第四章岩体的工程地质特性

第四章岩体的工程地质特性第一节岩体的结构特征1.1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。岩体是由结构面和结构体两部分组成。

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。由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面。

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。工程地质之所以要将岩体的结构特征作为重要研究对象，意义如下：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。

1.2岩体结构特征及主要类型

1.2.1结构面的主要类型及特征

结构面的成因分类：原生结构面、构造结构面及浅表生结构面沉积结构面：层理，层面，软弱夹层，不整合面，原假整合面，古冲刷面等。生火成结构面：侵入体与围岩接结触面，岩脉、岩墙接触面，喷出岩构的流线、流面，冷凝节理面变质结构面：片理，片麻理，板劈理，片岩软弱夹层。构节理（X型节理，张节理）造结断层（正断层，逆断层，走滑断层）构面层间错动带，羽状裂隙，破劈理。

浅部卸荷断裂浅结、构重力扩展变形破裂表面生结表卸荷裂隙构部风化裂隙面结风化夹层构泥化夹层面次生夹泥

二、结构面的特征结构面的特征是影响结构面强度及其他性能的重要因素。国际岩石力学学会（ISRM）实验室和野外试验标准化委员会于1978年提出了《岩体不连续面定量描述的建议方法》，规定从方位、间距、延续性、粗糙度、侧壁强度、张开度、充填物、渗流、节理组数、块体大小十个方面进行研究。方位：结构面的产状（走向、倾向、倾角）间距：反映岩体完整程度和块体大小延续性：反映结构面的连通率粗糙度：反映结构面的起伏状况结构面侧壁强度：反映结构面受风化影响的程度张开度：又称隙宽，即裂隙的宽度充填物：不同物质充填对力学特性有显著影响渗流：反映地下水的活动状况节理组数：反映岩体被切割的状况块体大小：可用块度和体积节理数反映三、软弱夹层基本定义：软弱夹层（尤其是泥化夹层）是岩体中非常软弱的结构面，是坝基岩体、边坡岩体和洞室围岩稳定性的制约因素。一般软弱夹层的强度和变形参数：摩擦系数f<0.5；饱和抗压强度Rb≤10MPa；变形模量E0≤1000MPa软弱夹层的分类按成因分类：参照P127的表4-5。按夹层的物质组成分类：长委会建议的分类软岩夹层碎块夹层碎屑夹层泥化夹层软弱夹层的特性：物理力学性质与夹层的物质组成、粘土矿物、颗粒大小、含水量、起伏状况有密切联系。软岩夹层：对于粘粒含量较多的粘土岩，遇水膨胀、崩解；对于可溶岩，遇水溶解。Rc＜15MPa，f’=0.4-0.6，E0＜2000MPa。如边坡稳定碎块夹层：粒径＞2mm的粗碎屑占80%以上，粘粒含量低于10%。面起伏较大，应力应变关系复杂，f’=0.45-0.6，E0=200~1000MPa。如隧洞稳定碎屑夹层：粒径＞2mm的粗碎屑占30～50%以上，2～0.5mm的粗碎屑占30%以上，粘粒占10-30%，f’=0.30-0.45，E0=50~200MPa。如隧洞稳定泥化夹层：w≥wp。具有结构松散、孔隙比大、密度小、含水量大、粘粒含量高、力学特性差的特点，f’=0.45-0.6，E0＜50MPa。如葛洲坝水电站泥化夹层形成的三个基本条件：物质基础：粘土岩类夹层，粘粒含量高，且以蒙脱石为主的粘土矿物。构造作用：完整性被破坏，有利于地下水的运动；矿物颗粒的性质和成分受到破坏。地下水的作用：泥化作用，孔隙水压力作用，溶解作用等。结构面规模等级划分：按其对岩体力学行为所起控制作用，可划分为三个等级，即贯通性宏观软弱面（A类）；显现结构面（B类）；和隐微结构面（C类）。

类型主要特征力学性质代表性结构面A.贯通性宏观结构面连续性好，延伸方向确定，通常具一定厚度与方向破坏岩体的连续性，构成岩体力学性质作用边界，控制岩体变形破坏方向，稳定性计算的边界层面，软弱夹层，断层面或断层破碎带B.显现结构面硬性结构面，随机断续分布，延伸长度米级-数十米，具有统计优势方位破坏岩体的完整性，使岩体力学性质具各向异性特征，影响岩体变形破坏方式各类原生和构造裂隙，表生破裂结构面C.隐微结构面短小闭合，长度从毫米级至厘米级，随机分布可有统计优势方位影响岩块的强度和变形破坏特征岩石的隐微裂隙四、岩体的结构类型按建造特征可将岩体划分为块体状（或整体状）结构、块状结构、层状结构、碎块状结构和散体状结构等类型。

