4岩体的力学性质及工程分类
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第四章 岩体的结构特征与主要力学特征-党
岩体结构特征的研究意义
岩体的结构特征是指岩体中结构面和结构体的形状、 规模、性质及其组合关系的特征。 岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定 性的控制面。 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。 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。
力学强度：较原岩大为降低，压缩性大
抗冲刷能力低，易于产生渗透变形
四、岩体的结构类型
表4-6 岩体结构分类表
《水利水电工程 地质勘察规范》， 将岩体结构划分 为：4个大类和 11个亚类，其基 本特征见表4-6。
类型 亚类 整体 整体状结构 块状 块状结构 结构 次块状结构 层状 整体层状结 结构 构 块层状结构 互层状结构 薄层状结构 碎裂 镶嵌碎裂结 结构 构 碎裂结构 散体 碎块状结构 结构 碎屑状结构
软弱夹层
特点
厚度薄
多呈相互平行，延伸长度和宽度不一的多层状
结构松散
岩性、厚度、性状和延伸范围，常有很大变化
力学强度低，与其结构、矿物成分和颗粒组成有关
泥化夹层 特点
成分：粘粒含量明显增多
结构：由固结或超固结变成了泥质散状结构
物理状态：干容重减小,天然含水量增高,接近塑限
具有一定的膨胀性
蠕变：在应力一定的条件下，应变随时间的持续而逐 渐增长的现象。 松弛：在变形保持不变时，应力随时间的增长而逐渐 减小的现象。 试验和工程实践表明，岩石和岩体具有流变性。
2、典型的蠕变曲线
《岩体力学》第六章岩体的力学性质
图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。
岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。
岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。
其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。
第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。
按静力法得到静E ，动力法得到动E 。
⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。
μm—岩体的泊松比。
★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。
岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。
图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。
二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。
两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。
岩土工程分类与分级
• 空隙率( porosity)：岩石中空隙的体积与岩石总体积的比值。
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岩土工程分类与分级
水理性质
•吸水率：常压条件下，岩石吸入水分的质量与干 燥岩石质量之比。
•饱水率：高压或真空条件下，岩石吸入水分的质 量与干燥岩石质量之比。
•饱水系数：岩石的吸水率与饱水率的比值。其值 越大，岩石的抗冻性越差。
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岩土工程分类与分级
变质岩 • 工程性质与其原岩密切相关。
• 动力变质岩的力学强度和抗水性均较差。 • 片理构造使岩石具有各向异性特征。
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岩土工程分类与分级
•二、 岩体及岩体结构
岩石（Rock）: 具一定结构构造的矿物集合体。
岩体（Rock mass）：
