工程地质 第4章 岩体及其工程地质问题

1第4章岩体及其工程地质问题

4.1岩体的工程分类 4.2岩体结构的类型 4.3岩体的力学特性 4.4风化岩体性状 4.5岩体中的天然应力及测量 4.6地下洞室围岩设计施工中的工程地质问题 4.7边坡岩体设计施工中的工程地质问题 4.8岩石地基设计施工中的工程地质问题 2

岩体是指由一种或多种岩石组成并由各类结构面及其所切割的结构体所构成的且赋存于一定的地质环境中的刚性地质体。

岩体结构包括结构面和结构体两个要素。岩体稳定性分析与评价是工程建设中十分重要的问题。本章主要介绍了岩体的工程分类、结构体与结构面、岩体结构的类型、软弱夹层对工程影响、岩体力学特性、风化岩体性状以及岩体中的天然应力及测量，另外对地下洞室围岩、边坡岩体及岩石地基设计施工中的工程地质问题进行了分析。34.1岩体的工程分类

4.1.1按坚硬程度的分类44.1.2按完整程度的分类

54.1.3按基本质量等级的分类

64.1.4按工程岩体分级标准分类

74.1.5按RQD指标的分类

RQD值是用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值，以百分数表示。84.2岩体结构的类型

4.2.1结构体岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体叫结构体，由于各种成因结构面的组合，在岩体中可形成大小、形状不同的结构体。

94.2.2结构面结构面是指存在于岩体中的各种不同成因、不同特征的地质构造形迹界面，如断层、节理、层理、软弱夹层及不整合面等。

1.结构面类型按成因可把结构面分为原生结构面、构造结构面和次生结构面三类。10112.结构面的特征

1)结构面的规模122）结构面的形态3）结构面的延展性4）结构面的密集程度135）结构面的张开度和充填情况144.2.3岩体结构的类型

岩体结构的基本类型可分为整体结构、块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构5大类（图4-2）。

15164.2.4软弱夹层及其对工程的影响

软弱结构面，又称不连续面，指岩体中延伸较远、两壁较平滑、充填有一定厚度软弱物质的层面，如软弱夹层、泥化夹层、片理、劈理、节理、断层破碎带等。软弱夹层指岩体中夹有强度很低或被泥化、软化、破碎的薄层。软弱夹层是具有一定厚度的特殊的岩体软弱结构面，是在坚硬岩层中夹有的力学强度低、泥化或炭质含量高，遇水易软化、延伸较长和厚度较薄的软弱岩层。

17

软弱夹层的力学强度与充填物的物质组成、结构特征、充填程度厚度及地下水等因素密切相关。1．软弱夹层物质成分的影响2．填充物结构的影响3．填充程度及厚度的影响4．水的作用18岩体中的软弱夹层1920岩体中的软弱夹层214.3岩体的力学特性

4.3.1岩体的破坏方式岩体的破坏方式与破坏机制与受力条件及岩体的结构特征有关。一般当岩体结构类型不同时，其破坏方式也不同。从宏观分析，岩体的破坏方式主要有4种：脆性崩塌破裂、整体滑动破坏、局部剪切破坏、基底隆起破坏四种。

22234.3.2岩体的变形特性244.3.3岩体的强度特性

254.3.4岩体的动力学特性

岩体动力学包括两方面的内容，一方面是对岩体本身动力特性的研究；另一方面是研究岩体在各种动载及地震荷载作用下所表现出来的应力、应变、位移和破坏特征。

264.3.5岩体的水力学性质1.岩体的渗透特性岩体的渗流特性以裂隙渗流为主，其特点为：1）岩体渗透性大小取决于岩体中结构面的性质、岩性及裂隙的连通性；2）岩体渗透性具有定向性、非均质性和各向异性；3）一般岩体中的渗流符合达西渗流定律，但岩溶管道流—般属紊流，不符合达西定律；4）岩体渗流受地下水高差的影响明显；5）岩体渗透系数是反映岩体水力学特性的核心参数。渗透系数可采用现场水文地质压水试验和抽水试验测定。在水工建筑物建设、地下洞室建设、边坡治理中特别要注意岩体的渗透破坏。2．岩体的渗透破坏岩体的渗透破坏主要是层状裂隙发育的软弱夹层在地下水的长期浸泡下或在暴雨等外力作用下岩体的滑动崩解破坏。3．地下水浮力对岩体基础的影响部分做在水下的岩体建（构）筑物基础要考虑地下水浮力对其的影响。所以基础要采用岩石锚杆或桩基础来抗浮。274.4风化岩体性状

