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1、第一节 岩体及岩体结构概述第二节 岩体的工程性质第三节 岩体的稳定性评价第1页/共187页第一节 岩体及岩体结构概述第2页/共187页1、岩体（rockmass）:与工程活动有关的那部分地质体，地壳的一部分。岩体的范围：取决于工程的形状、位置、工程类型、工程规模等。一、岩体概述第3页/共187页2、岩体分类按岩体对工程作用特征可分为三大类：地基岩体:房屋、桥梁、路基等下岩体；边坡岩体:人工开挖暴露出来的斜坡岩体；周围岩体:隧道等地下工程周围的岩体。一、岩体概述第4页/共187页3、岩体与岩石（比较）岩体：是地壳的一部分，有结构体及结构面组成，即由各种岩石块体组合而成的岩石结构物。岩石：指天然的
2、石料，其性质取决于矿物成分、结构和构造。岩石可以看成是均质、各向同性的材料。“岩体”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。一、岩体概述第5页/共187页岩体与岩石(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。第6页/共187页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
3、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增加，最终引发地震。”断裂是大的，深的断层.第7页/共187页1 1、结构
4、面的类型(1)(1)原生结构面(2)(2)构造结构面(3)(3)次生结构面（一）结构面第8页/共187页近100年来坝体因对岩体软弱面稳定性认识不足而失事者达45%以上。法国60m高的坝体，1959年因左坝肩片麻岩中的绢云母页岩软弱层滑动而失稳。1963年，意大利一水库，2亿m3此岩体下滑淤满水库，死2600余人，震动了整个岩土工程与工程地质界。岩体与岩石 第9页/共187页岩体：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。结构面：岩体中的软弱面。结构体：岩体中的岩块。二、岩体结构概述第10页/共187页n岩石岩石（Rock）矿物、岩屑的集合体。n结结构构面面（Structu
5、ral 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 几个基本概念第11页/共187页(一)地质成因类型1.1.原生结构面岩体在成岩过程中形成的结构面。沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。岩浆结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结
6、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。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 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。3.次生结构面 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。第12页/共187页(1)(1)原生结构面：岩浆岩冷凝收缩而成的原生节理面。沉积中层理面（不整合面）等物质分界面。变质岩中的片理面。（一）结构面第13页/共187页(2)(2)构造结构面节理裂隙断层（一）结构面第14页/共187页(3)(3)次生结构面风化裂隙面卸荷
7、裂隙面爆破裂隙面滑坡裂隙面溶蚀裂隙面等（一）结构面第15页/共187页2 2、结构面的特征表征结构面地质特征的参数如下：（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岩块尺寸岩块尺寸第16页/共187页(1)(1)产状：结构面在空间的分布状态。以结构面倾向和倾角表示。u在很大程度上决定着单独岩块的形状及岩体的稳定性。2、结构面的特征第17页/共187页(2)(2)间距:同组相邻结构面间的垂直距离通常指平均间距或常见的间距在很大程度上控制着单独岩块的尺寸对岩体的破坏形式有重要影响2、结构面的
8、特征第18页/共187页(3)(3)持续性:暴露面上能够见到的结构面迹线的长度。区域性断层面持续长度可达数百数千米，若贯穿工程区域，对工程稳定有全局性影响。结构面持续性对不同工程有不同作用。u平面状结构面无分叉地延伸5 510m10m，对隧道围岩稳定性有较大影响。2、结构面的特征第19页/共187页(4)(4)粗糙度：相对于结构面平均平面的平整光滑程度。结构面壁的粗糙程度对抗剪强度有利。2、结构面的特征第20页/共187页(4)(4)粗糙度：大规模的粗糙度：也称起伏度起伏度：用起伏坡面与结构面平均平面夹角i表示。2、结构面的特征第21页/共187页(4)(4)粗糙度：中等规模粗糙度分三种u台阶
9、形u波浪形u平面形小规模的粗糙度分三种u粗糙的u平坦的u光滑的2、结构面的特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第22页/共187页(4)(4)粗糙度：u结构面抗剪强度:2、结构面的特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)第23页/共187页(5)(5)结构面壁强度结构面相邻岩壁的等效抗压强度。u它与岩体结构面的抗剪强度、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
