工程地质分析原理(教案电子版)文档格式.doc

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结构面：

岩体中具有一定方向、力学强度相对（上下岩层）相对较低而延伸（或具一定厚度）的地质界面。

结构体：

由结构面分割、围成的岩石块体（相对完整）。

岩体结构：

由岩体中含有的不同结构面和结构体在空间的排列分布和组合状态所决定。

（8类）。

为什么要研究岩体结构。

a.结构面是岩体中力学强度相对较薄弱的部位，导致岩体的不连续性、不均一性和各面异性。

b.岩体结构特征对岩体的变形、破坏方式和强度特征起重要的控制作用。

c.在地表的岩体，其结构特征在很大程度上决定了外营力对岩体的改造程程。

风化、地下水等。

1.2岩体结构的主要类型与特征

1.2.1结构面的主要类型及其特征

从成因角度：

原生结构面

构造结构面

表生结构面：

层向错动、泥化夹层、表生夹泥

1.2.2岩体结构类型

一、岩体分类

a.分类目的和原则

目的：

对工程地质条件优劣不同的岩体进行分类，便于深入评价岩体的工程地质性质和特征，以达到合理利用和有效治理的目的。

b.原则

①差异性原则：

不同类别的岩体的工程地质性质有明显的差异。

②适用性原则：

分类体系便于（工程）应用。

③分类指标便于测定原则

岩体分类的三大体系：

①以岩石材料的力学性质指标为基础的分类。

如Y轴抗压强度。

②以岩体稳定性为基础的分类——专门性分类。

如RMR、Q等。

③以岩体结构为基础的分类。

目前岩体分类的趋势：

①考虑岩石的基本性质。

（建造）

②考虑岩体强度的改造。

③考虑岩体所处的实际地质环境条件。

二、岩体结构类型划分

以中科院地质所方案为代表，重点考虑岩体的改造，并应用地质力学观点对岩体结构类型进行详细划分。

这种分类方案首先考虑建造特征。

分为块体（整体）状

块状

层状

散体状——松散堆积

其次考虑岩体的改造特征

如完整的、块裂化的（或板裂化的），碎裂化的散体化的。

1.3岩体原生结构特征的岩相分析

原生结构体系对岩体的性能及其变形破坏起着重要的控制作用，因此对原生结构体系特征的研究显得极其重要。

以河流沉积主要相模式的研究为例。

一、河流沉积主要相模式及其工程地质特征

a.高弯度河流沉积相模式。

河流特点：

河床比降小、弯度大、水深但流态较稳定，单向环流。

其沉积物分：

底部滞留相（河床）；

中部边滩相（粉砂岩）；

顶部：

天然堤相和洪积相（砂堤、决口肩、滨岸沼泽沉积等）

特征：

自下而上由粗变细

岩体具软硬相间的互层状结构特征

砂岩抗风化能力弱，自下而上强度由高变低

顶部边滩相松散沉积物易发生砂土液化

b.瓣状河流沉积相模式（游荡型）

河谷纵坡降大，河床不稳定、弯度小、水浅、流态不稳定，具复杂环流特征。

沉积物分：

底部（滞留相）

中部心滩相（上部，小型槽状交错层；

下部，大型单斜交错层）

顶部，边滩相、洪流相（细砂、中砂、泥岩，具水平层理或包卷层理）

具层状或块状结构特征

滞留相岩泥岩砾石层成为主要软弱层

顶部相不发育

中部心滩相砂岩（砾岩）具较高的强度（抗风化能力强）

二、岩体原生结构特征的亚相、微相分析

a.软弱夹层的亚相、微相分析

河流相沉积中的软弱夹层按亚相、微相特征见表1-4。

（P20）注意洪泛平原砂岩层与天然堤粉砂质泥岩层的展布特征。

在亚相、微相分析中注意准同生变形作用。

