4岩体的工程地质性质

土木工程地地质学GeologyinCivilEngineering4.1岩体体结结构构与与地地质质特特征征4.2岩块块的的工工程程地地质质性性质质4.3结构构面面特特征征及及力力学学性性质质4.4岩体体力力学学性性质质与与工工程程分分类类岩体体的的工工程程地地质质性性质质岩体体的的基基本本概概念念：：岩岩体体通通常常指指工工程程影影响响范范围围内内的的地地质质体体，，它它由由处处于于一一定定应应力力状状态态、、被被各各种种结结构构面面切切割割的的岩岩石石所所组组成成。。岩体体(rockmass)＝结结构构面面(discontinuities)+岩石石(rocks)工程程岩岩体体：：地地基基岩岩体体、、边边坡坡岩岩体体、、地地下下洞洞室室围围岩岩结构构面面：：指指岩岩体体中中具具有有一一定定方方向向、、力力学学特特性性相相对对较较差差、、两两向向延延伸伸（（或或具具有有一一定定厚厚度度））的的各各种种地地质质界界面面的的总总称称。。由由于于中中断断了了岩岩体体的的连连续续性性，，故故又又称称不不连连续续面面，，如如层层面面、、节节理理、、断断层层、、软软弱弱夹夹层层等等。。4.1岩体结结构与与地质质特征征构面的的成因因类型型原生结结构面面：岩石成成岩过过程中中形成成的结结构面面。沉积结结构面面：层理理、层层面、、沉积积不整整合面面、沉沉积软软弱夹夹层。。火成结结构面面：岩浆浆侵入入、喷喷溢及及冷凝过程中中形成成的结结构面面。变质结结构面面：包括括残余余的变变余结结构面面和变变成的的重结结晶结结构面面。次生结结构面面内动力力成因因型结结构面面（构造造结构构面））：受受构造造应力力作用用。外动力力成因因型结结构面面（表生生结构构面））：如如卸荷荷裂隙隙（长长江链链子崖崖危岩岩体））、泥泥化夹夹层及及表生生夹泥泥。结构面面的特特征1978年ISRM实验室室和野野外试试验标标准委委员会会制定定的《岩体不不连续续面定定量描描述的的建议议方法法》方位：结构构面的的产状状（走走向、、倾向向、倾倾角））间距：反映映岩体体完整整程度度和块块体大大小延续性性：反映映结构构面的的连通通率粗糙度度：反映映结构构面的的起伏伏状况况结构面面侧壁壁强度度：反映映结构构面受受风化化影响响的程程度张开度度：又称称隙宽宽，即即裂隙隙的宽宽度充填物物：不同同物质质充填填对力力学特特性有有显著著影响响渗流：反映映地下下水的的活动动状况况节理组组数：反映映岩体体被切切割的的状况况块体大大小：可用用块度度和体体积节节理数数反映映10结构体体(structuralelement)－－被被结构构面切切割而而成的的岩石块体体。与与结构构面级级别对对应,为四级级。结构体体特征征－－形态、、规模模、产状状形状规模常见的的：柱柱状、、板状状、楔楔形及及菱形形等，，还有片片状、、鳞片片状、、碎块块状及及碎屑屑状即岩块块的大大小,取决于结结构面的的密度,密度愈小,结构体的的规模愈愈大。常常用单位位体积内内的Ⅳ级结构体体数（块块度模数数）或或结构体体体积来表示。。板状或菱菱形岩体的结结构体形形状柱状锥形形状不同同,稳定性不不同:板状比柱柱状、菱菱形状更更易滑动，楔楔形体比比锥形体体稳定性性差结构体特特征－－－规模、、形态、、产状板状或菱菱形楔形jged板状i楔c形锥形hb柱a状楔形f产状用结构体体的长轴轴方向表表示。结构体特特征－－－规模、、形态、、产状结构体稳稳定性与与结构体体产状、、力的方方向、临临空面方向等有有关。如如板状结结构体：：竖直的的与平卧卧的稳定性和破破坏特征征不同。。滑动或弯弯曲、折折断破坏坏弯曲、折折断或弯弯曲、倾倾倒破坏坏岩体的结结构类型型－－5类岩体结构构类型划划分表（（引自《岩土工程程勘察规规范》，1995）岩体结构类型岩体地质质类型主要结构体形形状结构面发发育情况况岩土工程程特征可能发生生的岩土工程程问题整体状结构均质、巨巨块状岩浆岩、、变质岩、巨厚厚层沉积岩、正正变质岩巨块状以原生构构造节理理为主，，多呈闭闭合型，裂裂隙结构面间间距大于于1.5m，一般不不超过l～2组，无危险结构构面组成成的落石石掉块整体性强强度高，，岩体稳定，，可视为为均质弹性各向向同性体体块状结构厚层状沉沉积岩、、正变质岩岩、块状岩浆岩岩、变质岩块状柱状只具有少少量贯穿穿性较好好的节理理裂隙，裂裂隙结构面间间距0.7～1.5m。一般为为2～3组，有少量量分离体整体强度度较高，，结构面互相相牵制，，岩体基本稳定定，接近近弹性各向同性体层状结构多韵律的薄层层及中厚层状沉沉积岩、副变质质岩层状板状透镜体有层理、片片理、节理理，常有层间错错动面接近均一的的各向异性体，其变变形及强度度特征受层面面及岩层组组合控制，可可视为弹塑塑性体，稳定定性较差不稳定结构构体可能产生滑塌塌，特别是岩层的弯弯张破坏及软弱岩层层的塑性变形碎裂状结构构造影响严严重的破碎岩层层碎块块状状断层层，，断断层层破破碎碎带带、、片片理理、、层层理及及层层间间结结构构面面较较发发育育，，裂裂隙隙结构构面面间间距距0.25～0.5m，一般在3组以上，由许多分离离体形成完整性破坏较较大，整体强度很低低，并受断裂等软弱结结构面控制，多呈弹塑塑性介质，稳定性很很差易引起规模较较大的岩体失稳，地地下水加剧岩体失稳稳散体状结构构造影影响剧剧烈的断层层破碎碎带，强强风化化带，全全风化化带碎屑状状颗粒状状断层破破碎带带交叉叉，构构造及及风化化裂隙密密集，，结构构面及及组合合错综综复杂，，并多多充填填粘性性土，，形成成许多大大小不不一的的分离离岩块块完整性性遭到到极大大破坏，稳稳定性性极差差，岩岩体属性性接近近松散散体介介质易引起起规模模较大大的岩体体失稳稳，地地下水加剧剧岩体体失稳稳不稳定定结构构体的的局部滑滑动或或坍塌塌，深埋洞洞室的的岩爆爆岩体完整程度结构面发育程度主要结构面的结合程度主要结构面类型岩体结构类型组数平均间距/m完整1～2>1.0结合好或结合一般节理、裂隙、层面整体状或巨厚层状结构较完整1～2>1.0结合差节理、裂隙、层面块状或厚层状结构2～31.0～0.4结合好或结合一般块状结构较破碎2～31.0～0.4结合差