10、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块内部新鲜岩石的强度。块内部新鲜岩石的强度。2、结构面的特征第24页/共187页(6)(6)裂缝开度张开结构面相邻岩壁间的垂直距离。裂缝开度对岩体变形特征和水的渗透有很大影响。大的裂缝开度可能是由于具有大规模粗糙度的结构面的剪切位移，或由于张裂、冲刷及溶解作用造成的。2、结构面的特征第25页/共187页(6)(6)裂缝开度大多数地下岩体的裂缝开度较小，一般小于0.5mm。结构面按裂缝开度大小可分为三类:u闭合结构面(0.5mm)u裂开结构面(0.510mm)u张开结构面(1100cm)2、结构面的特征第26页/共187页(7)(7)充填物充
11、填于结构面相邻岩壁间的物质。u常有方解石、绿泥石、粘土、断层泥、角砾等。充填物的物理力学性质(尤其是变形性能和渗透性)、厚度对结构面的工程性质影响较大。2、结构面的特征第27页/共187页(8)(8)(8)(8)渗透性渗透性水水沿沿岩岩石石孔孔隙隙（原原生生渗渗透透）和和导导水水结结构构面面 （次次生生渗渗透透）的流动。的流动。可可用用于于判判定定地地下下水水的的流流向向、含含水水情情况况，从从而而依依此此判判定定岩岩体体的的稳稳定定性性或或地地下下工工程程施施工工的涌水预测。的涌水预测。2、结构面的特征第28页/共187页(9)(9)(9)(9)节理组数：节理组数：组成交叉节理系的节理组的数
12、目。组成交叉节理系的节理组的数目。u节理组的数目影响岩体的完整性和力学性质。u如：节理组数可能是边坡岩体稳定性的决定性因素。2、结构面的特征第29页/共187页(10)(10)(10)(10)岩块尺寸：结构体的形状、大小。u是岩体的一个特别重要的特征。u可根据交叉节理组的相互方位和各个节理组的间距来确定。2、结构面的特征第30页/共187页 （二）结构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、与工程的相对位置 影响岩体的稳定性。第31页/共187页二二、结结 构构 面面 的的 规规模模级 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；级 指延伸长而宽度
13、不大的区域性地质界面。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第32页/共187页级 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。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。二二、结结 构构 面面 的的
14、 规规模模第33页/共187页走向、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。三、三、产状产状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：第34页/共187页四 连续性结构面的连续性反映结构面的贯通程度。1、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。第35页/共187页结构面连续性分级表 描述迹长（m）很低连续性20第36页/共187页五 密度v结构面的
15、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:第37页/共187页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2060006000第38页/共187页用线密度来估算岩体质量指标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。第39页/共187页六 张开度结构面的张开度是指结
16、构面两壁面间的垂直距离。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渗透系数(Kf)可表达为：第40页/共187页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第41页/共187页 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。第42页/共187页第43页
17、/共187页第44页/共187页七 形态结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。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。第45页/共187页（二）结构体结构体的形状和大小：结构体的形状：取决于结构面组数及其产状常见的六种：第46页/共187页2 岩体的结构类型岩体结构类型岩体地质类型主要结构形状结构面发育情况岩土工程特征可能发生的岩土工程问题整体状结 构均质，巨块状岩浆岩、变质岩，巨厚层沉积岩、正变质岩巨块状以原生构造节理为主，多呈闭合型，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，无
18、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，可视为均质弹性各向同性体不稳定结构体的局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆块状结构厚层状沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩块状、柱 状只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，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，结构面互相牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体层状结构多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩层状、板状、透镜体有层理、片理、节理，常有层间错动面接近均一的各向异性体，其变形及强度特征受层面及岩层组合控制，可视为弹塑性体，稳定性较差不稳定结构体可能产生滑塌，特别是岩层的弯张破坏及软弱岩
