巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)

土木工程地質(zhì)學(xué)

GeologyinCivilEngineering4.1巖體結(jié)構(gòu)與地質(zhì)特征

4.2巖塊的工程地質(zhì)性質(zhì)4.3結(jié)構(gòu)面特征及力學(xué)性質(zhì)

4.4巖體力學(xué)性質(zhì)與工程分類巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)巖體的基本概念：巖體通常指工程影響范圍內(nèi)的地質(zhì)體，它由處于一定應(yīng)力狀態(tài)、被各種結(jié)構(gòu)面切割的巖石所組成。巖體(rockmass)＝結(jié)構(gòu)面(discontinuities)+巖石(rocks)工程巖體：地基巖體、邊坡巖體、地下洞室圍巖結(jié)構(gòu)面：指巖體中具有一定方向、力學(xué)特性相對較差、兩向延伸（或具有一定厚度）的各種地質(zhì)界面的總稱。由于中斷了巖體的連續(xù)性，故又稱不連續(xù)面，如層面、節(jié)理、斷層、軟弱夾層等。

4.1巖體結(jié)構(gòu)與地質(zhì)特征

構(gòu)面的成因類型原生結(jié)構(gòu)面：巖石成巖過程中形成的結(jié)構(gòu)面。沉積結(jié)構(gòu)面：層理、層面、沉積不整合面、沉積軟弱夾層?；鸪山Y(jié)構(gòu)面：巖漿侵入、噴溢及冷凝過程中形成的結(jié)構(gòu)面。變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：包括殘余的變余結(jié)構(gòu)面和變成的重結(jié)晶結(jié)構(gòu)面。次生結(jié)構(gòu)面內(nèi)動力成因型結(jié)構(gòu)面（構(gòu)造結(jié)構(gòu)面）：受構(gòu)造應(yīng)力作用。外動力成因型結(jié)構(gòu)面（表生結(jié)構(gòu)面）：如卸荷裂隙（長江鏈子崖危巖體）、泥化夾層及表生夾泥。結(jié)構(gòu)面的特征1978年ISRM實驗室和野外試驗標(biāo)準(zhǔn)委員會制定的《巖體不連續(xù)面定量描述的建議方法》方位：結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)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(jié)構(gòu)面的連通率粗糙度：反映結(jié)構(gòu)面的起伏狀況結(jié)構(gòu)面?zhèn)缺趶姸龋悍从辰Y(jié)構(gòu)面受風(fēng)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(zhì)充填對力學(xué)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10

結(jié)構(gòu)體(structuralelement)－－被結(jié)構(gòu)面切割而成的巖石塊體。與結(jié)構(gòu)面級別對應(yīng),為四級。結(jié)構(gòu)體特征－－形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀形狀規(guī)模

常見的：柱狀、板狀、楔形及菱形等， 還有片狀、鱗片狀、碎塊狀及碎屑狀即巖塊的大小,取決于結(jié)構(gòu)面的密度,密度愈 小,結(jié)構(gòu)體的規(guī)模愈大。常用單位體積內(nèi)的

Ⅳ級結(jié)構(gòu)體數(shù)（塊度模數(shù)）或結(jié)構(gòu)體體積 來表示。板狀或菱形巖體的結(jié)構(gòu)體形狀柱狀 錐形形狀不同,穩(wěn)定性不同:板狀比柱狀、菱形狀更易滑動，楔形體比錐形體穩(wěn)定性差結(jié)構(gòu)體特征－－規(guī)模、形態(tài)、產(chǎn)狀板狀或菱形 楔形

jge

d板狀

i

楔c形錐形

hb柱a狀 楔形

f產(chǎn)狀用結(jié)構(gòu)體的長軸方向表示。結(jié)構(gòu)體特征－－規(guī)模、形態(tài)、產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)體產(chǎn)狀、力的方向、臨空面方向等有關(guān)。如板狀結(jié)構(gòu)體：豎直的與平臥的穩(wěn)定性和破壞特征不同?；瑒踊驈澢⒄蹟嗥茐膹澢?、折斷或彎曲、傾倒破壞巖體的結(jié)構(gòu)類型－－5類巖體結(jié)構(gòu)類型劃分表（引自《巖土工程勘察規(guī)范》，1995）巖體結(jié)構(gòu)類型巖體地質(zhì) 類型

主要結(jié)構(gòu)體形 狀結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況巖土工程特征可能發(fā)生的巖土工程問題整體狀 結(jié)構(gòu)

均質(zhì)、巨塊狀巖漿巖、變質(zhì)巖、巨厚層沉積巖、正變質(zhì)巖巨塊狀

以原生構(gòu)造節(jié)理為主，多呈閉合型，裂隙結(jié)構(gòu)面間距大于1.5m，一般不超過l～2組，無危險結(jié)構(gòu)面組成的落石掉塊

整體性強度高，巖體穩(wěn)定，可視為均質(zhì)彈性各向同性體塊狀結(jié)構(gòu)厚層狀沉積巖、正變質(zhì)巖、塊狀巖漿巖、變質(zhì)巖塊狀柱狀只具有少量貫穿性較好的節(jié)理裂隙，裂隙結(jié)構(gòu)面間距0.7～1.5m。一般為2～3組，有少量分離體整體強度較高，結(jié)構(gòu)面互相牽制，巖體基本穩(wěn)定，接近彈性各向同性體層狀結(jié)構(gòu)多韻律的薄層及中厚層狀沉積巖、副變質(zhì)巖

