巖體的結(jié)構(gòu)

(一)巖體的構(gòu)成

巖體是由巖石受結(jié)構(gòu)面切割的巖塊或土構(gòu)成的，巖體的性質(zhì)取決于巖石或土和結(jié)構(gòu)面

的性質(zhì)。

1.巖石

(1)巖石的主要礦物。礦物是存在于地殼中的具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物。其中構(gòu)成巖石的礦物，稱為造巖礦物。組成地殼的巖石，都是在一定的地質(zhì)條件下，由一種或幾種礦物自然組合而成的礦物集合體。礦物的成分、性質(zhì)及其在各種因素影響下的變化，都會對巖石發(fā)生影響。例如，巖石中的石英含量越多，鉆孔的難度就越大，鉆頭、鉆機等消耗量就越多。

由于成分和結(jié)構(gòu)的不同，每種礦物都有自己特有的物理性質(zhì)，如顏色、光澤、硬度等。物理性質(zhì)是鑒別礦物的主要依據(jù)，例如，依據(jù)顏色鑒定礦物的成分和結(jié)構(gòu)，依據(jù)光澤鑒定風(fēng)化程度，依據(jù)硬度鑒定礦物類別，如表1.1.1。

表1.1.1礦物硬度表

在實際工作中常用可刻劃物品來大致測定礦物的相對硬度，如指甲約為2-2.5度，小刀約為5～5.5度，玻璃約為5.5～6度，鋼刀約為6～7度。

(2)巖石的成因類型及其特征。組成地殼的巖石按成因可分為巖漿巖(火成巖)、沉積巖(水成巖)和變質(zhì)巖三大類。

1)巖漿巖。巖漿巖(火成巖)是巖漿通過地殼運動，沿地殼薄弱地帶上升冷卻凝結(jié)后形成的巖石。巖石中礦物的結(jié)晶程度、顆粒大小與形狀，以及它們的相互組合關(guān)系不同，形成巖漿巖的不同結(jié)構(gòu)。巖石中的礦物在空間的排列、配置和充填方式不同，形成巖漿巖的不同構(gòu)造。根據(jù)形成條件，巖漿巖分為噴出巖和侵入巖。侵入巖是侵入到周圍巖層中形成的巖漿巖。根據(jù)形成深度，侵入巖叉分為深成巖(形成深度大于5km)和淺成巖(形成深度小于5km).深成巖常形成巖基等大型侵入體，巖性一般較單一-以中、粗粒結(jié)構(gòu)為主，致密堅硬，孔隙率小，透水性弱，抗水性強，故其常被選為理想的建筑基礎(chǔ)，如花崗巖、正長巖、閃長巖、輝長巖;淺成巖多以巖床、巖墻、巖脈等狀態(tài)產(chǎn)出，有時相互穿插。顆粒細(xì)小，巖石強度高，不易風(fēng)化，但這些小型侵入體與周圍巖體的接觸部位，巖性不均一，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，風(fēng)化蝕變嚴(yán)重，透水性增大，如花崗斑巖、閃長玢巖、輝綠巖、脈巖。噴出巖是指噴出地表形成的巖漿巖。一般呈原生孔隙和節(jié)理發(fā)育，產(chǎn)狀不規(guī)則，厚度變化大，巖性很不均勻，比侵入巖強度低，遺水性強，抗風(fēng)能力差，如流紋巖，粗面巖、安山巖、玄武巖、火山碎屑巖。

2)沉積巖。沉積巖是在地殼表層常溫常壓條件下，由風(fēng)化產(chǎn)物、有機物質(zhì)和某些火山作用產(chǎn)生的物質(zhì)，經(jīng)風(fēng)化、搬運、沉積和成巖等一系列地質(zhì)作用面形成的層狀巖石。沉積巖主要有碎屑結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)結(jié)構(gòu)、晶粒結(jié)構(gòu)、生物結(jié)構(gòu)(有生物遺體組成的結(jié)構(gòu))。沉積巖的構(gòu)造，是沉積巖各個組成部分的空間分布和排列方式。常見的構(gòu)造有層理構(gòu)造、層面構(gòu)造、結(jié)核(與

周圍沉積巖不同的、規(guī)模不大的團塊體)，生物成因構(gòu)造(如生物礁體、疊層構(gòu)造、蟲跡、孔等)。根據(jù)沉積巖的組成成分，結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和形成條件，可分為碎屑巖(如礫巖、砂巖、粉砂巖)、黏土巖(如泥巖、頁巖)、化學(xué)巖及生物化學(xué)巖類(如石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r等)。

