河海大学工程地质第四章

第四章岩体的工程地质特性概述4.1岩体的结构特征4.2岩体的主要力学特征4.3岩体的天然应力状态4.4岩体的工程分类概述1.基本概念及研究意义

岩体（rockmass）通常指地质体中与工程建设有关的那一部分岩石，它处于一定的地质环境、被各种结构面所分割。岩体具有一定的结构特征，它由岩体中含有的不同类型的结构面及其在空间的分布和组合状况所确定。

结构面是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸（或具有一定厚度）的地质界面（或带）。如岩层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。包括物质分异面、不连续面和软弱夹层。

结构体：结构面在空间的分布和组合可将岩体切割成形状、大小不同的块体，称结构体。2.岩体的工程地质特征

⑴岩体是复杂的地质体形成过程复杂：是地质历史的产物，经历过多期构造运动。组成复杂：岩性、风化状态的多样性结构复杂：存在大量各种成因的结构面处于复杂的、变化的地质环境中⑵岩体的强度主要取决于结构面的强度⑶岩体的变形主要取决于结构面闭合、压缩、张裂和剪切滑移，岩体的破坏形式主要取决结构面的结合形式⑷岩体中存在复杂的天然应力场、温度场和渗流场。3.岩体的结构特征的研究意义⑴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。⑵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。⑶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。

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。

研究结构面最关键的是研究各类结构面的分布规律、发育密度、表面特征、连续特征以及它们的空间组合形式等。4.1岩体结构特征及主要类型1.结构面的成因类型⑴原生结构面——物质分异面沉积岩的层理、层面、沉积间断面及沉积软弱夹层等陡属于沉积结构面。②火成结构面岩浆侵入、喷溢及冷凝过程中形成的结构面，如流面、冷凝节理、侵入体与围岩的接触面及岩浆间歇喷溢所形成的若若接触面。③变质结构面变质结构面可分为残留的变余结构面和变成的重结晶结构面两种。前者为沉积岩浅变质所具有，层面仍保留，但在层面上有绢云母、绿泥石等鳞片状矿物密集并定向排列。重结晶结构面主要有片理和片麻理。①沉积结构面玄武岩的原生柱状裂隙沉积岩的层间裂隙⑵次生结构面——节理（X型节理，张节理）——断层（正断层，逆断层，走滑断层）——层间错动带，羽状裂隙，破劈理①内动力形成的结构面构造裂隙②外动力形成的结构面主要是由风化作用、卸荷及人类活动所形成的结构面，其特点是只分布在地表或地表以下数十米的范围内。——有风化裂隙、卸荷裂隙和次生夹泥层。△次生裂隙：地壳运动在岩体中形成的构造裂隙，风化和卸荷作用形成的裂隙。2.结构面的特征

⑴规模：机构面的规模大小相差悬殊。大者可延展数十公里，宽度可达数十米。规模小的延展仅数十厘米或数十米，甚至可以十很微小的不连续裂隙。⑵方位：即结构面的产状⑷延续性：表征结构面延伸长度和展布范围的指标。

⑶间距：指相邻结构面间的垂直距离，通常是指一组结构面的平均间距。反映岩体的完整性。⑸粗糙度：结构面的形态有平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的几种。起伏程度用起伏差和起伏角表示。⑹结构面侧壁强度：它可以反映结构面经受风化的程度。⑺张开度：指结构面两壁间的垂直距离。

⑻充填物：结构面内常见有砂、粘土、角砾、岩屑及硅质、钙质、石膏质沉淀物。铁或硅质胶结者强度最高，泥质及易溶盐类胶结者强度低、抗水性差。未胶结的充填物强度低，充填厚度不同时，变形和强度不通

