岩体力学04工程岩体分类资料
岩体力学第四章刘佑荣
三、岩体变形曲线类型及其特性
1、法向变形曲线
直线型 上凹形 上凸性 复合型
直 通过原点的直线，其方程为p=f(W)=KW
线 加压过程中W随p成正比增加
型
岩体岩性均今、结构面不发育或结构面分布均匀
陡
岩体刚度大，不易变形，岩体较坚硬、完整
直
、致密均匀、少裂隙，以弹性变形为主，接
线
近于均质弹性体。
型
岩体刚度低、易变形，由多组结构面切割且
· 在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。 一、岩体变形试验及其变形参数确定 二、岩体变形参数估算 三、岩体变形曲线类型及其特征上 四、影响岩体变形性质的因素3
静力法的基本原理:在选定的岩体表面、槽壁或钻 孔壁面上施加法向荷载,并测定其岩体的变形值;然 后绘制出压力-变形关系曲线，计算出岩体的变形 参数。
第i组结构面的断面平均流速矢量为
mj为水力梯度矢量J在第i组结构面上的单位矢量。 联立得
设裂隙面法线方向的单位矢量为ni，则
令ni的方向余弦a1i，a2i，a3i，并将4-61代入4-60得岩体得渗透张量
岩石渗透系数测试
压水实验
应力对岩体渗透性能的影响
片麻岩的渗透系数和与应力关系试验
孔隙水压力的变化，明显的改变了结构面 的张开度，以及流速和流体压力在结构面 中的分布
渗透水流所产生的力学性能
渗流对岩体的作用
水对岩体的物理化学作用
水对岩体的物理化学作用
（1）软化和泥化作用 （2）润滑作用 （3）溶蚀作用 （4）水化，水解作用
渗透水流所产生的力学效应
渗透应力 地下水的存在首先是减少了作用在岩体固相上的有效应力，从而降低了岩体的抗 剪强度 ，即
空隙水u增大，岩体的抗剪强度不断降低，如果u很大会出现
工程岩体分级标准 (四)
3岩体基本质量的分级因素3.1分级因素及其确定方法3.1.1岩体基本质量应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。
3.1.2岩石坚硬程度和岩体完整程度，应采用定性划分和定量指标两种方法确定。
3.2.1岩石坚硬程度，应按表3.2.1进行定性划分。
岩石坚硬程度的定性划分表3.2.1工程岩体分级标准（三）3.2.2岩石坚硬程度定性划分时，其风化程度应按表3.2.2确定。
岩石风化程度的划分表3.2.23.3 岩体完整程度的定性划分3.3.1 岩体完整程度，应按表3.3.1进行定性划分。
岩体完整程度的定性划分表3.3.1注：平均间距指主要结构面（1～2组）间距的平均值。
3.3.2 结构面的结合程度，应根据结构面特征，按表3.3.2 确定。
结构面结合程度的划分表3.3.23.4定量指标的确定和划分3.4.1岩石坚硬程度的定量指标，应采用岩石单轴饱和抗压强度（R C）。
R C应采用实用测值。
当无条件取得实测值时，也可采用实测的岩石点荷载强度指数（IS（50））的算值，并按下式换算：RC＝22.82I（3.4.1）3.4.2岩石单轴饱和抗压强度（R C）与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系，可按表3.4.2表确定。
R C与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系表3.4.23.4.3 岩体完整程度的定量指标，应采用岩体完整性指数（K v）。
K v应采用实测值。
当无条件取得实测值时，也可用岩体体积节理数（Jv ），按表3.4.3确定对应的Kv值。
J v与K v对照表表3.4.33.4.4岩体完整性指数（K v）与定性划分的岩体完整程度的对应关系，可按表3.4.4确定。
K v与定性划分的岩体完整程度的对应关系表3.4.43.4.5 定量指标K v、J v的测试，应符合本标准附录A的规定。
工程岩体分级标准（四）4岩体基本质量分级4.1基本质量级别的确定4.1.1岩体基本质量分级，应根据岩体基本质量的定性特征和岩体基本质量指标（BQ）两者相结合，按表4.1.1确定。
工程岩体的分类
>60 坚硬岩
60~30 较坚硬岩
30~15 较软岩
15~5 软岩
<5 极软岩
18
Rc≥60坚硬岩, Rc<5极软岩,与表5-1 Rc=160~100
有区别
2．岩体完整性指标Kv[>0.75～0.15]
V 2 pm Kv 2 V pr
m-mass r-rock
Vpm—岩体弹性纵波速度（km/s）
原则的、大致的分类，未针对专门的工程领域， 供各学科领域各部门安通用分类：
专为某项工程目的服务的分类，考虑因素少一些， 深入、细致。