包含各种结构面的地质体。岩体的工程性质 首先取决于结构面的性质,其次才是组成岩体的 岩石性质。
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岩土工程分类与分级
力学性质
• 强度指标： 抗压强度(compressive strength)： 岩石单向受压时抵抗破坏的能力。 抗拉强度(tensile strength)：
• 岩石单向受拉时抵抗破坏的能力。 抗剪强度(shear strength)：
• 岩石抵抗剪切破坏的能力。
•强度特性
•最主要是抗剪强度
•c
m
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•
图 7—12 岩体抗剪强度包络线
•1－结构面强度线；2－岩块强度线；3－岩体强度包络线变化范围 岩土工程分类与分级
•四、岩石和岩体的工程分类
1、分类的目的
（1）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编 制定额提供必要的基本依据。 （2）便于施工方法的总结,交流,推广。 （3）为便于行业内技术改革和管理。
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岩土工程分类与分级
水理性质
•吸水率：常压条件下，岩石吸入水分的质量与干 燥岩石质量之比。
•饱水率：高压或真空条件下，岩石吸入水分的质 量与干燥岩石质量之比。
•饱水系数：岩石的吸水率与饱水率的比值。其值 越大，岩石的抗冻性越差。
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岩土工程分类与分级
变质岩 • 工程性质与其原岩密切相关。
• 动力变质岩的力学强度和抗水性均较差。 • 片理构造使岩石具有各向异性特征。
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岩土工程分类与分级
•二、 岩体及岩体结构
岩石（Rock）: 具一定结构构造的矿物集合体。
岩体（Rock mass）：
包含各种结构面的地质体。岩体的工程性质 首先取决于结构面的性质,其次才是组成岩体的 岩石性质。
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岩土工程分类与分级
力学性质
• 强度指标： 抗压强度(compressive strength)： 岩石单向受压时抵抗破坏的能力。 抗拉强度(tensile strength)：
• 岩石单向受拉时抵抗破坏的能力。 抗剪强度(shear strength)：
• 岩石抵抗剪切破坏的能力。
•强度特性
•最主要是抗剪强度
•c
m
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•
图 7—12 岩体抗剪强度包络线
•1－结构面强度线；2－岩块强度线；3－岩体强度包络线变化范围 岩土工程分类与分级
•四、岩石和岩体的工程分类
1、分类的目的
（1）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编 制定额提供必要的基本依据。 （2）便于施工方法的总结,交流,推广。 （3）为便于行业内技术改革和管理。
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
工程岩土学第五章
（据茂木清夫）
但弹性模量与围压的关系随岩石性质（强度） 不同而不同。
a.强度较高的岩石（如辉长岩，白云岩，苏长岩等）， 弹性模量基本为常数，不随围压变化而改变； b.强度较低的弱岩（如砂岩等），弹性模量随围压的 提高而增大。
辉长岩应力差－轴应变曲线
砂岩应力差－轴应变曲线
2.不等围压三轴状态（真三轴状态）
（σ1＞σ2 ＞ σ3 ）
岩石在真三轴状态下的变形特征资料较少，而且 对一些互相矛盾的现象还没有得到统一的解释
3.等压三轴状态（静水压力状态）
（σ1=σ2 = σ3 ） 静水压力状态可看作常规三轴状态的一 种特殊情况。岩石在各向相等的压力作用下 发生体积压缩变形，一般采用体积模量表征 岩石在静水压力下体积变形的特性。
§5.1
概述
一. 岩体的力学性质——岩体在力的作用下
所表现的性质 ①变形性—— 岩体承受力的作用而发生
包括：
变形的性能
②抗破坏性——岩体抵抗力的作用而保持
其自身完整性的性能
