岩体的工程地质性质及岩体工程分类

第一节第一节 岩体的结构特征岩体的结构特征第二节第二节 岩体的力学性质岩体的力学性质第三节第三节 岩体的工程分类岩体的工程分类岩体的工程地质性质及岩体工程分类岩体的工程地质性质及岩体工程分类一、结构面的成因类型一、结构面的成因类型(一一)地质成因类型地质成因类型v原生结构面原生结构面v构造结构面构造结构面v次生结构面次生结构面(二二)力学成因类型力学成因类型v张性结构面张性结构面v剪性结构面剪性结构面第一节第一节 岩体的结构特征岩体的结构特征结结构构面面岩体结构面的类型及其特征岩体结构面的类型及其特征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，且不平整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、圣弗朗西斯、马尔帕塞坝的破坏，瓦依昂水库附近的巨大滑坡岩浆岩结构面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碎两种不同的特征，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，片岩软弱夹层具片状矿物，呈鳞片状在变质较浅的沉积岩，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（冲断层、捩断层、横断层）3层间错动4羽状裂隙、劈理产状与构造线呈一定关系，层间错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，具羽状裂隙，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次生夹泥层受地形及原结构面控制分布上往往呈不连续状，透镜状，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 (一)地质成因类型1.1.原生结构面原生结构面岩体在成岩过程中形成的结构面。岩体在成岩过程中形成的结构面。沉积结构面沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。岩浆结构面岩浆结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等。生冷凝节理等。变质结构面变质结构面在变质过程中形成，分为残留结构面和重结晶在变质过程中形成，分为残留结构面和重结晶结构面。结构面。2.2.构造结构面构造结构面 是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面，包括断层、节理、劈理和层间错动面等。破裂面，包括断层、节理、劈理和层间错动面等。3.3.次次生生结结构构面面 是是岩岩体体形形成成后后在在外外营营力力作作用用下下产产生生的的结结构构面面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。(二)力学成因类型1、张性结构面是由拉应力形成的，如羽毛状张裂面、纵张及横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等特点：张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎带较宽,易被充填,常含水丰富，导水性强2、剪性结构面是剪应力形成的，破裂面两侧岩体产生相对滑移，如逆断层、平移断层以及多数正断层等。特点：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等。走向、倾向、倾角结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度。（一）结构面的产状n据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极限强度与结构面倾角间的关系为：二、结构面特征及其对岩体力学性质的影响结构面的连续性反映结构面的贯通程度。结构面的连续性反映结构面的贯通程度。1 1、线连续性系数线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各指沿结构面延伸方向，结构面各段长度之和段长度之和(a)a)与测线长度的比值。与测线长度的比值。K K1 1变化在变化在0 01 1之间，之间，K K1 1值愈大说明结构面的连续性愈值愈大说明结构面的连续性愈好，当好，当K K1 11 1时，结构面完全贯通。时，结构面完全贯通。n2 2、面连续性系数：面连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面面指沿结构面延伸方向，结构面面积之和与总面积的比值。