节理、裂隙、层面、小断层裂隙块状或中厚层状结构≥30.4～0.2结合好镶嵌碎裂结构结合一般中、薄层状结构破碎≥30.4～0.2结合差各种类型结构面裂隙块状结构≤0.2结合一般或结合差碎裂状结构极破碎无序结合很差散体结构岩体完完整程程度与与岩体体结构构类型型的定定性划划分(《工程岩体分分级标准》）整体状结构构层状结构块状结构碎裂结构散体状结构构岩体的结构构类型整体块状层状结构碎裂结构散体结构4.2.1岩石的主要要物理和水水理性质密度和重度度相对密度（（比重）孔隙度（孔孔隙率）吸水率和饱饱和吸水率率4.2岩块的工程程地质性质质4.2.1岩石的主要要物理性质质密度和重度度岩石密度ρ（g/cm3）：试样质量量m（g）与试样体积积V（cm3）的比值天然密度干密度ρd含水量w（％）重度γ（kN/m3）：单位体积积岩石受到到的重力，，与密度ρ的关系为4.2.1岩石的主要要物理性质质相对密度（（比重）Gs干试样质量量m（g）与4℃时同体积纯纯水质量（（岩石固体体体积与水水的密度之之积）的比比值4.2.1岩石的主要要水理性质质孔隙度（孔孔隙率）n试样中孔隙隙（包括微微裂隙）的的体积Vv（cm3）与试样总体体积V（cm3）的百分比孔隙比e孔隙度n与孔隙比e之间的关系系4.2.1岩石的主要要水理性质质吸水率Wa和饱和吸水水率Wsa饱水系数kw4.2.1岩石的主要要水理性质质岩石的耐冻冻性岩石的饱水水系数kw可以作为岩岩石耐冻性性判别的指指标。饱水系数越越大的岩石石，耐冻性性越差。岩石种类耐冻岩石不耐冻岩石一般岩石的理论值kw

