巖石及巖體基本性質

1、第一章 巖石及巖體的基本性質第一節(jié) 概 述巖石是組成地殼的基本物質，它由各種造巖礦物或巖屑在地質作用下按一定規(guī)律（通過結晶或借助于膠結物粘結）組合而成。一、巖石的分類自然狀態(tài)下的巖石，按其固體礦物顆粒之間的結合特征，可分為：固結性巖石：固結性巖石是指造巖礦物的固體顆粒間成剛性聯(lián)系，破碎后仍可保持一定形狀的巖石。粘結性巖石、散粒狀巖石、流動性巖石等。在煤礦中遇到的大多是固結性巖石。常見的有砂巖、石灰?guī)r、砂質頁巖、泥質頁巖、粉砂巖等。按巖石的力學性質不同，常把礦山巖石分為：堅硬巖石 松軟巖石兩類。工程中常把飽水狀態(tài)下單向抗壓強度大于10MPa的巖石叫做堅硬巖石，而把低于該值的巖石稱為松軟巖石。松軟

2、巖石具有結構疏松、密度小、孔隙率大、強度低、遇水易膨脹等特點。從礦壓控制角度看，這類巖石往往會給采掘工作造成很大困難。二、巖石的結構和構造巖石的強度與巖石的結構和構造有關。1.巖石的結構指決定巖石組織的各種特征的總合。如巖石中礦物顆粒的結晶程度、顆粒大小、顆粒形狀、顆粒間的聯(lián)結特征、孔隙情況，以及膠結物的膠結類型等。巖石中礦物顆粒大小差別很大，在沉積巖中，有的顆粒小到用肉眼難以分辯（如石灰?guī)r、泥巖、粉砂巖中的細微顆粒），有的顆?？纱笾翈桌迕祝ㄈ绲[巖中的粗大礫石）。組成巖石的物質顆粒大小，決定著巖石的非均質性。顆粒愈均勻，巖石的力學性質也愈均勻。一般來說，組成巖石的物質顆粒愈小，則該巖石的強度愈

3、大。2.巖石的構造是指巖石中礦物顆粒集合體之間，以及與其它組成部分之間的排列方式和充填方式。主要有以下幾種構造：1.整體構造巖石的顆粒互相緊密地緊貼在一起，沒有固定的排列方向；2.多孔狀構造巖石顆粒間彼此相連并不嚴密，顆粒間有許多小空隙；3.層狀構造巖石顆粒間互相交替，表現(xiàn)出層次疊置現(xiàn)象（層理）。巖石的構造特征對其力學性質有明顯影響，如層理的存在常使巖石具有明顯的各向異性。在垂直于層理面的方向上，巖石承受拉力的性能很差，沿層理面的抗剪能力很弱。受壓時，隨加載方向與層理面的交角不同，強度有較大差別。第二節(jié) 巖石的物理性質一、巖石的相對密度（比重）巖石的相對密度就是巖石固體部分實體積（不包括空隙）

4、的質量與同體積水質量的比值。其計算公式為： （1-1）式中 巖石的比重；Gd 絕對干燥時巖石固體實體積的重量，g；Vc巖石固體部分實體積，cm3；w水的密度，g/cm3巖石比重的大小取決于組成巖石的礦物比重，而與巖石的空隙和吸水多少無關。巖石的比重可用于計算巖石空隙度和空隙比。煤礦中常見巖石的比重見表1-1。二、巖石的質量密度巖石的密度是指單位體積（包括空隙）巖石的質量。根據(jù)含水狀態(tài)不同，巖石的密度分為天然密度、干密度、和飽和密度。天然密度是巖石在天然含水狀態(tài)下的密度。干密度是巖石在105110烘箱內(nèi)烘至恒重時的密度。飽和密度是巖石在吸水飽和狀態(tài)下的密度。干密度、飽和密度和天然密度的表達式如下