層狀 板狀透鏡體有層理、片理、節(jié)理，常有層間錯動面

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

不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體可能產(chǎn)生滑塌，特別是巖層的彎張破壞及軟弱巖層的塑性變形碎裂狀 結(jié)構(gòu)構(gòu)造影響嚴(yán)重的破碎巖層碎塊狀斷層，斷層破碎帶、片理、層理及層間結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，裂隙結(jié)構(gòu)面間距0.25～0.5m，一般在3組以上，由許多分離體形成

完整性破壞較大，整體強度很低，并受斷裂等軟弱結(jié)構(gòu)面控制，多呈彈塑性介質(zhì)，穩(wěn)定性很差易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)，地下水加劇巖體失穩(wěn)散體狀 結(jié)構(gòu)構(gòu)造影響劇烈的斷層破碎帶，強風(fēng)化帶，全風(fēng)化帶碎屑狀顆粒狀斷層破碎帶交叉，構(gòu)造及風(fēng)化裂隙密集，結(jié)構(gòu)面及組合錯綜復(fù)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(zhì)

易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)，地下水加劇巖體失穩(wěn)

不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的局部滑動或坍塌，深埋洞室的巖爆巖體完整程度結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度主要結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度主要結(jié)構(gòu)面類型巖體結(jié)構(gòu)類型組數(shù)平均間距/m完整1～2>1.0結(jié)合好或結(jié)合一般節(jié)理、裂隙、層面整體狀或巨厚層狀結(jié)構(gòu)較完整1～2>1.0結(jié)合差節(jié)理、裂隙、層面塊狀或厚層狀結(jié)構(gòu)2～31.0～0.4結(jié)合好或結(jié)合一般塊狀結(jié)構(gòu)較破碎2～31.0～0.4結(jié)合差

節(jié)理、裂隙、層面、小斷層裂隙塊狀或中厚層狀結(jié)構(gòu)≥30.4～0.2結(jié)合好鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)結(jié)合一般中、薄層狀結(jié)構(gòu)破碎≥30.4～0.2結(jié)合差各種類型結(jié)構(gòu)面裂隙塊狀結(jié)構(gòu)≤0.2結(jié)合一般或結(jié)合差碎裂狀結(jié)構(gòu)極破碎無序結(jié)合很差散體結(jié)構(gòu)巖體完整程度與巖體結(jié)構(gòu)類型的定性劃分(《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》）整體狀結(jié)構(gòu) 層狀結(jié)構(gòu)塊狀結(jié)構(gòu) 碎裂結(jié)構(gòu)散體狀結(jié)構(gòu)巖體的結(jié)構(gòu)類型整體塊狀層狀結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)散體結(jié)構(gòu)4.2.1巖石的主要物理和水理性質(zhì)密度和重度相對密度（比重）孔隙度（孔隙率）吸水率和飽和吸水率

4.2巖塊的工程地質(zhì)性質(zhì)

4.2.1巖石的主要物理性質(zhì)密度和重度巖石密度ρ（g/cm3）：試樣質(zhì)量m（g）與試樣體積V（cm3）的比值天然密度干密度ρd含水量w（％）重度γ（kN/m3）

：單位體積巖石受到的重力，與密度ρ的關(guān)系為4.2.1巖石的主要物理性質(zhì)相對密度（比重）Gs干試樣質(zhì)量m（g）與4℃時同體積純水質(zhì)量（巖石固體體積與水的密度之積）的比值4.2.1巖石的主要水理性質(zhì)孔隙度（孔隙率）n試樣中孔隙（包括微裂隙）的體積Vv（cm3）與試樣總體積V（cm3）的百分比孔隙比e孔隙度n與孔隙比e之間的關(guān)系4.2.1巖石的主要水理性質(zhì)吸水率Wa和飽和吸水率Wsa飽水系數(shù)kw4.2.1巖石的主要水理性質(zhì)巖石的耐凍性巖石的飽水系數(shù)kw可以作為巖石耐凍性判別的指標(biāo)。飽水系數(shù)越大的巖石，耐凍性越差。巖石種類耐凍巖石不耐凍巖石一般巖石的理論值kw

＜0.9kw≥0.9粒狀結(jié)晶、孔隙均勻的巖石kw

＜0.8kw≥0.8孔隙不均勻或呈層狀分布有粘土物質(zhì)充填的巖石kw

＜0.7kw≥0.74.2.2巖塊的力學(xué)性質(zhì)巖石強度抗壓強度：干抗壓、飽和抗壓、軟化系數(shù)抗拉強度：劈裂試驗，點荷載試驗抗剪強度：中型剪、雙面剪巖石變形彈性模量變形模量泊松比4.2巖體的主要力學(xué)特性巖石力學(xué)指標(biāo)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4.2巖體的主要力學(xué)特性巖石力學(xué)指標(biāo)的用途巖體質(zhì)量分類或洞室圍巖類型劃分RMR分類：地質(zhì)力學(xué)分類，南非Q分類：隧道圍巖質(zhì)量分類，歐洲國內(nèi)：如水利水電規(guī)范、巖土工程規(guī)范，其他部們?nèi)玷F道、公路、總參、建設(shè)部，個人方面有王思敬、陶振宇、楊子文。評價巖體強度利用結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬、蒙特卡洛法等影響巖石工程性質(zhì)的因素內(nèi)部因素（巖石的地質(zhì)特征）礦物成分結(jié)構(gòu)構(gòu)造外部因素水的作用風(fēng)化作用結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、規(guī)模大小、組合形式等是決定結(jié)構(gòu)體的形狀、方位和大小，控制巖體穩(wěn)定性的重要因素。尤以結(jié)構(gòu)面的規(guī)模是最重要的控制因素。按結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度和規(guī)?？梢詣澐譃槿缦挛寮墸篒級結(jié)構(gòu)面--區(qū)域構(gòu)造起控制作用的斷裂帶Ⅱ級結(jié)構(gòu)面--延展性強而寬度有限的地質(zhì)界面Ⅲ級結(jié)構(gòu)面--局部性的斷裂構(gòu)造Ⅳ級結(jié)構(gòu)面--節(jié)理面V級結(jié)構(gòu)面--細小的結(jié)構(gòu)面

