岩石力学课件-8.岩体综合调查及分类

第7章

岩体综合调查及岩体分类Rockmassclassification§7-1岩体综合调查方法

调查方法：钻孔取心，沿暴露面调查

一、钻孔取心调查

钻取岩心，计算节理密度、间距、岩心采取率或岩石质量指标等，必要时，用点荷载测岩石强度。1、钻孔取心要求（1）钻孔布置：结合工程要求，按一定网格布置钻孔；钻孔方位尽量与几组结构面斜交，或结合暴露面调查考虑钻孔方位，以便综合分析调查资料。（2）钻具要求：采用金刚石钻头、双管或三管钻具、岩心定向装置。（3）岩心采集和保存

2、岩心调查记录钻孔岩心柱状图：按钻孔穿过岩层的岩性和节理绘成柱状。柱状图应包括：A、岩性界线和岩性符号B、矿化及矿物符号C、矿脉及岩脉D、节理、破碎带或断层岩心描述：包括节理蚀变程度、节理面粗糙度、节理面充填及胶结情况，断层及破碎带内的构造岩类型及厚度等。二、沿暴露面调查在边坡和地下坑道壁面进行调查：

A、岩体构造：结构面组数、密度、产状、连续性、起伏度和粗糙度等进行统计。B、地下水：地下水赋存情况、涌水、流水、浸水点的位置及分布特征。C、岩体和不连续面风化情况D、节理岩块的强度和壁面回弹值等

（－）结构面成因类型

1、层理面：沉积成岩过程中形成的结构面。2、不整合面：老岩层的风化剥蚀面和新岩层的底面，是不连续面。3、断层：构造运动中形成的断裂面。按力学属性可分为：张性断层、压性断层、张扭性及压扭性断层。根据构造岩和断面上的擦痕鉴别。4、节理：是岩体中未发生相对错动的断裂面，有张节理和剪节理，根据节理面形态粗糙度、张开度等特征进行判断。

5、劈理：是指岩层中大致平行、密集、微细的构造节理，其间距一般为几个mm-几个cm，若大于几cm则应称为节理。强烈挤压地段出现，常与褶皱、断层同时形成相伴产出，褶皱变形或断层错动过程中产生的密集剪切破裂面。（二）不连续面张开度或厚度指不连续面两侧壁的垂直距离。

（三）不连续面的粗糙度（四）不连续面的渗水性：流水、渗水、潮湿、干燥（五）岩体和不连续面风化蚀变程度可用三种方法确定：1、肉眼鉴定充填物和两壁岩石风化蚀变程度。2、用回弹仪测定不连续面两壁岩石的回弹值，将其与同种新鲜岩面的回弹值进行比较分级。3、在不连续面壁取岩块作点荷载试验，与同种新鲜岩块的点荷载强度值进行比较分级。具体做法是：沿暴露面布置一条测线，测线基点设在调查区边缘，沿测线拉一皮尺，逐条量测每条结构面距基点的距离（基距）、产状、持续性、粗糙度、充填、胶结情况、张开度、风化或蚀变程度、渗水情况等。沿边坡调查时，测出不连续面迹线长度（持续性即延展长度）。沿地下坑道调查时，沿坑道壁布置测线，根据不连续面在坑道内的出露情况，将持续性分为3类：（1）不连续面迹线穿越顶底板；（2）不连续面迹线穿越顶板或底板；（3）不连续面迹线在壁面上出现。

三、结构面的空间分布规律

1、优势结构面组分析通过赤平极射投影作结构面极点等密图，发现优势结构面组。优势结构面组即为产状相近的结构面的总合。

赤平极射投影方法:

（1）基本原理赤平极射投影是表示物体的几何要素（点、线、面）空间方位和角度关系的平面投影，并不涉及面积的大小、线段的绝对长度和点与点之间的绝对距离。赤平极射投影的作图包括两个步骤：a、作球面投影利用一个球体作为投影工具

（叫投影球），如图所示。将物体的几何要素从投影球中心投影到球面上去，得到球面投影，如图中结构面SHN。

b、化球面投影为赤平投影由图中F射点(简称极点)向球面投影发出射线，如FH、FS、FN等（称为极射）。它们与投影球的赤道平面(亦称赤平面)ESWN的交点N、M、S就是赤平极射投影。E，S，W，N表示地理方位东，南，西，北。（2）投影方法