3)變質(zhì)巖。變質(zhì)巖是地殼中原有的巖漿巖或沉積巖，由于地殼運動和巖漿活動等造成物理化學(xué)環(huán)境的改變，使原來巖石的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生一系列變化，所形成的新的巖石。變質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)主要有變余結(jié)構(gòu)、變晶結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)。變質(zhì)巖的構(gòu)造主要有板狀構(gòu)造(平行、較密集麗平坦的破裂面分裂巖石成板狀體)、千枚狀構(gòu)造(巖石呈薄板狀)，片狀構(gòu)造(含大量呈平行定向排列的片狀礦物)、片麻狀構(gòu)造(粒狀變晶礦物間夾鱗片狀、柱狀變晶礦物并呈大致平行的斷續(xù)帶狀分布)、塊狀構(gòu)造(礦物均勻分布，結(jié)構(gòu)均一、無定向排列，如大理巖、石英巖等)。根據(jù)上述三大類巖石的特征描述，現(xiàn)將它們之間的主要區(qū)別歸納如表1.1.2。

2.土

土是巖石在風(fēng)化作用下形成的大小懸殊的顆粒，在各種自然環(huán)境中形成的堆積物。

(1)土的組成。土是由顆粒(固相)、水溶液(液相)和氣(氣相)所組成的三相體系，各種土的顆粒太小和礦物成分差別很大，土的三相間的數(shù)量比例也不盡相同，而且土粒與其孔隙水溶液及環(huán)境水之間又有復(fù)雜的物理化學(xué)作用。根據(jù)組成土的固體顆粒礦物成分的性質(zhì)及其對土的工程性質(zhì)影響不同·組成土的固體顆粒礦物可分為原生礦物、不溶于水的次生礦物、可溶鹽類及易分解的礦物、有機質(zhì)四種。

(2)土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。土的結(jié)構(gòu)是指土顆粒本身的特點和顆粒間相互關(guān)聯(lián)的綜合特征，一般可分為兩大基本類型：

1)單粒結(jié)構(gòu)。也稱散粒結(jié)構(gòu)，是碎石(卵石)、礫石類土和砂土等無黏性土的基本結(jié)構(gòu)形式，其對土的工程性質(zhì)影響主要在于其松密程度。

2)集合體結(jié)構(gòu)。也稱團聚結(jié)構(gòu)或絮凝結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)為黏性土所特有。黏性土組成顆粒細(xì)小，表面能大，顆粒帶電，沉積過程中粒間引力大干重力，并形成結(jié)合水膜連接，使之在水中不能以單個顆粒沉積下來，而是凝聚成較復(fù)雜的集合體進行沉積。

土的構(gòu)造，是指整個土層(土體)構(gòu)成上的不均勻性特征的總合，反映土體力學(xué)性質(zhì)和其他工程性質(zhì)的各向異性或土體各部位的不均勻性，是決定勘探、取樣或原位測試布置方案和數(shù)量的重要因素之一。整個土體構(gòu)成上的不均勻性包括：層理、夾層、透鏡體、結(jié)核、組成顆粒大小懸殊及裂隙特征與發(fā)育程度等。這種構(gòu)成上的不均勻性是由于土的礦物成分及結(jié)構(gòu)變化所造成的。一般土體的構(gòu)造在水平方向或豎直方向變化往往較大，受成因控制。土的構(gòu)造特征和結(jié)構(gòu)特征一樣，也是在它生成過程中各有關(guān)因素作用下形成的。對于每種成因類型的土體，都具有其各自特有的構(gòu)造。

(3)土的分類。

1)根據(jù)有機含量分類。根據(jù)土中有機質(zhì)含量，分為無機土、有機質(zhì)土、泥炭質(zhì)土和泥炭。

2)根據(jù)顆粒級配和塑性指數(shù)分類。根據(jù)顆粒級配和塑性指數(shù)分為碎石土、砂土、粉土和黏性土。碎石土是粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土，根據(jù)顆粒級配和顆粒形狀分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫;砂土是粒徑大于2mm的顆粒含量不

超過全重50%，且粒徑大于0-075mm的顆粒含量超過全重50%的土，黏性土是塑性指數(shù)