5
二、工程岩体分类原则
（1）确定种类。
（2）定量—便于使用。
（3）级数适合—一般五级。
（ 4 ）分类方法和计算步骤应简单明了，便于记忆应 用。 （ 5 ）因素要独立 — 基本因素：结构面、岩块质量 （力学特性）、风化、水、地应力、工程施工条件和规 模。 （6）指标应是综合的。
完整性分5类
表5-17
Kv 完整程度
完整~极破碎
Kp与定性划分的岩体完整程度的对应关系
>0753 完 整 0.75~0.55 较完整 0.55~0.35 较破碎 0.35~0.15 破 碎 <0.15 极破碎
2019/1/5
20
（二）岩体基本质量分级
1．岩体基本质量指标（BQ）
BQ 90 3R c 250Kv
>0.22
2
37~29
0.22~0.12
3
29~19
0.12~E0.08
4
19~13
0.08~0.05
5 2019/1/5
软坚硬岩及全部软质岩，结合很差； 软质岩泥化层本身
岩体力学——精选推荐
一、绪论1、工程岩体力学研究的根本目的和任务。
根本目的：评价和研究岩体的稳定性。
任务：研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体的变形和稳定性。
2、工程力学的研究内容：（1）岩块、岩体的地质特征；（2）岩石的物理、水理及热学特性；（3）岩块的力学性质；（4）结构面的力学性质；（5）岩体的力学性质；（6）岩体的天然应力分布规律；（7）岩体工程问题：地基、边坡、洞室岩体；（8）岩体性质改善与加固。
3、岩体力学的研究方法：（1）工程地质方法：研究岩块、岩体的地质与结构特征，为岩体力学研究提供地质资料和地质模型。
分为：a、岩矿鉴定：了解岩石的岩性、矿物成分及结构构造及成因环境。
b、地层、构造：了解岩体的地质成因、空间分布及各种结构面的发育情况，分析岩体构造变形及应力状态。
c、赋水特性：了解岩体中水分的形成、赋存与运移规律。
（2）物理实验方法：提供岩体的物理力学参数；评价岩体的变形和稳定性；岩石力学的变形与强度的机制。
分为：室内岩石物理力学试验；原位岩体力学试验、监测；天然应力测量；工程岩体物理模型试验。
（3）数学力学分析方法：建立岩体力学模型，采用适当的分析方法预测岩体在不同力场作用下的变形与稳定性。
分为：a、力学模型：本构关系、强度准则刚体力学；弹性力学；弹塑性力学；断裂力学；损伤力学；流变力学等b、分析方法：块体极限平衡法；数值模拟法等系统论；信息论；人工智能专家系统；灰色系统等二、岩块和岩体的地质特征1、岩石：由具有一定结构构造的矿物集合体组成。
2、岩块：由地质作用形成的，具有一定的岩矿组合和较强的连接强度、不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小单元。
3、结构面：地质历史发展过程中，在地质体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面。
包括：物质分异面和不连续面。
软弱结构面：在结构面中，那些规模较大、强度低、易变形的结构面称为软弱结构面。
4、岩体：在地质历史过程中形成的、由岩石块体和结构面网络组成的、具有一定的岩石成分和结构，并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。
第四章岩体的基本力学性质
结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的产状、形 态、延展尺度、发育程度、密集程度。 结构面的产状：结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控 制作用。 结构面的形态：结构面的形态决定结构面抗滑力的大小，当结构 面的起伏程度较大，粗糙度高时，其抗滑力就大。 结构面的延展尺度：在工程岩体范围内，延展尺度大的结构面， 完全控制岩体的强度。 结构面的密集程度：以岩体的裂隙度和切割度表征岩体结构面的 密集程度。
又A=h2，节理面的法向弹性变形量δ0=2δ，代入Boussnisq解，得 接触面为方形时，m=0.95，μ≅0.25，则上式变为
（二）节理的闭合变形 含啮合变形（配称实验）和压碎变形（非配称实验）。 下面介绍Goodman方法：
（1）结构面闭合试验（VmC的确定） 步骤： 1）备制试件； 2）作ζ-ε曲线（a）； 3）将试件切开，并配 称接触再作曲线（b）； 4）非配称接触，作曲线（c）; 5）两种节理的可压缩性法向 Nhomakorabea切向