19、层的塑性变形碎裂状结构构造影响严重的破碎岩层块状断层、断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育，裂隙结构面间距0.250.5m，一般在，一般在3组以上，由许多分离体形成完整性破坏较大，整体强度很低，并受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质，稳定性很差易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳散体状结构构造影响剧烈的断层破碎带，强风化带，全风化带碎屑状颗粒状断层破碎带交叉，构造及风化裂隙密集，结构面及组合错综复杂，并多充填粘性土，形成许多大小不一的分离岩块完整性遭到极大破坏，稳定性极差，岩体属性接近松散体介质易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳第47页/共187页（二）结构体结构体的形
20、状和大小：结构体的大小：取决于结构面组数及其间距。第48页/共187页（二）结构体结构体的形状和大小：结构体的大小：大块岩石组成的岩体易于形成地下拱或锁合作用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。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。第49页/共187页（二）结构体结构体的形状和大小：结构体尺寸表示：n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理数目表示。第50页/共187页（二）结构体2.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:u在同一个工程部位有不同的稳定性。图中岩块A的稳定性：楔体处于拱顶中心位置 刃
21、角朝下稳于刃角朝上 第51页/共187页 2.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：u有不同的稳定性。图中水平板状岩块：在拱顶和边墙部位的稳定性不同。（二）结构体第52页/共187页（三）岩体结构类型岩体结构：由结构面和结构体组合而成。岩体结构类型：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 体体第53页/共187页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
22、。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5-2。（三）岩体结构类型第54页/共187页 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；岩体结构类型可直接用于岩体稳定性的评价。第55页/共187页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：u整体块状岩体近似于弹性体u层状及碎裂岩体可视为弹塑性体u散体岩体
23、接近于塑性体u岩体结构分类为岩体稳定性定量评价提供了理论基础。第56页/共187页5.2 5.2 岩体的工程性质岩体的工程性质一、结构面的工程性质二、岩体的力学特性三、岩体中的地应力状态第57页/共187页第二节 岩体的工程性质包括：岩体的变形性质岩体的强度性质岩体中天然应力状态第58页/共187页第二节 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。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：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
24、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性质。一般取决于岩石的工程性质。第59页/共187页一、结构面的工程性质u结构面的工程性质与其十项地质特征有关。n（一）结构面的变形特征n（二）结构面的抗剪强度第60页/共187页（一）结构面的变形特征n n结构面的变形包括：uu结构面的法向变形uu结构面的剪切变形第61页/共187页（一）结构面的变形特征l结构面的法向变形：u结构面在法向正应力（n）压缩作用下的闭合变形。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。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。uu一般结构面均有一定粗糙度，
25、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。第62页/共187页（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：l法向变形（法向变形（
26、V V）与法向正应力（）与法向正应力（n n）之间一般是）之间一般是非线性的关系。非线性的关系。l法向刚度系数法向刚度系数KnKn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。第63页/共187页（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。第64页/共187页（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
