地下工程巖體結構與力學特征

第2章地下工程巖體結構與力學性質

§2.1地下巖體結構類型§2.2結構面類型與特征§2.3巖體結構力學特征2.1地下巖體結構類型

2.1.1巖體的結構

巖體結構(rockmassstructure)指巖體中結構面與結構體的排列組合關系?；镜膸r體結構單元有兩類四種：概述巖體：巖塊和分割它們的不連續(xù)面組成的地質體。不連續(xù)面：也被稱為結構面。（斷層、軟弱層面、大多數(shù)節(jié)理、軟弱片理和軟弱帶等各種力學因素形成的破裂面和破裂帶）地下工程巖體：指地下工程所處于的巖體(包括建筑、水利、礦山、交通等領域的工程)。地下工程巖體兩個特點：存在各種結構面、巖體始終處于一定的地應力和滲流作用下。結構體指巖體中被結構面切割圍限的巖石塊體。它不同于巖塊的概念。結構體的規(guī)模取決于結構面的密度，與結構面對應，劃分為五級。結構體規(guī)模常用塊度模數(shù)（單位體積內Ⅳ級結構體數(shù))或結構體體積來表示。結構體常見的形狀：柱狀、板狀、楔形、菱形2.1.2巖體結構類型

根據(jù)結構面對巖體力學性質和圍巖穩(wěn)定性的影響，工程地質學將巖體劃分為4種結構類型：整體與塊狀結構層狀結構碎裂狀結構散體狀結構

以原生構造節(jié)理為主，只具有少量貫穿性較好的節(jié)理裂隙，多呈閉合型，裂隙結構面間距大于0.7m，一般不超過1～2組，基本無危險結構面組成的落石掉塊，偶有少量分離體。整體性好，強度高，結構面互相牽制，巖體穩(wěn)定，可視為均質彈性各向同性體，可能發(fā)生的巖土工程問題為不穩(wěn)定結構體的局部滑動或坍塌，以及深埋洞室的巖爆。主要為均質、巨塊狀巖漿巖、變質巖，巨厚層、厚層沉積巖、正變質巖、塊狀巖漿巖、變質巖；主要結構形狀為巨塊狀、塊狀、柱狀。1整體與塊狀結構有層理、片理、節(jié)理，常有層間錯動。接近均一的各向異性體，其變形及強度特征受層面及巖層組合控制，可視為彈塑性體，穩(wěn)定性較差，可能發(fā)生不穩(wěn)定結構體滑塌，特別是巖層的彎張破壞及軟弱巖層的塑性變形。主要為多層近似平行的薄層及中厚層狀沉積巖、副變質巖；主要結構形狀為層狀、板狀、透鏡體。2層狀結構

含鑲嵌結構、層狀碎裂結構和碎裂結構；主要結構形狀為塊狀；斷層、斷層破碎帶、片理、層理及層間結構面較發(fā)育，裂隙結構面間距0.25～0.5m，結構面組數(shù)一般在2組以上。完整性很差，整體強度很低，并受斷裂等軟弱結構面控制，多呈彈塑性介質，穩(wěn)定性很差?？赡馨l(fā)生規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)，地下水問題。3碎裂結構主要為構造影響劇烈的斷層破碎帶，強風化帶，全風化帶；主要結構形狀為碎屑狀、顆粒狀；斷層破碎帶交叉，構造及風化裂隙密集，結構面及組合錯綜復雜，并多充填粘性土，形成許多大小不一的分離巖塊。完整性遭到極大破壞，穩(wěn)定性極差，巖體屬性接近松散體介質，可能發(fā)生的巖土工程問題為易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)，地下水量加劇，巖體失穩(wěn)。4散體狀結構一、結構面的成因類型(一)地質成因類型原生結構面構造結構面次生結構面(二)力學成因類型張性結構面剪性結構面§2.2結構面特征巖體結構面的類型及其特征成因類型地質類型主

要

特

征工程地質評價產(chǎn)

