第五章 岩体的工程地质研究

第五章岩体的工程地质特性武汉大学水利水电学院杨连生3/25/20241第一节概述岩体：一定工程范围内的天然地质体。地质体—由岩石组成的岩块及在结构面切割下具有一定的结构、构造，占据地球上一定空间的实体。岩石与岩体：岩石——是一种材料，其性质可用岩块表示；岩体——是地质体的一部分，它通常被层面、节理、断层等各种地质界面（结构面）所切割，使其成为一种多裂隙的不连续介质。显然，岩体、岩块的工程地质性质明显不同。岩体的主要特征：⒈具有不连续性、不均一性、各向异性；⒉岩体的变形与破坏，主要收结构面的性质及其组合形式的控制；⒊岩体内存在有天然应力；⒋组成岩体的岩性、地质构造、地下水、岩体的现状与历史，对其性质均有影响。3/25/20242一定围压条件下岩块、岩体、断层破碎带的应力---应变示意图1—花岗岩块;2--裂隙发育的花岗岩体试件;3—花岗岩体中断层破碎带试件3/25/20243第二节岩体的结构特征岩体结构：岩体中结构面、结构体的形状、规模、性质及其相互间的组合关系。结构面——各种地质界面；结构体——被结构面切割成不同形状、不同大小的岩石块体。（图4—1）一、结构面的成因类型（表4—1）翻页3/25/20244图4—14—13/25/20245几种特殊的结构面：层间错动面：岩层在发生构造变动时，沿层面间产生相对的、微小的移动变形，此现象在褶皱岩层地区相当普遍，大断层两侧也可见到。凡经过层间错动的，都易产生泥化现象。卸荷裂隙：岩体受侵蚀切割而出现临空时，原上覆岩体的自重压力及构造应力得到释放和调整，使岩体中发生引张破裂而成。多发生在块状脆性坚硬岩体及深切的河谷中，距地表不深的地方及河谷两岸。对水工建筑物影响极大。软弱夹层：岩体中性质软弱，有一定厚度的软弱结构面（包括厚度较薄的软弱岩层）或软弱带。泥化夹层：某些软弱夹层浸水后，含水量增大，呈塑限或流限状态，结构松弛，颗粒很细，强度显著降低。称之为泥化夹层。此外，还有因风化作用形成的风化裂隙及风化夹层。结构面的研究：①结构面的发展历史；②结构面的组成物质；③结构面的延展性；④结构面的密集程度；⑤结构面的平整光滑程度。3/25/20246表4—23/25/20247结构面的自然特征和定量描述：主要从下述10个方面进行研究⑴方位——指其空间分布状态。（倾向、倾角）⑵间距——反映岩体完整程度、岩石块体大小。岩体的完整性，在生产实践中还常采用表征结构面密集程度的裂隙率来表示。（1）线裂隙率（又称线密度或裂隙频率）（条／m）：指沿测线方向单位长度上结构面或裂隙的条数。如结构面的平均间距为s（m），则：Ks=1/s（式5-1）（2）面裂隙率（又称结构面面积密度）：指单位测量面积中裂隙面积所占的百分率，表示为

Ks=〔各裂隙面积（长度×宽度）之和/所测量的岩体面积〕×100%（式5-2）（3）体积裂隙率（）：即单位测量体积中裂隙体积所占的百分率，可表示为：

Ks=

各裂隙体积〔（长度×宽度×厚度）之和/所测量的岩体体积〕（式5-3）

⑶延续性——延续性表征结构面的展布范围和延伸长度。它是岩体很重要的特性之一。

3/25/20248⑷粗糙度粗糙度指结构面测壁的粗糙程度，用起伏度和起伏差来表征。结构面的粗糙度对于研究岩体的抗剪强度和评价岩体的剪胀有重要意义。起伏度常用起伏角来表示；波状起伏的结构面则以波峰与波谷之间的距离表示起伏差（单位：cm）。

⑸结构面侧壁强度结构面侧壁的抗压强度直接影响到岩体的抗剪强度和变形性质。在研究侧壁强度时，必须同时描述岩石类型和岩体风化或蚀变的程度。在野外工程地质测绘时，可用施密特回弹仪或点荷载试验仪等轻便仪器来测定侧壁强度。

⑹张开度裂缝张开度是指结构面相邻岩壁间的垂直距离。如果岩壁间具有粘土或其它充填物则称为充填结构面的宽度。结构面的张开度通常不大，一般小l.00mm⑺充填物充填物是指充填于结构面相邻岩壁间的物质。这些物质一般比母岩软弱。典型的充填物有砂、粉土、粘土、角砾、断层泥、糜棱岩和方解石、石英、石膏等化学沉淀物质。3/25/20249⑻渗流

渗流指在单个结构面或整个岩体中所见到的水流情况。结构面是岩体中地下水流通的主要通道。研究结构面中是否存在渗流和渗流量的多少，对于评价结构面的力学性质，研究岩体中有效应力的改变以及预测岩体的稳定性和施工的困难程度都有重要的意义。⑼节理组数节理组数指组成交叉节理系统的节理组数目。根据结构面分布的规律性，可将其划分为有系统的和随机的两大类型。⑽块体大小由数组结构面切割而成的岩石块体，在岩体结构研究中，称为结构体。严格说来，结构体已不属于结构面的特征，而是由结构面的某些特征（如间距、延续性、节理组数等）所决定的岩体结构特征之一。

