岩体力学-第三章 岩体综合调查及岩体分类

1３.１岩体综合调查方法钻孔取心调查和沿暴露面调查：沿露天边坡和地下坑道壁面进行，包括岩体构造（结构面），地下水，岩体和不连续面风化情况，节理岩块的强度，壁面回弹值。岩体结构分类岩体工程分类第三章岩体综合调查及岩体分类2钻孔取心调查计算节理密度，间距，岩心采取率或岩石质量指标等，表示不连续面分布特征和岩体完整性。沿暴露面调查在露天边坡和地下坑道壁面进行。包括岩体构造，地下水，岩体和不连续面风化情况，节理岩块的强度，壁面回弹值等等。岩体构造调查主要对岩体中结构面，特别是不连续面的组数，密度，产状持续性，起伏度和粗糙度等进行统计和分布规律。地下水调查是统计地下水的赋存情况以涌水，流水，侵水点的位置及分析地下水的分布。岩体和不连续面的风化情况调查是对岩体和不连续面分化程度进行鉴定和统计分析。结构面特征：层理面(Bedding),沉积成岩过程中形成的结构面,不整合面(Unformity),是老岩层的分化剥蚀面和新岩层的底面，是一种不连续面,断层(Fault),节理(Joint),劈理(Cleavage).不连续面的风化程度：肉眼鉴定不连续面充填物和两壁岩石风化程度，壁面回弹值判别，点荷载强度测量结构面产状示意图34结构面的空间分布规律赤平极射投影作结构面极点分布图，发现优势结构面组，优势结构面为产状相近的结构面汇合；相对应的为零散结构面。结构面空间分布和结构体稳定性分析常用赤平极射投影和实体比例投影。赤平极射投影：将空间直线和平面几何关系转化为平面图形。空间的平面和直线都可以经过平移，使其通过投影球的球心，作出其赤平极射投影图。化空间为平面。通过Ｎ级和Ｓ级发出射线将下半球面或上半球面上的点和线投影到赤道平面上。水平面的定义：5赤平极射投影(Stereographicprojection)：投影球：赤平面：其南(S’)北(N’)东(E)西(W)，SN’垂直与纸面。球面投影：赤平极射投影：将空间直线和平面几何关系转化为平面图形。上半球投影（Ｓ级）：平面的走向、倾向（相对与Ｎ级）和倾角（相对于水平面）6吴氏投影吴氏投影：从Ｓ极向上半球面Ａ点发出射线，该射线与赤平面的交点Ｃ，即为Ａ点的吴氏投影。赤平面为其投影平面，吴氏投影具有等角度性，又叫等角投影。赤平面的南北东西分别为三S、N、E、W。南北垂直纸面。空间的平面和直线都可以经过平移，使其通过投影球的球心，１.过球心的斜平面投影经过球心的水平面其投影圆弧与基圆重合；经过球心的直立平面其投影为一条直线；经过球心的斜平面其投影为一圆弧；平面的走向用投影圆弦与北极的方向角表示；平面的倾角用距离表示：用基圆直径线上投影圆弧的顶点到基圆圆周的距离表示，叫角距。２.不通过球心的水平面投影３.不经过球心的直立平面投影４经过球心的直线投影作出其赤平极射投影图，化空间为平面分析空间几何要素的关系。78作结构面的产状投影1.几何作图法正立面图水平面图9作结构面的产状投影1.几何作图法几何作图法步骤

