第六章巖體的工程

1、 研究巖塊的實際意義研究巖塊的實際意義 1、巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)是評價巖塊是否適宜作為建筑材料和可鉆性的指標(biāo)； 2、在特定的情況下，巖塊的性質(zhì)可 外推巖體的性質(zhì)，巖塊與巖體即存在差異，有時也存在統(tǒng)一性； 3、巖塊是巖體的組成部分，研究巖塊的性質(zhì)有助于更深入了解巖體的性質(zhì)。 1 巖體結(jié)構(gòu)要素巖體結(jié)構(gòu)要素 2 結(jié)構(gòu)面類型結(jié)構(gòu)面類型 3 結(jié)構(gòu)面分級及其特性結(jié)構(gòu)面分級及其特性 4 結(jié)構(gòu)面狀態(tài)結(jié)構(gòu)面狀態(tài) 5 巖體結(jié)構(gòu)類型巖體結(jié)構(gòu)類型 結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面：是把巖體切割成巖塊，具有強度低和易變形特性的各種地質(zhì)界面，如節(jié)理、斷層、層理等的統(tǒng)稱 。 按成因分為按成因分為：原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面、次生結(jié)構(gòu)面 。 （一）結(jié)

2、構(gòu)面產(chǎn)狀（一）結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀 研究結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀對巖體穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀對巖體穩(wěn)定性的影響，就是討論結(jié)構(gòu)面的方位與其對應(yīng)的最大主就是討論結(jié)構(gòu)面的方位與其對應(yīng)的最大主應(yīng)力作用之間的關(guān)系。見應(yīng)力作用之間的關(guān)系。見P71圖圖6-1。 連續(xù)性反映結(jié)構(gòu)面的貫通程度貫通程度常用線連續(xù)性系數(shù)和面連續(xù)性系數(shù)表示 。 1、線連續(xù)系數(shù)線連續(xù)系數(shù)K1 是指沿巖體中某結(jié)構(gòu)面延長方向上，結(jié)構(gòu)面各段長度之和(a)測線長度的比值，即見p71圖6-2 K1=a/（a+b） K1從變化在0一1之間K1位愈大，說明結(jié)構(gòu)面連續(xù)性愈好；當(dāng)K11時說明結(jié)構(gòu)面完全貫通 。 反映結(jié)構(gòu)面的發(fā)育密集程度，常用線密度和間距表示。 線密度線

3、密度(Kd)和間距（d） 是指結(jié)構(gòu)面法線方向上單位測線長度交切結(jié)構(gòu)面的條數(shù)（條/m)，而間距(d)則是指同一組結(jié)構(gòu)面法線方向上兩相鄰結(jié)構(gòu)面之間的平均距離 。 兩者萬為倒數(shù)關(guān)系，即Kd=1/d b 多組結(jié)構(gòu)面兩組節(jié)理的裂隙度計算圖22112121coscos11ddmmKKK 結(jié)構(gòu)面的密度決定了巖體的完整性和巖塊的塊度。一般來說。結(jié)構(gòu)面發(fā)育愈集。巖體的完整性愈差，巖塊塊度愈小，進而導(dǎo)致巖體的力學(xué)性質(zhì)變差。滲透性增強 。 普里斯特(Priest，1976)等人提出用結(jié)構(gòu)面的線密度來估算巖體的質(zhì)量指標(biāo)(RQD值)。即 ) 11 . 0(1001 . 0dkkeRQDd 4）結(jié)構(gòu)面）結(jié)構(gòu)面形態(tài)：形態(tài)：

4、 要素：起伏形態(tài)、起伏角、粗糙度。 對巖體的力學(xué)性質(zhì)和剪切強度有影響。 起伏角:i=arctan(2/L) 結(jié)構(gòu)面的粗糙度可用粗糙度系數(shù) JRC表示。 粗糙程度可將粗糙度系數(shù)(JRC)分為如圖65所示的10級 。 張開度：結(jié)構(gòu)面兩壁間的垂直距離。 結(jié)構(gòu)面是閉合的、干凈無充填物或為后期巖脈充填，結(jié)構(gòu)面抗剪強度取決于結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、起伏差、粗糙度及兩側(cè)巖塊性質(zhì)。 結(jié)構(gòu)面閉合，有泥質(zhì)或礦物薄膜充填或有地下水浸染，結(jié)構(gòu)面抗剪強度取決于結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、兩側(cè)巖塊性質(zhì)及礦物薄膜的親水性。 張開:強度決定于充填物。 a.膠結(jié)充填物成分成分對結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的影響 鐵硅質(zhì)膠結(jié)強度高； 鈣質(zhì)膠結(jié)強度較差； 黏土、泥質(zhì)膠

