課程《巖體力學(xué)》電子教案版

1、巖體力學(xué)電子教案第一章 緒 論 第一節(jié) 巖體力學(xué)與工程實(shí)踐 巖體力學(xué)(rockmass mechanics)是力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，是研究巖體在各種力場(chǎng)作用下變形與破壞規(guī)律的理論及其實(shí)際應(yīng)用的科學(xué)，是一門應(yīng)用型基礎(chǔ)學(xué)科。巖體力學(xué)的研究對(duì)象是各類巖體，而服務(wù)對(duì)象則涉及到許多領(lǐng)域和學(xué)科。如水利水電工程、采礦工程、道路交通工程、國(guó)防工程、海洋工程、重要工廠(如核電站、大型發(fā)電廠及大型鋼鐵廠等)以及地震地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等地學(xué)學(xué)科都應(yīng)用到巖體力學(xué)的理論和方法。但不同的領(lǐng)域和學(xué)科對(duì)巖體力學(xué)的要求和研究重點(diǎn)是不同的。概括起來，可分為三個(gè)方面：為各類建筑工程及采礦工程等服務(wù)的巖體力學(xué)，重點(diǎn)是研究工

2、程活動(dòng)引起的巖體重分布應(yīng)力以及在這種應(yīng)力場(chǎng)作用下工程巖體(如邊坡巖體、地基巖體和地下洞室圍巖等)的變形和穩(wěn)定性。為掘進(jìn)、鉆井及爆破工程服務(wù)的巖體力學(xué)，主要是研究巖石的切割和破碎理論以及巖體動(dòng)力學(xué)特性。為構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、找礦及地震預(yù)報(bào)等服務(wù)的巖體力學(xué)，重點(diǎn)是探索地殼深部巖體的變形與斷裂機(jī)理，為此需研究高溫高壓下巖石的變形與破壞規(guī)律以及與時(shí)間效應(yīng)有關(guān)的流變特征。以上三方面的研究雖各有側(cè)重點(diǎn)，但對(duì)巖石及巖體基本物理力學(xué)性質(zhì)的研究卻是共同的。本書主要是以各類建筑工程和采礦工程為服務(wù)對(duì)象編寫的，因此，也可稱為工程巖體力學(xué)。在巖體表面或其內(nèi)部進(jìn)行任何工程活動(dòng)，都必須符合安全、經(jīng)濟(jì)和正常運(yùn)營(yíng)的原則。以露天采礦邊

3、坡坡角選擇為例，坡角選擇過陡，會(huì)使邊坡不穩(wěn)定，無法正常采礦作業(yè)，坡角選擇過緩，又會(huì)加大其剝采量，增加其采礦成本。然而，要使巖體工程既安全穩(wěn)定又經(jīng)濟(jì)合理，必須通過準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)工程巖體的變形與穩(wěn)定性、正確的工程設(shè)計(jì)和良好的施工質(zhì)量等來保證。其中，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)巖體在各種應(yīng)力場(chǎng)作用下的變形與穩(wěn)定性，進(jìn)而從巖體力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，選擇相對(duì)優(yōu)良的工程場(chǎng)址，防止重大事故，為合理的工程設(shè)計(jì)提供巖體力學(xué)依據(jù)，是工程巖體力學(xué)研究的根本目的和任務(wù)。巖體力學(xué)的發(fā)展是和人類工程實(shí)踐分不開的。起初，由于巖體工程數(shù)量少，規(guī)模也小，人們多憑經(jīng)驗(yàn)來解決工程中遇到的巖體力學(xué)問題。因此，巖體力學(xué)的形成和發(fā)展要比土力學(xué)晚得多。隨著生產(chǎn)力水平及

4、工程建筑事業(yè)的迅速發(fā)展，提出了大量的巖體力學(xué)問題。諸如高壩壩基巖體及拱壩拱座巖體的變形和穩(wěn)定性；大型露天采坑邊坡、庫岸邊坡及船閘、溢洪道等邊坡的穩(wěn)定性；地下洞室圍巖變形及地表塌陷；高層建筑、重型廠房和核電站等地基巖體的變形和穩(wěn)定性；以及巖體性質(zhì)的改善與加固技術(shù)等等。對(duì)這些問題能否做出正確的分析和評(píng)價(jià)，將會(huì)對(duì)工程建設(shè)和生產(chǎn)的安全性與經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生顯著的影響，甚至帶來嚴(yán)重的后果。在人類工程活動(dòng)的歷史中，由于巖體變形和失穩(wěn)釀成事故的例子是很多的。例如，1928年美國(guó)圣弗朗西斯重力壩失事，是由于壩基軟弱，巖層崩解，遭受沖刷和滑動(dòng)引起的；1959年法國(guó)馬爾帕塞薄拱壩潰決，則是由于過高的水壓力使壩基巖體沿著一