狀分

布性

質原生結構面沉積結構面1層理層面2軟弱夾層3不整合面、假整合面4沉積間斷面一般與巖層產(chǎn)狀一致，為層間結構面海相巖層中此類結構面分布穩(wěn)定，陸相巖層中呈交錯狀，易尖滅層面、軟弱夾層等結構面較為平整；不整合面及沉積間斷面多由碎屑泥質物構成，且不平整國內外較大的壩基滑動及滑坡很多由此類結構面所造成的，如奧斯汀、圣·弗朗西斯、馬爾帕塞壩的破壞，瓦依昂水庫附近的巨大滑坡巖漿巖結構面1侵入體與圍巖接觸面2巖脈巖墻接觸面3原生冷凝節(jié)理巖脈受構造結構面控制，而原生節(jié)理受巖體接觸面控制接觸面延伸較遠，比較穩(wěn)定，而原生節(jié)理往往短小密集與圍巖接觸面可具熔合及破碎兩種不同的特征，原生節(jié)理一般為張裂面，較粗糙不平一般不造成大規(guī)模的巖體破壞，但有時與構造斷裂配合，也可形成巖體的滑移，如有的壩肩局部滑移變質結構面1片理2片巖軟弱夾層產(chǎn)狀與巖層或構造方向一致片理短小，分布極密，片巖軟弱夾層延展較遠，具固定層次結構面光滑平直，片理在巖層深部往往閉合成隱蔽結構面，片巖軟弱夾層具片狀礦物，呈鱗片狀在變質較淺的沉積巖，如千枚巖等路塹邊坡常見塌方。片巖夾層有時對工程及地下洞體穩(wěn)定也有影響構造結構面1節(jié)理（X型節(jié)理、張節(jié)理）2斷層（沖斷層、捩斷層、橫斷層）3層間錯動4羽狀裂隙、劈理產(chǎn)狀與構造線呈一定關系，層間錯動與巖層一致張性斷裂較短小，剪切斷裂延展較遠，壓性斷裂規(guī)模巨大，但有時為橫斷層切割成不連續(xù)狀張性斷裂不平整，常具次生充填，呈鋸齒狀，剪切斷裂較平直，具羽狀裂隙，壓性斷層具多種構造巖，成帶狀分布，往往含斷層泥、糜棱巖對巖體穩(wěn)定影響很大，在上述許多巖體破壞過程中，大都有構造結構面的配合作用。此外常造成邊坡及地下工程的塌方、冒頂次生結構面

1卸荷裂隙2風化裂隙3風化夾層4泥化夾層5次生夾泥層

受地形及原結構面控制分布上往往呈不連續(xù)狀，透鏡狀，延展性差，且主要在地表風化帶內發(fā)育一般為泥質物充填，水理性質很差在天然及人工邊坡上造成危害，有時對壩基、壩肩及淺埋隧洞等工程亦有影響，但一般在施工中予以清基處理

(一)地質成因類型1.原生結構面巖體在成巖過程中形成的結構面。沉積結構面是沉積巖在沉積和成巖過程中形成的，有層理面、軟弱夾層、沉積間斷面和不整合面等。巖漿結構面是巖漿侵入及冷凝過程中形成的結構面，包括巖漿巖體與圍巖的接觸面、各期巖漿巖之間的接觸面和原生冷凝節(jié)理等。變質結構面在變質過程中形成，分為殘留結構面和重結晶結構面。2.構造結構面是巖體形成后在構造應力作用下形成的各種破裂面，包括斷層、節(jié)理、劈理和層間錯動面等。3.次生結構面是巖體形成后在外營力作用下產(chǎn)生的結構面，包括卸荷裂隙、風化裂隙、次生夾泥層和泥化夾層等。(二)力學成因類型1、張性結構面是由拉應力形成的，如羽毛狀張裂面、縱張及橫張破裂面、巖漿巖中的冷凝節(jié)理等特點：張開度大、連續(xù)性差、形態(tài)不規(guī)則、面粗糙，起伏度大及破碎帶較寬,易被充填,常含水豐富，導水性強2、剪性結構面是剪應力形成的，破裂面兩側巖體產(chǎn)生相對滑移，如逆斷層、平移斷層以及多數(shù)正斷層等。特點：連續(xù)性好，面較平直，延伸較長并有擦痕鏡面等。二、結構面的規(guī)模Ⅰ級指大斷層或區(qū)域性斷層?？刂乒こ探ㄔO地區(qū)的地殼穩(wěn)定性，直接影響工程巖體穩(wěn)定性；Ⅱ級指延伸長而寬度不大的區(qū)域性地質界面。Ⅲ級指長度數(shù)十米至數(shù)百米的斷層、區(qū)域性節(jié)理、延伸較好的層面及層間錯動等。Ⅱ、Ⅲ級結構面控制著工程巖體力學作用的邊界條件和破壞方式，它們的組合往往構成可能滑移巖體的邊界面，直接威脅工程安全穩(wěn)定性Ⅳ級指延伸較差的節(jié)理、層面、次生裂隙、小斷層及較發(fā)育的片理、劈理面等。是構成巖塊的邊界面，破壞巖體的完整性，影響巖體的物理力學性質及應力分布狀態(tài)。Ⅳ級結構面主要控制著巖體的結構、完整性和物理力學性質，數(shù)量多且具隨機性，其分布規(guī)律具統(tǒng)計規(guī)律，需用統(tǒng)計方法進行研究。Ⅴ級又稱微結構面。常包含在巖塊內，主要影響巖塊的物理力學性質，控制巖塊的力學性質。二、結構面的規(guī)模走向、傾向、傾角結構面與最大主應力間的關系控制著巖體的破壞機理與強度。三、產(chǎn)狀據(jù)單結構面理論，巖體中存在一組結構面時，巖體的極限強度與結構面傾角間的關系為：四連續(xù)性結構面的連續(xù)性反映結構面的貫通程度。1、線連續(xù)性系數(shù)：指沿結構面延伸方向，結構面各段長度之和(Σa)與測線長度的比值。

