工程地质第6章

1、第六章第六章 岩石及岩体的工程性质岩石及岩体的工程性质 岩石的工程性质岩石的工程性质 岩体的工程性质岩体的工程性质 岩体的工程分类岩体的工程分类 岩体稳定性评价岩体稳定性评价了解了解： 岩体稳定性的影响因素。重点重点:：岩石的工程性质;结构面、结构体、岩体结构、岩体的概念；结构面及岩体的力学性质；岩体的工程分类。一、岩石的物理性质 重量重量 比重比重wssVWG 重量重量固体物质固体物质水水气气Ws、VsWw、VwW、VVnVW* * 干容重、天然容重及饱和容重 * * 空隙性空隙性VVnn坚硬岩石 0.24.5%半坚硬岩石 5.020.0%松散沉积物 25.947.6% 二、岩石的水理性质

2、吸水性吸水性透水性透水性 吸水率吸水率%10022swWWw 饱和吸水率饱和吸水率%10011swWWw21wwKs 饱和系数饱和系数* 反映岩石大开型空隙与反映岩石大开型空隙与*小开型空隙之相对数量小开型空隙之相对数量 * 渗透系数渗透系数 软化性软化性抗冻性抗冻性 软化系数软化系数 重量损失率重量损失率dwdRRK %100212RRRRl 强度损失率强度损失率*强度损失率小于强度损失率小于25%或重量损失率小于或重量损失率小于2%的岩石抗冻性强的岩石抗冻性强 *岩石饱水状态的抗压强度岩石干燥状态的抗压强度%100212WWWWl* 软化系数0.75 的岩石抗水、抗风化、抗冻性强 *可溶性

3、可溶性 膨胀性膨胀性 三、岩石的力学性质 变形特性变形特性 变形模量变形模量（E0） 弹性模量弹性模量（E） 泊松比（泊松比（）E0 = / = h / h h= 横横 / 轴轴 d d(MPa)0ABChd横横= d / d 轴轴= h / h：岩石抵抗外荷不被破坏的能力。强度特性强度特性 单轴抗压强度单轴抗压强度 抗拉强度抗拉强度APRcAPtAPAPCtgs 抗剪强度抗剪强度AP 抗切强度抗切强度Cs 抗摩擦强度抗摩擦强度tgs 点荷载强度点荷载强度2DPIsDPP四、岩石的工程分类四、岩石的工程分类 硬质岩硬质岩岩石极硬岩极硬岩 Rc60硬岩硬岩 6030软质岩软质岩较软岩较软岩 30

4、15软岩软岩 155极软岩极软岩 Rc5区别区别 ： 岩石：矿物的集合体，无显著软弱结构面岩石：矿物的集合体，无显著软弱结构面岩体：岩石的地质综合体，被各种地质界面分割成岩体：岩石的地质综合体，被各种地质界面分割成大小不等、形状各异的许多块体。其工程性质严格受大小不等、形状各异的许多块体。其工程性质严格受其结构面的控制。其结构面的控制。岩体特征岩体特征 ：岩石、地质构造、地下水及岩体天然应力状态对岩体稳岩石、地质构造、地下水及岩体天然应力状态对岩体稳定影响较大。定影响较大。结构面是岩体稳定性的控制因素，它导致岩体力学性能结构面是岩体稳定性的控制因素，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向

5、异性。的不连续性、不均一性和各向异性。岩体的变形与破坏主要受各种结构面的性质及其组合形岩体的变形与破坏主要受各种结构面的性质及其组合形式的控制。式的控制。 岩体中存在复杂的天然应力场。岩体中存在复杂的天然应力场。 一、岩体结构一、岩体结构 岩体的结构特征岩体的结构特征 岩体中结构面、结构体岩体中结构面、结构体的形状、规模、性质及其组合关系的特征。的形状、规模、性质及其组合关系的特征。 结构面结构面 岩体中的物质分异面、破裂面及软岩体中的物质分异面、破裂面及软弱夹层等弱夹层等力学不连续面力学不连续面。结构体结构体 岩体被结构面切割成的不同形状和大岩体被结构面切割成的不同形状和大小的岩块。小的岩块

