第四章岩体的工程地质特性

构 造 结 构 面
节理（X型节理，张节理） 断层（正断层，逆断层，走滑断层） 层间错动带，羽状裂隙，破劈理。

浅 、 表 生 结 构 面
浅 部 结 构 面
表 部 结 构 面
卸荷断裂 重力扩展变形破裂
卸荷裂隙 风化裂隙 风化夹层 泥化夹层 次生夹泥
第四章 岩体的工程地质特性
1.1

第一节 岩体的结构特征 基本概念及研究意义
岩体（rockmass ）通常指地质体中与工程建设有关 的那一部分岩石，它处于一定的地质环境、被各种结构 面所分割。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。岩体是由结构面和结构体两部分组成。 结构面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、裂隙等。由 于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面。Leabharlann 第二节 岩体的主要力学特性
a.
岩石力学指标的用途 划分岩石工程类型、岩体工程评价
利用岩石饱和抗压强度划分岩石工程类型
饱和抗压强度 ≥60MPa 60-30MPa ＜30MPa ＜15MPa
岩石类型
坚硬岩
中硬岩
软岩
极软岩
b.
岩石力学指标的用途
岩体质量分类或洞室围岩类型划分 RMR分类：地质力学分类，南非 Q分类：隧道围岩质量分类，欧洲 国内：如水利水电规范、岩土工程规范，其他部们如铁道、 公路、总参、建设部，个人方面有王思敬、陶振宇、杨子文。 评价岩体强度 利用结构面网络模拟、蒙特卡洛法等



泥化夹层：w≥wp。具有结构松散、孔隙比大、密度小、含水 量大、粘粒含量高、力学特性差的特点， f’=0.45-0.6，E0＜ 50MPa。如葛洲坝水电站
泥化夹层形成的三个基本条件：

a.
物质基础：粘土岩类夹层，粘粒含量高，且以蒙脱石为主的 粘土矿物。
构造作用：完整性被破坏，有利于地下水的运动；矿物颗粒 的性质和成分受到破坏。 地下水的作用：泥化作用，孔隙水压力作用，溶解作用等。

结构体：结构面在空间的分布和组合可将岩体切割成 形状、大小不同的块体，称结构体。 工程地质之所以要将岩体的结构特征作为重要研究对 象，意义如下： ⑴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，才有可能阐明岩体不同荷载下 内部的应力分布和应力状况。 ⑵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重要的控制作用。岩体中的软弱结 构面，常常成为决定岩体稳定性的控制面，各结构面分别 为确定坝肩岩体抗滑稳定的分割面和滑移控制面。
1.2
岩体结构特征及主要类型
结构面的主要类型及特征
1.2.1
结构面的成因分类：原生结构面、构造结构面及浅 表生结构面
原 生 结 构 面
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 变质结构面：片理，片麻理，板劈理，片岩软 弱夹层。
模量，则每级荷载作用下要进行卸载；

若要反映岩体正交各向异性变形特性，可以沿不同方向进行 试验，主要有垂直加载和水平加载两种方式。
岩体变形测试技术、变形特性及参数取值

岩体变形试验——承压板试验 现场试验加压方式
岩体变形测试技术、变形特性及参数取值

岩体变形试验——承压板试验 现场试验变形稳定判定标准
方位：结构面的产状（走向、倾向、倾角） 间距：反映岩体完整程度和块体大小 延续性：反映结构面的连通率 粗糙度：反映结构面的起伏状况 结构面侧壁强度：反映结构面受风化影响的程度 张开度：又称隙宽，即裂隙的宽度 充填物：不同物质充填对力学特性有显著影响 渗流：反映地下水的活动状况 节理组数：反映岩体被切割的状况 块体大小：可用块度和体积节理数反映
1.5d 硐底位臵 1.5d
2.0d
岩体变形测试技术、变形特性及参数取值

岩体变形试验——承压板试验 现场试验设备
岩体变形测试技术、变形特性及参数取值
a. b.
岩体变形试验——承压板试验 现场试验加压方式 逐级一次循环法（推荐方式）： 逐级多次循环法

若只要变形模量，则不需卸载；而既要弹性模量、又要变形
岩体变形测试技术、变形特性及参数取值

动力法测岩体动弹性模量 动力法或弹性波法（地震法、声波法） 基本公式
Ed Ed Vp Vs
2 V p 1 1 2u
2 Vs2 3V p 4Vs2
V

1 u
Vs2
2 p


二、结构面的特征
结构面的特征是影响结构面强度及其他性能的重要因素。国际岩石力学学会 （ISRM）实验室和野外试验标准化委员会于1978年提出了《岩体不连续 面定量描述的建议方法》，规定从方位、间距、延续性、粗糙度、侧壁强 度、张开度、充填物、渗流、节理组数、块体大小十个方面进行研究。