设有一个结构面，走向是南北，倾向东，倾角α。首先通过S-N线，作倾向东的一个圆，如球体中的SHNK圆，即表示这个结构面，它在球体中与赤平面NWSE的夹角α，就是它的倾角。这个结构面与上半球面的交线是SHN，由极点F向SHN引射线，与赤平面相交一个圆弧NMS，则此圆弧即为结构面SHN的赤平极射投影。

①、通过球心的平面，由于产状不同有以下三种不同的投影特征：a．直立平面的投影就是赤平面上大圆的一条直径，如图所示中的AB直线。

b．水平面的赤平投影就是赤平面上的大圆周，如图所示，该大圆称为基圆。

c．倾斜平面的赤平投影则是在基圆内的一个大圆弧。还有一部分圆弧在基圆外。包括这部分的称全空间赤平投影。如图所示，NESW为基圆，A‘B为全空间赤平投影所作的大圆。一般所指的赤平投影就是在基圆以内的部分，称为空间半赤平投影。

②、空间任意一个不通过球心的平面，其球面投影必为直径小于基圆直径的小圆，如图所示。

③、通过球心的直线，在赤平面上的投影是一个点，如图所示。直线OK在赤平面上的投影为K’点。

（3）投影网(吴尔夫等角投影网，简称吴氏经纬网)

（4）利用投影网做投影的步骤和方法例1：已知一个结构面走向北东400，倾向南东，倾角600，用吴氏网作其赤平投影。

（a）将绘图透明纸放在投影网上，按投影网大小划圆，在圆周上同样标出E,S,W,N四个方位；

（b）根据结构面的走向方位，依投影网上的刻度，在图纸圆周上取北东400和南西400的a，b两点，ab联线的方位等于结构面的走向，如图(a)所示。（c）如图(b)所示，转动透明纸，使a、b两点和投影网的N、S极点重合。根据上述投影原理可知，结构面倾向南东时，投影圆弧凹向南东，故投影线落在投影网的左半部。根据结构面的倾角600，描下投影网上相同角度的经线aMb，此圆弧即为所求结构面的赤平极射投影。

例2：已知一直线的产状为1500∠400，求作该直线的赤平极射投影。

作图步骤如下：

①将绘图透明纸放在投影网上，按投影网大小划圆，在圆周上同样标出E，S，W，N四个方位；②找到1500的方位点A，过OA有一直径交圆周于B点，从B点沿BO方向向圆心方向400

角距得到C点。C点就是所求直线的赤平投影点。例3：作平面法线的赤平投影，已知任意一个过球心的平面，可以作与它相垂直的法线的投影。设已知平面的产状为2200∠500，作图步骤如下：①将绘图透明纸放在投影网上，按投影网大小划圆，在圆周上同样标出E,S,W,N四个方位；②找到2200的方位点A，在OA半径上，以圆心O为00向A方向数500得到B点。B点就是已知平面法线的投影。B点与该平面是900角距关系。结构面的极点图：空间平面的法线投影为一个点，即极点，因此可用极点代表一个结构面。在赤平投影图上，用极点代表一个平面，平面的倾角为从圆心至极点的角距，如图。

赤平等积投影（

施氏子午纬度圈网）：

赤平等积投影与赤平极射投影一样，可表示直线、平面的空间方位及相互间的角度关系。子午线用于表示平面或直线的倾向，纬度圈用于表示平面或直线的倾角。平面（用法线代表）和直线在子午纬度圈网上的投影都是一个点。用施氏子午纬度圈网作结构面的极点图：空间平面的法线投影为一个点，即极点，因此可用极点代表一个结构面。例如：三个结构面，其产状为35/60、50/40、70/30，其极点为图中的A、B、C三点。

用施氏子午纬度圈网作结构面的极点图：

极点计数图丹尼斯计算网：A型和B型网

极点等密线图（极点等密图）计数图中数字相等的点的连线即为极点等密线图。

2、优势结构面组分析及其应用

在实际工程中，结合各组结构面的产状和数量，权衡各优势结构面组对工程稳定性的影响，在可能的情况下，选择最适宜的巷道走向，减少支护和维护费用。四、结构面间距的统计规律（一）结构面间距的概念

真间距：两条结构面之间的垂直距离。

视间距：沿测线两相邻结构面之间的距离。（二）优势结构面组的间距统计分析Priest和Hudson（1976）对英国的许多沉积岩调查分析发现，对于给定的不连续面间距x,其频率（单位长度内不连续面的条数），可由函数f(x)确定：其中：λ≈1/x’,是很多不连续面的平均频率，x’是平均间距。

Priest和Hudson（1976）提出可采用下列公式估算岩石质量指标RQD：当λ值在6～16/m范围内时，用下列线性关系得到的岩石质量指标与实测的岩石质量指标非常接近：§7-2工程岩体分类

