第四章巖體的工程地質特性

第四章巖體的工程地質特性第一節(jié)巖體的結構特征1.1基本概念及研究意義

巖體（rockmass）通常指地質體中與工程建設有關的那一部分巖石，它處于一定的地質環(huán)境、被各種結構面所分割。巖體具有一定的結構特征，它由巖體中含有的不同類型的結構面及其在空間的分布和組合狀況所確定。巖體是由結構面和結構體兩部分組成。

結構面是指巖體中具有一定方向、力學強度相對較低、兩向延伸（或具有一定厚度）的地質界面（或帶）。如巖層層面、軟弱夾層、各種成因的斷裂、裂隙等。由于這種界面中斷了巖體的連續(xù)性，故又稱不連續(xù)面。

結構體：結構面在空間的分布和組合可將巖體切割成形狀、大小不同的塊體，稱結構體。工程地質之所以要將巖體的結構特征作為重要研究對象，意義如下：⑴巖體中的結構面是巖體力學強度相對薄弱的部位，它導致巖體力學性能的不連續(xù)性、不均一性和各向異性。只有掌握巖體的結構特征，才有可能闡明巖體不同荷載下內部的應力分布和應力狀況。⑵巖體的結構特征對巖體在一定荷載條件下的變形破壞方式和強度特征起著重要的控制作用。巖體中的軟弱結構面，常常成為決定巖體穩(wěn)定性的控制面，各結構面分別為確定壩肩巖體抗滑穩(wěn)定的分割面和滑移控制面。

⑶靠近地表的巖體，其結構特征在很大程度上確定了外營力對巖體的改造進程。這是由于結構面往往是風化、地下水等各種外營力較活動的部位，也常常是這些營力的改造作用能深入巖體內部的重要通道，往往發(fā)展為重要的控制面?？傊瑢r體的結構特征的研究，是分析評價區(qū)域穩(wěn)定性和巖體穩(wěn)定性的重要依據(jù)。研究結構面最關鍵的是研究各類結構面的分布規(guī)律、發(fā)育密度、表面特征、連續(xù)特征以及它們的空間組合形式等。

1.2巖體結構特征及主要類型

1.2.1結構面的主要類型及特征

結構面的成因分類：原生結構面、構造結構面及淺表生結構面沉積結構面：層理，層面，軟弱夾層，不整合面，原假整合面，古沖刷面等。生火成結構面：侵入體與圍巖接結觸面，巖脈、巖墻接觸面，噴出巖構的流線、流面，冷凝節(jié)理面變質結構面：片理，片麻理，板劈理，片巖軟弱夾層。構節(jié)理（X型節(jié)理，張節(jié)理）造結斷層（正斷層，逆斷層，走滑斷層）構面層間錯動帶，羽狀裂隙，破劈理。

淺部卸荷斷裂淺結、構重力擴展變形破裂表面生結表卸荷裂隙構部風化裂隙面結風化夾層構泥化夾層面次生夾泥

二、結構面的特征結構面的特征是影響結構面強度及其他性能的重要因素。國際巖石力學學會（ISRM）實驗室和野外試驗標準化委員會于1978年提出了《巖體不連續(xù)面定量描述的建議方法》，規(guī)定從方位、間距、延續(xù)性、粗糙度、側壁強度、張開度、充填物、滲流、節(jié)理組數(shù)、塊體大小十個方面進行研究。方位：結構面的產狀（走向、傾向、傾角）間距：反映巖體完整程度和塊體大小延續(xù)性：反映結構面的連通率粗糙度：反映結構面的起伏狀況結構面?zhèn)缺趶姸龋悍从辰Y構面受風化影響的程度張開度：又稱隙寬，即裂隙的寬度充填物：不同物質充填對力學特性有顯著影響滲流：反映地下水的活動狀況節(jié)理組數(shù)：反映巖體被切割的狀況塊體大小：可用塊度和體積節(jié)理數(shù)反映三、軟弱夾層基本定義：軟弱夾層（尤其是泥化夾層）是巖體中非常軟弱的結構面，是壩基巖體、邊坡巖體和洞室圍巖穩(wěn)定性的制約因素。一般軟弱夾層的強度和變形參數(shù)：摩擦系數(shù)f<0.5；飽和抗壓強度Rb≤10MPa；變形模量E0≤1000MPa軟弱夾層的分類按成因分類：參照P127的表4-5。按夾層的物質組成分類：長委會建議的分類軟巖夾層碎塊夾層碎屑夾層泥化夾層軟弱夾層的特性：物理力學性質與夾層的物質組成、粘土礦物、顆粒大小、含水量、起伏狀況有密切聯(lián)系。軟巖夾層：對于粘粒含量較多的粘土巖，遇水膨脹、崩解；對于可溶巖，遇水溶解。Rc＜15MPa，f’=0.4-0.6，E0＜2000MPa。如邊坡穩(wěn)定碎塊夾層：粒徑＞2mm的粗碎屑占80%以上，粘粒含量低于10%。面起伏較大，應力應變關系復雜，f’=0.45-0.6，E0=200~1000MPa。如隧洞穩(wěn)定碎屑夾層：粒徑＞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。如隧洞穩(wěn)定泥化夾層：w≥wp。具有結構松散、孔隙比大、密度小、含水量大、粘粒含量高、力學特性差的特點，f’=0.45-0.6，E0＜50MPa。如葛洲壩水電站泥化夾層形成的三個基本條件：物質基礎：粘土巖類夾層，粘粒含量高，且以蒙脫石為主的粘土礦物。構造作用：完整性被破壞，有利于地下水的運動；礦物顆粒的性質和成分受到破壞。地下水的作用：泥化作用，孔隙水壓力作用，溶解作用等。結構面規(guī)模等級劃分：按其對巖體力學行為所起控制作用，可劃分為三個等級，即貫通性宏觀軟弱面（A類）；顯現(xiàn)結構面（B類）；和隱微結構面（C類）。

