第一章 地殼巖體結(jié)構(gòu)特征的工程地質(zhì)

第一章地殼巖體結(jié)構(gòu)特征的工程地質(zhì)分析1.1基本概念及研究意義

巖體（rockmass）通常指地質(zhì)體中與工程建設(shè)有關(guān)的那一部分巖石，它處于一定的地質(zhì)環(huán)境、被各種結(jié)構(gòu)面所分割。巖體具有一定的結(jié)構(gòu)特征，它由巖體中含有的不同類型的結(jié)構(gòu)面及其在空間的分布和組合狀況所確定。

結(jié)構(gòu)面是指巖體中具有一定方向、力學(xué)強(qiáng)度相對較低、兩向延伸（或具有一定厚度）的地質(zhì)界面（或帶）。如巖層層面、軟弱夾層、各種成因的斷裂、裂隙等。由于這種界面中斷了巖體的連續(xù)性，故又稱不連續(xù)面。

結(jié)構(gòu)體：結(jié)構(gòu)面在空間的分布和組合可將巖體切割成形狀、大小不同的塊體，稱結(jié)構(gòu)體。工程地質(zhì)之所以要將巖體的結(jié)構(gòu)特征作為重要研究對象，意義如下：⑴巖體中的結(jié)構(gòu)面是巖體力學(xué)強(qiáng)度相對薄弱的部位，它導(dǎo)致巖體力學(xué)性能的不連續(xù)性、不均一性和各向異性。只有掌握巖體的結(jié)構(gòu)特征，才有可能闡明巖體不同荷載下內(nèi)部的應(yīng)力分布和應(yīng)力狀況。⑵巖體的結(jié)構(gòu)特征對巖體在一定荷載條件下的變形破壞方式和強(qiáng)度特征起著重要的控制作用。巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)面，常常成為決定巖體穩(wěn)定性的控制面，各結(jié)構(gòu)面分別為確定壩肩巖體抗滑穩(wěn)定的分割面和滑移控制面。

⑶靠近地表的巖體，其結(jié)構(gòu)特征在很大程度上確定了外營力對巖體的改造進(jìn)程。這是由于結(jié)構(gòu)面往往是風(fēng)化、地下水等各種外營力較活動的部位，也常常是這些營力的改造作用能深入巖體內(nèi)部的重要通道，往往發(fā)展為重要的控制面?？傊瑢r體的結(jié)構(gòu)特征的研究，是分析評價區(qū)域穩(wěn)定性和巖體穩(wěn)定性的重要依據(jù)。研究結(jié)構(gòu)面最關(guān)鍵的是研究各類結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)律、發(fā)育密度、表面特征、連續(xù)特征以及它們的空間組合形式等。

1.2巖體結(jié)構(gòu)特征及主要類型

1.2.1結(jié)構(gòu)面的主要類型及特征

結(jié)構(gòu)面的成因分類：原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面及淺表生結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面：層理，層面，軟弱夾層，不整合面，原假整合面，古沖刷面等。生火成結(jié)構(gòu)面：侵入體與圍巖接結(jié)觸面，巖脈、巖墻接觸面，噴出巖構(gòu)的流線、流面，冷凝節(jié)理面變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：片理，片麻理，板劈理，片巖軟弱夾層。構(gòu)節(jié)理（X型節(jié)理，張節(jié)理）造結(jié)斷層（正斷層，逆斷層，走滑斷層）構(gòu)面層間錯動帶，羽狀裂隙，破劈理。

淺部卸荷斷裂淺結(jié)、構(gòu)重力擴(kuò)展變形破裂表面生結(jié)表卸荷裂隙構(gòu)部風(fēng)化裂隙面結(jié)風(fēng)化夾層構(gòu)泥化夾層面次生夾泥

結(jié)構(gòu)面規(guī)模等級劃分：按其對巖體力學(xué)行為所起控制作用，可劃分為三個等級，即貫通性宏觀軟弱面（A類）；顯現(xiàn)結(jié)構(gòu)面（B類）；和隱微結(jié)構(gòu)面（C類）。

