工程地质学 第3版 课件 第5章 岩体的工程地质特性

第5章

岩体的工程地质特性

l

深刻理解岩石与岩体的概念、

区别、

联系，构建实践——理论——

实践的思维方法；l

掌握岩石的物理力学性质及其衡量指标；l

熟悉岩体的结构类型特征及软弱夹层工程地质特性；l

熟悉影响岩体工程地质特性的因素，了解工程岩体的分级分类方法及其的发展过程，从而领悟求实务真的科学精神；学习目标l一、基本概念l岩体（rock

mass）：指地质体中与工程建设有关的那一部分岩石，它处于一定的应力状态、被各种结构面所分割。岩体具有三方面特征：一定的岩性，一定的结构类型，一定的应力状态。岩体具有一定的结构特征，它由岩

体中含有的不同类型的结构面及其

在空间的分布和组合状况所确定。5.1概述

等。又称不连续面（discontinuities）。l

结构体（structural

body）：结构面在空间的分布和组合将岩体切割成形状、大小不同的块体，称结构体。

l一、基本概念l

结构面（structural

plane）：是指岩体中具

有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸（或具有一定厚度）的地质界面（或带）。如

岩层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙5.1概述

5.1概述

沉积岩

岩

风化

卸荷

地下水

。。。

物质基础建造变质

浅、表生作用

构造作用l二、岩体结构特征的形成岩体结构特征

改造

地质历史火成岩5.1概述

三、岩体的结构特征研究意义（1）岩体中的结构面是岩体力学强度相

对薄弱的部位，它导致岩体力学性能的

不连续性、不均一性和各向异性。只有

掌握岩体的结构特征，才有可能阐明岩

体在不同荷载下内部的应力分布和应力

分异状况。（2）岩体的结构特征对岩体在一定荷载

条件下的变形破坏方式和强度特征起着5.1概述

上犹江电站坝基内板岩泥化夹层例如在岩石坝基的深部滑动抗滑稳定性分析中，有些结构面为切

割面，而有些成为滑移控制面。坝基岩体由泥盆纪砂岩、板岩组成，地层中夹有一层由层间错动和地下水的活动造成的板岩泥化夹层，倾角一般小于10。

，其内摩

擦系数f＝0.24

～

0.30(内摩擦角

φ

=

14。

～

17。)

，抗剪强度低5.1概述

//结构面影响地下洞

室围岩的稳定结构面影响边坡

岩体的稳定性c

·

da

b/5.1概述

l

（3）靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确定了外营力对岩体的改造进程。这是由于结构面往往是风化、地下水等各种外营力较

活跃的部位，往往发展为重要的控制面。坚硬岩石组成的斜坡前缘卸荷裂隙导致崩塌示意图①灰岩；②砂页岩互层；③石英岩软硬岩性互层的陡坡局部崩塌示意图1砂岩；2页岩5.1概述

西

藏

横

断

山

地

震

带喜

马

拉雅

山

南

麓

地

震

带形高喜

马

拉

雅

山

冈

底

斯

山青壳莫

霍度)图

1

-

2

青藏

高

原地

壳

厚

度

剖

面

和

地

震

带

位

置（

据

时

振

梁

等

）(4)对岩体结构特征的研究还可以推广于宏观地质体，应用于区域构造稳定性评价。宏观地质体中的莫霍面、构造层的分界面、区域性大断

层等相当于地质体中的巨型结构面。柴

达

山阿

尔

金

山

原唐

古

拉

山藏

高甘

、

川

地

震

带川

滇

地

震

带昆

仑

山度

)天

山地地面厚((5.1概述

空间组合形式总之，对岩体结构特征的研究，是分析评价区域稳定性和岩体稳定性的重要依据。研究结构面的关键：分布规律表面特征发育密度连续特征5.1概述

Y

=

p.g1N=1kg.m/s2一.

密度和重度：密度：单位体积的质量（p）

（g/cm3）〔天然密度{干密度l饱和密度重度：单位体积的重量（Y）（N

/

cm3）5.2岩石的物理水理性质

二.

颗粒密度和比重颗粒密度：单位体积固体颗粒的质量

比重：单位体积固体颗粒的重力与4℃时同体积水的

重力之比（ds）

三.

孔隙度和孔隙比：孔隙度：孔隙体积与岩石总体积之比（

n）孔隙比：孔隙体积与岩石中固体颗粒体积之比（e）

5.2岩石的物理水理性质

四.吸水性：~~

：指岩石吸收水的性能。其吸水程度用吸水率表示。吸水率：

（常压条件下）吸入水量与干燥岩石质量之比。

饱水率：

（150个大气压下或真空）吸入水量与干燥岩石质量之比。

饱水系数：岩石吸水率与饱水率之比。

Kw

=

(Kw

=

0.5

~

0.9)

5.2岩石的物理水理性质

五.

透水性~~

：指岩石能透过水的能力。用渗透系数K表示。

（

m/s）指岩石浸水后强度降低的性质。用软化系数KR

表示。

=

K.I

.

