补充岩体结构和工程地质特性

4岩体结构和工程地质特性4.1岩体的结构特征岩体的基本概念：岩体通常指工程影响范围内的地质体，它由处于一定应力状态、被各种结构面切割的岩石所组成。岩体(rockmass)＝结构面(discontinuities)+岩石(rocks)工程岩体：地基岩体、边坡岩体、地下洞室围岩结构面：指岩体中具有一定方向、力学特性相对较差、两向延伸（或具有一定厚度）的各种地质界面的总称。由于中断了岩体的连续性，故又称不连续面，如层面、节理、断层、软弱夹层等。4.1.1结构面的成因类型原生结构面：岩石成岩过程中形成的结构面。沉积结构面：层理、层面、沉积不整合面、沉积软弱夹层。火成结构面：岩浆侵入、喷溢及冷凝过程中形成的结构面。变质结构面：包括残余的变余结构面和变成的重结晶结构面。次生结构面内动力成因型结构面（构造结构面）：受构造应力作用。外动力成因型结构面（表生结构面）：如卸荷裂隙（长江链子崖危岩体）、泥化夹层及表生夹泥。4.1.2结构面的特征1978年ISRM实验室和野外试验标准委员会制定的《岩体不连续面定量描述的建议方法》方位：结构面的产状（走向、倾向、倾角）间距：反映岩体完整程度和块体大小延续性：反映结构面的连通率粗糙度：反映结构面的起伏状况结构面侧壁强度：反映结构面受风化影响的程度张开度：又称隙宽，即裂隙的宽度充填物：不同物质充填对力学特性有显著影响渗流：反映地下水的活动状况节理组数：反映岩体被切割的状况块体大小：可用块度和体积节理数反映4.1.3软弱夹层基本定义：软弱夹层（尤其是泥化夹层）是岩体中非常软弱的结构面，是坝基岩体、边坡岩体和洞室围岩稳定性的制约因素。软弱夹层的分类按成因分类：参照P127的表4-5。按夹层的物质组成分类：长委会建议的分类a.软岩夹层b.碎块夹层c.碎屑夹层d.泥化夹层4.1.3软弱夹层软弱夹层的特性：物理力学性质与夹层的物质组成、粘土矿物、颗粒大小、含水量、起伏状况有密切联系。软岩夹层：对于粘粒含量较多的粘土岩，遇水膨胀、崩解；对于可溶岩，遇水溶解。Rc＜15MPa，f’=0.4-0.6，E0＜2000MPa。如边坡稳定碎块夹层：粒径＞2mm的粗碎屑占80%以上，粘粒含量低于10%。面起伏较大，应力应变关系复杂，f’=0.45-0.6，E0=200~1000MPa。如隧洞稳定碎屑夹层：粒径＞2mm的粗碎屑占30～50%以上，2～0.5mm的粗碎屑占30%以上，粘粒占10-30%，f’=0.30-0.45，E0=50~200MPa。如隧洞稳定4.1.3软弱夹层泥化夹层：w≥wp。具有结构松散、孔隙比大、密度小、含水量大、粘粒含量高、力学特性差的特点，f’=0.45-0.6，E0＜50MPa。如葛洲坝水电站泥化夹层形成的三个基本条件：a.物质基础：粘土岩类夹层，粘粒含量高，且以蒙脱石为主的粘土矿物。b.构造作用：完整性被破坏，有利于地下水的运动；矿物颗粒的性质和成分受到破坏。c.地下水的作用：泥化作用，孔隙水压力作用，溶解作用等。4.1.4岩体的结构类型整体块状层状结构碎裂结构散体结构4.2岩体的主要物理力学特性4.2.1岩石的主要物理性质1)密度和重度2)相对密度（比重）3)孔隙度（孔隙率）4)吸水率和饱和吸水率4.2.1岩石的主要物理性质1)密度和重度岩石密度ρ（g/cm3）：试样质量m（g）与试样体积V（cm3）的比值Vm80.9g天然密度干密度ρd含水量w（％）重度γ（kN/m3）：单位体积岩石受到的重力，与密度ρ的关系为4.2.1岩石的主要物理性质2)相对密度（比重）Gs干试样质量m（g）与4℃时同体积纯水质量（岩石固体体积与水的密度之积）的比值wsssVmG4.2.1岩石的主要物理性质3)孔隙度（孔隙率）n试样中孔隙（包括微裂隙）的体积Vv（cm3）与试样总体积V（cm3）的百分比VVnvvvVVVenneeen11或孔隙比e孔隙度n与孔隙比e之间的关系4.2.1岩石的主要物理性质4)吸水率Wa和饱和吸水率Wsa%1001swammW%1001swsammWsaa饱水系数kw4.2.1岩石的主要物理性质岩石的耐冻性岩石的饱水系数kw可以作为岩石耐冻性判别的指标。饱水系数越大的岩石，耐冻性越差。岩石种类耐冻岩石不耐冻岩石一般岩石的理论值kw＜0.9kw≥0.9粒状结晶、孔隙均匀的岩石kw＜0.8kw≥0.8孔隙不均匀或呈层状分布有粘土物质充填的岩石kw＜0.7kw≥0.74.2岩体的主要物理力学特性4.2.2岩石的力学指标：强度和变形岩石强度抗压强度：干抗压、饱和抗压、软化系数抗拉强度：劈裂试验，点荷载试验抗剪强度：中型剪、双面剪岩石变形弹性模量变形模量泊松比4.2岩体的主要力学特性岩石力学指标的用途a.划分岩石工程类型、岩体工程评价饱和抗压强度≥60MPa60-30MPa＜30MPa＜15MPa岩石类型坚硬岩中硬岩软岩极软岩利用岩石饱和抗压强度划分岩石工程类型4.2岩体的主要力学特性岩石力学指标的用途b.岩体质量分类或洞室围岩类型划分RMR分类：地质力学分类，南非Q分类：隧道围岩质量分类，欧洲国内：如水利水电规范、岩土工程规范，其他部们如铁道、公路、总参、建设部，个人方面有王思敬、陶振宇、杨子文。c.评价岩体强度利用结构面网络模拟、蒙特卡洛法等4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验获得的参数：变形模量E0、弹性模量Ee变模E0与弹模Ee的经验关系：基本原理：弹性半无限空间的Boussniesq课题。当测点在板内时的计算公式00.2~5.1EEeeeEdpWEdpW41412020dp式中：E0（Ee）-岩体变形模量（弹性模量）；W0（We）-岩体的总变形（弹性变形）；p-按承压板单位面积计算的压力；d-承压板的直径；u-泊松比。4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验平硐中试验需满足的边界条件：Boussniesq课题的基本前提是半无限空间，但实际试验时是不可能满足的。一般而言，平硐中试验需满足如下图中的边界条件。