工程地質(zhì)學第一章巖土體結構的工程地質(zhì)研究本章主要內(nèi)容：1.1巖土體結構的基本概念及研究意義；1.2巖體結構面的主要類型及其特征；1.3結構面的強度；1.4巖體結構類型及巖體工程分類原則；1.5土結構和構造的工程地質(zhì)研究。1.1基本概念及研究意義1.1.1基本概念土：地表的巖石,經(jīng)過風化、剝蝕成巖屑，又經(jīng)過搬運，沉積而成的沉積物，年代不長，未經(jīng)壓緊硬結成巖之前，呈松散狀態(tài)，稱為土，又稱為第四紀沉積層。巖石（Rock）礦物、巖屑的集合體。巖塊（Rockblock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）通常是指地質(zhì)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(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。結構面是指巖體中具有一定方向、力學強度相對較低、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。結構體：結構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，稱結構體。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。結構體的形狀示意圖巖體的工程地質(zhì)特征：⑴巖體是復雜的地質(zhì)體①形成過程復雜：地質(zhì)歷史的產(chǎn)物，經(jīng)歷多期構造運動；②組成復雜：巖性、風化狀態(tài)的多樣性；③結構復雜：存在大量各種成因的結構面；④處于復雜的、變化的地質(zhì)環(huán)境中。⑵巖體的強度主要取決于結構面的強度⑶巖體的變形主要取決結構面的閉合、壓縮、張裂和剪切滑移，巖體的破壞形式主要取決結構面的組合形式⑷巖體中存在復雜的天然應力場、溫度場和滲流場

1.1.2研究意義

工程地質(zhì)之所以要將巖體的結構特征作為重要研究對象，意義如下：⑴巖體中的結構面是巖體力學強度相對薄弱的部位，它導致巖體力學性能的不連續(xù)性、不均一性和各向異性。⑵在一定荷載條件下，巖體的結構特征對巖體的變形破壞方式和強度特征起著重要的控制作用。

⑶靠近地表的巖體，其結構特征在很大程度上確定了外營力對巖體的改造進程。這是由于結構面往往是風化、地下水等各種外營力較活動的部位?？傊?，對巖體的結構特征的研究，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)。研究結構面最關鍵的是研究各類結構面的分布規(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。

地質(zhì)成因分類(重點掌握)

力學成因分類（簡單了解）一、結構面的地質(zhì)成因分類：

原生結構面：成因構造結構面

分類次生結構面（淺、表生結構面）1.2結構面的主要類型及其自然特征

1.2.1結構面的主要類型1.2.1.1結構面的成因類型1、原生結構面定義：指的是巖體在成巖過程中形成的結構面。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（火成）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(zhì)結構面：在變質(zhì)過程中形成，分為殘留結構面和重結晶結構面，像片理、片麻理。原生結構面——層面、軟巖夾層（沉積結構面）原生結構面——玄武巖柱狀節(jié)理（巖漿結構面）原生結構面——玄武巖柱狀節(jié)理構節(jié)理（X型節(jié)理，張節(jié)理）造結斷層（正斷層，逆斷層，平移斷層）構面層間錯動帶，羽狀裂隙，破劈理。定義：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。2、構造結構面構造結構面——區(qū)域性活動斷裂構造結構面——