大于10的土。分為粉質(zhì)黏土和黏土;粉土是粒徑大于0.075的顆粒不超過全重50%，且

塑性指數(shù)小于或等于10的土。

3)根據(jù)地質(zhì)成因分類。土可分為殘積土、坡積土、洪積土、沖擊土、淤積土、冰積土和風(fēng)積土等。

4)根據(jù)顆粒大小及含量分類。土可分為巨粒土、粗粒土、細(xì)粒土等。如圖1.1.1所示。

3.結(jié)構(gòu)面

結(jié)構(gòu)面是切割巖體的各種地質(zhì)界面的統(tǒng)稱，是一些具有一定方向，延展較廣較薄的二維地質(zhì)界面，如層面、沉積間斷面，節(jié)理，裂隙、裂縫、斷層等，也包括厚度較薄的軟弱夾層。結(jié)構(gòu)面的特征是影響結(jié)構(gòu)面強度及其他性能的重要因素，一般從方位、間距、延續(xù)性、粗糙度、結(jié)構(gòu)面?zhèn)缺趶姸取堥_度、充填物、滲流、節(jié)理組數(shù)，塊體大小等方面來描述結(jié)構(gòu)面的特征。層面，節(jié)理、裂隙、裂縫、斷層等結(jié)構(gòu)面的空間位置定義為結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀由走向、傾向和傾角三個要素表示，如圖1.1.2所示。并且，層面的產(chǎn)狀還代表所在巖層的產(chǎn)狀，即表示所在巖層的空間位置。

(1)結(jié)構(gòu)面走向，即結(jié)構(gòu)面在空間延伸的方向，用結(jié)構(gòu)面與水平面交線即走向線的方位角或方向角表示。走向線兩端延伸方向均是走向，雖相差1800，但是表示的是同一走向。

(2)結(jié)構(gòu)面的傾向，即結(jié)構(gòu)面在空間的傾斜方向，用垂直走向順傾斜面向下引出的一條射線對水平面投影的指向。

(3)結(jié)構(gòu)面的傾角，即結(jié)構(gòu)面在空間傾斜角度的大小，用結(jié)構(gòu)面與水平面所夾的銳角

表示。

另外，近似平面的坡面和壁面的空間位置，也可這樣用其走向、傾向、傾角表示。節(jié)理組數(shù)的多少決定了巖石的塊體大小及巖體的結(jié)構(gòu)類型，表1.1.3是根據(jù)節(jié)理組數(shù)劃分的結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度來予以分級的。

4.地質(zhì)構(gòu)造

(1)水平構(gòu)造和單斜構(gòu)造。水平構(gòu)造是雖經(jīng)構(gòu)造變動的沉積巖層仍基本保留形成時的原始水平產(chǎn)狀的構(gòu)造。先沉積的老巖層在下，后沉積的新巖層在上。單斜構(gòu)造是原來水平的巖層，在受到地殼運動的影響后，產(chǎn)狀發(fā)生變動形成巖層向同一個方向傾斜的構(gòu)造，這種產(chǎn)狀往往是褶曲的一翼、斷層的一盤，或者是局部地層不均勻上升或下降形成的。

(2)褶皺構(gòu)造。褶皺構(gòu)造是組成地殼的巖層，受構(gòu)造力的強烈作用，使巖層形成一系列波狀彎曲而未喪失其連續(xù)性的構(gòu)造，它是巖層產(chǎn)生的塑性變形。絕大多數(shù)褶皺是在水平擠壓力作用下形成的，但也有少數(shù)是在垂直力或力偶作用下形成的。褶皺構(gòu)造在層狀巖層常見，在塊狀巖體中則很難見到。

褶曲是褶皺構(gòu)造中的一個彎曲，兩個或兩個以上褶曲的組合構(gòu)成褶皺構(gòu)造，每一個褶曲都有核部、翼、軸面、軸及樞紐等幾個褶曲要素。褶曲的基本形態(tài)是背斜和向斜，如圖1.1.3。背斜褶曲是巖層向上拱起的彎曲，以褶曲軸為中心向兩翼傾斜。當(dāng)?shù)孛媸艿絼兾g而出露有不同地質(zhì)年代的巖層時，較老的巖層出現(xiàn)在褶曲的軸部，從軸部向兩翼，依次出現(xiàn)的是漸新的巖層。向斜褶曲，是巖層向下凹的彎曲，其巖層的傾向與背斜相反，兩翼的巖層都向褶曲的軸部傾斜。當(dāng)?shù)孛嬖馐軇兾g，在褶曲軸部出露的是較新的巖層，向兩翼依次出露的是較老的巖層。

