工程地质学--第六章 岩体的工程地质性质及岩体工程分类

2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,1,工程地质学概论,第六章岩体的工程地质性质及岩体工程分类贾洪彪中国地质大学（武汉）工程学院,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,2,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变形与强度性质第三节岩体的工程分类,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,3,一、结构面的类型,(一)地质成因类型原生结构面构造结构面次生结构面,第一节岩体的结构特征,(二)力学成因类型张性结构面剪性结构面,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,4,岩体结构面的类型及其特征,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,5,(一)地质成因类型1.原生结构面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。2.构造结构面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。3.次生结构面是岩体形成后在外营力作用下产生的结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,6,(二)力学成因类型1、张性结构面是由拉应力形成的，如羽毛状张裂面、纵张及横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等特点：张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎带较宽,易被充填,常含水丰富，导水性强2、剪性结构面是剪应力形成的，破裂面两侧岩体产生相对滑移，如逆断层、平移断层以及多数正断层等。特点：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,7,走向、倾向、倾角结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度。,二、结构面特征及其对岩体力学性质的影响,据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极限强度与结构面倾角间的关系为,1、结构面产状,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,8,2、结构面的连续性,结构面的连续性反映结构面的贯通程度。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K11时，结构面完全贯通。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,9,3、结构面的密度结构面的密度反映结构面发育的密集程度。1）线密度(Kd)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)。2）间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。Kd与d互为倒数关系如果测线水平布置，且与结构面法线的夹角为，结构面的倾角为时:,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,10,用线密度来估算岩体质量指标RQD(rockqualitydesignation),岩体质量指标RQD：长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,11,4、结构面的形态结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。结构面侧壁的起伏形态：平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的。侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,12,结构面的粗糙度用粗糙度系JRC(jointroughnesscoefficient)表示。随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10级。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,13,三、岩体的结构岩体是由结构面网络及其所围限的岩块(结构体)所组成。具有一定的结构是岩体的显著特征之一。岩体中存在着复杂的天然应力状态和地下水，这是岩体与其他材料的根本区别之一。岩体结构(rockmassstructure)指岩体中结构面与结构体的排列组合关系。1结构体特征结构体(structuralelement)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。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,14,结构体形状：柱状、板状、楔形、菱形,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,15,2岩体的结构类型,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,16,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,17,整体状结构与块状结构,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,18,层状结构,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,19,碎裂状结构,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,20,散体状结构,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,21,一、法向变形性质1.法向变形特征两块试件（含结构面、不含结构面）做变形试验，得变形曲线-，设不含结构面的岩块变形为，含结构面的岩块变形为，则结构面的变形（法向闭合变形）为：,第二节结构面的变形与强度性质,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,22,应力-变形关系曲线,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,23,法向刚度（normalstiffness）是指在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力，在数值上等于-曲线上一点的切线斜率。,2.法向刚度,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,24,粗糙结构面，呈脆性变形型平直结构面，呈塑性变形型结构面变形与风化程度有关结构面的剪切刚度，随法向应力的增大而增大，随结构面的规模增大而降低。,1、剪切变形特征,二、结构面的剪切变形性质,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,25,剪切刚度KS（shearstiffness）是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前-u曲线上任一点的切线斜率。,2.剪切刚度,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,26,（一）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：,三、结构面的强度性质,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,27,（二）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,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,28,1、规则锯齿形结构面（1）较小，剪胀作用,Patton公式,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,29,（2）较大，啃断作用,式中，分别为结构面壁岩的内摩擦角和内聚力。,上式为法向应力1时，结构面的抗剪强度，其包络线如图所示。剪断凸起的条件为：,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,30,2、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。