4岩体的力学性质及工程分类

1、结构面结构面：是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界面，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、地质界面，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、不整合面等。断层、不整合面等。结构体结构体：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为结构体结构体（岩石）（岩石）。岩体岩体：结构面和结构体的地质统一体。：结构面和结构体的地质统一体。 按规模结构体可分为：按规模结构体可分为： I I级级结构体结构体：由由I I级结构面切割成的结构体级结构面切割成的结构体( (地质体地质体) )。IIII级结构体级结构体：由：由

2、I I级结构体经级结构体经IIII级结构面切割而成的级结构面切割而成的结构体结构体( (山体山体) )。IIIIII级结构体级结构体：IIII级结构体再经级结构体再经IIIIII级结构面切割而成级结构面切割而成的结构体。的结构体。IVIV级结构体级结构体：IIIIII级结构体再经级结构体再经IVIV级结构面切割而成级结构面切割而成的结构体（的结构体（完整岩石或岩块完整岩石或岩块）。）。 结构体的块度通常指结构体的块度通常指最小结构体的尺寸最小结构体的尺寸。在。在岩体工程稳定性分析中，结构体的块度决定了岩岩体工程稳定性分析中，结构体的块度决定了岩体工程围岩的破坏方式，从而决定了支护和加固体工程围

3、岩的破坏方式，从而决定了支护和加固方法。在开挖过程中结构体的块度影响施工及临方法。在开挖过程中结构体的块度影响施工及临时支护。时支护。按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩体结构按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩体结构划分为以下几种基本类型：划分为以下几种基本类型：岩体结构岩体结构整体结构整体结构 层状结构层状结构 块状结构块状结构 碎裂结构碎裂结构散体结构散体结构 工程实践表明，岩体的应力传播、变形破坏以工程实践表明，岩体的应力传播、变形破坏以及岩体力学介质属性无不受控于岩体结构。岩体结及岩体力学介质属性无不受控于岩体结构。岩体结构对工程岩体控制作用主要表现在三方

4、面：构对工程岩体控制作用主要表现在三方面：岩体的应力传播特征岩体的应力传播特征岩体的变形与破坏特征岩体的变形与破坏特征工程岩体的稳定性工程岩体的稳定性 岩体变形与连续介质变形明显不同，发育于岩体中的岩体变形与连续介质变形明显不同，发育于岩体中的结构面，是抵抗外力的薄弱环节。软弱结构面是岩体变形结构面，是抵抗外力的薄弱环节。软弱结构面是岩体变形破坏的重要控制因素或边界。破坏的重要控制因素或边界。 岩体的变形主要它由岩体的变形主要它由结构体变形结构体变形与与结构面变形结构面变形两部分两部分构成。构成。 块状结构岩体变形主要沿贯通性结构面滑移形成；碎裂状结构岩体变形则由、级结构面滑移及部分岩块变形构

5、成；只有完整岩体的变形才受控于组成岩体的岩石变形特征。 岩体变形机制受岩体结构控制 岩体的破坏机制也受控于岩体结构：岩体的破坏机制也受控于岩体结构： 结构控制有：岩体破坏难易程度、岩体破坏的规模、岩结构控制有：岩体破坏难易程度、岩体破坏的规模、岩体破坏的过程及岩体破坏的主要方式等。体破坏的过程及岩体破坏的主要方式等。岩体破坏机制受岩体结构控制 岩体变形破坏方式：岩体变形破坏方式：a. 块状及层状结构岩体的块状及层状结构岩体的块体滑移；块体滑移；b. 薄层状结构岩体的弯曲薄层状结构岩体的弯曲倾倒；倾倒；c. 碎裂结构岩体的剪切破碎裂结构岩体的剪切破坏及塑性变形；坏及塑性变形；d. 松散及破碎结构

6、岩体的松散及破碎结构岩体的塑性变形塑性变形 4.3.1 4.3.1 岩体强度特征岩体强度特征 岩体的强度取决于结构面的强度和岩石的强度。岩体的强度取决于结构面的强度和岩石的强度。 1 1、岩体的抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和岩石、岩体的抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和岩石强度包络线之间强度包络线之间。 岩体强度受加载方向与结构面夹角岩体强度受加载方向与结构面夹角的控制，因此，表现出岩的控制，因此，表现出岩体强度的各向异性。体强度的各向异性。 1 3 03 1 1、岩体单向抗压强度岩体单向抗压强度（1 1）单向抗压强度）单向抗压强度c c试件试件: :边长边长( (0.50.51.51

7、.5）m m，高高度不小于边长的立方块。度不小于边长的立方块。APc 式中式中: :PP试件破坏时的作用力，试件破坏时的作用力，N;N; A A试件横截面面积，试件横截面面积，m m2 2。（1 1）双千斤顶法）双千斤顶法式中：式中：、试件剪切面上的正应力和剪应力；试件剪切面上的正应力和剪应力；FF试件剪切面面积；试件剪切面面积；NN法向力；法向力；QQ斜向力；斜向力；横向推力与剪切面的夹角，通常为横向推力与剪切面的夹角，通常为15150 0。 cossinFQFQFN 现场无法施加垂直荷载的情况下采用单千斤顶法。现场无法施加垂直荷载的情况下采用单千斤顶法。 cossinFQFQ Q试件尺寸：

