工程地质6第六章

1、l第一节 岩体的结构特性l第二节 岩体稳定性分析l第三节 岩质边坡稳定性分析（自学）为什么要研究岩体结构? 大量实践证明; 岩体的稳定性主要取决于岩体的结构特征； 岩体的变形和破坏既有岩石材料的变形与破坏、也有岩体结构的变形与破坏，而主要是岩体结构的变形与破坏，因此岩体结构是分析岩体稳定性的基础，可以提供岩体稳定性分析的边界条件和破坏机理。 a. 结构面是岩体中力学强度相对较薄弱的部位，导致岩体的不连续性、不均一性和各面异性。 b. 岩体结构特征对岩体的变形、破坏方式和强度特征起重要的控制作用。 c. 在地表的岩体，其结构特征在很大程度上决定了外营力对岩体的改造过程。工程地质之所以要将岩体的结

2、构特征作为重要研究对象，意义工程地质之所以要将岩体的结构特征作为重要研究对象，意义如下：如下： 岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它导岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。只有掌握致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。只有掌握岩体的结构特征，才有可能阐明岩体不同荷载下内部的应力分岩体的结构特征，才有可能阐明岩体不同荷载下内部的应力分布和应力状况。布和应力状况。 岩体的结构特征对岩体在一定荷载条件下的变形破坏方岩体的结构特征对岩体在一定荷载条件下的变形破坏方式和强度特征起着重要的控制作用。岩体中的软弱结构面，常式和强度特征

3、起着重要的控制作用。岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定性的控制面，各结构面分别为确定坝肩岩常成为决定岩体稳定性的控制面，各结构面分别为确定坝肩岩体抗滑稳定的分割面和滑移控制面。体抗滑稳定的分割面和滑移控制面。 靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确定了外营靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确定了外营力对岩体的改造进程。这是由于结构面往往是风化、地下水等力对岩体的改造进程。这是由于结构面往往是风化、地下水等各种外营力较活动的部位，也常常是这些营力的改造作用能深各种外营力较活动的部位，也常常是这些营力的改造作用能深入岩体内部的重要通道，往往发展为重要的控制面。入岩体内部的重要通道，往往

4、发展为重要的控制面。 总之，对岩体的结构特征的研究，是分析评价区域稳定总之，对岩体的结构特征的研究，是分析评价区域稳定性和岩体稳定性的重要依据。性和岩体稳定性的重要依据。l 1. 定义：是指工程作用范围内经受过变形、经受过变形、遭受过破坏、遭受过破坏、具有一定岩石成分、特定结构类型并赋存于一定环境条件的复合地质体。 可见岩体不同于岩石： 1). 岩体经历了原始建造、构造改造及次生改造，因此岩体内含有各种各样的节理裂隙系统；l 2) .岩体是不连续的、非均值、各向异性的结构体；l 3). 岩体内存在着初始应力场；l 4) .岩体处于地下环境、受地下水等因素的影响。 岩体是地质体的一部分，因此，岩

5、石、地质构造、温度、地下水及岩体中的天然应力状态对岩体的稳定有很大影响。要研究岩体，不仅要研究现状还要研究其历史。 岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它将导致岩体力学性能不连续性、不均一性和各向异性。软弱的结构面常常形成岩体稳定性的控制面。 岩体在工程荷载的作用下产生变形和破坏，主要受各种结构面的性质及其组合形式的控制，即受岩体结构控制。岩体结构特征不同，岩体的变形与破坏机制也不同。 岩体中存在天然的应力场，在多数情况下，岩体中不仅存在自重应力还有构造应力，这些应力的存在，使得岩体的工程地质性质复杂化。 结构面 坚硬结构面(干净的) 岩体结构单元 软弱结构面(夹泥的，夹层) 结构体

