岩土体的工程性质

岩土体的工程性质第一页，共五十七页，2022年，8月28日一、岩土体的物质组成矿物+颗粒联结1岩土体：是非均质、各向异性、厚度不等，具有一定次序并含有一定结构的多层岩土层，且存在于一定的地下水、温度及应力场环境中的地质体。2岩体与土体共性：

a.都为矿物集合体;b.有固相、液相和气相组成的多相体系;c.相互转化：土---成岩作用---岩石；岩石--风化作用---土;

第一节

岩土体的物质组成与性质第二页，共五十七页，2022年，8月28日3岩体与土体差别：

a.结构形式

岩石——存在断层、节理、裂隙等结构面;

土——一般是连续;

b.连结形式

岩石--结晶连结、胶结连结--硬连结;

土--无连结、水连结或水胶连结等;

c.力学性质

岩石比土具有强度高、不易变形及整体性和抗水性好，但缺陷是存在断层、节理等构造面;

d.地应力

岩体--有较高地应力;

土体—自重应力状态;

第一节

岩土体的物质组成与性质第三页，共五十七页，2022年，8月28日

第一节

岩土体的物质组成与性质二、工程地质性质1土体：

不是各土层性质的叠加而是相互影响淤泥、砂土液化、欠固结、特殊土2岩体：

结构起控制作用第四页，共五十七页，2022年，8月28日第二节

工程地质岩组岩土工程地质类型划分--联合国教科文组织（UNESCO）和国际工程地质协会（IAEG）

1划分:

工程地质单元

工程地质类型（ET）、岩石类型（LT）、岩石综合体（LC)、工程地质岩组(LS)

a.ET--精度高，物理状态和岩性均匀.

b.LT--包含不同ET其成分、结构和构造是均匀的,但物理状态不均匀,存在一定范围.

c.LC--一组发育在特定古地理和地质构造条件下的成因相关的LT组成,空间分布均一,物理状态不同.

d.LS--在相似的古地理构造条件下形成,具有共同的岩性性质和一般的均匀性.第五页，共五十七页，2022年，8月28日2.目的:研究对比和量化计算3.原则:A)精度有高到低

B)必须以实际资料为前提4依据:A)地层形成时代及顺序

B)岩石成因类型、岩性及岩相变化

C)岩石的物质组成及组织结构

D)成层条件及厚度变化

E)岩层的原生结构面标志

F)岩石的物理力学性质第二节

工程地质岩组第六页，共五十七页，2022年，8月28日划分举例第七页，共五十七页，2022年，8月28日第三节

岩体结构及其工程性质一、基本概念

1结构面:指发育于岩体中，具有一定方向和延伸性,有一定厚度的各种地质界面,如断层、节理、层理及不整合面等.由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面。

2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.

第八页，共五十七页，2022年，8月28日3岩体在地质历史过程中形成的,具有一定的岩石成分和一定结构,并赋存于一定地应力状态的地质环境中的地质体。

4岩体结构结构面和结构体的排列与组合形成。包括结构面和结构体两个要素。第三节

岩体结构及其工程性质第九页，共五十七页，2022年，8月28日二、岩体结构特征1结构面的特征及性质(1)类型结构面的成因分类：原生结构面、构造结构面、次生结构面（解释）(2)特征

a.结构面的产状结构面的产状与最大主应力作用线方向之间的关系控制着岩体的破坏机理，进而控制着岩体的强度。第三节

岩体结构及其工程性质第十页，共五十七页，2022年，8月28日成因类型地质类型主要特征工程地质评价

产

状分

布性

质原生结构面沉积结构面1.层理层面2.软弱夹层3.不整合面假整合面4.沉积间断面一般与岩层产状一致，为层间结构面

海相岩层中此类结构面分布稳定。陆相岩层中呈交错状，易尖灭

层面、软弱夹层等结构面较为平整；不整合面及沉积间断面多由碎屑泥质物构成且不平国内外较大的坝基滑动及滑坡很多由此类结构面所造成的。如奥斯汀、圣佛兰西靳，马尔巴赛坝的破坏．瓦依昂坝附近的巨大滑坡