5、個(gè)傾斜的軟弱結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)所致；1963年意大利瓦依昂水庫左岸的大滑坡，更是舉世震驚,2.5108m3的滑動(dòng)巖體以28ms的速度下滑，激起250m高的巨大涌浪，溢過壩頂沖向下游，造成2 500多人喪生。類似的例子在國(guó)內(nèi)也不少，例如，1961年湖南拓溪水電站近壩庫岸發(fā)生的滑坡；1980年湖北遠(yuǎn)安鹽池河磷礦的山崩，是由于采礦引起巖體變形，使上部巖體中順坡向節(jié)理被拉開，約1106m3的巖體急速崩落，摧毀了礦務(wù)局和坑口全部建筑物，死亡280人。又如盤古山鎢礦一次大規(guī)模的地壓活動(dòng)引起的塌方就埋掉價(jià)值約200萬元的生產(chǎn)設(shè)備，并造成停產(chǎn)三年。再如，解放前湖南錫礦山北區(qū)洪記礦井大陷落，一次就使200多名礦工喪失了

6、生命，等等。以上重大事故的出現(xiàn)，多是由于對(duì)工程地區(qū)巖體的力學(xué)特性研究不夠，對(duì)巖體的變形和穩(wěn)定性估計(jì)不足引起的。與此相反，假如對(duì)工程巖體的變形和穩(wěn)定問題估計(jì)得過分嚴(yán)重，或者由于研究人員心中無數(shù)，不得不從“安全”角度出發(fā)，在工程設(shè)計(jì)中采用過大的安全系數(shù)，致使工程投資大大增加，工期延長(zhǎng)，造成不應(yīng)有的浪費(fèi)。今天，由于礦產(chǎn)資源勘探開采、能源開發(fā)及地球動(dòng)力學(xué)研究等的需要，工程規(guī)模越來越大，所涉及的巖體力學(xué)問題也越來越復(fù)雜。這對(duì)巖體力學(xué)提出了更高的要求。例如，在水電建設(shè)中，大壩高度達(dá)335m(前蘇聯(lián)的Rogun壩)；地下廠房邊墻高達(dá)6070m，跨度已超過30m；露天采礦邊坡高度可達(dá)300500m，最高可達(dá)1

7、 000m(新西蘭)；地下采礦深度已超過1 000m以上。另外，當(dāng)前世界上正在建設(shè)或已經(jīng)建成的一些超巨型工程，如中國(guó)的三峽水電站(裝機(jī)容量達(dá)17680MW，列世界第一)，英吉利海峽隧道(長(zhǎng)50km)和日本的青函跨海隧道(長(zhǎng)53.85km)等。這些都使巖體力學(xué)面臨許多前所未有的問題和挑戰(zhàn)，急需要發(fā)展和提高巖體力學(xué)理論和方法的研究水平，以適應(yīng)工程實(shí)踐的需要。第二節(jié) 巖體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容和研究方法如前所述，巖體力學(xué)服務(wù)的對(duì)象非常廣泛，它涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域(如水利水電、采礦、能源開發(fā)、交通、國(guó)防和工業(yè)與民用建筑等)及地學(xué)基礎(chǔ)理論研究領(lǐng)域(如地球動(dòng)力學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等)。不同的服務(wù)對(duì)象，對(duì)巖體力學(xué)的要

