岩体的力学性能及分类

岩体的力学性能及分类第1页/共84页§4-1结构面、结构体、岩体§4-2岩体的结构§4-3岩体的强度§4-4岩体破坏机理及破坏判据§4-5岩体的变形特性§4-6岩体质量评价及其分类本章内容：第2页/共84页授课学时：4本章重点难点：

1、岩体结构；

2、岩体的强度特征

3、岩体的破坏机理

4、岩体分类。关键术语：岩体结构，岩体强度，准岩体强度；岩体变形，岩石RQD质量指标；完整性系数；岩石坚固性系数第3页/共84页

要求：1、掌握本课程重点难点内容；2、了解几种有代表性的岩体分类方法；3、了解我国工程岩体分级标准（GB50218－94）。第4页/共84页§4-1结构面、结构体、岩体结构面：是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界面，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、不整合面等。结构体：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为结构体（岩石）。岩体：结构面和结构体的地质统一体。第5页/共84页

一、结构体的大小

按规模结构体可分为：

I级结构体：由I级结构面切割成的结构体(地质体)。II级结构体：由I级结构体经II级结构面切割而成的结构体(山体)。III级结构体：II级结构体再经III级结构面切割而成的结构体。IV级结构体：III级结构体再经IV级结构面切割而成的结构体（完整岩石或岩块）。第6页/共84页

二、结构体的块度

结构体的块度通常指最小结构体的尺寸。在岩体工程稳定性分析中，结构体的块度决定了岩体工程围岩的破坏方式，从而决定了支护和加固方法。在开挖过程中结构体的块度影响施工及临时支护。第7页/共84页

二、结构体的形状1、板状结构体：2、柱状结构体：3、锥形结构体：

结构体的形状与岩石类型有关；与区域构造运动强度有关；与工程围岩的破坏方式有关。第8页/共84页§4-2岩体的结构

岩体的结构是指岩体中结构面和结构体的形态和组合特征。按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩体结构划分为以下几种基本类型：岩体结构整体结构层状结构块状结构碎裂结构散体结构镶嵌结构层状碎裂结构碎裂结构第9页/共84页1、整体结构

岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥，层面结合良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺寸大于工程尺寸。完整性系数>0.75结构面间距>1.5m岩土工程特征：整体性强度高，岩体稳定，可视为均质、各向同性的连续介质。第10页/共84页2、块状结构节理发育，有若干软弱夹层或贯通微张裂隙将岩体切割成柱状、块状或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上节理明显发育，构成影响工程稳定性的危险岩块，其尺寸小于工程几何尺寸。完整性系数0.35～0.75结构面间距0.7～1.5m岩土工程特征：整体性强度高，结构面相互牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体。第11页/共84页3、层状结构

由中厚（0.25～0.5m）及薄层（<0.25m）的均一、坚硬、软弱或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成的岩体。结构面以层理、片理、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状互相紧密叠合。完整性系数：层状0.3～0.6;薄层状<0.4结构面间距：层状0.25～0.5m；薄层状<0.25m岩土工程特征：工程范围内，一组节理明显发育，在层内具有均一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连续介质。其变形和强度特征受层面及岩层组合控制，岩体稳定性较差。第12页/共84页4、碎裂结构

构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填。岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条块状岩石，属不均一的不连续介质，稳定性很差。

岩体完整性系数

结构面间距

镶嵌结构<0.36<0.5m

层状碎裂结构<0.4<0.5m

破碎结构<0.3<0.5m第13页/共84页5、散体结构

主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结构面相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层泥，呈松散堆积或压密堆积。完整性系数：<0.2

岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体介质。第14页/共84页§4-3岩体的强度

一、岩体强度特征岩体的强度取决于结构面的强度和岩石的强度。1、岩体的抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和岩石强度包络线之间。第15页/共84页2、岩体强度的各向异性