１.作任意投影圆，标明N、S、W、E

２.从N极开始顺时针作大小等于倾向角度方位角，连OF线；

3.作OF线的垂线，即为结构面与投影面交线

４.在Ｆ点同侧，以交线为一边作大小等于倾角的角，交OF于Ｐ点，为投影圆弧的圆心作投影圆弧。10吴氏经纬网：经线代表一系列过球心的斜平面赤平投影大圆弧，其走向南北，倾向东西，倾角为0-90度。纬线代表一系列不经过球心的直立平面的赤平极射投影小圆弧，走向东西。吴氏经纬网的角距(angulardistance)：表示在经线所代表的平面内两条过球心的相交直线的夹角(重点理解，有助于学习结构面交角的作法)吴氏经纬网应用：1.作结构面的投影圆弧和结构面的极点，2.很方便的作出两条相交结构面的交线的投影及其产状，3.两相交结构面的夹角。11作结构面的产状投影１.借助经纬网a.作基圆标出N、S、W、E，与经纬网上的N、S、W、E重合；b.从N极开始顺时针作大小等于倾向角度方位角，连OF线；c.OF线与ＷＥ线重合，作倾角总结为：二次重合二次量角度12步骤：１.作两结构面的投影圆弧，得到其相交线的投影为Ｋ点２.该Ｋ点为两结构面的公垂面的极点，据此可以作出公垂面的投影圆弧，与两结构面相交与Ｋ１、Ｋ２。３.借助经纬网量出Ｋ１、Ｋ２点之间的角距代表的角度，即为两结构面的相交角度借助经纬网作两结构面的相交角课堂思考题：试比较作结构面的产状投影的方法优点和缺点？借助经纬网方法和几何作图法13施氏子午纬度圈网：子午线代表一系列过球心的直立平面赤平投影纬度圈代表一系列不经过球心的水平面的赤平极射投影小圆．施氏子午纬度圈网的角距：子午线所在平面内过球心的两直线交角用极点表示的平面的倾角施氏投影14子午线表示平面或直线的倾向，纬度圈表示直线或平面法线倾角。平面和直线在子午纬度圈网中的投影就是一个点。施氏子午纬度圈网应用：作结构面的极点。将一定范围内岩体中的数百条结构面，按照各自产状绘制其极点确定优势结构面组施氏投影施氏投影1516子午纬度圈17子午纬度圈角距18用施氏子午纬度圈网进行结构面统计分析１.施氏子午纬度圈网编制结构面的极点图(用不同符号表示不同结构面)２.根据结构面极点图绘制极点等密图极点等密图：在极点图基础上，采用一种计数网格或密度计，将相邻的每个计数单元内的极点数记录在计数单元的中心，从而形成极点计数图。绘制方法：a.等面积方格网和密度计编制极点计数图；包括中心密度计和边缘密度计；中心密度计用于统计基圆内完整小圆内中的极点数；边缘密度计用于统计基圆周边附近残缺小圆内的极点数b.丹尼斯计数网编制极点计数图c.绘制极点等密线图或者极点等密图３.分析极点等密图，寻找优势结构面绘制优势结构面组分析对于工程稳定性分析有重要意义。19结构面间距的统计规律１.结构面间距：分为真间距（两条结构面之间的垂直距离）和视在间距（沿着测线两条相邻结构面之间的间距）。优势结构面组的间距统计分析规律:岩体内的结构面的间距服从一定的统计规律，结构面的间距均大致服从负指数分布。岩石质量指标ＲＱＤ(rockqualitydesignation):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，以百分比表示。

各优势结构面间距在形成结构体块度上起着关键作用，在岩体工程爆破块度和自然崩落法采矿中矿体可崩性以及原始块度分析中具有重要作用。20岩体结构分类（依据《岩土工程勘察规范》）岩体结构单元

：不连续面(discontinuityplane)和结构体称为岩体的两种结构单元(structurecell)。

岩体结构：岩体中的结构单元的组合(combination)和排列(arrange）形式叫做岩体结构。“组合”是指不同类型结构单元在岩体中的搭配关系；“排列”是指结构单元的排列有序或无序，结构面的贯通(runthrough)或断续(spiccato)特征。根据不连续面的发育情况，岩体结构分为整体状结构，

块体结构，

层状结构，

碎裂结构,散体状结构.21表3－4岩体结构分类表（引自《岩土工程勘察规范》（GB50021-94,1995）岩体结构类型岩体地质类

型主要结构体形

状结构面发育情况岩土工程特征可能发生的岩土工程问题整体状结

构均质巨块状岩浆岩、变质岩、巨厚层沉积岩、正变岩质岩巨块状以原生构造节理为主，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于1.5m，一般不超过1～2组，无危险结构面组成的落石掉块整体性强度高，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体不稳定的结构体的局部滑落或坍塌，深埋洞室的岩爆块状结构厚层状沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩块状柱状只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，裂隙结构面间距0.7～1.5m，一般为2～3组，有少量分离体岩体整体强度高，结构体面

