工程地质第四章课件

第四章岩体的工程性质,一、岩体,1.岩体是在漫长的地质历史过程中形成的，具有一定的结构和构造，并与工程建筑有关的天然地质体岩石在漫长的地质历史时期内，由于遭受内力、外力地质作用的影响，在岩体里面会形成各种裂隙，形成不连续、各向异性的非均匀地质体。,2.岩体的主要特征,岩体是地质体的一部分，因此，岩石、地质构造、地下水及岩体中的天然应力状态对岩体的稳定有很大影响。要研究岩体，不仅要研究现状还要研究其历史。岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它将导致岩体力学性能不连续性、不均一性和各向异性。软弱的结构面常常形成岩体稳定性的控制面。岩体在工程荷载的作用下产生变形和破坏，主要受各种结构面的性质及其组合形式的控制。岩体结构特征不同，岩体的变形与破坏机制也不同。岩体中存在天然的应力场，在多数情况下，岩体中不仅存在自重应力还有构造应力，这些应力的存在，使得岩体的工程地质性质复杂化。,二、岩体结构,1.结构单元,结构面：指存在于岩体中的各种不同成因、不同特征的地质界面，指岩体中已开裂的地质界面，如：断层、节理、层理、软弱夹层及不整合面等；,结构体：由结构面切割后形成的岩石块体；,2.岩体结构指岩体结构面和结构体两个要素的组合特征。,三、结构面的类型及特征1.结构面类型,2.结构面的特征（1）结构面的规模,结构面对岩体力学性质及岩体稳定性的影响程度，首先取决于结构面的延展性及其规模,结构面的规模,一级结构面：区域性的断裂破碎带，延展数十公里以上。它直接关系到工程所在区域的稳定性，一般在规划选点时尽量避开。,二级结构面：延展性较强，贯穿整个工程地区或在一定工程范围内切断整个岩体的结构面。它的组合与分布，控制了山体及工程岩体的破坏方式及滑动边界。,三级结构面：包括走向与倾向方向，延伸有限。这些结构面控制岩体的破坏和滑移机理，常常是工程稳定的控制性因素及边界条件。,四级结构面：延展性差，一般在数米至数十米的范围内的节理、片理等，它们仅在小范围内将岩体切割成块状。,五级结构面：延展性极差的一些微小裂隙。它主要影响岩块的力学性质。岩块的破坏由于微裂隙的存在具有随机性。,（2）结构面形态,起伏度（起伏角、起伏高度）,平直型：包括大多数层面、片理和剪切破裂面。,波状起伏型：如波痕层面、轻度揉曲的片理,锯齿状型：张扭性结构面,不规则型：结构面曲折不平，如沉积间断面,粗糙度,极粗糙,平滑,镜面,结构面的形态特征,粗糙,一般,（3）结构面的物质组成,结构面上物质软弱松散，含泥物质及水理性质不良的黏土矿物，抗剪强度很低，对岩体稳定的影响较大,（4）结构面的密集程度,密集程度反映岩体的完整性，它决定岩体变形和破坏的力学机制。结构面越密集，岩体变形越大，强度越低，渗透性越高。表征指标：线密度单位长度上的结构面条数。结构面间距同一组结构面的平均间距。,（5）结构面的延展性,（6）结构面的张开度和填充胶结特征,结构面的延展性也称连续性，结构面在其走向和倾斜线方向二维方向上的连通程度，是决定岩体稳定性的决定性因素。类型：非连通的、半连通的、连通的表征指标：线连续性系数在某一结构面的延长线上，结构面各段长度之和与整个线段长度的比值。面连续性系数岩体内包含结构面的断面上，结构面面积之和与整个断面面积的比值,张性断裂面，为次生充填和地下水活动提供条件，显著降低其抗剪强度；产生静、动水压力，影响岩体稳定性。结构面经充填胶结后，力学性质有所改善，改善程度因充填物不同而不同。,3.软弱夹层,4.结构体,（1）结构体与结构面相互依存：结构体形状与结构面组数密切相关，岩体内结构面组数越多，结构体形状越复杂；结构体块度或尺寸与结构面间距密切相关。结构面间距越大，结构体块度（尺寸）越大。结构体级序与结构面级序有相互依存的关系,（2）结构体的类型：柱状、块状、板状、楔形、菱形、锥形等；强烈破碎部位可能有片状、鳞片状、碎块状、碎屑状。,5.岩体结构的类型,6.