第四章 岩体工程地质性质

第四章岩体的工程地质性质及岩体工程分类§1 岩体的基本概念及研究意义岩体：(rock mass)通常指地质体中与工程建设有关的那一部分岩石，它处于一定的应力状态、被各种结构面所分割。

岩体是岩石结构体与结构面的组合。

岩体的结构特征：岩体中岩石结构体与所包含的不同类型的结构面在空间的分布和组合状况的特征。

结构面：系指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸(或具一定厚度)的地质界面 (或带)，例如岩层层面、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，故又称为不连续面(discontinulties)。

结构面在空间的分布和组合可将岩体切割成不同形状的结构体(如下图)。

岩体的结构特征是在漫长的地质历史发展过程中形成的。

它以特定的建造(如沉积岩建造，火成岩建造和变质岩建造)为其物质基础。

建造确定了岩体的原生结构特征，而岩体所经历的不同时期、不同程度的构造作用改造以及浅、表生作用(epigene—action，如卸荷，风化，地下水作用等，主要出现在地壳浅部或表部岩体中)改造，使岩体结构趋于复杂化。

岩体的结构正是建造与改造两者综合作用的产物。

“岩体”这一术语在工程地质学中广泛出现、并成为一个重要的研究课题，也不过只有二、三十年的历史，但它标志着这门学科的一个极为重要的发展阶段。

在这以前，人们习惯用岩石材料的力学性质来评价岩体稳定性，对岩体中的软弱面在岩体稳定性中的重大意义认识不足。

近百年来世界大坝失事的统计资料表明，在重力坝失事原因中，因软弱面引起坝基失稳而酿成的事故竟占45％以上。

本世纪50年代末和60年代初，世界上又发生两起重大岩体失稳事件，其一是法国的60m高的马尔帕塞(Malpasset)薄拱坝，因左坝头沿片麻岩中的绢云母页岩发生滑动，导致坝体破裂而于1959年(蓄水后5年)失事，这是世界拱坝建筑史上第一次巨大破坏事件，另一起发生在意大科的瓦伊昂(Vajont)水库，这个当时世界上最高(267m)的薄拱坝建成蓄水后，于1963年大坝附近约2亿多m3岩体迅速下滑，填满水库，造成严重事故，全部工程报废。

这两起重大事件在工程地质和岩石力学界引起极大震动，此后对岩体结构特征、岩体的力学属性，岩体的变形破坏机制与过程的研究愈来愈受到各界的重视。

岩体的结构特征的研究意义：(1)岩体中的结构面是岩体中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。

因而，岩体的结构特征在很大程度上确定了岩体的介质特征和力学属性。

只有掌握岩体的结构特征，才有可能阐明岩体在不同荷载条件下内部的应力分布和分异状况，(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，如图1—1所示，各结构面分别为确定坝肩岩体抗滑稳定性的分割面和滑移控制面。

(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，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。

尤其是那些所处地貌部位和水文地质部位均有利于外营力沿之积极活动的结构面(或带)，是岩体中外营力作用的活跃带，它将成为岩体中强度变化最剧烈的部位，在岩体演变进程中，往往发展为重要的控制面。