注意：1.岩体的变形和破坏不是两个截
然分开的阶段，而是一个统一的、连续的 过程，破坏是累进性的。 2.岩体的力学性质是由结构体（岩石） 和结构面的力学性质共同决定的，二者在岩 体力学性质中各自所占的地位，与岩体的完 整性有关。但当破坏面部分沿已有裂隙，部 分通过完整岩石时，并不能将岩石力学性质 和结构面力学性质按照它们在破坏面中各自 所占的比例简单地进行加权，用以表征岩体 的力学性质。参考《岩石力学》。
σ
B
C
A
0
εa
50 100 150 200
O 0
岩石典型的全应力－应变曲线
并非所有岩石都有以上明显的变形阶段
250 200 150
但弹性模量与围压的关系随岩石性质（强度） 不同而不同。
a.强度较高的岩石（如辉长岩，白云岩，苏长岩等）， 弹性模量基本为常数，不随围压变化而改变； b.强度较低的弱岩（如砂岩等），弹性模量随围压的 提高而增大。
辉长岩应力差－轴应变曲线
砂岩应力差－轴应变曲线
2.不等围压三轴状态（真三轴状态）
（σ1＞σ2 ＞ σ3 ）
岩石在真三轴状态下的变形特征资料较少，而且 对一些互相矛盾的现象还没有得到统一的解释
3.等压三轴状态（静水压力状态）
（σ1=σ2 = σ3 ） 静水压力状态可看作常规三轴状态的一 种特殊情况。岩石在各向相等的压力作用下 发生体积压缩变形，一般采用体积模量表征 岩石在静水压力下体积变形的特性。
§5.1
概述
一. 岩体的力学性质——岩体在力的作用下
所表现的性质 ①变形性—— 岩体承受力的作用而发生
包括：
变形的性能
②抗破坏性——岩体抵抗力的作用而保持
其自身完整性的性能
注意：1.岩体的变形和破坏不是两个截
然分开的阶段，而是一个统一的、连续的 过程，破坏是累进性的。 2.岩体的力学性质是由结构体（岩石） 和结构面的力学性质共同决定的，二者在岩 体力学性质中各自所占的地位，与岩体的完 整性有关。但当破坏面部分沿已有裂隙，部 分通过完整岩石时，并不能将岩石力学性质 和结构面力学性质按照它们在破坏面中各自 所占的比例简单地进行加权，用以表征岩体 的力学性质。参考《岩石力学》。
σ
B
C
A
0
εa
50 100 150 200
O 0
岩石典型的全应力－应变曲线
并非所有岩石都有以上明显的变形阶段
250 200 150
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
岩体的工程地质性质及岩体工程分类
岩体的工程地质性质及岩体工程分类
▪第一节 岩体的结构特征 ▪第二节 岩体的力学性质 ▪第三节 岩体的工程分类
第一节 岩体的结构特征
一、结构面的成因类型
(一)地质成因类型 ❖ 原生结构面 ❖ 构造结构面 ❖ 次生结构面 (二)力学成因类型 ❖ 张性结构面 ❖ 剪性结构面
结 构 面
岩体结构面的类型及其特征
结构面组合关系的分析可用赤平投影、立体投影 和三角几何计算法等进行。
四、结构体特征
• 结构体(structural element)指岩体中被结构面切 割围限的岩石块体。它不同于岩块的概念。
• 结构体的规模取决于结构面的密度，密度愈小，结 构体的规模愈大,与结构面对应,划分为五级。
• 常用块度模数（单位体积内的Ⅳ级结构体数) 或结 构体体积来表示结构体规模。
13(12(tC gjj ct3gt)gsij)n2
（二）结构面的连续性
• 结构面的连续性反映结构面的贯通程度。 • 1、线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各
段长度之和(Σa)与测线长度的比值。
a K1
a b
K1变化在0～1之间，K1值愈大说明结构面的连续性愈
好，当K1＝1时，结构面完全贯通。 2、面连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面面
程度有关 • 结构面的剪切刚度，
随法向应力的增大 而增大，随结构面 的规模增大而降低。
二、岩体变形参数的测定及变形曲线类型
原位岩体 变形试验
静力法 动力法
承压板法 钻孔变形法 狭缝法 水压洞室法 单(双)轴压缩试验法 声波法 地震波法
• 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。
▪第一节 岩体的结构特征 ▪第二节 岩体的力学性质 ▪第三节 岩体的工程分类
第一节 岩体的结构特征
一、结构面的成因类型