8、试件尺寸：2.82.8m m1.4m1.4m2.8m,2.8m,一般一般 h2a,h2a,矩形截面矩形截面. .加压装置：千斤顶，应力枕。加压装置：千斤顶，应力枕。 完整性系数完整性系数K K：式中：式中：V V岩体岩体、 V V岩石岩石分别为弹性波在岩体和岩石中传播的纵波速度。分别为弹性波在岩体和岩石中传播的纵波速度。准岩体抗压强度准岩体抗压强度: : cmcm=K=Kc c准岩体抗拉强度准岩体抗拉强度: : tmtm=K=Kt t式中：式中：c c 、t t为岩石试件的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。为岩石试件的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。2)(岩石岩石岩体岩体VVK 2c331smc式中式中

9、: :c c完整岩石单轴抗压强度；完整岩石单轴抗压强度； 3作用在岩石试样上的最小主应力；作用在岩石试样上的最小主应力； m m，s s为与岩性及结构面情况有关的常数，可查表；为与岩性及结构面情况有关的常数，可查表； abE 岩体分类岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评价，划分的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评价，划分出不同的的级别或类别。出不同的的级别或类别。 分类的目的：为岩体工程建设的勘察、设计、施工分类的目的：为岩体工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本

10、依据。和编制定额提供必要的基本依据。 按分类目的，可分为按分类目的，可分为综合性和专题性两种综合性和专题性两种；按其所涉及的因素；按其所涉及的因素多少，可分为多少，可分为单因素分类法和多因素分类法单因素分类法和多因素分类法两种。两种。1 1、岩石的质量、岩石的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。2 2、岩体的完整性、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。可用结构面频率密度。可用结构面频率( (裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标质量指标RQDRQD以及完整性系数作为定量指

11、标进行描述。这些定以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。量指标是表征岩体工程性质的重要参数。3 3、结构面条件、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。的充填物性质。4 4、岩体及结构面的风化程度、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体越破。风化程度越高，岩体越破碎，强度越低碎，强度越低 。5 5、地下水的影响、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水

12、压力等。压力等。6 6、地应力、地应力。地应力难于测定，它对工程的影响程度也难。地应力难于测定，它对工程的影响程度也难于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。 式中：式中：R Rc c岩石单轴抗压强度，岩石单轴抗压强度，Mpa f 20 20 为为1 1级，最坚固；级，最坚固； f 0.30.3为第为第1010级，最软弱。级，最软弱。优点：形式简单，使用方便。优点：形式简单，使用方便。缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影响，缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影响，故不能准确评价岩体的稳定性。故不能准确评价岩体的稳定性。10cR

13、f 1 1、普氏分类法、普氏分类法 以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏坚固性系数坚固性系数 f 将岩石分为十级。将岩石分为十级。 f 值越大，岩体越稳定。值越大，岩体越稳定。我国工程界按岩石单轴抗压强度将岩体分为四类：我国工程界按岩石单轴抗压强度将岩体分为四类：式中：式中：V Vpmpm、V Vprpr岩体、岩石弹性纵波速度（岩体、岩石弹性纵波速度（m/s)m/s)。2)(prpmvVVK 蒂尔（蒂尔（Deer,1968)Deer,1968)提出根据钻探时岩芯完好程度来判断岩提出根据钻探时岩芯完好程度来判断岩体的质量，对岩体分类。体的质

14、量，对岩体分类。式中：式中：li 所取岩芯中所取岩芯中10cm长度的岩芯段的长度；长度的岩芯段的长度； L钻进岩芯的总程度，钻进岩芯的总程度，m。%100 LlRQDi例例 某钻孔的长度为某钻孔的长度为250cm250cm，其其中岩芯采取总长度为中岩芯采取总长度为200cm,200cm,而而大于大于10cm10cm的岩芯总长度为的岩芯总长度为157cm(157cm(如图所示如图所示) )，则岩芯则岩芯采取率：采取率：200/250=80%200/250=80% RQDRQD=157/250=63%=157/250=63%岩体分类为：岩体分类为：类、中等岩体类、中等岩体 宾尼奥夫斯基（宾尼奥夫斯

15、基（ Bieniawski Bieniawski，1976)1976)提出的分类指标提出的分类指标RMR(Rock Mass Rating)，由下列由下列6 6种指标组成：种指标组成： （1 1）岩块强度）岩块强度( (R R1 1) ) （2 2）RQDRQD值值( (R R2 2) ) （3 3）节理间距）节理间距( (R R3 3) ) （4 4）节理条件）节理条件( (R R4 4) ) （5 5）地下水）地下水( (R R5 5) ) （6 6）节理方向对工程的影响的修正参数（）节理方向对工程的影响的修正参数（R R6 6） 即：即：654321RRRRRRRMR （3 3）对应于最