＜0.9kw≥0.9粒状结晶、孔隙均匀的岩石kw

＜0.8kw≥0.8孔隙不均匀或呈层状分布有粘土物质充填的岩石kw

＜0.7kw≥0.74.2.2岩块的力学学性质岩石强度抗压强度：干抗压、、饱和抗压压、软化系系数抗拉强度：劈裂试验验，点荷载载试验抗剪强度：中型剪、、双面剪岩石变形弹性模量变形模量泊松比4.2岩体的主要要力学特性性岩石力学指指标的用途途划分岩石工工程类型、、岩体工程程评价饱和抗压强度≥60MPa60-30MPa＜30MPa＜15MPa岩石类型坚硬岩中硬岩软岩极软岩利用岩石饱饱和抗压强强度划分岩岩石工程类类型4.2岩体的主要要力学特性性岩石力学学指标的的用途岩体质量量分类或或洞室围围岩类型型划分RMR分类：地质力力学分类类，南非非Q分类：隧道围岩质质量分类，欧欧洲国内：如水利水电规范范、岩土工程规范范，其他部们如如铁道、公路路、总参、建建设部，个人人方面有王思思敬、陶振宇宇、杨子文。。评价岩体强度度利用结构面网络模模拟、蒙特卡洛法等影响岩石工程程性质的因素素内部因素（岩岩石的地质特特征）矿物成分结构构造外部因素水的作用风化作用结构面的发育育程度、规模模大小、组合合形式等是决决定结构体的的形状、方位位和大小，控控制岩体稳定定性的重要因因素。尤以结结构面的规模模是最重要的的控制因素。。按结构面发发育程度和规规模可以划分分为如下五级级：I级结构面--区域构造起控控制作用的断断裂带Ⅱ级结构面--延展性强而宽宽度有限的地地质界面Ⅲ级结构面--局部性的断裂裂构造Ⅳ级结构面--节理面V级结构面--细小的结构面面4.3结构面特征及及力学性质结构面的几何何特征是反映映结构面的外外貌，由下列列要素组成：：1、走向:结构面与水平平面的交线方方向，用方位位角表示。2、倾斜:结构面的倾斜斜方向和倾斜斜角度。3、连续性。4、粗糙度:表明结构面的的粗糙程度。。5、起伏度:包括起伏波的的幅度和长度度。起伏波的的幅度是指相相邻两波峰连连线与其下波波槽的最大距距离a,起伏波的长度度是指相邻两两波峰之距离离。结构面的几何何特征结构面的产状状、形态、延延展尺度、密密集程度以及及胶结与充填填情况等是影影响岩体强度度和稳定性的的重要因素。。1、结构面产状：指结构面的走走向、倾向和和倾角，对岩岩体是否沿某某一结构面滑滑移起控制作作用。2、结构面形态态：决定结构面抗抗滑力的大小小，当结构面面的起伏程度度大，粗糙度度高时，其抗抗滑力就大。。3、结构面的延延展尺度：在工程岩体范范围力，延展展度大的结构构面控制着岩岩体的强度。。结构面延展展情况不同，，其力学效应应也不同。结构面的状态态(1)非贯通性结构构面(2)半贯通性结构构面(3)贯通性结构面面4、结构面的密密集程度：指指岩体中各种种结构面的发发育程度。衡衡量密集度的的指标为岩体体裂隙度K和切割度Xe。（1）岩体裂隙度度K——沿取样方向单单位长度上的的节理数量式中：n为长度l内的节理数量量.当取样线垂直直节理的走向向时，d为节理走向的的垂直间距。。按节理的垂垂直间距d将岩体分为：：d>180cm整体结构；d=30～80cm块状结构d<30cm碎裂状结构；；d<6.5cm极破碎结构当岩体中有几几组不同方向向的节理时，，如图所示两两组节理Ka、Kb，则沿取样方方向x上的节理平均均间距max和mbx为结构面的状态态式中：n为取样线l内的节理组数数量.该取样线上的的裂隙度K为各组节理的裂裂隙度Ki之和。即：K越大，结构面面越密集。不不同测线上的的K值差别越大，，岩体各向异异性越明显。。按K的大小，可将将节理分成：：疏节理（K=0～1m-1）；密节理（（K=1～10m-1）；非常密集集节理（K=10～100m-1）；压碎或糜糜棱化带（K=100～1000m-1）；（2）切割度Xe——指岩体被节理理分割的程度度。假设岩体仅有有一个结构面面，可沿结构构面在岩体中中取一个贯通通性的假想平平直断面，则则结构面面积积a与该断面面积积A之比，即为该该岩体的切割割度。可见,当:0<Xe<1,岩体部分切割割；Xe＝1,岩体被整个切切割；Xe＝0,即岩体为完整整连续体。岩体按切割度度分类：Xe＝0.1～0.2完整岩体；Xe＝0.2～0.4弱节理化岩体体；Xe＝0.4～0.6中等节理化岩岩体；Xe＝0.6～0.8强节理化岩体体；Xe＝0.8～1.0完全节理化岩岩体；岩体被某组结结构面切割的的程度Xr为：如果岩体沿某某断面上同时时存在着面积积为a1、a2…an的n个结构面时，，则岩体沿该该断面的切割割度为式中：K为岩体的裂隙隙度；Xe为沿某一平面面的切割度。。结构面的胶结结情况及充填填情况(1)胶结结构面泥质胶结：强度最低，，在脱水情况况下有一定的的强度，遇水水发生泥化、、软化，强度度明显降低。。可溶盐类胶结结：干燥时有有一定的强度度，遇水发生生溶解，强度度降低。钙质胶结：强度较高，，且不受水的的影响，但遇遇酸性水强度度降低。铁质胶结：强度较高，，但易风化，，力学性能不不稳定。硅质胶结：强度高，力力学性能稳定定。可见，胶结结结构面随胶结结物的成分不不同，其力学学效应有很大大差别。结构面的状态态(2)非胶结结构面面分为有充填物物的结构面和和无充填物的的结构面。无充填物的结结构面：其强强度主要取决决于结构面两两侧岩石的力力学性质及结结构面粗糙度度。有充充填填物物的的结结构构面面：：其其强强度度除除与与充充填填物物、、结结构构面面两两侧侧岩岩壁壁接接触触面面的的力力学学特特性性有有关关外外，，主主要要取取决决于于充充填填物物的的成成分分和和厚厚度度。。