积之和与总面积的比值。（二）结构面的连续性结构面连续性分级表 描述迹长（m）很低连续性20v结构面的密度反映结构面发育的密集程度。结构面的密度反映结构面发育的密集程度。v1、线密度线密度(Kd)是指结构面法线方向单位测线长度是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数上交切结构面的条数(条条m)。v2 2、间距间距(d d)则是指同一组结构面法线方向上两相则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。邻结构面的平均距离。KdKd与与d d互为倒数关系互为倒数关系如果测线水平布置，且与结构面法线的夹角为如果测线水平布置，且与结构面法线的夹角为，结构面的倾角为结构面的倾角为时时:（三）结构面的密度结构面间距分级表描述间距（mm）极密集的间距6000用线密度来估算岩体质量指标岩体质量指标RQDRQD(rock quality designation)n岩体质量指标RQD：长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比。结构面的形态可以用侧壁的结构面的形态可以用侧壁的起伏形态起伏形态及及粗糙度粗糙度来反映。来反映。结构面侧壁的结构面侧壁的起伏形态起伏形态分为：分为：平直的、波状的、锯齿状的、平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的。台阶状的和不规则状的。侧壁的起伏程度可用侧壁的起伏程度可用起伏角起伏角(i i)表示。表示。（四）结构面的形态结构面的结构面的粗糙度粗糙度用用粗糙粗糙度系度系JRCJRC(joint(joint roughness roughness coefficient)coefficient)表示。表示。随粗糙度的增大，结构随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。面的摩擦角也增大。根据标准粗糙度剖面将根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划结构面的粗糙度系数划分为分为1010级级。结构面的结构面的张开度张开度是指结构面两壁面间的是指结构面两壁面间的垂直距离。垂直距离。结构面两壁面一般不是紧密接触，使结构面实际接结构面两壁面一般不是紧密接触，使结构面实际接触面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。触面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。如在层流条件下，平直而两壁平行的单个结构面的如在层流条件下，平直而两壁平行的单个结构面的渗透系数渗透系数(K Kf f)可表达为：可表达为：（五）结构面的张开度结构面张开度分级表描述结构面张开度（mm）分类很紧密紧密部分张开10裂开结构面很宽的极宽的似洞穴的1010010010001000张开结构面（六）结构面的充填胶结特征结结构构面面胶胶结结后后力力学学性性质质有有所所增增强强，FeFe质质胶胶结结的的强强度度最最高高，泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。未未胶胶结结的的结结构构面面，力力学学性性质质取取决决于于其其充充填填情情况况，可可分分为为：薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填4 4类类1 1 薄薄膜膜充充填填是是结结构构面面两两壁壁附附着着一一层层极极薄薄的的矿矿物物膜膜，厚厚度度多小于多小于1 1mmmm，多明显降低结构面的强度。多明显降低结构面的强度。2 2 断断续续充充填填结结构构面面的的力力学学性性质质与与充充填填物物性性质质、壁壁岩岩性性质质及结构面的形态有关。及结构面的形态有关。3 3 连续充填连续充填结构面的力学性质主要取决于充填物性质。结构面的力学性质主要取决于充填物性质。4 4 厚厚层层充充填填结结构构面面的的力力学学性性质质很很差差，主主要要取取决决于于充充填填物物性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。（七）结构面的分级及其特征三、软弱夹层软弱夹层软弱夹层是岩体中具有一定厚度的是岩体中具有一定厚度的软弱带软弱带(层层)，与，与两盘岩体相比具有两盘岩体相比具有高压缩和低强度高压缩和低强度等特征，在产状等特征，在产状上多属缓倾角结构面。上多属缓倾角结构面。主要包括原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化主要包括原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其他夹泥层等。