斷層斷層面

淺部卸荷斷裂淺結、構表面重力擴展變形破裂生結表卸荷裂隙構部風化裂隙面結風化夾層構泥化夾層面次生夾泥

3、次生結構面（淺、表生結構面）定義：指的是巖體形成后在外營力作用下產(chǎn)生的結構面。次生結構面——卸荷裂隙次生結構面——卸荷裂隙次生結構面——風化裂隙成因類型地質(zhì)類型主要特征工程地質(zhì)評價產(chǎn)狀分布性質(zhì)原生結構面沉積結構面1層理層面2軟弱夾層3不整合面、假整合面4沉積間斷面一般與巖層產(chǎn)狀一致，為層間結構面海相巖層中此類結構面分布穩(wěn)定，陸相巖層中呈交錯狀，易尖滅層面、軟弱夾層等結構面較為平整；不整合面及沉積間斷面多由碎屑泥質(zhì)物構成，且不平整國內(nèi)外較大的壩基滑動及滑坡很多由此類結構面所造成的，如奧斯汀、圣·弗朗西斯、馬爾帕塞壩的破壞，瓦依昂水庫附近的巨大滑坡巖漿巖結構面1侵入體與圍巖接觸面2巖脈巖墻接觸面3原生冷凝節(jié)理巖脈受構造結構面控制，而原生節(jié)理受巖體接觸面控制接觸面延伸較遠，比較穩(wěn)定，而原生節(jié)理往往短小密集與圍巖接觸面可具熔合及破碎兩種不同的特征，原生節(jié)理一般為張裂面，較粗糙不平一般不造成大規(guī)模的巖體破壞，但有時與構造斷裂配合，也可形成巖體的滑移，如有的壩肩局部滑移變質(zhì)結構面1片理2片巖軟弱夾層產(chǎn)狀與巖層或構造方向一致片理短小，分布極密，片巖軟弱夾層延展較遠，具固定層次結構面光滑平直，片理在巖層深部往往閉合成隱蔽結構面，片巖軟弱夾層具片狀礦物，呈鱗片狀在變質(zhì)較淺的沉積巖，如千枚巖等路塹邊坡常見塌方。片巖夾層有時對工程及地下洞體穩(wěn)定也有影響構造結構面1節(jié)理（X型節(jié)理、張節(jié)理）2斷層（沖斷層、捩斷層、橫斷層）3層間錯動4羽狀裂隙、劈理產(chǎn)狀與構造線呈一定關系，層間錯動與巖層一致張性斷裂較短小，剪切斷裂延展較遠，壓性斷裂規(guī)模巨大，但有時為橫斷層切割成不連續(xù)狀張性斷裂不平整，常具次生充填，呈鋸齒狀，剪切斷裂較平直，具羽狀裂隙，壓性斷層具多種構造巖，成帶狀分布，往往含斷層泥、糜棱巖對巖體穩(wěn)定影響很大，在上述許多巖體破壞過程中，大都有構造結構面的配合作用。此外常造成邊坡及地下工程的塌方、冒頂次生結構面

1卸荷裂隙2風化裂隙3風化夾層4泥化夾層5次生夾泥層受地形及原結構面控制分布上往往呈不連續(xù)狀，透鏡狀，延展性差，且主要在地表風化帶內(nèi)發(fā)育一般為泥質(zhì)物充填，水理性質(zhì)很差在天然及人工邊坡上造成危害，有時對壩基、壩肩及淺埋隧洞等工程亦有影響，但一般在施工中予以清基處理

巖體結構面的地質(zhì)成因類型及其特征二、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(cè)巖體產(chǎn)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，面較平直，延伸較長并有擦痕鏡面等。1.2.2結構面規(guī)模等級劃分：

按其對巖體力學行為所起控制作用，可劃分為五個等級：Ⅰ級：指大斷層或區(qū)域性斷層。控制工程建設地區(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(zhì)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，直接威脅工程安全穩(wěn)定性

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(zhì)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(zhì)，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(nèi)，主要影響巖塊的物理力學性質(zhì)，控制巖塊的力學性質(zhì)。1.2.3結構面的自然特征及其定量描述方法：

結構面的自然特征主要從十四個方面來進行說明：1、方位一般以走向、傾向、傾角來進行表示。2、間距（s）

間距是指相鄰結構面之間的垂直距離，通常是指同一組結構面法線方向上兩相鄰結構面的平均距離。它是反映巖體完整程度和巖石塊體大小的重要指標。

巖體的完整性還常用線密度(Ks或Kd)來進行表示，線密度（線裂隙率）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)。

Ks與s互為倒數(shù)關系。描述間距（mm）極窄（密集）的間距<20很窄（密集）的間距20~60窄（密集）的間距60~200中等的間距200~600寬的間距600~2000很寬的間距2000~6000極寬的間距>6000結構面間距的描述：3、延續(xù)（連續(xù)）性結構面的連續(xù)性反映結構面的貫通程度。一般以線連續(xù)性系數(shù)與面連續(xù)性系數(shù)來表示。線連續(xù)性系數(shù)：指沿結構面延伸方向，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。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。結構面延續(xù)性分級表

描述延續(xù)長度（m）延續(xù)性很差的<1延續(xù)性差的1~3中等延續(xù)性的3~10延續(xù)性好的10~30延續(xù)性很好的>304、粗糙度

粗糙度是指結構面?zhèn)缺诘拇植诔潭?。一般將結構面分為臺階形、波浪形、平直形三種，每種剖面又分為粗糙的、平坦的、光滑的三種類型，如圖1-3所示。5、結構面的側(cè)壁強度

結構面的側(cè)壁抗壓強度是直接影響巖體的抗剪強度和變形性質(zhì)。6、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。結構面張開度分級表描述結構面張開度（mm）分類很緊密緊密部分張開<0.10.1~0.250.25~0.5閉合結構面張開中等寬的寬的0.5~2.52.5~10>10裂開結構面很寬的極寬的似洞穴的10~100100~1000>1000張開結構面7、充填物充填物是指充填于結構面相鄰巖壁間的物質(zhì)。結構面膠結后力學性質(zhì)有所增強，F(xiàn)e質(zhì)膠結的強度最高，泥質(zhì)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(zhì)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。