5、： （1-2）式中 Gd、Gsat、G分別是干燥巖石、水飽和巖石和天然含水巖石的質量，g； d、sat、巖石的干密度、飽和密度和天然密度，g/cm3 V巖石的體積，cm3。通常，不說明含水狀態(tài)時，即指巖石的干密度。煤礦常見的巖石密度見表1-1。對于遇水易膨脹的某些松軟巖石，區(qū)分干密度和濕密度有重要意義。三、巖石的空隙性巖石的空隙性是指巖石中孔隙和裂隙的發(fā)育程度，常用空隙度表示。所謂空隙度是指巖石中各種空隙、裂隙的體積的總和與巖石總體積之比。按下式計算： （1-3）式中 n巖石的空隙度（也稱空隙率）；d 巖石的干密度，g/cm3； 巖石的比重值。巖石的空隙性也可用空隙比表示。空隙比是指巖石中各種

6、孔隙和裂隙體積 總和與巖石內(nèi)固體部分實體積之比。表達式如下： （1-4）式中 e巖石的空隙比； Vo巖石內(nèi)各種空隙和裂隙體積的總和，cm3； Vc巖石內(nèi)固體部分實體積，cm3；空隙比與空隙度之間有如下關系： （1-5）巖石的空隙性對巖石的其它性質有顯著影響。一般來說，空隙度增大可使巖石密度和強度降低，使塑性變形和透水性增加。煤礦中常見巖石的空隙度和空隙比見表1-1。四、巖石的碎脹性和壓實性巖石破碎以后的體積將比整體狀態(tài)下增大，這種性質稱為巖石的碎脹性。碎脹系數(shù)巖石的碎脹性可用巖石破碎后處于松散狀態(tài)下的體積與破碎前處于整體狀態(tài)下的體積之比來表示，該值稱為碎脹系數(shù)。表達式如下： （1-6）式中 k

7、p巖石的碎脹系數(shù)； V 巖石破碎膨脹后的體積，cm3； V巖石處于整體狀態(tài)下的體積，cm3。巖石的碎脹系數(shù)對礦山壓力控制，特別是采煤工作面的頂板管理有重要意義。碎脹系數(shù)與巖石的物理性質、破碎后塊度的大小及其排列狀態(tài)等因素有關。例如，堅硬巖石成大塊破壞且排列整齊時，碎脹系數(shù)較小，如破碎后塊度較小且排列較雜亂，則碎脹系數(shù)較大。煤礦中常見巖石的碎脹系數(shù)見表1-2。巖石破碎后，在其自重和外加載荷的作用下會逐漸壓實，體積隨之減小，碎脹系數(shù)比初始破碎時相應變小。這種壓實后的體積與破碎前原始體積之比，稱為殘余碎脹系數(shù)，以kp 表示，其值見表1-2。五、巖石的水理性質1.巖石的吸水性。巖石的吸水性是指遇水不崩

8、解的巖石，在一定試驗條件下（規(guī)定的試尺寸和試驗壓力）吸入水分的能力。通常以巖石的自然吸水率和強制吸水率表示。巖石的自然吸水率是指試件在大氣壓力作用下吸入水分的質量與試件的烘干質量之比。巖石的強制吸水率（也稱飽和吸水率）是指試件在加壓（150個大氣壓）條件下吸入水分的質量與烘干質量之比。兩種吸水率表達式如下： （1-7）式中 、sat巖石的自然吸水率和強制吸水率； Gw巖石試件在大氣壓力下吸入水分的質量，g； Gd巖石試件烘干后質量，g； Gw·s巖石試件強制飽和吸水后質量，g。2.巖石的透水性。在地下水水力坡度（壓力差）作用下，巖石能被水透過的性能稱為巖石的透水性。用滲透系數(shù)來表征巖

9、石透水性能的大小。滲透系數(shù)的大小取決于巖石孔隙的大小、數(shù)量和相互貫通情況。根據(jù)達西定律： （1-8）式中 Q 單位時間透水量； K滲透系數(shù)； A滲透面積； I水力坡度（壓力差）；3.巖石的軟化性。巖石浸水后的強度明顯降低，可用軟化系數(shù)表示水分對巖石強度的影響程度。軟化系數(shù)是水飽和巖石試件的單向抗壓強度與干燥巖石試件單向抗壓強度的比值，其關系式如下： （1-9）式中 c巖石的軟化系數(shù)； Rcw水飽和巖石試件的單向抗壓強度，MPa； Rc干燥巖石試件的單向抗壓強度，MPa。巖石浸水后的軟化程度，與巖石中親水礦物和易溶性礦物的含量、空隙的發(fā)育程度、水的化學成份，以及巖石浸水時間的長短等因素有關。親水