夹层及其他夹泥层等。特性：特性：1 1、由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构 或泥质或泥质定向结构定向结构 2 2、粘粒含量很高粘粒含量很高 3 3、含水量接近或超过塑限含水量接近或超过塑限 4 4、密度比原岩小密度比原岩小 5 5、常具有一定的胀缩性常具有一定的胀缩性 6 6、力学性质比原岩差力学性质比原岩差 7 7、强度低强度低 8 8、压缩性高压缩性高 9 9、易产生渗透变形易产生渗透变形 结构面的组合关系n结构面的组合关系控制着结构面的组合关系控制着可能滑移岩体可能滑移岩体的几何边的几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型，界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型，它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。n任何坚硬岩体的块体滑移破坏，都必须具备一定任何坚硬岩体的块体滑移破坏，都必须具备一定的的几何边界条件几何边界条件。因此，在研究岩体稳定性时，。因此，在研究岩体稳定性时，必须研究结构面之间及其与临空面之间的组合关必须研究结构面之间及其与临空面之间的组合关系，确定可能失稳块体的形态、规模和可能滑移系，确定可能失稳块体的形态、规模和可能滑移方向等。方向等。n结构面组合关系的分析可用结构面组合关系的分析可用赤平投影、立体投影赤平投影、立体投影和三角几何计算法和三角几何计算法等进行。等进行。四、结构体特征结构体结构体(structural element)structural element)指岩体中被结构面切指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。割围限的岩石块体。它不同于岩块的概念。它不同于岩块的概念。结构体的结构体的规模规模取决于结构面的密度，密度愈小，结取决于结构面的密度，密度愈小，结构体的规模愈大构体的规模愈大,与结构面对应与结构面对应,划分为五级。划分为五级。常用常用块度模数块度模数（单位体积内的（单位体积内的级结构体数级结构体数)或结或结构体体积来表示结构体规模。构体体积来表示结构体规模。结构体的形状示意图结构体的形状示意图n结构体常见的形状结构体常见的形状:柱状、板状、楔形、菱形柱状、板状、楔形、菱形n形状不同，稳定性不同。形状不同，稳定性不同。五、岩体的结构类型划分块状结构岩体层壮结构岩体碎裂结构岩体：碎裂结构岩体：散体结构岩体散体结构岩体第二节第二节 岩体的力学性质岩体的力学性质一、岩体的变形性质一、岩体的变形性质 二、岩体的强度性质二、岩体的强度性质一、岩体的变形性质岩体的变形性质在在受受力力条条件件改改变变时时岩岩体体的的变变形形是是岩岩块块变变形形和和结结构构变变形形的的总总和和，而而结结构构变变形形通通常常包包括括结结构构面面闭闭合合、充填物的压密及结构体转动和滑动等变形。充填物的压密及结构体转动和滑动等变形。从岩体的定义：从岩体的定义：岩块岩块+结构面结构面=岩体岩体岩体变形岩体变形=岩块变形岩块变形+结构面闭合结构面闭合+充填物压缩充填物压缩+其他变形其他变形在一般情况下，岩体的结构变形起着在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用控制作用。（一）一）结构面的变形性质1、法向变形特性VVVVVV应力-变形关系曲线ABC开开始始时时随随着着法法向向应应力力增增加加，结结构构面面闭闭合合变变形形迅迅速速增增长长，n n-V V及及n n-V V曲曲线线均均呈呈上上凹凹型型。当当n n增增到到一一定定值值时时，n n-V V曲曲线线变变陡陡，并并与与n n-V V曲曲线线大大致致平平行行。说说明明结结构构面面已已基基本本上上完完全全闭闭合合，其其变变形形主主要要是是岩岩块块变变形形贡贡献献的的。这这时时V V则则趋趋于于结结构构面面最最大大闭闭合合量量V V。初初始始压压缩缩阶阶段段，含含结结构构面面的的岩岩块块变变形形V V主主要要是是由由结结构构面面的的闭闭合合造造成成的的。试试验验表表明明，当当n nMPaMPa时时，V V/V V可达可达，说明，说明V V占了很大一部分。占了很大一部分。法法向向应应力力n n大大约约从从/3/3处处开开始始，含含结结构构面面的的岩岩块块变变形由以结构面的闭合为主转为以岩块的弹性变形为主。形由以结构面的闭合为主转为以岩块的弹性变形为主。应力应力-变形关系曲线特征变形关系曲线特征结构面的结构面的n n-V-V曲线大致为以曲线大致为以VVV V为渐近线为渐近线的非线性曲线。