（2）斷續(xù)充填：結構面的力學性質(zhì)與充填物性質(zhì)、壁巖性質(zhì)及結構面的形態(tài)有關。

（3）連續(xù)充填：結構面的力學性質(zhì)主要取決于充填物性質(zhì)。

（4）厚層充填：結構面的力學性質(zhì)很差，主要取決于充填物性質(zhì)，巖體往往易于沿這種結構面滑移而失穩(wěn)。8、滲流

是指在單個結構面或整個巖體中所見到的水流情況。結構面是巖體中地下水流通的主要通道。研究結構面中是否存在滲流和滲流量的多少，對于評價結構面的力學性質(zhì)，研究巖體中有效應力的改變以及預測巖體的穩(wěn)定性和施工的困難程度都有重要的意義。滲流分級如表1-4所示：9、節(jié)理組數(shù)

節(jié)理組數(shù)是指組成交叉節(jié)理系統(tǒng)的節(jié)理組數(shù)目。通常分為四個等級：（1）不發(fā)育：有一組或兩組節(jié)理；（2）較發(fā)育：有一組或三組節(jié)理；（3）發(fā)育：多于三組節(jié)理；（4）很發(fā)育：多于三組節(jié)理，并有許多不規(guī)則節(jié)理；10、塊體大小一般以節(jié)理裂隙數(shù)（Jv）來進行表示(表１－５所示)。也可以用線密度（Kd）來估算巖體質(zhì)量指標11、巖石質(zhì)量指標RQD(Rockqualitydesignation)

12、巖體完整性系數(shù)Kv13、巖體波速比K

14、結構面強度系數(shù)Kf

1.3巖體結構面的強度在工程荷載(一般小于10MPa)范圍內(nèi)，工程巖體常常是沿軟弱結構面失穩(wěn)破壞。在工程荷載作用下，結構面及其充填物的變形是巖體變形的主要組分，控制著工程巖體的變形特性。結構面是巖體滲透水流的主要通道。在工程荷載作用下，結構面的變形將極大地改變巖體的滲透性、應力分布及其強度。因此，預測工程荷載作用下巖體滲透性的變化，必須研究結構面的變形性質(zhì)及其本構關系。工程荷載作用下，巖體中應力分布受結構面及其力學性質(zhì)的影響。結構面強度分為抗拉強度和抗剪強度。結構面的抗拉強度非常小，常可忽略不計，所以一般認為結構面是不能抗拉的。在工程荷載作用下，巖體破壞常沿某些軟弱結構面的滑動破壞。在巖體力學中，重點研究結構面的抗剪強度。結構面抗剪強度測試儀器：便攜式直剪儀巖體結構面直剪試驗結果表：

幾種結構面的抗剪參數(shù)表：

結構面的抗剪強度,主要包括如下類型:無充填的結構面的抗剪強度平直無充填的結構面粗糙起伏無充填的結構面

規(guī)則鋸齒形結構面不規(guī)則起伏狀結構面有充填的結構面的抗剪強度1.3.1、無充填的結構面的抗剪強度一、平直無充填的結構面平直無充填的結構面包括剪應力作用下形成的剪性破裂面，如剪節(jié)理、剪裂隙等，發(fā)育較好的層理面與片理面。特點是面平直、光滑，只具微弱的風化蝕變。堅硬巖體中的剪破裂面還發(fā)育有鏡面、擦痕及應力礦物薄膜等。這類結構面的抗剪強度大致與人工磨制面的摩擦強度接近，即：二、粗糙起伏無充填的結構面

剪切特點：①當σ較小時，上盤巖塊上下運動，產(chǎn)生爬坡效應，增大了τ；②當σ較大時，將剪斷凸起而運動，也增大了τ。σττ1、規(guī)則鋸齒形結構面

1）σ較小，剪脹作用(在發(fā)生剪位移的同時,垂向上發(fā)生擴張變形.)Patton公式(1-10)2）σ較大，啃斷效用2、不規(guī)則起伏結構面自然界巖體中絕大多數(shù)結構面的粗糙起伏形態(tài)是不規(guī)則的，起伏角也不是常數(shù)。其強度包絡線不是折線，而是曲線形式。巴頓（Ｂarton，1973）對８種不同粗糙起伏的結構面進行了試驗研究，提出了剪脹角的概念并用以代替起伏角，剪脹角αｄ（angleofdilatancy）的定義為剪切時剪切位移的軌跡線與水平線的夾角，即：Barton方程：大量的試驗資料表明，一般結構面的基本摩擦角u＝２５°～３５°。因此，上式右邊的第二項應當就是結構面的基本摩擦角u