類型主要特征力學(xué)性質(zhì)代表性結(jié)構(gòu)面A.貫通性宏觀結(jié)構(gòu)面連續(xù)性好，延伸方向確定，通常具一定厚度與方向破壞巖體的連續(xù)性，構(gòu)成巖體力學(xué)性質(zhì)作用邊界，控制巖體變形破壞方向，穩(wěn)定性計算的邊界層面，軟弱夾層，斷層面或斷層破碎帶B.顯現(xiàn)結(jié)構(gòu)面硬性結(jié)構(gòu)面，隨機(jī)斷續(xù)分布，延伸長度米級-數(shù)十米，具有統(tǒng)計優(yōu)勢方位破壞巖體的完整性，使巖體力學(xué)性質(zhì)具各向異性特征，影響巖體變形破壞方式各類原生和構(gòu)造裂隙，表生破裂結(jié)構(gòu)面C.隱微結(jié)構(gòu)面短小閉合，長度從毫米級至厘米級，隨機(jī)分布可有統(tǒng)計優(yōu)勢方位影響巖塊的強(qiáng)度和變形破壞特征巖石的隱微裂隙1.2.2巖體分類

1.2.2.1巖體結(jié)構(gòu)分類按建造特征可將巖體劃分為塊體狀（或整體狀）結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎塊狀結(jié)構(gòu)和散體狀結(jié)構(gòu)等類型。

塊體狀結(jié)構(gòu)：代表巖性均一，無軟弱面的巖體，含有的原生結(jié)構(gòu)面具有較強(qiáng)的結(jié)合力，間距大于1m。通常出現(xiàn)在厚層的碳酸鹽巖、碎屑巖；花崗巖、閃長巖；原生節(jié)理不太發(fā)育的流紋巖、安山巖、玄武巖、凝灰角礫巖中等。

塊體結(jié)構(gòu)：代表巖性較均一，含有2-3組較發(fā)育的軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體，結(jié)構(gòu)面間距1～0.5m。成巖裂隙較發(fā)育的厚層砂巖或泥巖，槽狀沖刷面發(fā)育的河流相砂巖體等沉積巖，原生節(jié)理發(fā)育的火山巖體等。

層狀結(jié)構(gòu)：代表一組連續(xù)性好，抗剪性能顯著較低的軟弱面的巖體，一般巖性不均一?？蛇M(jìn)一步分為層狀（軟弱面間距50～30cm），薄層狀（間距小于30cm）。還可以據(jù)不均一程度劃分出軟硬相間的互層狀結(jié)構(gòu)。

碎塊狀結(jié)構(gòu)：代表含有多組密集結(jié)構(gòu)面的巖體，巖體被分割成碎塊狀，以某些動力變質(zhì)巖為典型，如溪洛渡泡灰?guī)r。另外按巖體的改變程度可劃分為完整的、塊裂化或板裂化，碎裂化、散體化的等四個等級。1.2.2.2巖體的工程分類

工程應(yīng)用分類是以巖體穩(wěn)定性或巖體質(zhì)量評價為基礎(chǔ)的分類。為綜合性分類，目前主要考慮三方面因素的指標(biāo)：即與巖石工程性質(zhì)有關(guān)的指標(biāo)（力學(xué)性質(zhì)）、巖體后期改造有關(guān)的指標(biāo)(巖體結(jié)構(gòu))和巖體賦存條件方面的指標(biāo)（地下水或地應(yīng)力）。通常有:RMR(賓尼亞斯基分類，Bieniawski);

巴頓的Q分類;谷德振的巖體質(zhì)量指標(biāo)Z系統(tǒng)分類（1979）。(見表1-3。)

