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1、第九章岩体结构的工程地质研究,第一节岩体的结构特征第二节岩体的主要力学特性第三节地应力的工程地质研究第四节岩体的工程地质分类,工程影响范围内的岩石综合体（自然地质体）称为岩体，岩体是由结构面和结构体两部分组成的。结构面也称不连续面，切割岩体的各种地质界面统称为结构面。它们是一些具有一定方向、延展较广、厚度较薄的二维地质界面，如层面、沉积间断面、节理、断层等，也包括厚度较薄的软弱夹层。结构面在空间按不同组合，可将岩体切割成不同形状和大小的块体，这些被结构面所围限的岩块称为结构体。结构面和结构体成为岩体结构单元，不同类型的岩体结构单元的组合和排列形式成为岩体结构。,第九章岩体结构的工程地质研究,岩
2、体结构特征的研究意义,岩体的结构特征是指岩体中结构面和结构体的形状、规模、性质及其组合关系的特征。岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定性的控制面。靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确定了外营力对岩体的改造进程。这是由于结构面往往是风化、地下水等各种外营力较活动的部位，也常常是这些营力的改造作用能深入岩体内部的重要通道，往往发展为重要的控制面。研究结构面最关键的是研究各类结构面的分布规律、发育密度、表面特征、连续特征以及它们的空间组合形式等。,9.1岩体的结构特征,岩体结构示意图,1)原生结构面(1)沉积结构面沉积岩的层理、层面、沉积间断面及沉积软弱夹层等都属于沉积结构面。(2)火成结构
3、面岩浆侵入、喷溢及冷凝过程中形成的结构面，如流层、冷凝节理、侵入体与围岩的接触面及岩浆间歇喷溢所形成的软弱接触面等。(3)变质结构面变质结构面可分为残留的变余结构面和变成的重结晶结构面两种。前者为沉积岩浅变质所具有，层面仍保留，但在层面上有绢云母、绿泥石等鳞片状矿物密集并呈定向排列。重结晶结构面主要有片理和片麻理等。,一、结构面的成因类型,玄武岩的原生柱状裂隙,沉积岩的层间裂隙,内动力形成的结构面 包括节理、劈理、断层、层间剪切带等，也称构造结构面。3)次生结构面 外动力形成的结构面 主要是由风化作用、卸荷及人类活动所形 成的结构面，其共同特点是只分布在地表 或地表以下数十米的范围内。,2)构
4、造结构面,构造裂隙,卸荷裂隙,剪节理（剪切裂隙）,河谷地区的卸荷裂隙,结构面分级,(1)规模：结构面的规模大小相差悬殊。大者可延展数十公里，宽度可达数十米。规模小者延展仅数十厘米或数十米，甚至可以是很微小的不连续裂隙。(2)方位：即结构面的产状。(3)间距：系指相邻结构面间的垂直距离，通常是指一组结构面的平均间距。(4)延续性：它是表征结构面延伸长度和展布范围的指标。(5)粗糙度：结构面的形态有平直的、波状的，锯齿状的、台阶状的和不规则状的几种。,二、结构面的特征,(1)方位：即结构面的产状。(2)间距：系指相邻结构面间的垂直距离，通常是指一组结构面的平均间距。它是反映岩体的完整程度和岩块大小
