巖體的結構

(一)巖體的構成

巖體是由巖石受結構面切割的巖塊或土構成的，巖體的性質取決于巖石或土和結構面

的性質。

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成分和物理性質的自然元素和化合物。其中構成巖石的礦物，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、性質及其在各種因素影響下的變化，都會對巖石發生影響。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。

由于成分和結構的不同，每種礦物都有自己特有的物理性質，如顏色、光澤、硬度等。物理性質是鑒別礦物的主要依據，例如，依據顏色鑒定礦物的成分和結構，依據光澤鑒定風化程度，依據硬度鑒定礦物類別，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后形成的巖石。巖石中礦物的結晶程度、顆粒大小與形狀，以及它們的相互組合關系不同，形成巖漿巖的不同結構。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造。根據形成條件，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、粗粒結構為主，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，如花崗巖、正長巖、閃長巖、輝長巖;淺成巖多以巖床、巖墻、巖脈等狀態產出，有時相互穿插。顆粒細小，巖石強度高，不易風化，但這些小型侵入體與周圍巖體的接觸部位，巖性不均一，節理裂隙發育，巖石破碎，風化蝕變嚴重，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理發育，產狀不規則，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，由風化產物、有機物質和某些火山作用產生的物質，經風化、搬運、沉積和成巖等一系列地質作用面形成的層狀巖石。沉積巖主要有碎屑結構、泥質結構、晶粒結構、生物結構(有生物遺體組成的結構)。沉積巖的構造，是沉積巖各個組成部分的空間分布和排列方式。常見的構造有層理構造、層面構造、結核(與

周圍沉積巖不同的、規模不大的團塊體)，生物成因構造(如生物礁體、疊層構造、蟲跡、孔等)。根據沉積巖的組成成分，結構、構造和形成條件，可分為碎屑巖(如礫巖、砂巖、粉砂巖)、黏土巖(如泥巖、頁巖)、化學巖及生物化學巖類(如石灰巖、白云巖、泥灰巖等)。

3)變質巖。變質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環境的改變，使原來巖石的成分、結構和構造發生一系列變化，所形成的新的巖石。變質巖的結構主要有變余結構、變晶結構、碎裂結構。變質巖的構造主要有板狀構造(平行、較密集麗平坦的破裂面分裂巖石成板狀體)、千枚狀構造(巖石呈薄板狀)，片狀構造(含大量呈平行定向排列的片狀礦物)、片麻狀構造(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帶狀分布)、塊狀構造(礦物均勻分布，結構均一、無定向排列，如大理巖、石英巖等)。根據上述三大類巖石的特征描述，現將它們之間的主要區別歸納如表1.1.2。

2.土

土是巖石在風化作用下形成的大小懸殊的顆粒，在各種自然環境中形成的堆積物。

(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，土的三相間的數量比例也不盡相同，而且土粒與其孔隙水溶液及環境水之間又有復雜的物理化學作用。根據組成土的固體顆粒礦物成分的性質及其對土的工程性質影響不同·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、有機質四種。

(2)土的結構和構造。土的結構是指土顆粒本身的特點和顆粒間相互關聯的綜合特征，一般可分為兩大基本類型：

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

2)集合體結構。也稱團聚結構或絮凝結構，這類結構為黏性土所特有。黏性土組成顆粒細小，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，而是凝聚成較復雜的集合體進行沉積。

土的構造，是指整個土層(土體)構成上的不均勻性特征的總合，反映土體力學性質和其他工程性質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量的重要因素之一。整個土體構成上的不均勻性包括：層理、夾層、透鏡體、結核、組成顆粒大小懸殊及裂隙特征與發育程度等。這種構成上的不均勻性是由于土的礦物成分及結構變化所造成的。一般土體的構造在水平方向或豎直方向變化往往較大，受成因控制。土的構造特征和結構特征一樣，也是在它生成過程中各有關因素作用下形成的。對于每種成因類型的土體，都具有其各自特有的構造。

(3)土的分類。

1)根據有機含量分類。根據土中有機質含量，分為無機土、有機質土、泥炭質土和泥炭。

2)根據顆粒級配和塑性指數分類。根據顆粒級配和塑性指數分為碎石土、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

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

塑性指數小于或等于10的土。

3)根據地質成因分類。土可分為殘積土、坡積土、洪積土、沖擊土、淤積土、冰積土和風積土等。

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

3.結構面

結構面是切割巖體的各種地質界面的統稱，是一些具有一定方向，延展較廣較薄的二維地質界面，如層面、沉積間斷面，節理，裂隙、裂縫、斷層等，也包括厚度較薄的軟弱夾層。結構面的特征是影響結構面強度及其他性能的重要因素，一般從方位、間距、延續性、粗糙度、結構面側壁強度、張開度、充填物、滲流、節理組數，塊體大小等方面來描述結構面的特征。層面，節理、裂隙、裂縫、斷層等結構面的空間位置定義為結構面的產狀。結構面的產狀由走向、傾向和傾角三個要素表示，如圖1.1.2所示。并且，層面的產狀還代表所在巖層的產狀，即表示所在巖層的空間位置。

(1)結構面走向，即結構面在空間延伸的方向，用結構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)結構面的傾向，即結構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)結構面的傾角，即結構面在空間傾斜角度的大小，用結構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。節理組數的多少決定了巖石的塊體大小及巖體的結構類型，表1.1.3是根據節理組數劃分的結構面發育程度來予以分級的。