5、結(jié)強度最差。 b.膠結(jié)充填物厚度厚度對結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的影響： 薄膜充填：厚度小于1mm； 薄層充填：厚度小于起伏、強度與充填物和結(jié)構(gòu)面有關(guān)； 厚層充填：厚度大于起伏、強度取決于充填物，易滑移。 按結(jié)構(gòu)面的規(guī)模及其力學(xué)效應(yīng)，可將結(jié)構(gòu)面劃分為5級其主要特征見p73表62。 實測結(jié)構(gòu)面：實測結(jié)構(gòu)面：是指、結(jié)構(gòu)面，通過野外地質(zhì)測繪工作，按其產(chǎn)狀和位置直接表示在不同比例尺的工程地質(zhì)圖上。 統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面是指、，是通過野外巖層露頭進行統(tǒng)計、分析，認(rèn)識其統(tǒng)計規(guī)律，不直接在工程地質(zhì)圖上表示。 軟弱夾層：是指巖體中那些性質(zhì)軟弱、有一定厚度的軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱帶。成因上有原生沉積的、火山碎屑的、沉積變質(zhì)的、層

6、間錯動和斷裂破碎的、次生充填的及地下水泥化的等。與周圍巖體相比軟弱夾層具有高壓縮性和低強度的特征。 赤平極射投影定性分析巖體穩(wěn)定性及判斷破壞模式方法簡介 所謂巖體結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu)就是結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面的組合形式。巖體結(jié)構(gòu)包括結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面兩個要素。 結(jié)構(gòu)體特征：規(guī)模、形狀、產(chǎn)狀 規(guī)模：按不同級別結(jié)構(gòu)面對巖體的切割，將結(jié)構(gòu)體劃分為4級。、 級結(jié)構(gòu)面地質(zhì)體或斷塊體 級結(jié)構(gòu)面山體 級結(jié)構(gòu)面塊體 級結(jié)構(gòu)面巖塊 形狀：柱狀、板狀 塊狀、楔形、錐形、菱形等。 依據(jù)結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的組合特征，巖體結(jié)構(gòu)類型劃分為四大類八個亞類。見P75表6-3 、整體塊狀：整體結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu) 、層狀結(jié)構(gòu)：層狀結(jié)構(gòu)、薄層狀結(jié)構(gòu) 、碎裂結(jié)

7、構(gòu)：鑲嵌結(jié)構(gòu)、層狀碎裂結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu) 、散體結(jié)構(gòu)： 巖體的力學(xué)性質(zhì)與巖塊有顯著的差別。一般情況下，巖體比巖塊易于變形，其強度也顯著低于巖塊的強度。造成這種差別的根本原因在于巖體中存在各種類型不同、規(guī)模不等的結(jié)構(gòu)面，并受到天然應(yīng)力和地下水等環(huán)境因素的影響。 研究巖體的力學(xué)性質(zhì)比研究巖塊力學(xué)性質(zhì)更重要、更具有實際意義。 影響巖體的力學(xué)性質(zhì)的主要因素： 組成巖體的巖石材料性質(zhì)；結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征及其性質(zhì)和巖體的地質(zhì)環(huán)境條件，尤其是天然應(yīng)力及地下水條件。 本節(jié)內(nèi)容將主要介紹巖體的變形與強度性質(zhì) （一）結(jié)構(gòu)面的變形特性（一）結(jié)構(gòu)面的變形特性 1、法向變形特征、法向變形特征 試驗方法試驗方法 分別對這兩種試

8、件施加連續(xù)法向壓應(yīng)力，可得到（P76）如圖66所示的應(yīng)力應(yīng)力變形變形關(guān)系曲線關(guān)系曲線。 Vj=VtVr a含結(jié)構(gòu)面巖塊n一Vt 曲線；b巖塊n一Vv曲線； c結(jié)構(gòu)面n一Vj曲線 n一Vj曲線的形狀與結(jié)構(gòu)面的類型及巖壁性質(zhì)無關(guān)，其結(jié)構(gòu)面形狀可用最大閉合量（Vm）和初始法向剛度(kn)確定。 Kn為n一Vj曲線原點處的斜率。是一個與初始應(yīng)力有關(guān)的量。 見表6-1軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪參數(shù)。 2、剪切變形特征、剪切變形特征 在巖體中取一含結(jié)構(gòu)面的巖塊試在巖體中取一含結(jié)構(gòu)面的巖塊試件，在剪力儀上進行剪切試驗，件，在剪力儀上進行剪切試驗，可得到結(jié)構(gòu)面剪應(yīng)力可得到結(jié)構(gòu)面剪應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面剪與結(jié)構(gòu)面剪切位移切位移u的