在褶皺比較強烈的地區(qū)，一般都是線形的背斜與向斜相闊排列，以大體一致的走向平行延伸，有規(guī)律的組成不同形式的褶皺構(gòu)造。工程所遇到的具體構(gòu)造，往往是一個一個的褶曲或是大型褶曲構(gòu)造的一部分。不論是背斜褶曲還是向斜褶曲，在褶曲的翼部遇到的，基本上是單斜構(gòu)造，一般對建筑物地基沒有不良的影響，但對路基和隧道有傾斜巖層的產(chǎn)狀與路線或隧道軸線走向的關(guān)系問題，對于以下兩種情況，則需要根據(jù)具體情況做具體分析。

1)對于深路塹和高邊坡來說，僅就巖層產(chǎn)狀與路線走向的關(guān)系而言，路線垂直巖層走向，或路線與巖層走向平行但巖層傾向與邊坡傾向相反時，對路基邊坡的穩(wěn)定性是有利的。不利的情況是路線走向與巖層的走向平行，邊坡與巖層的傾向一致。如在云母片巖、綠泥石片巖、滑石片巖、千枚巖等松散巖石分布地區(qū)，坡面易發(fā)生風(fēng)化剝蝕，產(chǎn)生嚴(yán)重碎落坍塌，對路基邊坡及路基排水系統(tǒng)會造成經(jīng)常性的危害。最不利的情況是路線與巖層走向平行，巖層傾向與路基邊坡一致，而邊坡的傾角大于(陡于)巖層的傾角。如在石灰?guī)r、砂巖與黏土質(zhì)頁巖互層，且有地下水作用時，在路塹開挖過深、邊坡過陡或者由于軟弱構(gòu)造面暴露，易引起斜坡巖層發(fā)生大規(guī)模的順層滑動，破壞路基穩(wěn)定。

2)對于隧道工程來說，褶曲構(gòu)造的軸都是巖層傾向發(fā)生顯著變化的地方，是巖層應(yīng)力最集中的地方，容易遇到工程地質(zhì)問題，主要是由于巖層破碎而產(chǎn)生的巖體穩(wěn)定問題和向斜軸部地下水的問題。因而，隧道一般從褶曲的翼部通過是比較有利的。

(3)斷裂構(gòu)造。斷裂構(gòu)造是構(gòu)成地殼的巖體，受力作用發(fā)生變形，當(dāng)變形達到一定程度后，使巖體的連續(xù)性和完整性遭到破壞，產(chǎn)生各種大小不一的斷裂，它是地殼上層常見的地質(zhì)構(gòu)造，其分布很廣，特別在一些斷裂構(gòu)造發(fā)育的地帶，常成群分布，形成斷裂帶。根據(jù)巖體斷裂后兩側(cè)巖塊相對位移的情況，將其分為裂隙和斷層兩類。

1)裂隙。裂隙也稱為節(jié)理，是存在于巖體中的裂縫，是巖體受力斷裂后兩側(cè)巖塊沒有顯著位移的小型斷裂構(gòu)造。在數(shù)值上一般用裂隙率表示，即巖石中裂隙的面積與巖石總面積的百分比，裂隙率越大，表示巖石中的裂隙越發(fā)育。反之，則表示裂隙不發(fā)育。在表1.1.4中介紹了公路工程對裂隙發(fā)育程度劃分的等級及對工程的影響。

根據(jù)裂隙的成因，一般分為構(gòu)造裂隙和非構(gòu)造裂隙兩類。

構(gòu)造裂隙是巖體受地應(yīng)力作用隨巖體變形而產(chǎn)生的裂隙。由于構(gòu)造裂隙在成因上與相關(guān)構(gòu)造(如褶曲、斷層等)和應(yīng)力作用的方向及性質(zhì)有密切聯(lián)系，所以它在空間分布上具有一定的規(guī)律性。按裂隙的力學(xué)性質(zhì)，可將構(gòu)造裂隙分為張性裂隙和扭(剪)性裂隙。張性裂隙主要發(fā)育在背斜和向斜的軸部，裂隙張開較寬，斷裂面粗糙，一般很少有擦痕，裂隙間距較大且分布不勻，沿走向和傾向都延伸不遠(yuǎn);扭(剪)性裂隙，一般多是平直閉合的裂隙，分布較密、走向穩(wěn)定，延伸較深、較遠(yuǎn)，裂隙面光滑，常有擦痕，一般出現(xiàn)在褶曲的翼部和斷層附近。扭性裂隙常沿剪切面成群平行分布，形成扭裂帶，將巖體切割成板狀。有時兩組裂隙在不同的方向上同時出現(xiàn)，交叉成“X”形，將巖體切割成菱形塊體。

