第六章岩体的工程

1、 研究岩块的实际意义研究岩块的实际意义 1、岩块的物理力学性质是评价岩块是否适宜作为建筑材料和可钻性的指标； 2、在特定的情况下，岩块的性质可 外推岩体的性质，岩块与岩体即存在差异，有时也存在统一性； 3、岩块是岩体的组成部分，研究岩块的性质有助于更深入了解岩体的性质。 1 岩体结构要素岩体结构要素 2 结构面类型结构面类型 3 结构面分级及其特性结构面分级及其特性 4 结构面状态结构面状态 5 岩体结构类型岩体结构类型 结构面结构面：是把岩体切割成岩块，具有强度低和易变形特性的各种地质界面，如节理、断层、层理等的统称 。 按成因分为按成因分为：原生结构面、构造结构面、次生结构面 。 （一）结

2、构面产状（一）结构面产状 研究结构面的产状对岩体稳定性的影响，研究结构面的产状对岩体稳定性的影响，就是讨论结构面的方位与其对应的最大主就是讨论结构面的方位与其对应的最大主应力作用之间的关系。见应力作用之间的关系。见P71图图6-1。 连续性反映结构面的贯通程度贯通程度常用线连续性系数和面连续性系数表示 。 1、线连续系数线连续系数K1 是指沿岩体中某结构面延长方向上，结构面各段长度之和(a)测线长度的比值，即见p71图6-2 K1=a/（a+b） K1从变化在0一1之间K1位愈大，说明结构面连续性愈好；当K11时说明结构面完全贯通 。 反映结构面的发育密集程度，常用线密度和间距表示。 线密度线

3、密度(Kd)和间距（d） 是指结构面法线方向上单位测线长度交切结构面的条数（条/m)，而间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面之间的平均距离 。 两者万为倒数关系，即Kd=1/d b 多组结构面两组节理的裂隙度计算图22112121coscos11ddmmKKK 结构面的密度决定了岩体的完整性和岩块的块度。一般来说。结构面发育愈集。岩体的完整性愈差，岩块块度愈小，进而导致岩体的力学性质变差。渗透性增强 。 普里斯特(Priest，1976)等人提出用结构面的线密度来估算岩体的质量指标(RQD值)。即 ) 11 . 0(1001 . 0dkkeRQDd 4）结构面）结构面形态：形态：

4、 要素：起伏形态、起伏角、粗糙度。 对岩体的力学性质和剪切强度有影响。 起伏角:i=arctan(2/L) 结构面的粗糙度可用粗糙度系数 JRC表示。 粗糙程度可将粗糙度系数(JRC)分为如图65所示的10级 。 张开度：结构面两壁间的垂直距离。 结构面是闭合的、干净无充填物或为后期岩脉充填，结构面抗剪强度取决于结构面的形态、起伏差、粗糙度及两侧岩块性质。 结构面闭合，有泥质或矿物薄膜充填或有地下水浸染，结构面抗剪强度取决于结构面的形态、两侧岩块性质及矿物薄膜的亲水性。 张开:强度决定于充填物。 a.胶结充填物成分成分对结构面力学性质的影响 铁硅质胶结强度高； 钙质胶结强度较差； 黏土、泥质胶

5、结强度最差。 b.胶结充填物厚度厚度对结构面力学性质的影响： 薄膜充填：厚度小于1mm； 薄层充填：厚度小于起伏、强度与充填物和结构面有关； 厚层充填：厚度大于起伏、强度取决于充填物，易滑移。 按结构面的规模及其力学效应，可将结构面划分为5级其主要特征见p73表62。 实测结构面：实测结构面：是指、结构面，通过野外地质测绘工作，按其产状和位置直接表示在不同比例尺的工程地质图上。 统计结构面统计结构面是指、，是通过野外岩层露头进行统计、分析，认识其统计规律，不直接在工程地质图上表示。 软弱夹层：是指岩体中那些性质软弱、有一定厚度的软弱结构面或软弱带。成因上有原生沉积的、火山碎屑的、沉积变质的、层

