2020造價(jià)工程師《土建工程》教材精講：第一章第一節(jié)

第一章 巖體的構(gòu)成

第一節(jié) 巖體的特征

　　巖體是巖石受節(jié)理、斷層、層面及片理面等結(jié)構(gòu)面切割而具有一定結(jié)構(gòu)的、受地下水影響的多裂隙綜合體。巖體和巖石的概念不同，巖石是礦物的集合體，巖體可能由一種或多種巖石組合，且在形成現(xiàn)實(shí)巖體的過(guò)程中，經(jīng)受了構(gòu)造變動(dòng)、風(fēng)化作用、卸荷作用等各種內(nèi)外力地質(zhì)作用的破壞和改造。

　　工程巖體有地基巖體、邊坡巖體和地下工程圍巖三類(lèi)。在工程施工和使用過(guò)程中，工程巖體的穩(wěn)定性直接影響部分工程甚至整個(gè)工程的安全與穩(wěn)定，決定工程的成功與失敗，應(yīng)高度重視。

　　一、巖體的結(jié)構(gòu)

　　(一)巖體的構(gòu)成

　　1.巖石

　　(1)巖石的主要礦物

　　其中構(gòu)成巖石的礦物，稱(chēng)為造巖礦物。巖石中的石英含量越多，鉆孔的難度就越大，鉆頭、鉆機(jī)等消耗量就越多。

　　(2)巖石的成因類(lèi)型及其特征

　　地球固體的表層是由巖石組成的硬殼——地殼，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(lèi)。

　　1)巖漿巖

　　巖漿巖又稱(chēng)火成巖，是巖漿通過(guò)地殼運(yùn)動(dòng)，沿地殼薄弱地帶上升冷卻凝結(jié)后形成的巖石。

　　根據(jù)形成條件，巖漿巖分為噴出巖和侵入巖。

　　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(jiān)硬，孔隙率小，透水性弱，抗水性強(qiáng)，故其常被選為理想的建筑基礎(chǔ)，如花崗巖、正長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖;淺成巖多以巖床、巖墻、巖脈等狀態(tài)產(chǎn)出，有時(shí)相互穿插。顆粒細(xì)小，巖石強(qiáng)度高，不易風(fēng)化，但這些小型侵入體與周?chē)鷰r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(zhǎng)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(qiáng)度低，透水性強(qiáng)，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(jī)物質(zhì)和某些火山作用產(chǎn)生的物質(zhì)，經(jīng)風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積和成巖等一系列地質(zhì)作用而形成的層狀巖石。沉積巖的構(gòu)造，是沉積巖各個(gè)組成部分的空間分布和排列方式。常見(jiàn)的構(gòu)造有層理構(gòu)造、層面構(gòu)造、結(jié)核(與周?chē)�沉積巖不同的、規(guī)模不大的團(tuán)塊體)、生物成因構(gòu)造(如生物礁體、疊層構(gòu)造、蟲(chóng)跡、蟲(chóng)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(yè)巖)、化學(xué)巖及生物化學(xué)巖類(lèi)(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(yùn)動(dòng)和巖漿活動(dòng)等造成物理化學(xué)環(huán)境的改變，使原來(lái)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)巖的構(gòu)造主要有板狀構(gòu)造(平行、較密集而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(wú)定向排列，如大理巖、石英巖等)。

　　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。

　　根據(jù)組成土的固體顆粒礦物成分的性質(zhì)及其對(duì)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(lèi)及易分解的礦物、有機(jī)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(diǎn)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(lèi)型：

　　1)單粒結(jié)構(gòu)。也稱(chēng)散粒結(jié)構(gòu)，是碎石(卵石)、礫石類(lèi)土和砂土等無(wú)黏性土的基本結(jié)構(gòu)形式，其對(duì)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(chēng)團(tuán)聚結(jié)構(gòu)或絮凝結(jié)構(gòu)，這類(lèi)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(guò)程中粒間引力大于重力，并形成結(jié)合水膜連接，使之在水中不能以單個(gè)顆粒沉積下來(lái)，而是凝聚成較復(fù)雜的集合體進(jìn)行沉積。

　　(3)土的分類(lèi)。

　　1)根據(jù)有機(jī)含量分類(lèi)。根據(jù)土中有機(jī)質(zhì)含量，分為無(wú)機(jī)土、有機(jī)質(zhì)土、泥炭質(zhì)土和泥炭。

　　2)根據(jù)顆粒級(jí)配和塑性指數(shù)分類(lèi)。根據(jù)顆粒級(jí)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(guò)全重 50%的土，根據(jù)顆粒級(jí)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(guò)全重 50%，且粒徑大于 0.075mm 的顆粒含量超過(guò)全重 50%的土;黏性土是塑性指數(shù)大于 10 的土。黏性土分為粉質(zhì)黏土和黏土;粉土是粒徑大于 0.075 的顆粒不超過(guò)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(lèi)。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(lèi)。土可分為巨粒土、粗粒土、細(xì)粒土等。

　　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(chēng)，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)面的產(chǎn)狀由走向、傾向和傾角三個(gè)要素表示，如圖 1.1.2 所示。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 180°，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(duì)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。

　　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(dòng)的沉積巖層，仍基本保留形成時(shí)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(lái)水平的巖層，在受到地殼運(yùn)動(dòng)的影響后，產(chǎn)狀發(fā)生變動(dòng)形成巖層向同一個(gè)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(pán)，或者是局部地層不均勻的上升或下降形成的。