，而第一項的系數(shù)取整數(shù)２。(1-12)(1-13)(1-15)(JRC為裂隙粗糙系數(shù),JCS為裂隙抗壓強度)具有充填物的軟弱結構面包括泥化夾層和各種類型的夾泥層，其形成多與水的作用和各類滑錯作用有關。這類結構面的力學性質(zhì)常與充填物的物質(zhì)成分、結構及充填程度和厚度等因素密切相關。1.3.2、有充填結構面的抗剪強度1.4巖體結構類型及巖體工程分類原則

1.4.1巖體結構分類巖體結構可劃分為整體狀（或塊體狀）結構、塊狀結構、層狀結構、碎塊狀結構和散體狀結構等五種類型。

整體狀結構：代表巖性均一，無軟弱面的巖體，含有的原生結構面具有較強的結合力，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。

塊體結構：代表巖性較均一，含有2-3組較發(fā)育的軟弱結構面的巖體，結構面間距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。

層狀結構：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。可進一步分為層狀（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構。

碎塊狀結構：代表含有多組密集結構面的巖體，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。

整體結構塊狀結構層狀結構碎裂結構散體結構巖體結構類型巖體地質(zhì)類型主要結構形狀結構面發(fā)育情況巖土工程特征可能發(fā)生的巖土工程問題整體狀結構均質(zhì)，巨塊狀巖漿巖、變質(zhì)巖，巨厚層沉積巖、正變質(zhì)巖巨塊狀以原生構造節(jié)理為主，多呈閉合型，裂隙結構面間距大于15m，一般不超過1～2組，無危險結構面組成的落石掉塊整體性強度高，巖體穩(wěn)定，可視為均質(zhì)彈性各向同性體不穩(wěn)定結構體的局部滑動或坍塌，深埋洞室的巖爆塊狀結構厚層狀沉積巖、正變質(zhì)巖、塊狀巖漿巖、變質(zhì)巖塊狀、柱狀只具有少量貫穿性較好的節(jié)理裂隙，裂隙結構面間距0.7～1.5m。一般為2～3組，有少量分離體整體強度較高，結構面互相牽制，巖體基本穩(wěn)定，接近彈性各向同性體層狀結構多韻律的薄層及中厚層狀沉積巖、副變質(zhì)巖層狀、板狀、透鏡體有層理、片理、節(jié)理，常有層間錯動面接近均一的各向異性體，其變形及強度特征受層面及巖層組合控制，可視為彈塑性體，穩(wěn)定性較差不穩(wěn)定結構體可能產(chǎn)生滑塌，特別是巖層的彎張破壞及軟弱巖層的塑性變形碎裂狀結構構造影響嚴重的破碎巖層塊狀斷層、斷層破碎帶、片理、層理及層間結構面較發(fā)育，裂隙結構面間距0.25~0.5m，一般在3組以上，由許多分離體形成完整性破壞較大，整體強度很低，并受斷裂等軟弱結構面控制，多呈彈塑性介質(zhì)，穩(wěn)定性很差易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)，地下水加劇巖體失穩(wěn)散體狀結構構造影響劇烈的斷層破碎帶，強風化帶，全風化帶碎屑狀顆粒狀斷層破碎帶交叉，構造及風化裂隙密集，結構面及組合錯綜復雜，并多充填粘性土，形成許多大小不一的分離巖塊完整性遭到極大破壞，穩(wěn)定性極差，巖體屬性接近松散體介質(zhì)易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)，地下水加劇巖體失穩(wěn)表1—2巖體的結構類型（根據(jù)巖體力學）：1.4.2巖體的工程分類

方法：通過巖體的一些簡單和容易實測的指標，把工程地質(zhì)條件和巖體力學性質(zhì)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(jīng)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(zhì)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)。

通常有:RSR（威克漢分類，Wickham）;RMR(比尼威斯基或賓尼亞斯基分類，Bieniawski);

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

(見表1-3)

分類方案巖體質(zhì)量指標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—巖石強度（點荷載.單軸壓)分數(shù)15—0B—RQD(巖石質(zhì)量指標）分數(shù)20—3D—不連續(xù)面性狀（粗糙—夾泥）分數(shù)30—0C—不連續(xù)面間距（>2m—<3m)分數(shù)20—5E—地下水（干燥—流動）分數(shù)15—0F—不連續(xù)面產(chǎn)狀條件（很好—很差）分數(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。構造由整體—強烈斷裂褶皺分為四等），分數(shù)30—6B—節(jié)理裂隙特征（按整體至極密集分為6個等級，按走向傾角與掘進方向關系折減）分數(shù)45—7C—地下水（無至大量）分數(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—20