岩体的工程地质性质及岩体工程分类.pptVIP

工程地质学,第六章 岩体的工程地质性质 及岩体工程分类,第一节 岩体的结构特征 第二节 岩体的力学性质 第三节 岩体的工程分类 第四节 风化岩体的工程地质特征,本章主要内容：,岩体的结构包括结构面与结构体两个要素。 结构面是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸（或具有一定厚度）的地质界面（或带）。如岩层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面。 结构体：结构面在空间的分布和组合可将岩体切割成形状、大小不同的块体，称结构体。,第一节 岩体的结构特征,一、结构面的工程地质研究意义 工程地质之所以要将岩体的结构特征作为重要研究对象，意义如下： 岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。只有掌握岩体的结构特征，才有可能阐明岩体不同荷载下内部的应力分布和应力状况。 在一定荷载条件下，岩体的结构特征对岩体的变形破坏方式和强度特征起着重要的控制作用。岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定性的控制面，各结构面分别为确定坝肩岩体抗滑稳定的分割面和滑移控制面。,靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确定了外营力对岩体的改造进程。这是由于结构面往往是风化、地下水等各种外营力较活动的部位，也常常是这些营力的改造作用能深入岩体内部的重要通道，往往发展为重要的控制面。 总之，对岩体的结构特征的研究，是分析评价区域稳定性和岩体稳定性的重要依据。 研究结构面最关键的是研究各类结构面的分布规律、发育密度、表面特征、连续特征以及它们的空间组合形式等。,结构面的地质成因分类： 原生结构面： 成 因 构造结构面 分 类 次生结构面（浅、表生结构面）,二、岩体结构面的分类（成因类型）,1、 原生结构面,定义：指的是岩体在成岩过程中形成的结构面。,沉积结构面：是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理 面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。 岩浆（火成）结构面：是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构 面，包括岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆 岩之间的接触面和原生冷凝节理等。 变质结构面：在变质过程中形成，分为残留结构面和重结晶 结构面，像片理、片麻理。,原生结构面层面、软岩夹层（沉积结构面）,原生结构面玄武岩柱状节理（岩浆结构面）,原生结构面玄武岩柱状节理,构 节理（X型节理，张节理） 造 结 断层（正断层，逆断层，平移断层） 构 面 层间错动带，羽状裂隙，破劈理。,定义：是岩体形成后在构造应力作用下形成的各 种破裂面，包括断层、节理、劈理和层间 错动面等。,2、 构造结构面,构造结构面区域性活动断裂,构造结构面 断层,断层面,浅 部 卸荷断裂 浅 结 、 构 表 面 重力扩展变形破裂 生 结 表 卸荷裂隙 构 部 风化裂隙 面 结 风化夹层 构 泥化夹层 面 次生夹泥,3、次生结构面（浅、表生结构面）,定义：指的是岩体形成后在外营力作用下产生的结构面。,次生结构面卸荷裂隙,次生结构面卸荷裂隙,次生结构面风化裂隙,岩体结构面的地质成因类型及其特征,三、结构面规模等级划分： 按其对岩体力学行为所起控制作用，可划分为五个等级： 级：指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳定性； 级：指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。 级：指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。 、级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性,级：指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。 级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律具统计规律，需用统计方法进行研究。 级：又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。,四、结构面的自然特征及其定量描述方法： 结构面的自然特征主要从十四个方面来进行说明： 1、方位 一般以走向、倾向、倾角来进行表示。 2、间距（s） 间距是指相邻结构面之间的垂直距离，通常是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。它是反映岩体完整程度和岩石块体大小的重要指标。 岩体的完整性还常用线密度(Ks或Kd)来进行表示，线密度（线裂隙率）是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数(条m)。 Ks与s互为倒数关系。,结构面间距的描述：,3、延续（连续）性 结构面的连续性反映结构面的贯通程度。一般以线连续性系数与面连续性系数来表示。 线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各段长度之和(a)与测线长度的比值。,K1变化在01之间，K1值愈大说明结构面的连续性愈好，当K11时，结构面完全贯通。 面连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面面积之和与总面积的比值。,结构面延续性分级表,4、粗糙度 粗糙度是指结构面侧壁的粗糙程度。