不同结构类型岩体的工程地质性质,整体块状结构岩体：结构面稀疏、延展性差、结构体块度大且常为硬质岩石，故整体强度高、变形特征接近于各向同性的均质弹性体，变形模量、承载能力与抗滑能力均较高，抗风化能力一般也较强，故这类岩体具有良好的工程地质性质，是较理想的各类工程建筑地基、边坡岩体及洞室围岩。层状结构岩体：结构面以层面与不密集的节理为主，结构面多闭合微张状、一般风化微弱、结合力一般不强，结构体块度较大且保持着母岩岩块性质，故这类岩体总体变形模量和承载能力均较高，可作为工程建筑地基，但应注意结构面结合力不强的情况。碎裂结构岩体：节理、裂隙发育、常有泥质充填物质，结合力不强，其中层状岩体常有平行层面的软弱结构面发育，结构体块度不大，岩体完整性破坏较大，其中镶嵌结构岩体因其结构体为硬质岩石，尚具较高的变形模量和承载能力，工程地质性能尚好；而层状碎裂结构和碎裂结构岩体则变形模量、承载能力均不高，工程地质性质较差。散体结构岩体：节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，岩石手捏即碎，属于碎石土类，可按碎石土类研究。,四、岩体的主要力学性质,影响岩体力学性质的因素：岩石的力学性质，结构面的物质组成、发育程度、组合类型及力学性质。1.岩体的变形特性（1）岩体的应力应变曲线特征变形组成：结构面变形和结构体变形四个阶段：OA节理压密闭合变形阶段、AB弹性变形阶段、BC塑性变形阶段、CD段破坏阶段类型：直线型岩体坚硬、致密、均匀、完整上凹形岩体坚硬、裂隙发育、裂隙无充填；或有软弱夹层下凹形软弱夹层较发育；节理裂隙较发育且有软弱充填物；岩石性质软弱；岩体深处有软弱夹层；岩体风化复合型组成岩体的岩石、结构体性质不均匀；结构体分布不均匀；结构面分布不均匀,（2）变形指标变形模量：岩体在无侧限受压条件下应力与总应变之比。弹性模量：岩体无侧限受压条件下应力与弹性应变之比。动弹性模量：用动力法根据弹性波在岩体中的传播速度测得的弹性模量。2.岩体的流变特性流变性：介质在外部条件不变的条件下，应力或应变随时间变化的性质。表现形式：蠕变应力一定的条件下，变形随时间增长而逐渐增长的现象。松弛变形保持一定，应力随时间增长而逐渐减小的现象。,3.岩体的强度特性,（1）岩体的破坏方式脆性破坏、块体滑移，层状弯折，追踪破裂，塑性流动。（2）岩体的剪切特性和剪切强度类型：抗剪强度沿已有的破裂面发生剪切滑动时的强度抗剪断强度垂直压力作用下的岩体剪断强度抗切强度压应力等于零时的抗剪断强度剪切特性：岩体剪应力剪位移曲线类型脆性破坏型坚硬完整岩体塑性破坏型半坚硬或软弱破碎岩体岩体的剪切强度曲线峰值强度和对应的正应力的关系曲线剪切强度参数粘聚力、内摩擦角、摩擦系数,（3）影响岩体强度的主要因素,试件的尺寸效应尺寸很小时，岩石的不均匀性影响岩石的性质；尺寸较大时，岩石具有统计上的均一性。软弱面效应软弱面强度低、变形大、刚度小、易渗水、易风化、易侵蚀、溶蚀、易变质、各向异性摩擦效应低压（土木工程）界面的粗糙程度和岩石种类对摩擦系数影响很大；中压（采矿工程）界面的粗糙程度和岩石种类对摩擦系数影响中等；高压（地球物理领域）摩擦与界面的粗糙程度和岩石种类无关。,围压效应可提高岩石强度，并使岩石呈现塑性和粘性。时间效应加荷速率加荷速率快动荷载荷载作用时间短期外力弹性体长期外力塑性、流变性水的影响水的物理地质作用水对节理、裂隙面的润滑作用，对岩体的软化作用，对软弱夹层的泥化作用。抗剪强度降低水的化学地质作用溶解、溶蚀、溶滤作用，水化、水解作用，离子交换，氧化还原作用，脱碳酸作用，硫酸化和脱硫酸作用，混合作用。矿物成分变质，影响岩体结构及其力学性质水对岩体的力学作用产生静水压力和动水压力,五、工程岩体分级,1.分级目的满足工程实际要求，确定岩体的设计计算指标或参数，以使工程达到经济、合理、安全。分级类型：通用的分级供各个学科领域、各国民经济部门笼统使用的分级。专用的分级针对某一学科领域、某一具体工程、某一工程的具体部位岩体的特殊要求。2.工程岩体分级标准定级方法：初步定级和详细定级（1）工程岩体质量的初步定级考虑指标：岩石坚硬程