6、。1、结构面的成因类型、结构面的成因类型 原生结构面原生结构面 构造结构面构造结构面 次生结构面次生结构面 沉积结构面沉积结构面片理片理 火成结构面火成结构面 变质结构面变质结构面层理面层理面沉积间断面沉积间断面 软弱夹层软弱夹层原生节理原生节理多期岩浆岩之间的接触面多期岩浆岩之间的接触面侵入体与围岩的接触面侵入体与围岩的接触面流纹和流层面流纹和流层面劈理、节理劈理、节理断层断层层间错动带层间错动带 风化裂隙风化裂隙卸荷裂隙卸荷裂隙次生充填夹泥次生充填夹泥2、结构面的特征、结构面的特征 结构面的规模结构面的规模 一级结构面一级结构面小断层、大型节理、风化夹层和卸荷裂隙小断层、大型节理、风化夹层

7、和卸荷裂隙 二级结构面二级结构面区域性断裂破碎带区域性断裂破碎带 三级结构面三级结构面断层断层 层间错动带层间错动带 沉积间断面沉积间断面软弱夹层软弱夹层 大型接触破碎带大型接触破碎带微小裂隙微小裂隙节理、片理、劈理节理、片理、劈理 四级结构面四级结构面 五级结构面五级结构面*工程所在区域的稳定性工程所在区域的稳定性 *控制山体及工程岩体的破坏方式及滑动边界控制山体及工程岩体的破坏方式及滑动边界 *工程岩体稳定的控制性因素及边界条件工程岩体稳定的控制性因素及边界条件 *小范围内将岩体切割成块状小范围内将岩体切割成块状 *影响岩块的力学性质影响岩块的力学性质 * 结构面的形态结构面的形态 平直平

8、直 波状波状 不规则不规则 锯齿状锯齿状ii：起伏角：起伏角 h：起伏高度：起伏高度h 起伏度起伏度 粗糙度粗糙度 结构面的密集程度结构面的密集程度 线密集度线密集度K：单位长度上的结单位长度上的结构面条数构面条数 结构面间距结构面间距d：同一组结构面的平均间距：同一组结构面的平均间距K=n/LM1Ln=3M2n=2d=MK=1/M1+ 1/M2 结构面的连续性（贯通性、延展性）结构面的连续性（贯通性、延展性）非贯通非贯通半贯通半贯通贯通贯通 线连续性系数线连续性系数：某一结构面的延长线上某一结构面的延长线上，结构面各段长度之和与整个线段长度之比，结构面各段长度之和与整个线段长度之比 面连续性

9、系数面连续性系数：岩体内包含结构面的断面岩体内包含结构面的断面上，结构面面积之和与整个断面面积之比上，结构面面积之和与整个断面面积之比KL = a / ( a + b )KA = ( A1+ A2+ A3+ An) / Aa1a2a3a4a5b1b2b3b4A1A2A3A4 结构面的张开度及充填情况结构面的张开度及充填情况 密闭密闭 5.0mm*取决于岩石成分及结构面的粗糙程度取决于岩石成分及结构面的粗糙程度 *取决于充填物情况及胶结情况取决于充填物情况及胶结情况 *3、软弱夹层、软弱夹层 软弱夹层软弱夹层 在坚硬岩层中夹有的力学强度低、泥在坚硬岩层中夹有的力学强度低、泥质或炭质含量高、遇水易

10、软化、延伸较长和厚度较质或炭质含量高、遇水易软化、延伸较长和厚度较薄的软弱岩层。薄的软弱岩层。 成因成因原生型原生型构造型构造型次生型次生型 分类分类泥化夹层的形成泥化夹层的形成泥化泥化 粘土岩类岩石经一系列地质作用变成塑泥的过程。粘土岩类岩石经一系列地质作用变成塑泥的过程。标志：标志：其天然含水量等于或大于塑限。其天然含水量等于或大于塑限。特点：特点：湿度高、密度小、强度低、变形大。湿度高、密度小、强度低、变形大。v 物质基础：物质基础：粘土矿物含量较高的原生软弱夹层，粘土矿物含量较高的原生软弱夹层，如粘土岩、粘土质页岩、粘土质粉砂岩、泥质板岩、如粘土岩、粘土质页岩、粘土质粉砂岩、泥质板岩、