⑼节理组数：节理组数的多少，决定了岩石块体的大小及岩体的结构类型。⑽块体大小：由数组结构面切割而成的岩石块体，一般称为结构体。体积节理组数Jｖ——是单位体积通过的总节理数。可根据此来堆块体大小进行分类。原生型:沉积成因的、岩浆活动成因的、变质成因的分布：成层条件好，层次多、有韵律、分布广、厚度大、延伸远、产状稳定、且与岩层一致。次生型:风化、地下水外营力作用形成的夹层分布：产状不稳定，厚度变化大，成层条件不好，主要分布在风化卸荷带或地下水循环带内构造型:层间错动带;断层破碎带分布：厚度变化大，延续通过多种岩性，倾角变化大，可能彼此相交。3.软弱夹层——夹在岩体中的泥质和炭质含量高，遇水易软化，延伸长、厚度薄，物理力学性质差的软弱岩层。⑴软弱夹层的成因与分类长委（据葛洲洲坝的研究成成果）建议：软岩夹层:夹在坚硬岩岩体中的薄层层软弱岩层碎块夹层:80%以上上粒径大于2mm的粗碎碎屑（碎块、、砾石）,粘粘粒含量少于于10%碎屑夹层:2~0.5mm的的细碎屑30%,>2mm的粗碎屑屑30~50%,粘粒粒10~30%泥化夹层:结构松散,粘粒含量>30%,含含水量高,密密度低。黄委（据小浪浪底的研究成成果）建议：：软岩夹层（砂砂岩间的页岩岩、粘土岩、、粉砂岩薄层层）泥化夹层泥化夹层按粒度成分和和厚度变化可可分为:全泥型：厚度大于3mm，不夹夹角砾泥夹粉砂和粉粉砂夹泥型：角砾含量小小于10%的的粉土层泥膜型：不含角砾的的薄粘土层泥夹角砾型：角砾含量小小于10%的的粘土层角砾夹泥型：角砾含量在在10~50%的粘性土土层⑵泥化夹层——是软弱夹夹层中物理力力学性质最差差、强度最低低的关键部位位，对岩体稳稳定性往往起起控制作用，，是软弱夹层层工程地质研研究的重点。。①泥化夹层形形成的基本条条件软弱夹层是形形成泥化夹层层的物质基础础：提供泥质质和炭质矿物物；构造破坏是形形成泥化夹层层的主导因素素：裂隙化破坏了了硬岩对软岩岩的保护作用用；层间错动对软软弱岩层的研研磨作用。地下水和风化化作用是泥化化夹层的必要要条件：地下水的浸泡泡、软化、泥泥化、溶解和和崩解作用；风化的机械破破坏和风化作作用。②泥化夹层的的基本特征泥化夹层的结结构特征———具有明显错动面和和分带性，通常可有三三种不同的构构造影响带，，即节理带、劈理带和泥化带泥化夹层的矿矿物成分和化化学成分———矿物成分以以粘土矿物为主，与母岩性质和后后期改造程度有关；粒粒度成分以粘粒和粉粒为主；主要化化学成分位SiO2、Al2O3、、Fe2O3泥化夹层的水水理性质———泥化夹层的的膨胀量与膨胀力，主要与粘土土矿物成分和和微结构面的的发育程度有有关，以蒙脱石为主的夹层，，膨胀量可大大8％；泥化化夹层具有明显渗渗流层层状分分带现现象和渗流集集中的特点点。泥化夹夹层的的物理理力学学性质质———主要要由夹夹层内内物质质成分分、结结构特特征、、上下下界面面形态态决定定。物物理力力学性性质差差：““三高”（高含水水量、、高崩崩解性性、高高分散散性）“三低”（低重度度、低低强度度、低低模量量）泥化夹夹层在在长期期渗水水作用用下的的演变变趋势势———化学成成分的的变化化（主要要发生生盐类类的溶溶解、、阳离离子的的交换换、碳碳酸钙钙的溶溶蚀、、游离离氧化化物的的溶解解、胶胶溶及及氧化化还原原反应应）；；渗透稳稳定的的变化化（恶化-机械械管涌涌、爆爆发式式挤出出破坏坏）；；抗剪强强度的的变化化(降低）。