A、充充填填物物成成分分：：质质粘粘土土、、砂砂质质、、角角砾砾质质等等。。B、充充填填物物厚厚度度对对结结构构面面强强度度影影响响特特别别显显著著。。按按厚厚度度可可将将有有充充填填物物的的结结构构面面分分为为：：薄膜膜充充填填：：充充填填物物厚厚度度多多在在1mm以下，多多系次生生蚀变矿矿物与风风化矿物物构成，，如滑石石、粘土土矿物等等；断续充填填：充填填物不连连续，厚厚度多小小于结构构面的起起伏差，，使结构构面强度度降低。。连续充填填：充填填物厚度度一般大大于起伏伏差，结结构面强强度主要要受充填填物强度度控制，，因此，，常构成成岩体的的主要滑滑动面。。厚层充填填：充填填厚度较较大，一一般几十十厘米至至数米，，构成软软弱带，，如断层层泥。有有时表现现为岩体体沿接触触面滑移移，有时时为软弱弱充填物物本身塑塑性流动动，常导导致重大大工程事事故。软弱夹层层基本定义义：软弱夹层层（尤其其是泥化化夹层））是岩体体中非常常软弱的的结构面面，是坝坝基岩体体、边坡坡岩体和和洞室围围岩稳定定性的制制约因素素。软弱夹层层的分类类按成因分分类：参照P127的表4-5。按夹层的的物质组组成分类类：长委会会建议的的分类软岩夹层层碎块夹夹层碎屑夹夹层泥化夹夹层软弱夹夹层软弱夹夹层的的特性性：物理力力学性性质与与夹层层的物物质组组成、、粘土土矿物物、颗颗粒大大小、、含水水量、、起伏伏状况况有密密切联联系。。软岩夹夹层：对于于粘粒粒含量量较多多的粘粘土岩岩，遇遇水膨膨胀、、崩解解；对对于可可溶岩岩，遇遇水溶溶解。。Rc＜15MPa，f’=0.4-0.6，E0＜2000MPa。如边边坡稳稳定碎块夹夹层：粒径径＞2mm的粗碎碎屑占占80%以上，，粘粒粒含量量低于于10%。面起起伏较较大，，应力力应变变关系系复杂杂，f’=0.45-0.6，E0=200~1000MPa。如如隧洞洞稳定定碎屑夹夹层：粒径径＞2mm的粗碎碎屑占占30～50%以上，，2～0.5mm的粗碎碎屑占占30%以上，，粘粒粒占10-30%，f’=0.30-0.45，E0=50~200MPa。如如隧洞洞稳定定软弱夹夹层泥化夹夹层：w≥wp。具有有结构构松散散、孔孔隙比比大、、密度度小、、含水水量大大、粘粘粒含含量高高、力力学特特性差差的特特点，，f’=0.45-0.6，E0＜50MPa。如葛葛洲坝坝水电电站泥化夹夹层形形成的的三个个基本本条件件：物质基基础：粘土岩类夹夹层，粘粒含含量高，且以以蒙脱石为主主的粘土矿物物。构造作用：完整性被破破坏，有利于于地下水的运运动；矿物颗颗粒的性质和和成分受到破破坏。地下水的作用用：泥化作用，，孔隙水压力力作用，溶解解作用等。结构面变形法向变形剪切变形一、节理的法法向变形1、节理弹性变变形：节理面面光滑，受压压力后成面接接触，粗糙则则成点接触。。每一接触面面会产生压缩缩变形，其压压缩量δ可按弹性理论论中的布辛涅涅斯克解求得得：节理闭合弹性性变形值δ0＝2δ，则式中：m为与荷载面积积形状有关的的系数；d为块体的边长长；E为弹性模量；；n为接触面的个个数；h2为每个接触面面的面积；σ.d2为作用于节理理上的压缩荷荷载。结构面的变形形特性2、节理的闭合合变形Goodman于1974年通过试验，，得出法向应应力σ与结构面闭合合量△V有如下关系：：式中：ξ为原位压力，，由测量法向向变形的初始始条件决定；；Vmc为最大可能的的闭合量；A、t是与结构面几几何特征、岩岩石力学性质质有关的参数数。当A=1，t=1时，上式为：节理的法向变变形△V与1/σ的关系曲线如如图（c).若A与t不为1，可由试验确确定曲线方程程。其方法为为：（1）取完整岩石石试件，测其其轴向σ-△V曲线（如图（（a)中的A线)。（2）将试件沿横横向切开，使使切缝成一条条平行于试件件底面且成波波状起伏的裂裂缝，以模拟拟节理。（3）将切缝上下下两块试块重重合装上—“配称切缝试件件”，加载测其轴轴向σ-△V曲线（如图（（a)中的B线)。（4）将切缝上下下两块试块旋旋转某一角度度装上—“非配称切缝试试件”，加载测其轴轴向σ-△V曲线（如图（（a)中的C线)。(5)利用曲线的差差值求切缝的的压缩量。“配称切缝试件件”——“B-A”“非配称切缝试试件”——“C-A”节理的法向变变形在一定的法向向应力作用下下，结构面在在剪切作用下下产生切向变变形，其变形形特征用试验验时施加的剪剪应力τ与相应的剪切切位移δ的关系来描述述。τ-δ曲线特征取决决于结构面的的基本特征（（粗糙度、起起伏度、充填填物性质与厚厚度等）。（1）结构面粗糙糙无充填物（（A)：随着剪切变形形发生，剪应应力相对上升升较快，当达达到剪应力峰峰值后，结构构面抗剪能力力出现较大的的下降，并产产生不规则的的峰后变形或或滞滑现象。。（2）平坦的结构构面或结构面面有充填物（（B):初始阶段的剪剪切变形曲线线呈下凹型，，随着剪切变变形的发展，，剪切应力逐逐渐升高但无无明显的峰值值出现，最终终达到恒定值值。节理的切向变变形结构面的抗剪剪强度结构面最重要要的力学性质质之一是抗剪剪强度。结构构面在剪切过过程中的力学学机制比较复复杂，构成结结构面抗剪强强度因素是多多方面的，大大量试验结果果表明，结构构面抗剪强度度一般可用莫莫尔－库伦准准则表示：式中：c、φ分别是结构面面上的粘结力力和摩擦角，，φ＝φb+β,φb是岩石平坦表表面基本摩擦擦角，β是结构面的爬爬坡角；σ是作用在结构构面上的法向向正应力。