岩体的结构特征

6.1　岩体的结构特征

岩体结构包括结构面和结构体两个要素。结构面是指存在于岩体中的各种不同成因、不同特征的地质界面，如断层、节理、层理、软弱夹层及不整合面等。结构体是由结构面切割后形成的岩石块体。结构面和结构体的排列与组合特征便形成了岩体结构。

6.1.1　结构面的成因类型

不同成因的结构面，具有不同的工程特性。按成因可把结构面分为原生结构面、构造结构面和次生结构面三类。各类结构面的主要特征如表6－1所示。

1）原生结构面

原生结构面是在岩体成岩过程中形成的，其特征与岩体的成因密切相关，因此又可分为沉积结构面、岩浆结构面和变质结构面三类。

（1）沉积结构面

沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的结构面，包括层理层面、软弱夹层、沉积间断面及不整合面等。其共同特点是与沉积岩的成层性有关，一般延伸性强，常贯穿整个岩体，产状随岩层变化而变化。例如，在海相沉积岩中分布稳定而清晰；在陆相沉积岩中常呈透镜体，还往往有沉积间断及遗留风化壳，形成软弱夹层。此外，无论是海相沉积岩还是陆相沉积岩，常夹有性质相对较差的夹层，如页岩、泥岩及泥灰岩等。在后期构造运动及地下水的作用下，易成为泥化夹层。这些对工程岩体稳定性威胁很大，应予以特别注意。

（2）岩浆结构面

岩浆结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括与围岩的接触面及原生节理等。岩浆岩体与围岩的接触面通常延伸较远且较稳定，原生节理往往短小而密集，且具有张性破裂面特征。

（3）变质结构面

变质结构面可分为残留结构面和重结晶结构面两类。残留结构面主要为沉积岩经浅变质后所具有，层理面仍保留，只在层面上有绢云母、绿泥石等鳞片状矿物富集并呈定向排列，如板岩中的板理面。重结晶结构面主要有片理和片麻理面等，是岩石发生深度变质和重结晶作用，使片状或柱状矿物富集并呈定向排列形成的结构面，它改变了原岩的面貌，对岩体特性起控制性作用。

2）构造结构面

构造结构面是构造运动过程中形成的破裂面，包括断层、节理和层间错动面等，除已胶结者外，绝大部分是脱开的。规模较大者，如断层、层间错动等，多数充填有厚度不等，性质和连续性各不相同的充填物。其中部分已泥化，或者已变成软弱夹层，因此，其工程性质很差，强度多接近于岩体的残余强度，往往导致工程岩体的滑动破坏。规模小的构造结构面，如节理等，多发育短小而密集，一般无充填或薄的充填，主要影响岩体的完整性及力学性质。另外，构造结构面的力学性质还取决于它的力学成因、应力作用历史及次生变化等。

3）次生结构面

这类结构面是岩体形成以后，在外营力作用下产生的，包括卸荷裂隙、风化裂隙、风化夹层、次生夹泥层及泥化夹层等。

表6－1　岩体结构面的类型及其特征

续表

卸荷裂隙是因岩体表部被剥蚀卸荷而形成的，产状与临空面近于平行，具张性特征。如在河谷斜坡上见到的顺坡向裂隙及谷底的近水平裂隙等，其发育深度一般达基岩面以下5～10m，局部可达十余米，受断层影响大的部位则更深，对边坡危害很大。风化裂隙一般仅限于地表风化带内，常沿原生结构面及构造结构面发育，使其性质进一步恶化。新生成的风化裂隙，延伸短，方向紊乱，连续性差，降低了岩体的强度和变形模量。

