[教育]巖體力學ppt課件cha2巖體的地質特征

1、巖 體 力 學,賈洪彪,巖土工程與工程地質系,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,2,,第二章 巖體的地質特征,§ 2.1 幾個基本概念§ 2.2 巖塊的物質組成與結構特征§ 2.3 結構面的特征§ 2.4 巖體的結構特征§ 2.5 巖體工程分類,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,3,巖石（Roc

2、k）礦物、巖屑的集合體。結構面（Structural Plane） 指地質歷史發(fā)展過程中，在巖體內形成的具有一定的延伸方向和長度，厚度相對較小的地質界面或帶。巖塊（Rock block 或 Rock）指不含顯著結構面的巖石塊體，是構成巖體的最小巖石單元體。巖體（Rockmass）是指地質歷史過程中形成的，由巖塊和結構面網(wǎng)絡組成的，具有一定的結構并賦存于一定的天然應力狀態(tài)和地下水等地質環(huán)境中的地質體。,§ 2.1 幾個基

3、本概念,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,4,一、巖塊的物質組成,§ 2.2 巖塊的物質組成與結構特征,巖塊的力學性質主要取決于組成巖石的礦物成分及其相對含量,粘土礦物,硅酸鹽類礦物,碳酸鹽類礦物,氧化物類礦物,組成巖石的礦物,,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,5,二、巖塊的結構特征,巖塊的結構：巖石內礦物顆粒的大小、形狀、排列方式及微結構面發(fā)育情況

4、與粒間連結方式等反映在巖塊構成上的特征。,結晶連結：礦物顆粒通過結晶相互嵌合在一起，它是通過共用原子或離子使不同晶粒緊密接觸。,巖石的粒間連結分結晶連結與膠結連結,膠結連結：礦物顆粒通過膠結物連結在一起。,膠結連結的巖塊強度,硅質膠結>鐵質、鈣質>泥質膠結,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,6,二、巖塊的結構特征,微結構面 削弱巖塊的強度，導致各向異性,顆粒形狀 強度：

5、粒狀、柱狀>片狀>鱗狀,顆粒大小 強度： 粗粒<細粒,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,7,三、巖塊的風化 巖石====>礦物組成和結構改變==>巖塊的物理力學性質改變（強度降低、抗變形性能減弱、空隙率增大，滲透性加大）,風化,衡量巖塊的風化程度的指標： 定性指標主要有：顏色、礦物蝕變程度、破碎程度及開挖錘擊技術特征等。 定量指標主要有風化空

6、隙率指標和波速指標等。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,8,風化空隙率指標(Iw)：快速浸水后風化巖塊吸入水的質量與干燥巖塊質量之比。,波速指標縱波波速（?cp）波速比(kv),風化系數(shù),2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,9,硬質巖石按波速指標的風化分級表,《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2002）,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與

7、工程地質系 賈洪彪,10,一、結構面的成因類型,(一)地質成因類型原生結構面構造結構面次生結構面(二)力學成因類型張性結構面剪性結構面,§ 2.3 結構面特征,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,11,巖體結構面的類型及其特征,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,12,(一)地質成因類型1.原生結構面巖體在成巖過程中形成的結構面。

8、沉積結構面是沉積巖在沉積和成巖過程中形成的，有層理面、軟弱夾層、沉積間斷面和不整合面等。巖漿結構面是巖漿侵入及冷凝過程中形成的結構面，包括巖漿巖體與圍巖的接觸面、各期巖漿巖之間的接觸面和原生冷凝節(jié)理等。變質結構面在變質過程中形成，分為殘留結構面和重結晶結構面。2.構造結構面 是巖體形成后在構造應力作用下形成的各種破裂面，包括斷層、節(jié)理、劈理和層間錯動面等。3.次生結構面 是巖體形成后在外營力作用下產生的結構面，包括卸荷裂

9、隙、風化裂隙、次生夾泥層和泥化夾層等。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,13,(二)力學成因類型1、張性結構面是由拉應力形成的，如羽毛狀張裂面、縱張及橫張破裂面、巖漿巖中的冷凝節(jié)理等特點：張開度大、連續(xù)性差、形態(tài)不規(guī)則、面粗糙，起伏度大及破碎帶較寬,易被充填,常含水豐富，導水性強2、剪性結構面是剪應力形成的，破裂面兩側巖體產生相對滑移，如逆斷層、平移斷層以及多數(shù)正斷層等。特點：連續(xù)性好