(一)地质成因类型 ❖ 原生结构面 ❖ 构造结构面 ❖ 次生结构面 (二)力学成因类型 ❖ 张性结构面 ❖ 剪性结构面
结 构 面
岩体结构面的类型及其特征
结构面组合关系的分析可用赤平投影、立体投影 和三角几何计算法等进行。
四、结构体特征
• 结构体(structural element)指岩体中被结构面切 割围限的岩石块体。它不同于岩块的概念。
• 结构体的规模取决于结构面的密度，密度愈小，结 构体的规模愈大,与结构面对应,划分为五级。
• 常用块度模数（单位体积内的Ⅳ级结构体数) 或结 构体体积来表示结构体规模。
13(12(tC gjj ct3gt)gsij)n2
（二）结构面的连续性
• 结构面的连续性反映结构面的贯通程度。 • 1、线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各
段长度之和(Σa)与测线长度的比值。
a K1
a b
K1变化在0～1之间，K1值愈大说明结构面的连续性愈
好，当K1＝1时，结构面完全贯通。 2、面连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面面
程度有关 • 结构面的剪切刚度，
随法向应力的增大 而增大，随结构面 的规模增大而降低。
二、岩体变形参数的测定及变形曲线类型
原位岩体 变形试验
静力法 动力法
承压板法 钻孔变形法 狭缝法 水压洞室法 单(双)轴压缩试验法 声波法 地震波法
• 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。
岩石力学与工程岩体力学性质
岩石力学与工程岩体力学性质
2021/3/6
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四、结构面对岩体强度的影响
结构面是通过结构面的产状、形态、延展尺度 等几何特征参数和密集度与充填物等状态，来 描述对岩体强度和工程稳定性影响的。
1.结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动 起控制作用。
2.结构面形态决定结构面抗滑力的大小，当结 构面的粗糙度越高，其抗滑力就越大。
3.结构面的延展尺度在工程岩体范围内，延展 尺度大的结构面程岩体力学性质
2021/3/6
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三、岩体破碎程度的指标(补充)
1.裂隙度
（1）定义 裂隙度K是指沿着取样线方向，单位长度上节理 的数量。
（2）计算
1）设某节理取样线长度为L，沿L内出现节理的数 量为n，则 Kn L
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岩石力学与工程岩体力学性质
划分依据 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构特征已消失 原生岩体结构特征已消失
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2）沿取样方向节理的平均间距d为
d 1 L Kn
岩石力学与工程岩体力学性质
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2.切割度
（1）切割度
是指岩体被节理割裂、分离的程度。
（2）计算
1）仅含一个节理面的平直断面，节理面面积 a，平
直断面面积A，其切割度 X e 为
Xe
a A
2）当岩体被完全切割时，Xe 1 ；未被切割时，
级 序 结构类型
划分依据
Ⅰ Ⅰ1 块裂结构 多数软弱结构面切割，块 状结构体
Ⅰ2 板裂结构 一组软弱结构面切割，板 状结构体
第一章岩石的性质及其工程分级
（3）岩块
——从地壳中切取出来的小块体，不包含软弱面（岩体中的地质 遗迹、层理、节理、断层、裂隙面），近似认为各向同性的连续介 质。
第四页，共75页
1.1概述
（4）弱面 ——层理、节理、断面及裂隙面与所研究岩体的岩块比较,具有 强度低、易变形的特点,称为弱面。
岩体与岩块的差异： 岩体的强度小，岩块的强度大； 岩块的各向同性与岩体的各向异性。
• 1.3.2 岩石强度理论 • 1.3.3 岩石的硬度 • 1.3.4 岩石的可钻性与可爆性
第二十二页，共75页
第二十三页，共75页
1.3.1 岩石的变形特征
• 1）岩石的弹性和塑性
•