可用初始法向刚度及最大闭合量来确的非线性曲线。可用初始法向刚度及最大闭合量来确定，定，与结构面的类型及壁岩性质无关与结构面的类型及壁岩性质无关 。结构面的结构面的最大闭合量最大闭合量始终小于结构面的张开度（）。始终小于结构面的张开度（）。这是因为这是因为结构面是凹凸不平的，两壁面间无论如何也结构面是凹凸不平的，两壁面间无论如何也不可能达到不可能达到100100的接触。的接触。结构面的结构面的初始法向刚度初始法向刚度是一个与结构面在地质历史时是一个与结构面在地质历史时期的受力历史及初始应力（期的受力历史及初始应力（）有关的量，其定义）有关的量，其定义为为n n-V-V曲线原点处的切线斜率，即：曲线原点处的切线斜率，即：应力应力-变形关系曲线特征变形关系曲线特征几种结构面的抗剪参数表岩体结构面直剪试验结果表便携式直剪仪脆性变形型脆性变形型塑性变形型塑性变形型结构面变形与风化结构面变形与风化程度有关程度有关结构面的剪切刚度，结构面的剪切刚度，随法向应力的增大随法向应力的增大而增大，随结构面而增大，随结构面的规模增大而降低。的规模增大而降低。2、剪切变形特性二、岩体变形参数的测定及变形曲线类型承压板法狭缝法钻孔变形法水压洞室法单(双)轴压缩试验法声波法地震波法原位岩体变形试验静力法动力法静力法的基本原理静力法的基本原理：在选定的岩体表面、：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载法向荷载，并测，并测定其岩体的定其岩体的变形值变形值；然后绘制出；然后绘制出压力压力-变变形形关系曲线，计算出岩体的关系曲线，计算出岩体的变形参数变形参数。动力法的基本原理动力法的基本原理：用人工方法对岩体：用人工方法对岩体发射发射(或激发或激发)弹性波弹性波(声波或地震波声波或地震波)，并测定其在岩体中的并测定其在岩体中的传播速度传播速度，然后根，然后根据波动理论求岩体的变形参数。据波动理论求岩体的变形参数。1、承压板法、承压板法刚性承压板法刚性承压板法柔性承压板法柔性承压板法是与承压板形状与刚度有关的系数。是与承压板形状与刚度有关的系数。对于圆形板对于圆形板0.785；对于方形板对于方形板0.8862、钻孔变形法、钻孔变形法优点：优点：对岩体扰动小；对岩体扰动小；可以在地下水位以下和相当可以在地下水位以下和相当深的部位进行；深的部位进行；试验方向试验方向基本上不受限制，而且试验基本上不受限制，而且试验压力可以达到很大；压力可以达到很大；在一在一次试验中可以同时量测几个次试验中可以同时量测几个方向的变形，便于研究岩体方向的变形，便于研究岩体的各向异性。的各向异性。缺点：缺点：试验涉及的岩体体积试验涉及的岩体体积小，代表性受到局限。小，代表性受到局限。3 3、声波法、声波法选选择择代代表表性性测测线线，布布置置测点和安装声波仪测点和安装声波仪发发生生正正弦弦脉脉冲冲，向向岩岩体体内发射声波内发射声波 记记录录纵纵、横横波波在在岩岩体体中中传播的传播的时间时间 常见岩石的纵、横波速度值常见岩体不同结构面发育情况下的纵波速度值计算公式计算公式4、狭缝法、狭缝法几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量岩体的岩体的变形模量变形模量比岩块的小，而且受结构面发育程比岩块的小，而且受结构面发育程度及风化程度等因素影响十分明显。度及风化程度等因素影响十分明显。不同地质条件下的同一岩体，其不同地质条件下的同一岩体，其变形模量相差较大变形模量相差较大。试验试验方法不同方法不同、压力大小不同，岩体、压力大小不同，岩体变形模量变形模量不同。不同。岩体变形曲线类型及其特征1、法向变形曲线、法向变形曲线直线型直线型 上凹型上凹型 上凸型上凸型 复合型复合型直线型通过原点的直线通过原点的直线，其方程为其方程为p pf(W)f(W)KWKW加压过程中加压过程中W W随随p p成正比增加成正比增加岩体岩体岩性均匀岩性均匀、结构面不发育结构面不发育或结构面或结构面分布均匀分布均匀岩体岩体刚度大刚度大，不易变形不易变形，岩体，岩体较坚硬、完整、致密均匀、少较坚硬、完整、致密均匀、少裂隙，以弹性变形为主，接近裂隙，以弹性变形为主，接近于均质弹性体。于均质弹性体。岩体岩体刚度低刚度低、易变形易变形，由多组结，由多组结构面切割且分布较均匀或岩性较构面切割且分布较均匀或岩性较软弱且均质或平行层面加压。有软弱且均质或平行层面加压。有明显的塑性变形和回滞环，非弹明显的塑性变形和回滞环，非弹性变形。性变形。陡直线型缓直线型上凹型曲线方程为曲线方程为p pf(W)f(W)，dpdp/dWdW随随p p增大而递增，增大而递增，dpdp/dWdW0 0层状及节理岩体多呈这类曲线层状及节理岩体多呈这类曲线 岩岩体体刚刚度度随随循循环环次次数数增增加加而而增增大大，弹弹性性变变形形成成分分较较大大。