6、块状结构体(短轴的) 板状结构体(长厚比大于15) 1). 结构面结构面：指存在于岩体中的各种不同成因、不同特：指存在于岩体中的各种不同成因、不同特 征的具有一定方向、延展较大而厚度较小的二维面状地质征的具有一定方向、延展较大而厚度较小的二维面状地质界面，它包括物质分异面和不连续面，如：断层、节理、界面，它包括物质分异面和不连续面，如：断层、节理、层理、片理面、软弱夹层及不整合面等；层理、片理面、软弱夹层及不整合面等； 2). 结构体结构体：由结构面切割后形成的岩石块体；：由结构面切割后形成的岩石块体；二二. . 岩体结构岩体结构 1.结构单元：结构单元： 结构面和结构体按力学性能可分为若干类

7、型，不同类型的岩体结构单元在岩体内组合、排列的形式即为岩体结构。故岩体结构是指岩体中结构面和结构体两个要素的组合特征。包含以下三方面内容： 第一岩体的结构单元或结构要素； 第二结构要素的组合特征（不同类型要素的搭配）； 第三结构要素的排列特征（是否有序、是否贯通等）。 2. 岩体结构岩体结构： 结构面的特征包括: 第一类为结构面的几何特征-组数、间距、密度、产状、延伸程度等-结构面的发育程度。 第二类为结构面的性状特征-张开度、粗糙度、起伏情况、充填情况、充填物赋水情况等-结构面的结合程度。具体来讲主要包括下面七个方面的特征:玄武岩的玄武岩的原生柱状原生柱状裂隙裂隙 一级结构面：区域性的断裂破

8、碎带，延展数十公里以上。它直接关系到工程所在区域的稳定性，一般在规划选点时尽量避开如大型断裂带、大型不整合面等，。 二级结构面：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。它的组合与分布，控制了山体及工程岩体的破坏方式及滑动边界。如一般断层 、大型层间错动等。 三级结构面：包括走向与倾向方向，延伸有限。这些结构面控制岩体的破坏和滑移机理，常常是工程稳定的控制性因素及边界条件。如小断层、开裂的层面、不含泥的大节理等。 四级结构面：延展性差，一般在数米至数十米的范围内的节理、片理等，它们仅在小范围内将岩体切割成块状。 五级结构面：延展性极差的一些微小裂隙。它主要影响岩块的力

9、学性质。岩块的破坏由于微裂隙的存在具有随机性。 l结构面规模等级划分：结构面规模等级划分：l 按其对岩体力学行为所起控制作用，可划分为按其对岩体力学行为所起控制作用，可划分为三个等级，即贯通性宏观软弱面（三个等级，即贯通性宏观软弱面（A A类）；显现结类）；显现结构面（构面（B B类）；和隐微结构面（类）；和隐微结构面（C C类）。类）。l 起伏度起伏度平直型平直型：包括大多数层面、片理和剪切破裂面。：包括大多数层面、片理和剪切破裂面。 波状起伏型：如波痕层面、轻度揉曲的片理 锯齿状型：张扭性结构面 不规则型 粗糙度粗糙度粗糙的平滑的镜面的结构面的形态特结构面的形态特征征 结构面的形态(平整性

10、、光滑性)直接影响岩体的力学性能和水力性质。结构面的起伏程度用起伏角表示；粗糙程度用粗糙度表示。结构面的延展性 结构面的延展性也称连续性，是决定岩体稳定性的决定性因素 ，对岩体的变形、变形破坏机理、强度、渗透性都有很大影响。一般用连续性系数表示：即沿结构面延伸方向上结构面各段长度之和与测线长度的比值。5. .结构面的组合关系结构面的组合关系 结构面的组合关系控制着可能滑移岩体的几何边界条件、结构面的组合关系控制着可能滑移岩体的几何边界条件、形态、规模、滑动方向、滑移破坏类型等。因此需分析结构形态、规模、滑动方向、滑移破坏类型等。因此需分析结构面之间及其与临空面之间的组合关系。面之间及其与临空面

11、之间的组合关系。 发育程度等级发育程度等级基本特征基本特征附注附注裂隙不发育裂隙12组，规则，构造型，间距在1米以上，多为密闭裂隙。岩体被切割成巨块状对基础工程无影响，在不含水且无其他不良因素时，对岩体稳定性影响不大裂隙较发育裂隙23组，呈X型，较规则，以构造型为主，多数间距大于0.4米，多为密闭裂隙，部分为微张裂隙，少有填充物。岩体被切割成大块状对基础工程影响不大，对其他工程可能产生相当影响裂隙发育裂隙3组以上，不规则，以构造型或风化型为主，多数间距小于0.4米，大部分为张开裂隙，部分有填充物。岩体被切割成小块状对工程建筑物可能产生很大影响裂隙很发育裂隙3组以上，杂乱，以风化型和构造型为主，