泥化夹夹层在在特定定条件件下的的流变变特性性和长长期强强度———泥化夹夹层具具有流流变性性，宜取取长期期强度度或剩余强强度(约峰峰值的的80％)；反复荷荷载作作用下取残残余强强度；；动力强强度(振动动对泥泥化夹夹层强强度的的影响响程度度与振振动的的振幅幅、频频率和和夹层层的孔孔隙比比有关关。)4.岩岩体结结构分分类⑴水水利利水电电工程程地质质勘察察规范范（GB50287-99）实实行的的分类类标准准:4大类类12亚类类类型亚类岩体结构特征块状结构整体状结构岩体完整，呈巨块状，结构面不发育，间距大于100cm块状结构岩体较完整，呈块状，结构面轻度发育，间距一般100-50cm次块状结构岩体较完整，呈次块状，结构面中等发育，问距一般50-30cm层状结构巨厚层状结构岩体完整，呈巨厚层状，结构面不发育，间距大于100cm厚层状结构岩体较完整，呈厚层状，结构面轻度发育，间距一般100-50cm中厚层状结构岩体较完整，呈中厚层状，结构面中等发育，间距一般50-30cm互层状结构岩体较完整或差，呈互层状，结构面较发育，间距一般30-10cm薄层状结构岩体完整性差，呈薄层状，结构面发育，间距一般小于10cm碎裂结构镶嵌碎裂结构岩体完整性差，岩块镶嵌紧密，结构面较发育到很发育，间距一般30-10cm碎裂结构岩体较破碎，结构面很发育，间距一般小于10cm散体结构碎块状结构岩体破碎，岩块夹岩屑或泥质物碎屑状结构岩体破碎，岩屑或泥质物夹岩块⑵岩岩土工工程勘勘察规规范（（GB50021-2001））实行的的分类类标准准结构类型岩体地质类型结构体结构面发育情况岩土工程特征岩土工程问题整体状结构巨块状岩浆岩、变质岩，巨厚层沉积岩巨块状以层面、原生、构造节理为主，多呈闭合型，间距大于1.5m，一般1~2组，无危险结构岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆块状结构厚层状沉积岩，块状岩浆岩、变质岩块状柱状有少量贯穿性裂隙，间距0.7~1.5m。一般为2~3组，有少量分离体结构面互相牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体层状结构多韵律的薄层、中厚层状沉积岩，副变质岩层状板状透镜体有层理、片理、节理，常有层间错动面变形和强度受层面及层面控制，可视为各向异性弹塑性体，稳定性较差可沿结构面滑塌，软岩可产生塑性变形碎裂状结构构造影响严重的破碎岩层碎块状断层、节理、片理、层理发育，结构面间距0.25~0.5m，一般在3组以上，有许多分离体整体强度很低，并受软弱结构面控制，呈弹塑性体，稳定性很差易发生规模较大的岩体失稳，地下水加剧失稳散体状结构断层破碎带，强风化及全风化带碎屑状构造和风化裂隙密集，结构面错综复杂，多充填粘性土，形成无序小块和碎屑完整性遭极大破坏，稳定性极差，接近松散体介质易发生规模较大的岩体失稳，地下水加剧失稳4.3岩体体的主主要力力学特特性岩体体易易于于岩岩块块变变形形，，并并且且其其强强度度显显著著低低于于岩岩块块的的强强度度。。1.岩岩体体的的变变形形特特征征岩体的变形包括结构面变形和结构体变形。如图所示，岩体的应力－应变曲线可分为四个阶段：图中OA段曲线呈凹状缓坡（节理压密闭合造成）；AB段是结构面压密后的弹性变形阶段；BC段呈曲线形（表明岩体已产生微破裂或塑性变形）；C点的应力值是岩体的峰值强度；过C点后产生应力降表明岩体进入全面的破坏阶段。