岩体强度受加载方向与结构面夹角θ的控制，因此，表现出岩体强度的各向异性。第16页/共84页石墨片岩在三向压缩下强度随加载方向的变化。第17页/共84页岩体中只有一组结构面：(1).当σ1与结构面垂直，岩体强度与结构面无关，为岩石强度；(2).当θ＝450－φj/2，岩体将沿结构面破坏，其强度为结构面强度；(3).当σ1与结构面平行，结构面的抗拉强度小，岩体将因结构面的横向扩展而破坏。第18页/共84页岩体中有多组结构面：岩体的强度图像将为各单组结构面岩体强度图像的叠加，如图中阴影部分。如果结构面分布均匀、且强度大体相同时，则岩体表现出各向同性的特性，但强度却大大削弱了。第19页/共84页二、岩体强度的测定（现场测试）1、岩体单向抗压强度和准岩体强度（1）单向抗压强度σc试件:边长(0.5～1.5）m，高度不小于边长的立方块。式中:P—试件破坏时的作用力，N;A—试件横截面面积，m2。第20页/共84页(2)、

准岩体强度完整性系数K：式中：V岩体、V岩石分别为弹性波在岩体和岩石中传播的纵波速度。准岩体抗压强度:σcm=Kσc准岩体抗拉强度:σtm=Kσt式中：σc、σt为岩石试件的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。第21页/共84页2、岩体抗剪强度现场测定（1）双千斤顶法式中：σ、τ—试件剪切面上的正应力和剪应力；F—试件剪切面面积；N—法向力；Q—斜向力；α—横向推力与剪切面的夹角，通常为150。第22页/共84页

(2)单千斤顶法

现场无法施加垂直荷载的情况下采用单千斤顶法。第23页/共84页3、现场三轴强度试验试件尺寸：2.8m×1.4m×2.8m,一般

h>2a,矩形截面.加压装置：千斤顶，应力枕。第24页/共84页§4-4

岩体破坏机理及破坏判据

一、岩体破坏的概念岩体在一定的应力条件下丧失其结构联结为岩体破坏（丧失承载力和稳定性）。岩体在结构丧失之后的运动称为岩体工程结构的破坏（影响工程使用、报废）。工程岩体破坏可分为两个阶段：1、岩体结构联结的丧失，包括结构面开裂、错动或滑移，结构体拉伸破坏或剪切破坏；2、结构体运动。如边坡滑动、倾倒、滚石、采场冒顶等。第25页/共84页二、岩体破坏机理（一）拉伸破坏1、垂直结构面方向的拉伸破坏。

2、沿结构面方向的拉伸破坏。3、完整岩体的拉伸破坏。第26页/共84页二、岩体破坏机理（二）剪切破坏1、沿结构面的剪切破坏（取决于结构面的强度）2、切穿结构面的剪切破坏（取决于岩石的强度）第27页/共84页临空面临空面第28页/共84页三岩体破坏判据1、耶格尔判据：耶格尔提出岩体沿结构面剪切破坏的条件。节理面极限应力平衡方程：（1）当节理面倾角β满足β1≤β≤β2,且φj

<β

<π/2时，节理才会对岩体产生影响，这时岩体的强度取决于节理的强度；（2）β＝450＋φj/2时，岩体强度最低，其莫尔圆直径最小。（3）当β<β1或β>β2时，岩体强度与节理无关，取决于岩石的强度。第29页/共84页耶格尔判据第30页/共84页如图，围压σ3=c增加，即c1>c2,岩体的强度随之增大。第31页/共84页2、霍克－布朗经验判据式中:σc——完整岩石单轴抗压强度；mb——霍克－布朗常数；s，α——取决于岩体特征的常数，对于完整岩石，s=1,α=0.5。第32页/共84页§4-5

岩体的变形特性

一、岩体的单轴和三轴压缩变形特性1、现场岩体的单轴和三轴压缩试验的应力－应变全过程曲线第33页/共84页2、典型的岩体应力－应变全过程曲线4个阶段：（1）裂隙压密阶段（OA）：曲线上凹（2）弹性变形阶段（AB）:呈直线（3）塑性变形阶段（BC）：曲线下凹（4）破坏后阶段（CD）：残余强度σD峰值强度σC第34页/共84页3、岩体变形曲线的基本形式（1）直线型：坚硬、完整无裂隙岩体直线型下凹型上凹型S型（2）下凹型：节理裂隙发育，泥质充填，岩性软弱（3）上凹型：坚硬但裂隙发育，多呈张开而无充填物其它形式可看成是这三种形式的组合，如S型。第35页/共84页4、岩石与岩体的应力－应变曲线第36页/共84页二、岩体剪切变形特征岩体的剪切变形是许多岩体工程特别是边坡工程中最常见的变形模式。