類型主要特征力學性質代表性結構面A.貫通性宏觀結構面連續(xù)性好，延伸方向確定，通常具一定厚度與方向破壞巖體的連續(xù)性，構成巖體力學性質作用邊界，控制巖體變形破壞方向，穩(wěn)定性計算的邊界層面，軟弱夾層，斷層面或斷層破碎帶B.顯現(xiàn)結構面硬性結構面，隨機斷續(xù)分布，延伸長度米級-數(shù)十米，具有統(tǒng)計優(yōu)勢方位破壞巖體的完整性，使巖體力學性質具各向異性特征，影響巖體變形破壞方式各類原生和構造裂隙，表生破裂結構面C.隱微結構面短小閉合，長度從毫米級至厘米級，隨機分布可有統(tǒng)計優(yōu)勢方位影響巖塊的強度和變形破壞特征巖石的隱微裂隙四、巖體的結構類型按建造特征可將巖體劃分為塊體狀（或整體狀）結構、塊狀結構、層狀結構、碎塊狀結構和散體狀結構等類型。

塊體狀結構：代表巖性均一，無軟弱面的巖體，含有的原生結構面具有較強的結合力，間距大于1m。通常出現(xiàn)在厚層的碳酸鹽巖、碎屑巖；花崗巖、閃長巖；原生節(jié)理不太發(fā)育的流紋巖、安山巖、玄武巖、凝灰角礫巖中等。

塊體結構：代表巖性較均一，含有2-3組較發(fā)育的軟弱結構面的巖體，結構面間距1～0.5m。成巖裂隙較發(fā)育的厚層砂巖或泥巖，槽狀沖刷面發(fā)育的河流相砂巖體等沉積巖，原生節(jié)理發(fā)育的火山巖體等。

層狀結構：代表一組連續(xù)性好，抗剪性能顯著較低的軟弱面的巖體，一般巖性不均一。可進一步分為層狀（軟弱面間距50～30cm），薄層狀（間距小于30cm）。還可以據(jù)不均一程度劃分出軟硬相間的互層狀結構。

碎塊狀結構：代表含有多組密集結構面的巖體，巖體被分割成碎塊狀，以某些動力變質巖為典型，如溪洛渡泡灰?guī)r。另外按巖體的改變程度可劃分為完整的、塊裂化或板裂化，碎裂化、散體化的等四個等級。第二節(jié)巖體的主要力學特性巖石力學指標的用途劃分巖石工程類型、巖體工程評價飽和抗壓強度≥60MPa60-30MPa＜30MPa＜15MPa巖石類型堅硬巖中硬巖軟巖極軟巖利用巖石飽和抗壓強度劃分巖石工程類型巖石力學指標的用途巖體質量分類或洞室圍巖類型劃分RMR分類：地質力學分類，南非Q分類：隧道圍巖質量分類，歐洲國內：如水利水電規(guī)范、巖土工程規(guī)范，其他部們如鐵道、公路、總參、建設部，個人方面有王思敬、陶振宇、楊子文。評價巖體強度利用結構面網(wǎng)絡模擬、蒙特卡洛法等巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形試驗——承壓板試驗獲得的參數(shù)：變形模量E0、彈性模量Ee變模E0與彈模Ee的經驗關系：基本原理：彈性半無限空間的Boussniesq課題。當測點在板內時的計算公式dp式中：E0（