变形模量和弹性模量是表征岩体变形的重要参数。如图示，岩体在反复荷载作用下对应于每一级压力的变形，均有弹性变形εe和ep两部分。变形模量E0和弹性模量Ee分别为：岩体体的的变变形形模模量量可可以以表表示示岩岩体体质质量量的的好好坏坏根据据岩岩体体中中结结构构面面发发育育情情况况、、充充填填情情况况及及岩岩石石性性质质的的差差异异，，岩岩体体在在加加载载变变形形过过程程中中，，其其压压力力P与与变变形形W的的关关系系曲曲线线可可以以分分为为三三种种类类型型：：——直线型：岩体节理不发育，岩体坚硬完整。——上凹型：岩土中节理发育且充填不好。——上凸型：岩性软弱或深部埋藏有软弱夹层。2.岩岩体体的的流流变变特特征征流变变性性————物物体体在在外外部部条条件件不不变变的的情情况况下下，，应应力力或或应应变变随随时时间间而而变变化化的的性性质质。。有有蠕变变和松弛弛两种种表表现现形形式式。。⑴蠕蠕变变:在在应应力力一一定定的的条条件件下下变变形形随随时时间间的的持持续续而而逐逐渐渐增增长长的的现现象象。。⑵松松弛弛：在在变变形形保保持持一一定定时时，，应应力力随随时时间间的的增增长长而而逐逐渐渐减减小小的的现现象象。。⑶岩岩体体的的蠕蠕变变曲曲线线，因因恒恒定定荷荷载载大大小小不不同同可可分分为为两两种种类类型型。。一类类是在在较较小小的的恒恒定定荷荷载载作作用用下下（（σ<σσ∞），，变变形形随随时时间间增增长长，，变变形形速速率率递递减减最最后后趋趋于于稳稳定定。。另一一类类为趋趋于于非非稳稳定定的的蠕蠕变变，，即即当当恒恒定定荷荷载载超超过过某某一一极极限限值值后后（（σ＞σ∞），，变变形形随随时时间间不不断断增增长长，，最最终终导导致致破破坏坏。。典型型的的蠕蠕变变曲曲线线可可分分为为三三个个阶阶段段：：①初始始蠕蠕变变阶阶段段，如如上上图图中中的的OA段段。。其其特特点点是是变变形形速速率率逐逐渐渐减减小小，，所所以以又又称称为为阻阻尼尼阶阶段段。。②等等速速蠕蠕变变阶阶段段，如图中的AB段。其变变形缓慢平稳稳，应变随时时间呈近于等等速的增长。。③加速蠕变阶阶段，如图中的BC段。本阶阶段的特点是是变形速率加加快直到岩体体的破坏。从图中知，当当岩体所受的的长期应力超超过某一临界界应力值时，，岩体才经蠕蠕变发展至破破坏，这一临临界应力值称称为岩体的长长期强度，以以τ∞或σ∞表示。△岩体的长期期强度取决于于岩石及结构构面的性质、、含水量等因因素。3.岩体的强强度性质⑴无充填结构构面的强度取决于起伏形形态、粗糙度度和凸起体强强度。平直光滑结构构面:φ:20°～40°c:0～0.1MPa粗糙结构面正应力较小时时:正应力较大时时:突起体被被剪断,不不发生剪胀对于最粗糙结构面简化剪胀角(dn):发生剪切位移时实际运动方向与平均剪切运动方向间的夹角.

