第5章 岩体的工程地质特性

在20世纪以前，由于生产规模和科学水平的限制，人们认为建筑物的安全仅与岩石的软硬有关、很少怀疑其整体稳定性。后来，随着生产和科学技术的发展，修建在岩基上的工程日益增多，规模也愈来愈大，出现了一些工程灾难性工程事故，使人们认识到，岩石地基的好坏不仅取决于岩石本身强度，而且还与多种因素有关，从而提出了岩体的概念，并开始注意有影响的其他因素。影响岩体稳定的因素有地形地貌条件岩性地质构造岩体的结构特征地应力地下水建筑物的规模、类型和施工方法等在多数情况下岩体结构特征可成为控制性因素。第一节岩体的结构特征一、结构面的成因类型根据成因，结构面分为原生的和次生的两大类。（一）原生结构面原生结构面是在岩石成岩过程中形成的，分为以下三类。1、沉积结构面层面沉积间断面沉积软弱夹层等沉积软弱夹层的强度低，遇水易软化。2、火成结构面岩浆侵入、喷出后冷凝过程中形成的结构面3、变质结构面残留的变余结构面变成的重结晶结构面（二）构造结构面节理劈理断层层间剪切带等。节理面分布最广泛，断层的延伸规模很大。（三）次生结构面由风化作用、卸荷及人类活动所形成的结构面卸荷裂隙风化裂隙风化夹层泥化夹层等二、结构面的特征一般从方位、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。（1）方位：即结构面的产状，表示方法与岩层产状相同。（2）间距：指一组结构面的平均间距。（3）延续性：它是表征结构面延伸长度和展布范围的指标。（4）粗糙度：结构面的粗糙程度可用粗糙系数（JRC）表示。（5）结构面侧壁强度：它可以反映结构面经受风化的程度，可用施密特回弹仪或点荷载仪测定结构面侧壁的强度。（6）张开度：指结构面两壁间的垂直距离。我国通常将张开度分成下述四级：闭合的小于0.2mm；微张的为0.2～1.0mm；张开的为1.0～5.0mm；宽张的大于5.0mm。（7）充填物：常见的充填物有砂、粘土、角砾、岩屑及硅质、钙质、石膏质沉淀物。（8）渗流：（9）节理组数：（10）块体大小与形状：软弱夹层是指在坚硬的层状岩层中夹有强度低、泥质或炭质含量高、遇水易软化、延伸较广和厚度较薄的软弱岩层。软弱夹层具有明显的低强度和高压缩性，大约是坚硬岩层的1/5～1/50。一般软弱夹层的强度和变形参数如下：磨擦系数f＜0.5饱和抗压强度Rb≤10MPa变形模量E0≤1000MPa软弱夹层是控制岩体稳定性的极端重要的因素许多工程的失事均与此有关。（一）软弱夹层的成因与分类原生次生一般按成因将软弱夹层分为沉积型、火成型、变质型、构造型、风化型及充填型（二）软弱夹层的特性软弱夹层的物理力学性质与夹层的物质组成、颗粒大小、含水量及起伏程度等多种因素有关。无论那种软弱夹层与围岩相比，都具有单轴抗压强度低，峰值磨擦系数小，变形模量小等特征，因而工程性质普遍较差，以泥化夹层最为突出。形成泥化夹层一般认为必须具备下述三个条件。（1）物质基础。粘土岩类夹层是泥化夹层形成的物质基础。（2）构造作用。构造作用可以破坏原来粘土岩夹层的完整性，为地下水的渗入提供通道；同时，原岩的矿物颗粒联接也会受到严重的破坏，为泥化提供了重要的有利条件。（3）地下水的作用。水在粘粒周围形成结合水膜，使颗粒进一步分散，颗粒间连接力减弱，含水量增加，使粘土岩夹层处于塑态甚至接近流态，即产生了泥化。第二节岩体的主要力学特性一、岩体的变形特征岩体的变形通常包括结构面和结构体变形两部分。应力-应变曲线分为四个阶段；OA节理压密闭AB弹性变形阶段BC微破裂或塑性变形；CD破坏阶段。对多数岩体而言，一般建筑物的荷载远达不到岩体的极限强度值。因此，设计人员所关心的主要是岩体的变形特性。图5-4岩石、岩体与结构面的σ-ε关系曲线变形模量或弹性模量是表征岩体变形的重要参数。