分類方案巖體質(zhì)量指標(biāo)計算公式及方法參數(shù)RMR系統(tǒng)RMR=A+B+C+D+E+F和差綜合法（并聯(lián)系統(tǒng)）（T.Bieniawski,1973)A—巖石強(qiáng)度（點荷載.單軸壓)分?jǐn)?shù)15—0B—RQD(巖石質(zhì)量指標(biāo)）分?jǐn)?shù)20—3D—不連續(xù)面性狀（粗糙—夾泥）分?jǐn)?shù)30—0C—不連續(xù)面間距（>2m—<3m)分?jǐn)?shù)20—5E—地下水（干燥—流動）分?jǐn)?shù)15—0F—不連續(xù)面產(chǎn)狀條件（很好—很差）分?jǐn)?shù)0—-12等級劃分I很好RMR100—81II好RMR80—61III中等RMR60—41IV差RMR40—21V很差RMR<=20RSR系統(tǒng)RSR=A+B+C

和差綜合法（并聯(lián)系統(tǒng)）（G.Wickham,1974)A—地質(zhì)（巖石類型：按三大巖類由硬質(zhì)至破碎劃分四個等級。構(gòu)造由整體—強(qiáng)烈斷裂褶皺分為四等），分?jǐn)?shù)30—6B—節(jié)理裂隙特征（按整體至極密集分為6個等級，按走向傾角與掘進(jìn)方向關(guān)系折減）分?jǐn)?shù)45—7C—地下水（無至大量）分?jǐn)?shù)25—6RSR的變化范圍25—100Q系統(tǒng)Q=RQD/Jn

.Jr/Ja

.Jw/SRF乘積法串聯(lián)系統(tǒng)（Baton,1974)RQD—巖石質(zhì)量指標(biāo)0—100Jn—裂隙組數(shù)，無裂—破裂，0.5—20Jr—裂隙粗糙度，粗糙—鏡面，4—0.5Ja—裂隙蝕變程度，新鮮—蝕變夾泥，0.75—20Jw—裂隙水折減系數(shù)，干燥—特大水流，1—0.05SRF—應(yīng)力折減系數(shù)，表示洞室開挖中巖性和地應(yīng)力對圍巖抗變形能力的折減，高者可達(dá)20（高應(yīng)力狀態(tài)巖石趨于流動），低者2.5（接近地表的堅硬巖石）

很好Q400—1000極好Q100—400

很好Q40—100好Q10—40一般Q4—10壞Q1—4很壞Q0.1—1壞Q0.01—0.1特壞Q0.001—0.01Z系統(tǒng)Z=I

.

f

.

R乘積法（串聯(lián)系統(tǒng)）谷德振，1979I—完整性系數(shù)，I=V2m/V2rVm—巖體中縱波速Vr—巖石中縱波速f—結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度系數(shù)R—巖石堅固系數(shù)（為巖石濕單軸抗壓強(qiáng)度的百分之一）Z的變化范圍為0.01—20表1—3巖體質(zhì)量分類代表性方案1.2.2.3分類標(biāo)準(zhǔn)的定量化—巖體質(zhì)量指標(biāo)

70年代以來巖體分類中采用了“巖體質(zhì)量指標(biāo)”或“綜合特征指標(biāo)”來判別巖體性能的優(yōu)劣，因而含有這類指標(biāo)的分類又被稱為巖體質(zhì)量分級，如上所述的RMR、Q和Z系統(tǒng)。分類中有了定量指標(biāo)作為依據(jù)，更便于將作過詳細(xì)勘探測試研究的場地的經(jīng)驗和成果應(yīng)用于研究程度較差或處于勘探初級階段的工地，從而達(dá)到簡化或減少勘探程序和工作量的目的。

分類中，為了探討不同分類方案之間的相關(guān)性，魯弗里奇等根據(jù)新西蘭多個工程的經(jīng)驗，對RMR、RSR和Q系統(tǒng)三者得出的如下關(guān)系式：RMR=1.35lgQ+43RSR=0.77RMR+12.4RSR=13.3lgQ+46.5

1.3巖體原生結(jié)構(gòu)特征的巖相分析

巖相的橫向變化引起巖性及厚度的變化，從而引起巖體的力學(xué)性質(zhì)在橫向上的差異性。充分了解巖相變化可以更好地提供面上資料，為工程建設(shè)服務(wù)。1.3.1河流相沉積巖巖體結(jié)構(gòu)特征的巖相分析