4.地質構造

(1)水平構造和單斜構造。水平構造是雖經構造變動的沉積巖層仍基本保留形成時的原始水平產狀的構造。先沉積的老巖層在下，后沉積的新巖層在上。單斜構造是原來水平的巖層，在受到地殼運動的影響后，產狀發生變動形成巖層向同一個方向傾斜的構造，這種產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)褶皺構造。褶皺構造是組成地殼的巖層，受構造力的強烈作用，使巖層形成一系列波狀彎曲而未喪失其連續性的構造，它是巖層產生的塑性變形。絕大多數褶皺是在水平擠壓力作用下形成的，但也有少數是在垂直力或力偶作用下形成的。褶皺構造在層狀巖層常見，在塊狀巖體中則很難見到。

褶曲是褶皺構造中的一個彎曲，兩個或兩個以上褶曲的組合構成褶皺構造，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。當地面受到剝蝕而出露有不同地質年代的巖層時，較老的巖層出現在褶曲的軸部，從軸部向兩翼，依次出現的是漸新的巖層。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。當地面遭受剝蝕，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，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，有規律的組成不同形式的褶皺構造。工程所遇到的具體構造，往往是一個一個的褶曲或是大型褶曲構造的一部分。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狀與路線或隧道軸線走向的關系問題，對于以下兩種情況，則需要根據具體情況做具體分析。

1)對于深路塹和高邊坡來說，僅就巖層產狀與路線走向的關系而言，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，坡面易發生風化剝蝕，產生嚴重碎落坍塌，對路基邊坡及路基排水系統會造成經常性的危害。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。如在石灰巖、砂巖與黏土質頁巖互層，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造面暴露，易引起斜坡巖層發生大規模的順層滑動，破壞路基穩定。

2)對于隧道工程來說，褶曲構造的軸都是巖層傾向發生顯著變化的地方，是巖層應力最集中的地方，容易遇到工程地質問題，主要是由于巖層破碎而產生的巖體穩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)斷裂構造。斷裂構造是構成地殼的巖體，受力作用發生變形，當變形達到一定程度后，使巖體的連續性和完整性遭到破壞，產生各種大小不一的斷裂，它是地殼上層常見的地質構造，其分布很廣，特別在一些斷裂構造發育的地帶，常成群分布，形成斷裂帶。根據巖體斷裂后兩側巖塊相對位移的情況，將其分為裂隙和斷層兩類。

1)裂隙。裂隙也稱為節理，是存在于巖體中的裂縫，是巖體受力斷裂后兩側巖塊沒有顯著位移的小型斷裂構造。在數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育。反之，則表示裂隙不發育。在表1.1.4中介紹了公路工程對裂隙發育程度劃分的等級及對工程的影響。

根據裂隙的成因，一般分為構造裂隙和非構造裂隙兩類。

構造裂隙是巖體受地應力作用隨巖體變形而產生的裂隙。由于構造裂隙在成因上與相關構造(如褶曲、斷層等)和應力作用的方向及性質有密切聯系，所以它在空間分布上具有一定的規律性。按裂隙的力學性質，可將構造裂隙分為張性裂隙和扭(剪)性裂隙。張性裂隙主要發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;扭(剪)性裂隙，一般多是平直閉合的裂隙，分布較密、走向穩定，延伸較深、較遠，裂隙面光滑，常有擦痕，一般出現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，交叉成“X”形，將巖體切割成菱形塊體。

非構造裂隙是由成巖作用、外動力、重力等非構造因素形成的裂隙。如巖石在形成過程中產生的原生裂隙，風化裂隙以及沿溝壁岸坡發育的卸荷裂隙等。其中具有普遍意義的是風化裂隙，其主要發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，沒有規律性，使巖石多成碎塊，沿裂隙面巖石的結構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，促進了巖體的風化速度，增強了巖體的透水性，進而使巖體的強度和穩定性降低。當裂隙主要發育方向與路線走向平行，傾向與邊坡一致時，不論巖體的產狀如何，路塹邊坡都容易發生崩塌等不穩定現象。在路基施工中，如果巖體存在裂隙，還會影響爆破作業的效果。因而，當裂隙有可能成為影響工程設計的重要因素時，應當對裂隙進行深入的調查研究，詳細論證裂隙對建筑的影響，采取相應措施，以保證建筑物的穩定和正常使用。

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

①斷層面和破碎帶。斷層面是指兩側巖塊發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，其產狀可以通過斷層面的走向、傾向和傾角來表示。規模大的斷層，一般不是沿著一個簡單的面發生，而往往是沿著一個錯動帶發生，稱之為斷層破碎帶。其寬度從數厘米到數十米不等。斷層的規模越大，破碎帶也就越寬，越復雜。

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。是斷層面兩側相對位移的巖體。當斷層面傾斜時，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力或垂直作用力使上盤相對向下滑動而形成的，所以在構造變動中多垂直于張應力的方向上發生，但也有沿已有的剪節理發生。

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力作用，使兩盤沿斷層面發生相對水平位移的斷層。由于多系受剪(扭)應力形成，因此大多數與褶皺軸斜交，與“x”節理平行或沿該節理形成，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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（責任編輯：zyc）

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