《土木工程地质学》岩体的工程地质性质PPT课件

土木工程地质学Geology in Civil Engineering4.1 岩体结构与地质特征 4.2 岩块的工程地质性质 4.3 结构面特征及力学性质 4.4岩体力学性质与工程分类岩体的工程地质性质岩体的基本概念：岩体通常指工程影响范围内的地质体，它由处于一定应力状态、被各种结构面切割的岩石所组成。岩体(rock mass)结构面(discontinuities)+岩石(rocks)工程岩体：地基岩体、边坡岩体、地下洞室围岩结构面：指岩体中具有一定方向、力学特性相对较差、两向延伸（或具有一定厚度）的各种地质界面的总称。由于中断了岩体的连续性，故又称不连续面，如层面、节理、断层、软弱夹层等。 4.1 岩体结构与地质特征 构面的成因类型构面的成因类型原生结构面：岩石成岩过程中形成的结构面。沉积结构面：层理、层面、沉积不整合面、沉积软弱夹层。火成结构面：岩浆侵入、喷溢及冷凝过程中形成的结构面。变质结构面：包括残余的变余结构面和变成的重结晶结构面。次生结构面内动力成因型结构面（构造结构面）：受构造应力作用。外动力成因型结构面（表生结构面）：如卸荷裂隙（长江链子崖危岩体）、泥化夹层及表生夹泥。结构面的特征结构面的特征19781978年年ISRMISRM实验室和野外试验标准委员会制定的实验室和野外试验标准委员会制定的岩体不连岩体不连续面定量描述的建议方法续面定量描述的建议方法方位：结构面的产状（走向、倾向、倾角）间距：反映岩体完整程度和块体大小延续性：反映结构面的连通率粗糙度：反映结构面的起伏状况结构面侧壁强度：反映结构面受风化影响的程度张开度：又称隙宽，即裂隙的宽度充填物：不同物质充填对力学特性有显著影响渗流：反映地下水的活动状况节理组数：反映岩体被切割的状况块体大小：可用块度和体积节理数反映10结构体(structural element)被结构面切割而成的岩石块体。与结构面级别对应,为四级。结构体特征形态、规模、产状形状规模常见的：柱状、板状、楔形及菱形等，还有片状、鳞片状、碎块状及碎屑状即岩块的大小,取决于结构面的密度,密度愈小,结构体的规模愈大。常用单位体积内的级结构体数（块度模数） 或结构体体积来表示。板状或菱形岩体的结构体形状柱状锥形形状不同,稳定性不同:板状比柱状、菱形状更易滑动，楔形体比锥形体稳定性差结构体特征规模、形态、产状板状或菱形楔形jged板状i楔c 形锥形hb柱a状楔形f产状用结构体的长轴方向表示。结构体特征规模、形态、产状结构体稳定性与结构体产状、力的方向、临空面方向等有关。如板状结构体：竖直的与平卧的稳定性和破坏特征不同。滑动或弯曲、折断破坏弯曲、折断或弯曲、倾倒破坏岩体的结构类型 5类岩体结构类型划分表（引自岩土工程勘察规范，1995）岩体结构类型岩体地质类 型主要结构体 形状结构面发育情况岩土工程特征可能发生的岩土工程问题整体状结 构均质、巨块状岩浆岩、变质岩、巨厚层沉积岩、正变质岩巨块状以原生构造节理为主，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于1.5m，一般不超过l2组，无危险结构面组成的落石掉块整体性强度高，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体块状结构厚层状沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩块状柱状只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，裂隙结构面间距0.71.5m。一般为23组，有少量分离体整体强度较高，结构面互相牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体层状结构多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩层状板状透镜体有层理、片理、节理，常有层间错动面接近均一的各向异性体，其变形及强度特征受层面及岩层组合控制，可视为弹塑性体，稳定性较差不稳定结构体可能产生滑塌，特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形碎裂状结 