4.3結(jié)構(gòu)面特征及力學(xué)性質(zhì)

結(jié)構(gòu)面的幾何特征是反映結(jié)構(gòu)面的外貌，由下列要素組成：1、走向:結(jié)構(gòu)面與水平面的交線方向，用方位角表示。2、傾斜:結(jié)構(gòu)面的傾斜方向和傾斜角度。3、連續(xù)性。4、粗糙度:表明結(jié)構(gòu)面的粗糙程度。5、起伏度:包括起伏波的幅度和長度。起伏波的幅度是指相鄰兩波峰連線與其下波槽的最大距離a,起伏波的長度是指相鄰兩波峰之距離。結(jié)構(gòu)面的幾何特征結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、形態(tài)、延展尺度、密集程度以及膠結(jié)與充填情況等是影響巖體強度和穩(wěn)定性的重要因素。1、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀：指結(jié)構(gòu)面的走向、傾向和傾角，對巖體是否沿某一結(jié)構(gòu)面滑移起控制作用。2、結(jié)構(gòu)面形態(tài)：決定結(jié)構(gòu)面抗滑力的大小，當(dāng)結(jié)構(gòu)面的起伏程度大，粗糙度高時，其抗滑力就大。3、結(jié)構(gòu)面的延展尺度：在工程巖體范圍力，延展度大的結(jié)構(gòu)面控制著巖體的強度。結(jié)構(gòu)面延展情況不同，其力學(xué)效應(yīng)也不同。結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)(1)非貫通性結(jié)構(gòu)面(2)半貫通性結(jié)構(gòu)面(3)貫通性結(jié)構(gòu)面4、結(jié)構(gòu)面的密集程度：指巖體中各種結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度。衡量密集度的指標(biāo)為巖體裂隙度K和切割度Xe。（1）巖體裂隙度K——沿取樣方向單位長度上的節(jié)理數(shù)量式中：n為長度l內(nèi)的節(jié)理數(shù)量.當(dāng)取樣線垂直節(jié)理的走向時，d為節(jié)理走向的垂直間距。按節(jié)理的垂直間距d將巖體分為：

d>180cm整體結(jié)構(gòu)；d=30～80cm塊狀結(jié)構(gòu)

d<30cm碎裂狀結(jié)構(gòu)；d<6.5cm極破碎結(jié)構(gòu)當(dāng)巖體中有幾組不同方向的節(jié)理時，如圖所示兩組節(jié)理Ka、Kb，則沿取樣方向x上的節(jié)理平均間距max和mbx為結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)式中：n為取樣線l內(nèi)的節(jié)理組數(shù)量.該取樣線上的裂隙度K為各組節(jié)理的裂隙度Ki之和。即：

K越大，結(jié)構(gòu)面越密集。不同測線上的K值差別越大，巖體各向異性越明顯。按K的大小，可將節(jié)理分成：疏節(jié)理（K=0～1m-1）；密節(jié)理（K=1～10m-1）；非常密集節(jié)理（K=10～100m-1）；壓碎或糜棱化帶（K=100～1000m-1）；（2）切割度Xe——指巖體被節(jié)理分割的程度。假設(shè)巖體僅有一個結(jié)構(gòu)面，可沿結(jié)構(gòu)面在巖體中取一個貫通性的假想平直斷面，則結(jié)構(gòu)面面積a與該斷面面積A之比，即為該巖體的切割度?？梢?當(dāng):

0<Xe<1,巖體部分切割；

Xe＝1,巖體被整個切割；

Xe＝0,即巖體為完整連續(xù)體。巖體按切割度分類：Xe＝0.1～0.2完整巖體；Xe＝0.2～0.4弱節(jié)理化巖體；Xe＝0.4～0.6中等節(jié)理化巖體；Xe＝0.6～0.8強節(jié)理化巖體；Xe＝0.8～1.0完全節(jié)理化巖體；巖體被某組結(jié)構(gòu)面切割的程度Xr為：如果巖體沿某斷面上同時存在著面積為a1、a2…an的n個結(jié)構(gòu)面時，則巖體沿該斷面的切割度為式中：K為巖體的裂隙度；Xe為沿某一平面的切割度。結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)情況及充填情況(1)膠結(jié)結(jié)構(gòu)面泥質(zhì)膠結(jié)：強度最低，在脫水情況下有一定的強度，遇水發(fā)生泥化、軟化，強度明顯降低?？扇茺}類膠結(jié)：干燥時有一定的強度，遇水發(fā)生溶解，強度降低。鈣質(zhì)膠結(jié)：強度較高，且不受水的影響，但遇酸性水強度降低。鐵質(zhì)膠結(jié)：強度較高，但易風(fēng)化，力學(xué)性能不穩(wěn)定。硅質(zhì)膠結(jié)：強度高，力學(xué)性能穩(wěn)定?？梢姡z結(jié)結(jié)構(gòu)面隨膠結(jié)物的成分不同，其力學(xué)效應(yīng)有很大差別。結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)(2)非膠結(jié)結(jié)構(gòu)面