4.4.1风化作用

1．风化作用的概念地壳表层的岩石，在太阳辐射、大气、水和生物等风化营力作用下，发生物理和化学的变化，使岩石崩解破碎以致逐渐分解的作用，称为风化作用。

2．风化作用的类型根据风化作用的因素和性质可将其分为三种类型：物理风化作用、化学风化作用、生物风化作用。284.4.2岩层的垂直风化带294.4.3风化岩体的工程性状1．岩石风化后工程特性变化岩石风化后，其成分、结构和构造都发生了不同程度的变化，从而改变了岩石的工程特性，主要表现在：

1）破坏岩石颗粒间的联结，扩大岩体原有裂隙，产生新的风化裂隙，降低结构面的粗糙程度，使岩体分裂成碎块，破坏岩体的完整性。整体状、块状、层状结构岩体变为碎裂结构岩体，甚至散体结构土体，坚硬岩石变为软弱岩石，甚至松散土；

2)岩石矿物成分发生变化，原生矿物经受水解、水化、氧化等作用后，逐渐转化生成新的次生矿物，特别是黏土矿物，改变了岩体的性质；

3)岩体性质也随之改变，工程特性恶化，如透水性增强，抗水性减弱，亲水性增高，强度和弹性模量降低，变形量增大。残积土和全风化形成的土体，比一般土的孔隙比要高，但有某些胶结或原岩结构残余强度，故抗剪强度较高，而压缩性中等或偏低。有些土体的抗水性弱，浸水后强度降低，有的土具有胀缩性。风化岩随着风化程度加强，其孔隙度、吸水率、泊松比逐渐增大，而重度、各种强度和弹性(变形)模量明显降低。

302．岩石风化的处理对策1)挖除法：适用于风化层较薄的情况，当厚度较大时通常只将严重影响建筑物稳定的部分剥除。在大型水坝工程或核电工程中，其地基一般要挖除风化岩再做基础。2)抹面法：用使水和空气不能透过的材料如沥青、水泥、黏土层等覆盖岩层。3)胶结灌浆法：用水泥、黏土等浆液灌入岩层或裂隙中，以加强岩层的强度，降低其透水性。4)排水法：为了减少具有侵蚀性的地表水和地下水对岩石中可溶性矿物的溶解，适当做一些排水工程。5）有覆盖层风化岩上的房屋基础采用桩基础等方法。在高层建筑桩基工程中，桩基持力层一般要求选择到中风化岩。6）风化边坡采用挡墙、锚杆注浆、抗滑桩等方法处理。只有在进行详细调查研究以后，才能提出切合实际的防止岩石风化的处理措施，并要进行设计计算。314.5岩体中的天然应力及测量

4.5.1岩体的天然应力

岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的重要因素。人类工程活动之前存在于岩体中的应力，称为天然应力或地应力。一般认为，天然应力是各种作用和各种起源的力，它主要由自重应力和构造应力组成，有时还存在流体应力和温差应力等。

4.5.2岩体天然应力的测量方法

1.水压致裂法

2.钻孔套心应力解除法

3.应力恢复法324.6地下洞室围岩设计施工中的工程地质问题

4.6.1洞室围岩的应力重分布

3334暗挖单线隧道断面

353637海底隧道及服务隧道三维建模数字化隧道工程384.6.2洞室开挖围岩的破坏方式

洞室围岩的破坏方式主要包括洞室顶部围岩冒顶破坏、洞室两侧围岩侧向鼓出破坏和洞室底部围岩隆起破坏三种。

394.6.3隧道洞室洞口及轴线的选择

1．隧道洞室洞口的选择洞口宜设在山体坡度较大的一面(大于30º)，岩层完整，覆盖层较薄，最好设置在岩层裸露的地段。洞口底的标高一般应高于谷底千年或百年一遇的最高洪水位1.0m以上的位置，以免在山洪暴发时，洪水泛滥倒灌流人地下洞室。在选择洞口位置时，必须将进出口地段的物理地质现象调查清楚。洞口应尽量避开易产生崩塌、剥落和滑坡等地段，或易产生泥石流和雪崩的地区，以免对工程造成不必要的损失。402．隧道洞室轴线的选择隧道洞室轴线的方向最好选择在地层岩性相对完整、岩层产状相对水平、地质构造简单以及水文地质条件不发育的地方。

