第三章地质构造及其对工程的影响

第三章第三章 地质构造及其对地质构造及其对工程的影响工程的影响地壳运动：由内力地质作用引起的地壳组成物质和结构地壳运动：由内力地质作用引起的地壳组成物质和结构发生变形、变位的运动。分为垂直运动和水平运动。发生变形、变位的运动。分为垂直运动和水平运动。地质构造：保留在岩层中的由地壳运动引起的变形、变地质构造：保留在岩层中的由地壳运动引起的变形、变位现象，如褶皱、断裂等。位现象，如褶皱、断裂等。地壳运动与地质构造地壳运动与地质构造地壳运动与地质构造地壳运动与地质构造应力及可能的变形应力及可能的变形3.1 水平构造和单斜构造水平构造和单斜构造 一、基本概念 水平构造：未经构造变动的岩层，其形成的原始产状是水平的，先沉积在下，后沉积在上。单斜构造：是由于地壳运动使原始水平的岩层发生倾斜，岩层层面与水平面倾斜构造，亦称倾斜岩层。它常是褶皱的一翼或断层的一盘，也可是区域内的不均匀上升或下降所形成的。岩层产状与路基工程的关系如图:a.b.c三种岩层产状对公路边坡稳定有利d.e两种岩层产状易形成边坡坍塌和滑动f一种岩层产状极易形成滑坍如图如图:a.c.e:a.c.e三种岩层产状，布设隧道一般是稳定的三种岩层产状，布设隧道一般是稳定的 b.b.d.fd.f 三种岩层产状，布设隧道可能引起隧道边墙坍塌或顺层滑动三种岩层产状，布设隧道可能引起隧道边墙坍塌或顺层滑动岩层产状与隧道工程的关系二 单斜岩层与工程的关系三、岩层产状岩层的空间位置 走向(strike)：岩层面和任一假想水平面交线的延伸方向，如图中AB线。倾向(dip)：岩层的倾斜方向。与走向线垂直。只有一个，图中CD线。倾角(dip angle)：岩层层面与水平面的最大锐角，如图中。产状三要素：岩层产状要素及其测量示意图岩层产状要素及其测量示意图 测量倾向时，将罗盘的短边紧贴层面，注意将罗盘的北端朝向岩层的倾斜方向，水准泡居中，读指北针所示的方位角，就是岩层的倾向。测量倾角时，需将罗盘横着竖起来，使长边与岩层的走向垂直，紧贴层面，等倾斜器上的水准泡居中后，读悬锤所示的角度，就是岩层的倾角。测量走向时，使罗盘的长边紧贴层面，将罗盘放平，水准泡居中，读指北针所示的方位角，就是岩层的走向。产状要素的表示方法产状要素的表示方法 一组走向为北西320，倾向南西230，倾角35的岩层产状，可写成：N320N320W W，S230S230W W，3535由于岩层的走向与倾向相差90，所以在野外测量岩层的产状时，往往只记录倾向和倾角只记录倾向和倾角。如上述岩层的产状，可记录为SW23035形式。如需知道岩层的走向时，只需将倾向加or 减90即可。在地质图上，岩层的产状用符号“”表示，长线表示岩层的走向，与长线垂直的短线表示岩层的倾向（长短线所示的均为实测方位），数字表示岩层的倾角。3.2 褶皱构造褶皱构造 褶皱构造：地壳的岩层，受构造应力的强烈作用，使岩层形成一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造褶皱图一、褶曲-褶皱构造中的一个弯曲 褶皱 要素翼部：褶曲核部两侧对称出露的岩层轴迹：轴面与地面的交线，代表了褶皱的延展方向核部：出露在地面上或勘查范围内的褶曲中心部位的岩层枢纽：同一褶皱层面上最大弯曲点的连线轴面：过相邻枢纽而连成的面二、褶皱的类型两种基本形态：背斜、向斜遭受剥蚀的背斜与向斜遭受剥蚀的背斜与向斜向斜背斜共用翼部共用翼部背斜向斜在长期外力作用下，差异性侵蚀逐渐明显，背斜遭受侵蚀的速度较快，向斜遭受侵蚀的速度要缓慢得多，经过长期地质演变，发生了地形倒置现象，这就是逆地形。褶皱构造 两个或两个以上褶曲构造的组合。褶皱的类型1、根据轴面产状分类：1）直立褶皱2）斜歪褶皱3）倒转褶皱4）平卧褶皱5）翻卷褶皱图示2、根据枢纽产状分：1）水平褶皱2）倾伏褶皱褶皱的类型倾伏方向的判断：转折端：由一翼弯向另一翼的曲线部分 背斜：倾伏方向为转折端的尖端的指向 （外倾转折）向斜：倾伏方向为转折端的尖端的指向的反 方向。