27、验所得剪应力()与相应的剪切位移与相应的剪切位移(u)的关系的关系曲线表示。曲线表示。u曲线曲线第65页/共187页（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)的关系的关系曲线表示。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。第66页/共187页n库仑强度理论：n结构面抗剪强度基本表达式为：l抗剪强度由
28、摩擦阻力及粘聚力两部分组成：摩擦阻力：u随n而增大，摩擦系数f=tgu粘聚力：u取决于结构面壁岩石的性质，用C表示。=n tg+C（二）结构面的抗剪强度第67页/共187页（二）结构面的抗剪强度n不同摩擦特征结构面的强度曲线：n 较小时，发生滑移膨胀 n 较大时，剪坏凹凸面剪切面较光滑时，不呈现内聚力C第68页/共187页（二）结构面的抗剪强度n取得结构面抗剪强度值的方法：u室内直剪试验u现场剪切试验u巴顿峰值抗剪强度公式第69页/共187页（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。l可测得：l峰值抗剪强度l残余抗剪强度ln曲线第70页/共187页（二）结构面的抗
29、剪强度n现场剪切试验现场剪切试验u可获得:l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；现场试样制备、试验设备安装较复杂；试验周期长，费尽大；不能进行大量试验。第71页/共187页（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 l（峰值抗剪强度公式）：JRC：结构面粗糙度系数JCS：结构面壁抗压强度 r r：残余摩擦角第72页/共187页（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JRCJR
30、C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。第73页/共187页（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uJCSJCS：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。第74页/共187页（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u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：ur=25 35，常用值：30u强烈风化又无粘土充填：ur值可下降15左右。第75页/共187页（二）结构面的抗剪强度u结构
31、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。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：l 是抗剪强度较低、易于发生软化、泥化、溶蚀、潜蚀的结构面。第76页/共187页二、岩体的力学特性（一）岩体的应力应变曲线（二）岩体的变形模量（三）岩体的抗剪强度第77页/共187页（一）岩体的应力应变曲线n岩体受力变形破坏的规律：既不同于岩石，也不同于结构面，是一种比较复杂的机理。与岩石受力变形破坏相比，同类岩石组成的岩体变形更大，强度降低。n岩体的应力应变曲线形态主要取决于：u
32、岩石和结构面的工程性质；u岩体结构类型；u外部荷载的大小。第78页/共187页 I：直线形曲线；：上凹形转直线形曲线；：下凹形曲线；IV：S形(上凹转下凹)曲线。（一）岩体的应力应变曲线岩体应力应变曲线分为四种形态：第79页/共187页直线形曲线直线形曲线：坚硬岩石组成的完整岩体的特征。上凹形转直线形曲线上凹形转直线形曲线：坚硬岩石组成的裂隙岩体的特征。下凹形曲线下凹形曲线：软弱岩石组成的完整岩体的特征。S S形形(上凹转下凹上凹转下凹)曲线曲线：软弱岩石组成的裂隙岩体的特征。第80页/共187页（一）岩体的应力应变曲线u坚硬完整岩体接近于弹性体弹性体l破坏方式多为脆性断裂u软弱完整岩体、散体
33、结构岩体，接近于塑性体塑性体，l破坏方式多为塑性剪坏u大多数块状、层状及碎裂岩体，表现为复杂的弹塑性体弹塑性体，并具有一定粘滞性，l岩体破坏方式也较复杂。第81页/共187页n地下工程中常发生的地下工程中常发生的岩爆现象岩爆现象：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：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：u剪切破坏第82页/共187页（一）岩体的应力应变曲线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。第83页/共187页（一）岩
34、体的应力应变曲线n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容易压密闭，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。第84页/共187页（二）岩体的变形模量u岩体的变形模量和抗剪强度是岩体两个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达不到岩体的极限抗压强度值。而岩体的变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。第85页/共187页（二）岩体的变形模量n岩体的力学性质指标，不能单靠实