岩石受力后既可能出现弹性变形，也可能出现塑性变形，
而且弹性变形和塑性变形往往同时出现。
•
岩石的弹性是指在力的作用下，岩石改变形状和体积，
第十一页，共75页
1.2.1 岩石的相对密度和密度
1）相对密度(曾称比重)
岩石的相对密度是指岩石固体实体积(不包括孔隙体积)的质量与同体积 水的质量的比值。
计算公式为：
式中：
G d
VcW
d —岩石的相对密度(无量纲量);
G—绝对干燥时体积为VC的岩石质量，g； VC—岩石固体实体积(不包括孔隙体积) ，cm3； ρW—水的密度，g／cm3。
岩石名称 胀碎系数K
表 1—2 几种岩石的碎胀系数
砂、砾石 1.05~1.2
砂质粘土 1.2~1.25
中硬岩石 1.3~1.5
坚硬岩石 1.5~2.5
第十九页，共75页
1.2.4 岩石的碎胀性
（3）影响碎胀系数大小的因素
岩石的物理性质、破碎后的块度大小及其排列状态。
（4）残余碎胀系数K' —岩石破碎后经过压实的总体积V1 '与原岩破碎前整体状态
——从地壳中切取出来的小块体，不包含软弱面（岩体中的地质 遗迹、层理、节理、断层、裂隙面），近似认为各向同性的连续介 质。
第四页，共75页
1.1概述
（4）弱面 ——层理、节理、断面及裂隙面与所研究岩体的岩块比较,具有 强度低、易变形的特点,称为弱面。
岩体与岩块的差异： 岩体的强度小，岩块的强度大； 岩块的各向同性与岩体的各向异性。
• 1.3.2 岩石强度理论 • 1.3.3 岩石的硬度 • 1.3.4 岩石的可钻性与可爆性
第二十二页，共75页
第二十三页，共75页
1.3.1 岩石的变形特征
• 1）岩石的弹性和塑性
•
岩石受力后既可能出现弹性变形，也可能出现塑性变形，
而且弹性变形和塑性变形往往同时出现。
•
岩石的弹性是指在力的作用下，岩石改变形状和体积，
第十一页，共75页
1.2.1 岩石的相对密度和密度
1）相对密度(曾称比重)
岩石的相对密度是指岩石固体实体积(不包括孔隙体积)的质量与同体积 水的质量的比值。
计算公式为：
式中：
G d
VcW
d —岩石的相对密度(无量纲量);
G—绝对干燥时体积为VC的岩石质量，g； VC—岩石固体实体积(不包括孔隙体积) ，cm3； ρW—水的密度，g／cm3。
岩石名称 胀碎系数K
表 1—2 几种岩石的碎胀系数
砂、砾石 1.05~1.2
砂质粘土 1.2~1.25
中硬岩石 1.3~1.5
坚硬岩石 1.5~2.5
第十九页，共75页
1.2.4 岩石的碎胀性
（3）影响碎胀系数大小的因素
岩石的物理性质、破碎后的块度大小及其排列状态。
（4）残余碎胀系数K' —岩石破碎后经过压实的总体积V1 '与原岩破碎前整体状态
4岩石的工程地质性质a
抗风化能力 抗化学风化的能力，主要取决于其成分
造岩矿物在地表风化条件下的化学稳定性
相对稳定性 很稳定的
较稳定的 不太稳定的 不稳定的
造岩矿物
石英 粘土矿物、白云母、正长石、酸性斜长石 角闪石、辉石、方解石、白云石 黑云母、橄榄石、基性斜长石
石英及粘土矿物为是沉积岩的主要组成， 抗风化能力强；
岩浆岩，大部分为不稳定的硅酸盐矿物。
b. 水理性质: 透水性和抗水性(软化性、溶解性)
透水性：主要决定于岩石岩体的空隙性
岩石本身具有原生的空隙：如具气孔构造 的岩浆岩（以玄武岩为代表），某些碎屑 沉积岩（如接触式胶结的砂岩）。 岩体中的原生及次生缝隙：玄武岩的原生 柱状裂隙，沉积岩的原生层间裂隙；地壳 运动在任何岩体中形成的构造裂隙。
泥质岩 粘土矿物高岭石等 化学岩 方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2) 、 SiO2、NaCl、KCl、石膏(CaSO4· 2H2O )
沉积岩的力学性质、水理性质差异很大，
抗风化能通常都较强
碎屑岩 工程地质性质一般较好，但其胶结物的 成分对其强度影响显著： 硅质胶结者强度较高、抗风能力强、透 水性低、抗水性好，钙质胶结的次之， 泥质胶结的最差。 火山碎屑岩中的凝灰岩，强度低，为软 弱岩；遇水软化明显。
沉积岩都具有层理构造： 沉积岩岩体的力学性质，具各向异性。 层理面，往往是力学薄弱面和透水界面。
(三) 变质岩的工程地质性质 变质岩的工程地质性质与其原岩密切相关。 原岩为岩浆岩的变质岩与岩浆岩相近 （花岗片麻岩－－－花岗岩） 原岩为沉积岩的变质岩与沉积岩相近
（板岩、千枚岩、片岩－－－泥质岩， 石英岩－－－硅质胶结的石英砂岩， 大理岩－－－石灰岩）。