6、间错动和断裂破碎的、次生充填的及地下水泥化的等。与周围岩体相比软弱夹层具有高压缩性和低强度的特征。 赤平极射投影定性分析岩体稳定性及判断破坏模式方法简介 所谓岩体结构岩体结构就是结构体和结构面的组合形式。岩体结构包括结构体和结构面两个要素。 结构体特征：规模、形状、产状 规模：按不同级别结构面对岩体的切割，将结构体划分为4级。、 级结构面地质体或断块体 级结构面山体 级结构面块体 级结构面岩块 形状：柱状、板状 块状、楔形、锥形、菱形等。 依据结构面和结构体的组合特征，岩体结构类型划分为四大类八个亚类。见P75表6-3 、整体块状：整体结构、块状结构 、层状结构：层状结构、薄层状结构 、碎裂结

7、构：镶嵌结构、层状碎裂结构、碎裂结构 、散体结构： 岩体的力学性质与岩块有显著的差别。一般情况下，岩体比岩块易于变形，其强度也显著低于岩块的强度。造成这种差别的根本原因在于岩体中存在各种类型不同、规模不等的结构面，并受到天然应力和地下水等环境因素的影响。 研究岩体的力学性质比研究岩块力学性质更重要、更具有实际意义。 影响岩体的力学性质的主要因素： 组成岩体的岩石材料性质；结构面的发育特征及其性质和岩体的地质环境条件，尤其是天然应力及地下水条件。 本节内容将主要介绍岩体的变形与强度性质 （一）结构面的变形特性（一）结构面的变形特性 1、法向变形特征、法向变形特征 试验方法试验方法 分别对这两种试

8、件施加连续法向压应力，可得到（P76）如图66所示的应力应力变形变形关系曲线关系曲线。 Vj=VtVr a含结构面岩块n一Vt 曲线；b岩块n一Vv曲线； c结构面n一Vj曲线 n一Vj曲线的形状与结构面的类型及岩壁性质无关，其结构面形状可用最大闭合量（Vm）和初始法向刚度(kn)确定。 Kn为n一Vj曲线原点处的斜率。是一个与初始应力有关的量。 见表6-1软弱结构面的抗剪参数。 2、剪切变形特征、剪切变形特征 在岩体中取一含结构面的岩块试在岩体中取一含结构面的岩块试件，在剪力仪上进行剪切试验，件，在剪力仪上进行剪切试验，可得到结构面剪应力可得到结构面剪应力与结构面剪与结构面剪切位移切位移u的

9、关系曲线。试验研究的关系曲线。试验研究表明，结构面的剪切变形有如下表明，结构面的剪切变形有如下特征。特征。 1、结构面的剪切变形曲线均为非、结构面的剪切变形曲线均为非线性曲线线性曲线 ，可为脆性变形和塑性可为脆性变形和塑性变形两类曲线变形两类曲线 。 2、塑性变形曲线：特点是无明显、塑性变形曲线：特点是无明显的峰值强度和应力降，且峰值强的峰值强度和应力降，且峰值强度与残余强度相差很小，曲线的度与残余强度相差很小，曲线的斜率是连续变化的，且具流变性。斜率是连续变化的，且具流变性。 脆性变形曲线：特点是开始时剪脆性变形曲线：特点是开始时剪切变形随应力增加缓慢，曲线较切变形随应力增加缓慢，曲线较陡。

10、峰值后剪切变形增加较快，陡。峰值后剪切变形增加较快，有明显的峰值强度和应力降。当有明显的峰值强度和应力降。当应力降至一定值后趋于稳定，残应力降至一定值后趋于稳定，残余强度明显低于峰值强度。余强度明显低于峰值强度。 剪切刚度剪切刚度Ks：是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前u曲线上任意点的斜率。 岩体变形是评价工程岩体稳定性的重要指标。岩体工程除研究岩体强度外，还需研究岩体的变形性能。当岩体各部分变形性能差别较大时，在结构物中产生附加应力；当岩体各部分变形性能差别不大时，若岩体软弱抗变形能力差，将产生过量变形，这些都会使工程建筑物破坏或无法使用。岩体的变形性质主要通过岩体原位试验

