第二章岩块和岩体的地质特征
第一节概述
岩体与岩块本质的区别：
①岩体中存在有各种各样的结构面；
②不同于自重应力（场）的天然应力场和地下水。
第二节岩块
一、岩块的物质组成（substance composition）
1．岩块（rock or rock block）
指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元。
国内外，有些学者又称为结构体（structural element）、岩石材料（rock material）及完整岩石（intact rock）等等。
2．岩石（rock）
具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集合体。
3．岩块的力学性质
一般取决于组成岩块的矿物成分及其相对含量。
造岩矿物五大类：含氧盐、氧化物及氢氧化物、卤化物、硫化物、自然元素。
其中，含氧盐中的硅酸盐、碳酸盐及氧化物类矿物最常见，构成99.9%的岩石。
（1）硅酸盐类矿物：长石、辉石、角闪石、橄榄石及云母和粘土矿物等。
①长石、辉石、角闪石和橄榄石，硬度大，呈粒、柱状晶形，如含此类矿物多的岩石：花岗岩、闪长岩及玄武岩等，强度高，抗变形性能好。多生成于高温环境，易风化成高岭石、水云母等，无以橄榄石的基性斜长石等抗风化能力最差，长石、角闪石次之。
②粘土矿物：属层状硅酸盐类矿物，主要有高岭石、水云母（伊利石）和蒙脱石三类，具薄片状或鳞片状构造，硬度小。含此类矿物多的岩石如粘土岩、粘土质岩，物理力学性质差，并具有不同程度的胀缩性。（2）碳酸盐类矿物
是石灰岩和白云岩类的主要造岩矿物。岩石的物理力学性质取决于岩石中CaCO3及酸不溶物的含量。CaCO3含量↑，如纯灰岩、白云岩等强度高，抗变形和抗风化性能比较好；
泥质含量↑，如泥质灰岩、泥灰岩等，力学性质较差；
硅质含量↑，岩石性质将娈好。
碳酸盐类岩体中，常发育岩溶现象。
（3）氧化物类矿物
以石英最常见，是地壳岩石的主要造岩矿物。
硬度大，化学性质稳定。石英↑，岩块的强度和抗变形性能明显增强。
4．岩块的矿物组成与岩石的成因及类型密切相关
（1）岩浆岩：多以硬度大的粒柱状硅酸盐、石英等矿物为主，物理力学性质一般很好。
（2）沉积岩：粗碎屑岩如砂砾岩等，力学性质很大程度上取决于胶结物成分及其类型；细碎屑岩如页岩、泥岩等，多以片状的粘土矿物为主，力学性质一般很差。
（3）变质岩：与母岩类型及变质程度有关。
浅变质岩如千枚岩、板岩等，多含片状矿物（如绢云母、绿泥石及粘土矿物等），岩块力学性质较差。
深变质岩如片麻岩、混合岩、石英岩等，多以粒状矿物（如长石、石英、角闪石等）为主，力学性质好。
二、岩块的结构与构造（structure and construct）
1．岩块的结构（岩石结构）
指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。
二者对岩块（石）的工程性质影响最大。
（1）岩石中结构连结的类型有两种：
①结晶连结(crystal connect)
变质岩如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩。
②胶结连结(cementing connect)
如沉积碎屑岩、部分粘土岩，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。
从胶结物来看，硅质胶结的岩石（块）强度最高，铁质、钙质胶结次之，泥质胶结强度最低，且抗水性差。从胶结类型来看，基底式胶结（a）强度最高，孔隙式胶结（c）次之，接触式胶结（b）最低,见图2.1。
图2.1 碎屑岩胶结类型
（2）微结构面
指存在于矿物颗粒内部或颗粒之间的软弱面或缺陷（空隙），包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层面及片理面、片麻理面等。
降低岩块的强度，导致岩块力学性质的明显各向异性。
2．岩块的构造
指矿物集合体之间及其与其它组分之间的排列组合方式。
如岩浆岩中的流线、流面构造，沉积岩中的微层状构造，变质岩中的片状构造及其定向构造等等。
三、岩块的风化程度（weathering extent）
风化程度↑，岩块的空隙率和变形随之增大，强度降低，渗透性加大。