抗水性(软化性)，用软化系数衡量：
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面
岩体的破坏机制也受控于岩体结构： 结构控制有：岩体破坏难易程度、岩体破坏的规模、岩 体破坏的过程及岩体破坏的主要方式等。
岩体破坏机制受岩体结构控制
整块体结构岩 体
①张破裂 ②剪破坏
块状结构岩 体
结构体沿结 构面滑动
碎裂状结构岩体
①结构体张破裂
②结构体
剪破裂
③结构体流动变形 ④结构体沿
结构面滑动
⑤结构体转动
现场无法施加垂直荷载的情况下采用单千斤顶法。
Q sin
F
Q
Q cos
F
3、现场三轴强度试验
试件尺寸：2.8m×1.4m×2.8m,一般 h>2a,矩形截面. 加压装置：千斤顶，应力枕。
4.3.3 岩体强度估算
1、准岩体强度
完整性系数K： K (V岩体 )2 V岩石
式中：V岩体、 V岩石分别为弹性波在岩体和岩石中传播的纵波速度。 准岩体抗压强度: σcm=Kσc 准岩体抗拉强度: σtm=Kσt 式中：σc 、σt为岩石试件的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。
岩体结构
整体结构 块状结构 层状结构 碎裂结构
散体结构
岩体结构控制论
工程实践表明，岩体的应力传播、变形破坏以 及岩体力学介质属性无不受控于岩体结构。岩体结 构对工程岩体控制作用主要表现在三方面：
岩体的应力传播特征 岩体的变形与破坏特征
工程岩体的稳定性
岩体变形与连续介质变形明显不同，发育于岩体中的 结构面，是抵抗外力的薄弱环节。软弱结构面是岩体变形 破坏的重要控制因素或边界。
c
P A
式中:P—试件破坏时的作用力，N; A—试件横截面面积，m2。
2、岩体抗剪强度现场测定
（1）双千斤顶法
N Q sin
FF
Q cos
F
式中： σ、τ—试件剪切面上的正应力和剪应力； F—试件剪切面面积； N—法向力； Q—斜向力； α—横向推力与剪切面的夹角，通常为150。
(2) 单千斤顶法
第4章 岩体的力学性质及岩体分类
§4-1 结构面、结构体、岩体
结构面：是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的 地质界面，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、 断层、不整合面等。 结构体：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为结构体 （岩石）。 岩体：结构面和结构体的地质统一体。
一、结构体的大小
②随着外荷加大、循环次数增多， 闭环后移，这是结构面逐级被 压密与啮合，这是结构面逐级 被压密与啮合所致。
③闭环逐渐变窄→演变呈一条线， 这是压密程度越来越高，弹性 后效变小的原因。
④当卸荷至零并持续一定时间后， 有较大回弹变形，这是弹性后 效的表现。
⑤变形模量
E
a b
2 岩体剪切变形特征
①在屈服点前，变形曲线与抗压 变形相似，上凹型。
3 岩体各向异性变形 ①岩体力学性质具有各向异性，
岩体的变形主要它由结构体变形与结构面变形两部分 构成。
块状结构岩体变形主要沿贯通性结构面滑移形成；碎裂 状结构岩体变形则由Ⅲ、Ⅳ级结构面滑移及部分岩块变形 构成；只有完整岩体的变形才受控于组成岩体的岩石变形 特征。
岩体变形机制受岩体结构控制
岩体结构
变形 成分
主要 的
次要 的
侧胀系数
变形系数
控制岩体变
结构体的块度通常指最小结构体的尺寸。在岩 体工程稳定性分析中，结构体的块度决定了岩体 工程围岩的破坏方式，从而决定了支护和加固方 法。在开挖过程中结构体的块度影响施工及临时 支护。
三、结构体的形状
§4-2 岩体的结构
按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩体结构 划分为以下几种基本类型：
②中途卸载有弹性后效现象和不可恢复 残余变形。这是结构面闭合、滑移、 错动造成的。
③完全卸载，再加载形成形式上的“开 环型”曲线，这也是弹性后效造成的。
④峰值强度后，岩体开始破坏，应力下 降较缓慢，仍有残余应力，这是岩体 结构效应。
（2）卸载时荷载不降至零时的应 力－应变曲线
①卸荷不降至零时的循环加载应 力－应变曲线呈“闭环型”。
⑥结构体组
合体倾倒
⑦结构体组合体溃屈
散体状结构岩 体
①剪破坏 ②流动变形
岩体变形破坏方式：