12、多数间距小于0.2米，以张开裂隙为主，一般均有填充物。岩体被切割成碎石状对工程建筑物产生严重影响6.结构面的发育程度7.结构面的张开度和填充胶结特征 结构面的张开程度：是指结构面两壁之间的垂直距离，它影响结构面的强度、变形、渗透。一般分为下列四级： 1mm闭合的; =1-3mm微张的 ; =3-5mm 张开的; 5mm宽张的; 张性断裂面，为次生充填和地下水活动提供条件，显著降低其抗剪强度；产生静、动水压力，影响岩体稳定性； 结构面经充填胶结后，力学性质有所改善，改善程度因充填物不同而不同。以铁硅质胶结的强度高，一般不予研究；以泥质和钙质胶结的强度低、抗水性差。充填物以砂质、砾质的好、泥质和易

13、溶盐类的差；按充填物厚度和连续性，结构面的充填可分为：薄膜充填、断续充填、连续充填、厚层充填四种。结构体与结构面相互依存：1. 结构体形状与结构面组数密切相关，岩体内结构面组数越多，结构体形状越复杂；2. 结构体块度或尺寸与结构面间距密切相关。结构面间距越大，结构体块度（尺寸）越大。3. 结构体级序与结构面级序有相互依存的关系 结构体的一般类型：柱状、块状、板状、楔形、菱形、 锥形等； 强烈破碎部位可能有: 片状、鳞片状、碎块状、碎屑状。 整体块状结构岩体：结构面稀疏、延展性差、结构体块度大且常为硬质岩石，故整体强度高、变形特征接近于各向同性的均质弹性体，变形模量、承载能力与抗滑能力均较高，抗

14、风化能力一般也较强，故这类岩体具有良好的工程地质性质，是较理想的各类工程建筑地基、边坡岩体及洞室围岩。 层状结构岩体：结构面以层面与不密集的节理为主，结构面多闭合微张状、一般风化微弱、结合力一般不强，结构体块度较大且保持着母岩岩块性质，故这类岩体总体变形模量和承载能力均较高，可作为工程建筑地基，但应注意结构面结合力不强的情况。 碎裂结构岩体：节理、裂隙发育、常有泥质充填物质，结合力不强，其中层状岩体常有平行层面的软弱结构面发育，结构体块度不大，岩体完整性破坏较大，其中镶嵌结构岩体因其结构体为硬质岩石，尚具较高的变形模量和承载能力，工程地质性能尚好；而层状碎裂结构和碎裂结构岩体则变形模量、承载能

15、力均不高，工程地质性质较差。 散体结构岩体：节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，岩石手捏即碎，属于碎石土类，可按碎石土类研究。 块状结构岩体层状结构岩体层状碎裂结构（碎裂结构）散体结构散体结构路堑边坡的稳定问题路桥地基稳定问题隧道围岩的稳定问题 一. 岩体稳定性：是指在一定的时间内、一定的自然条件和人为因素的影响下，岩体不产生破坏性的剪切滑动、塑性变形或张裂破坏。剪切滑动是最常见和最主要的。第二节第二节 岩体稳定性分析岩体稳定性分析 大量的工程实践证明: 岩体稳定性分析常用方法： 定性：工程地质类比法、图解法（结构分析法）刚性极限平衡法 定量数值计算法：有限元法、边界元法、离 散元法、模型试验法半

16、定量图解法赤平投影结合实体比例投影法可靠度法、关于岩质边坡的稳定性分析目前为止，对于岩质边坡的稳定性分析，可以说仍没有一套比较完善统一的体系，我国的相关规范中建议使用赤平投影的方法进行定性分析，说明该方法在定性分析方面是比较成熟的。、建筑边坡工程技术规范GB50330-20023、公路路基设计规范JTG D30-20041.1. 岩体稳定性结构分析的实质岩体稳定性结构分析的实质： 工程中岩体的滑移破坏，往往是一部分不稳定的结构体沿着某些结构面拉开，并沿着另一些结构面向着一定的临空面滑移的结果； 这就揭示了岩体稳定性破坏必须具备的边界条件：切割面、滑动面和临空面； 岩体稳定性分析的实质就是：通过