岩浆结构面

1.侵入体与围岩接触面2.岩脉、岩墙接触面3.原生冷凝节理岩脉受构造结构面控制．而原生节理受岩体接触面控制接触面延伸较远，比较稳定而原生节理往往短小密集与围岩接触面可具熔合及破坏两种不同的特征。原生节理一般为张裂面，较粗糙不平

一般不造成大规模的岩体破坏．但有时与构造断裂配合．也可形成岩体的滑移，如有的坝肩局部滑移

变质结构面1.片理2.片岩软弱夹层产状与岩层或构造方向一致片理短小，分布极密．片岩软弱夹层延展较远，具固定层次结构面光滑平直．片理在岩层深部往往闭合成隐蔽结构面，片岩、软弱夹层、岩片状矿物．呈鳞片状变质较浅的沉积岩，如千枚岩等路堑边坡常见塌方。片岩夹层有时对工程及地下洞体稳定也有影响构造结构面1.节理（X型节理，张节理）2.断层（正断层，逆断层，走滑断层）3.层间错动带4.羽状裂隙劈理

产状与构造线呈一定关系，层间带动与岩层一致张性断裂较短小,剪切断裂延展较远，压性断裂规模巨大．但有时为横断层切割成不连续状张性断裂不平整，常具次生充填．呈锯齿状，剪切断裂较平直．具羽状裂晾，压性断层具多种构造岩，成带状分布，往往含断层泥、糜棱岩

对岩体稳定影响很大．在上述许多岩体破坏过程中．大都有构造结构面的配合作用．此外常造成边坡及地下工程的塌方、冒顶次生结构面1.卸荷裂隙2.风化裂隙3.风化夹层4.泥化夹层5.次生夹泥受地形及原结构面控制分布上往往呈不连续状，透镜体，延展性差，且主要在地表风化带内发育一般为泥质物充填，水理性质很差

在天然及人工边坡上造成危害，有时对坝基，坝肩及浅埋隧洞等工程亦有影响，但一般在施工中予以清基处理第十一页，共五十七页，2022年，8月28日如上图：

β-结构面与最大主应力的夹角

(a)β为锐角,岩体将沿结构面产生滑动破坏

(b)β为直角,表现为切过结构面，产生剪断、岩体破坏

(c)β为0度,平行结构而的劈裂拉张破坏第三节

岩体结构及其工程性质第十二页，共五十七页，2022年，8月28日b.结构面连续性连续性反映结构面的贯通程度．常用线连续性系数和面连续性系数表示.

线连续系数(K):K=Σa/Σb;

其中:Σa---各结构面长度之和;Σb---完整岩石各段长度之和;

K变化在0—1之间．

K值愈大，说明结构面连续性愈好；当K＝1时．说明结构面完全贯通.

第三节

岩体结构及其工程性质第十三页，共五十七页，2022年，8月28日c.结构面的密度密度反映结构面发育的密集程度．常用间距、线密度等指标表示。线密度(Kd)是指结构面法线方向上单位测线长度交切结构面的条数(条/m)；间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面之间的平均距离。两者互为倒数关系.即

Kd=1/d

结构面的密度决定了岩体的完整性和岩块的块度。一般来说．结构面发育愈密集，岩体的完整性愈差，岩块块度愈小．进而导致岩体的力学性质变差．渗透性增强.第三节

岩体结构及其工程性质第十四页，共五十七页，2022年，8月28日d.结构面的形态

结构面的形态可从侧壁的起伏形态和粗糙度两方面来进行研究.

结构面侧壁的起伏形态可分为：平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的几种，见下图。而侧壁的起伏程度则可用起伏角(i)表示如下:

i=arctg(2δ/L)

第三节

岩体结构及其工程性质第十五页，共五十七页，2022年，8月28日结构面侧壁的起伏形态第十六页，共五十七页，2022年，8月28日侧壁的起伏程度第十七页，共五十七页，2022年，8月28日

结构面的粗糙度可用粗糙度系数(JRC)表示:

它可以增加结构面的摩擦角．进而提高了岩体的强度。据结构面的粗糙程度可将粗糙度系数（JRC）分为10级。在实际工作中，可用剖面仪测出所研究结构面的粗糙剖面、然后与标准剖面进行比较，即可求得结构面的粗糙度系数(JRC).结构面粗糙度第十八页，共五十七页，2022年，8月28日e.结构面的张开度

结构面两壁之间，一般不是最紧密接触，而是点接触或局部接触.