在屈服点以下，变形曲线与压缩变形相似。屈服点以后，岩体内某个结构面和结构体可能首先被剪坏，随之出现一次应力降，峰值前可能出现多次应力降。当应力增加到一定程度，没被剪坏部位以瞬间破坏的方式出现，并伴有一次大的应力降，然后可能产生稳定滑移。第37页/共84页三、岩体各向异性变形特征1、特征：垂直层面方向岩体变形模量E⊥明显小于平行层面方向岩体的变形模量E∥

。(a)垂直层面加力(b)平行层面加力第38页/共84页2、变形机制不同：3、构成岩体变形各向异性的两个基本要素：（1）物质成分和物质结构的方向性（2）结构面的方向性（1）垂直层面的压缩变形量主要是由岩块和结构面（软弱夹层）压密汇集而成；层状岩体不仅开裂层面压缩变形量大，而且在成岩过程中，由于沉积规律的变化，层面出现在矿物连结力弱、致密度低的部位，这是垂直层面方向压缩变形量大的另一个原因。（2）平行层面方向的压缩变形量主要是岩块和少量结构面错动而成。第39页/共84页四、原位岩体变形参数测定

常用的静力法有：承压板试验（千斤顶荷载试验）、径向荷载试验、水压法等。目的：测定岩体的变形指标E、μ，测定σ－ε关系。岩体现场变形试验方法：静力法、动力法（弹性波测量法）第40页/共84页1、表面承压板试验(1)试验装置由四部分组成：垫板（承压板）、加荷装置（千斤顶或压力枕）、传力装置（传力支柱、传力柱垫板）、变形测量装置（测微计）第41页/共84页采用何种加荷方式，可根据岩体结构和工程要求而定。完整岩体：可采用大循环加荷方式，以确定岩体在不同荷载下的变形特性；多裂隙岩体：可采用多循环或单循环加荷方式，以了解各种结构面对岩体变形的影响。（2）加荷方式第42页/共84页设垫板总变形（位移）量为W0,其中弹性变形量为We,塑性变形量为Wp,则岩体的变形指标：式中：p—受荷面单位面积上的压力；b—承压板直径或边长;ω与承压板形状和刚度有关的系数，方形板为0.88，圆形板为0.79；μ岩体泊松比。岩体变形模量：岩体弹性模量：第43页/共84页2、钻孔承压板法表面承压板法测得的岩体变形模量偏低，这是由于工程岩体表面附近岩体大多发生了不同程度的松动。为了排除松动的影响，开始采用孔底承压板法测定岩体变形模量。测定结果表明：孔底承压板法测得的原位岩体变形参数比表面承压板试验测定值高很多，甚至高达10余倍。第44页/共84页岩体动弹性模量Ed的测定：采用小量药包爆炸激发地震波，在距震源一定距离设置检波器，检测弹性波。根据弹性波波速算出动弹性模量Ed和动泊松比μd。式中：vp,,vs纵波波速和横波波速，ρ为岩体密度。一般而言：Ed>Ee,μd>μ。第45页/共84页§4-6岩体质量评价及其分类

岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、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评价，划分出不同的的级别或类别。分类的目的：为岩体工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。按分类目的，可分为综合性和专题性两种；按其所涉及的因素多少，可分为单因素分类法和多因素分类法两种。第46页/共84页一、工程岩体分类的参考影响因素1、岩石的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。2、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。可用结构面频率(裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标RQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。3、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。第47页/共84页一、工程岩体分类的参考影响因素4、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体越破碎，强度越低。5、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水压力等。6、地应力。地应力难于测定，它对工程的影响程度也难于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。第48页/共84页二、几种有代表性的工程岩体分类方法式中：Rc——岩石单轴抗压强度，Mpaf≥20为1级，最坚固；f≤0.3为第10级，最软弱。优点：形式简单，使用方便。缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影响，故不能准确评价岩体的稳定性。1、普氏分类法以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏坚固性系数f将岩石分为十级。f值越大，岩体越稳定。第49页/共84页2、岩石单轴抗压强度分类我国工程界按岩石单轴抗压强度将岩体分为四类：