δv

为剪胀量;δh为剪切方向位移.

Barton给出:

裂隙面内摩擦角：JCS为裂隙表面的单轴抗压强度，米勒给出：可由滑动试验或直剪试验或经验（查表）得出JRC为粗糙度系数，可由对比图或试验得出岩

石

(度)岩

石

(度)角闪

岩32花岗岩(粗粒)31~35玄武岩31~38石

灰

岩33~40砾

岩35班

岩31白

垩30砂

岩25~35白云岩27~31页

岩27片麻岩(片状的)23~29粉

砂

岩27~31花岗岩(细

粒)29~35板

岩25~30

各种岩石结构面基本摩擦角

的近似值⑵有充填结构构面的强度取决于充填物物的成分（尤尤其是粒度成成分）和厚度度：随粘粒含量增加强强度降低随厚度增加强强度降低充填度(t/h):充填物厚厚度与起伏差差之比随充填度增加加力学强度降降低，充填度大于2时，结构面面抗剪强度稳稳定于充填物物强度水利水电工程程地质规范中中软弱夹层的的分类和抗剪剪强度取值类型f'c'(MPa)胶接的结构面0.80~0.600.250~0.100无充填的结构面0.7~0.450.150~0.050岩块岩屑型0.55~0.450.250~0.100岩屑夹泥型0.45~0.350.100~0.050泥夹岩屑型0.35~0.250.050~0.020泥0.25~0.180.005~0.002定义及别称别称：也叫初初始应力、初初应力定义：在未经经人为扰动（（工程荷载、、工程开挖））的天然状态态下，地壳岩岩体中所具有有的内应力。。其他:感生应力附加应力二次应力三次应力4.3岩体的的天然应力状状态⑴自重应力。由岩体自自重产生的应应力。垂直自重应力力：σz=γhh—上覆岩土体体厚度(m)；γ—容重、重度度。水平自重应力力：σx=σy=λσzλ=μ/(1-μ)，λ=0.25~0.43，，μ=0.2~0.3,砼砼λ=1/6，，深部淤泥泥μ=0.5，，λ=1特点：①随h的增大而增大大；②σz＞σx，σy；③普遍存在。。天然应力的种种类及特征由构造运动产产生的应力（（活动应力、、残余应力））。无理论计算方方法，仅依靠靠实测（现状状）：应力恢复法、、应力解除法法、水压致裂裂法。特点：①不严严格随随h的增加加而增增加；；②具有有明显显的方方向性性：受受构造造运动动方向向控制制；③σ1、σ3为水平平向，，σ2为垂直直向（（也有有例外外）；；④可比比自重重应力力大得得多，，如二滩滩左岸岸37m深深：σ1（近水水平））=66.3MPa,右岸53.5m：：σ1=40.8MPa⑤分布布的区区域性性：我我国西西南、、西北北高应应力区区；⑥普遍遍存在在应力力卸荷荷带：：全、、强风风化带带；⑦仅存存于岩岩体中中。⑵构造造应力力⑶剩余应应力：因风化化剥蚀蚀，由由卸荷荷作用用残留留在岩岩体中中的自自相平平衡的的应力力。垂直应应力减减小，，水平平应力力保持持不变变.⑷变异应应力：由岩体体的物物理状状态、、化学学性质质或赋赋存条条件等等的变变化而而产生生的应应力。。只局部部存在在，各各向异异性明明显，，如岩岩浆侵侵入接接触带带、喷喷出岩岩冷凝凝。据实测测资料料分析析，很很不成成熟、、很不不完善善。⑴σv随h的变化化：以以自重重应力力为主主，约约呈线线性关关系σv=(0.024~0.027)h(MPa)⑵σh随h的变化化：很很复杂杂⑶σ1的方向向和大大小：：具明明显的的区域域性特特点，，主要要取决决于地地质历历史和和构造造运动动的方方式、、方向向：①以以自自重重应应力力为为主主的的地地区区：：以以垂垂向向为为主主；；②高高地地应应力力地地区区：：以以水水平平向向为为主主。。