岩体的力学性质及工程分类

第四章岩体的力学性质及工程分类

4.1绪论

4.2岩体结构4.3结构面的力学性质4.4岩体的变形特性4.5岩体的强度4.6岩体工程分类4.6岩体工程分类

4.6.1岩体分类的目的1将岩体分成形态类似的组；2对了解岩体特性提供可靠的依据；3对解决实际工程问题，提供必要的定量数据，以便进行岩石工程的规划和设计；4为学术交流提供有效的共同基础。基本要求：1条款简单明确；2以容易测量的实测参数为基础。工程岩体分类的原则1确定类级的目的和使用对象；2分类应该是定量的，以便于用在技术计算和制定定额上；3分类的级数应合适，不宜太多或太少，一般都分为5～6级；4工程岩体分类方法与步骤应简单明了，数字便于记忆，便于应用；5由于目的、对象不同，考虑的因素也不同。各个因素应有明确的物理意义，并且还应该是独立的影响因素。一般来说，为各种工程服务的工程岩体分类须考虑：节理和岩块的工程质量、风化程度、地下水、岩体的各种物理力学参数、地应力、工程规模和施工条件。4.6.2岩体分类的现状按包含因素多少：单因素分类法、多因素分类法按目的：综合性分类法、专题性分类法4.6.3按岩石质量指标RQD分类（Deere1963年提出并完善）

l——岩芯单节长，L——同一岩层中的钻孔长度国内现状；国外现状。表4-7按RQD大小的岩体工程分级

岩石的RQD与岩石完整性关系密切，RQD与体积节理数Jv之间存在以下统计关系：等级RQD(%)工程分级Ⅰ90~100极好的Ⅱ75~90好的Ⅲ50~75中等的Ⅳ25~50差的Ⅴ0~25极差的4.6.4按岩体弹性波（纵波）速度分类表4-8日本铁路隧道围岩分类围岩强度分类岩质良好程度备注ABCDEF1>5.0>4.8>4.2好1.开挖面有涌水时，分类要降一级；2.膨胀型岩石（蛇纹岩、变质安山岩、石墨片岩、凝灰岩、温泉余土）的弹性波速度值，要特殊考虑这种情况其速度值小于4.0km/s，泊桑比大于0.3；3.对风化岩层泊桑比小于0.3时，分类要提高一级到两级；4.单位：km/s。25.0~4.44.8~4.24.2~3.634.6~4.04.8~4.24.4~3.83.8~2.8>2.6中等44.2~3.04.4~3.84.0~3.43.4~2.82.6~2.053.8~3.24.0~3.43.6~3.03.0~2.42.2~1.61.8~1.2差6<3.4<3.6<3.2<2.6<1.81.4~0.87<1.4<1.0日本池田和野1969年提出。岩质分级表