结构面的张开度是指结构面两壁间的平均距离．常以毫米为单位.

第三节

岩体结构及其工程性质第十九页，共五十七页，2022年，8月28日f.结构面的充填胶结特征

结构面经胶结后，力学性质有所改善。改善的程度因胶结物成分不同而异，铁硅质胶结的强度最高，泥质及易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差.

未胶结且具一定张开度的结构面，其力学性质取决于充填物成分、厚度、含水性及壁岩性质等。就充填物成分来说以砂质、角砾质力学性质最好．粘土质、易溶盐类性质最差.第三节

岩体结构及其工程性质第二十页，共五十七页，2022年，8月28日g.结构面的分级及其特征

按结构面的规模及其力学效应，可将结构面划分为5级级序

分级依据力学效应力学属性地质构造特征Ⅰ级

结构面延展长，几公里至几十公里以上贯通岩体，破碎带宽度达数至数十米1.形成岩体力学作用边界2.岩体变形和破坏的控制条件3.构成独立的力学介质单元1.属于软弱结构面2.构成独立的力学模型—一软弱夹层较大的断层

Ⅱ级延展规模与研究的岩体相关，破碎带宽度比较窄，几厘米至数米1.形成块裂岩体边界2.控制岩体变形和破坏方式3.构成次级地应力场边界

属于软弱结构面

小断层层间错动面Ⅲ级延长度短,从十几米至几十米,无破碎带,面内不夹泥,有的具有泥膜1.参与块裂岩体切割2.构成次级地应力场边界少数属于软弱结构面不夹泥大节理或小断层开裂的层面Ⅳ级延展短、未错动、不夹泥,有的呈弱结合状态1.是岩体力学性质、结构效应的基础2.有的为次级地应力边界节理劈理层面次生裂隙Ⅴ级结构面小，且连续性差1.岩体内形成应力集中

2.岩体力学性质、结构效应的基础不连续的小节理隐节理层面片理面第二十一页，共五十七页，2022年，8月28日（3)软弱夹层

a.定义:指岩体中那些性质软弱、有一定厚度的软弱结构面或软弱带,具有高压缩性和低强度的特征.

b.特征:

(a)由原岩的超固结胶结式结构，变成了泥质散体结构或泥质定向结构；

(b)粘粒含量较原岩增多并达一定含量；

(c)含水量接近或超过塑限．密度比原岩小；

(d)常具一定的膨胀性；

(e)力学强度比原岩大为降低．压缩性较大；

(f)由于结构松散，因而抗冲刷能力低.在渗透水流作用下，易产生渗透变形.第三节

岩体结构及其工程性质第二十二页，共五十七页，2022年，8月28日2结构体特征及性质

(1)特征

可用其规模、形态及其产状进行描述

a.按不同级别结构面对岩岩体的切割，可将结构体划分为4级。

Ⅰ级结构体——地质体或称断块体

Ⅱ级结构体——岩块

Ⅲ级结构体——块体

Ⅳ级结构体——山体

第三节

岩体结构及其工程性质第二十三页，共五十七页，2022年，8月28日b.基本形状有柱状、块状、板状、楔形、锥形、菱形等。一般来说其稳定程度，板状结构体比柱状、块状的差。而楔状的比菱形及锥状的差.

c.产状一般用结构体表面上最大结构面的长轴方向表示，平卧的板状结构体比竖直的板状结构体对岩体稳定性的影响要大—些.