a. 块状及层状结构岩体的 块体滑移； b. 薄层状结构岩体的弯曲 倾倒； c. 碎裂结构岩体的剪切破 坏及塑性变形； d. 松散及破碎结构岩体的 塑性变形
§4-3 岩体的强度
4.3.1 岩体强度特征 岩体的强度取决于结构面的强度和岩石的强度。
1、岩体的抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和岩石 强度包络线之间。
2、岩体强度的各向异性
岩体强度受加载方向与结构面夹角θ的控制，因此，表现出岩
体强度的各向异性。
1
3 0
3
4.3.2 岩体强度的测定（现场测试）
1、岩体单向抗压强度 （1）单向抗压强度σc
试件:边长(0.5～1.5）m，高 度不小于边长的立方块。
形的主要因 素
整体状结构
岩块压缩变形
微结构面错动
小于0.5 结构体压缩及形状
改变
岩石、岩相特征及 Ⅴ级结构面特征
碎裂状结构
结构面滑移变形
结构体及结构面压缩 及结构体性状改变 常大于0.5 压密
开裂的不连续的Ⅲ、 Ⅳ级结构面
块状结构 结构体滑移及压缩变
形 结构体压缩及形状改
变 极微小
沿结构面滑移
贯通的Ⅰ、Ⅱ级结构 面，主要为软弱结构
②屈服点后，某个结构面或结构 体首先剪坏，随之出现一次应 力下降。峰值前可能发现多次 应力升降。升降程度与结构面 或结构体强度有关，岩体越破 碎，应力降反而不明显。
③当应力增加到一定应力水平时， 岩体剪切变形已积累到一定程 度，没剪破的部位以瞬间破坏 方式出现，并伴有一次大的应 力降。
④随后产生稳定滑移
2、霍克－布朗经验判据
1 3
m
c
3
s
2 c
式中:σc——完整岩石单轴抗压强度； σ3——作用在岩石试样上的最小主应力； m，s——为与岩性及结构面情况有关的常数，可查表；
§4-4 岩体的变形特性
1 岩体的单轴和三轴压缩变形特征
（1）岩体应力－应变全过程曲线
①在加载过程，结构面压密与闭合，应 力－应变曲线，呈上凹型。
按规模结构体可分为： I级结构体：由I级结构面切割成的结构体(地质体)。
II级结构体：由I级结构体经II级结构面切割而成的结 构体(山体)。
III级结构体：II级结构体再经III级结构面切割而成的 结构体。
IV级结构体：III级结构体再经IV级结构面切割而成的 结构体（完整岩石或岩块）。
二、结构体的块度
岩体的破坏机制也受控于岩体结构： 结构控制有：岩体破坏难易程度、岩体破坏的规模、岩 体破坏的过程及岩体破坏的主要方式等。
岩体破坏机制受岩体结构控制
整块体结构岩 体
①张破裂 ②剪破坏
块状结构岩 体
结构体沿结 构面滑动
碎裂状结构岩体
①结构体张破裂
②结构体
剪破裂
③结构体流动变形 ④结构体沿
结构面滑动
⑤结构体转动
现场无法施加垂直荷载的情况下采用单千斤顶法。
Q sin
F
Q
Q cos
F
3、现场三轴强度试验
试件尺寸：2.8m×1.4m×2.8m,一般 h>2a,矩形截面. 加压装置：千斤顶，应力枕。
4.3.3 岩体强度估算
1、准岩体强度
完整性系数K： K (V岩体 )2 V岩石
式中：V岩体、 V岩石分别为弹性波在岩体和岩石中传播的纵波速度。 准岩体抗压强度: σcm=Kσc 准岩体抗拉强度: σtm=Kσt 式中：σc 、σt为岩石试件的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。
岩体结构
整体结构 块状结构 层状结构 碎裂结构
散体结构
岩体结构控制论
工程实践表明，岩体的应力传播、变形破坏以 及岩体力学介质属性无不受控于岩体结构。岩体结 构对工程岩体控制作用主要表现在三方面：
岩体的应力传播特征 岩体的变形与破坏特征
工程岩体的稳定性
岩体变形与连续介质变形明显不同，发育于岩体中的 结构面，是抵抗外力的薄弱环节。软弱结构面是岩体变形 破坏的重要控制因素或边界。
c
P A
式中:P—试件破坏时的作用力，N; A—试件横截面面积，m2。
2、岩体抗剪强度现场测定
（1）双千斤顶法
N Q sin
FF
Q cos
F
式中： σ、τ—试件剪切面上的正应力和剪应力； F—试件剪切面面积； N—法向力； Q—斜向力； α—横向推力与剪切面的夹角，通常为150。
(2) 单千斤顶法
第4章 岩体的力学性质及岩体分类
§4-1 结构面、结构体、岩体