一般将结构面分为台阶形、波浪形、平直形三种，每种剖面又分为粗糙的、平坦的、光滑的三种类型，如图1-3所示。,5、结构面的侧壁强度 结构面的侧壁抗压强度是直接影响岩体的抗剪强度和变形性质。 6、张开度 结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。 结构面两壁面一般不是紧密接触，使结构面实际接触面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。,结构面张开度分级表,7、充填物 充填物是指充填于结构面相邻岩壁间的物质。,结构面胶结后力学性质有所增强，Fe质胶结的强度最高，泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。,未胶结的结构面，力学性质取决于其充填情况，可分为：薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填4类 （1）薄膜充填：是结构面两壁附着一层极薄的矿物膜，厚度多小于1mm，多明显降低结构面的强度。 （2）断续充填：结构面的力学性质与充填物性质、壁岩性质及结构面的形态有关。 （3）连续充填：结构面的力学性质主要取决于充填物性质。 （4）厚层充填：结构面的力学性质很差，主要取决于充填物性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。,所谓的软弱夹层一般是指严重挤压破碎带、断层糜棱岩(包括断层泥)、泥质岩层、粘土质粉砂岩、层间蚀变带和常以夹层状态存在的构造粘土。 软弱夹层是拱坝坝基及坝肩处理时经常碰到的主要问题之一，控制着拱坝的坝肩稳定以及边坡稳定、坝基防渗。软弱夹层的存在对水工建筑物造成一定的影响。处理夹层往往需要大量的工程费用，有时还会影响到总的工期，若对其研究不够或事先未查清软弱夹层问题，或处理工程措施不当，都将对工程安全造成隐患。因此，拱坝设计中对软弱夹层问题应当予以充分的重视。我国的龙羊峡、李家峡等拱坝工程中都碰到了软弱夹层的问题，故在软弱夹层的处理与研究方面积累了丰富的经验。,五、软弱夹层的工程地质研究,泥化夹层特性： 1、由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构或泥质定向结构 2、粘粒含量很高 3、含水量接近或超过塑限 4、密度比原岩小 5、常具有一定的胀缩性 6、力学性质比原岩差 7、强度低 8、压缩性高 9、易产生渗透变形,六、结构体的特征,结构体(structural element)指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。它不同于岩块的概念。 结构体的规模取决于结构面的密度，密度愈小，结构体的规模愈大,与结构面对应,划分为五级。,结构体的形状示意图,结构体常见的形状:柱状、板状、楔形、菱形 形状不同，稳定性不同。,1、根据岩体力学：,七、岩体的结构类型划分,2. 水利水电工程地质勘察规范（GB50287-99）实行的分类标准,3. 岩土工程勘察规范（GB50021-94）实行的分类标准,一、岩体的变形 与岩石相似，可分为五个阶段。,第二节 岩体的力学性质,OA段：裂隙压密阶段 AB段：弹性变形阶段 BC段：屈服破坏阶段 CD段：加速破坏阶段 DE段：完全破坏阶段,结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。 结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所以一般认为结构面是不能抗拉的。 在工程荷载作用下，岩体破坏常沿某些软弱结构面的滑动破坏。 在岩体力学中，重点研究结构面的抗剪强度。,(一)、岩体结构面强度特征,二、岩体的强度性质结构面的强度性质,结构面抗剪强度测试仪器：便携式直剪仪,结构面的抗剪强度,主要包括如下类型: 无充填的结构面的抗剪强度 平直无充填的结构面 粗糙起伏无充填的结构面 规则锯齿形结构面 不规则起伏状结构面 有充填的结构面的抗剪强度,（二）、结构面的抗剪强度分类,、无充填的结构面的抗剪强度,1、平直无充填的结构面,平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。 特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。 这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：,2、粗糙起伏无充填的结构面,剪切特点： 当较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了； 当较大时，将剪断凸起而运动，也增大了。,（1）、规则锯齿形结构面 1）较小，剪胀作用,Patton公式,2）较大，啃断效用,（2）、不规则起伏结构面,自然界岩体中绝大多数结构面的粗糙起伏形态是不规则的，起伏角也不是常数。其强度包络线不是折线，而是曲线形式。,巴顿（arton，1973）对种不同粗糙起伏的结构面进行了试验研究，提出了剪胀角的概念并用以代替起伏角，剪胀角（angle of dilatancy）的定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角，即：,Barton 方程：,大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角u。因此，上式右边的第二项应当就是结构面的基本摩擦角u ，而第一项的系数取整数。,具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层，其形成多与水的作用和各类滑错作用有关。这类结构面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度和厚度等因素密切相关。