硐底位置1.5d1.5d2.0d4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验现场试验设备4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验现场试验加压方式a.逐级一次循环法（推荐方式）：b.逐级多次循环法若只要变形模量，则不需卸载；而既要弹性模量、又要变形模量，则每级荷载作用下要进行卸载；若要反映岩体正交各向异性变形特性，可以沿不同方向进行试验，主要有垂直加载和水平加载两种方式。4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验现场试验加压方式4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验现场试验变形稳定判定标准4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验压力～变形曲线与应力～应变关系4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征a.直线型：坚硬岩体或碎裂岩体，比较均匀，E0=Ee，各级荷载下进行计算均可以。UP4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征b.上凹型：裂隙岩体、中等质量岩体。若按实际荷载取各点的模量便是该点在曲线上的切线，所以模量是变化的，但通常取各级荷载下计算模量的平均值。UP4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征c.下凹型：软岩或断层带及岩体质量较差的岩体，同样按实际荷载取各点的模量时是变化的，一般按与实际的荷载（或地应力）相当的点进行取值。UP4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征d.长尾型：试验所在平硐开挖面上有松弛的岩体，或平硐开挖时间长，已形成松动圈。曲线上后段模量较前段模量大。若要真实反映“原位岩体”的模量，则应将u0→0，即以u0点作为0点进行计算。UPU04.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征e.折尾型：试验所在平硐开挖后有应力集中（残余应力）或有硬壳层。若要真实反映“原位岩体”的模量，则应将σ0→0，即以σ0点作为0点进行计算。UPP04.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验变形模量或弹性模量的计算公式eeWdpEWdpW41412020岩体类型坚硬岩体中硬岩体软岩断层带岩体分类I、IIIIIIVV泊松比u0.24-0.260.27-0.90.30-0.310.32-0.33式中：E0（Ee）-岩体变形模量（弹性模量）；W0（We）-岩体的总变形（弹性变形）；p-按承压板单位面积计算的压力；d-承压板的直径；u-泊松比。4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值动力法测岩体动弹性模量动力法或弹性波法（地震法、声波法）基本公式2112431211222222spspspsdpdVVVVVVVEuuVE式中：Vp-纵波波速（m/s）；Vs–横波波速（m/s）；ρ-岩体的密度；u-泊松比。4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值a.直接根据变形试验测得的E0、Ee作为依据b.利用波速Vp、Vs获得Ed，建立Ed~Ee关系，并结合E0~Ee关系对于大型水电工程，可以根据某一工程地质单元或某一岩性测试的波速成果建立E0~Vp关系进行分带赋值；对于一般的中小型工程或工程前期阶段，可以利用如下的经验关系对岩体变形模量取值434.0lg278.2lg0pVE式中：E0–变形模量（GPa）；Vp-纵波波速（km/s）。4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值举例：李家峡水电站1)坝基岩体开挖前2)坝基岩体开挖后91.0632.32ln1628.4ln0rVEp95.082.33ln30.4ln0rVEp18.62ln57.7ln0pVE式中：E0–变形模量（GPa）；Vp-硐壁纵波波速（km/s）；r-相关系数。3)进一步反映“原位岩体”的变形模量，可以利用硐壁波速与穿透波速之间的关系，建立新的关系4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值举例：李家峡水电站4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值举例：李家峡水电站X(m)Z(m)Y(m)4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值c.根据岩石、岩体的优劣，利用饱和抗压强度Rb获得E0（野外所取得的岩石要能充分反映不同部位或不同工程地质单元的特性），而Rb也可以通过与点荷载试验获得强度之间的关系获得13.32453.00bRE式中：E0–变形模量（GPa）；Rb-饱和抗压强度（MPa）；注：当Rb＜15MPa时，不适用。4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值d.根据岩体质量获得E01002RMREm401010RMRmE401010100RMRcmE0020406080100102030405060708090100(1)(2)(3a)(3b)(1)Bieniawski(1979)(2)Serafim&Pereria(1983)(3a)Hoek&Brown(1997),c=75MPa(3b)Hoek&Brown(1997),c=25MPa4.2.1岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数——泊松比u的取值岩体变形模量E0≥20GPa10-20GPa5-10GPa2-