块体状结构：代表岩性均一，无软弱面的岩体，含有的原生结构面具有较强的结合力，间距大于1m。通常出现在厚层的碳酸盐岩、碎屑岩；花岗岩、闪长岩；原生节理不太发育的流纹岩、安山岩、玄武岩、凝灰角砾岩中等。

块体结构：代表岩性较均一，含有2-3组较发育的软弱结构面的岩体，结构面间距1～0.5m。成岩裂隙较发育的厚层砂岩或泥岩，槽状冲刷面发育的河流相砂岩体等沉积岩，原生节理发育的火山岩体等。

层状结构：代表一组连续性好，抗剪性能显著较低的软弱面的岩体，一般岩性不均一。可进一步分为层状（软弱面间距50～30cm），薄层状（间距小于30cm）。还可以据不均一程度划分出软硬相间的互层状结构。

碎块状结构：代表含有多组密集结构面的岩体，岩体被分割成碎块状，以某些动力变质岩为典型，如溪洛渡泡灰岩。另外按岩体的改变程度可划分为完整的、块裂化或板裂化，碎裂化、散体化的等四个等级。第二节岩体的主要力学特性岩石力学指标的用途划分岩石工程类型、岩体工程评价饱和抗压强度≥60MPa60-30MPa＜30MPa＜15MPa岩石类型坚硬岩中硬岩软岩极软岩利用岩石饱和抗压强度划分岩石工程类型岩石力学指标的用途岩体质量分类或洞室围岩类型划分RMR分类：地质力学分类，南非Q分类：隧道围岩质量分类，欧洲国内：如水利水电规范、岩土工程规范，其他部们如铁道、公路、总参、建设部，个人方面有王思敬、陶振宇、杨子文。评价岩体强度利用结构面网络模拟、蒙特卡洛法等岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验获得的参数：变形模量E0、弹性模量Ee变模E0与弹模Ee的经验关系：基本原理：弹性半无限空间的Boussniesq课题。当测点在板内时的计算公式dp式中：E0（

Ee

）-岩体变形模量（弹性模量）；

W0（We

）-岩体的总变形（弹性变形）；p-按承压板单位面积计算的压力；d-承压板的直径；u-泊松比。岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验平硐中试验需满足的边界条件：Boussniesq课题的基本前提是半无限空间，但实际试验时是不可能满足的。一般而言，平硐中试验需满足如下图中的边界条件。硐底位置1.5d1.5d2.0d岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验现场试验设备岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验现场试验加压方式逐级一次循环法（推荐方式）：逐级多次循环法若只要变形模量，则不需卸载；而既要弹性模量、又要变形模量，则每级荷载作用下要进行卸载；若要反映岩体正交各向异性变形特性，可以沿不同方向进行试验，主要有垂直加载和水平加载两种方式。岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验现场试验加压方式岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验现场试验变形稳定判定标准岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验压力～变形曲线与应力～应变关系岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征直线型：坚硬岩体或碎裂岩体，比较均匀，E0=Ee，各级荷载下进行计算均可以。UP岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征上凹型：裂隙岩体、中等质量岩体。若按实际荷载取各点的模量便是该点在曲线上的切线，所以模量是变化的，但通常取各级荷载下计算模量的平均值。UP岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征下凹型：软岩或断层带及岩体质量较差的岩体，同样按实际荷载取各点的模量时是变化的，一般按与实际的荷载（或地应力）相当的点进行取值。UP岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征长尾型：试验所在平硐开挖面上有松弛的岩体，或平硐开挖时间长，已形成松动圈。曲线上后段模量较前段模量大。若要真实反映“原位岩体”的模量，则应将u0→0，即以u0点作为0点进行计算。UPU0岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征折尾型：试验所在平硐开挖后有应力集中（残余应力）或有硬壳层。若要真实反映“原位岩体”的模量，则应将σ0→0，即以σ0点作为0点进行计算。UPP0岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验变形模量或弹性模量的计算公式岩体类型坚硬岩体中硬岩体软岩断层带岩体分类I、IIIIIIVV泊松比u0.24-0.260.27-0.90.30-0.310.32-0.33式中：E0（

Ee

）-岩体变形模量（弹性模量）；

W0（We

）-岩体的总变形（弹性变形）；p-按承压板单位面积计算的压力；d-承压板的直径；u-泊松比。岩体变形测试技术、变形特性及参数取值动力法测岩体动弹性模量动力法或弹性波法（地震法、声波法）基本公式式中：Vp-纵波波速（m/s）；