分為有充填物的結(jié)構(gòu)面和無充填物的結(jié)構(gòu)面。無充填物的結(jié)構(gòu)面：其強度主要取決于結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖石的力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)面粗糙度。有充填物的結(jié)構(gòu)面：其強度除與充填物、結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖壁接觸面的力學(xué)特性有關(guān)外，主要取決于充填物的成分和厚度。A、充填物成分：質(zhì)粘土、砂質(zhì)、角礫質(zhì)等。B、充填物厚度對結(jié)構(gòu)面強度影響特別顯著。按厚度可將有充填物的結(jié)構(gòu)面分為：薄膜充填：充填物厚度多在1mm以下，多系次生蝕變礦物與風(fēng)化礦物構(gòu)成，如滑石、粘土礦物等；斷續(xù)充填：充填物不連續(xù)，厚度多小于結(jié)構(gòu)面的起伏差，使結(jié)構(gòu)面強度降低。連續(xù)充填：充填物厚度一般大于起伏差，結(jié)構(gòu)面強度主要受充填物強度控制，因此，常構(gòu)成巖體的主要滑動面。厚層充填：充填厚度較大，一般幾十厘米至數(shù)米，構(gòu)成軟弱帶，如斷層泥。有時表現(xiàn)為巖體沿接觸面滑移，有時為軟弱充填物本身塑性流動，常導(dǎo)致重大工程事故。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(jié)構(gòu)面，是壩基巖體、邊坡巖體和洞室圍巖穩(wěn)定性的制約因素。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(zhì)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軟弱夾層的特性：物理力學(xué)性質(zhì)與夾層的物質(zhì)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系復(fù)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)定軟弱夾層泥化夾層：w≥wp。具有結(jié)構(gòu)松散、孔隙比大、密度小、含水量大、粘粒含量高、力學(xué)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(zhì)基礎(chǔ)：粘土巖類夾層，粘粒含量高，且以蒙脫石為主的粘土礦物。構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)面變形法向變形剪切變形一、節(jié)理的法向變形1、節(jié)理彈性變形：節(jié)理面光滑，受壓力后成面接觸，粗糙則成點接觸。每一接觸面會產(chǎn)生壓縮變形，其壓縮量δ可按彈性理論中的布辛涅斯克解求得：節(jié)理閉合彈性變形值δ0＝2δ，則式中：m為與荷載面積形狀有關(guān)的系數(shù)；d為塊體的邊長；E為彈性模量；n為接觸面的個數(shù)；h2為每個接觸面的面積；σ.d2為作用于節(jié)理上的壓縮荷載。結(jié)構(gòu)面的變形特性2、節(jié)理的閉合變形Goodman于1974年通過試驗，得出法向應(yīng)力σ與結(jié)構(gòu)面閉合量△V有如下關(guān)系：式中：ξ為原位壓力，由測量法向變形的初始條件決定；Vmc為最大可能的閉合量；A、t是與結(jié)構(gòu)面幾何特征、巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。當(dāng)A=1，t=1時，上式為：節(jié)理的法向變形△V與1/σ的關(guān)系曲線如圖（c).若A與t不為1，可由試驗確定曲線方程。其方法為：（1）取完整巖石試件，測其軸向σ-△V曲線（如圖（a)中的A線)。（2）將試件沿橫向切開，使切縫成一條平行于試件底面且成波狀起伏的裂縫，以模擬節(jié)理。（3）將切縫上下兩塊試塊重合裝上—“配稱切縫試件”，加載測其軸向σ-△V曲線（如圖（a)中的B線)。（4）將切縫上下兩塊試塊旋轉(zhuǎn)某一角度裝上—“非配稱切縫試件”，加載測其軸向σ-△V曲線（如圖（a)中的C線)。(5)利用曲線的差值求切縫的壓縮量?！芭浞Q切縫試件”——“B-A”“非配稱切縫試件”——“C-A”節(jié)理的法向變形

在一定的法向應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面在剪切作用下產(chǎn)生切向變形，其變形特征用試驗時施加的剪應(yīng)力τ與相應(yīng)的剪切位移δ的關(guān)系來描述。τ-δ曲線特征取決于結(jié)構(gòu)面的基本特征（粗糙度、起伏度、充填物性質(zhì)與厚度等）。（1）結(jié)構(gòu)面粗糙無充填物（A)：隨著剪切變形發(fā)生，剪應(yīng)力相對上升較快，當(dāng)達到剪應(yīng)力峰值后，結(jié)構(gòu)面抗剪能力出現(xiàn)較大的下降，并產(chǎn)生不規(guī)則的峰后變形或滯滑現(xiàn)象。（2）平坦的結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面有充填物（B):