⑴：主要相模式及其工程地質(zhì)特征①高彎度河流沉積相模式及該相巖體的主要工程地質(zhì)特征坡降緩，彎度大，流態(tài)穩(wěn)定，水流較深，單向環(huán)流為主。其主要工程特征有：a.巖體具層狀或軟硬相間互層狀結(jié)構(gòu)特征；b.砂巖體抗風(fēng)化性能弱，強(qiáng)度具明顯自下而上的遞變規(guī)律如四川白堊系紅層的砂巖。

②辮狀（游蕩型）河流沉積相模式

特點：坡降陡，河床不穩(wěn)定，彎度小，水淺，流態(tài)不穩(wěn)定，具復(fù)雜環(huán)境的河流沉積模式。巖體主要工程地質(zhì)特征：a.巖體具層狀或塊狀結(jié)構(gòu)特征：巖體中以含泥砂礫的滯留礫石層為其主要軟弱層，斷續(xù)分布，起伏差大，多呈槽狀；b.砂巖體具較高的抗風(fēng)化能力和強(qiáng)度。⑵.巖體原生結(jié)構(gòu)特征的亞相、微相分析a.

軟弱夾層的亞相、微相分析b.

砂巖體中原生結(jié)構(gòu)面的微相分析。1.3.2變質(zhì)巖巖體結(jié)構(gòu)特征的巖相分析1.3.2.1葉理發(fā)育程度的巖相分析及其應(yīng)用

變質(zhì)巖葉理質(zhì)量分級可以為評價變質(zhì)巖巖體工程地質(zhì)特性提供了重要依據(jù)。具體來說，葉理指標(biāo)可對同一地區(qū)或不同地區(qū)類型巖石的葉理發(fā)育程度（表1-5）作出對比評價，還可用于定量評價巖石（體）的各向異性特征，通過相關(guān)分析，作為確定巖石（體）某些重要力學(xué)參數(shù)的依據(jù)。葉理指標(biāo)還可作為巖體潛在剪動（滑動）帶演變程度的判據(jù)。1.3.2.2變質(zhì)軟弱巖帶的巖相分析及其應(yīng)用：

①.

軟弱巖帶工程地質(zhì)特征的演化分析a.

空間展布特征受氣—液通道斷裂控制b.

斷裂的演化經(jīng)歷確定了變質(zhì)巖帶的力學(xué)特征c.

表生改造確定了變質(zhì)巖性能的近期變化②.

軟弱巖帶巖體質(zhì)量分級中的巖相分析對巖石展開薄片巖相鑒定、X射線衍射分析、有效空隙率、彈性波速、磁化率、傳導(dǎo)率和有關(guān)力學(xué)實驗，證明變質(zhì)巖的蝕變程度可以作為巖體分級的一個重要依據(jù)。1.4巖體構(gòu)造結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)力學(xué)分析

1.4.1構(gòu)造斷裂的基本組合模式

⑴.根據(jù)構(gòu)造斷裂組合規(guī)律去分析評價區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性或巖體穩(wěn)定性具有重大影響的構(gòu)造結(jié)構(gòu)特征。⑵.通過追溯應(yīng)力場演變史來闡明具有復(fù)雜歷史的構(gòu)造斷裂的工程地質(zhì)性質(zhì)。構(gòu)造地質(zhì)學(xué)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的現(xiàn)代研究，提出按變形(破壞)力學(xué)機(jī)制對構(gòu)造斷裂進(jìn)行分類(Mattauer等，1980)，將其劃分為剪切(shearing)，代表斷層和與斷層相伴的張性拉裂(fracturiug)；彎曲(bending)，代表柔性“同心”或“平行”褶皺；壓扁(flattening)，代表強(qiáng)烈擠壓條件下劈理、葉理等韌性變形；流動（flowing)代表高溫條件下巖石呈固熔狀態(tài)的粘滯流動變形。構(gòu)造斷裂的形成過程，表現(xiàn)為兩種機(jī)制類型的組合。通常隨深度加深和溫度增高，呈如下序列：剪切或拉裂拉裂與彎曲彎曲彎曲與壓扁壓扁壓扁與流動流動。