17、对岩体结构要素的分析(有各种方法)，明确岩体滑移破坏的上述边界条件是否具备，对岩体的稳定性做出判断。 1. 首先对岩体中发育的结构面的类型、产状及首先对岩体中发育的结构面的类型、产状及特征进行调查、统计、研究；特征进行调查、统计、研究；2.2. 其次对各种结构面及其空间组合关系以及结其次对各种结构面及其空间组合关系以及结构体的立体形式进行图解分析；构体的立体形式进行图解分析；3.3. 最后，对岩体的稳定性做出评价。最后，对岩体的稳定性做出评价。 （1）.投影原理投影原理 任何一个过球心的无限伸展的平面（岩层面、任何一个过球心的无限伸展的平面（岩层面、断层面、节理面或轴面等）和线，必然与球面断层

18、面、节理面或轴面等）和线，必然与球面相交成球面大圆和点。相交成球面大圆和点。 球面大圆与极射点的连线必然穿过赤平面，球面大圆与极射点的连线必然穿过赤平面，在赤平面上这些穿透点的连线即为该平面的相在赤平面上这些穿透点的连线即为该平面的相应大圆的赤平投影，简称大圆弧。应大圆的赤平投影，简称大圆弧。 即取一球体及其赤平面；将结构面通过球心放置；从极点上发射线，到达结构面的射线与赤平面交点（穿透点）连线即为物体的赤平极射投影，即化立体为平面的一种投影。 MAC为结构面的走向线，其所指示的方位角为结构面的走向；MO为结构面的倾向；FM的长度反映了结构面倾角的大小。A. . 吴尔夫网盘的方位角画出结构面的

19、走向； . 转动网盘，使0-180直线与结构面走向重合； . 根据结构面的倾向和倾角大小，利用经线方向的刻度线，做出结构面的投影或读取坡角。B.当无上述投影网时：(1).初步判断岩体结构的稳定性 (2).推断边坡的稳定坡角(3).确定滑动面、切割面、临空面的产状 (4).确定不稳定体滑动的方向 4. 边坡岩体稳定性结构分析边坡岩体稳定性结构分析: 1 1）. .边坡上发育一组结构面的分析：边坡上发育一组结构面的分析： 结构面产状近于水平时结构面产状近于水平时-这种情况下边坡的这种情况下边坡的稳定性不受影响。稳定性不受影响。 结构面产状近于直立时结构面产状近于直立时-这种情况下边坡的这种情况下边

20、坡的稳定性也不受影响。稳定性也不受影响。 结构面产状倾向时结构面产状倾向时-这种情况下边坡的稳定这种情况下边坡的稳定性需做如下分析：性需做如下分析：稳定性分析： 倾向相反：结构面投影弧位于边坡投影弧对侧半圆，属于稳定的边坡； 倾向相同：结构面投影弧位于边坡投影弧同侧半圆内， 、结构面的倾角大于边坡倾角，结构面投影弧在边坡投影弧内，属于基本稳定的边坡。 、结构面的倾角小于边坡倾角，结构面投影弧在边坡投影弧外，属于不稳定的边坡； 稳定坡角的分析：反向边坡，稳定角度不限；同向边坡，稳定坡角就是结构面的倾角最大稳定坡角。 l上述 J1、 J2 稳定结构面 J3 不稳定结构面l 分析时:由右侧剖面的稳定