10、，面較平直，延伸較長并有擦痕鏡面等。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,14,二、結構面的規(guī)模,Ⅰ級 指大斷層或區(qū)域性斷層?？刂乒こ探ㄔO地區(qū)的地殼穩(wěn)定性，直接影響工程巖體穩(wěn)定性；Ⅱ級 指延伸長而寬度不大的區(qū)域性地質界面。Ⅲ級 指長度數(shù)十米至數(shù)百米的斷層、區(qū)域性節(jié)理、延伸較好的層面及層間錯動等。Ⅱ、Ⅲ級結構面控制著工程巖體力學作用的邊界條件和破壞方式，它們的組合往往構成可能滑移巖體的邊界面，直

11、接威脅工程安全穩(wěn)定性,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,15,Ⅳ級 指延伸較差的節(jié)理、層面、次生裂隙、小斷層及較發(fā)育的片理、劈理面等。是構成巖塊的邊界面，破壞巖體的完整性，影響巖體的物理力學性質及應力分布狀態(tài)。Ⅳ級結構面主要控制著巖體的結構、完整性和物理力學性質，數(shù)量多且具隨機性，其分布規(guī)律具統(tǒng)計規(guī)律，需用統(tǒng)計方法進行研究。Ⅴ級 又稱微結構面。常包含在巖塊內，主要影響巖塊的物理力學性質，控制巖塊

12、的力學性質。,二、結構面的規(guī)模,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,16,走向、傾向、傾角結構面與最大主應力間的關系控制著巖體的破壞機理與強度。,三、 產狀,據(jù)單結構面理論，巖體中存在一組結構面時，巖體的極限強度與結構面傾角間的關系為：,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,17,,四 連續(xù)性結構面的連續(xù)性反映結構面的貫通程度。1、線連續(xù)性系數(shù)：指沿結構面延伸

13、方向，結構面各段長度之和(Σa)與測線長度的比值。,K1變化在0～1之間，K1值愈大說明結構面的連續(xù)性愈好，當K1＝1時，結構面完全貫通。2、面連續(xù)性系數(shù)：指沿結構面延伸方向，結構面面積之和與總面積的比值。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,18,結構面連續(xù)性分級表,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,19,五 密度結構面的密度反映結構面發(fā)育的密集程度。1

14、、線密度(Kd)是指結構面法線方向單位測線長度上交切結構面的條數(shù)(條／m)。2、間距(d)則是指同一組結構面法線方向上兩相鄰結構面的平均距離。Kd與d互為倒數(shù)關系如果測線水平布置，且與結構面法線的夾角為α，結構面的傾角為β時:,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,20,結構面間距分級表,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,21,用線密度來估算巖體質量指標RQD

15、(rock quality designation),巖體質量指標RQD：長度大于10cm的巖心長度之和與鉆孔總進尺的百分比。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,22,,六 張開度結構面的張開度是指結構面兩壁面間的垂直距離。結構面兩壁面一般不是緊密接觸，使結構面實際接觸面積減少，導致結構面粘聚力降低和滲透性增大。如在層流條件下，平直而兩壁平行的單個結構面的滲透系數(shù)(Kf)可表達為：,2024

16、/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,23,結構面張開度分級表,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,24,Ⅳ級及部分Ⅲ級結構面的產狀、跡長、間距及張開度等幾何特征參數(shù)，服從一定的隨機分布規(guī)律。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,25,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,26,,2024/3/26,中國地

17、質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,27,七 形態(tài)結構面的形態(tài)可以用側壁的起伏形態(tài)及粗糙度來反映。結構面?zhèn)缺诘钠鸱螒B(tài)分為：平直的、波狀的、鋸齒狀的、臺階狀的和不規(guī)則狀的。,側壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,28,結構面的粗糙度用粗糙度系JRC(joint roughness coefficient)表示。隨粗糙度的增大，結構面的摩擦角也增大