构构造影响严重的破碎岩层碎块状断层，断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育，裂隙结构面间距0.250.5m，一般在3组以上，由许多分离体形成完整性破坏较大，整体强度很低，并受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质，稳定性很差易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳散体状结 构构造影响剧烈的断层破碎带，强风化带，全风化带碎屑状颗粒状断层破碎带交叉，构造及风化裂隙密集，结构面及组合错综复杂，并多充填粘性土，形成许多大小不一的分离岩块完整性遭到极大破坏，稳定性极差，岩体属性接近松散体介质易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳不稳定结构体的局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆岩体完整程度结构面发育程度主要结构面的结合程度主要结构面类型岩体结构类型组数 平均间距/m完整121.0结合好或结合一般节理、裂隙、层面整体状或巨厚层状结构较完整 121.0结合差节理、裂隙、层面块状或厚层状结构231.00.4结合好或结合一般块状结构较破碎 231.00.4结合差节理、裂隙、层面、小断层裂隙块状或中厚层状结构30.40.2结合好镶嵌碎裂结构结合一般中、薄层状结构破碎30.40.2结合差各种类型结构面裂隙块状结构0.2结合一般或结合差碎裂状结构极破碎 无序结合很差散体结构岩体完整程度与岩体结构类型的定性划分(工程岩体分级标准）整体状结构层状结构块状结构碎裂结构散体状结构岩体的结构类型岩体的结构类型整体块状层状结构碎裂结构散体结构4.2.1岩石的主要物理和水理性质1)密度和重度2)相对密度（比重）3)孔隙度（孔隙率）4)吸水率和饱和吸水率 4.2 岩块的工程地质性质 4.2.1岩石的主要物理性质1)密度和重度岩石密度（g/cm3）：试样质量m（g）与试样体积V（cm3）的比值天然密度干密度d含水量w（）重度（kN/m3） ：单位体积岩石受到的重力，与密度的关系为4.2.1岩石的主要物理性质2)相对密度（比重）Gs干试样质量m（g）与4时同体积纯水质量（岩石固体体积与水的密度之积）的比值4.2.1岩石的主要水理性质3)孔隙度（孔隙率）n试样中孔隙（包括微裂隙）的体积Vv（cm3）与试样总体积V（cm3）的百分比孔隙比e孔隙度n与孔隙比e之间的关系4.2.1岩石的主要水理性质4)吸水率Wa和饱和吸水率Wsa饱水系数kw4.2.1岩石的主要水理性质岩石的耐冻性岩石的饱水系数kw可以作为岩石耐冻性判别的指标。饱水系数越大的岩石，耐冻性越差。岩 石 种 类类耐冻冻岩石不耐冻冻岩石一般岩石的理论值论值kw 0.9kw 0.9粒状结结晶、孔隙均匀的岩石kw 0.8kw 0.8孔隙不均匀或呈层层状分布有粘土物质质充填的岩石kw 0.7kw 0.74.2.2 岩块的力学性质岩石强度岩石强度抗压强度：干抗压、饱和抗压、软化系数抗拉强度：劈裂试验，点荷载试验抗剪强度：中型剪、双面剪岩石变形岩石变形弹性模量变形模量泊松比4.2 岩体的主要力学特性岩石力学指标的用途a.划分岩石工程类型、岩体工程评价饱饱和抗压压强度60MPa60-30MPa30MPa15MPa岩石类类型坚坚硬岩中硬岩软软岩极软软岩利用岩石饱和抗压强度划分岩石工程类型4.2 岩体的主要力学特性岩石力学指标的用途b.岩体质量分类或洞室围岩类型划分RMR分类：地质力学分类，南非Q分类：隧道围岩质量分类，欧洲国内：如水利水电规范、岩土工程规范，其他部们如铁道、公路、总参、建设部，个人方面有王思敬、陶振宇、杨子文。c.评价岩体强度利用结构面网络模拟、蒙特卡洛法等 影响岩石工程性质的因素内部因素（岩石的地质特征）矿物成分结构构造 外部因素水的作用风化作用结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体的形状、方位和大小，控制岩体稳定性的重要因素。尤以结构面的规模是最重要的控制因素。