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,31,巴顿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（angleofdilatancy）的定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角，即：,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,32,Barton方程：Barton通过大量结构面剪切试验，用统计方法求得结构面的基本摩擦角u之间。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。,Barton方程,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,33,（三）非贯通断续的结构面,这类结构面由裂隙面和非贯通的岩桥组成。在剪切过程中，一般认为两者都起抗剪作用。通过的裂隙面和岩桥都起抗剪作用。假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面的线连续性系数为1，则整个结构面的抗剪强度为：,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,34,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,35,（四）具有充填物的软弱结构面,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。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,36,第三节岩体的变形与强度性质,岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和，结构变形通常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和滑动等变形。,岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形,在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,37,一、岩体变形性质,1、岩体变形试验,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,38,（1）法向变形曲线直线型上凹型上凸型复合型,2、岩体变形曲线类型及其特征,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,39,（2）剪切变形曲线,峰值前曲线平均斜率小，破坏位移大；峰值后应力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。峰值前曲线平均斜率较大，峰值强度较高。峰值后应力降较大。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及剧风化岩体剪切。峰值前曲线斜率大，线性段和非线性段明显，峰值强度高，破坏位移小。峰值后应力降大，残余强度较低。多为剪断坚硬岩体。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,40,二、岩体的强度性质,岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。岩体的强度既不同于岩块的强度，也不同于结构面的强度，一般情况下，其强度介于岩块与结构面强度之间。岩体和岩块一样，岩体强度也有抗压强度、抗拉强度和剪切强度之分。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,41,1、岩体的剪切强度,岩体的剪切强度是指岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力。剪切强度分为抗剪断强度、抗剪强度和抗切强度。抗剪断强度是指在任一法向应力下，横切结构面剪切破坏时岩体能抵抗的最大剪应力。抗剪强度是指在任一法向应力下，岩体沿已有破裂面剪切破坏时的最大应力。抗切强度是指剪切面上的法向应力为零时的抗剪断强度。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,42,岩体的剪切强度是具有上限和下限的值域，其强度包络线也是有上限和下限的曲线族。上限是岩体的剪断强度,下限是结构面的抗剪强度。应力较低时，强度变化范围较大，随着应力增大，范围逐渐变小。应力高到一定程度时，包络线变为一条曲线，岩体强度将不受结构面影响而趋于各向同性体。,沿结构面剪切(重剪破坏)时，岩体剪切强度最低，等于结构面的抗剪强度。横切结构面剪切(剪断破坏)时，岩体剪切强度最高。沿复合剪切面剪切(复合破坏)时，其强度介于以上两者之间。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,43,坚硬岩石软弱岩石,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,44,2、裂隙岩体的压缩强度,岩体的压缩强度分为单轴抗压强度和三轴压缩强度。在生产实际中，通常是采用原位单轴压缩和三轴压缩试验来确定。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,45,单结构面理论,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,46,3、裂隙岩体强度的经验估算,Hoek-Brown的经验方程,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,47,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。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。,第四节岩体的工程分类,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,48,一、岩块的工程分类1、Deere&Miller双指标分类分类指标：岩块抗压强度（c）、模量比（Et/c）,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,49,2国标岩土工程勘察规范分类分类指标：新鲜岩块的饱和单轴抗压强度（cw）,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,50,二、岩体的工程分类,1岩体质量分级2洞室围岩分类3岩体地质力学分类（RMR分类）4巴顿岩体质量分类（Q分类）,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,51,1、岩体质量分级（工程岩体分级标准GB50218-94）分级指标：岩体基本质量指标BQBQ=90+3cw+250Kv当cw90Kv30时，令cw90Kv30当Kv0.04cw0.4时，令Kv0.04cw0.4,Jv与Kv对照表,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,52,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,53,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,54,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,55,分级方法：（1）按岩体基本质量指标BQ进行初步分级（2）根据天然应力、地下水和结构面方位等对BQ进行修正（3）按修正后的BQ进行详细分级,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,56,岩石坚硬程度划分表,岩体完整程度划分表,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,57,各级岩体物理力学参数及围岩自稳能力表,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,58,当地下洞室围岩处于高天然应力区或围岩中有不利于岩体稳定的软弱结构面和地下水时，岩体BQ值应进行修正，修正值BQ按下式计算：BQBQ100(K1K2K3)K1-地下水影响修正系数；K2-主要软弱面产状影响修正系数；K3-天然应力影响修正系数。根据修正值的BQ进行重新分级。确定各级岩体的物理力学参数和围岩自稳能力。,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,59,地下水影响修正系数(K1)表,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾洪彪,60,主要软弱结构面产状影响修正系数(K2)表,天然应力影响修正系数(K3)表,2020/6/11,中国地质大学工程学院贾