10、礦物和易溶礦物含量越多，張性裂隙越發(fā)育，則巖石浸水后強度降低程度越大。此外，巖石浸水時間越長，其強度降低程度也越大。如某些砂巖浸水3天后，單向抗壓強度降低3235%，浸水9天后降低5159%。研究巖石的軟化性對用高壓注水法控制堅硬難冒落頂板有重要意義。表1-3為煤礦中幾種常見巖石的軟化系數(shù)，由該表可看出，各種巖石的軟化系數(shù)都小于1，說明巖石普遍具有軟化性。第三節(jié) 巖石的變形性質變形是巖石的主要力學性質。巖石受載時將首先發(fā)生變形，當載荷超過一定數(shù)值（極限強度）時導致破壞。變形和破壞是載荷作用下巖石的力學性質發(fā)展變化的兩個階段。一、巖石的彈性和塑性巖石受力后既可出現(xiàn)彈性變形，也可出現(xiàn)塑性變形。但巖

11、石與一般固體材料不同，它的彈性變形和塑性變形往往同時出現(xiàn)。巖石是兼有彈性和塑性的材料。二、在單向壓縮下巖石的變形特性1. 脆性巖石的變形性質。圖lla為脆性巖石的應力應變曲線。其特點是巖石在破壞前沒有明顯的塑性變形，總應變量也較小。通常把在外力作用下破壞前總應變小于3%的巖石，叫做脆性巖石?？蓪Dlla所示曲線分為三段：OA段表示巖石受載初期，由于巖石中的各種空隙受壓閉合，曲線出現(xiàn)上彎，OA段稱為巖石的壓密階段；AB段接近于直線，可近似地稱為線彈性階段，這時可認為巖石處于彈性狀態(tài)；在BC段內(nèi)，自B點開始巖石內(nèi)部已有微破裂不斷發(fā)生，到C點發(fā)生破壞，故BC段可稱為破裂發(fā)展階段。C點即為巖石的強度極

12、限。圖l1a是利用具有普通剛度的試驗機所得的結果，巖石破碎時發(fā)出巨大的聲響，巖石碎塊強烈彈出，這就是一般所說的脆性破壞。如果采用剛度很大的材料試驗機(常稱為剛性試驗機)加壓，就可以使原先呈炸裂性破壞的巖石試件平靜地產(chǎn)生破壞，從而可使試驗繼續(xù)進行下去，并得出巖石的應力應變?nèi)糖€(圖llb)。它說明巖石應力達到最大值以后，并不立即完全喪失承載能力，而是要達到D點才完全破壞。D點稱為完全破壞點，而該點所保持的某一較小的應力值稱為殘余強度。巖石具有殘余強度的特性，對地下開采過程中合理地利用已經(jīng)受到破壞的圍巖(或煤體)的自承能力有重要意義。 圖ll 脆性巖石的應力應變曲線2. 塑性巖石的變形性質。圖l

13、2為塑性巖石的應力應變曲線，它的特點是巖石在破壞之前的應變量較大。通常把外力作用下破壞前總應變大于5%的巖石叫做塑性巖石。由圖l2可知，塑性巖石應變曲線的斜率開始較陡，以后逐漸平緩。工程上把開始變緩的轉折點稱為屈服點，該點的應力值稱為屈服極限T。有時為了方便起見，也將OEF曲線簡化為OEG折線。認為巖石在達到屈服極限以前處于近似彈性狀態(tài)，而T表示塑性流動開始。塑性巖石產(chǎn)生的塑性變形要比彈性變形大得多。圖1-2 塑性巖石的應力應變曲線三、三向壓縮條件下巖石的變形特性圖l3a、b為干砂巖和濕砂巖在常溫和不同側壓(或稱圍壓)三向壓縮條件下的變形曲線。圖中的縱坐標表示最大的主應力1（一般為垂直應力）與