如：花岗岩类岩石→破裂→雨水中的H2CO3分解→H2CO3与长石、云母、角闪石等矿物作用→Fe、Mg、K、Na等可溶盐析出与游离SiO2被地下水带走→岩屑、粘土物质和石英颗粒留于原地。
1．定性指标：颜、矿物蚀变（ablation）程度、破碎程度及开挖锤击技术特征等。
2．定量指标：
（1）风化空隙率指标（Iw）（Hamral，1961）：
快速浸水后风化岩块吸入水的质量与干燥岩块质量之比。
（2）波速指标（据《岩土工程勘察规范》GB50021-2001）（附表A.0.3，岩石按风化程度分类）
波速比（Kv）：风化系数（Kf）：
其中：Vcp、Vrp分别为风化岩块和新鲜岩块的纵波速度（m/s）；
、分别为风化岩块和新鲜岩块的饱和单轴抗压强度（Mpa）。
第三节结构面
结构面（structural plane）：指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向
和长度、厚度相对较小的宏观地质界面或带。
“不连续面（discontinuities）或节理（joint）”
一、结构面的成因类型
（1）地质成因类型
原生结构面：岩体在成岩过程中形成的。
（包括沉积结构面如层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面；岩浆结构面；变质结构面）
构造结构面：断层、节理、劈理和层间错动面等。
次生结构面：如卸荷、风化裂隙和次生夹泥和泥化夹层等。
（2）力学成因类型
剪性结构面：剪应力引起，如逆断层、平移断层以及多数正断层。
连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等现象发育。
张性结构面：拉应力引起。如羽毛状张裂面、纵张及横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等。
张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎带较宽等特征。其构造岩多为角砾岩，易被充填。含水丰富，导水性强。
二、结构面的规模及分级
（1）按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，可将结构面分为如下5级，见表2－1：（2）从工程地质测绘观点来看，可分为两大类：
表2－1 结构面分级及其特性
级序分级依据地质类型力学属性对岩体稳定性的作用
Ⅰ级延伸数km至数十km以上，破碎带宽约数米至数十米以上。大断层，
区域性断层。属于软弱结构面，构成独立的力学介质单元。影响区域稳定性，山体稳定性。
Ⅱ级延伸数百米至数千米，破碎带宽约数十厘米至数米。较大的断层、层间错动、不整合面及原生软弱夹层等。属于软弱结构面，形成块裂边界。控制工程区的山体稳定性或岩体稳定性。
Ⅲ级延伸数十米至数百米，宽度数厘米至1m左右。各种类型的断层、区域性节理、层面及层间错动带等。多数属于坚硬结构面，少数属软弱结构面。影响或控制工程岩体如地下洞室围岩及边坡岩体的稳定性。
Ⅳ级延伸数十厘米至20～30m，宽度为零至数厘米不等，统计结构面。节理、层面、次生裂隙、小断层、片理、劈理、卸荷裂隙、风化裂隙等。坚硬结构面。影响岩体的完整性和力学性质，是岩体分类及岩体结构研究的基础。
Ⅴ级连续性差，刚性接触的细小或隐微裂面，统计结构面。隐节理、微层面、微裂隙和线理等。硬性（坚硬）结构面。分布随机，降低岩块强度，是岩块力学性质效应基础。
注：结构面内夹有软弱物质者属于软弱结构面，无充填者则属于坚硬结构面。
三、结构面特征及其对岩体性质的影响
主要就Ⅳ级结构面进行讨论。（数十厘米至20～30m，宽度为0至数厘米）
1．产状（结构面与σ1间的关系控制着岩体的破坏机理与强度）
图2.2 结构面产状对破坏机理的影响示意图
（a）结构面与最大主平面的夹角β为锐角，岩体滑动破坏；
（b）当β=0时，横切结构面产生剪断岩体破坏；
（c）当β=90°时，平行结构面的劈裂拉张破坏。
σ1-σ3=2（cj+σ3tgφj）/［（1-tgφjctgβ）sin2β］,
式中：cj、φj分别为结构面的粘聚力和磨擦角。
2．连续性
反映结构面的贯通程度。用线连续性系数（k1）、迹长和面连续性系数（k2）表示。
图2.3 结构面的连续性系数计算图示
3．密度
反映结构面发育的密集程度，常用线密度（kd）和间距表示。
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