平直结构面的的抗剪强度结构面呈平直直状，没有波波状起伏。1、平直结构构面的剪切变变形曲线（1）τ很小时，τ－δ呈线性，弹性性状态；（2）τ很大，大到足足以克服移动动摩擦阻力之之后，τ－δ呈非线性；（（3）τ达到峰值τP后，δ突然增大，表表面试件已沿沿结构面破坏坏，此后τ迅速下降，并并趋于一常量量（残余强度度）。平直结构面的的抗剪强度(1)、峰值剪切强度度（2）残余剪切强强度式中：CP结构面的的粘结力力；φP、φR是结构面面的峰值摩摩擦角和和残余摩摩擦角，，一般φP>φR。粗糙结构构面的抗抗剪强度度1、理想化粗粗糙结构构面模型型－锯齿齿状结构构面（1）爬坡角β与剪胀现象象（2）剪切强强度作用在斜斜面A’B上的法向向力和切切向力分分别为：：式中：σ,ττ为结构面面AB上的正应应力和剪剪应力，，φb为A’B面上的摩摩擦角。。如图为结结构面有有凸台的的模型的的剪应力与法向应应力的关关系曲线线，它近近似呈双双直线的特特．结构构面受剪剪初期，，剪切力力上升较较快；随随着剪力力和剪切切变形增增加，结结构面上上部分凸凸台被剪剪断，此此后剪切切力上升升，梯度度变小，，直至达达到峰值值抗剪强强度．Patton公式σ较小时，，抗剪强强度τ＝σtg(φb+β);σ较大时，，抗剪强强度τ＝c+σtgφb,其中c为视内聚聚力。试验表面面，低法法向应力力的剪切切，结构构面有剪剪切位移移和剪胀胀；高法法向应力力的剪切切，凸台台剪断，，结构面面抗剪强强度最终终变成残残余抗剪剪强度。。在剪切切过程中中，凸台台起伏形形成的粗粗糙度以以及岩石石强度对对结构面面的抗剪剪强度起起着重要要作用。。在实际应应用中应应注意：：(1)对结构面面进行直直剪试验验时，法法向应力力应与实实际工程程中的一一致。一一般认为为φb＝φR(残余摩擦擦角）.(2)ββ是各向不不同的，，因此，，测量时时应使所所测β角与所讨讨论的方方向一致致。不规则粗粗糙结构构面的抗抗剪强度度Barton强度准则则考虑到三三个基本本因素（（法向力力σ、粗糙度度JRC、结构面面抗压强强度JCS）的影响响，Barton(1977)提出确定定不规则则粗糙结结构面抗抗剪强度度公式：：式中：φb岩石表面面基本摩摩擦角。。JRC为结构面面粗糙性性系数（（0～20），Barton将其分为为10级，平平坦近平平滑结构构面为5，平坦起起伏结构构面为10，粗糙起起伏结构构面为20。结构面的的力学效效应单节理面面的力学学效应1、节理面面的破坏坏条件（（极限应应力平衡衡方程））如图，岩岩体受σ1、σ3作用，节节理面与与最大主主平面的的交角为为β，则节理理面上的的正应力力和剪应应力为：：σ1σ3σ1σσ3βτ如节理面面强度符符合库伦伦准则，，其强度度方程为为：式中：cj,φj为结构面面的粘结结力和内内摩擦角角。（1）（2）节理面的的破坏条条件（极极限应力力平衡方方程）或可见：节节理面上上的应力力和强度度均是β的函数。。因此，，岩体强强度与岩岩石的强强度不同同，除与与应力状状态有关关外，还还与节理理面的方方位有关关。β1≤β≤β2，单节理岩岩体才会会沿节理理面发生生移动破破坏，QP（1）式带带入（（2）式时时（3）(1)由上式式极限限平衡衡方程程可见见：当β→φφj或π/2，σ1－σ3→∞,故使方方程有有意义义(2)如图可可见，，当β1<β<β2,岩体才才会沿沿节理理面产产生滑滑移破破坏。。故，节节理面面破坏坏β必须满满足的的条件件:(1)φj<β<ππ/2,(2)ββ1≤β≤≤β2。节理面面破坏坏β必须满满足的的条件件求β1、β2△RPM中:∠RPM=2β1-φφj;由正弦弦定律律：将RM,PM代入上上式得得：由几何何关系系：节理最最不利利的位位置由极限限平衡衡方程程可以以看出出，应应力圆圆直径径（σ1－σ3）是β的函数数，当当β等于某某一个个值时时，其其直径径最小小，与与强度度曲线线相切切。将将上式式对β取一阶阶导数数，然然后令令其为为0，得：：即是说说，当当时时，节节理的的强度度最低低，最最容易易产生生破坏坏。说说明岩岩体最最容易易沿此此节理理面产产生滑滑移。。节理对对岩体体强度度的影影响从上述述分析析可见见：（1）当节节理面面倾角角β满足β1≤β≤≤β2,且φj<ββ<π/2时，节节理才才会对对岩体体产生生影响响，这这时岩岩体的的强度度取决决于节节理的的强度度，且且当β＝45°＋φj/2时，岩岩体强强度最最低，，其莫莫尔圆圆直径径最小小。（2）当β增大或或减小小时，，岩体体的强强度随随之增增加。。（3）当β<ββ1或β>ββ2时，岩岩体强强度与与节理理无关关，取取决于于岩石石的强强度。。σ3=c时σ1－ββ曲线围压σ3=c增加，，即即c2>c1,岩体的的强度度随之之增大大。多节理理的力力学效效应1、岩岩体有有两组组相交交的节节理，，其力力学效效应可可根据据单节节理求求解，，一般般有三三种情情况：：（1）两组组中只只有一一组节节理面面倾角角β满足β1≤β≤≤β2,则岩体体强度度取决决于该该组节节理的的强度度，岩岩体若若发生生破坏坏，必必沿该该节理理面产产生；；（2）两组节节理均均满足足β1≤β≤≤β2,则岩体体强度度取决决于节节理的的临界界应力力圆大大小。。岩体体若发发生破破坏，，必沿沿临界界应力力圆直直径较较小的的节理理面产产生；；（3）两组节理理均不满足足β1≤β≤β2,则岩体强度度取决于岩岩石本身的的强度而不不受节理的的影响。