（1）有n个点接触,每个接触 面边长为h
（2）每个接触面受力相同
（3）每个接触面力学特性 相同
2、计算公式 半无限体上作用一个集中力的布辛涅斯克（Boussnisq）解
δ－变形量；Q－荷载；A－荷载作用面积；E、μ－弹性模量、泊 松比；m－与荷载面积形状因素有关的系数，方形面积m=0.95 设节理面的边长为d，作用于节理面上的应力为ζ，则作用 在每一个接触面上的荷载
统计结构面 实测结构面
V 级结构面--细小的结构面
• Ⅰ级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳 定性，直接影响工程岩体稳定性；
• Ⅱ级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。 • Ⅲ级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较 好的层面及层间错动等。 Ⅱ、Ⅲ级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件 和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面 ，直接威胁工程安全稳定性
岩体的组成及工程地质特征
岩体的组成及工程地质特征一、岩体的概念岩体：可能由一种或多种岩石组合，且在形成现实岩体的过程中经受了构造变动、风化作用、卸荷作用等各种内力和外力地质作用的破坏及改造。
工程岩体的分类为：地基岩体、边坡岩体、地下工程围岩。
二、岩体的结构岩体是由岩块或土构成的，岩体的性质取决于岩石或土和结构面的性质。
岩体的结构面结构面的特征是影响结构面强度及其他性能的重要因素。
结构面的产状由走向、倾向和倾角三个要素。
岩体的地质构造（1）地质构造的几种类型（1）不利情况 （2）最不利情况（3）有利情况（岩层走向与边坡垂直） （4）有利情况（岩层倾向与边坡相反）（2）断裂构造①裂隙发育程度分级及对工程的影响①裂隙的分类③断层的组成及类型三、岩体结构特征1.岩体结构类型四、岩体的力学特性（一）岩体的变形特征岩体的变形通常包括结构面变形和结构体变形两个部分。
设计人员所关心的主要是岩体的变形特性。
岩体变形参数是由变形模量或弹性模量来反映的。
不同岩体具有不同的流变特性。
一般有蠕变和松弛两种表现形式。
试验和工程实践表明，岩石和岩体均具有流变性。
特别是软弱岩石、软弱夹层、碎裂及散体结构岩体，其变形的时间效应明显，蠕变特征显著。
（二）岩体的强度性质由于岩体是由结构面和各种形状岩石块体组成的，所以，其强度同时受二者性质的控制。
如当岩体中结构面不发育，呈完整结构时，岩石的强度可视为岩体强度。
如果岩体沿某一结构面产生整体滑动时，则岩体强度完全受结构面强度控制。
四、岩体的工程地质性质结构面的工程地质性质对岩体影响较大的结构面的物理力学性质，主要是结构面的产状、延续性和抗剪强度。
延伸长度为5-10m的平直结构面，对地下工程围岩的稳定就有很大的影响，对边坡的稳定影响一般不大。
结构面的规模是结构面影响工程建设的重要性质。
结构面的规模分为I-V级：①级指大断层或区域性断层，控制工程建设地区的稳定性，直接影响工程岩体稳定性。
Ⅱ、Ⅱ级结构面往往是对工程岩体力学和对岩体破坏方式有控制意义的边界条件，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性。
4岩体的工程地质性质
天然密度 干密度ρd 含水量w（％） 重度γ（kN/m3） ：单位体积岩石受到的重力，与密度ρ的关 系为
4.2.1岩石的主要物理性质
2)
相对密度（比重）Gs 干试样质量m（g）与4℃时同体积纯水质量（岩石固体体积与 水的密度之积）的比值
4.2.1岩石的主要水理性质
3)
孔隙度（孔隙率）n 试样中孔隙（包括微裂隙）的体积Vv（cm3）与试样总体积V （cm3）的百分比 V n v V 孔隙比e
岩体完整程度与岩体结构类型的定性划分(《工程岩体分级标准》）
岩体完 结构面发育程度 主要结构面的结合 主要结构面类 岩体结构类型 型 整程度 组数 平均间距/m 程度 完整 1～2 >1.0 结合好或结合一般 节理、裂隙、 整体状或巨厚 层面 层状结构 较完整 1～2 >1.0 结合差 节理、裂隙、 块状或厚层状 层面 结构 结合好或结合一般 块状结构 2～3 1.0～0.4 节理、裂隙、裂隙块状或中 较破碎 2～3 1.0～0.4 结合差 层面、小断层 厚层状结构 结合好 镶嵌碎裂结构 ≥3 0.4～0.2 结合一般 中、薄层状结 构 破碎 ≥3 结合差 各种类型结构 裂隙块状结构 0.4～0.2 结合一般或结合差 面 碎裂状结构 ≤0.2 极破碎 无序 结合很差 散体结构