5、的重要指标(3)延续性：它是表征结构面延伸长度和展布范围的指标。(4)粗糙度：结构面的平整光滑程度不同，抗剪强度也不同。结构面的形态有平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的几种。结构面的起伏程度可用起伏差及起伏角表示，结构面的粗糙程度可用粗糙度系数(JRC)表示，详见结构面的抗剪强度部分。,二、结构面的特征,节理间距与完整性的关系,结构面的贯通性,岩体的面连续性,(5)结构面侧壁强度：它可以反映结构面经受风化的程度，可用施密特回弹仪或点荷载仪测定节理壁的强度。(6)张开度：指结构面两壁间的垂直距离。结构面的张开度通常不大，一般小于1mm。(7)充填物：结构面内常见的充填物有砂、粘土、角
6、砾、岩屑及硅质、钙质、石膏质沉淀物，结构面经胶结后强度会提高，其中以铁或硅质胶结者强度最高，泥质及易溶盐类胶结者强度低、抗水性差。未胶结的充填物强度低，充填物厚度不同时，结构面的变形与强度也不同。,二、结构面的特征,(8)渗流：结构面内有无渗流及流量的大小，对结构面的力学性质、有效应力的大小及施工的难易程度均有重要的影响。(9)节理组数：节理组数的多少，决定了岩石块体的大小及岩体的结构类型(10)块体大小：由数组结构面切割而成的岩石块体，一般称为结构体。,二、结构面的特征,结构体的形状,三、软弱夹层,软弱夹层是指在坚硬的层状岩层中夹有强度低、泥质或炭质含量高、遇水易软化、延伸较广和厚度较薄的软
7、弱岩层。,沉积型、喷发沉积型、浅变质软弱矿物富集型,层间挤压错动形成的层间剪切带,风化型、充填型,包括：岩块岩屑型、岩屑夹泥型、泥夹岩屑型及泥型（GB50287-99,附录D)等。,三、软弱夹层,特点厚度薄多呈相互平行，延伸长度和宽度不一的多层状结构松散岩性、厚度、性状和延伸范围，常有很大变化力学强度低，与其结构、矿物成分和颗粒组成有关,四、泥化夹层,泥化夹层的形成泥化粘土岩类岩石经一系列地质作用变成塑泥的过程。,标志：其天然含水量等于或大于塑限。特点：湿度高、密度小、强度低、变形大。,物质基础：粘土矿物含量较高的原生软弱夹层：如粘土岩、粘土质页岩、粘土质粉砂岩、泥质板岩、泥灰岩、千枚岩等夹层
8、。构造作用地下水作用：结合水膜减弱粒间连接力，岩石处于塑形甚至接近流态；溶解盐类、水化和水解作用。,四、泥化夹层,特点成分：粘粒含量明显增多结构：由固结或超固结变成了泥质散状结构物理状态：干容重减小,天然含水量增高,接近塑限具有一定的膨胀性力学强度：较原岩大为降低，=0.2，压缩性大抗冲刷能力低，易于产生渗透变形,四、岩体结构类型,不同结构类型岩体的破坏方式,不同结构类型岩体的破坏方式,工程规模与岩体结构类型的关系,一、岩体的变形特征及指标岩体的变形特性 岩体的变形往往包括了结构面的变形和结构体的 变形两部分。,9.2 岩体的主要力学特性,单轴压缩条件下岩石变形特征（变形阶段划分）1）OA段曲
9、线，属于微裂隙压密阶段;2）AB段曲线，属于弹性变形阶段;3）BC段曲线，属于初级膨胀阶段;4）CD段曲线，属于破坏阶段;5）DE段曲线，属于峰值后的变形与破坏阶段。,岩体压力变形曲线的三种基本类型,a)岩体节理不发育，岩体坚硬完整,b)岩体节理发育且充填不好，加载初期逐渐压密，后期变陡，直至最后直线阶段,c)荷载较低时，P-W呈直线关系，它反映岩体软弱或深部埋藏有软弱夹层,（二）岩体的变形指标,A,B,C,D,E,二、岩体的流变特征,蠕变：指在应力一定的条件下,变形随时间的持续而逐渐增长的现象；松弛：变形保持一定时，应力随时间的增长而逐渐减小的现象。长期强度：出现蠕变破坏的最低应力值(0.8