类别

岩石单轴抗压强度

σc(Mpa)坚固性

Ⅰ250~160特坚固

Ⅱ160~100坚固

Ⅲ100~40次坚固

Ⅳ<40软岩第50页/共84页3、按岩体完整性系数Kv（龟裂系数）分类式中：Vpm、Vpr—岩体、岩石弹性纵波速度（m/s)。Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎第51页/共84页4、按岩芯质量指标（RQD）分类蒂尔（Deer,1968)提出根据钻探时岩芯完好程度来判断岩体的质量，对岩体分类。式中：li—所取岩芯中≥10cm长度的岩芯段的长度；

L—钻进岩芯的总程度，m。RQD（％）0～2525~5050~7575~9090～100等级ⅠⅡⅢⅣⅤ分类很差差较好良好很好第52页/共84页5、以弹性波速度分类第53页/共84页6、宾尼奥夫斯基节理岩体地质力学分类（RMR分级系统）宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)提出的分类指标RMR(RockMassRating)，由下列6种指标组成：（1）岩块强度(R1)

（2）RQD值(R2)（3）节理间距(R3)（4）节理条件(R4)（5）地下水(R5)

（6）节理方向对工程的影响的修正参数（R6）

即：第54页/共84页（1）对应岩石强度的岩体评分值R1

点荷载指标（Mpa）

岩石单轴抗压强度Rc(Mpa)评分值>10>250154~8100~250122~450~10071~225~504不采用5~252不采用1~51不采用<10第55页/共84页（2）对应于岩芯质量指标的岩体评分值R2RQD（％）91～10076~9051~7526~50

<25评分值20171383（3）对应于最有影响的节理组间距的岩体评分值R3节理间距（m）>31~30.3~10.05~0.3<0.05评分值302520105第56页/共84页（4）对于节理状态的岩体评分值R4

说明评分值尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁25略粗糙的表面、张开度<1mm，硬岩壁20略粗糙的表面、张开度<1mm，软岩壁12光滑表面；由断层泥充填厚度为1～5mm；张开度1～5mm，节理延伸超过数米6由厚度>5mm的断层泥充填的张开节理;张开度>5mm的节理，延伸超过数米0第57页/共84页（5）取决于地下水状态的岩体评分值R5每米隧道的涌水量（L/min）节理水压力与最大主应力的比值总的状态评分值无0完全干燥15<10<0.1潮湿1010～250.1～0.2湿725～1250.2～0.5有中等压力水，滴水4>125>0.5有严重地下水问题，流水0第58页/共84页（6）节理方位对RMR的修正值R6方位对工程的影响评价隧道地基边坡很有利000有利－2－2－5一般－5－7－25不利－10－15－50很不利－12－25第59页/共84页（7）节理走向与倾角对隧道掘进的影响节理走向垂直于隧道轴线节理走向平行于隧道轴线倾角00～200顺倾向掘进逆倾向掘进倾角450～900200～450450～900200～450450～900200～450不考虑走向很有利有利一般不利很不利一般一般第60页/共84页根据总分确定岩体分级

类别

岩体描述岩体评分值RMR

Ⅰ很好81~100

Ⅱ好61~80

Ⅲ较好41~60Ⅳ较差21~40Ⅴ很差0~20第61页/共84页岩体分级的意义考虑不支护隧道的自稳时间分类号ⅠⅡⅢⅣⅤ平均自稳时间15m跨，20年10m跨，1年5m跨，1星期2.5m跨，10h1m跨，30min岩体的内聚力(kPa)>400300~400200~300100~200