16、有影响的节理组间距的岩体评分值）对应于最有影响的节理组间距的岩体评分值R R3 3654321RRRRRRRMR 岩体分级的意义岩体分级的意义 考虑不支护隧道的自稳时间考虑不支护隧道的自稳时间 该分类法已得到比较广泛的应用。该分类法已得到比较广泛的应用。 挪威巴顿（挪威巴顿（B Bartonarton）等人于等人于19741974年根据隧道工程的调查，年根据隧道工程的调查，提出一个用提出一个用6 6个参数表达的岩体质量指标个参数表达的岩体质量指标Q Q，作为岩体质量分类作为岩体质量分类的依据。的依据。SRFJJJJRQDQwarn 式中：式中：RQDRQD岩石质量指标；岩石质量指标；Jn节理组

17、数评分；节理组数评分；Jr节理面粗糙度节理面粗糙度评分；评分；Jw按裂隙水条件评分；按裂隙水条件评分；Ja节理蚀变程度评分；节理蚀变程度评分；SRFSRF按按地应力影响评分（应力折减系数）地应力影响评分（应力折减系数）。Q Q反映了岩体质量的三个方面：反映了岩体质量的三个方面：nJRQD为岩体的完整性；为岩体的完整性；arJJ表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度；表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度； SRFJw表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。 地下开挖当量直径：地下开挖当量直径：ESRDr巷道支护比巷道支护比跨度、直径或高度跨度、直

18、径或高度 根据根据Q Q值，可将岩体分为值，可将岩体分为9 9类，如图：类，如图： Q Q分类法考虑的地质因素较全面，而且把定性分析与分类法考虑的地质因素较全面，而且把定性分析与定量评价结合起来了，软硬岩均适用，在处理极软弱的岩定量评价结合起来了，软硬岩均适用，在处理极软弱的岩层中推荐采用此分类法。层中推荐采用此分类法。 宾尼奥夫斯基（宾尼奥夫斯基（ Bieniawski Bieniawski，1976)1976)在大量实测统计在大量实测统计的基础上，发现的基础上，发现Q Q值与值与RMRRMR值之间具有如下条件关系：值之间具有如下条件关系：44ln9 QRMR1 1、工程岩体分级的基本方法、

19、工程岩体分级的基本方法（1 1）确定岩体基本质量确定岩体基本质量 标准标准认为岩石的坚硬程度和岩体完整程度决认为岩石的坚硬程度和岩体完整程度决定岩体的基本质量。岩体基本质量好，则稳定性好；定岩体的基本质量。岩体基本质量好，则稳定性好；反之，稳定性差。反之，稳定性差。A A、采用饱和岩石单轴抗压强度采用饱和岩石单轴抗压强度C C划分岩石坚硬程度划分岩石坚硬程度C C与点荷载强度指数的关系：与点荷载强度指数的关系：是指是指直径直径5050mmmm圆柱试件径向加压时的点荷载强度。圆柱试件径向加压时的点荷载强度。)50(SI75. 0)50(82.22ScI 岩体体积节理数岩体体积节理数Jv( (条条

20、/ /m m3 3) )：knvSSSSJ 21式中：式中：S Sn n第第 n n组节理每米长测线上节理的条数；组节理每米长测线上节理的条数； S Sk k每立方米岩体非成组节理条数。每立方米岩体非成组节理条数。 Jv与与Kv的对照关系：的对照关系：A A、岩体基本质量指标（岩体基本质量指标（BQ)BQ)的计算的计算注意注意：当当C C 90K 90Kv v+30 +30 时，应以时，应以C C=90K=90Kv v+30 +30 代入上式计算代入上式计算Q Q值；值；当当K Kv v 0.04 0.04 C C+0.4+0.4时，应以时，应以K Kv v=0.04=0.04C C+0.4+

21、0.4代入上式计算代入上式计算Q Q值；值；vcKBQ250390 式中：式中：BQBQ岩体基本质量指标；岩体基本质量指标； C C岩石饱和单轴抗压强度岩石饱和单轴抗压强度( (MpaMpa);); K Kv v岩体完整性系数。岩体完整性系数。结合工程具有情况，对结合工程具有情况，对BQBQ进行修正，修正值进行修正，修正值 BQBQ按下式计算：按下式计算： BQ=BQ-100(K1+K2+K3)BQ=BQ-100(K1+K2+K3)式中：式中： K1K1地下水影响修正系数；地下水影响修正系数； K2 K2主要软弱结构面产状影响修正系数；主要软弱结构面产状影响修正系数； K3K3初始应力状态修正系数。初始应力状态修正系数。（1 1）岩体物理参数的选用）岩体物理参数的选用 工程岩体的级别一旦确定，可按表选用岩体工程岩体的级别一旦确定，可按表选用岩体