Vs–横波波速（m/s）；ρ-岩体的密度；u-泊松比。岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值直接根据变形试验测得的E0、Ee作为依据利用波速Vp、Vs获得Ed，建立Ed~Ee关系，并结合E0~Ee关系对于大型水电工程，可以根据某一工程地质单元或某一岩性测试的波速成果建立E0~Vp关系进行分带赋值；对于一般的中小型工程或工程前期阶段，可以利用如下的经验关系对岩体变形模量取值式中：E0–变形模量（GPa）；Vp-纵波波速（km/s）。

岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值举例：李家峡水电站坝基岩体开挖前坝基岩体开挖后式中：E0–变形模量（GPa）；

Vp-硐壁纵波波速（km/s）；r-相关系数。

进一步反映“原位岩体”的变形模量，可以利用硐壁波速与穿透波速之间的关系，建立新的关系岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值举例：李家峡水电站岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值举例：李家峡水电站岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值根据岩石、岩体的优劣，利用饱和抗压强度Rb获得E0（野外所取得的岩石要能充分反映不同部位或不同工程地质单元的特性），而Rb也可以通过与点荷载试验获得强度之间的关系获得式中：E0–变形模量（GPa）；Rb-饱和抗压强度（MPa）；注：当Rb＜15MPa时，不适用。岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值根据岩体质量获得E0岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数——泊松比u的取值岩体变形模量E0≥20GPa10-20GPa5-10GPa2-5GPa0.2-2GPa泊松比u≤0.240.24-0.260.26-0.280.28-0.300.30-0.33岩体变形参数的用途理论计算或数值分析中重要力学参数之一广义虎克定律其中：G=E/2(1+u)岩体变形参数的用途利用波速比Vpm/Vr划分岩体风化带新鲜岩石的波速Vr可以用坝址区（或场址区）新鲜岩体中测得最高波速来代替；Vpm为不同风化带中测试的岩体波速；水利水电工程地质勘察规范（1999）划分标准见表岩体风化分带全风化强风化弱风化微风化新鲜Vpm/Vr0.25-0.40.4-0.60.6-0.80.8-1.01.0岩体变形参数的用途岩体分类岩体分类中把用变形模量E0作为一个非常重要的参考指标岩体质量分级IIIIIIIVV变形模量E0（GPa）≥2010-205-102-50.2-2岩体变形参数的用途利用V2pm/V2r划分岩体完整性完整性系数的定义：岩体完整程度完整较完整完整性差较破碎破碎Kv1-0.750.75-0.450.45-0.250.25-0.1＜0.1岩体变形参数的用途利用波速Vp划分岩体结构岩体结构整体块状块状结构层状结构碎裂结构散体结构Vp(km/s)＞5.05.0-4.04.0-3.03.5-2.0＜2.0Vp采用值5.0以上4.53.52.751.5岩体变形参数的用途利用波速Vp或完整性系数Kv了解岩石质量指标RQD。完整性系数Kv与岩石质量指标RQD