外动力成因型结构面（表生结构面）：如卸荷裂隙（长江链子
崖危岩体）、泥化夹层及表生夹泥。
结构面的特征
1978年ISRM实验室和野外试验标准委员会制定的《岩体不连 续面定量描述的建议方法》
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
岩体力学与岩体工程(四)(新版)
（四）其他强度实验与测试单轴压缩和三轴压缩实验是研究岩石强度的两种最容易的实验主意。
除此之外，还可以采用其他主意研究岩石的强度，比如单轴拉伸实验、劈裂实验、斜面剪切实验、直剪实验等。
1．岩石抗拉强度的测试岩石能够抵御拉应力的最大能力叫抗拉强度。
与单轴抗压强度相对应的是单轴抗拉强度，即岩石在单向拉应力作用下的极限强度。
单轴抗拉强度必须通过单轴抗拉实验获得。
然而，因为岩石为脆性材料，不能直接在实验机上举行拉伸，所以，实验时普通用粘结剂在试件端部分离粘结一个与试件直径相等的金属垫块（见图19-27）后再举行拉伸。
岩石的单轴抗拉强度为(19-44)——岩石的单轴抗拉强度;d式中：σt——试件被拉断时的荷载；PmaxA--试件的截面面积。
上述实验中试件的制作十分复杂，所以人们往往通过间接主意获得岩石的抗拉强度。
劈裂实验（或称巴西实验）是最常用的实验，这是一种沿着圆饼状试件径向加载，使之劈裂，以求得抗拉强度的主意。
因其容易易行，在国内外被广泛采用。
加载方式如图19-28所示，在压力作用下，试件将沿着加载方向发生劈裂，岩石的抗拉强度可通过下式计算(19-45)式中：D、l一分离为试件的直径和厚度；——劈裂时的最大荷载。
Pmax劈裂实验获得的抗拉强度并不是岩石的单轴抗拉强度，这是因为在劈裂实验时，试件内部的应力状态并单向应力状态。
破碎面上的应力状态属于拉一压应力（见图19-29），因为岩石的抗拉强度远小于它的抗压强度，所以，在被压坏之前，试件首先被拉坏。
即试件的破坏是在压应力作用下的拉裂破坏。
2．剪切实验这种类型的实验是为了决定岩石的剪切强度。
岩石的剪切强度是指岩石在一定的应力条件下（主要指压应力）所能抵御的最大剪应力。
目前常用的主要包括斜面剪切实验、直剪实验等。
因为斜面座的角度调节范围有限，所以这种实验有很大的局限性。
直剪实验是决定岩石剪切强度的最容易主意，但也有显然的缺点，主要是破坏面上的应力不匀称，岩石的破坏机理不十分清晰。
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K1 ＞450 0
地 淋雨状或涌流状出水，水压≤0.1MPa
下
或单位水量＜10L／min
0.1
水
状
态
淋雨状或涌流状出水，水压＞
0.2
0.1MPa或单位水量＞10L／min
450~350 0.1
350~250 0.2~0.3
＜25 0.4~0.6
0.2~0.3
0.4~0.6
0.7~0.9
0.6~0.3 <0.40
以III、IV 级为 主
以III、IV 级显 著
刚性结构面柔 性结构面
柔性结构面
0.3~0.5 0.3~0.4
>300 300~100
III1
镶嵌结构
<50
<0.36
IV、V 级密集
刚性结构面碎 裂结构面
0.4~0.6
>600
碎裂结
III
构
III2
层状碎裂结 构
<50(骨架 岩层中较
一、按岩体结构类型分类
中国科学院地质研究所谷德振教授等提出。特点是考虑到各类 结构面的地质成因，突出岩体的工程地质特性。分类将岩体结 构划分为整体块状、层状、碎裂状、散体状四种类型。前三类 又进一步划分亚类。
岩体结构类型
类
亚类
代号 名称
代号
名称
I1
I
整体块 状结构
I2
整体结构 块状结构
岩体完整性
结构面间 完整性系
•岩石的坚硬程度按岩石的饱和单轴抗压强度：
岩石饱和单轴抗压强度 σcw(MPa)
＞60
60~30
30~15
15~5
坚硬程度
坚硬岩 较坚硬岩 较软岩
软岩
•岩石的完整程度按完整性系数：
岩体完整性系 数Kv
＞0.75
0.75~0.55
完整程度
完整
较完整
0.55~0.35 较破碎
0.35~0.15 破碎
完整性系数Kv=岩体纵波波速与岩块纵波波速之比的平方。通常根据声波测试确定。
大)
<0.40
II、III、IV级 均发育
泥化结构面
0.2~0.6
<300,骨 架岩层在 300上下
III3
碎裂结构
<50
<0.30
碎裂结构面 0.16~0.40 <300
IV
散体结构
<0.20