14、最小應力3，(一般為側向應力)之差，橫坐標表示軸向應變。試驗時側向應力2=3。由圖可知：(l)當巖石受三向壓縮時，其應力應變的開始階段，有一段近似于直線的關系，說明在主應力差值(1-3)的峰值前不遠的范圍內(nèi)，巖石屬彈性變形。(2)巖石的脆性和塑性是相對的，在單向應力或較低的三向應力狀態(tài)下表現(xiàn)為脆性的巖石，在高壓三向應力狀態(tài)下破壞前也能表現(xiàn)出很大的塑性。(3)三向壓縮時，隨著側向應力3和主應力差值(1-3)的增加，強度極限(峰值)也隨之增大。(4)巖石在三向壓縮條件下破壞以后，雖然其結構發(fā)生了變化，但仍然保留一定的承載能力。這對于在井下控制煤柱和巖體的穩(wěn)定性很有實際意義。圖1-3 砂巖在常溫和不

15、同側壓三向壓縮下的應變曲線a干砂巖；b濕砂巖四、巖石的蠕變性在恒定載荷持續(xù)作用下，應變隨時間增長而變化的現(xiàn)象稱為蠕變，表示這一特征的曲線叫做蠕變曲線。圖l4是巖石的典型蠕變曲線。由圖可知，在開始加載時，試件立即產(chǎn)生一個瞬時應變(圖中OA段)，由于這一段作用的時間極短，故可近似地認為是彈性變形。在AB段，應變不斷增加，但應變速率不斷降低，故曲線呈下凹型，這個階段的蠕變稱為第一階段蠕變或短暫蠕變。在BC段，應變以穩(wěn)定恒速增長，這個階段的蠕變稱為第二階段蠕變或定常蠕變，且這個階段的時間延續(xù)最長。在CD段，應變以加速增長，曲線呈上凹型，這個階段的蠕變稱第三階段蠕變或加速蠕變。當應變達到某數(shù)值D時，最終

16、引起試件破壞。圖1-4巖石的典型蠕變曲線第四節(jié) 巖石的強度特性在載荷的作用下，巖石變形達到一定程度就會破壞。巖石發(fā)生破壞時所能承受的最大載荷稱為極限載荷，用單位面積表示則稱為極限強度。在不同應力條件下，巖石具有不同的極限強度。巖石的強度可分為單向抗壓強度、單向抗拉強度、抗剪強度、抗彎強度、三向抗壓強度等。一、巖石的單向抗壓強度巖石試件在單向壓縮時所能承受的最大應力值，稱為巖石的單向抗壓強度。它是地下工程中使用最廣的巖石力學特性參數(shù)，在煤礦中研究巖石分類、確定破壞準則以及表達圍巖堅硬程度時，常采用這一指標。測定巖石的單向抗壓強度，通常采用直徑5cm和高徑比為2的圓柱形試件，在壓力機上以50100

17、N/s的速度加載，直到試件破壞，然后按下式計算： （1-10）式中 Rc巖石試件的單向抗壓強度，kPa； P巖石試件破壞時施加的載荷，kN； A試件初始截面積，m2。煤礦常見巖石的單向抗壓強度見表1-4。二、巖石的單向抗拉強度巖石試件在單向拉伸時能承受的最大拉應力值，稱為單向抗拉強度。它是巖石力學性質中的重要指標。由于巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度，在受載不大時就可能出現(xiàn)拉伸破壞，因此，它對研究井下巷硐失穩(wěn)等問題有重要意義。目前，測定巖石抗拉強度的基本方法基本上可分兩類，即直接拉伸法和間接拉伸法。直接拉伸法與金屬材料拉伸試驗類似。可按下式求得巖石的抗拉強度： （1-11）式中 Rt巖石試件的單向

18、抗拉強度，kPa Pt試件破壞時的總拉力，kN； A試件破壞斷面積，m2。由于直接拉伸法的巖石試件加工復雜，目前廣泛采用劈裂法間接地測定巖石的單向抗拉強度。這種方法是用直徑為5cm和厚2.5cm的圓盤形試件，在材料試驗機上以35N/s的速度加載，直至試件被壓裂（圖1-5）。此時，可按下式計算試件的抗拉強度： （1-12）式中 Rp圓盤形試件的抗拉強度，kPa; P試件裂開破壞時的豎向總壓力，kN； D、t圓盤形試件的直徑和厚度，m。圖1-5 劈裂法試驗裝置示意圖1-試件；2-鋼絲墊條；3-承壓板圖1-6 傾斜壓模剪切裝置三、巖石的抗剪強度巖石的抗剪強度是指巖石抵抗剪切作用的能力。目前廣泛采用傾