3/25/202410二、结构体岩体受结构面的切割而形成的不同形状的单元块体，称为结构体。工程实践表明，单个结构面有时不一定对岩体稳定构成威胁，几组结构面组合起来使岩体内出现结构体才是危险的不同产状的结构体及其与受力方向的关系对岩体稳定性影响很大。常见的结构体如图4—2。定量表示结构体块体大小的指标有块度和体积节理数。我国坝基岩体分类及地下洞室围岩分类，均按块度大小将岩体从完整到破碎分为四级（表4—3）；体积节理数Jv是由A.帕尔姆斯特提出的，其定义是单位体积通过的总节理数（裂隙数/m3）。根据体积节理数Jv

可对块体大小进行分类（表4—4）。3/25/202411表4—2、4—3翻页3/25/202412图4—24—2返回3/25/202413三、岩体结构类型划分（见下表）3/25/202414第三节岩体的主要力学特性各向异性：岩体的力学性质随方向而异；不连续性：岩体中存在的结构面使岩体在某一地方或部位发生中断；不均一性：在岩体的不同部位上，其力学性质不同。一、岩体的变形特征4—3岩石、软弱面、岩体三者的应力应变特征差别很大。3/25/202415工程设计中关心的主要是岩体的变形特性，而弹性模量和变形模量是表征岩体变形的主要参数。图4—4表示的是岩体在反复荷载作用下对应于每一级压力的变形，这种变形由弹性变形和残余变形两部分组成。图4—44—44—43/25/202416图4—5考虑到岩体中结构面的发育情况、充填情况及岩石性质的差异，岩体在加载变形过程中，其压力（P）与变形（W）的关系曲线一般有三种类型（图4—5）：4—53/25/202417二、岩体的流变特性流变：物体在外部条件不变的情况下，应力或变形随时间而变化的性质。松弛：变形一定，应力随时间的持续而逐渐减小蠕变：应力一定，变形随时间的持续而逐渐增长试验和工程实践表明，有些工程建筑的失事往往不是因为荷载过高，而是在应力较低的情况下岩体产生了蠕变。这些岩体如软弱岩石、软弱夹层、碎裂及散体结构岩体，变形的时间效应明显，蠕变特征显著。典型的蠕变曲线见图4—6。3/25/202418图4—64—6图中显示，当岩体所受的长期应力超过某一临界应力值时，岩体才经蠕变发展至破坏。该临界应力值称为岩体的长期强度。岩体的长期强度取决于岩石及结构面的性质、含水量等因素。3/25/202419三、岩体的强度特性预备知识：岩块的抗剪强度（图4—7）岩体强度——受岩块和结构面强度及其组合形式的控制。一般，岩体强度既不等于岩块的强度，也不等于结构面的强度，而是两者共同影响表现出来的强度。多数情况下，岩体的强度介于岩块和结构面之间。但岩体强度受结构面的产状、密度及围压大小等因素的影响已被试验研究与工程时间所证实。这里主要讨论岩体的剪切强度。（图4—8）剧风化岩体和软弱岩体：剪断岩体时的φ值多在300~00

之间变化，c值多在0.01~0.5MPa左右，其强度包络线上、下限比较接近，变化范围小，岩体强度总体上比较低。坚硬岩体：

φ值多在450以上，c值在0.1~4MPa之间，其强度包络线上、下限差值较大，变化范围也大，此时准确确定工程岩体的剪切强度困难较大，一般是根据原位剪切试验和经验估算数据，并结合工程荷载及结构面的发育特征等综合确定。翻页3/25/202420图4—74—73/25/202421图4—8岩体的剪切强度包络线不是一条简单的曲线，而是有一定上、下限的曲线簇。下限是结构面剪切强度，上限是岩块的剪断强度。4—8返回当σ较低时，强度变化范围较大；随着应力增大，范围逐渐变小。当σ高到一定程度时，包络线变为一条曲线，这时，岩体强度将不受结构面影响而趋于各向同性体3/25/202422第四节岩体的天然应力状态天然应力（地应力）：人类工程活动之前存在于岩体中的应力。它主要由自重应力和构造应力组成，此外还有流体应力、温度应力、变异应力等。一、自重应力和构造应力⒈自重应力（图4—9）侧向水平应力：H：该点深度；γ：岩石平均重度；μ：岩石的泊松比；λ：侧压力系数。大多数坚硬岩体μ=0.2~0.3，因此自重应力场造成的水平应力约等于垂直应力的1/3左右。4—93/25/202423⒉构造应力一般特点：最大主应力位水平应力，方向性强。对地壳较深部位，可认为则地表附近，可认为则有二、工程意义地应力高低以岩石强度Rb与最大水平主应力σmax的比值来划分，强度应力比<4位极高应力区；强度应力比等于4~7时为高应力区。关于低应力，一般是指水平地应力小于由于自重应力所形成的水平应力的地区。地应力对工程的影响，参见图4—10。

3/25/202424图4—104—10葛洲坝二江电站厂房。地层为白垩系粘土质粉砂岩夹砂岩并有多层软弱夹层，岩层产状近水平，倾角4~