8、求不盡相同，其研究的內(nèi)容也不同。例如，重力壩和拱壩，對(duì)壩基和拱座巖體不均勻變形和水平位移限制比較嚴(yán)格；而路塹邊坡、露天礦坑邊坡等巖體邊坡，在保證巖體不致產(chǎn)生滑動(dòng)失穩(wěn)的條件下，往往允許發(fā)生一定的變形；許多國(guó)防工程對(duì)巖體動(dòng)態(tài)性能研究要求比較高；而非地震區(qū)的一般工程，卻常常只需要研究巖體的靜態(tài)性能等。巖體力學(xué)的研究對(duì)象，不是一般的人工材料，而是在天然地質(zhì)作用下形成的地質(zhì)體。由于巖體中具有天然應(yīng)力、地下水等，并發(fā)育有各種結(jié)構(gòu)面，所以它不僅具有彈性、脆性、塑性和流變性，而且還具有非線彈性、非連續(xù)性，以及非均質(zhì)和各向異性等特征。對(duì)于這樣一種復(fù)雜的介質(zhì)，不僅研究?jī)?nèi)容非常復(fù)雜，而且其研究方法和手段也應(yīng)與連續(xù)介

9、質(zhì)力學(xué)有所不同。一、研究?jī)?nèi)容由于巖體力學(xué)服務(wù)對(duì)象的廣泛性和研究對(duì)象的復(fù)雜性，決定了巖體力學(xué)研究的內(nèi)容也必然是廣泛而復(fù)雜的。從工程觀點(diǎn)出發(fā)，大致可歸納為如下幾方面的內(nèi)容。(1)巖塊、巖體地質(zhì)特征的研究。巖塊與巖體的許多性質(zhì)，都是在其形成的地質(zhì)歷史過程中形成的。因此，巖塊與巖體地質(zhì)特征的研究是巖體力學(xué)分析的基礎(chǔ)。主要包括：巖石的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征；結(jié)構(gòu)面特征及其對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響；巖體結(jié)構(gòu)及其力學(xué)特征；巖體工程分類。(2)巖石的物理、水理與熱學(xué)性質(zhì)的研究。(3)巖塊的基本力學(xué)性質(zhì)的研究。為了全面了解巖體的力學(xué)性質(zhì)，或者在巖體力學(xué)性質(zhì)接近于巖塊力學(xué)性質(zhì)的條件下，可通過巖塊力學(xué)性質(zhì)的研究，減少或替代

10、原位巖體力學(xué)試驗(yàn)研究。內(nèi)容包括：巖塊在各種力作用下的變形和強(qiáng)度特征以及力學(xué)參數(shù)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)技術(shù)；荷載條件、時(shí)間等對(duì)巖塊變形和強(qiáng)度的影響；巖塊的變形破壞機(jī)理及其破壞判據(jù)。(4)結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的研究。結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)是巖體力學(xué)最重要的研究?jī)?nèi)容。內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)面在法向壓應(yīng)力及剪應(yīng)力作用下的變形特征及其參數(shù)確定；結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度特征及其測(cè)試技術(shù)與方法。(5)巖體力學(xué)性質(zhì)的研究。巖體力學(xué)性質(zhì)是巖體力學(xué)最基本的研究?jī)?nèi)容。內(nèi)容包括：巖體的變形與強(qiáng)度特征及其原位測(cè)試技術(shù)與方法；巖體力學(xué)參數(shù)的弱化處理與經(jīng)驗(yàn)估算；荷載條件、時(shí)間等因素對(duì)巖體變形與強(qiáng)度的影響；巖體中地下水的賦存、運(yùn)移規(guī)律及巖體的水力學(xué)特征。(6)巖體中天

11、然應(yīng)力分布規(guī)律及其量測(cè)的理論與方法的研究。(7)邊坡巖體、地基巖體及地下洞室圍巖等工程巖體的穩(wěn)定性研究。這是巖體力學(xué)實(shí)際應(yīng)用方面的研究，內(nèi)容包括：各類工程巖體中重分布應(yīng)力的大小與分布特征；各類工程巖體在重分布應(yīng)力作用下的變形破壞特征；各類工程巖體的穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)等。(8)巖體性質(zhì)的改善與加固技術(shù)的研究，包括巖體性質(zhì)、結(jié)構(gòu)的改善與加固，地質(zhì)環(huán)境(地下水、地應(yīng)力等)的改良等。(9)各種新技術(shù)、新方法與新理論在巖體力學(xué)中的應(yīng)用研究。(10)工程巖體的模型、模擬試驗(yàn)及原位監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究。模型模擬試驗(yàn)包括數(shù)值模型模擬、物理模型模擬和離心模型模擬試驗(yàn)等，這是解決巖體力學(xué)理論和實(shí)際問題的一種重要手段。而原

