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工程岩石力学
1.1.1 岩石
工程岩石力学的研究对象是岩石。岩石是构成地壳的基本材料,是经过地质作用而天然形成的(一种或多种)矿物集合体。岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型,左图为三类岩石的部分岩体。
a、岩浆岩
岩浆岩是岩浆冷凝而形成的岩石, 绝大多数岩浆岩是由结晶矿物所组成,由于组成它的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定,它们之间的联结是牢固的,因此岩浆岩通常具有较高的力学强度和均质性。工程中常遇到的岩浆岩有花岗岩、玄武岩等。
b、沉积岩
沉积岩是母岩(岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩)经风化剥蚀而产生的物质在地表经搬运沉积和硬结成岩作用而形成的岩石组成。
沉积岩的主要物质成分为颗粒和胶结构。颗粒包括各种不同形状及大小的岩屑及某些矿物;胶结物常见的成分有钙质、硅质、铁质以及泥质等。沉积岩的物理力学性质不仅与矿物和岩屑有关,而且也与胶结物性质有关。沉积岩具有层理构造,这使得它的物理力学性质具有方向性。工程建设中常见的沉积岩有灰岩、砂岩、页岩等。
c、变质岩
变质岩是由岩浆岩、沉积岩甚至变质岩在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石。它在矿物成份、结构构造上具有变质过程中产生的特征,也常常残留有原岩的某些特点。因此,变质岩的物理力学性质不仅与原岩的性质有关,而且与变质作用的性质及变质程度有关。工程建设中常见的变质岩类有大理岩、片麻岩、板岩等。
岩石是自然历史的产物,由于它们的生成条件及在生成以后的漫长地质历史时期中,形成了许多各式各样的结构面,例如岩浆侵入岩与围岩接触面,不同侵入岩体彼此的接触面、冷凝裂隙,喷出岩和沉积岩的层理、不整合面,变质岩的片理、片麻理,组成各种岩石的矿物晶体的各种优势定向排列面以及由于地质构造运动、风化、重力和卸荷等各种不同动力的作用而产生的断层、节理、裂隙等。它们严重地破坏了岩石的完整性。在这种情况下,对岩体工程的安危起主要控制作用的,通常不再是被各种结构面分割的岩石块体,而主要是岩体中存在的结构面,或者是由岩石和结构面共同控制。在岩石力学中常用到“岩块”、“岩体”、“岩石”等术语,一般地被结构面切割成的岩石块体或从地壳岩层中切取出来的无显著软弱面的岩石块体称为岩块,而把自然埋藏条件下的大范围分布的由岩块和各种结构面(软弱面)网络组成的地质体称为岩体。岩石则是“岩块”和“岩体”的统称。
1.1.2 岩石的结构特征
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图1.1.1a
图1.1.1b
岩石的结构包括两个基本要素:结构面和结构体。
结构面就是岩体内具有一定方向性、延展性较大、厚度较小的两维面状地质界面,包括物质的异面和不连续面(如层理、断裂面等)
结构体则是被不同层状结构组合切割形成大小不一形态各异的单元岩块。
在不同类型的岩体中,结构面的切割形单元有不同的几何形状,如图1.1.1所示为单元岩块的主要形状。
图1.1.1c
图1.1.2为岩体的结构型式。
1---节理;2---层理;3---断层;4---断层破碎带(a)整体结构;(b)块状结构;(c)层状结构;(d)薄层状结构;(e)镶嵌结构;(f)层状破坏结构;(g)破裂结构;(h)散粒结构
图1.1.2
岩体结构的基本类型
岩体结构类别
地质背景
结构面特征
结构体特征
整体块状结构
整体结构
岩性单一、构造变形轻微的巨厚层沉积岩、变质岩和火山溶岩、火成侵入岩
结构面少,一般不超过三组,延续性极差,多呈闭合状态,无填充或含少量碎屑
巨型块状
块状结构
岩性较单一,受轻微构造作用的厚层沉积岩和变质岩、火成岩侵入体
结构面一般2-3组,裂隙延续性极差,多呈闭合状态。层面有一定的结合力
块状、菱形块状
层状结构
层状结构
受构造破坏或较轻的中厚层(大于30cm)岩体
结构面2-3组,以层面为主,有时也有软弱夹层或层间错动面,其延续性较好,层间结合力较差
块状、柱状、厚板状
薄层状结构
厚度小于30cm,在构造作用下发生强烈褶曲和层间错动
层理、片理发达,原生软弱夹层、层间错动和小断层不时出现。结构面多为泥膜、碎屑和泥质充填
板状、薄板状
碎裂结构
镶嵌结构
一般发育于脆硬岩层中,结构组数较多,密度较大
以规模不大的结构面为主,但组数多,密度大,延续性差,闭合无填充或充填少量碎屑
形状不规则,但菱角显著
层状碎裂结构
受构造裂隙切割的层状岩体
以层面、软弱夹层、层间错动面等为主,构造裂隙甚发达
以碎块状、板状、短柱状为主
碎裂结构
岩性复杂,构造破碎较强烈,弱风化带
延续性差的结构面,密度大,相互交切
碎屑和大小不等的岩块。形状多种,不规则
散体结构
构造破碎带、强烈的风化带
裂隙和节理很发达,无规则
岩屑、碎片、碎块、岩粉
1.2.1 岩石的不连续性
岩石中普遍存在的结
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