21、性分析(是否同时具备岩体滑移破坏的三个边界条件)再投影到赤平面上观察之.稳定性分析稳定性分析: 这种情况下，边坡一般是稳定的这种情况下，边坡一般是稳定的,若边坡破坏，则应同时若边坡破坏，则应同时满足以下两个条件：满足以下两个条件： 、边坡破坏一定是沿着结构面进行的；、边坡破坏一定是沿着结构面进行的； 、假想有一直立的并垂直于结构面的最小抗剪面作为切、假想有一直立的并垂直于结构面的最小抗剪面作为切割面；割面； 结构面与最小抗剪面所夹的楔形体为不稳定体；结构面与最小抗剪面所夹的楔形体为不稳定体；稳定坡角确定稳定坡角确定: : 将楔形不稳定体全部挖除的边坡为稳定边坡，其坡角为将楔形不稳定体全部挖除的

22、边坡为稳定边坡，其坡角为稳定坡角。即稳定坡角为两结构面交线的倾角稳定坡角。即稳定坡角为两结构面交线的倾角. . （3）走向与边坡走向近于垂直）走向与边坡走向近于垂直-横向边坡横向边坡 这种情况下边坡的稳定性不受影响。这种情况下边坡的稳定性不受影响。ADK代表一组结构面，DEK为其最小抗切面；ADEK为不稳定体，AEK为不稳定边坡；开挖将不稳定体完全挖除的边坡为稳定边坡，其通过结构面与最小抗切面的交线，倾角如上图所示。AA为结构面的投影，BB为其最小抗切面的投影；DD为稳定边坡，其通过AA与BB的交点；稳定边坡的坡角如下图所示。 （1）稳定性分析： 边坡破坏一定是沿着两组结构面同时进行，两组结构

23、面所夹的楔形体为不稳定体； 当两组结构面的投影交点位于边坡投影对侧时，属于稳定边坡； 当两组结构面的投影交点位于边坡投影同侧时，若位于边坡投影弧内部属于基本稳定，若位于边坡投影弧外部，则属于不稳定边坡。 (2) 稳定坡角的确定:a)图，边坡投影位于结构面交线的对侧，边坡稳定b)图，边坡投影位于结构面交线的同侧，但边坡投影位于结构面投影交点的外侧，边坡稳定；d)图，从投影图来看，CS位于结构面投影交点的内侧，但从剖面图来看结构面交线未出露于坡顶，故稳定；e）图， CS位于结构面投影交点的内侧，而且从剖面图来看结构面交线出露于坡顶，故不稳定； 有更多的交点（如三组有三个、四组有四个，有时有六个）但

24、有的交点位于边坡投影弧的对侧，不影响边坡的稳定性。 位于边坡投影弧的同侧的交点，如位于边坡投影弧的内部，对稳定性影响不大； 位于边坡投影弧的同侧的交点，如位于边坡投影弧的外部，对边坡稳定性有影响； 判断稳定性时，要选择交线倾角最大，但小于边坡坡角的点来分析； 判断稳定坡角时，要选择边坡投影弧外面的最靠外的点分析。 做出全部赤平投影 ，找出结构面1、2的倾向线AO、BO及结构面组合交线MO；（1）若MO 位于AO和BO 之间，则MO 为滑动方向，两组结构面都是滑动面； （2） 若MO在AO和BO之外，则位于中间的一倾向线为滑移方向，其结构面为滑动面；（3）若结构面的交线MO与一倾向线重合，则这重

25、合的倾向线为滑动方向，其结构面为主滑面，另一个为滑动时摩阻力较小的依附面。 1.某公路采用路堑形式通过一段岩质山坡，现已将路堑边坡走向AA和山坡岩体中出现的一组结构面J按赤平极射投影原理作图如右，请设计此边坡的合理坡度，用角距标在图上，并简要说明设计步骤。 2.某公路采用路堑形式通过一段岩质山坡，现已将路堑边坡走向AA和山坡岩体中出现的两组结构面J1和J2按赤平极射投影原理作图如右，请判断边坡的稳定性并设计此边坡的合理坡度，用角距标在图上，并简要说明设计步骤。2 边坡内部的应力随着边坡的演化不断变化； 不稳定的岩体在各种因素诱导下发生变形和破坏； 构成修建中和修建后，必须保证边坡有足够的稳定性

