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岩体结构分析及其对工程稳定性的影响

时间:2023-10-05 理论教育 版权反馈
【摘要】:岩体具有一定的结构特征。岩体结构是指岩体中不同组成部分之间的配置和排列。岩体中存在的各种地质界面称为结构面,被结构面切割而形成不同形状和大小的岩块称为结构体。一般说来,延伸数十公里,宽度达数十米的大断层,对岩体稳定性影响较大;而一些比较短小、互不连通的裂隙,对工程影响不大,因为岩体强度有一部分仍受单块岩石强度控制,其稳定性较好。所以,在研究结构面时,还要注意分析它的演变历史。

岩体结构分析及其对工程稳定性的影响

岩体具有一定的结构特征。岩体结构是指岩体中不同组成部分之间的配置和排列。岩体中存在的各种地质界面称为结构面,被结构面切割而形成不同形状和大小的岩块称为结构体。结构面和结构体的组合就构成岩体结构。

(一)结构面

岩体结构面,是指在地质发展历史中,在岩体内形成的具有一定方向、延展较长、厚度较小的各种地质界面。它包括不连续面(如裂隙面、断层面等)、物质分异面(如层面、层理面、片理面等),以及强度较低的软弱夹层和构造破碎带等。所以,结构面这一术语具有广义的性质。

1.结构面的成因类型

按地质成因,结构面可分为原生的、构造的、次生的三大类。

(1)原生结构面是指岩体在成岩过程中形成的结构面,按岩石的成因又可分为沉积的、火成的、变质的三种类型。

沉积结构面包括层理、层面、不整合面、原生软弱夹层等。一般层理和层面结合是良好的,其抗剪强度并不低。而位于坚硬岩层之间的泥岩、页岩和泥灰岩力学强度低的软弱夹层,泥质含量高,抗风化能力差,在水的作用下易于软化或泥化,往往形成泥化夹层,成为岩体中的最薄弱部位。

火成结构面包括原生冷凝裂隙、流纹结构面、侵入体与围岩的接触面,以及凝灰岩夹层等。其中侵入体与围岩接触面附近的裂隙带或蚀变带、凝灰岩夹层均属于软弱夹层,工程上应予以重视。

变质结构面包括片理面和坚硬变质岩中所夹的薄层软弱夹层,如云母片岩、绿泥石片岩、滑石片岩、千枚岩以及含泥质较多的板岩等。变质结构面容易裂开和滑动破坏。

(2)构造结构面是指岩体在构造应力作用下形成的结构面,如构造裂隙面、断层面、层间错动面和破碎带等。构造结构面多成组有规律出现,延伸长,深度大,往往组合起来将岩石切割成分离体,故对岩体滑动破坏起控制作用。断层破碎带和层间错动破碎带均易风化、软化,其力学性质较差,属于构造软弱带。

(3)次生结构面是指岩体在风化、重力、地下水等外力作用下形成的结构面,如有风化裂隙、卸荷裂隙和风化夹层、泥化夹层及次生充填夹泥层等。风化裂隙和卸荷裂隙一般分布在地表或距地表不深的范围内,往深处发育逐渐减弱,工程上容易处理。而风化夹层、泥化夹层和充填夹泥层一般发育较深,且泥质含量高,遇水易软化或泥化,其工程地质性质极差,对工程影响较大。国内外许多水利工程失事,大多与软弱夹层、泥化夹层问题有关。

2.结构面的自然特性

结构面形成以后,又历经改造和演化,其工程特性也变得更为复杂。因此,在分析结构面对岩体稳定的影响时,除应查明其成因类型外,还应注意了解结构面的规模、形态、密集程度、连通性、充填情况、产状与组合,以及发展历史。

(1)结构面的规模不同类型的结构面,其规模可大可小。一般说来,延伸数十公里,宽度达数十米的大断层,对岩体稳定性影响较大;而一些比较短小、互不连通的裂隙,对工程影响不大,因为岩体强度有一部分仍受单块岩石强度控制,其稳定性较好。但有时规模小的结构面对稳定也可起控制作用,对具体工程要作具体分析。

(2)结构面的形态各种结构面的起伏形态和光滑程度是不同的,常见的起伏形态有:平直的、波状起伏的、锯齿状的和不规则的。结构面的光滑程度可分为镜面的、光滑的、粗糙的。通常剪切裂隙面较平直光滑,张性裂隙面曲折粗糙,起伏差大,甚至呈锯齿状,后者比前者有较高的抗剪强度。

