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1、第第 六六 章章岩体的工程性质及岩体的稳定性岩体的工程性质及岩体的稳定性第一节第一节 岩体及岩体结构概述岩体及岩体结构概述第二节第二节 岩体的工程性质岩体的工程性质第三节第三节 岩体的稳定性评价岩体的稳定性评价第一节第一节 岩体及岩体结构概述岩体及岩体结构概述n1、岩体（岩体（rockmass）:n与与工工程程活活动动有有关关的的那那部部分分地地质体，地壳的一部分。质体，地壳的一部分。n岩体的范围：岩体的范围：n取取决决于于工工程程的的形形状状、位位置置、工程类型、工程规模等。工程类型、工程规模等。一、岩体概述一、岩体概述n2、岩体分类、岩体分类n按岩体对工程作用特征可分为三大类：按岩体对工程
2、作用特征可分为三大类：n n地基岩体地基岩体:房屋、桥梁、路基等下岩体；房屋、桥梁、路基等下岩体；n n边坡岩体边坡岩体:人工开挖暴露出来的斜坡岩体；人工开挖暴露出来的斜坡岩体；n n周围岩体周围岩体:隧道等地下工程周围的岩体。隧道等地下工程周围的岩体。一、岩体概述一、岩体概述n3、岩体与岩石岩体与岩石（比较比较）n岩体：岩体：n是地壳的一部分，有结构体及结构面组成，是地壳的一部分，有结构体及结构面组成，n即由各种岩石块体组合而成的岩石结构物。即由各种岩石块体组合而成的岩石结构物。n岩石：岩石：n指天然的石料，其性质取决于矿物成分、结构和指天然的石料，其性质取决于矿物成分、结构和构造。岩石可以
3、看成是均质、各向同性的材料。构造。岩石可以看成是均质、各向同性的材料。n“岩体岩体”概念的出现已成为一个重要的研究课概念的出现已成为一个重要的研究课题，标志该学科发展达到了一个重要阶段。题，标志该学科发展达到了一个重要阶段。一、岩体概述一、岩体概述岩体与岩石岩体与岩石(庐山二叠泉的岩体庐山二叠泉的岩体)节理：是岩石中的裂隙，是没有明显位移的裂隙。也是地壳上部岩石发育最广的一种构造节理就是裂隙，断裂是一个大的概念，基本类型包括了节理（裂隙）、断层，还有劈理。n节理是很常见的一种构造地质现象，就是我们在岩石露头上所见的裂缝，或称岩石的裂缝。这是由于岩石受力而出现的裂隙.还有一种说法:几乎在所以岩石
4、中都可以看到有规律的，纵横交错的裂隙，他的专门术语就叫节理.节理即断裂岩块沿着破裂面没有发生或没有明显发生位移的断裂构造.裂隙应该包括的东西更多，在地学上有构造裂隙，而节理裂隙只是构造裂隙的一种.断层是地壳岩层因受力达到一定强度而发生破裂，并沿破裂面有明显相对移动的构造称断层。断层是构造运动中广泛发育的构造形态。它大小不一、规模不等，小的不足一米，大到数百、上千千米。但都破坏了岩层的连续性和完整性。还有一种解释:断层是地质学概念，是指因地壳的变动，引起地层发生断裂并沿断裂面发生水平、垂直或倾斜方向的相对位移现象。断裂:地质学马丁尼兹说:“当地壳移动，板块相互撞击时会断裂，导致其他地区的压力逐渐
5、增加，最终引发地震。”断裂是大的，深的断层.n1 1、结构面的类型、结构面的类型n(1)(1)原生结构面原生结构面n(2)(2)构造结构面构造结构面n(3)(3)次生结构面次生结构面（一）结构面（一）结构面n近近100年来坝体因对岩体软弱面稳定性认年来坝体因对岩体软弱面稳定性认识不足而失事者达识不足而失事者达45%以上。以上。n法国法国60m高的坝体，高的坝体，1959年因左坝肩片麻岩年因左坝肩片麻岩中的绢云母页岩软弱层滑动而失稳。中的绢云母页岩软弱层滑动而失稳。n1963年，意大利一水库，年，意大利一水库，2亿亿m3此岩体下滑此岩体下滑淤满水库，死淤满水库，死2600余人，震动了整个岩土工余
6、人，震动了整个岩土工程与工程地质界。程与工程地质界。岩体与岩石岩体与岩石 n岩体岩体：n被各种结构层面、软弱片理面等不连续面切被各种结构层面、软弱片理面等不连续面切割成的岩块组成的结构物。割成的岩块组成的结构物。n结构面结构面：n岩体中的软弱面岩体中的软弱面。n结构体结构体：n岩体中的岩块岩体中的岩块。二、岩体结构概述二、岩体结构概述n岩石岩石（Rock）矿物、岩屑的集合体。n结结构构面面（Structural Plane）指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。n岩岩块块（Rock block 或 Rock）指不含显著结构面的岩石块体，是构成