总之，对岩体的结构特征的研究，是分析评价岩体稳定性的重要依据。

从工程地质分析的实际需要出发，最为关键的是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。

§2 岩体的结构特征一、岩体结构面类型及特征·概念解释1．层理与层面的概念层理：是沉积岩的原生构造，指沉积岩的成层性。

它是由岩石不同部分的颜色、矿物成分、碎屑（或沉积物颗粒）的特征及结构等所表现出来的差异而引起，是因不同时期沉积作用的性质变化而形成的。

层理中各层纹相互平行者称水平层理，它是在较为安静的介质中沉积的。

层纹相互交错者称为交错层理，它表明沉积时介质处于较强烈的运动状态。

层面：分隔不同性质沉积层的界面。

层面上往往分布着粘土矿物薄层或白云母细片，因而岩石易于沿层面劈开。

层面的形成标志着沉积作用有短暂的停顿或间断。

2．不整合及假整合地层的接触关系：地壳运动自地壳形成以来从未停歇。

由于同一地区在不同地质时期地壳运动的性质不同以及所形成的地质构造不同，就会造成新老地层（或岩石）之间具有不同的相互关系，即接触关系。

地层的接触关系有五种：整合接触、假整合接触、不整全接触、侵入接触、侵入体的沉积接触。

假整合接触：老地层产状一致，其岩石性质与古生物演化突变，沉积作用上有间断，接触处有剥蚀面，剥蚀面与上、下地层平行。

剥蚀面是岩石遭受风化剥蚀的表面，常起伏不平，在其凹入部位常堆积有砾岩，砾石来源于下伏岩石，称底砾岩。

不整合接触：新老地层产状不一致，其岩石性质与古生物演化突变，沉积作用上有间断，新老地层间有广泛的剥蚀面，剥蚀面上常堆积有底砾岩，剥蚀面与上覆地层平行，但披盖在不同的下伏地层之上。

不整合接触表示在老地层形成以后发生过强烈的地壳运动，老地层褶皱隆起并遭受剥蚀，形成剥蚀面。

然后地壳下降并在剥蚀面上接受沉积，形成新地层。

3．软弱夹层：指岩体中那些性质软弱，有一定厚度的软弱结构面或软弱带。

与周围岩体相比，软弱夹层具有高压缩性和低强度的特征。

其中最常见、且危害较大的是泥化夹层。

（教材P74）4．沉积间断面5．侵入体与围岩接触6．片理：变质岩中，岩石中片状或长条状矿物呈连续平行、定向排列，形成平行、密集而不平坦的破裂面——片理面，沿该面岩石易于劈开。

7．节理（X节理、张节理）：断裂是岩石的破裂，是岩石岩石连续性的破坏，当作用力超过岩石的强度时，岩石就要发生断裂。

断裂包括断层及节理两类。

岩石破裂并且沿破裂面两侧的岩块有明显滑动者称为断层，无明显滑动者称为节理。

节理除了因构造运动产生的节理外，还常见到因风化作用或其它外力作用产生的节理，以及因岩浆或溶岩冷凝收缩产生的节理。

大规模的节理可达数百米长，节理裂开的面称为节理面。

8．层间错动9．羽状裂隙10．卸荷裂隙二、结构面特征及其对岩体力学性质的影响1．结构面的产状：· 结构面的产状与最大主应力作用线方向之间的关系控制着岩体的破坏机理，进而控制着岩体的强度。

P71图6-12．结构面的连续性·连续性反映结构面的贯通程度，可用线连续性系数表示。

·线连续性系数：∑∑∑+=b a a K 1P71 图6-23．结构面的密度·密度反映结构面发育的密集程度，可用间距、线密度表示。

线密度（K d ）：结构面法线方向上单位测线长度交切结构面的条数（条/m ）； 间距(d)：同一组结构面法线方向上两相邻结构面之间的平均距离。

4.结构面的形态·结构面的起伏形态：P72图6-3，图6-4“爬坡效应”：结构面的起伏度通过改变岩体的运动方向来增加结构面的剪切强度。

·结构面粗糙系数（JRC ），可以增加结构面的摩擦角，进而提高岩体强度。

5结构面的张开度6．结构面充填胶结特征7．结构面的分级及其特征结构面分级及其特征三、岩体结构的基本类型§3岩体变形破坏的地质力学模式岩石具有剪切破坏和拉断破坏两种主要方式。

但是，不同岩性和结构特征的岩体，在不同的应力状态下，其变形破坏过程则是多种多样的。

根据岩体变形破坏的模拟试验和理论研究，结合大量地质观察资料，可以从岩体变形破坏过程中划分出若干基本单元，并用这些单元的特定组合表征岩体变形机制和演进特征，建立岩体变形破坏的地质力学模式。