(3)结构面的密集程度结构面的密度反映了岩体的完整性。结构面平行密集或相互交织切割时,可使岩体稳定性大为降低(表2-9)。所以,必须注意对结构面间距和线密度进行统计,并描述其特征。

表2-9 裂隙密度对岩体抗压强度的影响

(4)结构面的张开度和充填情况这对结构面力学性质影响很大。结构面的张开度是指结构面的两壁离开的距离,可分为三级:闭合的,张开度不大于0.5mm;微张的,张开度为0.5~5.0mm;张开的,张开度不小于5.0mm。

闭合结构面的力学性质取决于结构面两壁的岩石性质和结构面粗糙程度。张开结构面的抗剪强度则主要取决于充填物的成分和厚度,一般充填物是粘土,要比充填物为岩屑强度低。

(5)结构面的产状及组合关系结构面的产状及其组合变化,常控制着工程岩体的滑动边界条件和破坏机制。因而,它是岩体稳定分析的重点内容。(www.xing528.com)

(6)结构面的发展历史原生结构面形成以后,由于受构造运动和外力地质作用的影响,也是在不断变化和发展的。例如,原生的软弱夹层受构造错动而形成破碎的层间错动层,其工程地质性质变差;而层间错动层又在地下水作用下发生次生泥化、软化,其性质更差。所以,在研究结构面时,还要注意分析它的演变历史。

图2-28 结构体类型

(a)长方柱(块)体;(b)菱形柱体;(c)三棱柱体;(d)楔形体;(e)锥形体;(f)板状体;(g)多角柱体;(h)菱形块体

(二)结构体

岩体中结构体的形状和大小是多种多样的,但根据其外形特征,可分为柱状、板状、块状、楔形、菱形和锥形等6 种基本形态(图2-28)。不同形态和不同产状的结构体,其稳定程度不同。如楔形体或锥形体位于坝基,其尖端指向下游时不利于坝基岩体的稳定;当楔形体或锥形体位于隧洞顶部,其尖端朝下时围岩稳定性较好。

(三)岩体结构特征

1.岩体结构类型

根据结构面与结构体的组合方式,以及结构面的间距和岩体的完整程度,可将岩体结构划分为:块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构等四种基本类型。考虑到层状结构岩体中不属于层面的裂隙的间距,在评价岩体完整程度方面同样具有实用意义,因此,又根据结构面的间距将层状结构岩体分为:巨厚层状结构、厚层状结构、中厚层状结构、互层状结构和薄层状结构五个亚类(表2-10)。

表2-10 岩体结构分类

续表

(引自《水利水电工程地质勘察规范》GB50287—99)

2.岩体的工程地质性质

岩体的工程地质性质首先取决于岩体结构类型与特征,其次才是组成岩体的岩石的性质。不同结构类型岩体的工程地质性质评述如下:

(1)块状结构岩体因结构面稀疏、延展性差,结构体块大,且常为硬质岩石组成,不易风化,故整体强度高,抵抗变形的能力较强,变形特征接近各向同性的均质弹性体。所以这类岩体具有良好的工程地质性质,是理想的建筑物地基。

(2)层状结构岩体岩体中结构面以层面与不密集的裂隙为主,由于层面结合力不强,使岩体变形特征和强度均具有各向异性的特点,尤其是当有软弱夹层或层间错动面存在时更为明显。一般平行层面方向的抗剪强度明显地比垂直层面方向的要低。当结构体尺寸较大时,这类岩体的强度仍然较高,可作为建筑物地基。当这类岩体作为边坡时,应特别注意岩层面的产状对其工程地质性质的影响,一般岩层倾向坡外时要比倾向坡里时的稳定性差很多。

(3)碎裂结构岩体岩体中裂隙发育,组数多(大于2~3 组),常有泥质充填物,结合力不强,结构体尺寸较小,岩体完整性破坏较大,故稳定性较差。其中镶嵌碎裂结构,因其结构体为硬质岩石,故在整体上强度仍然较高,但不连续性较为显著,经过局部处理后,仍不失为良好的建筑物地基;而层状碎裂结构,岩体强度和承载力不高,工程地质性质很差。

(4)散体结构岩体岩体裂隙很发育,十分破碎,结构体有时手捏即碎,接近松散堆积物属于碎石土类,可按土体研究,这类岩体稳定性最差。

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