7、岩体的最小岩石单元体。n岩岩体体（Rockmass）是指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。2.1 几个基本概念(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。n沉积结构面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。n岩浆结构面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生冷凝节理等。n变质结构面在变质过程中形成，分为残留结构面和重结晶结构面。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
8、破裂面，包括断层、节理、劈理和层间错动面等。3.次次生生结结构构面面 是岩体形成后在外营力作用下产生的结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。n(1)(1)原生结构面原生结构面：n岩浆岩冷凝收缩而成的岩浆岩冷凝收缩而成的原生节理面。原生节理面。n沉积中层理面（不整合沉积中层理面（不整合面）等物质分界面。面）等物质分界面。n变质岩中的片理面。变质岩中的片理面。（一）结构面（一）结构面n(2)(2)构造结构面构造结构面n节理裂隙节理裂隙n断层断层（一）结构面（一）结构面n(3)(3)次生结构面次生结构面n风化裂隙面风化裂隙面n卸荷裂隙面卸荷裂隙面n爆破裂隙面爆破裂隙面n滑坡裂隙面滑
9、坡裂隙面n溶蚀裂隙面等溶蚀裂隙面等（一）结构面（一）结构面n2 2、结构面的特征、结构面的特征n表征结构面地质特征的参数如下表征结构面地质特征的参数如下：（一）结构面（一）结构面u产状产状u间距间距u持续性持续性u粗糙度粗糙度u结构面壁强度结构面壁强度u裂缝开度裂缝开度u充填物充填物u渗透性渗透性u节理组数节理组数u岩块尺寸岩块尺寸n(1)(1)产状：产状：n结构面在空间的分结构面在空间的分布状态。布状态。n以结构面倾向和倾以结构面倾向和倾角表示。角表示。u在很大程度上决定在很大程度上决定着单独岩块的形状着单独岩块的形状及岩体的稳定性。及岩体的稳定性。2、结结构构面面的的特特征征n(2)(2)
10、间距间距:n同组相邻结构面间的同组相邻结构面间的垂直距离垂直距离n通常指平均间距或通常指平均间距或常见的间距常见的间距n在很大程度上控制在很大程度上控制着单独岩块的尺寸着单独岩块的尺寸n对岩体的破坏形式对岩体的破坏形式有重要影响有重要影响2、结结构构面面的的特特征征n(3)(3)持续性持续性:n暴露面上能够见到的结构面迹线的暴露面上能够见到的结构面迹线的长度。长度。n区域性断层面持续长度可达数百区域性断层面持续长度可达数百数千米数千米，若贯穿工程区域，对，若贯穿工程区域，对工程稳定有全局性影响。工程稳定有全局性影响。n结构面持续性对不同工程有不同结构面持续性对不同工程有不同作用。作用。u平面状
11、结构面无分叉地延伸平面状结构面无分叉地延伸5 510m10m，对隧道围岩稳定性有对隧道围岩稳定性有较大影响。较大影响。2、结结构构面面的的特特征征n(4)(4)粗糙度：粗糙度：n相对于结构面平均平面相对于结构面平均平面的平整光滑程度。的平整光滑程度。n结构面壁的粗糙程度对结构面壁的粗糙程度对抗剪强度有利。抗剪强度有利。2、结结构构面面的的特特征征n(4)(4)粗糙度：粗糙度：n大规模的粗糙度大规模的粗糙度：n也称也称起伏度起伏度n起伏度：起伏度：n用起伏坡面与结构面平用起伏坡面与结构面平均平面夹角均平面夹角i表示。表示。2、结结构构面面的的特特征征n(4)(4)粗糙度：粗糙度：n中等规模中等规
12、模粗糙度粗糙度分三种分三种u台阶形台阶形u波浪形波浪形u平面形平面形n小规模的小规模的粗糙度粗糙度分三种分三种u粗糙的粗糙的u平坦的平坦的u光滑的光滑的2、结结构构面面的的特特征征标准的粗糙度断面标准的粗糙度断面对对结结构构面面抗抗剪剪强强度度影影响响很很大大n(4)(4)粗糙度：粗糙度：u结构面抗剪强度结构面抗剪强度:2、结结构构面面的的特特征征标准的粗糙度断面标准的粗糙度断面=n tg（+i）+Cun:结构面上法向应力结构面上法向应力u C :粘聚力粘聚力u(结构面上无垂直或很结构面上无垂直或很陡的台阶状起伏时陡的台阶状起伏时：C=0)n(5)(5)结构面壁强度结构面壁强度n结构面相邻岩壁
13、的等效抗结构面相邻岩壁的等效抗压强度。压强度。u它与岩体结构面的抗剪强度、它与岩体结构面的抗剪强度、变形特征有密切关系变形特征有密切关系l由于风化及蚀变作用，岩块表由于风化及蚀变作用，岩块表由于风化及蚀变作用，岩块表由于风化及蚀变作用，岩块表面即结构面壁的强度会低于岩面即结构面壁的强度会低于岩面即结构面壁的强度会低于岩面即结构面壁的强度会低于岩块内部新鲜岩石的强度。块内部新鲜岩石的强度。块内部新鲜岩石的强度。块内部新鲜岩石的强度。2、结结构构面面的的特特征征n(6)(6)裂缝开度裂缝开度n张开结构面相邻岩壁间的垂直张开结构面相邻岩壁间的垂直距离。距离。n裂缝开度对岩体变形特征和裂缝开度对岩体变