11、进行研究。 岩体原位测试是在现场制备试件模拟工程作用对岩体施加外荷载，进而求取岩体力学参数的试验方法，是岩土工程勘察的重要手段之一。岩体原位测试的最大优点是对岩体扰动小，尽可能地保持了岩体的天然结构和环境状态，使测出的岩体力学参数直观、准确；其缺点是试验设备笨重、操作复杂、工期长、费用高。另外，原位测试的试件与工程岩体相比，其尺寸还是小得多，所测参数也只能代表一定范围内的岩体力学性质。因此，要取得整个工程岩体的力学参数，必须有一定数量试件的试验数据用统计方法求得。 原位岩体试验，按原理、方法不同分为静力法和动力法。 静力法基本原理：在岩体表面、槽壁或钻孔壁施加法向荷载，并测定变形值，绘制压力变

12、形曲线，计算岩体的变形参数，根据试验方法不同，有；承载板法 、钻孔变形法 动力法：人工对岩体发射（激发）弹性波，测定波速，根据波动理论计算变形参数，方法有声波法和地震波法。 1承载板法 变形模量Em 刚性承压板法是通过刚性承压板(其弹性模量大于岩体一个数量级以上)对半无限空间岩体表面施加压力并量测各级压力下岩体的变形；按弹性理论公式计算岩体变形参数的方法。量测出某级压力下岩体表面任一点的变形量，即可求出岩体的变形模量(Em)。通过现场静力加卸荷，绘制Pw曲线。 2钻孔变形法 变形模量Em 3、声波法 动弹性模量Ed 泊松比 对于裂隙岩体，国内外都特别重视建立岩体分类指标与变形模量之间的经验关系

13、，并用于推求岩体的变形模量Em。 比尼卫斯基(1978)研究了大量岩体变形模量实测资料，建立了分类指标RMR值和变形模量Em(GPa)间的统计关系如下： Em=2RMR100 岩体是由各种不同形态的岩块和结构面组成的地质体，因此其强度必然受到岩块和结构面强度及其组合形式的控制。一般情况下，岩体的强度既不等于岩块的强度，也不等于结构面的强度而是两者共同影响表现出来的强度。但在某些情况下可以用岩块或结构面的强度来代替。如果岩体中结构面不发育呈整体或完整结构则其强度可视为与岩块强度相近或相等。如果岩体是沿某一结构面的整体滑动破坏则岩体强度完全取决于该结构面的强度。这是两种特殊情况多数情况岩体的强度介

14、于岩块和结构面强度之间。本节主要讨论结构面与岩体的剪切强度及岩体的抗压强度。 由于结构面的特征不同，结构面抗剪强度曲线有以下几种形式： 1平直光滑无充填结构面的剪切强度 其剪切强度接近于人工磨光面的摩擦强度即 =tani 天然平直光滑结构面仍具有细微的起伏和凹凸，剪切强度仍由内聚力(c)和摩擦力组成。 一般2040，C在00.1MPa。 (锯齿状结构面） 这类结构面的基本特点是具有起伏度在法向应力较小时，剪切过程中可引起上滑效应（称剪胀效应)，从而增大了结构面的剪切强度=tan(i +i) 由此可见起伏度的存在可增加结构面的摩擦角 法向应力增加到T时，（啃断效应）结构面的剪切强度=tan b+

15、Cb 法向应力T时， 由上面两公式可求得 剪断结构面突起部分 的条件是： 以上是规则起伏结构面的剪切强度。但自然界多数粗糙结构面的起伏形态是不规则的起伏角(j)也不是常数。对于这种情况，巴顿(1973)提出用下式计算结构面的剪切强度即公式 式中；JRc为粗糙度系数，可通过实测的结构面粗糙剖面与标准利面对比求得，JCS为结构面侧壁岩块的抗压强度，可用回弹仪测定；为结构面的基本摩擦角，为法向应力。 3非贯通断续结构面的剪切强度 这类结构面的剪切强度由各段结构面剪切强度和非贯通段(岩桥)岩石的剪断强度两部分道成。因此、整个结构面的强度取决于结构面和岩块性质以及结构面的连续性，即公式 式中：cj j