节理密集呈无序 状分布，表现为 泥包块或块夹泥
<0.20
无实际意 义
注：岩体完整性系数I=(vm/vr)2，vm为岩体纵波速度，vr为岩石纵波速度；f为岩体中起控制作用的结构面的摩擦系数f=tanw
BQ
天然应力状 态
极高应力 区
高应力区
＞550 1.0 0.5
K3 550~450
450~350
350~250
1.0
1.0~1.5 1.0~1.5
0.5
0.5
0.5~1.0
＜250 1.0
0.5~1.0
根据修正值的［BQ］进行重新分级（按前表）并确定各级岩体的物理力学 参数和围岩自稳能力（下表）。
第四章 工程岩体分类
方法：通过岩体的一些简单和容易实测的 指标，把工程地质条件和岩体力学性质参 数联系起来，并借鉴已建工程设计、施工 和处理等方面成功与失败的经验教训，对 岩体进行归类的一种工作方法。
目的：通过分类，概括地反映各类工程岩 体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学 问题。为工程设计、支护衬砌、建筑物选 型和施工方法选择等提供参数和依据。
0.4~0.6
0.7~0.9
1.0
主要软弱结构面产状影响修正系数(K2)表
结构面产状及其 结构面走向与洞轴线夹
与洞轴线的组合 角α＜30°，倾角β＝
关系
30°~75°
结构面走向与洞轴线 夹角α＞60°，倾角β
＞75°
K2
0.4~0.5
0~0.2
其他组合 0.2~0.4
天然应力影响修正系数(K3)表
＞550
Ⅱ 坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整
550~451
Ⅲ
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
450~351
Ⅳ
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
350~251
Ⅴ
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
＞33 33~20 20~6 6~1.3 ＜1.3
距/cm
数I
>100
>0.75
100~50 0.75~0.35
主要结构面及其抗剪特性
主要结构
级别
类型
面摩擦系
数f
存在IV,V
刚性结构面
>0.60
以IV、V 级为 主
刚性结构面局 部为碎裂结构
面
0.4~0.6
岩块湿抗 压强度
/kPa
>600
>300,一 般>600
II
层状结 构
II1 II2
层状结构 50~30 薄层状结构 <30
二、岩体质量分级（《工程岩体分级标准》GB50218-94）
•两级分类： •首先，按岩体基本质量指标BQ进行初步 分级——岩体基本质量分级 •然后，根据天然应力、地下水和结构面 方位等对BQ进行修正，按修正后的［BQ］ 进行详细分级——岩体稳定性分级
5/26/2020
4
（1）岩体基本质量分级
•岩体基本质量取决于岩石的坚硬程度和岩体的完整程度。
σcw——岩石饱和单轴抗压强度； Kv——岩体完整性系数。
•使用时应注意：
当σcw＞90Kv＋30时，令σcw＝90Kv＋30 当Kv＞0.04σcw＋0.4时，令Kv＝0.04σcw＋0.4
按BQ值和岩体质量的定性特征将岩体划分为5级：
基本质 量级别
岩体质量的定性特征
Ⅰ 坚硬岩，岩体完整
岩体基本质 量指标(BQ)
级 密度
别
ρ(g/cm 3)
抗剪强度 φ(°) C(MPa)
变形模 量
E(GPa)
泊松比 μ
围岩自稳能力
Ⅰ ＞2.65 Ⅱ ＞2.65 Ⅲ 2.65~
2.45 Ⅳ 2.45~
2.25 Ⅴ ＜2.25
＞60 60~50 50~39 39~27 ＜27
＞2.1 2.1~1.5 1.5~0.7 0.7~0.2 ＜0.2
•岩石的完整程度也可按结构面系数：
Jv(条/m3)
＜3
3~10
Kv
＞0.75
0.75~0.55
结构面系数Jv=单位体积岩体中结构面的条数。
10~20 0.55~0.35
20~35 0.35~0.15
＜5 极软岩
＜0.15 极破碎
＞35 ＜0.15
•岩体基本质量分级指标BQ BQ=90+3σcw +250 Kv
＜250
（2）岩体稳定性分级
当地下洞室围岩处于高天然应力区或围岩中有不利于岩体稳定的软弱结 构面和地下水时，岩体BQ值应进行修正，修正值［BQ］按下式计算：
［BQ］＝BQ－100(K1＋K2＋K3)
K1-地下水影响修正系数； K2-主要软弱面产状影响修正系数； K3-天然应力影响修正系数。
地下水影响修正系数(K1)表