10、fc)。,三、脆性与塑性破坏岩体的剪应力剪位移曲线,岩体的破坏机制,岩体变性破坏的形式,1.平直光滑无充填结构面的抗剪强度=tan2.粗糙起伏无充填结构面的抗剪强度(1)当法向应力较小时,存在所谓的爬坡效应=tan(b+i)式中:b为结构面的基本摩擦角,i为齿面的起伏角。(2)当法向应力较大时,将剪断锯齿=tan+c由上两式相等,可求得剪断时的法向应力:T=c/tan(b+i)-tan,四、岩体结构面的抗剪强度,对于不规则起伏的结构面,据N.R.Barton:=tanJRClog(JCS/)+b式中:JRC为结构面的粗糙度系数,从平滑到最粗糙取020,JCS为结构面两侧岩石的抗剪强度。3.有充
11、填无结构面的抗剪强度有充填无结构面的抗剪强度,主演取决于充填物的成分结构厚度及充填程度等。,9.3 岩体的天然应力状态,地应力，也叫初始应力，指工程施工前存在于岩体中的应力。一、天然应力的组成.自重应力;.构造应力：由构造运动产生的地应力;3.剩余应力（风化剥蚀后）及变异应力等。二、天然应力的分布规律1.三向不等空间应力场；2.水平应力与垂直应力的关系；3.水平应力的方向性；4.河谷地区应力场。,水平应力与垂直应力的平均关系,三、地应力的测量方法,1.应力解除法和应力恢复法测地应力布置图,(1)应力恢复法是在岩体表面或地下洞室围岩表面预先布置好测量元件，当其旁边开槽解除岩体中的应力时，测量元件
12、读数便发生变化。再把平面扁千斤顶放人槽内加压，使测量元件恢复到原来状态，此时千斤顶的应力就是垂直槽壁方向的应力。(2)应力解除法1)孔壁应变法。是借助粘贴在钻孔孔壁上的电阻应变片，测量套孔应力解除前后所得的孔壁表面应变变化，据弹性理论计算岩体中某一点的三向应力的方法。所谓套孔，是指同心而不同直径的两个钻孔。先钻较小直径的内孔，将岩心取出，后钻较大直径的外孔，环切一圈形成环形槽，从而使岩心(中间为内孔)与周围岩体分离。,2)孔径变形法是通过测试安装在钻孔内的孔径变形计，量测套钻解除前后所得的钻孔孔径变化，来计算岩体内某一点应力的方法。测求岩体某一点的空间应力，应采用三个钻孔作交会测试。3)孔底应
13、变法是通过测试在铅直孔孔底粘贴应变片，量测套钻解除前后所得的岩心应变，来计算岩体内某一点应力的方法。测求岩体某一点的空间应力，应采用三个钻孔作交会测试。,是在钻孔内用两个可膨胀的橡胶封隔器将钻孔的试验段隔离开来，施加水压，通过测量(在试验水平面)岩石的裂隙产生传播、保持和重新开裂所需的水压力，来确定垂直于钻孔平面最大、最小主应力的方法。它们的方向，一般通过观测和测量由水压力导致钻孔壁面的裂隙的方位获得。这种方法是目前在深孔内能确定岩体应力的唯一的一种技术。,(3)水压致裂法,2水压致裂法测量地应力,水压致裂法地应力测量破裂过程曲线,1.基坑底部的隆起、剥离破坏；2.基坑边坡的剪切滑移；3.地下
14、洞室产生大的收敛变形；4.地下洞室施工过程中产生岩爆；5.边坡的倾倒变形；6.对坝型选择的影响,四、地应力研究的工程意义,9.4 岩体的工程地质分类,一、岩石质量指标RQD分类岩石质量指标RQD（Rock Quality Designation）是以修正的岩心采取率来确定的。岩心采取率就是采取岩心长度与钻孔长度之比。而RQD即修正的岩心采取率是选用坚固完整的、其长度等于或大于10cm的岩心长度与钻孔长度之比，并用百分数表示。根据岩石质量指标RQD，可分为很好的（RQD90）、好的（RQD7590）、一般的（RQD5075）、差的（RQD2550）和很差的（RQD25）。,岩石坚硬程度分类,岩体