11、泥灰岩、千枚岩等夹层。泥灰岩、千枚岩等夹层。v 构造作用构造作用v 地下水的作用地下水的作用：结合水膜减弱颗粒间连接力，岩结合水膜减弱颗粒间连接力，岩石处于塑态甚至接近流态；溶解盐类、水化和水解石处于塑态甚至接近流态；溶解盐类、水化和水解作用。作用。v 成分成分：粘粒含量明显增多。：粘粒含量明显增多。v 结构结构：由固结或超固结变成泥质分散结构。：由固结或超固结变成泥质分散结构。v 物理状态物理状态：天然含水量高，接近或超过塑限。：天然含水量高，接近或超过塑限。v 力学强度力学强度：软弱，：软弱，0.2。 泥化夹层的特征泥化夹层的特征4、结构体、结构体 形状形状（取决于结构面的组数及产状 ）

12、大小大小（取决于结构面组数及各组间距 ）12 结构体结构体的形状大的形状大小相同，小相同，产状不同产状不同 12 结构体结构体产状相同产状相同 ，位置不同位置不同1 25、岩体结构类型、岩体结构类型 整体结构岩体整体结构岩体（近似各向同性连续介质 ） 层状结构岩体层状结构岩体（顺层滑动、层间张裂及岩层弯曲折断 ） 块状结构岩体块状结构岩体（沿软弱夹层滑动 ） 碎裂结构岩体碎裂结构岩体（沿结构面的滑移和张裂、结构体的剪切、张裂及塑性流动 ） 散体结构岩体散体结构岩体（大型断裂破碎带，大型岩浆岩侵入接触破碎带及强烈风化带 ）二、结构面的力学性质二、结构面的力学性质 结构面的变形特性结构面的变形特性

13、 123 脆性破坏变形脆性破坏变形*多发生在多发生在坚硬岩体的高强度坚硬岩体的高强度结构面中结构面中 * 塑性破坏变形塑性破坏变形*多发生在多发生在半半坚硬或较软弱坚硬或较软弱岩体结构面，或结构面光岩体结构面，或结构面光滑并附着有相当多的松散滑并附着有相当多的松散物质条件下物质条件下 *1423结构面的强度特征结构面的强度特征u 抗拉强度很低，没有充填物的结构面可认为没有抗拉强度很低，没有充填物的结构面可认为没有抗拉强度。抗拉强度。u 主要为抗剪强度，取决于：主要为抗剪强度，取决于： 上下结构面的表面形态，结构面的附着物。上下结构面的表面形态，结构面的附着物。u 张性结构面抗剪强度较高，扭性结

14、构面抗剪强度张性结构面抗剪强度较高，扭性结构面抗剪强度低。低。 粗糙度粗糙度镜面低，粗糙高。镜面低，粗糙高。u 泥质充填物厚度变化极大影响抗剪强度。泥质充填物厚度变化极大影响抗剪强度。 厚度薄强度较高，厚度增加强度迅速减少，厚度达厚度薄强度较高，厚度增加强度迅速减少，厚度达到一定值后充填物起到控制作用，强度趋于稳定。到一定值后充填物起到控制作用，强度趋于稳定。v 由于存在结构面和 软弱夹层，显著影响岩体工程性质。v 使岩体有着显著的 不均匀性和各向异性，不连续性和非线性。v 岩体强度显著 低于 岩块强度。三、岩体的力学性质三、岩体的力学性质 岩体应力分布的不连续岩体应力分布的不连续 性性应力集