1)布置洞室的岩性要求2)岩层产状与洞室轴线的关系3)褶皱构造与洞室轴线的关系4）有断裂破碎带地区洞室位置的布置5）洞室轴线与地下水富水带的关系41

4.6.4洞室围岩的稳定性分析方法

1.均质或似均质围岩的稳定性验算

422.含有单一(或一组)软弱结构面围岩的稳定性验算

434.6.5保证洞室围岩稳定性的处理措施

保证隧道洞室围岩稳定性的处理措施包括以下几个方面：1．在隧道洞室设计时首先要进行详细的工程地质勘察和方案论证。2．根据围岩的地质勘察资料进行详细的隧道工程施工设计，设计要多方案比较论证完善并确定最优方案，同时根据施工情况和监测情况反馈修改不断完善设计方案。3．根据场地的地质条件选择合理的施工方法，现代隧道施工方法主要有新奥法和盾构法。4．在施工时保护洞室完整围岩原有的强度和承载能力，合理施工，尽量减少围岩的扰动，并对因地质构造破碎的围岩和富水的围岩进行注浆加固、封闭裂隙、止水及引导水流等措施。5．隧道洞室加固措施包括对洞室洞壁的支撑、注浆加固、衬砌、注浆锚杆加固、喷射混凝土护壁等。6．洞室围岩开挖过程中应做稳定性实时监测444.7边坡岩体设计施工中的工程地质问题

活动断裂及断裂带边坡问题454.7.1岩质边坡的破坏方式及影响因素

46473．影响边坡稳定的因素影响边坡稳定的因素有：岩石性质、岩体结构、水的作用、风化作用、地震力、地形地貌及人为因素等。1)岩石性质：岩石的成因类型、矿物成分、结构和强度等是决定边坡稳定性的重要因素。由坚硬(密实)、矿物稳定、抗风化能力好、强度较高的岩石构成的边坡，其稳定性一般较好；反之稳定性就较差。2)岩体结构与软弱结构面：岩体结构完整且岩层呈水平层状或向内倾的岩层不容易发生边坡失稳；岩体结构破碎或岩层向外倾及有软弱结构面的岩层容易产生滑坡。3)地形地貌：岩体临空面的存在及边坡的坡度较陡、高度高且向外倾的岩层或土层容易引起边坡失稳。4)风化裂隙：风化裂隙发育的高陡岩层，透水性增强，抗剪强度降低容易引起边坡失稳。有断层破碎带的岩层也容易引起边坡失稳。5)水的作用：水的渗入使岩土体软化导致抗剪强度降低，容易加快边坡失稳。暴雨期间边坡更容易失稳。6)地震等外力作用：地震或人工振动等外力作用使高陡边坡岩体的动剪应力增大导致失稳。7)地应力：开挖边坡使边坡岩体的初始应力状态改变，坡角出现剪应力集中带，坡顶与坡面的一些部位可能出现张应力区。在新构造运动强烈地区，开挖边坡能使岩体中的残余构造应力释放，可直接引起边坡的变形破坏。8)人为因素：边坡不合理的开挖施工、边坡堆载、爆破施工及植被破坏雨水渗入等都容易诱发边坡失稳。484.7.2边坡的稳定计算

1.滑动面为一平面时的计算

49502.滑动面为折线时的计算51525354554.7.3不稳定边坡的加固措施对于不稳定的边坡，为了确保工程的安全，必须采取一些有效的防治措施。目前国内外常用的方法有：