35、验室试验方法确定。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 第86页/共187页（二）岩体的变形模量目前常用的现场变形试验有：静力试验：动力试验：承 压 板 试 验 压力洞室试验 钻孔变形试验地震试验声波试验超 声 波 试 验第87页/共187页（二）岩体的变形模量静力试验：承 压 板 试 验：压力洞室试验：钻孔变形试验：在基础设计中最常采用，也可在小型隧洞或试验平洞内测定岩体变形特性时使用。第88页/共187页（二）岩体的变形模量静力试验：压力洞室试验：承 压 板 试 验：钻孔变形试验：多在隧
36、洞设计中使用，特别在高压水力隧洞中用得最多。第89页/共187页（二）岩体的变形模量静力试验：压力洞室试验：钻孔变形试验：其它试验方法无法测定时用利用各种钻孔膨胀装置，对一定长度钻孔壁施加均匀压力，同时测量孔径变形，并计算岩体的变形参数。钻孔试验涉及到的岩石体积很小，有必要进行大量试验以便取得一定范围内岩体变形特性的代表性数据。承 压 板 试 验：第90页/共187页（二）岩体的变形模量动力试验：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波速度（VpVp）和横波速度（）和横波速度（VsVs），来确定动弹），来确定动弹性常数（动弹模量性常数（动弹模量E Ed d和动
37、泊松比和动泊松比d d）。）。动力法依据的是弹性理论，而岩体并非理想动力法依据的是弹性理论，而岩体并非理想动力法依据的是弹性理论，而岩体并非理想动力法依据的是弹性理论，而岩体并非理想弹性体，因此测出的动弹模量普遍大于静弹模量。弹性体，因此测出的动弹模量普遍大于静弹模量。弹性体，因此测出的动弹模量普遍大于静弹模量。弹性体，因此测出的动弹模量普遍大于静弹模量。岩石愈软弱，结构面愈发育，岩石愈软弱，结构面愈发育，岩石愈软弱，结构面愈发育，岩石愈软弱，结构面愈发育，E E E Ed d d dE E E Es s s s比值愈大，一比值愈大，一比值愈大，一比值愈大，一般为般为般为般为1 1 1 15
38、5 5 5，岩体质量很差时，此比值可达，岩体质量很差时，此比值可达，岩体质量很差时，此比值可达，岩体质量很差时，此比值可达20202020。第91页/共187页（二）岩体的变形模量现场试验所得变形参数值均小于室内岩块变形参数值。现场试验所得变形参数值均小于室内岩块变形参数值。因为现场岩体变形试验中规定了试验面因为现场岩体变形试验中规定了试验面积内应包含一定数量结构面，且加荷面积比积内应包含一定数量结构面，且加荷面积比室内岩块试验大得多。室内岩块试验大得多。钻孔变形试验中测得的高值接近室内试验值。第92页/共187页（三）岩体的抗剪强度岩体强度岩体强度：(包括包括)单轴抗压强度单轴抗压强度抗拉强
39、度抗拉强度抗剪强度抗剪强度三轴强度三轴强度应用最多u边坡、洞室及地基岩体稳定性多与岩体的边坡、洞室及地基岩体稳定性多与岩体的抗剪强度密切相关。抗剪强度密切相关。第93页/共187页（三）岩体的抗剪强度岩体现场抗剪试验方法：岩体现场抗剪试验方法：两种方法：斜推法 1砂浆顶板 2钢垫板 3传力柱 4压力表 5液压千斤顶 6滚轴排 7混凝土后座 8斜垫板 9钢筋混凝土罩斜推法平推法第94页/共187页（三）岩体的抗剪强度斜推法岩体指标抗剪断试斜推法岩体指标抗剪断试验验(岩体现场抗剪断试验岩体现场抗剪断试验)在现场切出方柱形岩体，底部受剪面积25002，最小边长不小于50cm，高度不小于50cm。四周
40、套上安全保护罩，罩底预留剪切缝 d，d0.52 cm。斜推力和垂直力的合力通过剪切面中心，（剪切缝中部 d2处）。斜推法第95页/共187页（三）岩体的抗剪强度n试验成果：l不同正应力下的剪应力剪切位移关系曲线。l可得：不同正应力条件下：峰值抗剪强度值残余抗剪强度值岩体的C、值斜推法第96页/共187页三、岩体中的地应力状态（）地应力概念（二）岩体中天然应力的某些特征第97页/共187页（）地应力概念1.1.初始应力（天然地应力）：岩体中任何一点都受到力的作用。在工程施工之前岩体中已经存在的应力。2.2.次生应力：在工程施工过程及完工后，初始应力发生变化，引起的应力重新分布。第98页/共187
41、页（）地应力概念岩体是天然应力状态下长期、复杂的地质作用过程的产物，岩体初始应力场是多种不同成因、不同时期应力场的叠加综合的结果。初始应力的来源：第99页/共187页（）地应力概念初始应力的来源：自重应力构造应力沉积作用固结作用脱水作用结晶作用温度应力地 震 力水 压 力变质作用引起的应力最主要第100页/共187页（）地应力概念各处岩体中初始应力大小、分布及变化情况有很大差别。（见教材表5 58 8）岩体中初始应力状态与岩体工程，特别是地下工程的受力状态及稳定性有密切关系。图示：l不同初始应力状态下隧道变形破坏情况不同。第101页/共187页（二）岩体中天然应力的某些特征岩体中存在着天然应力
42、天然应力对工程建筑物稳定性有重要影响研究天然应力的大小、分布规律等特征目前对岩体中天然应力的大小、分布规律目前对岩体中天然应力的大小、分布规律等特征的研究还很不够。等特征的研究还很不够。深入研究岩体天然应力势在必行。深入研究岩体天然应力势在必行。第102页/共187页（二）岩体中天然应力的某些特征简要介绍已有的一些成果：天然应力的一般特征垂直应力的某些特征水平应力的某些特征第103页/共187页天然应力的一般特征天然应力随深度增大而增大。这是根据国内外的实测资料分析、总结发现的。我国测点最深的500500多米，一般在200 m 200 m 深度以内。最大测深已超过3000 m 3000 m，大