9、關(guān)系曲線。試驗研究的關(guān)系曲線。試驗研究表明，結(jié)構(gòu)面的剪切變形有如下表明，結(jié)構(gòu)面的剪切變形有如下特征。特征。 1、結(jié)構(gòu)面的剪切變形曲線均為非、結(jié)構(gòu)面的剪切變形曲線均為非線性曲線線性曲線 ，可為脆性變形和塑性可為脆性變形和塑性變形兩類曲線變形兩類曲線 。 2、塑性變形曲線：特點是無明顯、塑性變形曲線：特點是無明顯的峰值強度和應(yīng)力降，且峰值強的峰值強度和應(yīng)力降，且峰值強度與殘余強度相差很小，曲線的度與殘余強度相差很小，曲線的斜率是連續(xù)變化的，且具流變性。斜率是連續(xù)變化的，且具流變性。 脆性變形曲線：特點是開始時剪脆性變形曲線：特點是開始時剪切變形隨應(yīng)力增加緩慢，曲線較切變形隨應(yīng)力增加緩慢，曲線較陡。

10、峰值后剪切變形增加較快，陡。峰值后剪切變形增加較快，有明顯的峰值強度和應(yīng)力降。當(dāng)有明顯的峰值強度和應(yīng)力降。當(dāng)應(yīng)力降至一定值后趨于穩(wěn)定，殘應(yīng)力降至一定值后趨于穩(wěn)定，殘余強度明顯低于峰值強度。余強度明顯低于峰值強度。 剪切剛度剪切剛度Ks：是反映結(jié)構(gòu)面剪切變形性質(zhì)的重要參數(shù)，其數(shù)值等于峰值前u曲線上任意點的斜率。 巖體變形是評價工程巖體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。巖體工程除研究巖體強度外，還需研究巖體的變形性能。當(dāng)巖體各部分變形性能差別較大時，在結(jié)構(gòu)物中產(chǎn)生附加應(yīng)力；當(dāng)巖體各部分變形性能差別不大時，若巖體軟弱抗變形能力差，將產(chǎn)生過量變形，這些都會使工程建筑物破壞或無法使用。巖體的變形性質(zhì)主要通過巖體原位試驗

11、進行研究。 巖體原位測試是在現(xiàn)場制備試件模擬工程作用對巖體施加外荷載，進而求取巖體力學(xué)參數(shù)的試驗方法，是巖土工程勘察的重要手段之一。巖體原位測試的最大優(yōu)點是對巖體擾動小，盡可能地保持了巖體的天然結(jié)構(gòu)和環(huán)境狀態(tài)，使測出的巖體力學(xué)參數(shù)直觀、準(zhǔn)確；其缺點是試驗設(shè)備笨重、操作復(fù)雜、工期長、費用高。另外，原位測試的試件與工程巖體相比，其尺寸還是小得多，所測參數(shù)也只能代表一定范圍內(nèi)的巖體力學(xué)性質(zhì)。因此，要取得整個工程巖體的力學(xué)參數(shù)，必須有一定數(shù)量試件的試驗數(shù)據(jù)用統(tǒng)計方法求得。 原位巖體試驗，按原理、方法不同分為靜力法和動力法。 靜力法基本原理：在巖體表面、槽壁或鉆孔壁施加法向荷載，并測定變形值，繪制壓力變

12、形曲線，計算巖體的變形參數(shù)，根據(jù)試驗方法不同，有；承載板法 、鉆孔變形法 動力法：人工對巖體發(fā)射（激發(fā)）彈性波，測定波速，根據(jù)波動理論計算變形參數(shù)，方法有聲波法和地震波法。 1承載板法 變形模量Em 剛性承壓板法是通過剛性承壓板(其彈性模量大于巖體一個數(shù)量級以上)對半無限空間巖體表面施加壓力并量測各級壓力下巖體的變形；按彈性理論公式計算巖體變形參數(shù)的方法。量測出某級壓力下巖體表面任一點的變形量，即可求出巖體的變形模量(Em)。通過現(xiàn)場靜力加卸荷，繪制Pw曲線。 2鉆孔變形法 變形模量Em 3、聲波法 動彈性模量Ed 泊松比 對于裂隙巖體，國內(nèi)外都特別重視建立巖體分類指標(biāo)與變形模量之間的經(jīng)驗關(guān)系