1．削坡处理

2．引导水流或降低地下水位

3．边坡锚杆注浆土钉墙等加固

4．边坡坡面喷射钢筋混凝土面层加固

5．边坡内部滑动界面注浆加固

6．抗滑桩加固

7．坡脚采用挡土墙加固

5657584.8岩石地基设计施工中的工程地质问题4.8.1岩石地基上浅基础的设计原则岩石地基作为建筑物的浅基础地基一般是比较好的地基。设计时要考虑以下几个步骤：1．要详细阅读岩土工程勘察报告，了解岩石地基的工程地质条件，尤其要查明岩石地基垂直风化带的特性和是否存在溶洞土洞等不良地质条件。2．岩石地基的浅基础设计要掌握以下原则1）岩石地基上的基础埋置深度要满足抗滑要求；2）当地下室底板置于地下水位以下时应进行抗浮验算；基础抗浮的加固可采用锚杆加固或桩基加固两种方式3）岩石地基的浅基础形式可以采用筏板基础、箱型基础或其它基础形式，要根据地质报告来确定基础承载力，对于普通多层建筑可以采用全风化岩、强风化岩作为持力层基础，对于高层超高层建筑一般应采用中等风化岩作为基础持力层。594）建筑物应进行变形验算。对地基基础设计等级为甲、乙级的高层建筑物，同一建筑物的地基存在坚硬程度不同，两种或多种岩体变形模量差异达2倍及2倍以上，应进行地基变形验算；地基主要受力层深度内存在软弱下卧层时，应考虑软弱下卧层影响进行地基稳定性验算。5）对于风化裂隙发育、破碎程度较高的不稳定岩体，可采用灌浆加固和清爆填塞等措施。对遇水易软化和膨胀、暴露后易崩解的煤层、泥质、炭质等岩石，应注意软化、膨胀和崩解作用对岩体承载力的影响。6）地基基础位于地下水位以下时，应考虑地基施工排水措施，基坑施工抽排地下水时应考虑对相邻建（构）筑物及环境的不利影响。基坑边坡应该加固处理。7）基底和基坑边坡开挖应控制爆破，到达持力层后，对软岩、极软岩表面应及时封闭保护。8）位于斜坡和岸边的建筑物，应对斜坡场地和地基进行稳定性验算，浅基础应进入潜在滑动面以下的稳定岩体中。对于基础附近有临空面，应验算向临空面倾覆和滑移的稳定性。9）对于岩溶地区的岩石地基要查明基础下方是否存在溶洞并评价对建筑物浅基础的影响程度。604.8.2岩石地基上深基础的设计原则岩石地基作为建筑物的深基础地基一般是比较好的地基。设计时要考虑以下几个步骤：1．要详细阅读岩土工程勘察报告，了解岩石地基的工程地质条件。2．岩石地基的深基础设计要掌握以下原则1）岩石地基上的基础埋置深度要满足抗滑要求。2）当地下室底板置于地下水位以下时应进行抗浮验算。基础抗浮的加固可采用锚杆加固或桩基加固两种方式。

61624）根据上部结构的荷载来设计群桩数量、桩间距和基础底板的厚度等。5）地基基础位于地下水位以下时，应考虑地基施工排水措施，基坑和桩基施工抽排地下水时应考虑对相邻建（构）筑物及环境的不利影响。基坑边坡应该加固处理。6）桩孔、基底和基坑边坡开挖应控制爆破，到达持力层后，对软岩、极软岩表面应及时封闭保护。7）位于斜坡和岸边的建筑物，应对斜坡场地和地基进行稳定性验算，深基础面或桩基应进入潜在滑动面以下的稳定岩体中。对于基础附近有临空面，应验算向临空面倾覆和滑移的稳定性。8）对于岩溶地区的岩石地基要查明基础下方是否存在溶洞并评价对建筑物桩基础的影响程度。634.8.3岩石地基上的坝基防渗处理原则

646566河床深厚覆盖层工程适宜性评价河床深厚覆盖层的存在对高坝建设带来严重制约，可带来坝基渗漏、渗透变形、砂土液化、沉降变形等工程地质问题。这种情形下，土石坝结合帷幕灌浆防渗具有较好的工程适宜性。工程适宜性的评价6768本章小结