14、形特征和水的渗透有很大影响。水的渗透有很大影响。n大的裂缝开度可能是由于具大的裂缝开度可能是由于具有大规模粗糙度的结构面的有大规模粗糙度的结构面的剪切位移，或由于张裂、冲剪切位移，或由于张裂、冲刷及溶解作用造成的。刷及溶解作用造成的。2、结结构构面面的的特特征征n(6)(6)裂缝开度裂缝开度n大多数地下岩体的裂缝开度较小，大多数地下岩体的裂缝开度较小，一般小于一般小于0.5mm。n结构面按裂缝开度大小可分为三类结构面按裂缝开度大小可分为三类:u闭合结构面闭合结构面(0.5mm)u裂开结构面裂开结构面(0.510mm)u张开结构面张开结构面(1100cm)2、结结构构面面的的特特征征n(7)(7
15、)充填物充填物n充充填填于于结结构构面面相相邻邻岩岩壁壁间间的物质。的物质。u常常有有方方解解石石、绿绿泥泥石石、粘土、断层泥、角砾等。粘土、断层泥、角砾等。n充充填填物物的的物物理理力力学学性性质质(尤尤其其是是变变形形性性能能和和渗渗透透性性)、厚厚度度对对结结构构面面的的工工程程性性质影响较大。质影响较大。2、结结构构面面的的特特征征n n(8)(8)渗透性渗透性n n水水水水沿沿沿沿岩岩岩岩石石石石孔孔孔孔隙隙隙隙（原原原原生生生生渗渗渗渗透透透透）和和和和导导导导水水水水结结结结构构构构面面面面 （次次次次生生生生渗渗渗渗透透透透）的流动。的流动。的流动。的流动。n n可可可可用用用
16、用于于于于判判判判定定定定地地地地下下下下水水水水的的的的流流流流向向向向、含含含含水水水水情情情情况况况况，从从从从而而而而依依依依此此此此判判判判定岩体的稳定性或地下工程施工的涌水预测。定岩体的稳定性或地下工程施工的涌水预测。定岩体的稳定性或地下工程施工的涌水预测。定岩体的稳定性或地下工程施工的涌水预测。2、结结构构面面的的特特征征n(9)(9)节理组数：节理组数：n组成交叉节理系的节组成交叉节理系的节理组的数目。理组的数目。u节理组的数目影响节理组的数目影响岩体的完整性和力岩体的完整性和力学性质。学性质。u如：节理组数可能如：节理组数可能是边坡岩体稳定性是边坡岩体稳定性的决定性因素。的决
17、定性因素。2、结结构构面面的的特特征征n(10)(10)岩块尺寸：岩块尺寸：n结构体的形状、大小。结构体的形状、大小。u是岩体的一个特别重是岩体的一个特别重要的特征。要的特征。u可根据交叉节理组的可根据交叉节理组的相互方位和各个节理相互方位和各个节理组的间距来确定。组的间距来确定。2、结结构构面面的的特特征征 （二二）结结构构体体岩体中被结构面切割而成的岩石块体岩体中被结构面切割而成的岩石块体。岩石的形状和大小岩石的形状和大小、与工程的相对位置与工程的相对位置 影响岩体的稳定性。影响岩体的稳定性。二、结构面的规模n级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳定性；
18、n级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。n级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。、级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性n级 指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律具统计规律，需用统计方法进行研究。n级 又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。二、结构面的规模n走向
19、、倾向、倾角n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。三、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：四 连续性n结构面的连续性反映结构面的贯通程度。n1、线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各段长度之和(a)与测线长度的比值。K1变化在01之间，K1值愈大说明结构面的连续性愈好，当K11时，结构面完全贯通。n2、面连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面面积之和与总面积的比值。结构面连续性分级表 描述迹长（m）很低连续性20五 密度v结构面的密度反映结构面发育的密集程度。v1、线密度(Kd)是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条