Ee

）-巖體變形模量（彈性模量）；

W0（We

）-巖體的總變形（彈性變形）；p-按承壓板單位面積計算的壓力；d-承壓板的直徑；u-泊松比。巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形試驗——承壓板試驗平硐中試驗需滿足的邊界條件：Boussniesq課題的基本前提是半無限空間，但實際試驗時是不可能滿足的。一般而言，平硐中試驗需滿足如下圖中的邊界條件。硐底位置1.5d1.5d2.0d巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形試驗——承壓板試驗現(xiàn)場試驗設備巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形試驗——承壓板試驗現(xiàn)場試驗加壓方式逐級一次循環(huán)法（推薦方式）：逐級多次循環(huán)法若只要變形模量，則不需卸載；而既要彈性模量、又要變形模量，則每級荷載作用下要進行卸載；若要反映巖體正交各向異性變形特性，可以沿不同方向進行試驗，主要有垂直加載和水平加載兩種方式。巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形試驗——承壓板試驗現(xiàn)場試驗加壓方式巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形試驗——承壓板試驗現(xiàn)場試驗變形穩(wěn)定判定標準巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形試驗——承壓板試驗壓力～變形曲線與應力～應變關系巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形試驗——承壓板試驗試驗曲線類型及特征直線型：堅硬巖體或碎裂巖體，比較均勻，E0=Ee，各級荷載下進行計算均可以。UP巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形試驗——承壓板試驗試驗曲線類型及特征上凹型：裂隙巖體、中等質量巖體。若按實際荷載取各點的模量便是該點在曲線上的切線，所以模量是變化的，但通常取各級荷載下計算模量的平均值。UP巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形試驗——承壓板試驗試驗曲線類型及特征下凹型：軟巖或斷層帶及巖體質量較差的巖體，同樣按實際荷載取各點的模量時是變化的，一般按與實際的荷載（或地應力）相當?shù)狞c進行取值。UP巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形試驗——承壓板試驗試驗曲線類型及特征長尾型：試驗所在平硐開挖面上有松弛的巖體，或平硐開挖時間長，已形成松動圈。曲線上后段模量較前段模量大。若要真實反映“原位巖體”的模量，則應將u0→0，即以u0點作為0點進行計算。UPU0巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形試驗——承壓板試驗試驗曲線類型及特征折尾型：試驗所在平硐開挖后有應力集中（殘余應力）或有硬殼層。若要真實反映“原位巖體”的模量，則應將σ0→0，即以σ0點作為0點進行計算。UPP0巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形試驗——承壓板試驗變形模量或彈性模量的計算公式巖體類型堅硬巖體中硬巖體軟巖斷層帶巖體分類I、IIIIIIVV泊松比u0.24-0.260.27-0.90.30-0.310.32-0.33式中：E0（

Ee

）-巖體變形模量（彈性模量）；

W0（We

）-巖體的總變形（彈性變形）；p-按承壓板單位面積計算的壓力；d-承壓板的直徑；u-泊松比。巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值動力法測巖體動彈性模量動力法或彈性波法（地震法、聲波法）基本公式式中：Vp-縱波波速（m/s）；

Vs–橫波波速（m/s）；ρ-巖體的密度；u-泊松比。巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形參數(shù)取值直接根據(jù)變形試驗測得的E0、Ee作為依據(jù)利用波速Vp、Vs獲得Ed，建立Ed~Ee關系，并結合E0~Ee關系對于大型水電工程，可以根據(jù)某一工程地質單元或某一巖性測試的波速成果建立E0~Vp關系進行分帶賦值；對于一般的中小型工程或工程前期階段，可以利用如下的經驗關系對巖體變形模量取值式中：E0–變形模量（GPa）；Vp-縱波波速（km/s）。

巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形參數(shù)取值舉例：李家峽水電站壩基巖體開挖前壩基巖體開挖后式中：E0–變形模量（GPa）；