13、，并用于推求巖體的變形模量Em。 比尼衛(wèi)斯基(1978)研究了大量巖體變形模量實測資料，建立了分類指標(biāo)RMR值和變形模量Em(GPa)間的統(tǒng)計關(guān)系如下： Em=2RMR100 巖體是由各種不同形態(tài)的巖塊和結(jié)構(gòu)面組成的地質(zhì)體，因此其強度必然受到巖塊和結(jié)構(gòu)面強度及其組合形式的控制。一般情況下，巖體的強度既不等于巖塊的強度，也不等于結(jié)構(gòu)面的強度而是兩者共同影響表現(xiàn)出來的強度。但在某些情況下可以用巖塊或結(jié)構(gòu)面的強度來代替。如果巖體中結(jié)構(gòu)面不發(fā)育呈整體或完整結(jié)構(gòu)則其強度可視為與巖塊強度相近或相等。如果巖體是沿某一結(jié)構(gòu)面的整體滑動破壞則巖體強度完全取決于該結(jié)構(gòu)面的強度。這是兩種特殊情況多數(shù)情況巖體的強度介

14、于巖塊和結(jié)構(gòu)面強度之間。本節(jié)主要討論結(jié)構(gòu)面與巖體的剪切強度及巖體的抗壓強度。 由于結(jié)構(gòu)面的特征不同，結(jié)構(gòu)面抗剪強度曲線有以下幾種形式： 1平直光滑無充填結(jié)構(gòu)面的剪切強度 其剪切強度接近于人工磨光面的摩擦強度即 =tani 天然平直光滑結(jié)構(gòu)面仍具有細微的起伏和凹凸，剪切強度仍由內(nèi)聚力(c)和摩擦力組成。 一般2040，C在00.1MPa。 (鋸齒狀結(jié)構(gòu)面） 這類結(jié)構(gòu)面的基本特點是具有起伏度在法向應(yīng)力較小時，剪切過程中可引起上滑效應(yīng)（稱剪脹效應(yīng))，從而增大了結(jié)構(gòu)面的剪切強度=tan(i +i) 由此可見起伏度的存在可增加結(jié)構(gòu)面的摩擦角 法向應(yīng)力增加到T時，（啃斷效應(yīng)）結(jié)構(gòu)面的剪切強度=tan b+

15、Cb 法向應(yīng)力T時， 由上面兩公式可求得 剪斷結(jié)構(gòu)面突起部分 的條件是： 以上是規(guī)則起伏結(jié)構(gòu)面的剪切強度。但自然界多數(shù)粗糙結(jié)構(gòu)面的起伏形態(tài)是不規(guī)則的起伏角(j)也不是常數(shù)。對于這種情況，巴頓(1973)提出用下式計算結(jié)構(gòu)面的剪切強度即公式 式中；JRc為粗糙度系數(shù)，可通過實測的結(jié)構(gòu)面粗糙剖面與標(biāo)準(zhǔn)利面對比求得，JCS為結(jié)構(gòu)面?zhèn)缺趲r塊的抗壓強度，可用回彈儀測定；為結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角，為法向應(yīng)力。 3非貫通斷續(xù)結(jié)構(gòu)面的剪切強度 這類結(jié)構(gòu)面的剪切強度由各段結(jié)構(gòu)面剪切強度和非貫通段(巖橋)巖石的剪斷強度兩部分道成。因此、整個結(jié)構(gòu)面的強度取決于結(jié)構(gòu)面和巖塊性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性，即公式 式中：cj j

16、、cm m，、分別為結(jié)構(gòu)面和巖石的內(nèi)聚力；j m分別為結(jié)構(gòu)面和巖石的內(nèi)摩擦角；k1此為結(jié)構(gòu) 面的線連續(xù)性系數(shù)。 4、具充填的軟弱結(jié)構(gòu)面的剪切強度 這類結(jié)構(gòu)面的剪切強度主要取決于充填物成分、結(jié)構(gòu)、厚度及充填度等情況。 充填物的粒度成分不同，結(jié)構(gòu)面的強度各異。表66列出了不同軟弱夾層的剪切強度指標(biāo)。 結(jié)構(gòu)面的剪切強度隨充填物碎屑含量增加及顆粒變粗面增高隨粘粒含量增加而降低。見圖6-10 巖體中任一方向的剪切面，在一定的法向應(yīng)力作用下所能抵抗的最大剪切力，稱為巖體的剪切強度。巖體的剪切強度細分為抗剪斷強度、摩擦強度（剪切）和抗切強度3種。 抗剪斷強度：在任一法向應(yīng)力下，橫切結(jié)構(gòu)面剪切破壞時巖體能抵抗