2、岩体有有多组相交交的节理当Cj=0时结构面的的力学效应应岩体中的节节理往往呈呈现cj=0,这时节理面面的抗剪强强度只靠摩摩擦力来维维持。莫尔－库伦伦判据为：：由节理面极极限应力平平衡方程：：4.4岩体力学性性质与工程程分类岩体的力学学性质岩体变形是是岩块变形形和结构面面变形叠加加的结果。。在长期静静载荷作用用下，岩体体应力（应应变）随时时间发生变变化，表现现出流变特特性。当应应力一定时时，岩体变变形随时间间持续增长长成为蠕变变。如课本本P95图4.11所示。初始始蠕变阶段段岩体变形形逐渐减小小，平缓变变形阶段变变形速度接接近常量，，加速变形形阶段变形形速度加快快直至岩体体破坏。岩岩体发生蠕蠕变破坏时时的最低应应力值成为为长期强度度。当岩体体变形一定定时，岩体体应力随时时间持续而而减小，成成为松弛。。岩体的强度度在岩体强度度性质中，，最重要的的是抗剪强强度。岩体体的强度存存在各异性性，在垂直直于结构面面的方向上上，岩体的的抗剪强度度接近于岩岩块的抗剪剪强度；在在平行于结结构面的方方向上，岩岩体的抗剪剪强度取决决于结构面面的抗剪强强度；在与与结构面斜斜交的方向向上岩体的的抗剪强度度随剪切面面与结构面面的夹角而而变化。此此外，岩体体在瞬时冲冲击载荷下下的动力强强度比静载载荷下的强强度高。一、岩体的的单轴和三三轴压缩变变形特性1、现场岩体的的单轴和三三轴压缩试试验的应力力－应变全全过程曲线线2、典型的的岩体应力力－应变全全过程曲线线4个阶段：：（1）裂隙隙压密阶段段（OA）：曲线上凹（2）弹性性变形阶段段（AB）:呈直线（3）塑性性变形阶段段（BC）：曲线下凹（4）破坏坏后阶段（（CD）：残余强度σD峰值强度σC3、岩体变形曲曲线的基本本形式（1）直线线型：坚硬硬、完整无无裂隙岩体体直线型下凹型上凹型S型（2）下凹凹型：节理理裂隙发育育，泥质充充填，岩性性软弱（3）上凹凹型：坚硬硬但裂隙发发育，多呈呈张开而无无充填物其它形式可可看成是这这三种形式式的组合，，如S型。4、岩石与与岩体的应应力－应变变曲线二、岩体剪切变变形特征岩体的剪切切变形是许许多岩体工工程特别是是边坡工程程中最常见见的变形模模式。在屈服点以以下，变形曲线与与压缩变形形相似。屈屈服点以后后，岩体内内某个结构构面和结构构体可能首首先被剪坏坏，随之出出现一次应应力降，峰峰值前可能能出现多次次应力降。。当应力增增加到一定定程度，没没被剪坏部部位以瞬间间破坏的方方式出现，，并伴有一一次大的应应力降，然然后可能产产生稳定滑滑移。三、岩体各各向异性变变形特征1、特征：垂垂直层面方向岩体变形模模量E⊥明显小于平平行层面方方向岩体的的变形模量量E∥。(a)垂直层面加力(b)平行层面加力2、变形机制制不同：3、构成岩岩体变形各各向异性的的两个基本本要素：（1）物质质成分和物物质结构的的方向性（2）结构构面的方向向性（1）垂直层面面的压缩变变形量主要要是由岩块块和结构面面（软弱夹夹层）压密密汇集而成成；层状岩岩体不仅开开裂层面压压缩变形量量大，而且且在成岩过过程中，由由于沉积规规律的变化化，层面出出现在矿物物连结力弱弱、致密度度低的部位位，这是垂垂直层面方方向压缩变变形量大的的另一个原原因。（2）平行层面面方向的压压缩变形量量主要是岩岩块和少量量结构面错错动而成。。岩体的应力力量测a.应力恢复法法b.应力解除法法c.水压致裂法法d.钻孔崩落测测量法岩体的工程程分类岩体分类是对影响岩岩体稳定性性和影响工工程设计、、施工和维维护的各种种因素建立立一些评价价指标，对对工程辖区区岩体进行行评价，划划分出不同同的的级别别或类别。。分类的目的的：为岩体工工程建设的的勘察、设设计、施工工和编制定定额提供必必要的基本本依据。按分类目的的，可分为为综合性和专专题性两种种；按其所涉涉及的因素素多少，可可分为单因素分类类法和多因因素分类法法两种。一、工工程岩岩体分分类的的参考考影响响因素素1、岩岩石的的质量量。主要要表现现在岩岩石的的强度度和变变形性性质方方面。。2、岩体的的完整性。岩体完整整性取决于于不连续面面的组数和和密度。可可用结构面面频率(裂裂隙度）、、间距、岩岩心采取率率、岩石质质量指标RQD以及完整性性系数作为为定量指标标进行描述述。这些定定量指标是是表征岩体体工程性质质的重要参参数。3、结构面面条件。包括结构构面产状、、粗糙度和和充填情况况。岩体的的工程性质质主要取决决于结构面面的性质和和分布状态态以及其间间的充填物物性质。一、工程岩岩体分类的的参考影响响因素4、岩体及及结构面的的风化程度度。风化程度度越高，岩岩体越破碎碎，强度越越低。5、地下水水的影响。渗流，软软化，膨胀胀，崩解，，静、动水水压力等。。6、地应力力。地应力难难于测定，，它对工程程的影响程程度也难于于确定，因因此，其影影响一般在在综合因素素中反映。。二、几种有有代表性的的工程岩体体分类方法法式中：Rc——岩石单轴抗抗压强度，，Mpaf≥20为1级，最最坚固；f≤0.3为为第10级级，最软弱弱。优点：形式式简单，使使用方便。。缺点：未考考虑岩体的的完整性、、岩体结构构特征对稳稳定性影响响，故不能能准确评价价岩体的稳稳定性。1、普氏分类类法以岩石试件件的单轴抗抗压强度作作为分类依依据，根据据普氏坚固固性系数f将岩石分为为十级。f值越大，岩岩体越稳定定。2、岩石单轴轴抗压强度度分类我国工程界界按岩石单单轴抗压强强度将岩体体分为四类类：