F

达西层流定律：渗透系数：

：六.

软化性：软化系数：

RR→

饱和单轴抗压强度。→

干燥单轴抗压强度。一般软化系数

KR<0.75

的岩石具软化性。K

=

cR5.2岩石的物理水理性质

七.

抗冻性：~~:指岩石抵抗冻融破坏的能力强度损失率：Rl

=

GL

=

冻融前的重量冻融前的强度冻融前后强度差八.

可溶性：指岩石被水溶解的性能。九.

膨胀性：指岩石吸水后体积增大的性能。十.

崩解性：岩石（干燥）泡水后，因内部结构破坏而崩解的性能。

重量损失率：

冻融前后重量差

不抗冻的岩石5.2岩石的物理水理性质

l一、变形：岩石受力后发生形状改变的现象。主要

变形模量和泊松比表示。1.模量：2.

泊松比：

ε=

h

11115.3岩石的力学性质

l二、强度：指岩石受力破坏时承受的最大应力。1.抗压强度：

（烘干、垂直结构面受压、单轴）

3.抗剪强度4.

点荷载强度：2.抗拉强度：

（一般用劈裂法）

5.3岩石的力学性质

沉积结构面：层理，层面，软弱夹层，不整合面，假整合面，古冲刷面等。火成结构面：侵入体与围岩接触面，岩脉、岩墙接触面，喷出岩的流线、流面，冷凝节理面等。变质结构面：片理，片麻理，板劈理，片岩软弱夹层等。一、结构面的主要类型结构面的成因分类（基本分类方法）：原生结构面、构造结构面及浅、表生结构面。原生结构面5.4岩体的结构特征5.4岩体的结构特征5.4岩体的结构特征泥裂波痕5.4岩体的结构特征断层（正断层，逆断层，走滑断层）

层间错动带，羽状裂隙，破劈理{卸荷断裂卸荷裂隙

风化裂隙风化夹层

浅部结构面表部结构面一、结构面的主要类型

泥化夹层

次生夹泥浅表生

结构面重力扩展变形破裂构造结构面5.4岩体的结构特征节理（X型节理，张节理）X型节理风化裂隙5.4岩体的结构特征泥化夹层断层5.4岩体的结构特征5.4岩体的结构特征二、结构面的主要特征5.4岩体的结构特征续表1-15.4岩体的结构特征三、结构面工程地质分级（1）按其结构面规模对岩体力学行为所起控制作用，可划分为三个等级5.4岩体的结构特征级序分级依据力学效应力学属性地质构造特征Ⅰ级结构面延展长、几公里至几

十公里以上，破碎带宽度达

数十米1.形成岩体力学作用边界2.岩体变形和破坏的控制条件3.构成独立的力学介质单元1.属于软弱结构面2.构成独立的力学模

型—软弱夹层较大的断层Ⅱ级延展规模与研究的岩体相若，

破碎带宽度比较窄，几厘米

至数米1.形成块裂岩体边界2.控制岩体变形和破坏方式3.构成次级地应力场边界属于软弱结构面小断层层间错动面Ⅲ级延展长度短，从十几米至几

十米，无破碎带，面内不夹

泥，有的具有泥膜1.参与块裂岩体切割2.构成次级地应力场边界少数属于软弱结构面不夹泥大节理或小断层开裂的层面Ⅳ级延展短，未错动、不夹泥，

有的呈弱结合状态1.是岩体力学性质，结构效应的基

础2.有的为次级地应力场边界节理劈理层面次生裂隙Ⅴ级结构面小，且连续性差1.岩体内形成应力集中2.岩体力学性质、结构效应的基础不连续的小节理隐节理层面(2)

按岩体结构面规模及其力学效应：将结构面分为5级（孙广忠）。片里面5.4岩体的结构特征一、岩体分类岩体结构分类和岩体工程应用分类，力图使分类指标定量化。1、岩体结构分类岩体结构是建造和改造这两方面的综合产物，按建造特征可划分：整体状结构块状结构层状结构碎块状结构散体状结构5.6工程岩体分类及分级5.6工程岩体分类及分级岩、安山岩、玄武岩、凝灰角砾岩中。1、岩体结构分类整体状结构：