K1變化在0～1之間，K1值愈大說明結構面的連續(xù)性愈好，當K1＝1時，結構面完全貫通。2、面連續(xù)性系數(shù)：指沿結構面延伸方向，結構面面積之和與總面積的比值。結構面連續(xù)性分級表描述跡長（m）很低連續(xù)性<1低連續(xù)性1~3中等連續(xù)性3~10高連續(xù)性10~20很高連續(xù)性>20五密度結構面的密度反映結構面發(fā)育的密集程度。1、線密度(Kd)是指結構面法線方向單位測線長度上交切結構面的條數(shù)(條／m)。2、間距(d)則是指同一組結構面法線方向上兩相鄰結構面的平均距離。Kd與d互為倒數(shù)關系如果測線水平布置，且與結構面法線的夾角為α，結構面的傾角為β時:結構面間距分級表描述間距（mm）極密集的間距<20很密集的間距20~60密集的間距60~200中等的間距200~600寬的間距600~2000很寬的間距2000~6000極寬的間距>6000用線密度來估算巖體質量指標RQD(rockqualitydesignation)巖體質量指標RQD：長度大于10cm的巖心長度之和與鉆孔總進尺的百分比。六張開度結構面的張開度是指結構面兩壁面間的垂直距離。結構面兩壁面一般不是緊密接觸，使結構面實際接觸面積減少，導致結構面粘聚力降低和滲透性增大。如在層流條件下，平直而兩壁平行的單個結構面的滲透系數(shù)(Kf)可表達為：結構面張開度分級表描述結構面張開度（mm）分類很緊密緊密部分張開<0.10.1~0.250.25~0.5閉合結構面張開中等寬的寬的0.5~2.52.5~10>10裂開結構面很寬的極寬的似洞穴的10~100100~1000>1000張開結構面

Ⅳ級及部分Ⅲ級結構面的產(chǎn)狀、跡長、間距及張開度等幾何特征參數(shù)，服從一定的隨機分布規(guī)律。七形態(tài)結構面的形態(tài)可以用側壁的起伏形態(tài)及粗糙度來反映。結構面?zhèn)缺诘钠鸱螒B(tài)分為：平直的、波狀的、鋸齒狀的、臺階狀的和不規(guī)則狀的。側壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。結構面的粗糙度用粗糙度系JRC(jointroughnesscoefficient)表示。隨粗糙度的增大，結構面的摩擦角也增大。根據(jù)標準粗糙度剖面將結構面的粗糙度系數(shù)劃分為10級。八充填膠結特征結構面膠結后力學性質有所增強，F(xiàn)e質膠結的強度最高，泥質與易溶鹽類膠結的結構面強度最低，且抗水性差。未膠結的結構面，力學性質取決于其充填情況，可分為：薄膜充填、斷續(xù)充填、連續(xù)充填及厚層充填4類1

薄膜充填是結構面兩壁附著一層極薄的礦物膜，厚度多小于1mm，多明顯降低結構面的強度。2

斷續(xù)充填結構面的力學性質與充填物性質、壁巖性質及結構面的形態(tài)有關。3

連續(xù)充填結構面的力學性質主要取決于充填物性質。4

厚層充填結構面的力學性質很差，主要取決于充填物性質，巖體往往易于沿這種結構面滑移而失穩(wěn)。九軟弱結構面軟弱結構面是巖體中具有一定厚度的軟弱帶(層)，與兩盤巖體相比具有高壓縮和低強度等特征，在產(chǎn)狀上多屬緩傾角結構面。主要包括原生軟弱夾層、構造及擠壓破碎帶、泥化夾層及其他夾泥層等。特性：