（内倾转折）褶皱的野外识别避免现代地形与褶皱形态的混同注意背斜处不一定是山，向斜处不一定是谷识别步骤分析地层新老关系，确定褶皱类型据两翼产状判别褶皱形态类型垂直地层走向行走，看地层是否对称重复出现褶皱的工程地质评价褶皱的工程地质评价核部一般特征：岩层变形强烈,岩体较破碎,透水性强,水工建筑应尽量避开向斜核部：发育向下发散的断块核部进行洞室施工时应注意洞顶围岩的稳定问题（尤其是向斜核部）洞室布置时洞室的轴线最好大角度与褶皱轴线相交应加强此处路基的处理措施道路选线经过褶皱垭口时背斜核部：发育向上发散的断块向斜应注意两侧边坡的稳定性翼部易影响边坡的稳定性（不稳定的顺坡。较稳定的反坡）坝址布置在倾向上游的一翼有利于坝基的稳定上游上游山区由翼部平整出的场地应注意地基不均匀沉陷问题Folds and axial planar cleavage.Old Red Sandstone(Devonian),SW Wales,UK.Folds and axial planar cleavage.Old Red Sandstone(Devonian),SW Wales,UK.反坡反坡顺坡顺坡褶皱的流体地质特征向斜是良好的地下水储水构造背斜是良好的储油、气构造3.3 断裂构造断裂构造 岩层受力变形、超过强度、发生破裂断裂构造：节理节理 断层断层节理：沿破裂面无明显位移断层：沿破裂面有明显位移（规模大）节理（裂隙）：一般几十厘米到几米，长可延伸几百米、上千米 节理张开程度不同，有的闭合 节理面：平坦光滑、粗造二、裂隙 又称为节理，是没有显著位移的小型断裂构造。1.v构造裂隙：是岩体受地应力作用，随岩体变形而产生的裂隙。特点特点：成因上与相关构造有密切联系；空间分布上有一定的规律性。分类分类：张性裂隙：张开较宽，断裂面粗糙，间距较大，分布不匀，延伸不远。常出现在背斜和向斜的轴部。扭（剪）性裂隙：平直闭合，分布较密，延伸较远、深，裂隙面光滑，有擦痕。常出现在褶曲的翼部和断层附近。裂隙的类型，按成因分为两类：构造裂隙、非构造裂隙裂隙的类型，按成因分为两类：构造裂隙、非构造裂隙v非构造裂隙 由成岩作用、外动力、重力等非构造因素形成的裂隙。分类分类：风化裂隙 原生裂隙 卸荷裂隙 特点特点：分布凌乱、没有规律性张节理（裂隙）：张节理（裂隙）：主要发育在背斜和向斜的轴部，裂隙张开较宽，断裂面粗糙一般很少有擦痕，裂隙间距较大且分布不匀，沿走向和倾向都延伸不远。剪切节理扭（剪）性节理（裂隙）：一般多是平直闭合的裂隙，分布较密、走向稳定，延伸较深、较远，裂隙面光滑，常有擦痕。扭性裂隙常沿剪切面成群平行分布，形成扭裂带，将岩体切割成板状。有时两组裂隙在不同的方向同时出现，交叉成“X”形，将岩体切割成菱形块体。扭性裂隙常出现在褶曲的翼部和断层附近。节理对工程的影响节理对工程的影响 节理将岩层切割成块，影响岩体强度和稳定性节理间距越小，岩体破坏程度越高，岩体承载力越小节理裂缝地下水通道 风化作用增强对路堑边坡对路堑边坡节理主要发育方向与路线走向平行,倾向与边坡一致时,易发生崩塌等不稳定现象。路基施工中，如果岩体存在节理，还会影响爆破作业的效果。在因此，当节理构造可能成为影响工程设计的重要因素时，应当对节理进行深入的调查研究，详细论证节理对岩体工程建筑条件的影响，采取相应措施，以保证建筑物的稳定和正常使用。节理的观测与统计节理的观测与统计 对节理的性质、分布规律、形态观测与统计目的：评价岩体稳定性野外观测：（1）观察地层岩性、地质构造、测量地层产状，确定测点所在构造部位（2）观察节理性质与发育规律 非构造节理、构造节理、张节理、剪节理（3）测量登记：节理的产状、粗糙度、节理密度、节理充填物等节理的观测与统计节理的观测与统计 室内资料整理统计节理玫瑰图 （1）节理走向玫瑰图 （2）节理倾向玫瑰图（1 1）裂隙走向玫瑰图裂隙走向玫瑰图 1）在一任意半径的半圆上，画上刻度网。