻碍和地震阻碍等。
在实际制定围岩分类时,一样要紧考虑岩体强度、岩体结构特点和完整程度和地下水活动等方面的因素。
国内外的围岩分类所选取的大体因素大致都是如此,但在综合反映大体因素的指标上是不同的。
一、“普氏”分类
普氏分类在我国曾应用
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