按结构面发育程度和规模可以划分为如下五级：I 级结级结 构面-区域构造起控制作用的断裂带带 级结级结 构面-延展性强而宽宽度有限的地质质界面 级结级结 构面-局部性的断裂构造 级结级结 构面-节节理面V 级结级结 构面-细细小的结结构面 4.3 结构面特征及力学性质 结构面的几何特征是反映结构面的外貌，由下列要素组成：1、走向:结构面与水平面的交线方向，用方位角表示。 2、倾斜:结构面的倾斜方向和倾斜角度。 3、连续性。4、粗糙度:表明结构面的粗糙程度。 5、起伏度:包括起伏波的幅度和长度。起伏波的幅度是指相邻两波峰连线与其下波槽的最大距离a,起伏波的长度是指相邻两波峰之距离。结构面的几何特征 结构面的产状、形态、延展尺度、密集程度以及胶结与充填情况等是影响岩体强度和稳定性的重要因素。1、结构面产状：指结构面的走向、倾向和倾角，对岩体是否沿某一结构面滑移起控制作用。 2、结构面形态：决定结构面抗滑力的大小，当结构面的起伏程度大，粗糙度高时，其抗滑力就大。 3、结构面的延展尺度：在工程岩体范围力，延展度大的结构面控制着岩体的强度。结构面延展情况不同，其力学效应也不同。 结构面的状态(1)非贯通性结构面(2)半贯通性结构面(3)贯通性结构面4、结构面的密集程度：指岩体中各种结构面的发育程度。衡量密集度的指标为岩体裂隙度K和切割度Xe。 （1）岩体裂隙度K沿取样样方向单单位长长度上的节节理数量式中：n为长度l内的节理数量.当取样线垂直节理的走向时，d为节理走向的垂直间距。按节理的垂直间距d将岩体分为： d 180cm 整体结构； d =3080cm 块状结构 d 30cm 碎裂状结构； d 6.5cm 极破碎结构当岩体中有几组组不同方向的节节理时时，如图图所示两组节组节 理Ka、Kb，则则沿取样样方向x上的节节理平均间间距max和mbx为为结构面的状态式中：n为取样线l内的节理组数量.该取样线上的裂隙度K为各组节理的裂隙度Ki之和。即： K越大，结构面越密集。不同测线上的K值差别越大，岩体各向异性越明显。按K的大小，可将节理分成：疏节理（K=01 m-1）；密节理（K=110 m-1）；非常密集节理（K=10100 m-1）；压碎或糜棱化带（K=1001000 m-1）；（2）切割度Xe指岩体被节理分割的程度。 假设岩体仅有一个结构面，可沿结构面在岩体中取一个贯通性的假想平直断面，则结构面面积a与该断面面积A之比，即为该岩体的切割度。 可见,当: 0XeR 。粗糙结构面的抗剪强度1、理想化粗糙结结构面模型锯齿锯齿 状结结构面（1）爬坡角与剪胀现胀现 象（2）剪切强度 作用在斜面AB上的法向力和切向力分别为别为 ： 式中：, 为结构面AB上的正应力和剪应力，b为AB面上的摩擦角。如图为结构面有凸台的模型的剪应力与法向应应力的关系曲线线，它近似呈双直线线的特结结构面受剪初期，剪切力上升较较快；随着剪力和剪切变变形增加，结结构面上部分凸台被剪断，此后剪切力上升，梯度变变小，直至达到峰值值抗剪强度 Patton公式 较小时，抗剪强度tg(b+); 较大时，抗剪强度c+tgb ,其中c为视内聚力。试验表面，低法向应力的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法向应力的剪切，凸台剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。 在实际应用中应注意： (1)对结构面进行直剪试验时，法向应力应与实际工程中的一致。一般认为b R (残余摩擦角）. (2)是各向不同的，因此，测量时应使所测角与所讨论的方向一致。不规则粗糙结构面的抗剪强度Barton强度准则 考虑到三个基本因素（法向力、粗糙度JRC、结构面抗压强度JCS）的影响，Barton(1977)提出确定不规则粗糙结构面抗剪强度公式：式中：b岩石表面基本摩擦角。JRC为结构面粗糙性系数（020）， Barton将其分为10级 ，平坦近平滑结构面为5，平坦起伏结构面为10，粗糙起伏结构面为20。结构面的力学效应单节理面的力学效应 1、节理面的破坏条件（极限应力平衡方程） 如图，岩体受1、3 作用，节理面与最大主平面的交角为，则节理面上的正应力和剪应力为： 1313如节理面强度符合库伦准则，其强度方程为：式中：cj,j为结构面的粘结力和内摩擦角。 （1）（2）节理面的破坏条件（极限应力平衡方程）或 可见：节理面上的应力和强度均是的函数。因此，岩体强度与岩石的强度不同，除与应力状态有关外，还与节理面的方位有关。12，单