分类的目的：为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。

按分类目的：综合性和专题性两种；按因素：单因素分类法和多因素分类法。一、工程岩体分类的影响因素

1、岩石的质量主要表现在岩石的强度和变形性质方面。2、岩体的完整性岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。如结构面频率、间距、岩心采取率、RQD以及完整性系数等定量指标。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。3、结构面条件结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及充填物的性质。

4、岩体及结构面的风化程度风化程度越高，岩体越破碎，强度越低。5、地下水渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水压力等。6、地应力地应力难于测定，它对工程的影响程度也难于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。

二、典型工程岩体分类法介绍

1、普氏分类法以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏坚固性系数f将岩石分为十级。f

值越大，岩体越稳定。式中：Rc—岩石单轴抗压强度，MPa

f≥20为1级，最坚固；f≤0.3为第10级，最软弱。

优点：指标少，易于使用。

缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征，不能反映岩体强度，因此，不能作为客观评价岩体稳定性依据。2、岩石单轴抗压强度分类法

类别岩石单轴抗压强度σc(MPa)坚固性

Ⅰ250～160特坚固

Ⅱ160～100坚固

Ⅲ100～40次坚固

Ⅳ

<40软岩40100160250ⅠⅡⅢⅣ3、按巷道岩石稳定性分类-Stini)分类

4、按岩体完整性系数Kv（龟裂系数）分类式中：Vpm、Vpr—岩体、岩石弹性纵波速度（m/s)。

Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎

5、按岩芯质量指标（RQD）分类

笛尔（Deer,1968)提出根据钻探时岩芯完好程度来判断岩体的质量，对岩体分类。

式中：li—所取岩芯中≥10cm长度的岩芯段的长度；

L—钻进岩芯的总长度，m。

RQD（％）

0～2525~5050~7575~9090～100等级ⅠⅡⅢⅣⅤ分类很差差较好良好很好例某钻孔的长度为250cm，其中岩芯采取总长度为200cm,而大于10cm的岩芯总长度为157cm(图5-2)，则岩芯采取率：200/250=80%RQD=157/250=63%

6、以弹性波速度分类

7、节理岩体地质力学分类（CSIR分类）－RMR分类法

该分类法是由南非科学和工业研究委员会（CSIR)提出的分类指标RMR(RockMassRating)，由岩石强度(R1)、RQD值(R2)、节理间距(R3)、节理条件(R4)及地下水(R5)和节理方向对工程的影响的修正参数（R6）6种指标组成，即：

类别岩体描述

岩体评分值RMR

Ⅰ很好81～100

Ⅱ好61～80

Ⅲ较好41～60Ⅳ较差21～40

Ⅴ很差0～20

（1）对应岩石强度的岩体评分值R1点荷载指标（MPa）岩石单轴抗压强度Rc(MPa)评分值

>10>25015

4～10100～25012

2～450～10071～225～504不采用10～252不采用3～101不采用

<30

（2）对应于岩芯质量的岩体评分值R2（3）节理间距的岩体评分值R3RQD（％）

90～10075～9050～7525～50

<25评分值20171383节理间距（cm）

>20060~20020~606~20

<6评分值20151085

（4）节理条件评分值R4说明评分值节理面很粗糙。节理不连续，节理宽度为零，节理面岩石坚硬30节理面稍粗糙，宽度<1mm，节理面岩石坚硬25节理面稍粗糙，宽度<1mm，节理面岩石软弱20节理面光滑或含厚度<1mm的软弱夹层，张开度1～5mm，节理连续10含厚度<5mm的软弱夹层，张开度>5mm，节理连续0（5）地下水状态的岩体评分值R5每10m洞长的流入量（L/min）节理水压力与最大主应力的比值总的状态评分值无0完全干燥15<10<0.1潮湿1010～250.1～0.2只有潮气（有裂隙水）725~1250.2～0.5中等水压力4>125>0.5水的问题严重0

（6）节理产状修正值R6方向对工程的影响评价隧道地基边坡非常有利000有利－2－2－5一般－5－7－25不利－10－15－50非常不利－12－25－60

（7）节理走向与倾角对隧道掘进的影响节理走向垂直于隧道轴线节理走向平行于隧道轴线倾角00～200

顺倾向掘进逆倾向掘进倾角450～900

200～450

450～900

200～450

450～900

200～450

不考虑走向很有利有利一般不利很不利一般一般考虑不支护隧道的自稳时间

该分类法已得到比较广泛的应用。分类号ⅠⅡⅢⅣⅤ平均自稳时间15m跨，20年10m跨，1年5m跨，1星期2.5m跨，10h1m跨，30min岩体的黏聚力(kPa)