多多为为垂垂直直层层面面加加压压的较坚硬层状岩体。的较坚硬层状岩体。卸压曲线较陡，变形大部分卸压曲线较陡，变形大部分为为塑性变形塑性变形。多为存在软弱。多为存在软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体夹层的层状岩体及裂隙岩体或垂直层面加压的层状岩体或垂直层面加压的层状岩体。第二种情况第一种情况上凸型曲线方程为曲线方程为p pf(W)f(W)，dpdp/dWdW随随p p增加而递减，增加而递减，d d2 2p/dWp/dW2 20 0。结构面发育且有结构面发育且有泥质充填泥质充填的岩体、较深处埋藏有的岩体、较深处埋藏有软弱夹层软弱夹层或岩性或岩性软弱软弱的岩体常呈这类曲线。的岩体常呈这类曲线。复合型p-Wp-W曲线呈阶梯或曲线呈阶梯或“S S”型。型。结结构构面面发发育育不不均均或或岩岩性性不不均均匀匀的的岩岩体体，常常呈呈此此类曲线。类曲线。2、剪切变形曲线、剪切变形曲线峰值前曲线峰值前曲线平均斜率平均斜率小，小，破坏位移破坏位移大大；峰值后应峰值后应力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。峰值前曲线峰值前曲线平均斜率平均斜率较大，峰值强度较高。峰值较大，峰值强度较高。峰值后后应力降较大应力降较大。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及剧风化岩体剪切剧风化岩体剪切。峰值前峰值前曲线斜率曲线斜率大，线性段和非线性段明显，大，线性段和非线性段明显，峰峰值强度值强度高，破坏位移小。峰值后应力降大，残余高，破坏位移小。峰值后应力降大，残余强度较低。多为强度较低。多为剪断坚硬岩体剪断坚硬岩体。（三）节理化岩体变形模量的估算（三）节理化岩体变形模量的估算（1）用RMR值估算岩体变形模量（2）用Q值估算纵波速度和岩体平均变形模量二、岩体的强度性质二、岩体的强度性质（一）（一）结构面的剪切强度结构面强度分为结构面强度分为抗拉强度抗拉强度和和抗剪强度抗剪强度。结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所以一般认为结构面是不能抗拉的。以一般认为结构面是不能抗拉的。在工程荷载作用下，岩体破坏常沿某些软弱结在工程荷载作用下，岩体破坏常沿某些软弱结构面的滑动破坏。构面的滑动破坏。在岩体力学中，重点研究结构面的抗剪强度在岩体力学中，重点研究结构面的抗剪强度。1 1、平直无充填的结构面、平直无充填的结构面2 2、粗糙起伏无充填的结构面、粗糙起伏无充填的结构面3 3、非贯通断续的结构面、非贯通断续的结构面4 4、具有充填物的软弱结构面、具有充填物的软弱结构面1 1、平直无充填的结构面、平直无充填的结构面平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。的层理面与片理面。特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。应力矿物薄膜等。这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：擦强度接近，即：2 2、粗糙起伏无充填的结构面、粗糙起伏无充填的结构面 剪切特点：剪切特点：当当较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了增大了当当较大时，将剪断凸起而运动，也增大了较大时，将剪断凸起而运动，也增大了（1 1）、规则锯齿形结构面）、规则锯齿形结构面 1 1）较小，剪胀作用较小，剪胀作用Patton公式2）较大，啃断效用上式为法向应力上式为法向应力t时，结构面的抗剪强度。时，结构面的抗剪强度。剪断凸起的条件为：剪断凸起的条件为：（2 2）、不规则起伏结构面）、不规则起伏结构面自自然然界界岩岩体体中中绝绝大大多多数数结结构构面面的的粗粗糙糙起起伏伏形形态态是是不不规规则则的的，起起伏伏角角也也不不是是常常数数。其其强强度度包包络络线线不不是是折折线线，而是，而是曲线形式曲线形式。巴巴顿顿（artonarton，19731973）对对种种不不同同粗粗糙糙起起伏伏的的结结构构面面进进行行了了试试验验研研究究，提提出出了了剪剪胀胀角角的的概概念念并并用用以以 代代 替替 起起 伏伏 角角，剪剪 胀胀 角角（angle angle of of dilatancydilatancy）的的定定义义为为剪剪切切时时剪剪切切位位移移的的轨轨迹迹线线与与水平线的夹角水平线的夹角，即：，即：Barton方程：大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角 u u。