b.砂岩体中原生结构面的微相分析

流水沉积的层理类型与泥砂粒度、水流状态、水流强度相关。

由此追溯和判断沉积环境和古水流特征。

高弯度河流边滩相，下部为大型槽状交错层，向上递变为平行层理，小型波状交错层理，向上与堤岸相过渡。

而瓣状河流则主要由大型楔状交错层理，楔型错层理、逆行沙波为特征。

变质岩自己看。

1.4岩体构造结构特征的地质力学分析

1.4.1构造断裂的基本组合模式

解决两大问题：

区域构造稳定和岩体稳定性

追溯应力演变历史

根据现代构造地质学研究，构造断裂的形成，表现为两种或多种机制的组合。

纵向上分为上层构造（表现为剪切或拉裂）、中层构造（表现为弯曲）和下层构造（表现为压扁、流动）

一、聚合带（大型推服构造）

按构造分类：

厚皮构造、薄皮构造、接触扰动带

a、厚皮构造带

发育高角度逆冲断层。

由中、下构造层的物质组成。

以塑性、韧性变形破裂为主，并沿推覆方向逐渐减弱。

后期叠加脆性破裂，沿推覆方向逐渐增强。

b.薄皮构造带

以弯曲和剪切造成的浅部褶皱断裂为主，伴随表部的重力滑动构造——滑覆体。

层间错动方式尤为突出。

c.接触振动带

以地表条件的弯曲、剪切为主，形成正错叠瓦式断裂。

二、裂谷带（伸展带）

一般认为是区域隆起背景上以断陷谷为特征的大型复杂地堑系。

a.深部

形成一系列拉张断裂或正断层。

b.盖层

盖层随裂谷的扩展，在地幔中隆起轴附近形成受深部断裂控制的拉张断裂。

或随裂谷的拉张，形成侧缘拉裂，不受深部断裂控制。

三、走滑断裂

主要发育于相对稳定的地块中，属拉性剪切破裂。

地质力学对走滑断裂的研究较深入。

插图

现在的研究表明，最大主压应力在断层错动面附近发生偏转，偏转方向向错动方向。

1.5岩体结构特征的统计分析

重点介绍路线精测法。

迹线法和统计窗法、实习中已介绍。

一、结构面现场测量和资料较正

主要针对延伸数米或数十米结构面。

方法：

在掌子面上布置相互垂直的18条测线，组成测网。

在网内，逐一测量每一条与测线相交的结构面位置、产状、延伸长度、张开度、充填情况、表面特征资料。

实践证明，采用六条测线已能正确探明结构面的状况。

资料较正：

主要解决被测机率不等的问题。

特别是与长子面交角较小的节理，被子测机会大大减小。

资料校正分长度校正和方位校正。

a.长度校正

以测线中最长线段Ln作为标准长度。

，其它线段的应测结构面数量修改为：

（按某组结构面进行校正）

b.方位校正

即调整到结构面组法线方向上来确定结构面的数量。

二、岩体结构特征量化模式程序

第二章地壳岩体天然应力状态

2.1基本概念及研究意义

天然应力：

指未经人为扰动，主要是在重力场、构造应力场综合作用下，所形成的应力状态，亦称初始应力（物理、化学、变化，岩浆侵入等）由人为活动而引起的应力场变化原生应力。

a.自重应力场

亦有

b.构造应力场

由地壳的构造运动所引起，活动的、剩余的。

c.变异应力与残余应力

变异应力：

为物理、化学变化及岩浆侵入形成的应力场。

残余应力：

岩体卸荷或部分卸荷所形成的拉压应力自相平衡的应力场。

2.2影响岩体天然应力状态的主要因素

一、主要因素

天然应力场的形成取决于地质条件和岩体所经历的地质历史。

地质条件：

岩性R、E、μ

岩体结构不连续性、各向异性、应力集中

地质历史：

构造作用及其演变历史（主要因素）

区域卸荷作用

a.构造作用

分活动构造应力，即现今还在形成，累积的应力场。