我我国国地地应应力力活活动动分分区区见见P58图图：：大概概以以甘甘、、青青交交界界，，川川、、滇滇中中部部一一线线为为界界，，东东、、西西两两部部分分近近期期构构造造应应力力活活动动方方式式不不同同：：西部部地地区区：：主主要要受受南南北北方方向向的的挤挤压压作作用用控控制制，，σ1方向向：：NNW-近近SN；；东部部地地区区：：主主要要受受东东西西方方向向的的挤挤压压作作用用控控制制，，以以秦秦岭岭纬纬向向构构造造带带为为界界；；北部部的的华华北北、、东东北北：：σ1方向向：：NEE-近近EW南部部的的华华南南：：σ1方向向：：近近EW——NWW③东东、、西西交交界界地地带带：：复复杂杂、、双双重重控控制制。。⑷最最大大剪剪切切应应力力随随h的变化：：在地壳1~2km之内内比深部部增加迅迅速，中中等深度度以上一一般＜20MPa；硬岩比软软岩高得得多，断断层活动动性与之之关系密密切。⑸以压应应力为主主。2.地应应力场的的分布及及变化规规律对工程建建设的影影响：对区域稳稳定性的的影响：：地震、、活动性性断裂；；对岩体变变形稳定定的影响响：⑴对围岩岩稳定的的影响：：开挖后形形成临空空面→应应力重分分布→σθ增加、σr减小→收收敛变形形、山岩岩压力、、岩爆、、失稳→→洞线选选择很重重要⑵对边坡坡的影响响：河谷下切切→卸荷荷回弹→→a.卸荷荷带岩体体：性质质差；b.差异异卸荷：：基坑边边坡剪切切滑移；；倾倒变变形，(如:小小浪底)⑶对地基基基础的的影响：：基坑底部部隆起、、破坏坝轴线方方向的选选择3.地应应力研究究的工程程意义定性评价价与定量量测量相相结合研究内容容和方法法⑴构造造应力场场的演变变史和现现代地应应力的基基本特征征方法：⑵高地地应力区区存在及及分布地质、地地貌标志志：⑶岩组组分析方法：定定向取样样，偏光光显微镜镜及伦琴琴射线仪仪等观测测矿物颗颗粒的应应变状态态，得出出主应力力方向。。⑷现场场测定。。⑸构造造应力图图的编制制。①钻进中中的岩饼饼；②平硐中中的岩爆爆；③深切、、陡峻的的峡谷。。①地质力力学分析析法；②断层错错动机制制解的赤赤平投影影解析法法；③地震震震源机制制解。4.地应应力的工工程地质质研究⑴区域地地震地质质条件分分析：是否具备备高应力力条件；；⑵地形地地貌分析析：河谷及冲冲沟的发发育程度度及切割割深度，，切割深深、条数数多、山山体支离离破碎→→应力力释放→→难以以赋存高高地应力力；山体雄厚→具具备赋存高地地应力的条件件。⑶地层岩性：：岩性软弱则难难以赋存高地地应力。⑷岩体完整性性：岩体破碎则难难以赋存高地地应力。⑸岩体风化程程度：全、强风化带带则难以赋存存高地应力。。地应力的定性性评价4..4岩体体的工程分类类⑴岩石的质量量指标RQD(rockqualitydesignation)是采用直径为为75mm的的双层岩心管管金刚石钻进进，提取直径径为54mm的岩心，将将长度小于10cm的破破碎岩心及软软弱物质剔除除，然后测量量大于或等于于10cm长长柱状岩心的的总长度（Lp）。Lp与本回次进进尺长度之比比即为RQD.⑵节理岩体的的地质力学分分类RMR(RockMassRating)Z.T.比尼尼威斯基于1973年提提出的用多参参数和差计分分方法确定的的地质力学分分类。考虑了了五个参数：：①岩石的强度；②RQD值；③不连续面间距距；④不连续面状态态；⑤地下水情况。RMR=(1+2+3+4+5)+（b）其中b为表4-13中的的修正值b的取值岩体变形模量量E0与RMR之间间的关系：E0=2RMR-100△该示只适用用于Ⅲ类以上上的岩体RMR分类⑶岩体质量Q系统分类1974年挪挪威岩土工程程研究所的N.巴顿提出出的Q系统分分类。考虑了了六种参数：：岩石的质量指指标RQD；节理组数Jn；节理理粗粗糙糙度度系系数