因此，上式右边的第二项应当就是结因此，上式右边的第二项应当就是结构面的基本摩擦角构面的基本摩擦角 u u ，而第一项的系数取整数。而第一项的系数取整数。3 3、非贯通断续的结构面、非贯通断续的结构面假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面的线连续性系数为的线连续性系数为1 1裂面岩桥裂面岩桥Ctg裂面岩桥裂面岩桥Ctg4 4、具有充填物的软弱结构面、具有充填物的软弱结构面具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层，其形成多与层，其形成多与水的作用和各类滑错作用水的作用和各类滑错作用有关。这类结构有关。这类结构面的力学性质常与面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度和充填物的物质成分、结构及充填程度和厚度厚度等因素密切相关。等因素密切相关。（二）岩体的剪切强度（二）岩体的剪切强度岩岩体体强强度度是是指指岩岩体体抵抵抗抗外外力力破破坏坏的的能能力力。岩岩体体的的强强度度既既不不同同于于岩岩块块的的强强度度，也也不不同同于于结结构构面面的的强强度度，一一般般情情况况下下，其其强强度度介介于于岩岩块块与与结结构面强度之间。构面强度之间。岩岩体体和和岩岩块块一一样样，岩岩体体强强度度也也有有抗抗压压强强度度、抗拉强度和剪切强度之分。抗拉强度和剪切强度之分。岩体的剪切强度岩体的岩体的剪切强度剪切强度是指是指岩体内岩体内任一方向剪切面任一方向剪切面，在，在法向应力作用下所能抵抗的法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力最大剪应力。剪切强度分为剪切强度分为抗剪断强度抗剪断强度、抗剪强度抗剪强度和和抗切强度抗切强度。抗抗剪剪断断强强度度是是指指在在任任一一法法向向应应力力下下，横横切切结结构构面面剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力。剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力。抗抗剪剪强强度度是是指指在在任任一一法法向向应应力力下下，岩岩体体沿沿已已有有破破裂面剪切破坏时的最大应力。裂面剪切破坏时的最大应力。抗抗切切强强度度是是指指剪剪切切面面上上的的法法向向应应力力为为零零时时的的抗抗剪剪断强度。断强度。（1）、原位岩体剪切试验及其强度参数确定）、原位岩体剪切试验及其强度参数确定双千斤顶法直剪试验岩体岩体剪应力剪应力()-剪位移剪位移(u)曲线曲线及及法向应力法向应力()-法向变形法向变形(W)曲线曲线。剪切强度曲线剪切强度曲线及岩体剪切强度参数及岩体剪切强度参数Cm，m值值各各类类岩岩体体的的剪剪切切强强度度参参数数表表岩体内摩岩体内摩擦角与岩擦角与岩块较块较接近接近，而内聚力而内聚力则大大则大大低低于于岩块。岩块。说明结构说明结构面的存在面的存在主要是主要是降降低低了岩体了岩体的连结能的连结能力，进而力，进而降低其内降低其内聚力。聚力。（2）、岩体的剪切强度特征）、岩体的剪切强度特征岩岩体体的的剪剪切切强强度度是是具具有有上上限限和和下下限限的的值值域域，其其强强度度包包络络线线也也是是有有上上限限和和下下限限的的曲曲线线族族。上上限限是是岩岩体体的的剪剪断强度断强度,下限是结构面的抗剪强度。下限是结构面的抗剪强度。应应力力较较低低时时，强强度度变变化化范范围围较较大大，随着应力随着应力增大增大，范围逐渐变小范围逐渐变小。应应力力高高到到一一定定程程度度时时，包包络络线线变变为为一一条条曲曲线线，岩岩体体强强度度将将不不受受结结构构面影响而趋于面影响而趋于各向同性各向同性体。体。沿结构面剪切沿结构面剪切(重剪破坏重剪破坏)时，岩体时，岩体剪切强度最低剪切强度最低，等于结构等于结构 面的抗剪强度面的抗剪强度。横切结构面剪切横切结构面剪切(剪断破坏剪断破坏)时，岩体时，岩体剪切强度最高剪切强度最高。沿复合剪切面剪切沿复合剪切面剪切(复合破坏复合破坏)时，其强度时，其强度介于以上两者之间介于以上两者之间。坚硬岩石的坚硬岩石的强度曲线强度曲线软弱岩石的软弱岩石的强度曲线强度曲线节理化岩体强度的估算岩体的岩体的压缩强度压缩强度分为分为单轴抗压强度单轴抗压强度和和三轴压缩强度三轴压缩强度。在生产实际中，由于原位岩体强度在生产实际中，由于原位岩体强度试验费用高昂而周期长，一般情况试验费用高昂而周期长，一般情况下，难于普遍采用。下，难于普遍采用。单轴压缩三轴压缩1、利用单结构面理论估算岩体强度、利用单结构面理论估算岩体强度岩体的强度岩体的强度(13)随结构面倾角随结构面倾角的变化而变化。的变化而变化。当当j或或90时，岩体不可能沿结构面破坏，而只时，岩体不可能沿结构面破坏，而只能产生剪断岩体破坏。