20、数(条m)。v2、间距(d)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。Kd与d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，结构面的倾角为时:结构面间距分级表描述描述间距（间距（mmmm）极密集的间距极密集的间距2060006000n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。六 张开度n结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。n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。n如在层流条件下，平直而
21、两壁平行的单个结构面的渗透系数(Kf)可表达为：结构面张开度分级表描述描述结构面张开度结构面张开度（mmmm）分类分类很紧密很紧密紧密紧密部分张开部分张开0.11010裂开结构面裂开结构面很宽的很宽的极宽的极宽的似洞穴的似洞穴的10100101001001000100100010001000张开结构面张开结构面 级及部分级结构面的产状、迹长、间距及张开度等几何特征参数，服从一定的随机分布规律。七 形态n结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。n结构面侧壁的起伏形态分为：平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的。侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。（二二）结结构构体体结构体的形状和
22、大小：结构体的形状和大小：结结构构体体的的形形状状：取取决决于于结结构构面面组组数数及及其其产产状状常常见见的的六六种种：2 岩体的结构类型岩体结岩体结构类型构类型岩体地质类型岩体地质类型主要主要结构结构形状形状结构面发育情况结构面发育情况岩土工程特征岩土工程特征可能发生的岩土可能发生的岩土工程问题工程问题整体状整体状结结 构构均质，巨块状岩浆岩、均质，巨块状岩浆岩、变质岩，巨厚层沉积变质岩，巨厚层沉积岩、正变质岩岩、正变质岩巨块巨块状状以原生构造节理为主，多呈闭合型，以原生构造节理为主，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于裂隙结构面间距大于15m，一般，一般不超过不超过12组，无危险结构面组成组，
23、无危险结构面组成的落石掉块的落石掉块整体性强度高，岩体稳定，整体性强度高，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体可视为均质弹性各向同性体不稳定结构体的不稳定结构体的局部滑动或坍塌，局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆深埋洞室的岩爆块状结块状结构构厚层状沉积岩、正变厚层状沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、质岩、块状岩浆岩、变质岩变质岩块状、块状、柱柱 状状只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，裂隙结构面间距裂隙结构面间距0.71.5m。一般为。一般为23组，有少量分离体组，有少量分离体整体强度较高，结构面互相整体强度较高，结构面互相牵制，岩体基本稳定，接近牵制，岩体基本稳定，接近弹性
24、各向同性体弹性各向同性体层状结层状结构构多韵律的薄层及中厚多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质层状沉积岩、副变质岩岩层状、层状、板状、板状、透镜透镜体体有层理、片理、节理，常有层间错有层理、片理、节理，常有层间错动面动面接近均一的各向异性体，其接近均一的各向异性体，其变形及强度特征受层面及岩变形及强度特征受层面及岩层组合控制，可视为弹塑性层组合控制，可视为弹塑性体，稳定性较差体，稳定性较差不稳定结构体可不稳定结构体可能产生滑塌，特能产生滑塌，特别是岩层的弯张别是岩层的弯张破坏及软弱岩层破坏及软弱岩层的塑性变形的塑性变形碎裂状碎裂状结构结构构造影响严重的破碎构造影响严重的破碎岩层岩层块状块状断层