1.4.2大型推覆構(gòu)造巖體結(jié)構(gòu)特征分析

龍門山中北段推覆構(gòu)造發(fā)育，按構(gòu)造分區(qū)，可將巖體劃分成厚皮構(gòu)造、薄皮構(gòu)造和接觸擾動帶。2.4.2.1厚皮構(gòu)造結(jié)構(gòu)特征這一帶巖體主要由高角度的逆斷層推至接近地表的中下構(gòu)造層物質(zhì)組成。以塑性、韌性變形破裂為主，疊加接近地表處所產(chǎn)生的脆性破裂。具體特征為（1）系列陡傾逆沖斷裂構(gòu)成巖體個宏觀格架。（2）變質(zhì)巖以壓扁流動形成的密集片理化為其主要特征。（3）巖漿巖以S型花崗巖為典型代表，屬地殼重溶型（與逆沖斷層摩擦熱有關(guān)）巖漿巖中韌性斷裂和其他類型類型動力變質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育。上述特征也是這一帶巖體遭受風(fēng)化，并在重力作用下容易發(fā)生變形破壞的重要原因。較完整的巖漿巖可儲備很高的彈性應(yīng)變能，在區(qū)域剝蝕和現(xiàn)代地貌形成過程中，容易產(chǎn)生應(yīng)變能釋放而造成的淺表生變形破裂結(jié)構(gòu)。1.4.2.2薄皮構(gòu)造巖體結(jié)構(gòu)特征

這一帶以彎曲和剪切造成的淺部褶皺斷裂為其主要特征，伴有表部重力滑動構(gòu)造。具體特征為：（1）系列上疊式弧型斷裂構(gòu)成巖體的宏觀格架。（2）淺部巖層強(qiáng)烈彎曲褶皺，層間錯動發(fā)育。錯動在硬軟接觸面尤為明顯，削弱了層間聯(lián)結(jié)能力和抗剪強(qiáng)度，成為巖體在重力場條件下變形破壞的重要控制面。1.4.3伸展帶巖體結(jié)構(gòu)特征分析

裂谷是區(qū)域隆起背景上以斷陷谷為特征的大型復(fù)雜地塹系；如大洋裂谷、大陸裂谷和陸間裂谷。（1）裂谷深部斷裂的基本形式斷裂基本模式（見圖）（2）裂谷區(qū)覆蓋巖體結(jié)構(gòu)特征上述不同模式斷裂系統(tǒng)的近期活動，在區(qū)域穩(wěn)定性分析中具有重要的意義。如它對淺表層巖體構(gòu)造結(jié)構(gòu)的形成和演化的控制作用。第一類斷裂模式，蓋層結(jié)構(gòu)以垂向或陡傾大斷裂為分割邊界，呈明顯分帶或分塊特征，裂網(wǎng)絡(luò)受深部斷裂格架控制，拉張最強(qiáng)烈的部位往往出現(xiàn)在地幔隆起軸附近。第二類斷裂模式，蓋層隨裂谷擴(kuò)展而出現(xiàn)拉張破裂，但斷裂網(wǎng)絡(luò)并不一定與深部斷裂相吻合。拉張最強(qiáng)烈的部位往往出現(xiàn)在裂谷的一側(cè)(如圖1一17模式b的東側(cè))，或兩側(cè)（如模式C）1.4.4走滑斷裂區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征分析（1）走滑斷裂的基本組合模式典型的走滑斷裂系統(tǒng)發(fā)育在相對穩(wěn)定的地塊中，也可于板塊轉(zhuǎn)換斷層接觸帶，它是最大、最小主應(yīng)力近于水平的地應(yīng)力環(huán)境下的產(chǎn)物，大多屬于脆性剪切破裂。按地質(zhì)力學(xué)觀點，斷裂組合可有多種形式，但某一主干斷層與其伴生的不同次序的斷裂的組合形式，可視為基本模式。巴杰利（1959）曾提出一對共額走滑斷