能产生剪断岩体破坏。只有当只有当12时时，岩体才能沿结构面破坏。，岩体才能沿结构面破坏。单结构面理论单结构面理论当当45j2时，岩体强度取得最低值时，岩体强度取得最低值3=0单结构面理论单结构面理论含含多多组组结结构构面面，且且假假定定各各组组结结构构面面具具有有相相同同的的性性质质时时，可可分步运用分步运用单结构面理论确定岩体单结构面理论确定岩体强度包线强度包线及岩体强度。及岩体强度。随随结结构构面面组组数数的的增增加加，岩岩体体的的强强度度趋趋向向于于各各向向同同性性，并并被被大大削弱，且多沿复合结构面破坏。大大削弱，且多沿复合结构面破坏。含四组以上结构面岩体的强度可按各向同性考虑含四组以上结构面岩体的强度可按各向同性考虑。当当3 3接近接近于于mcmc时，可视为各向同性体。时，可视为各向同性体。2、利用利用Hoek-Brown经验强度方程估算岩体强度经验强度方程估算岩体强度M、S、A、B、T为为与与岩岩性性及及结结构构面面情情况况有有关关的的常常数数，根据根据岩体性质岩体性质查表确定。查表确定。岩岩体体质质量量和和经经验验常常数数之之间间关关系系表表岩体工程分类既是工程岩体稳定性分析的基础，也是评价岩体岩体工程分类既是工程岩体稳定性分析的基础，也是评价岩体工程地质条件的一个重要途径。岩体工程分类实际上是通过岩工程地质条件的一个重要途径。岩体工程分类实际上是通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体的力体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体的力学性质联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成学性质联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。其目功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。其目的是通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可的是通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题。为工程设计、加固、建筑物选型和施能出现的岩体力学问题。为工程设计、加固、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。工方法选择等提供参数和依据。目前国内外已提出的岩体分类方案得到大家共识的有数十种之目前国内外已提出的岩体分类方案得到大家共识的有数十种之多，多以考虑地下洞室围岩稳定性为主。有定性的，也有定量多，多以考虑地下洞室围岩稳定性为主。有定性的，也有定量或半定量的，有单一因素分类，也有考虑多种因素的综合分类。或半定量的，有单一因素分类，也有考虑多种因素的综合分类。各种方案所考虑的原则和因素也不尽相同，但岩体的完整性和各种方案所考虑的原则和因素也不尽相同，但岩体的完整性和成层条件、岩块强度、结构面发育情况和地下水等因素都不同成层条件、岩块强度、结构面发育情况和地下水等因素都不同程度地考虑到了。下面主要介绍几种国内外在水工建设工程中程度地考虑到了。下面主要介绍几种国内外在水工建设工程中应用较广、影响较大的分类方法。应用较广、影响较大的分类方法。第三节第三节 岩体的工程分类岩体的工程分类方法：通过岩体的一些方法：通过岩体的一些简单和容易实测的指标，简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体力学性质参数联系起来，把工程地质条件和岩体力学性质参数联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，与失败的经验教训，对岩体进行归类对岩体进行归类的一种工的一种工作方法。作方法。目的：通过分类，目的：通过分类，概括地反映各类工程岩体的概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题。质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题。为为工程设计、支护衬砌、建筑物选型和施工方法工程设计、支护衬砌、建筑物选型和施工方法选择等选择等提供参数和依据提供参数和依据。美国伊利诺斯大学用岩体质量指标美国伊利诺斯大学用岩体质量指标RQDRQD来表示岩石的完整来表示岩石的完整性。性。采用直径为采用直径为7575mmmm的双层岩心管金刚石钻进，提取直径为的双层岩心管金刚石钻进，提取直径为5454mmmm的岩心，将长度小于的岩心，将长度小于1010cmcm的破碎岩心及软弱物质剔除，的破碎岩心及软弱物质剔除，然后测量大于或等于然后测量大于或等于1010cmcm长柱状岩心的总长度长柱状岩心的总长度(L Lp p)。