43、部分测点在1000m1000m之内。第104页/共187页（据E.T.布朗和E.霍克1978资料）垂直应力分量v v与深度关系如图：v v随深度H H增大。天然应力的一般特征第105页/共187页水平应力分量总和与深度关系如图：ABAB线：水平分量总和1 1+2 2 随深度H H而增大。静水压力理论值：静水压力理论值：OCOC线：1 1+2 22 2 H H弹性理论值：弹性理论值：ODOD线：1 1+2 2 /（1-1-）2 2 H H天然应力的一般特征第106页/共187页天然应力的一般特征引起岩体中天然应力的两个主要来源：上覆岩体自重应力岩体中构造应力第107页/共187页天然应力的一般特
44、征上覆岩体自重应力在岩体中可按静水压力理论考虑：垂直应力v v=水平应力H H h h埋深不大时，按弹性理论考虑：（因岩体有一定强度）v v H HH H/（1-1-）H H第108页/共187页天然应力的一般特征岩体中构造应力较复杂，对岩体稳定影响较大。目前主要通过地质力学方法对构造体系进行分析；最大主应力方向为垂直于构造线方向；水平分量一般大于垂直分量。构造应力一般为压应力；构造应力目前还只能通过现场实测数值进行分析。第109页/共187页 垂直应力的某些特征世界上大部分资料表明：地下几十米至地下几十米至2700m2700m2700m2700m左右的范围内，垂直应力左右的范围内，垂直应力大
45、体上等于按岩石平均容重为大体上等于按岩石平均容重为2.7g/2.7g/2.7g/2.7g/3 3 3 3计算。计算。v v=0.027H=0.027H（MPaMPa）v v值相对于平均值线的分散度小于5 5。个别油矿井中，v v实测值比HH大l.5l.52 2倍。第110页/共187页 垂直应力的某些特征我国的统计资料：v v=0.8=0.81.21.2 H H的仅占13.7%13.7%v v 0.8 0.8 H H的占17.37%17.37%v v 1.2 1.2 H H的占69%69%未经过强烈构造运动，岩层产状比较平缓时：v v=H=H构造运动强烈、岩层产状复杂的地区：多数情况为：v v
46、HH第111页/共187页水平应力的某些特征自重应力引起的侧限水平应力构 造 应 力 的 水 平 分 量迭加成水平应力多为压应力，拉应力甚少。H H与v v的关系：H H5 50 00 0 m m：H Hv v H H1 10 00 00 0m m：H Hv v水水平平应应力力有有强强烈烈的的方方向向性性第112页/共187页一、概述（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素（二）岩体稳定性评价的方法二、铁路部门应用的某些经验数据第三节 岩体的稳定性评价第113页/共187页（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学2.影响岩体稳定性的因素（二）岩体稳定性评价的方法一
47、、概述第114页/共187页(1)(1)岩体稳定性岩体稳定性:岩体在工程施工期间和运营期间发生的 -变形和破坏特性。岩体失稳:在工程施工和运营期间，岩体发生了不能容许的变形和破坏。稳定的：岩体未发生不能容许的变形和破坏。（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学第115页/共187页(1)(1)岩体稳定性岩体稳定性:各类工程有不同的结构特点和用途，对岩体的稳定性有不同的要求。拱桥基础对地基岩体变形要求十分严格；简支梁桥基础容许一定数量的地基岩体均匀压缩变形。水库边坡上容许发生一些规模不大的滑坡与崩塌；铁路路堑边坡不容许发生这样的边坡岩体滑动与崩塌。不同的地下工程对
48、地下洞室围岩稳定性有不同要求。如：铁路隧道 地下电站厂房 地下储油库等。（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学第116页/共187页（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学(2)岩体稳定性评价：研究工程岩体发生失稳的条件发生失稳的条件 及变形破坏的规律变形破坏的规律，为人类利用和改造岩体服务。n岩体稳定问题一直是工程地质学研究的最主要任务。最主要任务。第117页/共187页（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学(2)岩体稳定性评价：评价方法：传统的工程地质学定性分析传统的工程地质学定性分析 岩岩
49、 石石 力力 学学 定定 量量 分分 析析相互结合目前已形成以研究岩体稳定性为主要任务的新学科目前已形成以研究岩体稳定性为主要任务的新学科 岩体工程地质力学第118页/共187页(3)(3)岩体工程地质力学主要观点如下：岩体工程地质力学主要观点如下：认为岩体稳定性问题是一个岩体结构问题。岩体结构是在长期地质历史中，经过岩石建造、构造变形和次生蜕变形成的一种地质结构，因此，必须在地质力学背景研究的基础上认识岩体结构。应力状态的作用是通过岩体结构的力学效应表现出来的。（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学第119页/共187页(3)(3)岩体工程地质力学主要观点如
50、下：岩体工程地质力学主要观点如下：作好岩体稳定性评价，必须引进数学力学分析方法和物理力学测试技术。在分析岩体结构时要考虑应力状态和荷载的作用，力学分析时注意应力分布受岩体结构的影响，使分析方法与之相适应。（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学第120页/共187页(3)(3)岩体工程地质力学主要观点如下：岩体工程地质力学主要观点如下：岩体工程地质力学的理论和方法已经引起国内外工程地质界的重视并应用于工程实践中，特别在地下工程围岩稳定性评价和边坡稳定性评价方面。（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学第121页/共187页岩体的稳