第三节

岩体结构及其工程性质第二十四页，共五十七页，2022年，8月28日3岩体结构类型划分

为了概括地反映岩体结构面和结构体的成因、特征及其排列组合关系．将岩体结构划分为4大类和8个亚类如下表所示：第三节

岩体结构及其工程性质第二十五页，共五十七页，2022年，8月28日结构类型

地

质

背

景结构面特征结构体形态类亚

类整体块状结构

Ⅰ整体结构（Ⅰ1）岩性单一，构造变形轻微的巨厚层沉积岩、变质岩和火成岩体结构面少．一般不超过3组．延展性极差．多闭合．无充填或夹少量碎屑巨型块状块状结构（Ⅰ2）岩性单一，构造变形轻一中等的厚层沉积岩、变质岩和火成岩体结构面—般2—3组，面多闭合，层间有一定的结合力各种形状的块状层状结构

Ⅱ

层状结构（Ⅱ1）构造变形轻一中等的中一厚层的层状岩体以层面、片理、节理为主．延展性较好。一般有2-3组．层间结合力较差

厚板状，块状、柱状薄层状结构（Ⅱ2）同Ⅱ1但厚度小(<30cm)，在构造作用下表现为相对强烈褶曲和层间错动层理、片理发育．原生软弱夹层层间错动和小断层不时出现。结构面多为泥胶、碎屑和泥质物充填。—般结合力差板状或薄板状碎裂结构

Ⅲ镶嵌结构

（Ⅲ1）一般发育于脆硬岩层，节理，劈理组数多，密度大以节理、劈理等小结构面为主组数多，密度大，但延展性差，闭合无充填或夹少量碎屑形态、大小不—棱角显著。层状碎裂结构

（Ⅲ2）软硬相间的岩石组合．井常有近于平行的软弱破碎带存在软弱夹层和各种成因类型的破碎带发育，大致平行分布，以构造节理等小型结构面为主

以碎块状和板柱状为主碎裂结构(Ⅲ3)岩性复杂，构造破碎强烈；弱风化带各类结构面皆发育，彼此交切多被充填结构面光滑度不等，形态不同碎屑和大小、形态不同的岩块

散体结构

Ⅳ

构造破碎带及剧一强风化带节理，劈理密集．破碎带呈块夹泥或泥包块的松软状态泥、岩粉，碎屑、碎块，碎片等第二十六页，共五十七页，2022年，8月28日第三节

岩体结构及其工程性质三、岩体工程性质1岩体变形性质

(1)结构面的变形特性

a.法向变形特性（对比试验）

在同一岩体中．取一块不含结构面的完整岩块试件和一块含结构面的岩石试件。然后，分别对这两块试件进行单向压缩试验，可得到如图。设不含结构面试件的法向变形为△Vr，含结构面试件的法向变形为△Vt，则结构面的闭合变形△Vj为：

△Vj=△Vt-△Vr

应力-应变曲线上某点的切线斜率定义为结构面的法向刚度（Kn），它是反映结构面法向变形性质的主要参数。第二十七页，共五十七页，2022年，8月28日第二十八页，共五十七页，2022年，8月28日b.剪切变形特征

结构面的剪切变形有两种基本类型：

一类为塑性变形型．如泥化夹层、光滑平直的破裂面等一般具这类变形特征；

另—类为脆性变形.σn-△Vj曲线有明显的峰值点和应力降。当应力降于—定值后趋于稳定。不再随位移变化而变化。如粗糙结构面等常具这种变形特征。

把剪力-应变曲线上某点的切线斜率定义为结构面的剪切刚度(Ks)．它是反映结构面剪切变形性质的主要参数。第三节

岩体结构及其工程性质第二十九页，共五十七页，2022年，8月28日第三十页，共五十七页，2022年，8月28日(2)岩体变形参数的确定及变形曲线类型

a.承压板法

试验一般在平巷中进行。利用巷道顶板作反力，以油压千斤顶施加压力．通过刚性承压板将压力传至底部平直光滑的岩面上．用百分表测量岩体变形值。按下式计算．即

式中：Em为岩体的变形模量(MPa)；

W为岩体的变形量(cm)；

P为承压板单位面积上的压力(MPa)；

D为承压板直径或边长(cm)；

μ为岩体的泊松比；

ω为与承压板刚度和形状有关的系数，圆形板取0.79、方形板取0.88.第三节

岩体结构及其工程性质第三十一页，共五十七页，2022年，8月28日b.钻孔变形法

利用钻孔膨胀计对一定长度的孔壁施加均匀压力，同时测量孔壁的径向变形。利用下式计算岩体的变形模量和弹性模量，即

式中：δ为岩体的径向变形(cm)；

p为计算压力，等于试验压力与初始压力之差(MPa)；

d为实测点的钻孔直径(cm)；其余符号意义同前.第三节

岩体结构及其工程性质第三十二页，共五十七页，2022年，8月28日c.声波法

通过测量岩体中纵波和横波的传播速度，来确定其变形参数，即

或

式中：Emd为岩体的动弹性模量(GPa)；

μd为岩体的动泊松比;

