第5章 岩体工程地质特征

第五章岩体的工程地质特征第一节岩体的结构特征第二节岩体的主要力学特性第三节岩体的天然应力状态第四节岩体的工程分类第一节岩体的结构特征岩体是由结构面和结构体两部分组成的。结构面也称不连续面，切割岩体的各种地质界面统称为结构面。如层面、沉积间断面、节理、断层等，也包括厚度较薄的软弱夹层。结构面将岩体切割成不同形状和大小的块体，这些被结构面所围限的岩块称为结构体。岩体的结构特征，就是指岩体中结构面和结构体的形状、规模、性质及其组合关系的特征。

岩体结构示意图一、结构面的成因类型1)原生结构面

(1)沉积结构面沉积岩的层理、层面、沉积间断面及沉积软弱夹层等都属于沉积结构面。(2)火成结构面岩浆侵入、喷溢及冷凝过程中形成的结构面，如流层、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软弱接触面等。(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呈定向排列。重结晶结构面主要有片理和片麻理等。玄武岩的原生柱状裂隙沉积岩的层间裂隙2)次生结构面(1)内动力形成的结构面包括节理、劈理、断层、层间剪切带等，也称构造结构面。

(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，其共同特点是只分布在地表或地表以下数十米的范围内。构造裂隙卸荷裂隙次生缝隙：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。剪节理（剪切裂隙）2.结构面的特征(1)规模：结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。规模小者延展仅数十厘米或数十米，甚至可以是很微小的不连续裂隙。(2)方位：即结构面的产状。(3)间距：系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。(4)延续性：它是表征结构面延伸长度和展布范围的指标。(5)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。

二、结构体的形状体积节理数Jv是单位体积通过的总节理数(裂隙数/m3)。根据体积节理数，可对块体大小进行分类，见表。岩石块体大小分类块体描述巨型块体大块体中等块体小块体碎块体体积节理数(裂隙数/m3)<11~33~1010~30>30三、软弱夹层软弱夹层是指在坚硬的层状岩层中夹有强度低、泥质或炭质含量高、遇水易软化、延伸较广和厚度较薄的软弱岩层。包括：岩块岩屑型、岩屑夹泥型、泥夹岩屑型及泥型（GB50287-99,附录D)等。泥化夹层的形成条件：物质基础、构造作用、地下水的作用。四、岩体结构类型岩体结构类型示意图《港口工程地质勘察规范》的岩体结构分类方案：整体状结构、块状结构、层状结构、碎裂状结构、散体结构等。不同结构类型岩体的破坏方式整体，层状，块状，破碎工程规模与岩体结构类型的关系第二节岩体的主要力学特性一、岩体的变形特征单轴压缩条件下岩石变形特征（变形阶段划分）

1）第一变形阶段为图中OA段曲线，属于微裂隙压密阶段;2）第二变形阶段为图中AB段曲线，属于弹性变形阶段;3）第三变形阶段为图中BC段曲线，属于初级膨胀阶段;4）第四变形阶段为图中CD段曲线，属于破坏阶段;5）第五变形阶段为图中DE段曲线，属于峰值后的变形与破坏阶段。变形指标：变形模量E0、静弹性模量Ee、动弹性模量Ed。岩石、岩体的应力－应变曲线岩石强调的是其本身的岩性和物理、化学特征，而岩体强调的是在地质环境下岩石作为地质体的特征，如岩石性质、地质构造、强度、含水情况等等，包含的研究内容比岩石更广塑性和脆性岩体的破坏曲线二、岩体的流变特征蠕变：指在应力一定的条件下,变形随时间的持续而逐渐增长的现象；

岩石在地质条件下的蠕变可以产生相当大的变形而所需要的应力却不一定很大。如回填土、软土、粘土等。

应力不变松弛：变形保持一定时，应力随时间的增长而逐渐减小的现象。

应变不变。

三、岩体结构面的抗剪强度1.平直光滑无充填结构面的抗剪强度

τ=σtanφ2.粗糙起伏无充填结构面的抗剪强度(1)

当法向应力较小时,存在所谓的爬坡效应

τ=σtan(φb+i)式中:

φb为结构面的基本摩擦角,i为齿面的起伏角。(2)

当法向应力较大时,将剪断锯齿

τ=σtanφ+c

内摩擦力粘聚力（摩擦力）土中有水时：σ=σ-u由上两式相等,可求得剪断时的法向应力:

σT=c/[tan(φb+i)-tanφ]第三节岩体的天然应力状态地应力，也叫初始应力，指工程施工前存在于岩体中的应力。一、天然应力的组成１.自重应力;２.构造应力：由构造运动产生的地应力;3.剩余应力（风化剥蚀后）及变异应力等。二、天然应力的分布规律1.三向不等空间应力场；2.水平应力与垂直应力的关系；3.水平应力的方向性；4.河谷地区应力场。河谷地区地应力场（二滩水电站附近）三、地应力的测量方法1.应力解除法和应力恢复法测地应力布置图

(1)应力恢复法

是在岩体表面或地下洞室围岩表面预先布置好测量元件，当其旁边开槽解除岩体中的应力时，测量元件读数发生变化。再把平面扁千斤顶放入槽内加压，使测量元件恢复到原来状态，此时千斤顶的应力就是垂直槽壁方向的应力。

(2)水压致裂法（应力解除法）

是在钻孔内用两个可膨胀的橡胶封隔器将钻孔的试验段隔离开来，施加水压，通过测量(在试验水平面)岩石的裂隙产生传播、保持和重新开裂所需的水压力，来确定垂直于钻孔平面最大、最小主应力的方法。这种方法是目前在深孔内能确定岩体应力的唯一的一种技术。试验中根据破裂压力Pb、重张压力Pr、关闭压力Ps等确定岩石应力四、地应力研究的工程意义1.基坑底部的隆起、剥离破坏；2.基坑边坡的剪切滑移；3.地下洞室产生大的收敛变形；4.地下洞室施工过程中产生岩爆；5.边坡的倾倒变形；6.对坝型选择的影响第四节岩体的工程分类一、岩石质量指标RQD分类岩石质量指标RQD（RockQualityDesignation）是以修正的岩心采取率来确定的。岩心采取率就是采取岩心长度与钻孔长度之比。而RQD即修正的岩心采取率是选用坚固完整的、其长度等于或大于10cm的岩心长度与钻孔长度之比，并用百分数表示。根据岩石质量指标RQD，可分为很好的（RQD>90）、好的（RQD＝75～90）、一般的（RQD＝50～75）、差的（RQD＝25～50）和很差的（RQD<25）。迪尔（Deere,1964）根据金刚石钻进的岩芯采取率，提出用RQD值来评价岩体质量的优劣。二、《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）中的工程岩体分级方案

岩石坚硬程度分类

坚硬程度坚硬岩较硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度（MPa）

fr>6060≥fr>3030≥fr>1515≥fr>5fr≤5岩体完整程度分类

注：完整性指数为岩体压缩波速度与岩块压缩波速度之比的平方，选定岩体和岩块测定波速时，应注意其代表性。完整程度

完整较完整

较破碎破碎极破碎完整性指数（KV）>0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15<0.15三、工程岩体分级标准

在确定了岩石的坚硬程度、岩体完整程度之后，先按定量划分方法确定的参数，计算岩体基本质量指标（BQ），其计算公式如下

BQ＝90＋3R