泥化夹层是原生软弱夹层在构造及地下水的作用下形成的，次生夹泥层则是地下水携带的细颗粒物质及溶解物质沉淀在裂隙中形成的。它们的性质都比较差，属软弱结构面。

6.1.2　结构面基本特征

结构面的特征包括结构面的规模、形态、物质组成、延展性、密集程度、张开度和充填胶结特征等，它们对结构面的物理力学性质有很大的影响。

1）结构面的规模

实践证明，结构面对岩体力学性质及岩体稳定的影响程度，首先取决于结构面的延展性及其规模。中国科学院地质研究所将结构面的规模分为五级。

（1）一级结构面

区域性的断裂破碎带，延展数十公里以上，破碎带的宽度从数米至数十米。它直接关系到工程所在区域的稳定性，一般在规划选址时应尽量避开。

（2）二级结构面

二级结构面一般指延展性较强，贯穿整个工程地区或在一定工程范围内切断整个岩体的结构面，其长度可达数百米至数千米，宽一米至数米，主要包括断层、层间错动带、软弱夹层、沉积间断面及大型接触破碎带等。它们的分布和组合，控制了山体及工程岩体的破坏方式及滑动边界。

（3）三级结构面

三级结构面的走向和倾向方向延伸有限，一般为在数十米至数百米范围内的小断层、大型节理、风化夹层和卸荷裂隙等。这些结构面控制着岩体的破坏和滑移机理，常常是工程岩体稳定的控制性因素及边界条件。

（4）四级结构面

四级结构面延展性差，一般为数米至数十米范围内的节理、片理等，它们仅在小范围内将岩体切割成块状。这些结构面的不同组合，可以将岩体切割成各种形状和大小的结构体，它是岩体结构研究的重点问题之一。

（5）五级结构面

五级结构面是延展性极差的一些微小裂隙，它主要影响岩块的力学性质。岩块的破坏由于微裂隙的存在而具有随机性。

2）结构面形态

结构面的平整、光滑和粗糙程度对结构面的抗剪性能有很大的影响。自然界中结构面的几何形状非常复杂，大体上可分为四种类型。

第一种，平直的，包括大多数层面、片理和剪切破裂面等。

第二种，波状起伏的，如波痕的层面、轻度揉曲的片理、呈舒缓波状的压性及压扭性结构面等。

第三种，锯齿状的，如多数张性和张扭性结构面。

第四种，不规则的，其结构面曲折不平，如沉积间断面、交错层理及沿原有裂隙发育的次生结构面等。

一般用起伏度和粗糙度表征结构面的形态特征。

结构面的形态对结构面抗剪强度有很大的影响。一般平直光滑的结构面有较低的摩擦角，粗糙起伏的结构面则有较高的抗剪强度。

3）结构面物质构成

有些结构面上物质软弱松散，含泥质物及水理性质不良的黏土矿物，如黏土岩或页岩夹层，假整合面（包括古风化夹层）及不整合面，断层夹泥、层间破碎夹层、风化夹层、泥化夹层及次生夹泥层等，抗剪强度很低，对岩体稳定的影响较大。对于这些结构面，除进行一般物理力学性质的试验研究外，还应对其矿物成分及微观结构进行分析，预测结构面可能发生的变化（如泥化作用是否会发展等），比较可靠地确定抗剪强度参数。

4）结构面的延展性

结构面的延展性也称连续性，有些结构面延展性较强。在一定工程范围内切割整个岩体，对稳定性影响较大，但也有一些结构面比较短小或不连续，岩体强度仍为岩石（岩块）强度所控制，稳定性较好。因此，在研究结构面时，应注意调查研究其延展长度及规模。结构面的延展性可用线连续性系数及面连续性系数表示。

5）结构面的密集程度

结构面的密集程度反映了岩体的完整性，它决定岩体变形和破坏的力学机制。有时在岩体中，虽然结构面的规模和延展长度均较小，但却平行密集，但有时互相交织切割，使岩体稳定性大为降低，且不易处理。试验表明，岩体内结构面愈密集，岩体变形愈大，强度愈低，而渗透性愈高。通常用结构面间距和线密度来表示结构面的密集程度。

6）结构面的张开度和填充胶结特征

有些结构面，特别是张性断裂面，它为次生充填和地下水活动提供了条件，不仅显著地降低其抗剪强度，而且会产生静、动水压力，使结构面大量涌水和增加山岩压力，对斜坡岩体稳定和隧道围岩稳定影响很大。

充填物质及其胶结情况对岩体稳定影响也很显著。结构面经胶结后，总的来说，力学性质有所改善，改善的程度因胶结物成分不同而异，以硅质胶结的强度最高，往往与岩石强度差别不大，甚至超过岩石强度；而泥质及易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。