4.6.5节理岩体的RMR分类方法该法是由南非的Bieniawski在1976年提出后经过多次修改，逐渐趋于完善的一种综合分类方法。分类依据下列参数：(1)完整岩石材料的强度；(2)岩石质量指标（RQD）；(3)节理间距；(4)节理状况；(5)地下水状况。表4-9节理岩体的RMR分类标准表4-10按节理产状修正评分值节理走向和倾向非常有利有利一般不利非常不利评分修正值隧道0-2-5-10-12地基0-2-7-15-25边坡0-5-25-50-60表4-12节节理走向和倾角对对隧道开挖的影响响走向垂直于隧道轴线走向平行于隧道轴线不论什么走向沿倾向掘进反倾向掘进倾角倾角倾角倾角倾角倾角倾角45o～90o20o～45o45o～90o20o～45o45o～90o20o～45o0o～20o非常有利有利一般不利非常有利一般不利表4-11RMR岩体分类类级别的含义分类级别ⅠⅡⅢⅣⅤ质量描述非常好的岩体好岩体一般岩体差岩体非常差的岩体评分值100~8180~6160~4140~21<20平均稳定时间5m跨度10年4m跨度6个月3m跨度1星期1.5m跨度5小时0.5m跨度10分钟岩体粘聚力(kPa)>300200~300150~200100~150<100岩体内摩擦角(°)>4540~4535~4030~35<30地下开挖体未支护护跨度的稳定时间间与RMR指标的的关系4.6.6隧隧道质量指标Q分类指标Q的计算算公式Jn——节理组数；；Jr——节理粗糙度系系数；Ja——节理蚀变影响响系数；Jw——节理水折减系系数；SRF——应力折减系数数。RQD／Jn——岩块尺寸Jr/Ja——岩块间的剪切切强度Jw/SRF——主动应力为了把隧道质量指指标与开挖体的形形态和支护要求联联系起来，又规定定了一个附加参数数，称为开挖体的的‘当量尺寸’De开挖体支护比取值值表4-13隧隧道质量指标Q详细分类标准项目及详细分类数值备注1岩石质量指标RQD(%)1在实测或报告中，若RQD《10（包括0）时，则Q名义上取10。2RQD隔5选取就足够精确，例如取100，95，90…等。A很差0~25B差25~50C一般50~75D好75~90E很好90~1002节理组数Jn1对于巷道交叉口，取（3Jn）。2对于巷道入口处，取（2Jn）。A整体性岩体，含少量节理或不含节理0.5~1.0B一组节理2C一组节理，再加些紊乱的节理3D两组节理4E两组节理，再加些紊乱的节理6F三组节理9G三组节理，再加些紊乱的节理12H四组或四组以上的节理，随机分布特别发育的节理，岩体被分成‘方糖’块，等等15I粉碎状岩石，泥状物203节理粗糙度Jr1若有关的节理组平均间距大于3m，Jr按左行数值再加1.0。2对于具有线理且带擦痕的平面状节理，若线理指向最小强度方向，则可取Jr=0.5。a节理壁完全接触b节理面在剪切错动10cm以前是接触的A不连续的节理4B粗糙或不规则的波状节理3C光滑的波状节理2D带擦痕面的波状节理1.5E粗糙或不规则的平面状节理1.5F光滑的平面状节理1.0G带擦痕面的平面状节理0.5c剪切错动时岩壁不接触H节理中含有足够厚的粘土矿物，足以阻止节理壁接触1.0I节理含砂、砾石或岩粉夹层，其厚度足以阻止节理壁接触1.0表4-13隧隧道质量指标Q详细分类标准根据Q指标的大小小把岩体分成九类类，分别描述为异异常差、极差、很很差、差、一般、、好、很好、极好好、异常好1）不支护；2）局部锚杆；3）系统锚杆；4）系统锚杆及40-100mm厚的无纤维喷射射混凝土；5）50-90mm后的纤维喷射射混凝土及锚杆；；6）90-120mm后的纤维喷喷射混凝土及锚杆杆；7）120-150mm后的纤维维喷射混凝土及锚锚杆；8）150mm以以上的纤维喷射混混凝土、钢拱架、、锚杆；9）模注注混凝土RMR比较重视结结构面的方位和倾倾角，但未考虑到到岩体的应力。Q系统不考虑节理理方位，但考虑了了最不利节理组的的特性，粗糙度和和蚀变影响均代表表了岩体的抗剪强强度。RMR与Q系统的的优缺点二者都认为结构面面方位和倾角的影影响都远比通常预预想的要小。RMR=9logeQ+44二者关系：使用条件：RMR适合于浅埋埋的坚硬岩体；Q系统的适用范围围更广，也可用于于破碎的软弱富含含水岩体。4.6.7我国国工程岩体分级标标准（GB50218-94）1工程岩体分级级的基本方法分类指标：岩石的的坚硬程度；岩体体的完整性岩石的坚硬程度——用岩石饱和单单轴抗压强度衡量量，加工标准试件件，按饱和强度测测定方法，在室内内用压力机测定。。岩体的完整性——用岩体完整性性系数衡量，用声声波仪测定，按以以下公式计算若没有条件测定波波速，也可用单位位岩体中的节理数数求ＫｖSn——第n组节理每米长测线线上的条数；Sk——每立方米岩体体非成组节理条数数。表4-15Jv与Kv对照表Jv（条/m3）<33~1010~2020~35>35Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15若没有条件测定岩岩石的单轴饱和抗抗压强度，可根据据点载荷试验换算算。岩体基本质量指标标BQ：——岩石单轴饱和和抗压强度的兆帕帕数值；Kv——岩体的完整性性系数。表4-17岩岩体基本质量分分级基本质量分级岩体基本质量的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岩体基本质量指标标修正值[BQ]K1——地下水影响修修正系数；K2——主要软弱结构构面产状影响修正正系数；K3——初始应力状态态影响修正系数。。主要软弱结构面产产状影响修正系数数K2结构面产状及其与洞轴线的组合关系结构面走向与洞轴线夹角<30°结构面倾角30°~75°结构面走向与洞轴线夹角>60°结构面倾角>75°其他组合K20.4~0.60~0.20.2~0.4地下水影响修正系系数K1BQ地下水出水状态>450450~351350~251<250潮湿或点滴状出水00.10.2~0.30.4~0.6淋雨状或涌流状出水，水压小于等于0.1MPa或单位出水量≤10L/(min*m)0.10.2~0.30.4~0.60.7~0.9淋雨状或涌流状出水，水压大于0.1MPa或单位出水量大于10L/(min*m)0.20.4~0.60.7~0.91.0初始应力状态影响响修正系数K3

BQ初始应力状态>550550~451450~351350~251<250极高应力区1.01.01.0~1.51.0~1.51.0高应力区0.50.50.50.5~1.00.5~1.0岩体物理力学参数数岩体基本质量级别重力密度（kN/m3）抗剪断峰值强度变形模量E（GPa）泊桑比υ内摩擦角φ（°）粘聚力C（MPa）Ⅰ>60>2.1>33<0.2Ⅱ>26.560~502.1~1.533~200.2~0.25Ⅲ26.5~24.550~391.5~0.720~60.25~0.3Ⅳ24.5~22.539~270.7~0.26~1.30.3~0.35Ⅴ<22.5<27<0.2<1.3>0.35结构面抗剪断峰值值强度岩体级别两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合程度内摩擦角（°）粘聚力（MPa）1坚硬岩，结合好>37>0.222坚硬—较坚硬岩，结合一般；较软岩，结合好37~290.22~0.123坚硬—较坚硬岩，结合差；较软岩—软岩，结合一般29~190.12~0.084较坚硬—较软岩，结合差—结合很差；软岩、结合差；软质岩的泥化面19~130.08~0.055较坚硬岩及全部软质岩，结合很差；软质岩泥化层本身<13<0.05地下工程岩体自稳稳能力岩体级别自稳能力Ⅰ跨度小于20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方Ⅱ跨度10~20m，可基本稳定，局部可发生掉块或小塌方；跨度小于10m，可长期稳定，偶有掉块Ⅲ跨度10~20m，可稳定数日至一个月，可发生小至中塌方；跨度5~10m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小至中塌方；跨度小于5m，可基本稳定Ⅳ跨度大于5m，一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动变形、小塌方、进而发展为中至大塌方。埋深小时，以拱部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑性流动变形和挤压破坏；跨度小于5m，可稳定数日至一个月Ⅴ无自稳能力岩体质量评价及其其分类的发展趋势势1采用多因素素综合指标的岩体体分类。在分类中中力求充分考虑各