Gmd为岩体的动剪切模量(GPa)ρ为岩体的密度(g／cm2);vp为纵波速度(m／s);vs为横波速度(m／s).第三节

岩体结构及其工程性质第三十三页，共五十七页，2022年，8月28日第三十四页，共五十七页，2022年，8月28日(3)节理化岩体变形模量的估算

比尼卫斯基根据岩体变形模量实测资料，并用CSIR分类法对岩体进行了分类．建立了如下的统计关系：

当RMR≥55时，

Em=2RMR-100

当RMR<55时，

Em=10((RMR-100)/40)

式中:Em为岩体的变形模量(GPa)；

RMR为CSIR分类求得的岩体质量评分值.第三节

岩体结构及其工程性质第三十五页，共五十七页，2022年，8月28日第三节

岩体结构及其工程性质2、岩体的强度性质岩体是由各种不同形态的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形式的控制。一般情况下．岩体的强度既不等于岩块的强度．也不等于结构面的强度，而是两者共同影响表现出来的强度。本节主要讨论结构面与岩体的剪切强度及岩体的抗压强度.第三十六页，共五十七页，2022年，8月28日1）结构面的剪切强度

根据结构面的形态、连续性、充填情况及力学性质，可将结构面分为平直光滑无充填的、粗糙起伏无充填的、非贯通断续的及软弱充填的等4类。各类结构面的剪切强度分述如下:

a.平直光滑无充填结构面的剪切强度

这类结构面以光滑破裂面及磨光面为代表，是摩擦剪切作用的产物，其剪切强度接近于人工磨光面的摩擦强度。设剪切强度为τ，则

τ=σ·tgФi

式中：σ为法向应力；Фi为结构面的摩擦角.第三节

岩体结构及其工程性质第三十七页，共五十七页，2022年，8月28日b粗糙起伏无充填结构面的剪切强度

这类结构面的基本持点是具有起伏度．当法向应力较小时．剪切过程中可引起上滑效应(又称剪胀效应)；当法向应力达到一定值时，凸起面被剪断。帕顿(Patton，1966)理想化石膏模型试验：

假定结构面为规则的锯齿形，起伏角为i．起伏差为δ，受法向应力σ和剪应力τ作用，则当法向应力较低时，剪切应力为：

τ=σ·tg(Фi+i);

当法向应力较高时，剪切应力为：

τ=Cb+tgФb;

其中，Cb和Фb分别为结构面凸起部分岩石的内聚力和内摩擦角。第三节

岩体结构及其工程性质第三十八页，共五十七页，2022年，8月28日

剪断结构面凸起部分的条件

σT=Cb/(tan(Фj+i)-tanФb);

结构面起伏形态不规则的粗糙面，巴顿(Barton，1977)根据大量试验资料得出：

τ=σtan(JRC*log(JCS/σ)+Фb);

其中，JRC为粗糙度系数,可通过实测的结构同粗糙剖面与标准剖面对比求得；JCS为结构面壁岩的抗压强度,可用回弹仪测定；Фb为结构面的基本摩擦角；σ为法向应力.第三十九页，共五十七页，2022年，8月28日c非贯通断续结构面的剪切强度这类结构面的剪切强度由各段结构面剪切强度和非贯通段(岩桥)岩石的剪断强度两部分组成。因此，整个结构面的强度取决于结构面和岩块性质以及结构面的连续性，即

式中：Cj、Cm分别为结构面和岩石的内聚力；Фj、Фm分别为结构面和岩石的内摩擦角；K1为结构面的线连续性系数.第三节

岩体结构及其工程性质第四十页，共五十七页，2022年，8月28日d具充填的软弱结构面的剪切强度

这类结构面的剪切强度，主要取决于充填物成分、结构、厚度及充填度等情况.

