岩体结构是指岩体中结构面与结构体的排列组合特征。因此,岩体结构应包括两个要素或称结构单元,即结构面和结构体。也就是说,不同的结构面与结构体以不同的方式排列组合会形成不同的岩体结构。大量的工程失稳实例表明,工程岩体的失稳破坏,往往主要不是岩石材料本身的破坏,而是岩体结构失稳引起的。所以,不同结构类型的岩体,其物理力学性质、力学效应及其稳定性都是不同的。
5.4.3.1 结构体
结构体是指被结构面切割围限的岩石块体。岩块是不能再进一步分割的结构体,即最小一级结构体。结构体形态极为复杂,常见的形状有柱状、板状、楔形及菱形等(图5-29)。在强烈破碎的部位,还有片状、鳞片状、碎块状及碎屑状等形状。结构体的形状不同,其稳定性也不同。一般来说,板状结构体比柱状、菱形状的更容易滑动,而楔形结构体比锥形结构体的稳定性差。但是,结构体的稳定性往往还需结合其产状及其与工程作用力方向和临空面间的关系作具体分析。
图5-29 结构体形状典型类型示意图
(据孙广忠,1983)
(a)、(b)柱状结构体;(d)、(e)菱形或板状结构体;(c)、(f)、(g)、(h)、(j)楔、锥形结构体;(i)板状结构体
5.4.3.2 岩体结构类型
由于组成岩体的岩性、遭受的构造变动及次生变化的不均一性,导致了岩体结构的复杂性。为了概括地反映岩体中结构面和结构体的成因、特征及其排列组合关系,将岩体结构划分为五大类。各类结构岩体的基本特征列于表5-12。
表5-12 岩体结构类型划分表
引自《岩土工程勘察规范》
由表5-12知,不同结构类型的岩体,其岩石类型、结构体和结构面的特征不同,岩体的工程地质性质与变形破坏机理也都不同。但其根本区别还是在于结构面的性质及发育程度,如层状结构岩体中发育的结构面主要是层面、层间错动;整体状结构岩体中的结构面呈断续分布,规模小且稀疏;碎裂结构岩体中的结构面常为贯通的且发育密集,组数多;而散体状结构岩体中发育有大量的随机分布的裂隙,结构体呈碎块状或碎屑状等。因此,在进行岩体力学研究之前,首先要弄清岩体中结构面的情况与岩体结构类型及其力学属性,建立符合实际的地质力学模型,使岩体稳定性分析建立在可靠的基础上。
《水力发电工程地质勘察规范》(GB50287—2016)与《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)将岩体结构划分为块状结构、层状结构、镶嵌结构、碎裂结构和散体结构等几种类型,如表5-13所示。
表5-13 岩体结构类型(www.daowen.com)
大量实践与试验研究表明,岩体的应力传播、变形破坏以及岩体力学介质属性无不受控于岩体结构。
首先,具有一定结构的岩体,往往具有与之相对应的力学属性。发育于岩体中的结构面,是抵抗外力的薄弱环节。软弱结构面是岩体变形破坏的重要控制因素或边界;硬性结构面是划分岩体结构、鉴别岩体力学介质类型的重要依据。整体状和块状结构的岩体接近于均质弹性体;层状及碎裂状结构的岩体也属于弹塑性体;散体状结构的岩体则属于松散体介质。
其次,岩体变形与连续介质变形明显不同,它由结构体变形与结构面变形两部分构成,并且结构面变形起到控制作用。因此,岩体的变形主要决定于结构面的发育状况,它不仅控制岩体变形量的大小,而且控制岩体变形性质及变形过程。块状结构岩体变形主要沿贯通性结构面滑移形成;碎裂状结构岩体变形则由Ⅲ、Ⅳ级结构面滑移及部分岩块变形构成;只有完整岩体的变形才受控于组成岩体的岩石变形特征。
另外,岩体的破坏机制也受控于岩体结构。结构控制的主要方面有岩体破坏难易程度、岩体破坏的规模、岩体破坏的过程及岩体破坏的主要方式等(图5-30)。块状结构岩体主要为结构体沿结构面滑动破坏。而碎裂状结构岩体破坏机制较为复杂,当它赋存于高地应力环境时,则呈现为连续介质;如赋存于低地应力环境时,则属于碎裂介质,其破坏机制中张、剪、滑、滚、倾倒、弯曲、溃屈等机制均可见。而在工程岩体破坏中,常是几种破坏机制联合出现。
图5-30 岩体变形破坏方式
最后,岩体结构对岩石工程稳定性的控制作用也十分显著。整体状结构的岩体坚硬完整,受力后强度起控制作用,一般呈稳定状态,深埋或高应力区的地下开挖可能引发岩爆。块状结构岩体较为完整坚硬,结构面抗剪强度高,一般工程条件下亦稳定。但应注意Ⅱ、Ⅲ级结构面与临空面共同组合,可能造成块体失稳,此时软弱面的抗剪强度起控制作用。层状结构岩体的变形由层岩组合和结构面力学特性所决定,尤其是层面和软弱夹层。在一般工程条件下较稳定。由于层间结合力差,软弱岩层或夹层多而使岩体的整体强度低,塑性变形、弯折破坏易于产生,顺层滑动由软弱面特性所决定。碎裂状结构岩体有一定强度,不易剪坏,但不抗拉,在风化和振动条件下易于松动,一旦岩体失稳,往往呈连锁反应。这类岩体的变形方式视所处的工程部位而异,但其中骨架岩层对岩体稳定有利。散体状结构岩体强度低,易于变形破坏,时间效应显著,在工程荷载作用下表现得极不稳定。
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