岩体在荷载作用下对应于每一级压力的变形，均有弹性变形残余变形变形模量和弹性模量分别为epeeE图5-5岩体的弹性变形εe与残余变形εp岩体在加载变形过程中，其压力（P）与变形（W）的关系曲线通常为下列三种类型：直线型：是岩体完整，裂隙少、致密的反应。上凹型：反映出岩体中节理发育且充填不好。上凸型：反映了岩体表层坚硬，深部软弱岩层。图5-6岩体变形曲线的三种基本类型（a）直线型（b）上凹型（c）上凸型二、岩体的流变特征流变:应力或变形随时间而变化的性质称。流变性有蠕变和松驰两种表现形式。蠕变：指在应力一定的条件下，变形随时间的持续而逐渐增长的现象。松弛：指在变形保持一定时，应力随时间的增长而逐渐减小的现象。典型的蠕变曲线可分为以下三个阶段。（1）初始蠕变阶段（2）等速蠕变阶段（3）加速蠕变阶段图5-7不同应力条件下岩体的蠕变曲线o第三节岩体的天然应力状态岩体在天然状态下所存在的内在应力称为天然应力或初始应力，在地质学中，通常又称它为地应力。一、天然应力的组成图自重应力构造应力变异应力（特殊情况下考虑）1．自重应力假定岩体为均匀连续介质基础上计算岩体的自重应力重力场在岩体内任一点上形成相当于上覆岩层重量的垂直应力，即HZ若把岩体看作各向同性的弹性体，则由广义虎克定律可得：式中：H---为该点的深度；－为岩石的平均重度；－为岩石的泊松比；－为侧压力系数。对于大多数坚硬岩体；=0.2～0.3，故自重应力场造成的水平应力、约等于垂直应力的25%～43%ZZyx12．构造应力由构造运动所引起的，随空间和时间变化的，一般为水平应力，具有很强的方向性。目前，岩体的构造应力无法用理论方法进行计算，而只能采用现场应力量测的方法来求得。二、天然应力分布的规律1、岩体中存在三向不等的空间应力场岩体中存在三向应力且经常是不相等的，垂直应力通常是最小主应力，表明多数地区均存在构造应力。两个水平主应力也并不一定水平，其倾角多在10°～25°，最大不超过30°。2．水平应力与垂直应力的关系在地表及浅层地层中，大多数K1，随着深度增加，就会出现K=1的现象，这个深度成为临界深度。3．水平应力具有强烈的方向性第四节工程岩体分类一、概述从定性和定量两个方面来评价岩体的工程性质，是工程技术人员按照统一的概念和标准进行工作和交流的要求。二、分类的目的对工程建筑物基础或围岩体进行分类，并根据其好坏，进行相应的试验，赋予它必不可少的计算指标参数，以便于合理地设计和采取相应的工程措施，达到经济、合理、安全的目的。工程岩体分类有：通用分类专门分类通用的分类是较少针对性和原则性，是大致分类。专用的分类是专为某种工程目的服务而编制的分类。三、工程岩体分类的因素（一）岩石材料的性质（二）岩体的完整性（三）水的影响（四）地应力综上所述，目前在工程岩体分类中，作为评价的独立因素，只有岩石质量、岩体结构面和水的影响等，地应力影响，只能在综合因素中反映。四、工程岩体代表性分类简介（一）我国工程岩体分级标准我国《工程岩体分级标准》（GB50218-94）考虑下几个方面。（1）确定岩体基本质量定量确定岩石的坚硬程度与岩体完整性指数（KV）。岩石坚硬程度采用岩石单轴饱和抗压强度（Rc）。表5-10Rc与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系Rc(MPa)＞6060-3030-15815-5＜5坚硬程度坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩岩体完整性指数（）可用弹性波测试方法确定：式中：Vpm——岩体弹性纵波速度（km/s）；Vpr——岩石弹性纵波速度（km/s）。