结构面：是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的 地质界面，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、 断层、不整合面等。 结构体：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为结构体 （岩石）。 岩体：结构面和结构体的地质统一体。
一、结构体的大小
②随着外荷加大、循环次数增多， 闭环后移，这是结构面逐级被 压密与啮合，这是结构面逐级 被压密与啮合所致。
③闭环逐渐变窄→演变呈一条线， 这是压密程度越来越高，弹性 后效变小的原因。
④当卸荷至零并持续一定时间后， 有较大回弹变形，这是弹性后 效的表现。
⑤变形模量
E
a b
2 岩体剪切变形特征
①在屈服点前，变形曲线与抗压 变形相似，上凹型。
3 岩体各向异性变形 ①岩体力学性质具有各向异性，
岩体的变形主要它由结构体变形与结构面变形两部分 构成。
块状结构岩体变形主要沿贯通性结构面滑移形成；碎裂 状结构岩体变形则由Ⅲ、Ⅳ级结构面滑移及部分岩块变形 构成；只有完整岩体的变形才受控于组成岩体的岩石变形 特征。
岩体变形机制受岩体结构控制
岩体结构
变形 成分
主要 的
次要 的
侧胀系数
变形系数
控制岩体变
结构体的块度通常指最小结构体的尺寸。在岩 体工程稳定性分析中，结构体的块度决定了岩体 工程围岩的破坏方式，从而决定了支护和加固方 法。在开挖过程中结构体的块度影响施工及临时 支护。
三、结构体的形状
§4-2 岩体的结构
按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩体结构 划分为以下几种基本类型：
②中途卸载有弹性后效现象和不可恢复 残余变形。这是结构面闭合、滑移、 错动造成的。
③完全卸载，再加载形成形式上的“开 环型”曲线，这也是弹性后效造成的。
④峰值强度后，岩体开始破坏，应力下 降较缓慢，仍有残余应力，这是岩体 结构效应。
（2）卸载时荷载不降至零时的应 力－应变曲线
①卸荷不降至零时的循环加载应 力－应变曲线呈“闭环型”。
⑥结构体组
合体倾倒
⑦结构体组合体溃屈
散体状结构岩 体
①剪破坏 ②流动变形
岩体变形破坏方式：
a. 块状及层状结构岩体的 块体滑移； b. 薄层状结构岩体的弯曲 倾倒； c. 碎裂结构岩体的剪切破 坏及塑性变形； d. 松散及破碎结构岩体的 塑性变形
§4-3 岩体的强度
4.3.1 岩体强度特征 岩体的强度取决于结构面的强度和岩石的强度。
1、岩体的抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和岩石 强度包络线之间。
2、岩体强度的各向异性
岩体强度受加载方向与结构面夹角θ的控制，因此，表现出岩
体强度的各向异性。
1
3 0
3
4.3.2 岩体强度的测定（现场测试）
1、岩体单向抗压强度 （1）单向抗压强度σc
试件:边长(0.5～1.5）m，高 度不小于边长的立方块。
形的主要因 素
整体状结构
岩块压缩变形
微结构面错动
小于0.5 结构体压缩及形状
改变
岩石、岩相特征及 Ⅴ级结构面特征
碎裂状结构
结构面滑移变形
结构体及结构面压缩 及结构体性状改变 常大于0.5 压密
开裂的不连续的Ⅲ、 Ⅳ级结构面
块状结构 结构体滑移及压缩变
形 结构体压缩及形状改
变 极微小
沿结构面滑移
贯通的Ⅰ、Ⅱ级结构 面，主要为软弱结构
②屈服点后，某个结构面或结构 体首先剪坏，随之出现一次应 力下降。峰值前可能发现多次 应力升降。升降程度与结构面 或结构体强度有关，岩体越破 碎，应力降反而不明显。
③当应力增加到一定应力水平时， 岩体剪切变形已积累到一定程 度，没剪破的部位以瞬间破坏 方式出现，并伴有一次大的应 力降。
④随后产生稳定滑移
2、霍克－布朗经验判据
1 3
m
c
3
s
2 c
式中:σc——完整岩石单轴抗压强度； σ3——作用在岩石试样上的最小主应力； m，s——为与岩性及结构面情况有关的常数，可查表；
§4-4 岩体的变形特性
1 岩体的单轴和三轴压缩变形特征
（1）岩体应力－应变全过程曲线
①在加载过程，结构面压密与闭合，应 力－应变曲线，呈上凹型。
按规模结构体可分为： I级结构体：由I级结构面切割成的结构体(地质体)。
II级结构体：由I级结构体经II级结构面切割而成的结 构体(山体)。
III级结构体：II级结构体再经III级结构面切割而成的 结构体。
IV级结构体：III级结构体再经IV级结构面切割而成的 结构体（完整岩石或岩块）。
二、结构体的块度