1、由原巖的超固結膠結式結構變成了泥質散狀結構或泥質定向結構2、粘粒含量很高3、含水量接近或超過塑限4、密度比原巖小

5、常具有一定的脹縮性6、力學性質比原巖差

7、強度低

8、壓縮性高9、易產(chǎn)生滲透變形十、結構面的組合關系結構面的組合關系控制著可能滑移巖體的幾何邊界條件、形態(tài)、規(guī)模、滑動方向及滑移破壞類型，它是工程巖體穩(wěn)定性預測與評價的基礎。任何堅硬巖體的塊體滑移破壞，都必須具備一定的幾何邊界條件。因此，在研究巖體穩(wěn)定性時，必須研究結構面之間及其與臨空面之間的組合關系，確定可能失穩(wěn)塊體的形態(tài)、規(guī)模和可能滑移方向等。結構面組合關系的分析可用赤平投影、立體投影和三角幾何計算法等進行。2.3巖體的力學性質§2.3.1巖體的變形性質

§2.3.2巖體的強度性質§2.3.1巖體的變形性質

一、巖體變形試驗及其變形參數(shù)確定二、巖體變形參數(shù)估算三、巖體變形曲線類型及其特征四、影響巖體變形性質的因素在受力條件改變時巖體的變形是巖塊變形和結構變形的總和，而結構變形通常包括結構面閉合、充填物的壓密及結構體轉動和滑動等變形。從巖體的定義：巖塊+結構面=>巖體巖體變形=巖塊變形+結構面閉合+充填物壓縮+其他變形在一般情況下，巖體的結構變形起著控制作用。一、巖體變形試驗及其變形參數(shù)確定承壓板法狹縫法鉆孔變形法水壓洞室法單(雙)軸壓縮試驗法聲波法地震波法原位巖體變形試驗靜力法動力法靜力法的基本原理：在選定的巖體表面、槽壁或鉆孔壁面上施加法向荷載，并測定其巖體的變形值；然后繪制出壓力-變形關系曲線，計算出巖體的變形參數(shù)。動力法的基本原理：用人工方法對巖體發(fā)射(或激發(fā))彈性波(聲波或地震波)，并測定其在巖體中的傳播速度，然后根據(jù)波動理論求巖體的變形參數(shù)。1、承壓板法

剛性承壓板法柔性承壓板法ω是與承壓板形狀與剛度有關的系數(shù)。對于圓形板ω＝0.785；對于方形板ω＝0.886

2、鉆孔變形法

優(yōu)點：①對巖體擾動??；②可以在地下水位以下和相當深的部位進行；③試驗方向基本上不受限制，而且試驗壓力可以達到很大；④在一次試驗中可以同時量測幾個方向的變形，便于研究巖體的各向異性。缺點：試驗涉及的巖體體積小，代表性受到局限。

3、狹縫法

常見巖體的彈性模量和變形模量

幾種巖體用不同試驗方法測定的彈性模量巖體的變形模量比巖塊的小，而且受結構面發(fā)育程度及風化程度等因素影響十分明顯。不同地質條件下的同一巖體，其變形模量相差較大。試驗方法不同、壓力大小不同，巖體變形模量不同。二、巖體變形參數(shù)估算一是在現(xiàn)場地質調查的基礎上，建立適當?shù)膸r體地質力學模型，利用室內小試件試驗資料來估算。二是在巖體質量評價和大量試驗資料的基礎上，建立巖體分類指標與變形參數(shù)之間的經(jīng)驗關系，并用于變形參數(shù)估算。1、層狀巖體變形參數(shù)估算

層狀巖體的地質力學模型假設各巖層厚度相等為S，且性質相同。層面的張開度可忽略不計假設巖塊的變形參數(shù)為E，μ和G，層面的變形參數(shù)為Kn，Ks。取n-t坐標系，n垂直層面，t平行層面。由巖塊和層面組成單元體。（1）法向應力σn作用下的巖體變形參數(shù)

1)沿n方向加荷2)沿t方向加荷(2)剪應力作用下的巖體變形參數(shù)

2、裂隙巖體變形參數(shù)的估算

（1）用RMR值估算巖體變形模量（2）用Q值估算縱波速度和巖體平均變形模量三、巖體變形曲線類型及其特征

1、法向變形曲線直線型上凹型上凸型復合型直線型通過原點的直線，其方程為p＝f(W)＝KW加壓過程中W隨p成正比增加巖體巖性均勻、結構面不發(fā)育或結構面分布均勻巖體剛度大，不易變形，巖體較堅硬、完整、致密均勻、少裂隙，以彈性變形為主，接近于均質彈性體。