2）把所测得的裂隙按走向以每5或每10分组，统计每一组内的裂隙数并算出其平均走向。3）自圆心沿半径引射线，射线的方位代表每组裂隙平均走向的方位，射线的长度代表每组裂隙的条数。4）然后用折线把射线的端点连接起来，即得裂隙走向玫瑰图。评价方法：评价方法：发育程度的表示：裂隙率：裂隙率：岩石中裂隙的面积与岩石总面积的百分比。裂隙频率：裂隙频率：在长度上，每米通过的裂隙数量。具体发育程度，不同的系统具有不同的评价方法，书中所列为公路系统的评价方法。断层断层 (fault):fault):有明显位移的断裂。有明显位移的断裂。岩体受力断裂后两侧岩块发生显著位移的断裂构造。断层面和破碎带、断层线、上盘和下盘、断距。断层断层的要素断层的定义及其组成要素正断层(normal fault)逆断层(reverse fault)平推断层(parallel fault)指上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升的断层；正断层一般是由于岩体受到水平张应力及重力作用，使上盘沿断层面向下错动而成。上盘沿断层面相对上升，下盘相对下降的断层，逆断层一般是由于岩体受到水平方向强烈挤压力的作用，使上盘沿断面向上错动而成。由于岩体受水平扭应力作用，使两盘沿断层面发生相对水平位移的断层，其倾角很大，断层面近于直立，断层线比较平直。正 断 层逆 断 层平推断层断层基本类型断层组合类型有规律的排列组合断层系地堑与地垒走向相同、倾向相反共同下降盘 地堑贝加尔湖地堑共同上升盘 地垒庐山断层的类型（2）断层组合类型：有规律的排列组合断层系叠瓦结构 产状相同、平行排列 逆断层叠瓦式断层断层的类型（2）断层组合类型：有规律的排列组合断层系阶梯状断层 产状相同的正断层 平行排列断层的工程地质评价一般性一般性一般性一般性评评评评 价价价价断层带岩体破碎、强度低，大型工民建选址应尽量避让隧道隧道隧道隧道工程工程工程工程选线时更应避开大的断层带或使其轴向尽量与大断裂带的走向垂直或大角度相交公路公路公路公路工程工程工程工程应注意断裂带上路基的处理应注意断裂带边坡的支护公路布线也宜尽量与大断裂带大角度相交水利水利水利水利工程工程工程工程若断层出现在坝基应加强坝基稳定性处理应加强坝基防渗处理若断层出现在库区应论证其对库岸稳定的影响应论证其引发库区渗漏的可能性水文地质意义水文地质意义水文地质意义水文地质意义正断层 良好的地下水储集构造逆断层 良好的地下水阻水构造断层的存在易于诱发地震，应加强相关的论证断层的野外识别在野外可以根据与断层构造有关的伴生构造、地貌现象等标志来识别断层：（1）地貌特征：当断层（张性断裂或压性断裂）的断距较大时，上升盘的前缘可能形成陡峭的断层崖，如经剥蚀，则会形成断层三角面地形，如图；断层破碎带岩石破碎，易于侵蚀下切，可能形成沟谷或峡谷地形；此外，如山脊错断、错开，河谷跌水瀑布，河谷方向发生突然转折等，都可能是断裂错动在地貌上的反映。（2）地层特征：如岩层发生重复或缺失，岩脉被错断，或者岩层沿走向突然发生中断，与不同性质的岩层突然接触等地层方面的特征，则可能存在断层。（3）伴生构造现象：指是断层在发生、发展过程中遗留下来的形迹，常见的有岩层牵引弯曲、断层角砾、糜棱岩、断层泥和断层擦痕等。断层擦痕与阶步断层擦痕与阶步地层中出现牵引构造地层中出现牵引构造3.5 岩石与岩体的工程地质性质岩石与岩体的工程地质性质 基本概念 岩石（Rock）:具一定结构构造的矿物集合体。岩体（Rock mass）：包含各种结构面的地质体，包括结构结构结构结构面和结构体面和结构体面和结构体面和结构体（岩石）。