剩余构造应力，即地质历史时期构造作用形成的应力至今尚未完全卸除。

活动构造应力所形成的应力场，其最大主应力比较一致或呈规律变化而剩余应力则各地不一，比较杂乱。

b.区域卸荷作用

指区域性的面剥蚀。

岩体内深度处的侵入岩应力场（静水应力状态）

经地面剥蚀后，剥蚀厚度为h。

则

水平应力与垂直应力的减小幅有很大不同。

思考题：

岩体卸荷过程中能否造成岩体破坏（设>

）

二、自由临空面附近的应力重分布

以河谷为例：

河谷下切，形成地表的自由临空面，由此引起临空面附近岩体卸荷回弹，形成临空面附近岩体内应力重分布。

重分布应力大小和特点受原始地应力水平、岩性特征、临空面形态特征的影响。

重分布应力的主要特征：

①主应力方向在临空面附近发生明显变化

最大重应力与临空面近于平行，而最小主应力与临空面近于垂直。

②最大主应力由内向外逐渐增大，而最小主应力由内向外逐渐减小，至临空面上为零，甚至出现拉应力。

③应力在坡脚附近显著增大。

应力增大现象称应力集中。

集中程度用应力集中系数表示。

三、岩体切割面附近的残余应力效应

由于岩体是由多种力学性质不同的材料（元件）组成，在加载条件和卸载条件下，不同力学性质的材料表现出不同的变形特征，以达到岩体内部应力和变形的总体平衡。

以达到岩体内部应力和变形的总体平衡。

约束紧密的不同材料卸载的残余应力效应。

2.3我国地应力场的空间分布随时间变化的一般规律

2.3.1我国地应力场的空间分布特点

a.各地的最大重应力方向呈明显规律性

大致与察隅和伊斯兰堡连线的夹角平分线方向一致。

仅伊斯兰堡外侧和察隅外侧不同。

b.三向应力状态与由此决定的现代构造活动呈规律分布。

①潜在逆断型应力状态主重要分布于喜马拉雅山前缘一带。

（与印度板块碰撞有关）

、水平，垂直

②潜在走滑型应力状态区主要分布于中、西部广大地区。

、水平垂直

③潜在正断型和张剪性走滑型应力状态区，主要分布于西藏高原（正断型）、东北、华北地区，汾渭地堑（张剪走滑型）。

2.3.2断裂带附近局部构造应力集中作用

a.一般规律

岩体受力变形时，其内所含的结构面会出现应力集中，使岩体内应力状态复杂化。

易于发生应力集中的部位往往是裂隙、断裂的端点、交汇点、错裂段、拐点、锁固段、分支点等。

b.局部应力集中区与活动断层的关系

上述应力集中的特殊部位往往形成与之相适应的构造带。

局部压力集中区，形成局部隆起和挤压型构造，伴强震。

反之，局部拉应力集中区形成拗陷和拉裂型构造，伴正断型地震。

2.4地应力随时间变化与地壳岩体应变速率的关系

a.地应力与应变速率的关系

地壳岩体是粘弹性介质。

伊腾等做的试验表明，当应力小于某临界值时，（不同材料的临界值不同）。

变形初期，应力增高，但随时间推移，应力一旦达到某一极限值就会不再增长，而变形不断发展。

前段表现出弹性介质特征，而后者表现出粘性特征。

当应力大于临界值，则岩体表现弹性介质特征，直至破坏，断裂是岩体的薄弱环节，其变形较岩体更加容易。

b.地应力随时间变化的一般规律

从以上规律可得出应力随时间变化的一般规律。

在岩体中地应力大于临界应变速率的地区，应力随时间呈线性递增。

在岩体地应力低于其临界应变速率，但高于断裂的临界应变速率时，岩体中应变速率递增到一定程度后将稳定在与临界应变速率相适应的应力水平，而断裂的应力所属于递增型。

当岩体中的应变速率和断裂应变速率均低于断裂临界应变速率时，岩体中的应力和断裂带内