19、斜壓模法測定巖石抗剪強度。如圖1-6所示，將規(guī)格為5cm×5cm×5cm的立方體試件放在兩個鋼制的傾斜壓模之間，以50100N/s的速度加載迫使試件沿預定的剪切面AB剪斷。這時作用在破壞面上的應力為： （1-13）式中 T、N作用在剪切破壞面上的剪應力和正應力，kN； 抗剪強度，kPa; n剪切破壞面上的正應力，kPa； P試件發(fā)生剪切破壞時壓力機施加的總壓力，kN； A試件剪切破壞面的面積，m2； 試件與水平面的夾角，（°）四、巖石的三向抗壓強度巖石在三向應力作用下所能抵抗的最大軸向應力，稱為巖石的三向抗壓強度。它通常是在軸對稱應力組合方式（即1>2=3）

20、的三向應力條件下，利用巖石三軸應力試驗機測定的。圖1-7 三軸試驗裝置1-壓力室；2-密封設備；3-球面底座；4-壓力液進口；5-排氣口；6-側向壓力；7-試件如圖1-7所示，測定時將試件放在密閉的高壓容器內(nèi)，用油泵向壓力室內(nèi)送入高壓油，對試件施加側向壓力（2=3），達到預定值后封閉壓力室，然后以50100N/s的穩(wěn)定速度，連續(xù)均勻地通過壓力機活塞施加軸向載荷，直至試件破壞。試件在相應側壓力下的三向抗壓強度可按下式計算： （1-14）式中 R3c在一定側向壓力作用下的巖石三向抗壓強度，kPa; P試件破壞時的軸向載荷，kN； A試件的初始橫斷面積，m2。巖石因受力狀態(tài)不同，其極限強度相差很大。

21、巖石在不同應力狀態(tài)下的各種極限強度一般符合下列順序：三向等壓抗壓強度>三向不等壓抗壓強度>雙向抗壓強度>單向抗壓強度>抗剪強度>抗彎強度>單向抗拉強度。此外，單向抗壓強度Rc、單向抗拉強度Rt和抗剪強度之間有以下數(shù)量關系： 第五節(jié) 巖石的破壞類型巖石在外力作用下首先產(chǎn)生不同形式的變形，繼而產(chǎn)生微細裂縫和破裂，如果破裂不斷發(fā)展，將導致巖石最終破壞。有些巖石在破壞前出現(xiàn)很大的變形，而另一些巖石破壞前出現(xiàn)的變形很小或可忽略不計。通常把巖石在載荷作用下沒有顯著的變形而突然發(fā)生的破壞稱為脆性破壞，把巖石在載荷作用下出現(xiàn)較大的變形以后才發(fā)生的破壞稱為塑性破壞。但是在脆性

22、破壞和塑性破壞之間并無明確的界限，巖石呈現(xiàn)脆性破壞還是塑性破壞，不僅取決于巖石本身的性質，還在很大程度上取決于外界條件，如巖石所處的應力狀態(tài)，溫度，壓力，水分，受載時間等等。例如，在常溫、低圍壓和高應變率條件下呈現(xiàn)為脆性破壞的巖石，在高溫、高圍壓、多水分和低應變率的條件下，巖石可呈現(xiàn)為塑性破壞。不論在何種受力狀態(tài)下，巖石發(fā)生破壞的基本形式只有兩種：拉斷破壞和剪切破壞。例如巖石在受單向壓縮時，根據(jù)其上下端面的潤滑情況，可能出現(xiàn)拉斷破或剪切破壞。巖石試件在受彎曲時，往往是由于下部表面受到拉應力的作用而導致拉斷破壞。至于塑性破壞(例如粘土類巖石)，它實質上是塑性巖石顆粒間產(chǎn)生微小剪切滑移的結果，仍屬