基本的变形破裂单元：·拉裂(fracturing)，为拉断破裂，包括以拉应力为主造成的拉裂(tensile cracking)和以压应力为主造成的压致拉裂(compression cracking)。

其力学特征表现为弹性介质模型。

·蠕滑(creep sliding)为剪切变形破坏，包括沿某潜在剪切面的剪切蠕变(creep shearing)、沿原有结构面的滑移(sliding)和介于两者之间的蠕变一滑移，即蠕滑)。

其流变特征一般属粘弹—粘塑性介质模型。

·弯曲(bending)系指弯曲变形，按受力方式可分为横弯曲和纵弯曲，按支撑约束方式可分为简支梁、外伸梁和悬臂梁弯曲等。

其流变特征一般属粘弹—粘塑性介质模型。

·塑流(plastic flowing)系指岩体中的软弱层(带)的压缩和向临空或减压方向的塑性流动，包括岩体中原有软弱层的塑性流动，也包括岩体变形破坏发展中的压碎带或塑性破坏带的塑性流动，其流变特征属粘弹—塑性介质模型。

以上四个变形破裂单元中，后三者具有明显的时间效应，它们决定了岩体变形破坏演化过程中的时间效应特征。

拉裂的产生往往具有突发性，是岩体演变进程中可能引起空隙水压力跃变的重要因素。

对不同荷载条件下岩体变形破坏过程所作分析表明，各变形破裂单元并非单独产生，一种单元的出现总是伴有另外一些单元，并且往往是一对互为因果的单元对岩体变形破坏进程起主导作用，反映了演化过程中内在的力学机制。

因而，据此可将岩体的变形破坏机机制划分为若干基本的地质力学模式(图3-51)。

(1)蠕滑(滑移)—拉裂：可发生在各类岩体中，但以块状，层状和散体状岩体中多见。

表现为一定形状的岩体沿岩体中原有的软弱面或潜在剪切面的蠕滑，并伴有向滑移面方向逐渐收敛的拉裂。

斜坡坡体中的这类变形往往可于变形体的后缘直接观测到拉裂缝，它是判断变形的发生和进展情况的重要标志。

发生在坝基的这类变形，可使坝踵部位岩体拉裂，从而造成防渗帷幕失效。

洞室边墙或顶拱围岩中的这类变形，将增高围岩对支撑的压力。

这类变形的进展主要由蠕滑的发展所控制，一旦使滑移面贯通或剪断潜在剪切面，即发展为剪切破坏。

(2)滑移—压致拉裂；大多发生在块状或层状岩体中，表现为一定形状的岩体沿软弱面的滑移，并伴以起源于滑移面的分枝拉裂面。

这类变形的发展可使岩体碎裂化、散体化，也可因拉裂面与滑移面的交接部位压碎扩容，使两者连成贯通性滑动面而发展为剪切破坏。

(3)弯曲—拉裂；主要发生在层状，尤其是薄层状岩体中。

表现为层状或板状岩体的悬臂梁弯曲、横弯曲和纵弯曲，井伴以层间拉裂。

斜坡岩体中陡立的层状岩体经卸荷回弹并在自重应力作用下发生向临空方向的弯曲，于后缘造成拉裂。

坝基陡立层状岩体在坝体水平剪应力作用下发生弯曲，于坝踵部位产生拉裂，同样可导致防渗帷幕破裂失效。

洞室层状围岩的这类变形可引起顶拱下陷、边墙突出、底板隆起。

变形的进展可使弯曲的层(板)状岩体被折断，导致拉断破坏。

(4)塑流—拉裂：主要见于硬软相间互层状岩体中。

通过下伏软弱层(或破碎带、压碎带等)的塑性流动导致上覆岩体弯折拉裂。