非構(gòu)造裂隙是由成巖作用、外動力、重力等非構(gòu)造因素形成的裂隙。如巖石在形成過程中產(chǎn)生的原生裂隙，風(fēng)化裂隙以及沿溝壁岸坡發(fā)育的卸荷裂隙等。其中具有普遍意義的是風(fēng)化裂隙，其主要發(fā)育在巖體靠近地面的部分，一般很少達到地面下10—15m的深度。裂隙分布零亂，沒有規(guī)律性，使巖石多成碎塊，沿裂隙面巖石的結(jié)構(gòu)和礦物成分也有明顯變化。巖體中的裂隙，在工程上除有利于開挖外，對巖體的強度和穩(wěn)定性均有不利的影響。其破壞了巖體的整體性，促進了巖體的風(fēng)化速度，增強了巖體的透水性，進而使巖體的強度和穩(wěn)定性降低。當(dāng)裂隙主要發(fā)育方向與路線走向平行，傾向與邊坡一致時，不論巖體的產(chǎn)狀如何，路塹邊坡都容易發(fā)生崩塌等不穩(wěn)定現(xiàn)象。在路基施工中，如果巖體存在裂隙，還會影響爆破作業(yè)的效果。因而，當(dāng)裂隙有可能成為影響工程設(shè)計的重要因素時，應(yīng)當(dāng)對裂隙進行深入的調(diào)查研究，詳細(xì)論證裂隙對建筑的影響，采取相應(yīng)措施，以保證建筑物的穩(wěn)定和正常使用。

2)斷層。斷層是巖體受力作用斷裂后，兩側(cè)巖塊沿斷裂面發(fā)生顯著相對位移的斷裂構(gòu)造。斷層一般由四個部分組成，如圖1.1.4。

①斷層面和破碎帶。斷層面是指兩側(cè)巖塊發(fā)生相對位移的斷裂面，可以是直立的，也可以是傾斜的，一般情況下均為傾斜狀態(tài)，其產(chǎn)狀可以通過斷層面的走向、傾向和傾角來表示。規(guī)模大的斷層，一般不是沿著一個簡單的面發(fā)生，而往往是沿著一個錯動帶發(fā)生，稱之為斷層破碎帶。其寬度從數(shù)厘米到數(shù)十米不等。斷層的規(guī)模越大，破碎帶也就越寬，越復(fù)雜。

②斷層線。是斷層面與地面的交線，表示斷層的延伸方向，其形狀決定于斷層面的形狀和地面的起伏情況。

③斷盤。是斷層面兩側(cè)相對位移的巖體。當(dāng)斷層面傾斜時，位于斷層面上部的稱為上盤;位于斷層面下部的稱為下盤。若斷層面直立則無上下盤之分。

④斷距。是斷層兩盤相對錯開的距離。巖層原來相連的兩點，沿斷層面錯開的距離稱為總斷距，其水平分量稱為水平斷距，鉛直分量稱為鉛直斷距。

根據(jù)斷層兩盤相對位移的情況，可分為正斷層、逆斷層、平推斷層。

正斷層是上盤沿斷層面相對下降，下盤相對上升的斷層。它一般是受水平張應(yīng)力或垂直作用力使上盤相對向下滑動而形成的，所以在構(gòu)造變動中多垂直于張應(yīng)力的方向上發(fā)生，但也有沿已有的剪節(jié)理發(fā)生。

逆斷層是上盤沿斷層面相對上升，下盤相對下降的斷層。它一般是由于巖體受到水平方向強烈擠壓力的作用，使上盤沿斷面向上錯動而成。斷層線的方向常和巖層走向或褶皺軸的方向近于一致，和壓應(yīng)力作用的方向垂直。斷層面從陡傾角至緩傾角都有。

平推斷層是由于巖體受水平扭應(yīng)力作用，使兩盤沿斷層面發(fā)生相對水平位移的斷層。由于多系受剪(扭)應(yīng)力形成，因此大多數(shù)與褶皺軸斜交，與“x”節(jié)理平行或沿該節(jié)理形成，其傾角一般是近于直立的，這種斷層的破碎帶一般較窄，沿斷層面常有近水平的擦痕。

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