<100岩体内摩擦角>450350~450250~350150~250

<150该分类法已得到比较广泛的应用。第62页/共84页7、巴顿岩体质量（Q）分类

挪威巴顿（Barton）等人于1974年根据隧道工程的调查，提出一个用6个参数表达的岩体质量指标Q，作为岩体质量分类的依据。式中：RQD——岩石质量指标；Jn——节理组数评分；Jr——节理面粗糙度评分；Jw——按裂隙水条件评分；Ja——节理蚀变程度评分；SRF——按地应力影响评分（应力折减系数）。Q反映了岩体质量的三个方面：为岩体的完整性；表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度；表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。第63页/共84页（1）节理组数影响（Jn)第64页/共84页（2）节理粗糙度影响（Jr)第65页/共84页（3）节理蚀变程度影响（Ja)第66页/共84页（4）裂隙水影响（Ja)第67页/共84页（5）地应力影响（SRF)

第68页/共84页地下开挖当量直径：根据Q值，可将岩体分为9类，如图：第69页/共84页

Q分类法考虑的地质因素较全面，而且把定性分析与定量评价结合起来了，软硬岩均适用，在处理极软弱的岩层中推荐采用此分类法。宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)在大量实测统计的基础上，发现Q值与RMR值之间具有如下条件关系：第70页/共84页

三、我国工程岩体分级标准（GB50218-94)1、工程岩体分级的基本方法（1）确定岩体基本质量

《标准》认为岩石的坚硬程度和岩体完整程度决定岩体的基本质量。岩体基本质量好，则稳定性好；反之，稳定性差。第71页/共84页A、采用饱和岩石单轴抗压强度σC划分岩石坚硬程度σ

C

(Mpa)>6060~3030~1515~5

<5坚硬程度坚硬较坚硬较软岩软岩极软岩σC与点荷载强度指数的关系：是指直径50mm圆柱试件径向加压时的点荷载强度。第72页/共84页

B、采用完整性系数Kv划分岩体完整程度Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎Jv<33~1010~2020~35>35Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15岩体体积节理数Jv(条/m3)：式中：Sn——第n组节理每米长测线上节理的条数；

Sk——每立方米岩体非成组节理条数。

Jv与Kv的对照关系：第73页/共84页（2）岩体基本质量分级A、岩体基本质量指标（BQ)的计算注意：当σC>90Kv+30时，应以σC=90Kv+30代入上式计算Q值；当Kv>0.04σC+0.4时，应以Kv=0.04σC+0.4代入上式计算Q值；式中：BQ——岩体基本质量指标；

σC——岩石饱和单轴抗压强度(Mpa);Kv——岩体完整性系数。第74页/共84页B、按BQ值进行岩体基本质量分级基本质量级别岩体基本质量定性特征岩体基本质量指标(BQ)Ⅰ坚硬岩，岩体完整；>550Ⅱ坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整；550~451Ⅲ坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整；450~351Ⅳ坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎～破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整～较破碎；软岩，岩体完整～较完整；350~251Ⅴ较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎～破碎；全部极软岩及全部极破碎岩；<250第75页/共84页（3）基本质量指标BQ值的修正结合工程具有情况，对BQ进行修正，修正值[BQ]按下式计算：[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)式中：K1——地下水影响修正系数；K2——主要软弱结构面产状影响修正系数；

K3——初始应力状态修正系数。第76页/共84页（A）地下水影响修正系数K1地下水出水状态

BQ>450450~351350~251<250潮湿或点滴出水

0

0.10.2～0.30.4～0.6淋雨状或涌流状出水，水压≤0.1MPa或单位出水量≤10L/(min.m)

0.10.2～0.30.4～0.60.7～0.9淋雨状或涌流状出水，水压＞0.1MPa或单位出水量＞

10L/(min.m)

0.20.4～0.60.7～0.9

1.0第77页/共84页（B）主要软弱结构面产状影响修正系数K2结构面产状及其与洞轴线的组合关系结构面走向与洞轴线的夹角<300结构面倾角300～750结构面走向与洞轴线的夹角>600结构面倾角>750其它组合K20.4~0.60~0.20.2~0.4第78页/共8