巖體剛度低、易變形，由多組結構面切割且分布較均勻或巖性較軟弱且均質或平行層面加壓。有明顯的塑性變形和回滯環(huán)，非彈性變形。

陡直線型緩直線型上凹型曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增大而遞增，dp/dW＞0層狀及節(jié)理巖體多呈這類曲線

巖體剛度隨循環(huán)次數(shù)增加而增大，彈性變形成分較大。多為垂直層面加壓的較堅硬層狀巖體。卸壓曲線較陡，變形大部分為塑性變形。多為存在軟弱夾層的層狀巖體及裂隙巖體或垂直層面加壓的層狀巖體。第二種情況第一種情況上凸型曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增加而遞減，d2p/dW2＜0。結構面發(fā)育且有泥質充填的巖體、較深處埋藏有軟弱夾層或巖性軟弱的巖體常呈這類曲線。復合型p-W曲線呈階梯或“S”型。結構面發(fā)育不均或巖性不均勻的巖體，常呈此類曲線。2、剪切變形曲線峰值前曲線平均斜率小，破壞位移大；峰值后應力降很小或不變。多為沿軟弱結構面剪切。峰值前曲線平均斜率較大，峰值強度較高。峰值后應力降較大。多為沿粗糙結構面、軟弱巖體及劇風化巖體剪切。峰值前曲線斜率大，線性段和非線性段明顯，峰值強度高，破壞位移小。峰值后應力降大，殘余強度較低。多為剪斷堅硬巖體。四、影響巖體變形性質的因素

影響因素：巖性、結構面特征、風化程度、試驗方法、試件尺寸、加荷條件、溫度、濕度等。結構面密度結構面的張開度及充填特征結構面方位§2.3.2巖體的強度性質一、巖體的剪切強度二、裂隙巖體的壓縮強度三、裂隙巖體強度的經(jīng)驗估算巖體強度是指巖體抵抗外力破壞的能力。巖體的強度既不同于巖塊的強度，也不同于結構面的強度，一般情況下，其強度介于巖塊與結構面強度之間。巖體和巖塊一樣，巖體強度也有抗壓強度、抗拉強度和剪切強度之分。一、巖體的剪切強度

巖體的剪切強度是指巖體內任一方向剪切面，在法向應力作用下所能抵抗的最大剪應力。剪切強度分為抗剪斷強度、抗剪強度和抗切強度。抗剪斷強度是指在任一法向應力下，橫切結構面剪切破壞時巖體能抵抗的最大剪應力?？辜魪姸仁侵冈谌我环ㄏ驊ο?，巖體沿已有破裂面剪切破壞時的最大應力?？骨袕姸仁侵讣羟忻嫔系姆ㄏ驊榱銜r的抗剪斷強度。1、原位巖體剪切試驗及其強度參數(shù)確定雙千斤頂法直剪試驗

巖體剪應力(τ)-剪位移(u)曲線及法向應力(σ)-法向變形(W)曲線。剪切強度曲線及巖體剪切強度參數(shù)Cm，φm值各類巖體的剪切強度參數(shù)表巖體內摩擦角與巖塊較接近，而內聚力則大大低于巖塊。說明結構面的存在主要是降低了巖體的連結能力，進而降低其內聚力。2、巖體的剪切強度特征巖體的剪切強度是具有上限和下限的值域，其強度包絡線也是有上限和下限的曲線族。上限是巖體的剪斷強度,下限是結構面的抗剪強度。應力σ較低時，強度變化范圍較大，隨著應力增大，范圍逐漸變小。應力σ高到一定程度時，包絡線變?yōu)橐粭l曲線，巖體強度將不受結構面影響而趨于各向同性體。沿結構面剪切(重剪破壞)時，巖體剪切強度最低，等于結構面的抗剪強度。橫切結構面剪切(剪斷破壞)時，巖體剪切強度最高。沿復合剪切面剪切(復合破壞)時，其強度介于以上兩者之間。堅硬巖石的強度曲線軟弱巖石的強度曲線二、裂隙巖體的壓縮強度

巖體的壓縮強度分為單軸抗壓強度和三軸壓縮強度。在生產(chǎn)實際中，通常是采用原位單軸壓縮和三軸壓縮試驗來確定。

單軸壓縮三軸壓縮單結構面理論巖體的強度(σ1－σ3)隨結構面傾角β的變化而變化。