25、、断层破碎带、片理、层理及断层、断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育，裂隙结构面间层间结构面较发育，裂隙结构面间距距0.250.5m，一般在，一般在3组以上，由组以上，由许多分离体形成许多分离体形成完整性破坏较大，整体强度完整性破坏较大，整体强度很低，并受断裂等软弱结构很低，并受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质，面控制，多呈弹塑性介质，稳定性很差稳定性很差易引起规模较大易引起规模较大的岩体失稳，地的岩体失稳，地下水加剧岩体失下水加剧岩体失稳稳散体状散体状结构结构构造影响剧烈的断层构造影响剧烈的断层破碎带，强风化带，破碎带，强风化带，全风化带全风化带碎屑碎屑状颗状颗粒状粒状断层破碎带交叉
26、，构造及风化裂隙断层破碎带交叉，构造及风化裂隙密集，结构面及组合错综复杂，并密集，结构面及组合错综复杂，并多充填粘性土，形成许多大小不一多充填粘性土，形成许多大小不一的分离岩块的分离岩块完整性遭到极大破坏，稳定完整性遭到极大破坏，稳定性极差，岩体属性接近松散性极差，岩体属性接近松散体介质体介质易引起规模较大易引起规模较大的岩体失稳，地的岩体失稳，地下水加剧岩体失下水加剧岩体失稳稳（二二）结结构构体体结构体的形状和大小：结构体的形状和大小：结构体的大小：结构体的大小：取决于取决于结构面组数及其间距结构面组数及其间距。（二二）结结构构体体结构体的形状和大小：结构体的形状和大小：结构体的大小：结构体
27、的大小：大大块块岩岩石石组组成成的的岩岩体体易易于于形形成成地地下下拱拱或或锁锁合合作作用用小岩块易于形成类似土的潜在破坏形式。小岩块易于形成类似土的潜在破坏形式。碎裂岩体则可能产生流动式破坏。碎裂岩体则可能产生流动式破坏。研究与工程规格相差不太悬殊的中等和较研究与工程规格相差不太悬殊的中等和较小尺寸的岩块极为重要。小尺寸的岩块极为重要。（二二）结结构构体体结构体的形状和大小：结构体的形状和大小：结构体尺寸表示：结构体尺寸表示：n可以用典型岩块的平均尺寸表达。可以用典型岩块的平均尺寸表达。n也可用岩体单位体积中通过的总节也可用岩体单位体积中通过的总节理数目表示。理数目表示。（二二）结结构构体体
28、2.结构体与工程的相对位置结构体与工程的相对位置n同样形状和大小的结构体，产状不同时同样形状和大小的结构体，产状不同时:u在同一个工程部位有不同的稳定性。在同一个工程部位有不同的稳定性。图中岩块图中岩块A的稳定性：的稳定性：楔体处于拱顶中心位置楔体处于拱顶中心位置 刃角朝下稳于刃角朝上刃角朝下稳于刃角朝上 2.结构体与工程的相对位置结构体与工程的相对位置n产状相同而处于不同的工程部位时：产状相同而处于不同的工程部位时：u有不同的稳定性。有不同的稳定性。图中图中水平板状岩块：水平板状岩块：在拱顶和边在拱顶和边墙部位的稳定性墙部位的稳定性不同不同。（二二）结结构构体体（三）岩体结构类型（三）岩体结
29、构类型岩体结构：岩体结构：由结构面和结构体组合而成。由结构面和结构体组合而成。岩体结构类型：岩体结构类型：按结构面和结构体的特征划分为四大类按结构面和结构体的特征划分为四大类：u整整 体体 块块 状状u层层 状状u碎碎 裂裂u散散 体体分类名称岩体结构类 型隧道围岩分 类洞室岩体分 粪坑道围岩分 类基 本 特 征分类名称科 院地质所铁路部门机械工业部 门工程兵某 部类型名称整 体块 状巨块状整体大块状砌体整体状完 整结构面12组，间距1.0m，密闭。岩体一般稳定。层 状块碎状镶嵌块 状块 状结构面34组，间距0.2m，软弱结构面，岩体局部失稳。碎 裂碎石状压碎角碎状松散裂 碎碎 裂结构面4 组
30、以上，间距0.2m,软弱结构面发育，岩体易发生失稳。散 体泥砂角砾状松软散 体散 体强烈风化与构造破碎；岩体极易发生失稳。我国有代表性的几种岩体结构分类见表达我国有代表性的几种岩体结构分类见表达5-2。（三）岩体结构类型（三）岩体结构类型岩体结构分类的意义：岩体结构分类的意义：不同岩体结构类型反映出岩体质量的好坏；不同岩体结构类型反映出岩体质量的好坏；岩体结构类型可直接用于岩体稳定性的评价。岩体结构类型可直接用于岩体稳定性的评价。岩体结构分类的意义：岩体结构分类的意义：不同岩体结构类型可用不同的力学介质来表示：不同岩体结构类型可用不同的力学介质来表示：u整体块状岩体近似于整体块状岩体近似于弹性