用这用这一有效的岩心长度与采集岩心段的钻孔总进尺一有效的岩心长度与采集岩心段的钻孔总进尺(L L)之比，之比，取其百分数就是取其百分数就是RQDRQD。按照按照RQDRQD值大小可把岩石分成五个质量等级值大小可把岩石分成五个质量等级 一、一、RQD分类分类二、二、节理岩体的节理岩体的RMRRMR分类分类分类指标分类指标：岩块强度、：岩块强度、RQDRQD值、节理间距、节理条值、节理间距、节理条件及地下水件及地下水分类方法：分类方法：（1 1）根据各类指标的数值，按表）根据各类指标的数值，按表1 1A A的标准评分，求的标准评分，求和得总分和得总分RMRRMR值。值。（2 2）按表）按表1 1B B和表和表2 2的规定对总分作适当的修正。的规定对总分作适当的修正。（3 3）用修正后的总分对照表）用修正后的总分对照表1 1C C求得岩体的类别及相求得岩体的类别及相应的无支护地下洞室的自稳时间和岩体强度指标应的无支护地下洞室的自稳时间和岩体强度指标(c c，)值。值。（1 1）根据各类指标的数值，按下表的标准评分，求）根据各类指标的数值，按下表的标准评分，求和得总分和得总分RMRRMR值。值。分类参数数值范围1完整岩石强度(MPa)点荷载强度指标104102412对强度较低的岩石宜用单轴抗压强度单轴抗压强度250100250501002550525151评分值1512742102岩心质量指标RQD()9010075905075255025评分值201510833节理间距(cm)2006020020606206评分值201510854节理条件节理面很粗糙，节理不连续，节理宽度为零，节理面岩石坚硬节理面稍粗糙，宽度1mm，节理面岩石坚硬节理面稍粗糙，宽度1mm，节理面岩石软弱节理面光滑或含厚度5mm的软弱夹层，张开度15mm，节理连续含厚度5mm的软弱夹层，张开度5mm，节理连续评分值3025201005地下水条件每10m长的隧道涌水量(L/min）无10102525125125节理水压力/最大主应力比值或0或0.1或0.10.2或0.20.5或0.5总条件或完全干燥或潮湿或只有湿气(有裂隙水)或中等水压或水的问题严重评分值1510440（2 2）按下表的规定对总分作适当的修正。）按下表的规定对总分作适当的修正。节理走向或倾向非常有利有利一般不利非常不利评分值隧道0-2-5-10-12地基0-2-7-15-25边坡0-5-25-50-60按节理方向修正评分值走向与隧道轴垂直走向与隧道轴平行与走向无关沿倾向掘进反倾向掘进倾角2045倾角4590倾角020倾角4590倾角2045倾角4590倾角2045非常有利有利一般不利一般非常不利不利节理走向和倾角对隧道开挖的影响（3 3）根据修正后的总分确定岩体的类别及相应的无支）根据修正后的总分确定岩体的类别及相应的无支护地下洞室的自稳时间和岩体强度指标护地下洞室的自稳时间和岩体强度指标(c c，)值。值。评分值1008180616041402120分级质量描述非常好的岩体好岩体一般岩体差岩体非常差岩体平均稳定时间(15m跨度)20a(10m跨度)1a(5m跨度)7d(2.5m跨度)10h(1m跨度)30min岩体内聚力(kPa)400300400200300100200岩体内摩擦角()4535452535152515三、巴顿岩体质量(Q)分类分类指标分类指标：Q Q值值 RQDRQD岩石质量指标；岩石质量指标；JnJn节理组数；节理组数；JrJr节理粗糙系数；节理粗糙系数；JaJa节理蚀变系数；节理蚀变系数；JwJw节理水折减系数；节理水折减系数；SRFSRF应力折减系数。应力折减系数。JwJw/SRFSRF水与其它应力存在时对岩体质量的影响水与其它应力存在时对岩体质量的影响 RQDRQD/JnJn岩体的完整性；岩体的完整性；JrJr/JaJa结构面结构面(节理节理)的形态、充填物特征及其次生变化的形态、充填物特征及其次生变化程度；程度；分类方法分类方法：确定各参数的数值，求得：确定各参数的数值，求得Q Q值，以值，以Q Q值为值为依据将岩体分为依据将岩体分为9 9类。类。四、岩体质量指标（四、岩体质量指标（RMQRMQ）分类分类 岩体质量指标（岩体质量指标（RMQRMQ）分类简称分类简称M M法，由我国长利电法，由我国长利电力部（力部（19781978）提出，其分类指标为）提出，其分类指标为 第四节 风化岩体的工程地质特征 岩石=矿物组成和结构改变=岩块的物理力学性质改变（强度降低、抗变形性能减弱、空隙率增大，渗透性加大）风化衡量岩块的风化程度的指标：定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程度及开挖锤击技术特征等。定量指标主要有风化空隙率指标和波速指标等。