23、于剪切破壞。因此，盡管由于巖石性質、構造特征、受力方式以及試件形狀和尺寸不同，試件的破壞形態(tài)有很大差別，但從巖石的破壞方式和機理來看，都可歸結為拉斷破壞和剪切破壞這兩種基本類型。一、拉斷破壞拉斷破壞可以直接由拉力引起的拉應力造成，也可以由壓縮、彎曲等衍生的拉應力造成，但不論加載方式如何，都是由于拉應力超過極限強度而造成的破壞，其特點是巖石破壞時呈現(xiàn)出沿破壞面發(fā)生拉開的運動。拉斷破壞又稱張性破壞。圖l-8 拉斷破壞的兩種情況a直接拉斷；b、c間接拉斷根據(jù)加載方式不同，拉斷破壞可分兩種情況：(一)直接拉斷直接拉斷(圖l8a)的特點是斷裂面與受力方向垂直，斷裂面明顯分離。而在斷裂面之間沒有錯動。(二

24、)間接拉斷間接拉斷(圖l-8b、c)的特點是斷裂而與受力方向平行。當在受壓面上涂潤滑劑時，由于加壓板與試件受壓面之間無摩擦阻力或摩擦阻力很小，在縱向壓縮過程中，引起試件自由地產(chǎn)生橫向變形。當橫向變形伸長量超過試件抵抗伸長的能力時，就會導致試件產(chǎn)生縱向劈裂而被拉斷。這種因壓縮而引起的拉斷破壞形式又叫“壓裂”或“橫向張裂”。盡管以上兩種拉斷破壞的受力方式不同，但兩者共同之處都是由拉應力引起破壞，而且都出現(xiàn)張開的裂縫。二、剪切破壞剪切破壞可以直接由剪切破壞或者由壓縮衍生的剪應力造成。但無論加載方向如何，都是由于剪應力超過極限強度而造成的破壞。其特點是巖石破壞時呈現(xiàn)出沿破壞面發(fā)生相互錯動的運動。剪切破

25、壞又稱剪破裂或剪裂。根據(jù)加載方式不同，剪切破壞有兩種情況：（一）直接剪切通常由外加的剪力造成，其特點是剪切破壞面與外加剪力方向一致（圖1-9，a）。圖 1-9 剪切破壞的兩種情況a直接剪切；b、c間接剪切（二）間接剪切由軸向壓縮或其它受力方式引起的剪切破壞。當受壓面上不涂潤滑劑時，加壓板與試件受壓面之間有很大的摩擦阻力，試件不易產(chǎn)生橫向變形。于是試件內(nèi)部產(chǎn)生剪應力，最后沿與最大壓應力垂直方向成一定角度的某個平面發(fā)生剪切破壞（圖1-9b、c）。稱為剪切破壞角。剪切破壞角與巖石強度有關。通常，堅硬巖石的剪切破壞角較大，軟巖則較小，常見巖石剪切破壞角見表1-5。盡管直接剪切和間接剪切破壞的受力方式不

26、同，但兩者共同之處是其破壞形式表現(xiàn)為試件的一部分相對于另一部分產(chǎn)生滑移，即形成剪切裂縫。但這種裂縫通常都不張開，而是呈閉合的形式，常稱之為剪裂面。通常，試件內(nèi)部的剪應力具有對稱性，試件受剪切破壞時常出現(xiàn)成對的傾斜裂縫，常稱為“X形剪裂隙”（圖1-9c）。第六節(jié) 巖體的基本性質前面討論的巖石力學性質，都是以對小塊巖石試件(巖塊)進行的實驗和研究為基礎，與大范圍天然巖體的力學性質有很大差別。為了有效地解決與工程有關的巖石力學實際問題，需要了解巖體的特征及其有關的力學性質。概括來說，巖體在以下三個方面與實驗室?guī)r石試件有顯著不同：l)巖體以天然狀態(tài)埋藏在地下，處于特定的自然物理環(huán)境(地下水、地溫、地應

27、力等)之中，這些因素無疑將對巖體的物理力學性質有很大影響。2)巖體由一定數(shù)量的巖石組成，沒有特定的自然邊界。巖體的范圍根據(jù)解決問題的需要來圈定。3)巖體中存在各種地質弱面和地質構造。巖體在自然狀態(tài)下經(jīng)歷了漫長的地質作用過程。在地應力作用下，巖體內(nèi)部保留了各種永久變形和地質構造形跡，例如：不整合、褶皺、斷層、層理、節(jié)理、裂隙等等。根據(jù)上述特征，巖體可定義為自然界中由各種巖性各種結構特征的巖石的集合體。從工程實際來看，大多數(shù)情況下遇到的巖體，是存在有各種弱面的堅硬天然巖石。因此，從抽象的、典型化的角度來說，可以把巖體看作是由結構面和受它包圍的結構體共同組成的。所謂“結構面”是指在地質發(fā)展歷史中，尤