>400300~400200~300100~200

<100岩体内摩擦角>450350～450250～350150～250

<150

8、巴顿岩体质量（Q）分类巴顿（Barton）等人于1974年根据隧道工程的调查，提出一个用6个参数表达的岩体质量指标Q，作为岩体质量分类的依据。式中：RQD——岩体质量指标；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。

Q反映了岩体质量的三个方面：

为岩体的完整性；表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度；

表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。

（1）节理组数影响（Jn)

（2）节理粗糙度影响（Jr)

（3）节理蚀变程度影响（Ja)

（4）裂隙水影响（Jw)

（5）地应力影响（SRF)根据Q值，可将岩体分为9类，如图：

地下开挖当量直径：

Q分类法考虑的地质因素较全面，而且把定性分析与定量评价结合起来了，软硬岩均适用，在处理极软弱的岩层中推荐采用此分类法。比尼奥斯基（Bieniawski，1976）在大量实测统计的基础上，发现Q值与RMR值之间具有如下条件关系：

地下开挖当量直径：三、我国工程岩体分级标准(GB50218-94)

1、工程岩体分级的基本方法（1）确定岩体基本质量岩体的质量由岩石的坚硬程度和岩体完整程度决定。岩体基本质量好，则稳定性好；反之，稳定性差。

A、采用岩石饱和单轴抗压强度RC划分岩石坚硬程度

RC

(MPa)>6060~3030~1515~5

<5坚硬程度坚硬较坚硬较软岩软岩极软岩B、采用完整性系数Kv划分岩体完整程度

Kv>0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎RC与点荷载强度指数的关系：是指直径50mm圆柱试件径向加压时的点荷载强度。岩体体积节理数Jv(条/m3)：式中：Sn——第n组节理每米长测线上节理的条数；Sk——每立方米岩体非成组节理条数。

Jv与Kv的对照关系Jv<33～1010～2020～35>35Kv>0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15<0.15

（2）岩体基本质量分级

A、岩体基本质量指标（BQ)：式中：BQ——岩体基本质量指标；RC——岩石饱和单轴抗压强度(MPa);

Kv——岩体完整性指数。

注：（1）当RC>90Kv+30时，以RC=90Kv+30代入上式计算；（2）当Kv>0.04RC+0.4时，以Kv=0.04RC+0.4代入上式计算。按BQ值进行岩体基本质量分级基本质量级别岩体基本质量定性特征岩体基本质量指标(BQ)Ⅰ坚硬岩，岩体完整；>550Ⅱ坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整；550～451Ⅲ坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整；450～351Ⅳ坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎～破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整～较破碎；

软岩，岩体完整～较完整；350～251Ⅴ较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎～破碎；全部极软岩及全部极破碎岩；<250

（3）基本质量指标BQ值的修正

结合工程具有情况，对BQ进行修正，修正值[BQ]按下式计算：

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)式中：K1——地下水影响修正系数；

K2——主要软弱结构面产状影响修正系数；

K3——初始应力状态修正系数。

2、工程岩体分类的应用

（1）岩体物理参数的选用工程岩体的级别一旦确定，可按表选用岩体的物理参数和结构面的抗剪强度参数。（2）地下工程岩体自稳能力的确定

岩体物理力学参数基本质量级别重度γ

(kN/m3)内摩擦角Φ(0)黏聚力C(MPa)变形模量

E0(GPa)泊松比μⅠ>26.5>60>2.1>33<0.2Ⅱ60~502.1~1.533~200.2~0.25Ⅲ26.5~24.550~391.5~0.720~60.25~0.3Ⅳ24.5~22.539~270.7~0.26~1.30.3~0.35Ⅴ<22.5<27<0.2<1.3>0.35岩体结构面抗剪强度参数基本质量级别两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合程度内摩擦角Φ(0)黏聚力C(MPa)

Ⅰ坚硬、结合好>37>0.22Ⅱ坚硬－较坚硬、结合般；软弱岩，结合好37~290.22~0.12Ⅲ坚硬－较坚硬、结合差；较软弱岩，结合一般29~190.12~0.08Ⅳ较坚硬－较软岩、结合差—很差；软弱岩、结合差软质岩的泥化面19~130.08~0.05Ⅴ较坚硬及全部软质岩、结合很差；软质岩泥化层本身<13<0.05基本质量级别自稳能力Ⅰ跨度<20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方

Ⅱ跨度