18、。根據(jù)標準粗糙度剖面將結構面的粗糙度系數(shù)劃分為10級。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,29,八 充填膠結特征,結構面膠結后力學性質有所增強，F(xiàn)e質膠結的強度最高，泥質與易溶鹽類膠結的結構面強度最低，且抗水性差。,未膠結的結構面，力學性質取決于其充填情況，可分為：薄膜充填、斷續(xù)充填、連續(xù)充填及厚層充填4類1 薄膜充填是結構面兩壁附著一層極薄的礦物膜，厚度多小于1mm，多明顯降低結構面的強度。

19、2 斷續(xù)充填結構面的力學性質與充填物性質、壁巖性質及結構面的形態(tài)有關。3 連續(xù)充填結構面的力學性質主要取決于充填物性質。4 厚層充填結構面的力學性質很差，主要取決于充填物性質，巖體往往易于沿這種結構面滑移而失穩(wěn)。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,30,九 軟弱結構面,軟弱結構面是巖體中具有一定厚度的軟弱帶(層)，與兩盤巖體相比具有高壓縮和低強度等特征，在產狀上多屬緩傾角結構面。主要包括原生

20、軟弱夾層、構造及擠壓破碎帶、泥化夾層及其他夾泥層等。特性： 1、由原巖的超固結膠結式結構變成了泥質散狀結構 或泥質定向結構 2、粘粒含量很高 3、含水量接近或超過塑限 4、密度比原巖小 5、常具有一定的脹縮性 6、力學性質比原巖差 7、強度低 8、壓縮性高 9、易產生滲透變形,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,31,十、結構面的組合關系結構面的組合關系

21、控制著可能滑移巖體的幾何邊界條件、形態(tài)、規(guī)模、滑動方向及滑移破壞類型，它是工程巖體穩(wěn)定性預測與評價的基礎。任何堅硬巖體的塊體滑移破壞，都必須具備一定的幾何邊界條件。因此，在研究巖體穩(wěn)定性時，必須研究結構面之間及其與臨空面之間的組合關系，確定可能失穩(wěn)塊體的形態(tài)、規(guī)模和可能滑移方向等。結構面組合關系的分析可用赤平投影、立體投影和三角幾何計算法等進行。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,32,,202

22、4/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,33,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,34,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,35,§2.4 巖體的結構特征,一、巖體的組成巖體是由結構面網(wǎng)絡及其所圍限的巖塊 (結構體)所組成。具有一定的結構是巖體的顯著特征之一。巖體中存在著復雜的天然應力狀態(tài)和地下水，這是巖體與其他材料的根本

23、區(qū)別之一。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,36,二、巖體的結構巖體結構(rockmass structure)指巖體中結構面與結構體的排列組合關系。1 結構體特征結構體(structural element)指巖體中被結構面切割圍限的巖石塊體。它不同于巖塊的概念。結構體的規(guī)模取決于結構面的密度，密度愈小，結構體的規(guī)模愈大,與結構面對應,劃分為五級。常用塊度模數(shù)（單位體積內的Ⅳ級結構體

24、數(shù)) 或結構體體積來表示結構體規(guī)模。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,37,結構體的形狀示意圖,結構體常見的形狀:柱狀、板狀、楔形、菱形形狀不同，穩(wěn)定性不同。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,38,2 巖體的結構類型,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,39,三、巖體成因與巖體特征,1 巖漿巖體 無層理，產狀復雜。根

25、據(jù)巖漿活動方式，巖漿巖可分為深成巖、淺成巖和噴出巖三類。2 沉積巖體 具有層理構造，巖體呈層狀結構。沉積巖包括他生沉積巖和自生沉積巖兩大類。3 變質巖體 多數(shù)巖石變質后都經歷了不同程度的重結晶作用，結構較致密，抗水性增強，孔隙率較低，透水性弱，抗變形性能好，強度高。因此與沉積巖相比，變質巖的性質一般要好些。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,40,方法：通過巖體的一些簡單和容易實測的指標

26、，把工程地質條件和巖體力學性質參數(shù)聯(lián)系起來，并借鑒已建工程設計、施工和處理等方面成功與失敗的經驗教訓，對巖體進行歸類的一種工作方法。目的：通過分類，概括地反映各類工程巖體的質量好壞，預測可能出現(xiàn)的巖體力學問題。為工程設計、支護襯砌、建筑物選型和施工方法選擇等提供參數(shù)和依據(jù)。,§2.5 巖體的工程分類,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,41,一、巖塊的工程分類 1、Deere &