类别

岩石单轴抗压强度

σc(Mpa)坚固性

Ⅰ250~160特坚固

Ⅱ160~100坚固

Ⅲ100~40次坚固

Ⅳ<40软岩3、按岩体完整整性系数Kv（龟裂系数数）分类式中：Vpm、Vpr—岩体、岩石石弹性纵波波速度（m/s)。。Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎4、按岩芯质质量指标（（RQD）分类蒂尔（Deer,1968)提出根据钻钻探时岩芯芯完好程度度来判断岩岩体的质量量，对岩体体分类。式中：li—所取岩芯中中≥10cm长度的岩芯芯段的长度度；L—钻进岩芯的的总程度，，m。RQD（％）0～2525~5050~7575~9090～100等级ⅠⅡⅢⅣⅤ分类很差差较好良好很好5、以弹弹性波速度度分类6、宾尼奥夫斯斯基节理岩体地地质力学分分类（RMR分级系统）宾尼奥夫斯斯基（Bieniawski，1976)提出的分类类指标RMR(RockMassRating)，由下列6种指标组成成：（1）岩块强度度(R1)（2）RQD值(R2)（3）节理间距距(R3)（4）节理条件件(R4)（5）地下水(R5)（6）节理方向向对工程的的影响的修修正参数（（R6）即：（1）对应应岩石强度度的岩体评评分值R1