15、完整程度分类,注：完整性指数为岩体压缩波速度与岩块压缩波速度之比的平方，选定岩体和岩块测定波速时，应注意其代表性。,二、岩土工程勘察规范（GB50021-2001）中的工程岩体分级方案,岩体基本质量等级分类,考虑的五个参数：岩石的单轴抗压强度；RQD值；不连续面间距；不连续面性状；不连续面方向；地下水状态,三、岩体地质力学（RMR）分类及质量评价,四、岩体质量Q系统的分类,考虑的六个参数：RQD值；节理组数Jn；节理 粗糙度系数Jr；节理 面蚀变系数Ja；节理 水折减系数Jw；应力折减系数SRF.,在确定了岩石的坚硬程度、岩体完整程度之后，先按定量划分方法确定的参数，计算岩体基本质量指标（BQ
16、），其计算公式如下BQ903Rb250 KV采用上式计算BQ值时，应注意对Rb、KV的两个限制条件：即当Rb90KV+30时应以Rb=90KV+30和KV代入上式计算BQ值；又当KV0.04RC+0.4时，应以KV=0.04RC+0.4和RC代入上式计算BQ值。很明显，前一限制条件是对强度大而完整性较差的岩体的调整；而后者是对完整性较好但强度较差的岩体的一种限制，使分级更合理地反映这二类岩体对稳定性的影响。在此基础上可按下表确定被划分岩体的基本质量级别。,五、工程岩体分级标准,第十章 坝的工程地质研究,水利水电工程建设实践表明，工程地质条件不仅影响到坝址、坝型的选择，而且关系到工程的投资、施工
17、工期、工程效益和工程安全。在大坝发生毁坏的事故中，因地质问题而引起的最多，因此在大坝的设计和施工中，对坝基或坝肩的岩体进行工程地质条件的分析研究是非常重要的。,坝基在承受荷载作用下不会发生滑动失稳；坝基各部位的应力及变形值要在学科范围之内，避免产生过大的局部应力集中和严重的不均匀变形；坝基在渗流水的长期作用下，保持力学上和化学上的稳定，渗漏量和渗流压力都应控制在允许范围之内。,主要解决问题：,各种坝失事百分率统计,工程地质条件 自然环境地质因素对工程活动的制约和影响而产生的问题。这种环境地质因素通常称为工程地质条件，它们是自然历史发展演变的产物，主要有：地形地貌；岩土类型及其工程地质性质；地质
18、结构与地应力；水文地质条件；物理地质现象(滑坡、崩塌、泥石流、风化、侵蚀、岩 溶、地震等)；地质物理环境 天然建筑材料,第一节 水工建筑物的工程地质条件及工程地质问题,二、各种坝型对地质、地形条件的要求土石坝,1.土石坝对地质条件的要求,土石坝是由散体材料经碾压填筑而成，坝坡平缓，体积庞大，底宽较大，对地基底压应力较小。同时坝体堆筑材料之间没有胶结材料，坝体是柔性的，允许产生较大的变形。故它对坝基工程地质地形条件的要求较低，在土质地基和岩石地基上均可兴建。但是，对下列地质情况需特别注意研究和处理：岩石地基：强烈喀斯特岩体、大的断层破碎带、强透水和抗剪强度低的软弱夹层、泥化夹层的岩体、基岩起伏太