初始階段的剪切變形曲線呈下凹型，隨著剪切變形的發(fā)展，剪切應(yīng)力逐漸升高但無明顯的峰值出現(xiàn)，最終達到恒定值。節(jié)理的切向變形結(jié)構(gòu)面的抗剪強度結(jié)構(gòu)面最重要的力學(xué)性質(zhì)之一是抗剪強度。結(jié)構(gòu)面在剪切過程中的力學(xué)機制比較復(fù)雜，構(gòu)成結(jié)構(gòu)面抗剪強度因素是多方面的，大量試驗結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)面抗剪強度一般可用莫爾－庫倫準(zhǔn)則表示：

式中：c、φ分別是結(jié)構(gòu)面上的粘結(jié)力和摩擦角，φ＝

φb+β,φb是巖石平坦表面基本摩擦角，β是結(jié)構(gòu)面的爬坡角；σ是作用在結(jié)構(gòu)面上的法向正應(yīng)力。平直結(jié)構(gòu)面的抗剪強度結(jié)構(gòu)面呈平直狀，沒有波狀起伏。1、平直結(jié)構(gòu)面的剪切變形曲線（1）τ很小時，τ－δ呈線性，彈性狀態(tài)；（2）τ很大，大到足以克服移動摩擦阻力之后，τ－δ呈非線性；（3）τ達到峰值τP后，δ突然增大，表面試件已沿結(jié)構(gòu)面破壞，此后τ迅速下降，并趨于一常量（殘余強度）。平直結(jié)構(gòu)面的抗剪強度(1)、峰值剪切強度（2）殘余剪切強度式中：CP結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)力；φP

、φR是結(jié)構(gòu)面的峰值摩擦角和殘余摩擦角，一般φP>φR

。粗糙結(jié)構(gòu)面的抗剪強度1、理想化粗糙結(jié)構(gòu)面模型－鋸齒狀結(jié)構(gòu)面（1）爬坡角β與剪脹現(xiàn)象（2）剪切強度作用在斜面A’B上的法向力和切向力分別為：

式中：σ,τ為結(jié)構(gòu)面AB上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，φb為A’B面上的摩擦角。如圖為結(jié)構(gòu)面有凸臺的模型的剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線，它近似呈雙直線的特．結(jié)構(gòu)面受剪初期，剪切力上升較快；隨著剪力和剪切變形增加，結(jié)構(gòu)面上部分凸臺被剪斷，此后剪切力上升，梯度變小，直至達到峰值抗剪強度．

Patton公式σ較小時，抗剪強度τ＝σtg(φb+β);σ較大時，抗剪強度τ＝c+σtgφb,其中c為視內(nèi)聚力。試驗表面，低法向應(yīng)力的剪切，結(jié)構(gòu)面有剪切位移和剪脹；高法向應(yīng)力的剪切，凸臺剪斷，結(jié)構(gòu)面抗剪強度最終變成殘余抗剪強度。在剪切過程中，凸臺起伏形成的粗糙度以及巖石強度對結(jié)構(gòu)面的抗剪強度起著重要作用。

在實際應(yīng)用中應(yīng)注意：(1)對結(jié)構(gòu)面進行直剪試驗時，法向應(yīng)力應(yīng)與實際工程中的一致。一般認(rèn)為φb＝φR(殘余摩擦角）.(2)β是各向不同的，因此，測量時應(yīng)使所測β角與所討論的方向一致。不規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)面的抗剪強度Barton強度準(zhǔn)則考慮到三個基本因素（法向力σ、粗糙度JRC、結(jié)構(gòu)面抗壓強度JCS）的影響，Barton(1977)提出確定不規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)面抗剪強度公式：式中：φb巖石表面基本摩擦角。JRC為結(jié)構(gòu)面粗糙性系數(shù)（0～20），Barton將其分為10級，平坦近平滑結(jié)構(gòu)面為5，平坦起伏結(jié)構(gòu)面為10，粗糙起伏結(jié)構(gòu)面為20。結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng)

單節(jié)理面的力學(xué)效應(yīng)

1、節(jié)理面的破壞條件（極限應(yīng)力平衡方程）如圖，巖體受σ1、σ3

作用，節(jié)理面與最大主平面的交角為β，則節(jié)理面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力為：σ1σ3σ1σσ3βτ如節(jié)理面強度符合庫倫準(zhǔn)則，其強度方程為：式中：cj,φj為結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角。（1）（2）節(jié)理面的破壞條件（極限應(yīng)力平衡方程）或可見：節(jié)理面上的應(yīng)力和強度均是β的函數(shù)。因此，巖體強度與巖石的強度不同，除與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，還與節(jié)理面的方位有關(guān)。β1≤β≤β2，單節(jié)理巖體才會沿節(jié)理面發(fā)生移動破壞，Q

P（1）式帶入（2）式時（3）(1)由上式極限平衡方程可見：當(dāng)β→φj或π/2，σ1－σ3→∞,故使方程有意義(2)如圖可見，當(dāng)β1<β<β2,巖體才會沿節(jié)理面產(chǎn)生滑移破壞。故，節(jié)理面破壞β必須滿足的條件:

(1)φj<β<π/2,(2)β1≤β≤β2

。節(jié)理面破壞β必須滿足的條件求β1、β2△RPM中:∠RPM=2β1-φj;由正弦定律：將RM,PM代入上式得：由幾何關(guān)系：節(jié)理最不利的位置由極限平衡方程可以看出，應(yīng)力圓直徑（σ1－σ3）是β的函數(shù)，當(dāng)β等于某一個值時，其直徑最小，與強度曲線相切。將上式對β取一階導(dǎo)數(shù)，然后令其為0，得：即是說，當(dāng)時，節(jié)理的強度最低，最容易產(chǎn)生破壞。說明巖體最容易沿此節(jié)理面產(chǎn)生滑移。節(jié)理對巖體強度的影響從上述分析可見：（1）當(dāng)節(jié)理面傾角β滿足β1≤β≤β2,且φj<β<π/2時，節(jié)理才會對巖體產(chǎn)生影響，這時巖體的強度取決于節(jié)理的強度，且當(dāng)β＝45°＋φj/2時，巖體強度最低，其莫爾圓直徑最小。（2）當(dāng)β增大或減小時，巖體的強度隨之增加。（3）當(dāng)β<β1或β>β2

時，巖體強度與節(jié)理無關(guān)，取決于巖石的強度。σ3=c時σ1－β曲線圍壓σ3=c增加，即c2>c1,巖體的強度隨之增大。多節(jié)理的力學(xué)效應(yīng)1、巖體有兩組相交的節(jié)理，其力學(xué)效應(yīng)可根據(jù)單節(jié)理求解，一般有三種情況：（1）兩組中只有一組節(jié)理面傾角β滿足β1≤β≤β2,則巖體強度取決于該組節(jié)理的強度，巖體若發(fā)生破壞，必沿該節(jié)理面產(chǎn)生；（2）兩組節(jié)理均滿足β1≤β≤β2,則巖體強度取決于節(jié)理的臨界應(yīng)力圓大小。巖體若發(fā)生破壞，必沿臨界應(yīng)力圓直徑較小的節(jié)理面產(chǎn)生；（3）兩組節(jié)理均不滿足β1≤β≤β2,則巖體強度取決于巖石本身的強度而不受節(jié)理的影響。2、巖體有多組相交的節(jié)理當(dāng)Cj=0時結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng)巖體中的節(jié)理往往呈現(xiàn)cj=0,這時節(jié)理面的抗剪強度只靠摩擦力來維持。莫爾－庫倫判據(jù)為：由節(jié)理面極限應(yīng)力平衡方程：

4.4巖體力學(xué)性質(zhì)與工程分類巖體的力學(xué)性質(zhì)巖體變形是巖塊變形和結(jié)構(gòu)面變形疊加的結(jié)果。在長期靜載荷作用下，巖體應(yīng)力（應(yīng)變）隨時間發(fā)生變化，表現(xiàn)出流變特性。當(dāng)應(yīng)力一定時，巖體變形隨時間持續(xù)增長成為蠕變。如課本P95圖4.11所示。初始蠕變階段巖體變形逐漸減小，平緩變形階段變形速度接近常量，加速變形階段變形速度加快直至巖體破壞。巖體發(fā)生蠕變破壞時的最低應(yīng)力值成為長期強度。當(dāng)巖體變形一定時，巖體應(yīng)力隨時間持續(xù)而減小，成為松弛。巖體的強度在巖體強度性質(zhì)中，最重要的是抗剪強度。巖體的強度存在各異性，在垂直于結(jié)構(gòu)面的方向上，巖體的抗剪強度接近于巖塊的抗剪強度；在平行于結(jié)構(gòu)面的方向上，巖體的抗剪強度取決于結(jié)構(gòu)面的抗剪強度；在與結(jié)構(gòu)面斜交的方向上巖體的抗剪強度隨剪切面與結(jié)構(gòu)面的夾角而變化。此外，巖體在瞬時沖擊載荷下的動力強度比靜載荷下的強度高。

一、巖體的單軸和三軸壓縮變形特性1、現(xiàn)場巖體的單軸和三軸壓縮試驗的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線2、典型的巖體應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線4個階段：（1）裂隙壓密階段（OA）：曲線上凹（2）彈性變形階段（AB）:呈直線（3）塑性變形階段（BC）：曲線下凹（4）破壞后階段（CD）：殘余強度σD峰值強度σC3、巖體變形曲線的基本形式（1）直線型：堅硬、完整無裂隙巖體直線型下凹型上凹型S型（2）下凹型：節(jié)理裂隙發(fā)育，泥質(zhì)充填，巖性軟弱（3）上凹型：堅硬但裂隙發(fā)育，多呈張開而無充填物其它形式可看成是這三種形式的組合，如S型。4、巖石與巖體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線二、巖體剪切變形特征巖體的剪切變形是許多巖體工程特別是邊坡工程中最常見的變形模式。在屈服點以下，變形曲線與壓縮變形相似。屈服點以后，巖體內(nèi)某個結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體可能首先被剪壞，隨之出現(xiàn)一次應(yīng)力降，峰值前可能出現(xiàn)多次應(yīng)力降。當(dāng)應(yīng)力增加到一定程度，沒被剪壞部位以瞬間破壞的方式出現(xiàn)，并伴有一次大的應(yīng)力降，然后可能產(chǎn)生穩(wěn)定滑移。三、巖體各向異性變形特征1、特征：垂直層面方向巖體變形模量E⊥明顯小于平行層面方向巖體的變形模量E∥