点荷载指标（Mpa）

岩石单轴抗压强度Rc(Mpa)评分值>10>250154~8100~250122~450~10071~225~504不采用5~252不采用1~51不采用<10（2）对应应于岩芯质质量指标的的岩体评分分值R2RQD（％）91～10076~9051~7526~50

<25评分值20171383（3）对应应于最有影影响的节理理组间距的的岩体评分分值R3节理间距（m）>31~30.3~10.05~0.3<0.05评分值302520105（4）对于于节理状态态的岩体评评分值R4说明评分值尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁25略粗糙的表面、张开度<1mm，硬岩壁20略粗糙的表面、张开度<1mm，软岩壁12光滑表面；由断层泥充填厚度为1～5mm；张开度1～5mm，节理延伸超过数米6由厚度>5mm的断层泥充填的张开节理;张开度>5mm的节理，延伸超过数米0（5）取决决于地下水水状态的岩岩体评分值值R5每米隧道的涌水量（L/min）节理水压力与最大主应力的比值总的状态评分值无0完全干燥15<10<0.1潮湿1010～250.1～0.2湿725～1250.2～0.5有中等压力水，滴水4>125>0.5有严重地下水问题，流水0（6）节理理方位对RMR的修正值R6方位对工程的影响评价隧道地基边坡很有利000有利－2－2－5一般－5－7－25不利－10－15－50很不利－12－25（7）节理理走向与倾倾角对隧道道掘进的影影响节理走向垂直于隧道轴线节理走向平行于隧道轴线倾角00～200顺倾向掘进逆倾向掘进倾角450～900200～450450～900200～450450～900200～450不考虑走向很有利有利一般不利很不利一般一般根据总分确确定岩体分分级

类别

岩体描述岩体评分值RMR

Ⅰ很好81~100

Ⅱ好61~80

Ⅲ较好41~60Ⅳ较差21~40Ⅴ很差0~20岩体分级的的意义考虑不支支护隧道道的自稳稳时间分类号ⅠⅡⅢⅣⅤ平均自稳时间15m跨，20年10m跨，1年5m跨，1星期2.5m跨，10h1m跨，30min岩体的内聚力(kPa)>400300~400200~300100~200

<100岩体内摩擦角>450350~450250~350150~250

<150该分类法法已得到到比较广广泛的应应用。7、巴顿岩岩体质量量（Q）分类挪威巴顿顿（Barton）等人于1974年根据据隧道工工程的调调查，提提出一个个用6个个参数表表达的岩岩体质量量指标Q，作为岩体体质量分分类的依依据。式中：RQD——岩石质量量指标；；Jn——节理组数数评分；；Jr——节理面粗粗糙度评评分；Jw——按裂隙水水条件评评分；Ja——节理蚀变变程度评评分；SRF——按地应力力影响评评分（应应力折减减系数））。Q反映了岩岩体质量量的三个个方面：：为岩体的的完整性性；表示结构构面的形形态、充充填物特特征及次次生变化化程度；；表示水与与其他应应力存在在时对岩岩体质量量的影响响。（1）节理组组数影响响（Jn)（2）节理粗糙度影响（Jr)（3）节理蚀变程度度影响（Ja)（4）裂隙水水影响（（Ja)（5）地应力力影响（（SRF)地下开挖挖当量直直径：根据Q值，可将将岩体分分为9类类，如图图：Q分类法考考虑的地地质因素素较全面面，而且且把定性性分析与与定量评评价结合合起来了了，软硬硬岩均适适用，在在处理极极软弱的的岩层中中推荐采采用此分分类法。。宾尼奥夫夫斯基（（Bieniawski，1976)在大量实实测统计计的基础础上，发发现Q值与RMR值之间具具有如下下条件关关系：三、我国国工程岩岩体分级级标准（（GB50218-94)1、工程岩岩体分级级的基本本方法（1）确定岩岩体基本本质量《标准》认为岩石石的坚硬硬程度和和岩体完完整程度度决定岩岩体的基基本质量量。岩体体基本质质量好，，则稳定定性好；；反之，，稳定性性差。A、采用饱饱和岩石石单轴抗抗压强度度σC划分岩石石坚硬程程度σ

C

(Mpa)>6060~3030~1515~5

<5坚硬程度坚硬较坚硬较软岩软岩极软岩σC与点荷载载强度指指数的关关系：是指直径径50mm圆柱试件件径向加加压时的的点荷载载强度。。B、采用完完整性系系数Kv划分岩体体完整程程度Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎Jv<33~1010~2020~35>35Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15岩体体积积节理数数Jv(条/m3)：式中：Sn——第n组节理每每米