31、体弹性体u层状及碎裂岩体可视为层状及碎裂岩体可视为弹塑性体弹塑性体u散体岩体接近于散体岩体接近于塑性体塑性体u岩体结构分类为岩岩体结构分类为岩体稳定性定量评价提体稳定性定量评价提供了理论基础供了理论基础。5.2 岩体的工程性质一、结构面的工程性质一、结构面的工程性质二、岩体的力学特性二、岩体的力学特性三、岩体中的地应力状态三、岩体中的地应力状态第二节第二节 岩体的工程性质岩体的工程性质包括包括：岩体的变形性质岩体的变形性质岩体的强度性质岩体的强度性质岩体中天然应力状态岩体中天然应力状态第二节第二节 岩体的工程性质岩体的工程性质n岩体的工程性质与岩体的工程性质与岩体的工程性质与岩体的工程性质与岩
32、石的工程性质、结构面的工程性质岩石的工程性质、结构面的工程性质岩石的工程性质、结构面的工程性质岩石的工程性质、结构面的工程性质密切相关密切相关密切相关密切相关。l岩性较好的坚硬岩石组成的岩体工程性质：岩性较好的坚硬岩石组成的岩体工程性质：岩性较好的坚硬岩石组成的岩体工程性质：岩性较好的坚硬岩石组成的岩体工程性质：主要取决于结构面的工程性质。主要取决于结构面的工程性质。主要取决于结构面的工程性质。主要取决于结构面的工程性质。l岩性较差的弱软岩石组成的岩体工程性质：岩性较差的弱软岩石组成的岩体工程性质：岩性较差的弱软岩石组成的岩体工程性质：岩性较差的弱软岩石组成的岩体工程性质：一般取决于岩石的工程
33、性质。一般取决于岩石的工程性质。一般取决于岩石的工程性质。一般取决于岩石的工程性质。一、结构面的工程性质一、结构面的工程性质u结构面的工程性质与其结构面的工程性质与其十项地质特征十项地质特征有关。有关。n（一）结构面的变形特征（一）结构面的变形特征n（二）结构面的抗剪强度（二）结构面的抗剪强度（一）结构面的变形特征（一）结构面的变形特征n n结构面的变形包括：结构面的变形包括：uu结构面的法向变形结构面的法向变形uu结构面的剪切变形结构面的剪切变形（一）结构面的变形特征（一）结构面的变形特征l结构面的法向变形结构面的法向变形：u结构面在法向正应力（结构面在法向正应力（n）压缩）压缩作用下的闭合
34、变形。作用下的闭合变形。uu密闭结构面可视为无法向变形。密闭结构面可视为无法向变形。密闭结构面可视为无法向变形。密闭结构面可视为无法向变形。uu大多结构面都可能发生法向变形。大多结构面都可能发生法向变形。大多结构面都可能发生法向变形。大多结构面都可能发生法向变形。uu一般结构面均有一定粗糙度，结一般结构面均有一定粗糙度，结一般结构面均有一定粗糙度，结一般结构面均有一定粗糙度，结构面两侧壁之间只有局部接触，或构面两侧壁之间只有局部接触，或构面两侧壁之间只有局部接触，或构面两侧壁之间只有局部接触，或张开结构面中有一定程度充填物，张开结构面中有一定程度充填物，张开结构面中有一定程度充填物，张开结构面
35、中有一定程度充填物，在法向正应力（在法向正应力（在法向正应力（在法向正应力（n n）压缩作用下的）压缩作用下的）压缩作用下的）压缩作用下的发生闭合变形。发生闭合变形。发生闭合变形。发生闭合变形。（一）结构面的变形特征（一）结构面的变形特征l结构面的法向变形结构面的法向变形结构面的法向变形结构面的法向变形：l法向变形（法向变形（法向变形（法向变形（V V）与法向正应力（）与法向正应力（）与法向正应力（）与法向正应力（n n）之间一般是）之间一般是）之间一般是）之间一般是非线性的关系。非线性的关系。非线性的关系。非线性的关系。l法向刚度系数法向刚度系数法向刚度系数法向刚度系数KnKn不是常数不是常
36、数不是常数不是常数：lKnKnKnKn随法向正应力随法向正应力随法向正应力随法向正应力n n n n 增大而增大。增大而增大。增大而增大。增大而增大。（一）结构面的变形特征（一）结构面的变形特征l结构面的剪切变形结构面的剪切变形l在一定法向正应力作用下，结构面承受剪切应力在一定法向正应力作用下，结构面承受剪切应力（），发生两侧壁的相对位移变形。），发生两侧壁的相对位移变形。（一）结构面的变形特征（一）结构面的变形特征l结构面的剪切变形结构面的剪切变形l用试验所得剪应力用试验所得剪应力()与相应的剪切位移与相应的剪切位移(u)的关的关系曲线表示。系曲线表示。u曲线曲线（一）结构面的变形特征（一）
37、结构面的变形特征l结构面的剪切变形结构面的剪切变形l用试验所得剪应力用试验所得剪应力()与相应的剪切位移与相应的剪切位移(u)的关的关系曲线表示。系曲线表示。u曲线曲线型曲线是未充填或充填型曲线是未充填或充填少量粉碎屑物的粗糙结构少量粉碎屑物的粗糙结构面的剪切变形特性曲线。面的剪切变形特性曲线。型曲线是结构面间含有型曲线是结构面间含有较厚粘土物质的剪切变形较厚粘土物质的剪切变形特性曲线。特性曲线。n库仑强度理论库仑强度理论：n结构面抗剪强度基本表达式为：结构面抗剪强度基本表达式为：l抗剪强度由摩擦阻力及粘聚力两部分组成抗剪强度由摩擦阻力及粘聚力两部分组成：摩擦阻力：摩擦阻力：u随随n而增大而增