当现场缺乏弹性波测试条件时，可选择有代表性露头或开挖面，对不同的工程地质岩组进行节理裂隙统计，根据统计结果计算岩体体积节理数（Jv）（条/m3）：式中:Sn——第n组节理每米长测线上的条数；Sk——每立方米岩体非成组节理条数。Ju与KV的对照关系见表5-11，与岩体完整性程度定性划分的对应关系，见表5-12。22prpmVVKknSSSSJ21JK（2）岩体基本质量分级岩体基本质量分级，应根据岩体基本质量的定性特征和岩体基本质量指标（BQ）两者相结合，按表5-13确定。表5-11J与K对照表J（条/m3）＜33-1010-2020-35＞35K＞0.750.75-0.550.55-0.350.35-0.15＜0.15表5-12K与定性划分的岩体完整程度的对应关系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岩体基本质量指标（BQ）按下式计算：式中：BQ—岩体基本质量指标；Rc—岩石单轴饱和抗压强度的兆帕数值；KV—岩体完整性指数值，0~1之间。注意，使用本式时，应遵守下列限制条件：KRBQc250390（a）当3090KRc时，应以3090KRc和K代入计算BQ值；（b）当4.004.0cRK时，应以4.004.0cRK和cR代入计算BQ值。表5-13岩体基本质量分级基本质量级别岩体基本质量的定性特性岩体基本质量指法标（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；较软岩与软硬互层，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结合工程具体情况，计算岩体基本质量指标修正值[BQ]，并仍按表5-13所列的指标值确定本工程的工程岩体级别。岩体基本质量指标修正值[BQ]可按下式计算：式中：[BQ]——岩体基本质量指标修正值；BQ——岩体基本质量指标；K1——地下水影响修正系数；K2——主要较弱结构面产状影响修正系数；K3——初始应力状态影响修正系数。K1，K2，K3值，可分别按表5-14、表5-15、表5-16确定。无表中所列情况时，修正系数取零。[BQ]出现负值时，上式不再适用。)(100][321KKKBQBQ（二）其他分类方法1、按岩石的单轴抗压强度分类见表5-17。表5-17石按的抗压强度分类类别岩石按抗压强度分类)(acMRR岩石类别Ⅰ250～160特坚岩Ⅱ160～100坚岩Ⅲ100～40次坚岩Ⅳ＜40软岩2、按岩体完整性分类(1)按岩石质量指标RQD分类RQD是以修正的岩芯采取率来确定的。岩芯采取率就是采取岩芯总长度与钻孔长度之比。而RQD，即修正的岩芯采取率是选用坚固完整的、其长度等于或大于10cm的岩芯总长度与钻孔长度之比，并用百分数表示，即%10010LcmlRQD按RQD值的大小来描述岩石的质量见表5-18。RQD也可按体积节理统计数计算，公式如下：表5-18RQD大小的岩石工程分级等级RQD（%）工程分级I90～100极好的II75～90好的III50～75中等的IV25～50并的V0～25极差的JRQD3.3115（当100,5.4RQDJ取时）（2）以弹性波（纵波）速度分类（略）（3）岩体的岩土力学分类又称岩体评分值（RMR）分类。将影响岩体质量的五个通用参数和一个修正参数根据不同情况打分，根据最后总得分评定。五个通用参数为：抗压强度（R1）岩石质量指标RQD（R2）节理间距（R3）节理状态（R4）地下水状态（R5）修正参数的R6各参数的得分值根据不同情况参见表5-20至5-26。654321RRRRRRRMR表5-26岩体的岩体力学分类类别岩体的描述岩体评分值RMRI很好的岩石81～100II好的岩石61～80III较好的岩石41～60IV较差的岩石21～40V很差的岩石0～20