代表岩性均一、无软弱面的岩体，含有

的原生结构面具有较强的结

合力，间距大于1m。通常出现在厚层的碳酸盐岩、碎屑岩；花岗岩、闪长岩

；原生节理不太发育的流纹5.6工程岩体分类及分级1、岩体结构分类块状结构：代表岩性较均一、含有2

~3组较发育的软弱结构面的岩

体，结构面间距1～0.5m。成岩裂隙较发育的厚层砂岩或泥岩，槽状冲刷面发育的河流相砂

岩体等沉积岩，原生节理较发育的火山岩体等。5.6工程岩体分类及分级层状结构：代表含有一组连续性

好

，抗剪性能显著较低的软弱

面的岩体，一般岩性不均一。可进一步分为层状（软弱面间距

50～30cm）

、薄层状（间距小

于30cm）

。还可以据岩性不均

一程度划分出软硬相间的互层

状结构。1、岩体结构分类5.6工程岩体分类及分级1、岩体结构分类碎块状结构：代表含有多组密集结构面的

岩体，岩体被分割成碎块状，

以某些动力变质岩为典型，如溪洛渡泡灰岩。按岩体改造的程度可划分为：完整的、块裂化或板裂化、

碎裂化散体化等四个等级。5.6工程岩体分类及分级岩体结构分类已被广泛采用，划分依据和各结构类型岩体的主要特征如图。块裂5.6工程岩体分类及分级2

岩体的工程应用分类工程应用分类是以岩体稳定性或岩体质量评价为基础的分类，为综

合性分类。主要考虑三方面因素的指标：即与岩石工程性质有关的指

标（力学性质）、岩体后期改造有关的指标(岩体结构)和岩体赋存条

件方面的指标（地下水或地应力等）。通常有:宾尼亚斯基的RMR分类

（1973）

;巴顿的Q系统分类（1974）

;谷德振的岩体质量指标Z系统分类（1979）。此种分类力图将类型与岩体稳定性分析和定量评价以及对策设计

等实际问题联系起来，因而受到地质和工程界的重视。5.6工程岩体分类及分级3

岩体质量分级－岩体质量指标（定量化）20世纪70年代以来岩体分类中采用了“岩体质量指标

”或“综合特征指

标

”来判别岩体性能的优劣，如上所述的RMR、Q和Z系统。分类中有了定量指标作为依据，更便于将作过详细勘探测试研究的场地

的经验和成果应用于研究程度较差或处于勘测初级阶段的工地，从而达到

简化和减少勘测程序和工作量的目的。RMR、RSR和Q系统三者得出的如下关系式：RMR=1.35lgQ+43RSR=0.77RMR+12.4

RSR=13.3lgQ+46.5

5.6工程岩体分类及分级3

岩体质量分级－岩体质量指标（定量化）(1)岩体基本质量分级在岩体质量定量评价的基础上，确定岩体基本质量指标（BQ）：BQ

=

90

+

3Rc

+

250Kv式中，Rc岩石饱和单轴抗压强度（MPa）、Kv为岩体完整性系数。根据定性特征和定量指标两方面的特征，按下表对岩体质量进行初步

定级为

Ⅰ

、

Ⅱ

、Ⅲ

、Ⅳ

、

Ⅴ

、Ⅵ类。工程岩体的详细定级，在岩体基本质量分级的基础上，

结合不同类型

工程的特点，根据地下水状态、

初始应力状态、

工程轴线或工程走向线的方位与主要结构面产状的组合关系等，

对岩体基本质量指标进行修正，

并以修正后的工程岩体质量指标确定工程岩体级别。5.6工程岩体分类及分级3

岩体质量分级－岩体质量指标（定量化）(2)

RQD分类RQD值：用直径75mm金刚石钻头和双层岩芯管钻进，大于等于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度百分比。——《岩土工程勘察规范》GB50021-2001岩体质量评价0-25

很差25-50

差50-75

一般75-90

好90-100

很好RQD值5.6工程岩体分类及分级3

岩体质量分级－岩体质量指标（定量化）(3)

RMR

(ROCK

Ml

ass

Rating)

分类Bieniawski（宾尼亚斯基1973）提出，其分类系统由岩块强度、

RQD值、节理间距、节理条件及地下水5类参数组成。5.6工程岩体分类及分级5.6工程岩体分类及分级(4)

SMR分类Romana据自己和同行们的工程

实践经验，引进不连续面——边坡面

产状关系、边坡破坏模式、边坡开挖

方法等几个参数，提出了用于边坡的

岩体质量评价方法－SMR方法。SMR

＝RMR－（F1

×F2

×F3

）＋F43

岩体质量分级－岩体质量指标（定量化）5.6工程岩体分类及分级5.6工程岩体分类及分级

5巴顿（1974）等提出，其Q分类指标为：

式中：RQD－岩石质量指标；Jn－节理组系数；Jr－节理粗糙度系数；Ja－节

理蚀变影响系数；Jw－节理水折减系数；SRF－应力折减系数。Q指标可看成三个参数的函数：RQD/Jn粗略表示岩石块度，代表岩块尺寸，反映岩体结构的影响；Jr/Ja代表嵌合岩块间抗剪强度，反映节理壁或节理充填物的粗糙度和摩擦特性；

Jw/SRF表示岩体中各种应力的存在对岩体质量的折减。Q

值<

0

.

0

10

.

0

1

-

0

.

10

.

1

-

1

.

01

.

0

-

4

.

04

.

0

-

1

01

0

-

4

04

0

-

1

0

01

0

0

-

4

0

0>

4

0

0岩

体

分

类异

常

差

的极

差

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差

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