38、大，摩擦系数摩擦系数f=tgu粘聚力：粘聚力：u取决于结构面壁岩石的性质取决于结构面壁岩石的性质，用用C表示。表示。=ntg+C（二）结构面的抗剪强度（二）结构面的抗剪强度（二）结构面的抗剪强度（二）结构面的抗剪强度n不同摩擦特征结构面的强度曲线：不同摩擦特征结构面的强度曲线：n 较小较小时，发生时，发生滑移膨胀滑移膨胀 n 较大较大时，剪坏时，剪坏凹凸面凹凸面剪切面较光剪切面较光滑时，不呈滑时，不呈现内聚力现内聚力C（二）结构面的抗剪强度（二）结构面的抗剪强度n取得结构面抗剪强度值的方法：取得结构面抗剪强度值的方法：u室内直剪试验室内直剪试验u现场剪切试验现场剪切试验u巴顿峰值抗剪强度公式巴
39、顿峰值抗剪强度公式（二）结构面的抗剪强度（二）结构面的抗剪强度n室内直剪试验室内直剪试验u取样进行室内直剪试验。取样进行室内直剪试验。l可测得：可测得：l峰值抗剪强度峰值抗剪强度l残余抗剪强度残余抗剪强度ln曲线曲线（二）结构面的抗剪强度（二）结构面的抗剪强度n现场剪切试验现场剪切试验u可获得可获得:l原位结构面抗剪强度的各种参数和关系曲线。原位结构面抗剪强度的各种参数和关系曲线。能较真实地反映客观实际；能较真实地反映客观实际；现场试样制备、试验设备安装较复杂；现场试样制备、试验设备安装较复杂；试验周期长，费尽大；试验周期长，费尽大；不能进行大量试验。不能进行大量试验。（二）结构面的抗剪强度（
40、二）结构面的抗剪强度n巴顿峰值抗剪强度公式巴顿峰值抗剪强度公式u国际岩石力学学会推荐巴顿建议的简便方法国际岩石力学学会推荐巴顿建议的简便方法 l（峰值抗剪强度公式）：（峰值抗剪强度公式）：JRC：结构面粗糙度系数：结构面粗糙度系数JCS：结构面壁抗压强度：结构面壁抗压强度 r r：残余摩擦角：残余摩擦角（二）结构面的抗剪强度（二）结构面的抗剪强度n巴顿峰值抗剪强度公式巴顿峰值抗剪强度公式uJRC：结构面粗糙度系数结构面粗糙度系数u将实测结构面粗糙度剖将实测结构面粗糙度剖面与标准粗糙度剖面及面与标准粗糙度剖面及JRCJRC值对比，从而确定实值对比，从而确定实测结构面的测结构面的JRCJRC值。值
41、。（二）结构面的抗剪强度（二）结构面的抗剪强度n巴顿峰值抗剪强度公式巴顿峰值抗剪强度公式uuJCSJCS：结构面壁抗压强度结构面壁抗压强度结构面壁抗压强度结构面壁抗压强度u通常用回弹仪测得回弹值，经查表或换通常用回弹仪测得回弹值，经查表或换算得到算得到 JCSJCS值。值。（二）结构面的抗剪强度（二）结构面的抗剪强度n巴顿峰值抗剪强度公式巴顿峰值抗剪强度公式ur r ：残余摩擦角残余摩擦角u取决于结构面壁的风化程度和岩石种类。取决于结构面壁的风化程度和岩石种类。u未经风化的岩石未经风化的岩石：ur=25 35，常用值，常用值：30u强烈风化又无粘土充填强烈风化又无粘土充填：ur值可下降值可下降
42、15左右。左右。（二）结构面的抗剪强度（二）结构面的抗剪强度u结构面抗剪强度是定量评价岩体稳定性的重要参数。结构面抗剪强度是定量评价岩体稳定性的重要参数。u不同结构面具有不同的抗剪强度。不同结构面具有不同的抗剪强度。软弱结构面是岩体中软弱结构面是岩体中最薄弱的部分，是岩体最薄弱的部分，是岩体变形破坏的主要因素。变形破坏的主要因素。l软弱结构面：软弱结构面：软弱结构面：软弱结构面：l 是抗剪强度较低、易于是抗剪强度较低、易于发生软化、泥化、溶蚀、发生软化、泥化、溶蚀、潜蚀的结构面。潜蚀的结构面。二、岩体的力学特性二、岩体的力学特性（一）岩体的应力（一）岩体的应力应变曲线应变曲线（二）岩体的变形模
43、量（二）岩体的变形模量（三）岩体的抗剪强度（三）岩体的抗剪强度（一）岩体的应力（一）岩体的应力应变曲线应变曲线n岩体受力变形破坏的规律：岩体受力变形破坏的规律：既不同于岩石，既不同于岩石，也不同于结构面，也不同于结构面，是一种比较复杂的机理。是一种比较复杂的机理。与岩石受力变形破与岩石受力变形破坏相比，同类岩石坏相比，同类岩石组成的岩体变形更组成的岩体变形更大，强度降低。大，强度降低。n岩体的应力岩体的应力应变曲线形态主要取决于：应变曲线形态主要取决于：u岩石和结构面的工程性质；岩石和结构面的工程性质；u岩体结构类型；岩体结构类型；u外部荷载的大小。外部荷载的大小。nI：直线形曲线；直线形曲线