Vp-硐壁縱波波速（km/s）；r-相關系數(shù)。

進一步反映“原位巖體”的變形模量，可以利用硐壁波速與穿透波速之間的關系，建立新的關系巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形參數(shù)取值舉例：李家峽水電站巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形參數(shù)取值舉例：李家峽水電站巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形參數(shù)取值根據(jù)巖石、巖體的優(yōu)劣，利用飽和抗壓強度Rb獲得E0（野外所取得的巖石要能充分反映不同部位或不同工程地質單元的特性），而Rb也可以通過與點荷載試驗獲得強度之間的關系獲得式中：E0–變形模量（GPa）；Rb-飽和抗壓強度（MPa）；注：當Rb＜15MPa時，不適用。巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形參數(shù)取值根據(jù)巖體質量獲得E0巖體變形測試技術、變形特性及參數(shù)取值巖體變形參數(shù)——泊松比u的取值巖體變形模量E0≥20GPa10-20GPa5-10GPa2-5GPa0.2-2GPa泊松比u≤0.240.24-0.260.26-0.280.28-0.300.30-0.33巖體變形參數(shù)的用途理論計算或數(shù)值分析中重要力學參數(shù)之一廣義虎克定律其中：G=E/2(1+u)巖體變形參數(shù)的用途利用波速比Vpm/Vr劃分巖體風化帶新鮮巖石的波速Vr可以用壩址區(qū)（或場址區(qū)）新鮮巖體中測得最高波速來代替；Vpm為不同風化帶中測試的巖體波速；水利水電工程地質勘察規(guī)范（1999）劃分標準見表巖體風化分帶全風化強風化弱風化微風化新鮮Vpm/Vr0.25-0.40.4-0.60.6-0.80.8-1.01.0巖體變形參數(shù)的用途巖體分類巖體分類中把用變形模量E0作為一個非常重要的參考指標巖體質量分級IIIIIIIVV變形模量E0（GPa）≥2010-205-102-50.2-2巖體變形參數(shù)的用途利用V2pm/V2r劃分巖體完整性完整性系數(shù)的定義：巖體完整程度完整較完整完整性差較破碎破碎Kv1-0.750.75-0.450.45-0.250.25-0.1＜0.1巖體變形參數(shù)的用途利用波速Vp劃分巖體結構巖體結構整體塊狀塊狀結構層狀結構碎裂結構散體結構Vp(km/s)＞5.05.0-4.04.0-3.03.5-2.0＜2.0Vp采用值5.0以上4.53.52.751.5巖體變形參數(shù)的用途利用波速Vp或完整性系數(shù)Kv了解巖石質量指標RQD。完整性系數(shù)Kv與巖石質量指標RQD