28、其是地質構造運動過程中形成的，具有一定方向、延展較大、厚度較小的地質界面，它包括巖石物質的分界面和不連續(xù)面，如巖體中存在的層面、節(jié)理、斷層、軟弱夾層等，可統(tǒng)稱為結構面。結構面是巖體的重要組成單元，它的性質影響到巖體的性質。所謂“結構體”是指由不同產(chǎn)狀的結構面相互切割而形成的單元塊體，也稱單元巖塊。結構體的四周都被結構面包圍，常見的結構體大都是有棱有角的多面體，如立方體、柱狀體、板狀體、菱形體、梯形體、楔形體、錐形體等。結構體也是巖體的重要組成部分，它本身的物質組成和排列組合方式也影響到巖體的力學性質。一、巖體的基本類型根據(jù)巖體結構特征的不同，巖體可分為以下幾種基本類型(圖1-10)，1. 整體

29、巖體(圖1-10a)它是指只遭受輕微構造變動的厚層沉積巖，巖層多呈水平或緩斜狀，節(jié)理不發(fā)育，很少有斷層，通?？烧J為是均質、連續(xù)介質。這類巖體本身有很高的力學強度和抗變形能力，巖體的整體強度接近于巖石的強度，具有很好的自穩(wěn)性能。 (a)圖1-10 巖體結構的基本類型a一整體結構；b一塊狀結構；c一層狀結構；d一碎裂結構；e一散體結構2. 塊狀巖體(圖1-10b)它是指遭受中等構造變動的厚層、中厚層沉積巖，巖層多為水平或傾斜狀，節(jié)理發(fā)育，有小斷層及偶有層間錯動，巖石一般比較堅硬，這類沉積巖通常由巖性單一或強度相近的巖層組合而成。根據(jù)構造變動程度，可認為是連續(xù)介質或不連續(xù)介質。這類巖體的整體強度也較

30、高，巖體的變形、破壞受結構面控制，它對一般跨度的巷硐是穩(wěn)定的，開挖后在短時間內(nèi)應力即能達到平衡。3. 層狀巖體 (圖1-10c)它是指構造比較簡單的沉積巖，巖層可以成水平或傾斜陡急狀。它可以由單一巖性或不同巖性的互層或夾層組合而成，巖層的單層厚度一般在0.5m上下。這類巖體的特點是，各個單層具有比較完整的層狀組合，同時常含有粘結力很小的層面、極薄層或薄層狀的原生軟弱夾層以及輕微的層間錯動面，其節(jié)理發(fā)育程度不等。巖體的完整性隨巖層變位程度而定，屬于各向異性的不連續(xù)介質，其變形、破壞受巖層組合和結構面所控制，在跨度較大的巷硐頂部可能產(chǎn)生彎曲折斷，而平行于巷硐側壁的急斜巖層可能發(fā)生膨出及張裂。4.

31、碎裂巖體 (圖1-10d)它是指巖層受強烈構造變動后產(chǎn)生嚴重變形和破裂的巖體。在這類巖體中，褶皺、斷層、層間錯動、節(jié)理、劈理十分發(fā)育，而且斷層、節(jié)理經(jīng)?；ハ嗲懈睿箮r層完整性受到強烈破壞，屬于不連續(xù)介質或似連續(xù)介質。這類巖體比較破碎，整體強度低，受力后的變形、破壞受結構面控制。當在巷硐中懸露時經(jīng)常會發(fā)生片幫、冒頂、側向擠出和底膨等現(xiàn)象。如果碎裂巖體中泥質含量較高時，也可能呈現(xiàn)與時間效應有關的塑性變形。5. 松散巖體 (圖1-10e)是指經(jīng)受最劇烈的構造變動后由斷層泥、巖粉、壓碎的巖石碎屑、碎塊等所組成的巖體。它往往出現(xiàn)在大斷層交匯處，形成破碎帶，沿走向和沿傾斜的厚度變化極不規(guī)則。此外，近代未經(jīng)

