水工程地质缺陷常用节理加固技术

2023-11-04 理论教育版权反馈

【摘要】：沿最大切应力方向发育的细而密集的剪切节理，称为“劈理”。图1.10根据节理产状与岩层产状关系的节理分类示意图图1.11根据节理产状与褶皱轴向关系的节理分类示意图另外，根据岩石的抗拉强度、岩石破裂面与最大主应力方向间的夹角关系，节理可分为三类：1）伸张节理，又称张力节理。图1.12中的C所示的混合节理，由岩石破裂时的有效轴差应力小于4～8倍岩石抗拉强度且最小有效主应力＜0的情况下所形成。

（1）节理的概念与分类。节理（Joint）是断裂构造的一类，指岩石裂开而裂面两侧无明显相对位移者（与有明显位移的断层相对）。

节理是很常见的一种构造地质现象，就是我们在岩石露头上所见的裂缝，或称岩石的裂缝。这是由于岩石受力而出现的裂隙，但裂开面的两侧没有发生明显的（眼睛能看清楚的）位移，地质学上将这类裂缝称为节理，在岩石露头上，到处都能见到节理。

节理指岩石受力形成的没有发生显著位移的破裂。

按节理的成因，节理包括原生节理和次生节理两大类。

1）原生节理是指成岩过程中形成的节理。例如沉积岩中的泥裂，火花熔岩冷凝收缩形成的柱状节理，岩浆入侵过程中由于流动作用及冷凝收缩产生的各种原生节理等。

2）次生节理是指岩石成岩后形成的节理，包括非构造节理（风化节理）和构造节理。

其中构造节理是所有节理中最常见的，它根据力学性质又可分两类：张节理和剪切节理。前者即岩石受张应力形成的裂隙，后者即岩石受切应力形成的裂隙。沿最大切应力方向发育的细而密集的剪切节理，称为“劈理”。

“解理”则是指矿物受到外力作用以后，沿一定的方向，在晶体表面形成的光滑缝。

通常，以节理与岩层的产状要素的关系而划分为四种节理（见图1.10）：

1）走向节理：节理的走向与岩层的走向一致或大体一致。2）倾向节理：节理的走向大致与岩层的走向垂直，即与岩层的倾向一致。

3）斜向节理：节理的走向与岩层的走向既非平行，亦非垂直，而是斜交。

4）顺层节理：节理面大致平行于岩层层面。

前三种最为常见。

其次，节理的分类还可以节理的走向与区域褶皱主要方向、断层的主要走向或其他线形构造的延伸方向等关系而进行，可划分为三种（见图1.11）：

1）纵节理：两者的关系大致平行。

2）横节理：两者大致垂直。

3）斜节理：两者大致斜交。

如果褶皱轴延伸稳定，不发生倾伏的话（水平褶皱），则走向节理相当于纵节理，倾向节理相当于横节理，斜向节理相当于斜节理。

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图1.10　根据节理产状与岩层产状关系的节理分类示意图

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图1.11　根据节理产状与褶皱轴向关系的节理分类示意图

另外，根据岩石的抗拉强度、岩石破裂面与最大主应力方向间的夹角关系，节理可分为三类（Hancock，1985）：

1）伸张节理（Extension joint），又称张力节理（Tension joint）。

2）剪力节理（Shear joint）。

3）混合节理，又称混合解理（Hybrid joint）。

（2）节理的特征。

1）伸张节理：

①表面比较粗糙，常具有羽毛状花纹；

②多为裂开形式，一般为矿脉充填；

③裂面与伸张应力（σ3）的方向垂直。

2）剪力节理：(www.chuimin.cn)

①表面较平直光滑，有时具有因剪切滑动而留下的擦痕；

②常常组成共轭X形节理系，两组节理的夹角常大于45°小于60°。

3）混合节理：

①具有裂开与剪动的性质，因此具有与伸张节理相似的特征；

②一般在混合节理中有矿物充填形成矿（岩）脉，脉中的纤维状矿物的方向与裂面斜交。

（3）决定节理生成次序的准则。在野外一个露头上，当同一岩性的岩层有两个以上不同方向的节理时，在解释其成因前，须先判断其生成的顺序。

决定节理生成顺（次）序的准则为：

1）有无物质充填或锈斑。在同一个露头中，有物质充填的节理比没有物质充填的节理早形成；有锈斑的比没有锈斑的早形成。

2）不同方向的节理的“交切（Intersection）”。

①一般较长的比较短的节理早形成；

②若一条节理被另一条节理中止，则此被中止的节理较晚形成；

③若一露头中三条节理呈H形排列，则“一横”的节理的形成要晚于“二竖”的节理。

3）节理的形态。一般可由节理的形态来决定节理形成的方式与环境。在脆韧性变形行为状态下生成的节理，要比脆性变形行为状态下生成的节理为早。

4）单一节理的长宽比值（Aspect ratio）。

①当节理为一组伸张节理时，单一节理的长度与宽度的比值约略相等，则可判定其伸张节理组为同时形成；

②当长宽比值差异相当大时，一般判断为比值小的节理比比值大的晚形成。

（4）节理的形成作用机制。以莫尔应力圆来表示三种节理形成的作用机制是1985年Hancock提出的（见图1.12）。

1）伸张节理的形成作用机制。在图1.12中的A所示的伸张节理，由岩石破裂时的有效轴差应力（σ1—σ3）小于4倍岩石抗拉强度（σt）且最小有效主应力 pagenumber_ebook=50,pagenumber_book=18 等于（-σt）所形成，用显式表示为

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图1.12　以莫尔应力圆表示的三种节理形成作用机制图

A—伸张节理，B—剪力节理，C—混合节理；σ1—最大主应力，σ2—中主应力，σ3—最小主应力；θ，θ'—节理面与σ1夹角；A—伸张节理与σ3垂直；B—剪力节理与σ1之交角θ'＞22.5°；C—混合节理与σ1之交角θ＜22.5°

换句话说，伸张节理是指岩石内的最小主应力为张（拉）应力（Tensile stress），而且应力值已达岩石的抗拉强度的情况下，垂直此伸张（拉）力方向所形成的节理。

2）剪力节理的形成作用机制。图1.12中的B所示的剪力节理，由岩石破裂时的有效轴差应力（σ1—σ3）小于8倍岩石抗拉强度（σt）且最小有效主应力 pagenumber_ebook=51,pagenumber_book=19 ＞0的情况下所形成，用显式表示为

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若岩石的摩擦角φ=30°，则剪节理形成的共轭裂面夹角（θ）为60°。

3）混合节理的形成作用机制。图1.12中的C所示的混合节理，由岩石破裂时的有效轴差应力（σ1—σ3）小于4～8倍岩石抗拉强度且最小有效主应力 pagenumber_ebook=52,pagenumber_book=20 ＜0的情况下所形成。用显式表示为

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混合节理形成共轭裂面夹角（θ）介于0°～60°之间。

综合上述，褶皱、断层与节理，它们是地壳岩体最基本的自然形态，也是水工程兴建与加固无法规避的主要地质缺陷。掌握了它们的形成机制，就可控制它们给水工程带来地质灾害的源头，以及对症下药地开出了除险救灾的良方。

从地质史的角度讲，裂隙、软弱破碎带、泥化夹层等是上述三种地质缺陷的衍生，或者说是派生的非规范叫法。但是，由于在水工程界广为流传，本节仅一笔带过，不作一一阐述，包括非构造运动所生的另外三种缺陷。

水工程地质缺陷常用节理加固技术

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