的關系：波速Vp與巖石質量指標RQD

的關系可以利用Kv~Vp的關系，并結合Kv~RQD關系。二、巖體的流變特性流變性：材料在外部條件不變的情況下，應力或應變（變形）隨時間而變化的性質。包括蠕變和松弛。蠕變：材料在應力不變的情況下，應變（變形）隨時間持續(xù)而逐漸增長的性質。松弛：材料在應變（變形）不變的情況下，應力隨時間持續(xù)而逐漸減小的性質。巖體中具有明顯流變性的有：軟弱巖石、軟弱夾層、碎裂及散體結構巖體。典型蠕變曲線的特征初始蠕變階段：變形速率隨時間減小，又稱阻尼蠕變階段。等速蠕變階段：變形緩慢平穩(wěn)，應變隨時間呈近乎等速增長。加速蠕變階段：變形速率加快直到巖體破壞。三、巖體的強度性質巖石、結構面和巖體強度的對應關系巖體抗剪強度包絡線變化范圍1-結構面強度包絡線；2-巖塊強度包絡線；3-巖體強度包絡線變化范圍（一）平直光滑無充填結構面（二）粗糙起伏無充填結構面對于規(guī)則鋸齒狀結構面爬坡效應：由上式可知，在正應力較低時，鋸齒狀起伏結構面的抗剪強度，隨起伏角I的增加而加大，即所謂的爬坡效應。在正應力較大時，則由鋸齒的巖石強度所決定，如下式對于非規(guī)則結構面（Barton，1973） 式中,τs-剪切應力,σn-法向應力,JRC-節(jié)理粗糙系數(shù)（粗糙度常劃分為10級,JRC的變化范圍在0~20之間）,JCS-節(jié)理壁抗壓強度（可用回彈儀在現(xiàn)場直接測定）,b-巖石基本內摩擦角（可用經驗數(shù)據(jù)或在現(xiàn)場進行結構面的滑動或推拉試驗測得,其與節(jié)理的殘余內摩擦角jres接近,在很多情況下,尤其對于堅硬巖體中的未風化節(jié)理,設b=jres是可以接受的）。對于非規(guī)則結構面（Barton，1973）在穩(wěn)定性分析中,常常需要確定等效內聚力和內摩擦角。這可以通過Barton的剪切準則的外包絡曲線獲得。對于某一應力狀態(tài)下的瞬態(tài)摩擦角可以通過下式求得(Hoek,1995) 同樣應力狀態(tài)下的瞬態(tài)內聚力可以通過下式確定 在給定應力范圍內獲得一系列的(τs,σn)后,進行回歸分析同樣可以獲得節(jié)理的等效內聚力和內摩擦角。（三）有充填物結構面的抗剪強度有充填物結構面的抗剪強度，主要取決于充填物的成分、結構、厚度及充填程度等。充填物的成分和粒度不同，結構面的強度也不同。一般結構面的強度隨充填物中粘土含量增加而降低，隨碎屑成分粒度加大而增加。結構面的抗剪強度，一般還隨充填物厚度增加而降低。一般隨充填度增加結構面的強度逐漸降低，當充填物的厚度t大于起伏差h后，充填物逐漸起控制作用。（t/h稱充填度）第三節(jié)巖體的天然應力狀態(tài)一、巖體應力的組成天然應力（naturalstress）自重應力（gravitationalstress）與上覆厚度有關構造應力（tectonicstress）：與構造活動有關變異應力（alteredstress）：與巖體的物理化學改變和巖漿侵入有關殘余應力（residualstress）：與卸荷有關感生應力（inducedstress）：與開挖支護等有關天然應力的理論計算：靜水應力式的觀點、垂直應力為主的觀點和水平應力為主的觀點。最早且引用最多的是瑞士地質學家Heim（1912）提出的假定，即地殼巖體某點的垂直地應力為其上覆巖體厚度的積分形式Zyxhσvσhσh設巖體為完全彈性體，水平地應力可寫為式中：σv-垂直地應力；σh-水平地應力；ρ-巖石密度；g-重力加速度；h-上覆巖體厚度；γ-巖石容重；μ-泊松比。二、天然應力分布的規(guī)律巖體中存在三向不等的空間應力場；水平應力與垂直應力的關系表明：地殼表部巖體以水平應力為主；垂直地應力隨深度而增加(據(jù)G.Herget,1988)水平地應力隨深度而增加(據(jù)G.Herget,1988)水平應力和垂直應力之比σH/σV與埋深H的關系（據(jù)Hoek和Brown，1980）水平應力具有強烈的方向性，這與構造活動具有方向性有關；河谷地區(qū)地應力場的特征表明，受淺表生改造作用，天然應力場發(fā)生了重分布，且在峽谷底部有明顯的應力集中現(xiàn)象。地應力測點平面分布位置圖主應力隨深度的關系三、地應力研究的工程意義基坑底部的隆起、剝離破壞基坑邊坡的剪切滑移地下洞室產生大的收斂變形地下洞室施工過程中產生巖爆第四節(jié)巖體的工程分類

工程應用分類是以巖體穩(wěn)定性或巖體質量評價為基礎的分類。為綜合性分類，目前主要考慮三方面因素的指標：即與巖石工程性質有關的指標（力學性質）、巖體后期改造有關的指標(巖體結構)和巖體賦存條件方面的指標（地下水或地應力）。通常有:RMR(賓尼亞斯基分類，Bieniawski);

巴頓的Q分類;谷德振的巖體質量指標Z系統(tǒng)分類（1979）。(見表1-3。)

分類方案巖體質量指標計算公式及方法參數(shù)RMR系統(tǒng)RMR=A+B+C+D+E+F

和差綜合法（并聯(lián)系統(tǒng)）（T.Bieniawski,1973)A—巖石強度（點荷載.單軸壓)分數(shù)15—0B—RQD(巖石質量指標）分數(shù)20—3D—不連續(xù)面性狀（粗糙—夾泥）分數(shù)30—0C—不連續(xù)面間距（>2m—<3m)分數(shù)20—5E—地下水（干燥—流動）分數(shù)15—0F—不連續(xù)面產狀條件（很好—很差）分數(shù)0—-12等級劃分I很好RMR100—81II好RMR80—61III中等RMR60—41IV差RMR40—21V很差RMR<=20RSR系統(tǒng)RSR=A+B+C

和差綜合法（并聯(lián)系統(tǒng)）（G.Wickham,1974)A—地質（巖石類型：按三大巖類由硬質至破碎劃分四個等級。構造由整體—強烈斷裂褶皺分為四等），分數(shù)30—6B—節(jié)理裂隙特征（按整體至極密集分為6個等級，按走向傾角與掘進方向關系折減）分數(shù)45—7C—地下水（無至大量）分數(shù)25—6RSR的變化范圍25—100Q系統(tǒng)Q=RQD/Jn

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