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及中厚层状沉积岩、副变质岩层状板状透镜体有层理、片理、节理，常有层间错动面接近均一的各向异性体，其变形及强度特征受层面及岩层组合控制，可视为弹塑性体，稳定性较差不稳定结构体可能产生滑塌，特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形碎裂结构构造影响严重的破碎岩层碎块状

断层、断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育，裂隙结构面间距0.25～0.5m，一般在3组以上，由许多分离体形成。完整性破坏较大，整体强度很低，并受断层等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质，稳定性很差易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳散体状结

构构造影剧烈的断层破碎带，强风化带，全风化带碎屑状颗粒状断层破碎带交叉，构造及风化裂隙密集，结构面及组合错综复杂，并多充填粘性土，形成许多大小不一的分离岩块完整性遭到极大破坏，稳定性极差，岩体属性接近松散体介质易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳22岩体工程分类：目的：岩体工程分类是对影响岩体工程设计、施工和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行综合评价，划分出不同的级别或类别。它是对岩体的综合评价，是解决岩体工程中各种力学问题的一项基础性工作.岩体工程分类与岩体结构分类的区别?岩体工程分类考虑的因素？１.岩石强度：２.岩体完整性：可用结构面频率(frequency)，间距(spacing)，岩心采取率，岩石质量指标ＲＱＤ以及完整性系数表示。23３.不连续面条件：４.岩体及不连续面的风化蚀变程度：岩体分化程度越高，岩体越破碎，其力学特性越差。不连续面分化程度越高，岩体强度越低。５.地下水情况６.允许暴露面面积，不支护自稳时间，建议支护类型24常用的几种岩体质量评价方法（一）蒂尔的岩石质量指标分类(Deere,1968)岩石质量指标（RQD）、

RQD的岩体分类RQD岩体质量(0～25)％

很不好(25～50)％

不好(50～75)％较好(75～90)％

好(90～100)％很好25（二）宾尼亚夫斯基的节理地质力学分类(Bieniawski，1973,1976)提出一种岩体分级系统（RockMassRatingsystem，RMR）完整岩石强度（单轴抗压强度和点载荷强度指标(pointloadstrengthindex)）、岩石质量指标（RQD）、节理间距、节理条件及地下水影响等方面的因素

26RMR节理岩体地质力学分类单项参数及评分1参数数值变动范围完整岩石强度（Mpa）点荷载强度指标

104－102-41-2对于这种低值范围最好是进行单轴抗压试验单轴抗压强度

250100－25050－10025－505－251－5

1评分1512742102岩石质量指标（％）90－10075－9050－7525－50

25评分201713833节理间距

2m0.6－2m200－600mm60－200mm

60mm评分201510854节理条件（另见表3.8）非常粗糙不连续面未张开壁面未风化轻微粗糙张开小于1mm壁面轻微风化轻微粗糙张开小于1mm壁面高度风化光滑面或断层泥小于5mm或张开1－5mm软弱的，断层泥大于5mm或张开大于5mm评分3025201005地下水每米隧道的涌水量（升/分）无

1010－2525－125125节理水压/最大主应力0

0.10.1－0.20.2－0.5

0.5一般情况完全干燥潮湿湿滴水流水评分1510740注：本表中某些条件是互相排斥的。例如，如果有充填表物存在，由于断层泥的影响，表面粗糙度就不重要了。27根据总分确定岩体分类总

分100～8180～6160～4140～21<20分类号12345说

明很好的岩体好的岩体一般岩体差的岩体很差的岩体

考虑不支护隧道的自稳时间

分

类

号12345平均自稳时间15米跨度20年10米跨度1年5米跨度1周2.5米跨度10小时1米跨度30分钟岩体内聚力(千帕)>400300～400200～300100～200<100岩体内摩擦角>45°35°～45°25°～35°15°～25°<15°28综合了RQD、节理组数、节理面粗糙度、节理面蚀变程度、裂隙水及地应力的影响等六个方面的因素（三）巴顿等人的岩体分类（Bartonetal，1974）29Jn节理组数影响表节