17、的最大剪應(yīng)力； 摩擦強度：在任一法向應(yīng)力下，巖體沿已有破裂面剪切破壞時的最大剪應(yīng)力； 抗切強度：剪切面上的法向應(yīng)力為零時，抗剪斷強度。 巖體的剪切強度主要受結(jié)構(gòu)面、應(yīng)力狀態(tài)、巖性及風(fēng)化程度等因素控制。在高應(yīng)力條件下，巖體的剪切強度接近于巖塊強度，在低應(yīng)力條件下，巖體的剪切強度主要受結(jié)構(gòu)面控制。 圖6-12 巖體抗剪強度包絡(luò)線變化范圍1、結(jié)構(gòu)面強度包絡(luò)線 2、巖塊強度包絡(luò)線； 3、裂隙巖體強度包絡(luò)線 (三)節(jié)理化巖體強度的估算 1利用單結(jié)構(gòu)面理論估算巖體強度（耶格1960） 1+3=2（cj+3tanj）/(1-tanjcjtan)sin22利用霍克布朗經(jīng)驗強度方程估算巖體強度霍克和布朗1980

18、年根據(jù)巖體性態(tài)方面的理論和實踐經(jīng)驗，提出了巖塊和巖體破壞時的判據(jù)為 巖體的工程分類是通過巖體一些簡單和易實測的指標(biāo)，把工程地質(zhì)條件與巖體力學(xué)性質(zhì)聯(lián)系起來進行歸類。 一、一、RQD分類分類（按巖石質(zhì)量分類） 迪爾(DeeM、1964)根據(jù)金剛石鉆進的巖芯采取率，提出用RQD值來評價巖體質(zhì)量的優(yōu)劣。RQD值的定義是；大于10cm的巖芯累計長度與鉆孔進尺長度之比的百分率。據(jù)RQD值將巖體分為5類(表6-9)。 RQD分類由于沒有考慮巖體中結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征的影響，也沒有考慮巖塊性質(zhì)的影響及這些因素的綜合效應(yīng)。因此僅運用這一分類，往往不能全面反映巖體的質(zhì)量。 由比尼衛(wèi)斯基(976)提出，分類系統(tǒng)由巖塊強度

19、、RQD值、節(jié)理間距、行理條件及地下水5類參數(shù)組成。分類時根據(jù)實際的各類參數(shù)情況按表610A所列的標(biāo)準(zhǔn)，分別給予評分。然后將各個評分值相加得巖體質(zhì)量總分，并按表610B依節(jié)理方位對巖體穩(wěn)定是否有利作適當(dāng)?shù)男拚Ｗ詈笥眯拚蟮膸r體質(zhì)量總分，對照表610C查得巖體的類別及相應(yīng)的不支護地下開控的自穩(wěn)時間和巖體強度指標(biāo)值。分類指標(biāo)分類指標(biāo)：Q值值 RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo)； Jn為節(jié)理組數(shù)； Jr為節(jié)理粗糙系數(shù)； Ja為節(jié)理蝕變系數(shù)； Jw為節(jié)理水折減系數(shù)； SRF為應(yīng)力折減系數(shù)。 JW/SRF 表示水與其它應(yīng)力存在時對巖體質(zhì)量的影響 RQD/ Jn 為巖體的完整性； 分類方法：確定各參數(shù)的數(shù)值，求得Q值，以Q值為依據(jù)將巖體分為9類。見表6-11 在風(fēng)化作用下，地表巖體的工程地質(zhì)特征將發(fā)生如下幾方面的變化： (1)巖體完整性進一步遭到到破壞：巖體完整性進一步遭到到破壞： 風(fēng)化不僅使巖體原有裂隙擴大還產(chǎn)生了新的風(fēng)化裂隙、使巖體逐漸破碎，分裂成碎塊、碎片進而分解成砂粒、粉粒甚至粘粒。這種變化削弱丁巖石原有的結(jié)晶連結(jié)以至完全喪失連結(jié)力。致使完整堅硬的巖體往往變成為強度低、細分散狀態(tài)的松軟土。 、 (2)巖石的礦物成分和化學(xué)成分發(fā)生