16、、cm m，、分别为结构面和岩石的内聚力；j m分别为结构面和岩石的内摩擦角；k1此为结构 面的线连续性系数。 4、具充填的软弱结构面的剪切强度 这类结构面的剪切强度主要取决于充填物成分、结构、厚度及充填度等情况。 充填物的粒度成分不同，结构面的强度各异。表66列出了不同软弱夹层的剪切强度指标。 结构面的剪切强度随充填物碎屑含量增加及颗粒变粗面增高随粘粒含量增加而降低。见图6-10 岩体中任一方向的剪切面，在一定的法向应力作用下所能抵抗的最大剪切力，称为岩体的剪切强度。岩体的剪切强度细分为抗剪断强度、摩擦强度（剪切）和抗切强度3种。 抗剪断强度：在任一法向应力下，横切结构面剪切破坏时岩体能抵抗

17、的最大剪应力； 摩擦强度：在任一法向应力下，岩体沿已有破裂面剪切破坏时的最大剪应力； 抗切强度：剪切面上的法向应力为零时，抗剪断强度。 岩体的剪切强度主要受结构面、应力状态、岩性及风化程度等因素控制。在高应力条件下，岩体的剪切强度接近于岩块强度，在低应力条件下，岩体的剪切强度主要受结构面控制。 图6-12 岩体抗剪强度包络线变化范围1、结构面强度包络线 2、岩块强度包络线； 3、裂隙岩体强度包络线 (三)节理化岩体强度的估算 1利用单结构面理论估算岩体强度（耶格1960） 1+3=2（cj+3tanj）/(1-tanjcjtan)sin22利用霍克布朗经验强度方程估算岩体强度霍克和布朗1980

18、年根据岩体性态方面的理论和实践经验，提出了岩块和岩体破坏时的判据为 岩体的工程分类是通过岩体一些简单和易实测的指标，把工程地质条件与岩体力学性质联系起来进行归类。 一、一、RQD分类分类（按岩石质量分类） 迪尔(DeeM、1964)根据金刚石钻进的岩芯采取率，提出用RQD值来评价岩体质量的优劣。RQD值的定义是；大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分率。据RQD值将岩体分为5类(表6-9)。 RQD分类由于没有考虑岩体中结构面发育特征的影响，也没有考虑岩块性质的影响及这些因素的综合效应。因此仅运用这一分类，往往不能全面反映岩体的质量。 由比尼卫斯基(976)提出，分类系统由岩块强度

19、、RQD值、节理间距、行理条件及地下水5类参数组成。分类时根据实际的各类参数情况按表610A所列的标准，分别给予评分。然后将各个评分值相加得岩体质量总分，并按表610B依节理方位对岩体稳定是否有利作适当的修正。最后用修正后的岩体质量总分，对照表610C查得岩体的类别及相应的不支护地下开控的自稳时间和岩体强度指标值。分类指标分类指标：Q值值 RQD为岩石质量指标； Jn为节理组数； Jr为节理粗糙系数； Ja为节理蚀变系数； Jw为节理水折减系数； SRF为应力折减系数。 JW/SRF 表示水与其它应力存在时对岩体质量的影响 RQD/ Jn 为岩体的完整性； 分类方法：确定各参数的数值，求得Q值，以Q值为依据将岩体分为9类。见表6-11 在风化作用下，地表岩体的工程地质特征将发生如下几方面的变化： (1)岩体完整性进一步遭到到破坏：岩体完整性进一步遭到到破坏： 风化不仅使岩体原有裂隙扩大还产生了新的风化裂隙、使岩体逐渐破碎，分裂成碎块、碎片进而分解成砂粒、粉粒甚至粘粒。这种变化削弱丁岩石原有的结晶连结以至完全丧失连结力。致使完整坚硬的岩体往往变成为强度低、细分散状态的松软土。 、 (2)岩石的矿物成分和化学成分发生