岩石的主要物理力学性质 重度（密度）重度（密度）(unit weight)(unit weight)：岩石单位体积的重力（质量）有干重度、湿重度和饱和重度之分。比重比重(相对密度相对密度)(specific gravity)(specific gravity)：固体岩石（不包括孔隙）的重力（质量）与同体积水在4C时重力（质量）的比值。物理性质(physical properties)孔隙度：孔隙度：岩石中孔隙的体积与岩石总体积的比值反映岩石中各种孔隙的发育程度，对岩石的强度和稳定性有影响 岩石的主要物理力学性质吸水率：吸水率：常压条件下，岩石吸入水分的质量与干燥岩石质量之比反映一定条件下岩石的吸水能力。软化性：指岩石在水的作用下强度降低的性质。软化系数(softening coefficient)为岩石在饱水状态下的极限抗压强度与风干状态下强度之比。0.75是强软化的岩石，工程性质较差。岩石的主要物理力学性质抗冻性(frost resistance)：指岩石抵抗冰劈作用的能力。抗压强度降低率(2025)的岩石是抗冻的。力学性质变形特性：弹性模量 泊淞比 弹性模量弹性模量(modulus of elasticity)(modulus of elasticity)：是应力与弹性应变的比值。泊松比泊松比(poissonratio)(poissonratio)：是横向应变与纵向应变比值。抗压强度抗压强度(compressive strength)(compressive strength)：岩石单向受压时抵抗破坏的能力。抗拉强度抗拉强度(tensile strength)(tensile strength)：岩石单向受拉时抵抗破坏的能力。抗剪强度抗剪强度(shear strength)(shear strength)：岩石抵抗剪切破坏的能力。强度特性：抵抗外力破坏的能力 影响岩石工程性质的因素 内部因素（岩石的地质特征）矿物成分 结构岩石在强度上的一般规律：结构：结晶联结胶结物联结胶结物：硅质胶结铁质胶结钙质胶结泥质胶结胶结方式：接触胶结孔隙胶结基底胶结构造外部因素 水的作用影响岩石工程性质的因素 两方面：水使岩石的物理力学性质恶化(消弱强度)水沿岩体裂隙渗流，影响岩体稳定性单轴干、湿抗压强度比（岩体浸水）外部因素 风化作用风化作用影响岩石工程性质的因素 定义：在温度、水、气体及生物等因素作用下，岩石的状态、性质发生改变的物理化学过程 风化作用改变岩体性质实质1.岩体完整性进一步遭到破坏。2.岩石的矿物成分和化学成分发生变化。3.岩体的工程地质性质发生变化。岩体的工程地质性质 岩体结构分析 岩体结构(rock mass structure)=结构面(structural plane)+结构体(structural element)结构面：结构面：存在于岩体中的各种地质界面。分为：玄武岩的玄武岩的原生柱状原生柱状裂隙裂隙沉积岩的层间裂隙结构面特征规模形态、平整光滑度密集程度连通性张开度和充填程度产状和组数 结构体：结构体：被结构面切割成的块体。结构体的类型(a)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(b)(e)(h)(a)(c)(d)(f)(g)块体描述块体描述巨型块体巨型块体大块体大块体中等块体中等块体小块体小块体碎块体碎块体体积节理数体积节理数(裂隙数裂隙数/m3)30体积节理数Jv是单位体积通过的总节理数(裂隙数/m3)。根据体积节理数，可对块体大小进行分类，见表。岩石块体大小分类岩石块体大小分类岩体结构类型及工程性质岩体的工程性质首先取决于结构面的性质,其次才是组成岩体的岩石性质。整体块状结构：整体强度高。层状结构：强度和变形特性具各向异性特点。碎裂结构：岩体完整性破坏大。散体结构：工程性质差。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！66