27、;Miller 雙指標分類分類指標：巖塊抗壓強度（?c）、模量比（Et/?c）,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,42,2 國標《巖土工程勘察規(guī)范》分類分類指標：新鮮巖塊的飽和單軸抗壓強度（?cw）,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,43,二、巖體的工程分類,1 巖體質量分級2 洞室圍巖分類3 巖體地質力學分類（RMR分類）4 巴頓巖體質量分

28、類（Q分類）,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,44,1、巖體質量分級（《工程巖體分級標準》GB50218-94）分級指標：巖體基本質量指標BQ BQ=90+3σcw +250 Kv 當σcw＞90Kv＋30時，令σcw＝90Kv＋30當Kv＞0.04σcw＋0.4時，令Kv＝0.04σcw＋0.4,Jv與Kv對照表,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系

29、 賈洪彪,45,分級方法：（1）按巖體基本質量指標BQ進行初步分級（2）根據(jù)天然應力、地下水和結構面方位等對BQ進行修正（3）按修正后的［BQ］進行詳細分級,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,46,巖石堅硬程度劃分表,巖體完整程度劃分表,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,47,各級巖體物理力學參數(shù)及圍巖自穩(wěn)能力表,2024/3/26,中國地質大學工程學

30、院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,48,,當?shù)叵露词覈鷰r處于高天然應力區(qū)或圍巖中有不利于巖體穩(wěn)定的軟弱結構面和地下水時，巖體BQ值應進行修正，修正值［BQ］按下式計算： ［BQ］＝BQ－100(K1＋K2＋K3) K1-地下水影響修正系數(shù)； K2-主要軟弱面產狀影響修正系數(shù)； K3-天然應力影響修正系數(shù)。根據(jù)修正值的［BQ］進行重新分級。確定各級巖體的物理力學參數(shù)和圍巖自穩(wěn)能力。,2024/3/

31、26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,49,地下水影響修正系數(shù)(K1)表,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,50,主要軟弱結構面產狀影響修正系數(shù)(K2)表,天然應力影響修正系數(shù)(K3)表,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,51,2、洞室圍巖分類 （《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》）,分類指標：巖體結構、結構面發(fā)育特征、巖石強度及巖體聲學性質、

32、優(yōu)點：給出了毛洞自穩(wěn)性的工程地質評價，給出了各類圍巖的噴錨支護設計參數(shù)及圍巖物理力學性質的計算指標。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,52,GBJ86-2002圍巖分類,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,53,3 巖體地質力學分類(RMR分類)分類指標：巖塊強度、RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理條件及地下水分類方法：（1）根據(jù)各類指標的數(shù)值，按表2-20A的

33、標準評分，求和得總分RMR值。（2）按表2-20B和表2-21的規(guī)定對總分作適當?shù)男拚＃?）用修正后的總分對照表2-20C求得巖體的類別及相應的無支護地下洞室的自穩(wěn)時間和巖體強度指標(c，φ)值。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,54,（1）根據(jù)各類指標的數(shù)值，按右表的標準評分，求和得總分RMR值。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,55,（2）按下表的

34、規(guī)定對總分作適當?shù)男拚?按節(jié)理方向修正評分值,節(jié)理走向和傾角對隧道開挖的影響,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,56,（3）根據(jù)修正后的總分確定巖體的類別及相應的無支護地下洞室的自穩(wěn)時間和巖體強度指標(c，φ)值。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,57,4、巴頓巖體質量(Q)分類分類指標：Q值 RQD——巖石質量指標； Jn——節(jié)理組數(shù)；

35、 Jr——節(jié)理粗糙系數(shù)； Ja——節(jié)理蝕變系數(shù)； Jw——節(jié)理水折減系數(shù)； SRF——應力折減系數(shù)。 Jw/SRF——水與其它應力存在時對巖體質量的影響 RQD/Jn——巖體的完整性； Jr/Ja——結構面(節(jié)理)的形態(tài)、充填物特征及其次生變化程度；分類方法：確定各參數(shù)的數(shù)值，求得Q值，以Q值為依據(jù)將巖體分為9類。,2024/3/26,中國地質大學工程學院巖土工程與工程地質系 賈洪彪,58