　　(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(qiáng)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(jiàn)，在塊狀巖體中則很難見(jiàn)到。

　　對(duì)于隧道工程來(lái)說(shuō)，褶曲構(gòu)造的軸部是巖層傾向發(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(wèn)題，主要是由于巖層破碎而產(chǎn)生的巖體穩(wěn)定問(wèn)題和向斜軸部地下水的問(wèn)題。隧道一般從褶曲的翼部通過(guò)是比較有利的。

　　【2018 年真題】隧道選線時(shí)，應(yīng)優(yōu)先布置在( )。

　　A.褶皺兩側(cè)

　　B.向斜核部

　　C.背斜核部

　　D.斷層帶

　　『正確答案』A

　　『答案解析』本題考查的是巖體的結(jié)構(gòu)。對(duì)于隧道工程來(lái)說(shuō)，褶曲構(gòu)造的軸部是巖層傾向發(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(wèn)題，主要是由于巖層破碎而產(chǎn)生的巖體穩(wěn)定問(wèn)題和向斜軸部地下水的問(wèn)題。因而，隧道一般從褶曲的翼部通過(guò)是比較有利的。參見(jiàn)教材 P6。

　　◆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(shí)，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)的是較新的巖層。

　　◆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?jī)A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。

　　◆對(duì)于深路塹和高邊坡來(lái)說(shuō)，當(dāng)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(shí)，對(duì)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，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。

　　(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(dá)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(jiàn)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(duì)位移的情況，將其分為裂隙和斷層兩類(lèi)。

　　1)裂隙

　　裂隙，也稱(chēng)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(méi)有顯著位移的小型斷裂構(gòu)造。一般用裂隙率(巖石中裂隙的面積與巖石總面積的百分比)表示，裂隙率越大，表示巖石中的裂隙越發(fā)育。

　　根據(jù)裂隙的成因。將其分為構(gòu)造裂隙和非構(gòu)造裂隙兩類(lèi)。

　�、贅�(gòu)造裂隙。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。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(kāi)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，一般出現(xiàn)在褶曲的翼部和斷層附近。

　　②非構(gòu)造裂隙。非構(gòu)造裂隙是由成巖作用、外動(dòng)力、重力等非構(gòu)造因素形成的裂隙。如巖石在形成過(guò)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(dá)到地面下 10～15m 的深度。裂隙分布零亂，沒(méi)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(kāi)挖外，對(duì)巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均有不利的影響。巖體中的裂隙，在工程上除有利于開(kāi)挖外，對(duì)巖體的強(qiáng)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(jìn)了巖體的風(fēng)化速度，增強(qiáng)了巖體的透水性，進(jìn)而使巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低。

　　2)斷層

　　斷層是巖體受力作用斷裂后，兩側(cè)巖塊沿?cái)嗔衙姘l(fā)生顯著相對(duì)位移的斷裂構(gòu)造。

　�、贁鄬右�素。斷層一般由四個(gè)部分組成。

　　a.斷層面和破碎帶

　　b.斷層線

　　c.斷盤(pán)

　　d.斷距

　�、跀鄬踊�本類(lèi)型。根據(jù)斷層兩盤(pán)相對(duì)位移的情況，可分為正斷層、逆斷層、平推斷層。

　　正斷層是上盤(pán)沿?cái)鄬用嫦鄬?duì)下降，下盤(pán)相對(duì)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(pán)相對(duì)向下滑動(dòng)而形成的，所以在構(gòu)造變動(dòng)中多在垂直于張應(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(pán)沿?cái)鄬用嫦鄬?duì)上升，下盤(pán)相對(duì)下降的斷層。它一般是由于巖體受到水平方向強(qiáng)烈擠壓力的作用，使上盤(pán)沿?cái)嗝嫦蛏襄e(cuò)動(dòng)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。斷層面從徒傾角至緩傾角都有。

　　平推斷層是由于巖體受水平扭應(yīng)力作用，使兩盤(pán)沿?cái)鄬用姘l(fā)生相對(duì)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?cái)鄬用娉Ｓ薪�水平的擦痕�?/P>

　　(二)巖體結(jié)構(gòu)特征

　　1.結(jié)構(gòu)體特征

　　2.巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型

　　巖體結(jié)構(gòu)的基本類(lèi)型可分為整體塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)。

　　(1)整體塊狀結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)面稀疏、延展性差、結(jié)構(gòu)體塊度大且常為硬質(zhì)巖石，整體強(qiáng)度高，變形特

　　征接近于各向同性的均質(zhì)彈性體，變形模量、承載能力與抗滑能力均較高，抗風(fēng)化能力一般也較強(qiáng)。因而，這類(lèi)巖體具有良好的工程地質(zhì)性質(zhì)，往往是較理想的各類(lèi)工程建筑地基、邊坡巖體及地下工程圍巖。

　　(2)層狀結(jié)構(gòu)。作為工程建筑地基時(shí)，其變形模量和承載能力一般均能滿足要求。但當(dāng)結(jié)構(gòu)面結(jié)合力不強(qiáng)，有時(shí)又有層間錯(cuò)動(dòng)面或軟弱夾層存在，則其強(qiáng)度和變形特性均具各向異性特點(diǎn)，一般沿層面方向的抗剪強(qiáng)度明顯比垂直層面方向的更低，特別是當(dāng)有軟弱結(jié)構(gòu)面存在時(shí)，更為明顯。這類(lèi)巖體作為邊坡巖體時(shí)，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾向坡外時(shí)要比傾向坡里時(shí)的工程地質(zhì)性質(zhì)差得多。