(1)岩体是指由一种或多种岩石组成并由各类结构面及其所切割的结构体所构成的且赋存于一定的地质环境中的刚性地质体。岩体可按照岩石坚硬程度分为坚硬岩，较坚硬岩，较软岩，软岩和极软岩5类；岩体按照完整程度可分为完整，较完整，较破碎，破碎和极破碎5类；岩体按基本质量(BQ)分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类，同时要考虑地下水，主要软弱结构面产状和初始应力状态对岩体的基本质量指标(BQ)的影响。(2)结构体指岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体。由于各种成因结构面的组合，在岩体中可形成大小、形状不同的结构体。结构体的大小，可用岩体单位体积内的总裂隙(裂隙数/m3)—体积裂隙数Jv来表示。(3)结构面是指存在于岩体中的各种不同成因、不同特征的地质构造形迹界面，如断层、节理、层理、软弱夹层及不整合面等。结构面包括物质分异面及不连续面。是在地质发展的历史中，在岩体内形成的具有不同方向、不同规模、不同形态以及不同特性的面、缝、层、带状的地质界面。按地质成因可把结构面分为原生结构面、构造结构面和次生结构面三类。结构面按破裂面的受力类型又可分为剪性结构面和张性结构面两类。结构面的特征包括结构面的规模、形态、物质组成、延展性、密集程度、张开度和充填胶结特征等，它们对结构面的物理力学性质有很大的影响。

69(4)岩体结构是指岩体中结构面与结构体的组合形式，它包括结构面和结构体两个要素。结构面是指存在于岩体中的各种不同成因、不同特征的地质构造形迹界面，如断层、节理、层理、软弱夹层及不整合面等。结构体是指岩体被结构面切割后形成的岩石块体。岩体结构包括整体结构、块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构等。(5)软弱结构面，又称不连续面，指岩体中延伸较远、两壁较平滑、充填有一定厚度软弱物质的层面，如软弱夹层、泥化夹层、片理、劈理、节理、断层破碎带等。坚硬岩体的工程地质性质，严格受其中软弱面的强度、延展性、方向性、组合关系及密度等所控制。软弱夹层指岩体中夹有强度很低或被泥化、软化、破碎的薄层。(6)岩体的破坏方式与破坏机制与受力条件及岩体的结构特征有关。一般当岩体结构类型不同时，其破坏方式也不同。岩体的破坏方式主要有4种：脆性崩塌破裂、整体滑动破坏、局部剪切破坏、基底隆起鼓胀破坏四种。正确判断岩体破坏失稳的型式，是进行岩体稳定分析的基础。(7)岩体的变形通常包括结构面变形和结构体变形两部分。由于岩体结构类型的不同，实际的岩体应力-应变曲线不同。影响岩体变形性质的因素较多，主要包括组成岩体的岩性、结构面发育特征及荷载条件，试件尺寸、试验方法和温度等等。(8)岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力，岩体是由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方式(岩体结构)的控制，和岩块一样，也有抗压强度、抗拉强度和剪切强度之分。岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力，称为岩体的剪切强度。通常又可细分为抗剪断强度、抗剪强度和抗切强度三种。岩体的剪切强度主要受结构面、应力状态、岩块性质、风化程度及其含水状态等因素的影响。70(9)岩体的动力学性质是岩体在动荷载作用下所表现出来的性质，包括岩体中弹性波的传播规律及岩体动力变形和强度性质。岩体的动力学特性可以通过波速测试、现场震动试验等方法来测定。(10)水在岩体中的作用包括两个方面：一方面是水对岩石的物理化学作用，在工程上常用岩体的软化系数来表示；另一方面是水与岩体相互耦合作用下的力学效应，包括空隙水压力与渗流动水压力等的力学作用效应。(11)地壳表层的岩石，在太阳辐射、大气、水和生物等风化营力作用下，发生物理和化学的变化，使岩石崩解破碎以致逐渐分解的作用，称为风化作用。根据风化作用的因素和性质可将其分为三种类型：物理风化作用、化学风化作用、生物风化作用。(12)按照岩石风化壳的垂直分带将风化岩分为未风化岩、微风化岩、中等风化岩、强风化岩、全风化岩五类。(13)岩石风化的防治方法主要有：挖除法，抹面法，胶结灌浆法、排水法、挡墙、锚杆注浆及抗滑桩等。只有在进行详细调查研究以后，才能提出切合实际的防止岩石风化的处理措施。(14)岩体中天然应力一般包括自重应力、构造应力、温度应力及流体应力等。在地壳表层，常以自重应力和构造应力为主。(15)目前在国内外最常用的应力量测是水压致裂法、钻孔套心应力解除法和应力恢复法（扁千斤顶法）三种方法。71(16)洞室围岩