理

发

育

情

况Jn值备

注A.整体的,没有或很少有节理

0.5～1B.一组节理

2C.1～2组节理3D.2组节理4E.2～3组节理6F.3组节理9对交叉点取3.0×

G.3～4组节理12H.4～5组节理,岩体被多组节理切割成块15对洞

口取2.0×

I.压碎岩石,似土类岩石2030Jr节理组数影响表节理面粗糙度情况Jn值备

注(a)节理面直接接触;(b)剪切时当剪切变形<100cm,岩壁接触A.不连续节理4B.粗糙而不规则的起伏节理3C.光滑,但是起伏的节理2D.光滑,但具起伏的节理1.5E.平坦且粗糙,或不规则节理1.5F.光滑平直节理1G.平直且光滑的节理

0.5H.节理面间充填有不能使节理面直接接触的连续粘土矿物

1.0I.节理面间充填有不能使节理面直接接触的砂.砾石或挤压破碎带1.031Ja理蚀变程度影响表节

理

蚀

变

程

度

Ja

(近似值)(a)节

理

直

接

接

触

A.坚硬的,半软弱的经过处理而紧密且不具透水充填物的节理(如石英或绿廉石充填)0.75B.节理面未产生蚀变,仅少数表面稍有变化1.025°～30°C.轻微蚀变的节理,表面为半软弱矿物所复盖,具砂质微粒,风化岩土等2.025°～30°D.节理为粉质粘土或砂质粘土复盖,少量粘土,半软弱岩复盖3.020°～35°E.有软弱的或低摩擦角的粘土矿物复盖在节理面(如高岭石,云母,绿泥石,滑石,石膏等)或含少量膨胀性粘土(不连续复盖,厚度约1～2m或更薄)的节理面4.08°～16°(b)当剪切变形<10cm时,节理面直接接触F.砂质微粒,岩石风化物充填

425°～30°G.紧密固结的半软弱粘土矿物充填(连续的或厚度小于5mm)616°～34°H.中等或轻微固结的粘土矿物充填(连续的或厚度小于5mm)812°～16°J.膨胀性粘土充填,如连续分布的厚度小于5mm的蒙脱石充填时

值取决于膨胀性颗粒所占百分比,以及水的渗透情况8～126°～12°(C)剪切后,节理面不再直接接触

K.L.M.破碎带夹层或挤压破碎带岩石和粘土(对各种粘土状态的说明见G.或H.J)6～8或8～126°～24°N.粉质或砂质粘土及少量粘土(半软弱)5Q.P.R.厚的连续分布的粘土带或夹层(粘土状态说明见G.H.J)10、13或13～206°～24°32Jw裂隙水影响表裂

隙

水

情

况Jw近似的水压力(kg／cm)A.开挖时干燥,或有少量水入渗,即只有局部渗入,渗水量小于5升／分1.0小于1.0B.中等入渗,或充填物偶然受水压冲击0.661.0～2.5C.大量渗入,或为高水压,节理未充填0.52.5～10D.大量入渗,或高水压,节理充填物被大量带走0.332.5～10E.异常大的入渗,或具有很高的水压,但水压随时间衰减0.1～0.2大于10F.异常大的入渗,或具有很高且持续的无显著衰减的水压0.05～0.1大于1033(a)当隧道的交岔点开挖在软弱带上时,开挖后可能引起岩体疏松S.R.FA.含有粘土或化学风化岩石的软弱带多次出现,周围岩石非常疏松(处于任何深度部位)10B.含有粘土或化学风化岩的单一软弱带,开挖深度≤50m5C.含有粘土或化学风化岩的单一软弱带,开挖深度>50m2.5D.在坚硬岩石中,多次出现剪切带,周围岩石疏松7.5E.坚硬岩石中,具有单一剪切带(中间夹少量粘土),开挖深度≤50m5.0F.坚硬岩石中,具有单一剪切带(中间夹少量粘土),开挖深度>50m2.5G.疏松张节理,形成节理组很多,多呈方块状(处于任何深度部位)5(b)坚硬岩石.岩石应力问题бc(抗压强度)/б1(最大主应力)бt(抗拉强度)б1(最大主应)H.低应力,靠近地表

>200>132.5J.中等应力

10～2000.66～131.0K.高应力