,、有充填结构面的抗剪强度,（一）、分类方法：通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体力学性质参数联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。 （二）、分类目的：通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题。为工程设计、支护衬砌、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。,第三节 岩体的工程分类,一、岩体工程分类概况,（三）、常见分类通常有: RSR（威克汉分类，Wickham）; RMR(比尼威斯基或宾尼亚斯基分类， Bieniawski); 巴顿的Q分类; 谷德振的岩体质量指标Z系统分类,分类方案,岩体质量指标计算公式及方法,参数,R M R 系统,RMR=A+B+C+D +E+F 和差综合法 （并联系统） （T. Bieniawski,1973),A岩石强度（点荷载.单轴压) 分数 150,BRQD(岩石质量指标） 分数 203,D不连续面性状（粗糙夹泥） 分数 300,C不连续面间距（2m3m)分数 205,E地下水（干燥流动）分数 150,F不连续面产状条件（很好很差） 分数 0-12,等级划分,I 很好 RMR 10081 II 好 RMR 8061 III 中等 RMR 6041 IV 差 RMR 4021 V 很差 RMR=20,R,S,R,系统,RSR=A+B+C 和差综合法 （并联系统） （G.Wickham,1974),A地质（岩石类型：按三大岩类由硬质至破碎划分四个等级。 构造由整体强烈断裂褶皱分为四等），分数 306,B节理裂隙特征（按整体至极密集分为6个等级，按走向 倾角与掘进方向关系折减）分数 457,C地下水（无至大量） 分数 256,RSR的变化范围 25100,Q 系 统,Q=RQD/Jn . Jr/Ja . Jw/SRF,乘积法 串联系统 （Baton, 1974),RQD岩石质量指标 0100,Jn裂隙组数，无裂破裂 ，0.520 Jr裂隙粗糙度，粗糙镜面，40.5 Ja裂隙蚀变程度，新鲜蚀变夹泥，0.7520 Jw裂隙水折减系数，干燥特大水流，10.05,SRF应力折减系数，表示洞室开挖中岩性和地应力对 围岩抗变形能力的折减，高者可达20（高应力状态 岩石 趋于流动），低者2.5（接近地表的坚硬岩石）,很好 Q 4001000 极好 Q 100400 很好 Q 40100 好 Q 1040 一般 Q 4 10 坏 Q 14 很坏 Q 0.11 坏 Q 0.010.1 特坏 Q 0.0010.01,Z系统,Z=I . f . R 乘积法 （串联系统） 谷德振，1979,I完整性系数，I=V2m/V2r Vm岩体中纵波速 Vr岩石中纵波速 f结构面抗剪强度系数 R岩石坚固系数（为岩石湿单轴抗压强度的百分之一）,Z的变化范围为0.0120,岩体质量分类代表性方案表,RQD(Rock quality designation)分类,岩体地质力学分类(RMR分类) 分类指标：岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水 分类方法： （1）根据各类指标的数值，按表1-4的标准评分，求和得总分RMR值。 （2）按表1-5和表1-6的规定对总分作适当的修正。 （3）用修正后的总分对照表1-7求得岩体的类别及相应的无支护地下洞室的自稳时间和岩体强度指标(c，)值。,（1）根据各类指标的数值，按下表的标准评分，求和得总分RMR值。,表14 岩体力学分类指标,（2）按下表的规定对总分作适当的修正。,表1-5 按节理方向修正评分值,表1-6 节理走向和倾角对隧道开挖的影响,（3）根据修正后的总分确定岩体的类别及相应的无支护地下洞室的自稳时间和岩体强度指标(c，)值。,表17 岩体类别表,巴顿岩体质量(Q)分类 分类指标：Q值 RQD岩石质量指标； Jn节理组数； Jr节理粗糙系数； Ja节理蚀变系数； Jw节理水折减系数； SRF应力折减系数。 Jw/SRF水与其它应力存在时对岩体质量的影响 RQD/Jn岩体的完整性； Jr/Ja结构面(节理)的形态、充填物特征及其次生变化程度； 分类方法：确定各参数的数值，求得Q值，以Q值为依据将岩体分为9类。,二、分类标准的定量化岩体质量指标 70年代以来岩体分类中采用了“岩体质量指标”或“综合特征指标”来判别岩体性能的优劣，因而含有这类指标的分类又被称为岩体质量分级，如上所述的RMR、Q和Z系统。 分类中有了定量指标作为依据，更便于将作过详细勘探测试研究的场地的经验和成果应用于研究程度较差或处于勘探初级阶段的工地，从而达到简化或减少勘探程序和工作量的目的。,分类中，为了探讨不同分类方案之间的相关性，鲁弗里奇等根据新西兰多个工程的经验，对RMR、RSR和Q系统三者得出的如下关系式： RMR=1.35lgQ+43 RSR=0.77RMR+12.4 RSR=13.3lgQ+46.5,第四节 风化岩体的工程地质特征 一、基本概念： 风化作用：组成地壳的上部岩体，在太阳的辐射、水、大气、及生物各种营力的作用下，使其成分和结构不断发生变化，这些使岩体成分和结构发生变异的地质作用，总称为风化作用。 风化岩石：母岩经受风化作用后，使其成分、结构、物理力学性质和化学性质发生变异而形成的一种次生岩石。 风化带：地壳上部在不同程度上进行着风化作用的部分。 风化壳：风化带上部、风化相对强烈并对人类工程活动可能发生重大影响的残积物覆盖层。,二、风化类型 物理风化：由于温度变化、水的冻融、盐类结晶、植物根劈等力的作用下，引起岩石的机械破碎，而不伴随有化学成分和矿物成分明显变化的现象。主要发生在干旱寒冷的地区，风化深度相对较小。 化学风化：岩石在水、氧及有机体等作用下所发生的一系列化学变化过程，引起岩石结构构造、矿物成分和化学成分的变化。多发生于温暖潮湿的地方，风化深度可达百米以上。 生物风化：既有物理风化特点，又具有化学风化特征。,三、风化结果 1、岩体结构构造发生变化 2、岩体完整性遭受破坏，裂隙性变大 3、岩石的矿物成分和化学成分发生变化 形成次生矿物：如绿泥石、绢云母、高岭石、蒙脱