。(a)垂直層面加力(b)平行層面加力2、變形機制不同：3、構(gòu)成巖體變形各向異性的兩個基本要素：（1）物質(zhì)成分和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方向性（2）結(jié)構(gòu)面的方向性（1）垂直層面的壓縮變形量主要是由巖塊和結(jié)構(gòu)面（軟弱夾層）壓密匯集而成；層狀巖體不僅開裂層面壓縮變形量大，而且在成巖過程中，由于沉積規(guī)律的變化，層面出現(xiàn)在礦物連結(jié)力弱、致密度低的部位，這是垂直層面方向壓縮變形量大的另一個原因。（2）平行層面方向的壓縮變形量主要是巖塊和少量結(jié)構(gòu)面錯動而成。巖體的應(yīng)力量測

a.應(yīng)力恢復(fù)法

b.應(yīng)力解除法

c.水壓致裂法

d.鉆孔崩落測量法巖體的工程分類巖體分類是對影響巖體穩(wěn)定性和影響工程設(shè)計、施工和維護的各種因素建立一些評價指標(biāo)，對工程轄區(qū)巖體進行評價，劃分出不同的的級別或類別。分類的目的：為巖體工程建設(shè)的勘察、設(shè)計、施工和編制定額提供必要的基本依據(jù)。按分類目的，可分為綜合性和專題性兩種；按其所涉及的因素多少，可分為單因素分類法和多因素分類法兩種。一、工程巖體分類的參考影響因素1、巖石的質(zhì)量。主要表現(xiàn)在巖石的強度和變形性質(zhì)方面。2、巖體的完整性。巖體完整性取決于不連續(xù)面的組數(shù)和密度?？捎媒Y(jié)構(gòu)面頻率(裂隙度）、間距、巖心采取率、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD以及完整性系數(shù)作為定量指標(biāo)進行描述。這些定量指標(biāo)是表征巖體工程性質(zhì)的重要參數(shù)。3、結(jié)構(gòu)面條件。包括結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、粗糙度和充填情況。巖體的工程性質(zhì)主要取決于結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)和分布狀態(tài)以及其間的充填物性質(zhì)。一、工程巖體分類的參考影響因素4、巖體及結(jié)構(gòu)面的風(fēng)化程度。風(fēng)化程度越高，巖體越破碎，強度越低。5、地下水的影響。滲流，軟化，膨脹，崩解，靜、動水壓力等。6、地應(yīng)力。地應(yīng)力難于測定，它對工程的影響程度也難于確定，因此，其影響一般在綜合因素中反映。二、幾種有代表性的工程巖體分類方法式中：Rc——巖石單軸抗壓強度，Mpaf≥20為1級，最堅固；f≤0.3為第10級，最軟弱。優(yōu)點：形式簡單，使用方便。缺點：未考慮巖體的完整性、巖體結(jié)構(gòu)特征對穩(wěn)定性影響，故不能準(zhǔn)確評價巖體的穩(wěn)定性。1、普氏分類法以巖石試件的單軸抗壓強度作為分類依據(jù)，根據(jù)普氏堅固性系數(shù)f將巖石分為十級。f值越大，巖體越穩(wěn)定。2、巖石單軸抗壓強度分類我國工程界按巖石單軸抗壓強度將巖體分為四類：

類別

巖石單軸抗壓強度

σc(Mpa)堅固性

Ⅰ250~160特堅固

Ⅱ160~100堅固

Ⅲ100~40次堅固

Ⅳ<40軟巖3、按巖體完整性系數(shù)Kv（龜裂系數(shù)）分類式中：Vpm、Vpr—巖體、巖石彈性縱波速度（m/s)。Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整較完整較破碎破碎極破碎4、按巖芯質(zhì)量指標(biāo)（RQD）分類蒂爾（Deer,1968)提出根據(jù)鉆探時巖芯完好程度來判斷巖體的質(zhì)量，對巖體分類。式中：li—所取巖芯中≥10cm長度的巖芯段的長度；

L—鉆進巖芯的總程度，m。RQD（％）0～2525~5050~7575~9090～100等級ⅠⅡⅢⅣⅤ分類很差差較好良好很好5、以彈性波速度分類6、賓尼奧夫斯基節(jié)理巖體地質(zhì)力學(xué)分類（RMR分級系統(tǒng)）賓尼奧夫斯基（Bieniawski，1976)提出的分類指標(biāo)RMR(RockMassRating)，由下列6種指標(biāo)組成：（1）巖塊強度(R1)

（2）RQD值(R2)（3）節(jié)理間距(R3)（4）節(jié)理條件(R4)（5）地下水(R5)

（6）節(jié)理方向?qū)こ痰挠绊懙男拚齾?shù)（R6）

即：（1）對應(yīng)巖石強度的巖體評分值R1

點荷載指標(biāo)（Mpa）

巖石單軸抗壓強度Rc(Mpa)評分值>10>250154~8100~250122~450~10071~225~504不采用5~252不采用1~51不采用<10（2）對應(yīng)于巖芯質(zhì)量指標(biāo)的巖體評分值R2RQD（％）91～10076~9051~7526~50