44、；n：上凹形转直线形曲线；：上凹形转直线形曲线；n：下凹形曲线；：下凹形曲线；nIV：S形形(上凹转下凹上凹转下凹)曲线。曲线。（一）岩体的应力（一）岩体的应力应变曲线应变曲线岩岩体体应应力力应应变变曲曲线线分分为为四四种种形形态态：直线形曲线直线形曲线直线形曲线直线形曲线：坚硬岩石组成的坚硬岩石组成的完整岩体的特征。完整岩体的特征。上凹形转直线形曲线上凹形转直线形曲线上凹形转直线形曲线上凹形转直线形曲线：坚硬岩石组成的裂隙坚硬岩石组成的裂隙岩体的特征。岩体的特征。下凹形曲线下凹形曲线下凹形曲线下凹形曲线：软弱岩石组成的软弱岩石组成的完整岩体的特征。完整岩体的特征。S S形形形形(上凹转下凹上
45、凹转下凹上凹转下凹上凹转下凹)曲线曲线曲线曲线：软弱岩石组成的裂隙软弱岩石组成的裂隙岩体的特征。岩体的特征。（一）岩体的应力（一）岩体的应力应变曲线应变曲线u坚硬完整岩体接近于坚硬完整岩体接近于弹性体弹性体弹性体弹性体l破坏方式多为破坏方式多为脆性断裂脆性断裂u软弱完整岩体、散体结构岩体软弱完整岩体、散体结构岩体，接近于接近于塑性体塑性体塑性体塑性体，l破坏方式多为破坏方式多为塑性剪坏塑性剪坏u大多数块状、层状及碎裂岩体大多数块状、层状及碎裂岩体，表现为复杂的表现为复杂的弹塑性体弹塑性体弹塑性体弹塑性体，并具有，并具有一定粘滞性，一定粘滞性，l岩体岩体破坏方式也较复杂破坏方式也较复杂。n地下工
46、程中常发生的地下工程中常发生的岩爆现象岩爆现象岩爆现象岩爆现象：u脆性断裂n地下开挖中边墙与底面向临空面地下开挖中边墙与底面向临空面鼓出鼓出鼓出鼓出：u塑性破坏n边坡与围岩中常见的边坡与围岩中常见的不稳定结构体滑移不稳定结构体滑移不稳定结构体滑移不稳定结构体滑移：u剪切破坏（一）岩体的应力（一）岩体的应力应变曲线应变曲线l在进行岩体稳定性在进行岩体稳定性分析时，对不同的岩分析时，对不同的岩体应采用不同的力学体应采用不同的力学理论与方法理论与方法。（一）岩体的应力（一）岩体的应力应变曲线应变曲线n岩体变形各向异性（特别是层理岩体）：岩体变形各向异性（特别是层理岩体）：n垂直层面或片理面方向结构面
47、容易压垂直层面或片理面方向结构面容易压密闭，岩体易于变形。密闭，岩体易于变形。n垂直层面或片理面方向变形模量常小垂直层面或片理面方向变形模量常小于平行结构面方向的变形模量。于平行结构面方向的变形模量。n岩体变形和强度各向异性的机理仍属于需要岩体变形和强度各向异性的机理仍属于需要进一步研究的问题。进一步研究的问题。（二）岩体的变形模量（二）岩体的变形模量u岩体的岩体的变形模量和抗剪强度变形模量和抗剪强度是岩体两个是岩体两个最重要的力学性质指标。最重要的力学性质指标。l一般，重大工程建筑给岩体的荷载远一般，重大工程建筑给岩体的荷载远达不到岩体的极限抗压强度值。达不到岩体的极限抗压强度值。而岩体的变
48、形往往是工程设计的重要而岩体的变形往往是工程设计的重要控制因素。控制因素。（二）岩体的变形模量（二）岩体的变形模量n岩体的力学性质指标，岩体的力学性质指标，不能单靠实验室试验方法不能单靠实验室试验方法确定。确定。n大比例现场试验是重要工程项目设计依据中最主要的部分。l岩体变形模量通常是通岩体变形模量通常是通过现场岩体变形试验测得过现场岩体变形试验测得（二）岩体的变形模量（二）岩体的变形模量目目前前常常用用的的现现场场变变形形试试验验有有：静静力力试试验验：动动力力试试验验：承承 压压 板板 试试 验验压压力力洞洞室室试试验验钻钻孔孔变变形形试试验验地地震震试试验验声声波波试试验验超超 声声 波
49、波 试试 验验（二）岩体的变形模量（二）岩体的变形模量静力试验：承承 压压 板板 试试 验验：压压力力洞洞室室试试验验：钻钻孔孔变变形形试试验验：在基础设计中最常在基础设计中最常采用，也可在小型采用，也可在小型隧洞或试验平洞内隧洞或试验平洞内测定岩体变形特性测定岩体变形特性时使用。时使用。（二）岩体的变形模量（二）岩体的变形模量静力试验：压压力力洞洞室室试试验验：承承 压压 板板 试试 验验：钻钻孔孔变变形形试试验验：多在隧洞设多在隧洞设计中使用，计中使用，特别在高压特别在高压水力隧洞中水力隧洞中用得最多。用得最多。（二）岩体的变形模量（二）岩体的变形模量静力试验：压压力力洞洞室室试试验验：钻
50、钻孔孔变变形形试试验验：其它试验方法其它试验方法无法测定时用无法测定时用利用各种钻孔膨胀装置，利用各种钻孔膨胀装置，对一定长度钻孔壁施加对一定长度钻孔壁施加均匀压力，同时测量孔均匀压力，同时测量孔径变形，并计算岩体的径变形，并计算岩体的变形参数。变形参数。钻孔试验涉及到的岩石钻孔试验涉及到的岩石体积很小，有必要进行体积很小，有必要进行大量试验以便取得一定大量试验以便取得一定范围内岩体变形特性的范围内岩体变形特性的代表性数据代表性数据。承承 压压 板板 试试 验验：（二）岩体的变形模量（二）岩体的变形模量动力试验：动力试验：基本原理：通过测定岩体中各种弹性波的纵波速度通过测定岩体中各种弹性波的纵