P
U
岩体变形测试技术、变形特性及参数取值

岩体变形试验——承压板试验 试验曲线类型及特征
d.
长尾型：试验所在平硐开挖面上有松弛的岩体，或平硐开挖 时间长，已形成松动圈。曲线上后段模量较前段模量大。若 要真实反映“原位岩体”的模量，则应将 u0→0，即以u0点作 为0点进行计算。
P
U0
U
岩体变形测试技术、变形特性及参数取值
21 1 2
式中：Vp-纵波波速（m/s）； Vs –横波波速（ m/s ）；ρ-岩体的 密度；u-泊松比。
4 Ee



4 E0

d

式中：E0（ Ee ）-岩体变形模量（弹性模量）； W0（ We ）岩体的总变形（弹性变形）； p-按承压板单位面积计算的压 力；d-承压板的直径；u-泊松比。
岩体变形测试技术、变形特性及参数取值

岩体变形试验——承压板试验 平硐中试验需满足的边界条件： Boussniesq课题的基本前提 是半无限空间，但实际试验时是不可能满足的。一般而言， 平硐中试验需满足如下图中的边界条件。

⑶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动的部位，也常常是这些营力的 改造作用能深入岩体内部的重要通道，往往发展为重要的 控制面。 总之，对岩体的结构特征的研究，是分析评价区域稳 定性和岩体稳定性的重要依据。 研究结构面最关键的是研究各类结构面的分布规律、 发育密度、表面特征、连续特征以及它们的空间组合形式 等。

岩体变形试验——承压板试验 试验曲线类型及特征
b.
上凹型：裂隙岩体、中等质量岩体。若按实际荷载取各点的 模量便是该点在曲线上的切线，所以模量是变化的，但通常 取各级荷载下计算模量的平均值。
P
U
岩体变形测试技术、变形特性及参数取值

岩体变形试验——承压板试验 试验曲线类型及特征
c.
下凹型：软岩或断层带及岩体质量较差的岩体，同样按实际 荷载取各点的模量时是变化的，一般按与实际的荷载（或地 应力）相当的点进行取值。

岩体变形试验——承压板试验 试验曲线类型及特征
e.
折尾型：试验所在平硐开挖后有应力集中（残余应力）或有 硬壳层。若要真实反映“原位岩体”的模量，则应将 σ0→0， 即以σ0点作为0点进行计算。
P
P0
U
岩体变形测试技术、变形特性及参数取值

岩体变形试验——承压板试验 变形模量或弹性模量的计算公式
三、软弱夹层

基本定义：软弱夹层（尤其是泥化夹层）是岩体中非常软弱 的结构面，是坝基岩体、边坡岩体和洞室围岩稳定性的制约
因素。一般软弱夹层的强度和变形参数：
a. b. c.
摩擦系数f<0.5；饱和抗压强度Rb≤10MPa；变形模量E0 ≤1000MPa 软弱夹层的分类 按成因分类：参照P127的表4-5。 按夹层的物质组成分类：长委会建议的分类 软岩夹层 碎块夹层 碎屑夹层
岩体变形测试技术、变形特性及参数取值

岩体变形试验——承压板试验 压力～变形曲线与应力～应变关系
岩体变形测试技术、变形特性及参数取值

岩体变形试验——承压板试验 试验曲线类型及特征
a.
直线型：坚硬岩体或碎裂岩体，比较均匀，E0=Ee，各级荷载 下进行计算均可以。
P
U
岩体变形测试技术、变形特性及参数取值

块体结构：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， 原生节理发育的火山岩体等。 层状结构：代表一组连续性好，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 据不均一程度划分出软硬相间的互层状结构。 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。 另外按岩体的改变程度可划分为完整的、块裂化或板 裂化，碎裂化、散体化的等四个等级。
W0 Ee
1 2 p d 1 2 p d
4We



4W0

式中：E0（ Ee ）-岩体变形模量（弹性模量）； W0（ We ）-岩体的总 变形（弹性变形）； p-按承压板单位面积计算的压力；d-承压板的 直径；u-泊松比。 岩体类型 岩体分类 泊松比u 坚硬岩体 I、II 0.24-0.26 中硬岩体 III 0.27-0.9 软岩 IV 0.30-0.31 断层带 V 0.32-0.33