<25評分值20171383（3）對應(yīng)于最有影響的節(jié)理組間距的巖體評分值R3節(jié)理間距（m）>31~30.3~10.05~0.3<0.05評分值302520105（4）對于節(jié)理狀態(tài)的巖體評分值R4說明評分值尺寸有限的粗糙的表面、硬巖壁25略粗糙的表面、張開度<1mm，硬巖壁20略粗糙的表面、張開度<1mm，軟巖壁12光滑表面；由斷層泥充填厚度為1～5mm；張開度1～5mm，節(jié)理延伸超過數(shù)米6由厚度>5mm的斷層泥充填的張開節(jié)理;張開度>5mm的節(jié)理，延伸超過數(shù)米0（5）取決于地下水狀態(tài)的巖體評分值R5每米隧道的涌水量（L/min）節(jié)理水壓力與最大主應(yīng)力的比值總的狀態(tài)評分值無0完全干燥15<10<0.1潮濕1010～250.1～0.2濕725～1250.2～0.5有中等壓力水，滴水4>125>0.5有嚴(yán)重地下水問題，流水0（6）節(jié)理方位對RMR的修正值R6方位對工程的影響評價隧道地基邊坡很有利000有利－2－2－5一般－5－7－25不利－10－15－50很不利－12－25（7）節(jié)理走向與傾角對隧道掘進的影響節(jié)理走向垂直于隧道軸線節(jié)理走向平行于隧道軸線傾角00～200順傾向掘進逆傾向掘進傾角450～900200～450450～900200～450450～900200～450不考慮走向很有利有利一般不利很不利一般一般根據(jù)總分確定巖體分級

類別

巖體描述巖體評分值RMR

Ⅰ很好81~100

Ⅱ好61~80

Ⅲ較好41~60Ⅳ較差21~40Ⅴ很差0~20巖體分級的意義考慮不支護隧道的自穩(wěn)時間分類號ⅠⅡⅢⅣⅤ平均自穩(wěn)時間15m跨，20年10m跨，1年5m跨，1星期2.5m跨，10h1m跨，30min巖體的內(nèi)聚力(kPa)>400300~400200~300100~200

<100巖體內(nèi)摩擦角>450350~450250~350150~250

<150該分類法已得到比較廣泛的應(yīng)用。7、巴頓巖體質(zhì)量（Q）分類挪威巴頓（Barton）等人于1974年根據(jù)隧道工程的調(diào)查，提出一個用6個參數(shù)表達的巖體質(zhì)量指標(biāo)Q，作為巖體質(zhì)量分類的依據(jù)。式中：RQD——巖石質(zhì)量指標(biāo)；Jn——節(jié)理組數(shù)評分；Jr——節(jié)理面粗糙度評分；Jw——按裂隙水條件評分；Ja——節(jié)理蝕變程度評分；SRF——按地應(yīng)力影響評分（應(yīng)力折減系數(shù)）。Q反映了巖體質(zhì)量的三個方面：為巖體的完整性；表示結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、充填物特征及次生變化程度；表示水與其他應(yīng)力存在時對巖體質(zhì)量的影響。（1）節(jié)理組數(shù)影響（Jn)（2）節(jié)理粗糙度影響（Jr)（3）節(jié)理蝕變程度影響（Ja)（4）裂隙水影響（Ja)（5）地應(yīng)力影響（SRF)地下開挖當(dāng)量直徑：根據(jù)Q值，可將巖體分為9類，如圖：

Q分類法考慮的地質(zhì)因素較全面，而且把定性分析與定量評價結(jié)合起來了，軟硬巖均適用，在處理極軟弱的巖層中推薦采用此分類法。賓尼奧夫斯基（Bieniawski，1976)在大量實測統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)Q值與RMR值之間具有如下條件關(guān)系：三、我國工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)（GB50218-94)1、工程巖體分級的基本方法（1）確定巖體基本質(zhì)量

《標(biāo)準(zhǔn)》認(rèn)為巖石的堅硬程度和巖體完整程度決定巖體的基本質(zhì)量。巖體基本質(zhì)量好，則穩(wěn)定性好；反之，穩(wěn)定性差。A、采用飽和巖石單軸抗壓強度σC劃分巖石堅硬程度σ

C

(Mpa)>6060~3030~1515~5

<5堅硬程度堅硬較堅硬較軟巖軟巖極軟巖σC與點荷載強度指數(shù)的關(guān)系：是指直徑50mm圓柱試件徑向加壓時的點荷載強度。

B、采用完整性系數(shù)Kv劃分巖體完整程度Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整較完整較破碎破碎極破碎Jv<33~1010~2020~35>35Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15巖體體積節(jié)理數(shù)Jv(條/m3)：式中：Sn——第n組節(jié)理每米長測線上節(jié)理的條數(shù)；

Sk——每立方米巖體非成組節(jié)理條數(shù)。

Jv與Kv的對照關(guān)系：（2）巖體基本質(zhì)量分級A、巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ)的計算注意：當(dāng)σC>90Kv+30時，應(yīng)以σC=90Kv+30代入上式計算Q值；當(dāng)Kv>0.04σC+0.4時，應(yīng)以Kv=0.04σC+0.4代入上式計算Q值；式中：BQ——巖體基本質(zhì)量指標(biāo)；

σC——巖石飽和單軸抗壓強度(Mpa);Kv——巖體完整性系數(shù)。B、按BQ值進行巖體基本質(zhì)量分級基本質(zhì)量級別巖體基本質(zhì)量定性特征巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)Ⅰ堅硬巖，巖體完整；>550Ⅱ堅硬巖，巖體較完整；較堅硬巖，巖體完整；550~451Ⅲ堅硬巖，巖體較破碎；較堅硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整；較軟巖，巖體完整；450~351Ⅳ堅硬巖，巖體破碎；較堅硬巖，巖體較破碎～破碎；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整～較破碎；軟巖，巖體完整～較完整；350~251Ⅴ較軟巖，巖體破碎；軟巖，巖體較破碎～破碎；全部極軟巖及全部極破碎巖；<