岩体的工程地质性质及岩体工程分类

第一节岩体的结构特征第二节岩体的力学性质第三节岩体的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)地质成因类型原生结构面构造结构面次生结构面(二)力学成因类型张性结构面剪性结构面第一节岩体的结构特征结构面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.原生结构面•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。(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2sin)1()(2331ctgtgtgCjjj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。•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(Σa)与测线长度的比值。baaK1K1变化在0～1之间，K1值愈大说明结构面的连续性愈好，当K1＝1时，结构面完全贯通。2、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。（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1低连续性1~3中等连续性3~10高连续性10~20很高连续性20结构面的密度反映结构面发育的密集程度。1、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)。2、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α，结构面的倾角为β时:cossincossin'ddKLnK（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20很密集的间距20~60密集的间距60~200中等的间距200~600宽的间距600~2000很宽的间距2000~6000极宽的间距6000•用线密度来估算岩体质量指标RQD(rockqualitydesignation))11.0(1001.0dkkeRQDd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。%10010钻孔总进尺的岩心长度之和长度大于cmRQD•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。)2(Lharctgi侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。（四）结构面的形态•结构面的粗糙度用粗糙度系JRC(jointroughnesscoefficient)表示。•随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。•根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10级。•结构面的张开度是指结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：vgeKf122（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0.10.1~0.250.25~0.5闭合结构面张开中等宽的宽的0.5~2.52.5~1010裂开结构面很宽的极宽的似洞穴的10~100100~10001000张开结构面（六）结构面的充填胶结特征结构面胶结后力学性质有所增强，Fe质胶结的强度最高，泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。未胶结的结构面，力学性质取决于其充填情况，可分为：薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填4类1薄膜充填是结构面两壁附着一层极薄的矿物膜，厚度多小于1mm，多明显降低结构面的强度。2断续充填结构面的力学性质与充填物性质、壁岩性质及结构面的形态有关。3连续充填结构面的力学性质主要取决于充填物性质。4厚层充填结构面的力学性质很差，主要取决于充填物性质，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•软弱夹层是岩体中具有一定厚度的软弱带(层)，与两盘岩体相比具有高压缩和低强度等特征，在产状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、泥化夹层及其他夹泥层等。•特性：1、由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构或泥质定向结构2、粘粒含量很高3、含水量接近或超过塑限4、密度比原岩小5、常具有一定的胀缩性6、力学性质比原岩差7、强度低8、压缩性高9、易产生渗透变形结构面的组合关系结构面的组合关系控制着可能滑移岩体的几何边界条件、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。任何坚硬岩体的块体滑移破坏，都必须具备一定的几何边界条件。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系，确定可能失稳块体的形态、规模和可能滑移方向等。结构面组合关系的分析可用赤平投影、立体投影和三角几何计算法等进行。四、结构体特征•结构体(structuralelement)指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。它不同于岩块的概念。•结构体的规模取决于结构面的密度，密度愈小，结构体的规模愈大,与结构面对应,划分为五级。•常用块度模数（单位体积内的Ⅳ级结构体数)或结构体体积来表示结构体规模。结构体的形状示意图结构体常见的形状:柱状、板状、楔形、菱形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：散体结构岩体第二节岩体的力学性质一、岩体的变形性质二、岩体的强度性质一、岩体的变形性质•在受力条件改变时岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和，而结构变形通常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和滑动等变形。从岩体的定义：岩块+结构面=岩体岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形•在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。（一）结构面的变形性质1、法向变形特性ΔVｊΔVｔΔVｒΔVｊ＝ΔVｔ－ΔVｒ应力-变形关系曲线ABC•开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长，σn-ΔV及σn-ΔVｊ曲线均呈上凹型。当σn增到一定值时，σn-ΔVｔ曲线变陡，并与σn-ΔVｒ曲线大致平行。说明结构面已基本上完全闭合，其变形主要是岩块变形贡献的。这时ΔVｊ则趋于结构面最大闭合量Vｍ。•初始压缩阶段，含结构面的岩块变形ΔVｔ主要是由结构面的闭合造成的。试验表明，当σn＝１MPa时，ΔVｔ/ΔVｒ可达５~３０，说明ΔVｔ占了很大一部分。•法向应力σn大约从σｃ/3处开始，含结构面的岩块变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-变形关系曲线特征•结构面的σn-ΔVｊ曲线大致为以ΔVｊ＝Vｍ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定，与结构面的类型及壁岩性质无关。•结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（ｅ）。这是因为结构面是凹凸不平的，两壁面间无论如何也不可能达到100％的接触。•结构面的初始法向刚度是一个与结构面在地质历史时期的受力历史及初始应力（σｉ）有关的量，其定义为σn-Vｊ曲线原点处的切线斜率，即：应力-变形关系曲线特征0jVjnniVK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•塑性变形型•结构面变形与风化程度有关•结构面的剪切刚度，随法向应力的增大而增大，随结构面的规模增大而降低。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：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测定其岩体的变形值；然后绘制出压力-变形关系曲线，计算出岩体的变形参数。•动力法的基本原理：用人工方法对岩体发射(或激发)弹性波(声波或地震波)，并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。1、承压板法刚性承压板法柔性承压板法emmemmWpDEWpDE)1()1(22ω是与承压板形状与刚度有关的系数。对于圆形板ω＝0.785；对于方形板ω＝0.8862、钻孔变形法)1(pdEm优点：①对岩体扰动小；②可以在地下水位以下和相当深的部位进行；③试验方向基本上不受限制，而且试验压力可以达到很大；④在一次试验中可以同时量测几个方向的变形，便于研究岩体的各向异性。缺点：试验涉及的岩体体积小，代表性受到局限。3、声波法22sspptDvtDv•选择代表性测线，布置测点和安装声波仪•发生正弦脉冲，向岩体内发射声波•记录纵、横波在岩体中传播的时间常见岩石的纵、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2222222)1(2)(22)1(21)21)(1(sddmdspspddsdddpmdvEGvvvvvvE计算公式4、狭缝法)]2sin2)(sin1())(1[(22121mmRmtgtgWplE几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量•岩体的变形模量比岩块的小，而且受结构面发育程度及风化程度等因素