26、。 一.斜 坡 应 力 分 布 特 征原始应力状态：H1H31H13 1).1).斜坡周围斜坡周围主应力迹线主应力迹线发发生明显偏转生明显偏转: :愈接近临空面愈接近临空面, ,最大主应最大主应力力 1 1愈接近平行于临空面愈接近平行于临空面, , 3 3与之正交与之正交, ,向坡内逐渐向坡内逐渐恢复到原始状态。恢复到原始状态。重分布应力的特点：(1)(1)坡脚附近最大主应力显著增高坡脚附近最大主应力显著增高, ,且愈近表且愈近表面愈高面愈高; ;最小主应力显著降低。最小主应力显著降低。这一带是坡体中应力差或最大剪应力最这一带是坡体中应力差或最大剪应力最高的部位，形成高的部位，形成最大剪应力增

27、高带最大剪应力增高带，往，往往产生与坡面或坡底面平行的往产生与坡面或坡底面平行的压裂面压裂面。1(2) 在坡顶面和坡面的某些部位,坡面的径向应力和坡顶面的切向力可转化为拉应力,形成张力带,易形成与坡面平行的拉裂面。 3). 3). 与主应力迹线偏转相联系与主应力迹线偏转相联系, ,坡体内最大剪应力迹线由坡体内最大剪应力迹线由原来的直线变成近似原来的直线变成近似圆弧线圆弧线, ,弧的下凹方向朝着临空方弧的下凹方向朝着临空方向。向。4). 坡面处由于侧向压力趋于零,实际上处于两向受力状态,而向坡内逐渐变为三向受力状态。二 影响斜坡应力分布的因素1. 岩体初始应力的影响 初始应力场、尤其水平剩余应力

28、使坡体中主应力迹线的分布形式有所不同，明显改变了各应力值的大小；使应力分异现象加剧,尤其对坡脚应力集中带和坡面张力带的影响最大。2. 坡形的影响 (1) 坡高：不改变应力等值线图象，应力随坡高而增高。 (2) 坡角：坡角变化明显改变了应力分布图象。随坡角变陡，张力带的范围有所扩大，坡脚应力集中带最大剪应力值也随之增高。(4)坡面形态：平面上的凹形坡，应力集中明显减缓。 圆形和椭圆形边坡，坡脚最大剪应力仅为一般斜坡的1/2。 当水平应力坡形于椭圆形矿坑长轴时，应力集中较缓和。(3) 坡底宽度：当W0.8H时， 则保持为一常值（称为“残余坡角应力”）3. 斜坡岩土体特性和结构特征的影响:11 岩土

29、体的变形模量对均质坡体的应力分布无明显影响. 泊松比可改变主应力和剪应力的分布,引起张力带变化。随着 增高，坡面和 坡顶的张力带逐渐 扩展；而在坡底则反之， 增高，张力带收缩。 结构面的产状、性质的差别，使斜坡中的应力分布出现了不连续性，在不连续面或软弱面的周边形成应力集中或发生应力阻滞。边坡破坏的边界条件岩体的受力条件力学参数选择计算方法选择确定安全系数边坡稳定性的变化趋势1.判断边坡的破坏形式，推断稳定的坡角；2.选择计算参数，进行稳定性计算；3.分析边坡变形破坏的趋势，对边坡变形破坏进行预报。l 靠近临空面，最大主应力接近平行于临空面，最小主应力趋于正交；l 坡脚附近最大主应力显著升高，最小主应力显著降低，与表面处降为零，甚至转化为拉应力；l 坡缘附近在一定条件下可转化为拉应力区；松弛张裂回弹裂隙坡面、坡顶拉应力区裂隙坡脚应力集中带裂隙表层蠕动蠕动深层蠕动软弱基层蠕动坡体蠕动变形方式70/33一 边坡变形边坡变形实际上在其形成过程中既已发生，表现为卸荷回弹和蠕变两种主要方式卸荷回弹在成坡过程中，由于岩体内积存的弹性应变能的释放，而使斜坡岩体向临空方向回弹膨胀，使岩体原有结构松弛或产生一系列新的表生结构面的现象 。卸荷带斜坡中经卸荷回弹而松弛，并含有与之有关的表生结构面的那部分岩体。 蠕动变形是指边坡岩体主要在重力作用下向临空方向发生长期缓慢的塑性变形的现象，有表层蠕动