19、大的岩体。土质地基：(1)深厚砂砾石层；(2)软土；(3)湿陷性黄土；(4)疏松砂土及少粘性土(粘粒含量小于15)；(5)岩溶，即含大量可溶岩类土；(6)透水坝基下游坝趾处有连续的透水性较差的覆盖层。,土石坝适用于各种地形条件。在布设的时候应注意下列原则：(1)坝址附近在地形上最好有天然垭口以便布置溢洪道，或是有利于布置侧槽式溢洪道、溢洪洞的地形地质条件。(2)土石坝是当地材料坝，坝区附近有足够数量的、合乎质量标准又易于开采运输的粘土、砂砾石或堆石料。,二、各种坝型对地质、地形条件的要求土石坝,2.土石坝对地形条件的要求,二、各种坝型对地质、地形条件的要求重力坝,1.重力坝对地质条件的要求,重
20、力坝是依靠坝身自重与地基间产生足够大的摩阻力来保持其稳定，故对地基要求比土石坝高，一般都修在岩基上，低坝也要修在较好的土质地基上。1）具有足够的抗滑能力，能满足抗滑稳定要求。2）坝基应有足够的抗压强度和与坝体混凝土相适应的弹性模量，其均匀性和完整性也应较好，能承受坝体传来的巨大压力，不致产生过大的变形或不均匀变形，否则坝体内会产生较大的拉应力，使坝体裂开，甚至毁坏。3）坝基(肩)应有良好的抗渗性，在库水上下游水头差作用下不发生大量渗漏，不产生过大的扬压力，也不会产生岩体的软化、泥化和软弱夹层、断层破碎带的渗透变形。,4）重力坝对地形适应性好，但两岸山坡岩体必须稳定，没有难以处理的滑坡体和潜在的
21、不稳定的滑移体。5）重力坝可以从坝顶宣泄大量洪水，下游河床岩体应具有对高速水流的抗冲能力，以免冲刷坑向上游扩展，威胁大坝安全。6）坝区附近应有足够的、合乎要求的混凝土骨料或石料。,二、各种坝型对地质、地形条件的要求重力坝,2.重力坝对地形条件的要求,二、各种坝型对地质、地形条件的要求拱坝,1.拱坝对地质条件的要求,拱坝的外荷载主要是通过拱的作用传递到坝端两岸，所以拱坝的稳定性主要是依靠坝端两岸岩体维持。与重力坝比较，拱坝对两岸岩体的要求较高，要求两岸拱座岩体具有抗滑稳定、变形稳定和渗透稳定。两端拱座岩体应该坚硬、新鲜、完整，强度高而均匀，透水性小，耐风化、无较大断层，特别是顺河向断层、破碎带和
22、软弱夹层等不利结构面和结构体，拱座山体厚实稳定，不致因变形或滑动而使坝体失稳。滑坡体、强风化岩体、断层破碎带、具软弱夹层的易产生塑性变形和滑动的岩体均不宜作为两端的拱座。,修建拱坝比较理想的河谷断面形状应是比较狭窄的、两岸对称的“V”字形河谷，其次是“U”形和梯形。河谷的宽高比值在1.5-2比较理想，最好不超过3.5。,二、各种坝型对地质、地形条件的要求拱坝,2.拱坝对地形条件的要求,二、各种坝型对地质、地形条件的要求支墩坝,1.支墩坝对地质地形条件的要求,支墩坝是由向上游倾斜的挡水盖板和支撑盖板的多个支墩组成的。水压力由盖板经支墩传给地基。与重力坝相比，它的体积比重力坝要小很多，坝对地基的荷
23、载要低于同等高度的重力坝，对地质条件的适应性较强，其对地质地形条件的要求同重力坝，但需注意防止相邻支墩产生较大的不均匀沉降。,第二节 坝区的渗漏,水库蓄水以后由于坝上、下游有一定的水位差，使库水在一定的水头压力下通过坝区透水岩土体向下游渗漏，依其产生部位的不同，可以分为坝基渗漏和绕坝（肩）渗漏。,坝区渗漏工程地质条件分析渗漏通道：渗漏通道一般是指具有较强透水性的岩土体，可分为透水岩层、透水带、和透水喀斯特管道。渗漏通道的连通性,第二节 坝区的渗漏,坝区渗漏量的计算坝基渗漏量的计算：1）单层结构的均匀透水坝基：当 时，卡明斯基单宽流量公式：坝基渗透总量为：,坝区渗漏量的计算坝基渗漏量的计算：2）