的关系：波速Vp与岩石质量指标RQD

的关系可以利用Kv~Vp的关系，并结合Kv~RQD关系。二、岩体的流变特性流变性：材料在外部条件不变的情况下，应力或应变（变形）随时间而变化的性质。包括蠕变和松弛。蠕变：材料在应力不变的情况下，应变（变形）随时间持续而逐渐增长的性质。松弛：材料在应变（变形）不变的情况下，应力随时间持续而逐渐减小的性质。岩体中具有明显流变性的有：软弱岩石、软弱夹层、碎裂及散体结构岩体。典型蠕变曲线的特征初始蠕变阶段：变形速率随时间减小，又称阻尼蠕变阶段。等速蠕变阶段：变形缓慢平稳，应变随时间呈近乎等速增长。加速蠕变阶段：变形速率加快直到岩体破坏。三、岩体的强度性质岩石、结构面和岩体强度的对应关系岩体抗剪强度包络线变化范围1-结构面强度包络线；2-岩块强度包络线；3-岩体强度包络线变化范围（一）平直光滑无充填结构面（二）粗糙起伏无充填结构面对于规则锯齿状结构面爬坡效应：由上式可知，在正应力较低时，锯齿状起伏结构面的抗剪强度，随起伏角I的增加而加大，即所谓的爬坡效应。在正应力较大时，则由锯齿的岩石强度所决定，如下式对于非规则结构面（Barton，1973） 式中,τs-剪切应力,σn-法向应力,JRC-节理粗糙系数（粗糙度常划分为10级,JRC的变化范围在0~20之间）,JCS-节理壁抗压强度（可用回弹仪在现场直接测定）,b-岩石基本内摩擦角（可用经验数据或在现场进行结构面的滑动或推拉试验测得,其与节理的残余内摩擦角jres接近,在很多情况下,尤其对于坚硬岩体中的未风化节理,设b=jres是可以接受的）。对于非规则结构面（Barton，1973）在稳定性分析中,常常需要确定等效内聚力和内摩擦角。这可以通过Barton的剪切准则的外包络曲线获得。对于某一应力状态下的瞬态摩擦角可以通过下式求得(Hoek,1995) 同样应力状态下的瞬态内聚力可以通过下式确定 在给定应力范围内获得一系列的(τs,σn)后,进行回归分析同样可以获得节理的等效内聚力和内摩擦角。（三）有充填物结构面的抗剪强度有充填物结构面的抗剪强度，主要取决于充填物的成分、结构、厚度及充填程度等。充填物的成分和粒度不同，结构面的强度也不同。一般结构面的强度随充填物中粘土含量增加而降低，随碎屑成分粒度加大而增加。结构面的抗剪强度，一般还随充填物厚度增加而降低。一般随充填度增加结构面的强度逐渐降低，当充填物的厚度t大于起伏差h后，充填物逐渐起控制作用。（t/h称充填度）第三节岩体的天然应力状态一、岩体应力的组成天然应力（naturalstress）自重应力（gravitationalstress）与上覆厚度有关构造应力（tectonicstress）：与构造活动有关变异应力（alteredstress）：与岩体的物理化学改变和岩浆侵入有关残余应力（residualstress）：与卸荷有关感生应力（inducedstress）：与开挖支护等有关天然应力的理论计算：静水应力式的观点、垂直应力为主的观点和水平应力为主的观点。最早且引用最多的是瑞士地质学家Heim（1912）提出的假定，即地壳岩体某点的垂直地应力为其上覆岩体厚度的积分形式Zyxhσvσhσh设岩体为完全弹性体，水平地应力可写为式中：σv-垂直地应力；σh-水平地应力；ρ-岩石密度；g-重力加速度；h-上覆岩体厚度；γ-岩石容重；μ-泊松比。二、天然应力分布的规律岩体中存在三向不等的空间应力场；水平应力与垂直应力的关系表明：地壳表部岩体以水平应力为主；垂直地应力随深度而增加(据G.Herget,1988)水平地应力随深度而增加(据G.Herget,1988)水平应力和垂直应力之比σH/σV与埋深H的关系（据Hoek和Brown，1980）水平应力具有强烈的方向性，这与构造活动具有方向性有关；河谷地区地应力场的特征表明，受浅表生改造作用，天然应力场发生了重分布，且在峡谷底部有明显的应力集中现象。地应力测点平面分布位置图主应力随深度的关系三、地应力研究的工程意义基坑底部的隆起、剥离破坏基坑边坡的剪切滑移地下洞室产生大的收敛变形地下洞室施工过程中产生岩爆第四节岩体的工程分类

工程应用分类是以岩体稳定性或岩体质量评价为基础的分类。为综合性分类，目前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）。通常有:RMR(宾尼亚斯基分类，Bieniawski);

巴顿的Q分类;谷德振的岩体质量指标Z系统分类（1979）。(见表1-3。)

分类方案岩体质量指标计算公式及方法参数RMR系统RMR=A+B+C+D+E+F

和差综合法（并联系统）（T.Bieniawski,1973)A—岩石强度（点荷载.单轴压)分数15—0B—RQD(岩石质量指标）分数20—3D—不连续面性状（粗糙—夹泥）分数30—0C—不连续面间距（>2m—<3m)分数20—5E—地下水（干燥—流动）分数15—0F—不连续面产状条件（很好—很差）分数0—-12等级划分I很好RMR100—81II好RMR80—61III中等RMR60—41IV差RMR40—21V很差RMR<=20RSR系统RSR=A+B+C

和差综合法（并联系统）（G.Wickham,1974)A—地质（岩石类型：按三大岩类由硬质至破碎划分四个等级。构造由整体—强烈断裂褶皱分为四等），分数30—6B—节理裂隙特征（按整体至极密集分为6个等级，按走向倾角与掘进方向关系折减）分数45—7C—地下水（无至大量）分数25—6RSR的变化范围25—100Q系统Q=RQD/Jn

.Jr/Ja

.Jw/SRF乘积法串联