未胶结且具有一定张开度的结构面，往往会被外来物质所充填。其力学性质取决于充填物粒度成分、厚度及含水性等。就充填物成分来说，以砂质、角砾质性质最好，黏土质、易溶盐类性质最差。按充填物厚度和连续性充填可分为薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填等几类。不同的充填类型，结构面的变形与强度性质不同，在实际工作中应予以注意。

6.1.3　软弱夹层

软弱夹层是具有一定厚度的特殊的岩体软弱结构面。它与周围岩体相比，具有显著低的强度和显著高的压缩性，或具有一些特有的软弱特性。它是岩体中最薄弱的部位，常构成工程中的隐患，应予以特别注意。从成因上，软弱夹层可划分为原生的、构造的和次生的软弱夹层。

原生软弱夹层是与周围岩体同期形成的，但性质软弱的夹层。构造软弱夹层主要沿原有的软弱面或软弱夹层经构造错动而形成，也有的是沿断裂面错动或多次错动而成，如断裂破碎带等。次生软弱夹层是沿薄层状岩石、岩体间接触面、原有软弱面或软弱夹层，由次生作用（主要是风化作用和地下水作用）参与形成的。各种软弱夹层的成因类型及其基本特征如表6－2所示。

软弱夹层危害很大，常是工程的关键部位。研究软弱夹层最为重要的是那些黏粒和黏土矿物含量较高，或浸水后黏性土特性表现较强的岩层、裂隙充填、泥化夹层等。这些泥质的软弱夹层分为松软的，如次生充填的夹泥层、泥化夹层、风化夹泥层；固结的，如页岩、黏土岩、泥灰岩；浅变质的，如泥质板岩、千枚岩等。岩石的状态不同，其软弱的程度也不同，这主要取决于它们与水作用的程度，这是黏性土最突出的特征。

地下水对于泥质软弱夹层的作用主要表现在泥化和软化两个方面。软化是指泥岩夹层在水的作用下失去干黏土坚硬的状态而成为软黏土状态的过程。泥化是软化的继续，使软弱夹层的含水量增大到大于塑限的程度，表现为塑态，原生结构发生改变，强度很低，c、φ值很小，摩擦系数f值一般在0.3以下。

表6－2　软弱夹层类型及其特征

软弱夹层的泥化是有条件的，泥化成因是：黏土质岩石是物质基础，构造作用使其破坏形成透水通道，水的活动使其泥化，三者必不可少。

泥化夹层的力学强度比原岩大为降低，特别是抗剪强度降低很多，压缩性增大。压缩系数约为0.5～1.0MPa^—1，属高压缩性。根据研究，泥化夹层的抗剪指标可按下述情况参考确定：受层间错动有连续光滑面，以蒙脱石为主时，c＝50kPa，f＝0.17；以伊利石为主时，c＝50kPa，f＝0.20，具微层理，黏粒含量最高时，f＝0.17；其他局部泥化的f＝0.25。

6.1.4　结构体的特征

结构体的特征主要指结构体的规模、形态及产状。不同级别的结构面，切割成的结构体的规模不同，它在工程岩体稳定性中的作用也不同。结构体的形状极为复杂，其基本形状有柱状、块状、板状、楔形、锥形、菱形等。此外，在强烈破碎的部位，还可有片状、鳞片状、碎块状及碎屑状等。结构体形状在岩体稳定性评价中关系很大，形状不同，稳定程度不同。一般来说，板状结构体比柱状、块状差；楔形比菱形及锥形差，但还需结合其产状及与工程作用力的关系作具体分析。

结构体的产状一般用结构体表面上最大结构面的长轴方向表示。它对岩体稳定性的影响需结合临空面及工程作用力来分析。一般来说，平卧的板状结构体比竖直的板状结构体对岩体稳定性的影响要大一些；楔形体也是如此。

6.1.5　岩体结构类型

为了区分岩体的力学特性和评价岩体稳定性，可以根据结构面对岩体的切割程度及结构体的组合方式，将岩体划分为整体状结构、块状结构、层状结构、碎裂状结构和散体状结构等五大类，如表6－3所示。

表6－3　岩体结构类型

续表