24、双层结构的透水坝基：单宽坝基渗漏量：坝基渗透总量为：,第二节 坝区的渗漏,第二节 坝区的渗漏,绕坝渗漏量的计算：若在坝肩地带存在有沟通上下游的渗漏通道，则可形成绕坝渗流。（1）绕坝渗漏带宽度B确定。,第五节 坝区渗漏与渗透稳定性,绕坝渗流计算应按渗漏条件划分为若干流带，注意计算每一渗流带的渗漏量，将其汇总计算该岸的绕坝渗漏量。,式中：b为某一绕渗水流带的宽度，m，L为某一绕渗水流带的长度。确定绕渗带的宽度时，要使 不大于建库前的天然地下水的单宽流量。,概念 渗透变形：岩土体在地下水渗透力（动水压力）的作用下，部分颗粒或整体发生移动，引起岩土体的变形和破坏的作用和现象。表现为鼓胀、浮动、断裂、泉
25、眼、沙浮、土体翻动等。,第三节 坝基的渗透变形,第三节 坝基的渗透变形,研究意义,堤 岸,1998年长江洪水险情以渗流险情最为普遍，沿长江6000余处险情中就有400余处属渗流险情。其中流土被视为险中之险。一般来说，长江中下 游平原冲积地层，上面是粘性土；往下是粉砂、细砂等，砂层间也有粘性土夹层的，再往下则是砂砾及卵石等强透水层，在河床中露头与河水相通。在汛期高水位时由于渗水流经强透水层压力损失很小，堤内数百米范围内粘土层下面仍承受很大的水压力，如果这股水压力，冲破了粘土层，下面的粉砂、细砂就会随水流出（在没有反滤层保护的情况下），从而发生流土。,2003年7月1日凌晨4时，正在施工中的上海轨
26、道交通4号线（浦东南路至南浦大桥）区间隧道浦西联络通道发生渗水，随后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。上午9时左右，地面建筑物中山南路847号一幢八层楼房发生倾斜，其裙房部分倒塌。由于报警及时，所有人员提前撤出，无人员伤亡。,第三节 坝基的渗透变形,第三节 坝基的渗透变形,渗透变形的类型：1）管涌土体中的细颗粒（填料颗粒）或可溶成分由于渗流作用而在粗颗粒（骨架颗粒）间的孔隙通道内移动或被带走的现象；,第三节 坝基的渗透变形,渗透变形的类型：2）流土在上升的渗流作用下，局部粘性土和其他细粒土体（多为均匀的粉细砂层）表面隆起、顶穿或不均匀的砂土层中所有颗粒群同时浮动而流失的现象；,第三节 坝基的渗透
27、变形,渗透变形的类型：3）接触冲刷当渗透水流沿着两种渗透系数不同的土层接触面或建筑物与地基的接触流动时，沿接触面带走细颗粒的现象；4）接触流失当渗透水流垂直于渗透系数相差悬殊的土层流动时，将渗透系数小的土层中的细颗粒带进渗透系数大的粗粒土的孔隙的现象。,渗透变形产生的条件：土体的渗透稳定性决定于渗透水流对土体的作用力与土体的阻抗力这一对矛盾的发展变化过程。影响因素：1）土的颗粒成分（细粒含量，土颗粒级配的不均 匀系数，粗细颗粒径径比）和结构特征（固结压 密，多层结构）；2）水动力条件；3）渗流出口条件,第三节 坝基的渗透变形,临界水力坡降和允许水力坡降：1）土体呈悬浮状态时的水力坡降，即渗透水流使土体发生渗透变形极限平衡状态时所具有的水力坡降称为土的临界水力坡降。按太沙基公式确定：2）防止渗透变形的允许水力坡降，以水的临界水力坡降处以1.52.0的安全系数确定。对于大型工程或地层结构复杂的地基，其临界水力坡降和允许水力坡降需通过专门试验获得。,第三节 坝基的渗透变形,