15、中、应力集中轨迹的转应力集中、应力集中轨迹的转折、弯曲和应力值不连续现象折、弯曲和应力值不连续现象 岩体不均匀性岩体不均匀性和不连续性和不连续性传递应力的性能与传递应力的性能与 理想弹性均质体有很大区别。理想弹性均质体有很大区别。 岩体强度的各向异性岩体强度的各向异性A / 结构面结构面结构面结构面 斜交结构面斜交结构面TPTPA 岩体的变形特征岩体的变形特征 0二者迭加二者迭加结构体变形结构体变形结构面变型结构面变型0结构面结构面岩石岩石岩体岩体ABCD 岩体的流变特性岩体的流变特性 流变性流变性 物体在长期静荷载作用下，应力或物体在长期静荷载作用下，应力或 应变随时间变化的性质。应变随时间

16、变化的性质。蠕变蠕变：应力一定，变形随时间的持续而增长。：应力一定，变形随时间的持续而增长。松弛松弛：变形一定，应力随时间的持续而减小。：变形一定，应力随时间的持续而减小。 t012 = c3初初始蠕始蠕变变加速蠕变加速蠕变平缓蠕变平缓蠕变 初始蠕变阶段初始蠕变阶段：变形速度逐渐减小。：变形速度逐渐减小。 平缓蠕变阶段平缓蠕变阶段：变形缓慢平稳，变形速度为常量。：变形缓慢平稳，变形速度为常量。 加速蠕变阶段加速蠕变阶段：变形速度加快直至岩体破坏。：变形速度加快直至岩体破坏。长期强度长期强度：出现蠕变破坏的最低应力值。出现蠕变破坏的最低应力值。 岩体的破坏方式和破坏机制岩体的破坏方式和破坏机制

17、脆性破裂、脆性破裂、块体滑移块体滑移层状弯折层状弯折塑性流动塑性流动追踪破裂追踪破裂剪切破坏剪切破坏剪断破坏：剪断破坏：层状弯折、塑性流动层状弯折、塑性流动重剪破坏：重剪破坏：脆性破裂、块体滑移脆性破裂、块体滑移复合剪切破坏：复合剪切破坏：追踪破裂追踪破裂 岩体剪切破坏类型岩体剪切破坏类型 脆性破坏型：坚硬完整岩体脆性破坏型：坚硬完整岩体特点：岩体破坏前剪位移较小，破坏后有明显应力降。特点：岩体破坏前剪位移较小，破坏后有明显应力降。12301： 2：屈服极限：屈服极限 3：破坏极限：破坏极限 4：残余强度：残余强度12340 塑性破坏型：半坚硬或塑性破坏型：半坚硬或 软弱破碎岩体软弱破碎岩体特

18、点：峰值破坏前剪位移较大，过峰之后剪应力不变，岩体特点：峰值破坏前剪位移较大，过峰之后剪应力不变，岩体沿剪切面滑移。沿剪切面滑移。一、单指标分类一、单指标分类 非非 常常 好好 RQD 90 100 好好 RQD 75 90较较 好好 RQD 50 75不不 好好 RQD 25 50非常不好非常不好 RQD 0 25岩体岩体LL1L2L3L4 岩体的岩体的RQDRQD分类分类 RQD=(L1+L2+L3+L4) / L 岩体弹性波速分类：岩体弹性波速分类： 坚硬完整岩体中坚硬完整岩体中 纵波速度值高，软弱破碎岩体纵波速度值高，软弱破碎岩体低低 Kv 90 100 Kv 75 90 Kv 50 75 Kv 25 50 Kv 25 50岩体岩体 岩体完整性系数（岩体完整性系数（K Kv v）分类）分类 Kv=(Vpm / Vpr) 2* * Vpm:岩体纵波速度岩体纵波速度 * *Vpr : :同类岩石完整岩块纵波速度同类岩石完整岩块纵波速度 * *二、多指标分类二、多指标分类 比氏分类比氏分类 * * 岩石的单轴抗压强度、岩石的单轴抗压强度、RQDRQD、节理