第三节

岩体结构及其工程性质第四十一页，共五十七页，2022年，8月28日

由上图可知，结构面的剪切强度随充填物碎屑含量增加及颗粒变粗而增高，随粘较含量增加而降低。结构面的充填度常用充填物厚度(d)与结构面的起伏差(δ)之比来表示。它对结构面剪切强度的影响表现在强度随充填度(d／δ)增大而降低.第三节

岩体结构及其工程性质第四十二页，共五十七页，2022年，8月28日2）岩体的剪切强度

岩体的剪切强度：岩体中任一方向的剪切面，在一定的法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力。岩体的剪切强度也分为剪断强度、摩擦强度和抗切强度3种.

第三节

岩体结构及其工程性质第四十三页，共五十七页，2022年，8月28日

试验和理论研究都表明：岩体的剪切强度主要受结构面、应力状态、岩性及风化程度等因素控制。在高应力条件下，岩体的剪切强度接近于岩块强度．在低应力条件下，岩体的剪切强度主要受结构面控制。

一般情况下，岩体的剪切强度包络线不一条简单的曲线，而是有一定上、下限的曲线族。下限是结构面的剪切强度，上限是岩块的剪断强度。第三节

岩体结构及其工程性质第四十四页，共五十七页，2022年，8月28日3）节理化岩体强度的估算

由于原位岩体实验费用高周期长，一般情况难以普遍采用。在工程中常对岩体作出合理的估算。下面介绍两种节理化岩体强度的估算方法:

(1)利用单结构面理论估算岩体强度

为了研究节理化岩体的强度，耶格（Jaeger，1960）发展了的单结构面理论，具体如下：若岩体中发育有—组结构面AB，结构面的内聚力为Cj，内摩擦角为φj，则岩体沿结构面AB发生滑动破坏的条件，根据莫尔强度理论为：

第三节

岩体结构及其工程性质第四十五页，共五十七页，2022年，8月28日第四十六页，共五十七页，2022年，8月28日

由上式可知：岩体的强度(σ1-σ3)随β角的变化而变化，当β→90°时或β→Фj时，岩体不可能沿结构面破坏，而只能产生剪断岩块破坏。图中（b）给出这两种破坏的强度包络线。

如果岩体中含有二组以上结构面，且假定各组结构面只有相同的性质时．岩体强度的确定方法是分步运用单结构面理论．分别绘出每一组结构面单独存在时的强度包络线，这些曲线的最小包络线即为含多组结构面岩体的强度包络线。右图为含二组和三组结构面的岩体，在不同条件下的强度包络线。第三节

岩体结构及其工程性质第四十七页，共五十七页，2022年，8月28日第四十八页，共五十七页，2022年，8月28日2)利用霍克-布朗经验强度方程估算岩体强度霍克和布朗于1980年根据岩体性态方面的理论和实践经验，提出了岩块和岩体破坏时的判据为

σ1=σ3

+(mσc+sσc2)(1/2)

（2）

式中：σ1、σ3分别为破坏时最大、最小主应力；σc为岩块的单轴抗压强；m、s为与岩石性质及其结构面待征有关的系数，其值可查表6-8求得。第三节

岩体结构及其工程性质第四十九页，共五十七页，2022年，8月28日第五十页，共五十七页，2022年，8月28日

由上式，分别令σ1＝0和σ3＝0时，则岩体的单轴抗压强度(σmc)和单轴抗拉强度(σmt)分别为

σmc=(sσc2)(1/2)

(3)

σmt=(m-(m2+4s)0.5)/2

(4)

通过有关资料调查后，可以用（2）、（3）、（4）式对岩体强度进行估算.

第三节

岩体结构及其工程性质第五十一页，共五十七页，2022年，8月28日第三节

岩体结构及其工程性质四、岩体的工程分类1目的：

a.对岩体进行归类

b.定性或定量的评价各类岩体质量、工程建筑条件,为工程设计和施工提供地质依据。2主要考虑因素：主要考虑三方面因素的指标：即与岩石工程性质有关的指标（力学性质）、岩体后期改造有关的指标(岩体结构)和岩体赋存条件方面的指标（地下水或地应力）.第五十二页，共五十七页，2022年，8月28日3典型分类主要有RQD、RMR(比尼卫斯基分类，Bieniawski)、巴顿的Q分类。

a.RQD