32、膠結的松散沉積物，如砂卵石層等也屬松散巖體。這類巖體的結構體呈顆粒狀、碎屑粉狀、角礫狀，屬于非連續(xù)介質。它受力后的變形、滑移主要取決于散粒體之間的摩擦阻力和泥質物的控制作用，故常呈現(xiàn)明顯的塑性或流變性。這類巖體的整體強度極低，幾乎沒有自撐能力，懸露時極不穩(wěn)定，在掘進巷道時，如不進行超前支護，會立即冒落，甚至在掘進以后，巷道中還會出現(xiàn)臌幫、臌底現(xiàn)象，而且來壓既快又大，持續(xù)時間長，往往產(chǎn)生連續(xù)的變形破壞，這是目前巖層控制領域中尚待解決的課題。二、巖體的基本特征根據(jù)上述情況可以看出，巖體除了有以上結構特點外，從本身組成狀況來看也與巖石有許多區(qū)別，其中比較明顯的特征有如下幾點。1. 巖體的非均質性巖體

33、可以由一種或幾種巖石組成，而且以后者居多。對于多種巖石組成的巖體，由于在自然條件下組成巖石的物質成分、組織結構及其組合狀況經(jīng)常變化，所以一般認為巖體是非均質的。例如，對于傾斜層狀巖體，無論是鉛直方向還是水平方向，其非均質性都十分明顯；對水平或近水平的層狀巖體，在鉛直方向上的非均質性也是明顯的，而在水平方向，盡管巖石種類在一定范圍內(nèi)可能沒有明顯變化，但物質組成、巖性巖相也有變化，所以嚴格地說巖體都是非均質的。只有在少數(shù)情況下，在某些局部范圍內(nèi)，如果不存在軟、硬懸殊的夾層，巖石的物理力學性質基本一致，才可看作均質體。2. 巖體的各向異性大多數(shù)層狀巖體在水平及鉛直方向的致密程度不同，因而就有顯著的各

34、向異性，即巖體在不同方向上顯示的物理力學性質(如極限強度、彈性模量等)有明顯不同。巖體的各向異性還受到巖體內(nèi)各種結構面的影響。由于結構面的方位不同，數(shù)量不等，規(guī)模不一，性質各異，會造成巖體具有各向異性。如結構面組數(shù)較少、各自發(fā)育程度不同的巖體，其各向異性會表現(xiàn)得很明顯，反之，結構面組數(shù)多、各自都很發(fā)育、方向十分復雜的巖體，其各向異性反而表現(xiàn)得不明顯。所以，巖體中組成巖石的成層條件及其分布規(guī)律，結構面特性及其發(fā)育狀況等都會導致巖體具有各向異性。3. 巖體的非連續(xù)性由于巖體被各種結構面所切割，因此從原則上說巖體屬于非連續(xù)體。但是隨著被切割的巖塊大小、形態(tài)和性質不同，巖塊的排列和相互接觸狀態(tài)的差異，

35、及其不連續(xù)程度都會有所不同。因此在研究工程問題，尤其是進行巖體穩(wěn)定性分析時，往往根據(jù)巖體的不同結構類型把巖體分別看作是非連續(xù)體、似連續(xù)體或連續(xù)體。例如，受結構面影響明顯的層狀、塊狀結構巖體和碎裂結構巖體可視為非連續(xù)體，結構發(fā)育密集的碎裂結構及結構面不規(guī)則密集分布的散體結構巖體可看成似連續(xù)體，而只有那些整體結構巖體和部分塊狀、中厚層狀結構的巖體才可看作是連續(xù)體。為了對巖體的特性有較全面的了解，在表1-6中對巖石和巖體特性的不同點進行了簡要對比。第七節(jié) 巖體的力學性質像其他材料一樣，在載荷作用下會產(chǎn)生變形，載荷不斷增加，變形會不斷發(fā)展，最后會導致巖體的破壞。了解巖體的變形規(guī)律和特性，對于控制巖體變形，解決井巷設計、掘進和維護，以及與地下開采有關的其它實際問題都有重要意義。巖體不是理想的彈性體，而是具有彈性、塑性和粘性的，多裂隙的非連續(xù)介質，其變形性質也反映了這些特點。例如，巖體在載荷作用下出現(xiàn)彈性變形的同時