12、位監(jiān)測(cè)既可以檢驗(yàn)巖體變形與穩(wěn)定性分析成果的正確與否，同時(shí)也可及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題。以上10個(gè)方面是巖體力學(xué)所要研究的基本內(nèi)容。由于課時(shí)限制，本課程僅討論前七個(gè)方面內(nèi)容的基本原理與方法，其余方面的內(nèi)容可參考有關(guān)文獻(xiàn)。二、研究方法巖體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容決定了在巖體力學(xué)研究中必須采用如下幾種研究方法。(1)工程地質(zhì)研究法。目的是研究巖塊和巖體的地質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征，為巖體力學(xué)的進(jìn)一步研究提供地質(zhì)模型和地質(zhì)資料。如用巖礦鑒定方法，了解巖體的巖石類型、礦物組成及結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征；用地層學(xué)方法、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)方法及工程勘察方法等，了解巖體的成因、空間分布及巖體中各種結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況等；用水文地質(zhì)學(xué)方法了解賦存于巖體中地下水的形成

13、與運(yùn)移規(guī)律，等等。(2)試驗(yàn)法?？茖W(xué)試驗(yàn)是巖體力學(xué)研究中一種非常重要的方法，是巖體力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。包括巖塊力學(xué)性質(zhì)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、巖體力學(xué)性質(zhì)的原位試驗(yàn)、天然應(yīng)力量測(cè)、模型模擬試驗(yàn)及原位巖體監(jiān)測(cè)等方面。其目的主要是為巖體變形和穩(wěn)定性分析計(jì)算提供必要的物理力學(xué)參數(shù)。同時(shí)，還可以用某些試驗(yàn)成果(如模擬試驗(yàn)及原位監(jiān)測(cè)成果等)直接評(píng)價(jià)巖體的變形和穩(wěn)定性，以及探討某些巖體力學(xué)理論問題。因此應(yīng)當(dāng)高度重視并大力開展巖體力學(xué)試驗(yàn)研究。(3)數(shù)學(xué)力學(xué)分析法。數(shù)學(xué)力學(xué)分析是巖體力學(xué)研究中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。它是通過建立巖體力學(xué)模型和利用適當(dāng)?shù)姆治龇椒?，預(yù)測(cè)巖體在各種力場(chǎng)作用下的變形與穩(wěn)定性，為設(shè)計(jì)和施工提供定量依據(jù)。其中

14、建立符合實(shí)際的力學(xué)模型和選擇適當(dāng)?shù)姆治龇椒ㄊ菙?shù)學(xué)力學(xué)分析中的關(guān)鍵。目前常用的力學(xué)模型有：剛體力學(xué)模型、彈性及彈塑性力學(xué)模型、斷裂力學(xué)模型和損傷力學(xué)模型及流變模型等等。常用的分析方法有：塊體極限平衡法，有限元、邊界元和離散元法，模糊聚類和概率分析法等等。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，還出現(xiàn)了用系統(tǒng)論、信息論、人工智能專家系統(tǒng)、灰色系統(tǒng)等新方法來解決巖體力學(xué)問題。(4)綜合分析法。這是巖體力學(xué)研究中極其重要的一套工作方法。由于巖體力學(xué)工作中每一環(huán)節(jié)都是多因素的，且信息量大。因此，必須采用多種方法考慮各種因素(包括工程的、地質(zhì)的及施工的等)進(jìn)行綜合分析和綜合評(píng)價(jià)，才能得出符合實(shí)際情況的正確結(jié)論，而綜合

15、分析判斷是該階段常用的方法。以上幾種方法緊密結(jié)合并且相互促進(jìn)，相輔相成，缺一不可。第三節(jié) 巖體力學(xué)發(fā)展的概況與動(dòng)態(tài)巖體力學(xué)是在巖石力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，因此，目前國(guó)際上仍沿用巖石力學(xué)(rock mechanics)這一名詞。如巖體力學(xué)的國(guó)際組織叫國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(The International Society for Rock Mechanics，簡(jiǎn)稱ISRM)，我國(guó)的國(guó)家組織相應(yīng)地也叫中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)(Chinese Socitey for Rock Mechanics andEngineering，簡(jiǎn)稱CSRME)。但是從所研究的內(nèi)容上講，它實(shí)際上已屬于巖體力學(xué)的范

16、疇了，因此通常意義上的巖石力學(xué)就是巖體力學(xué)。巖體力學(xué)的形成與發(fā)展歷史是從巖石力學(xué)的興起開始的。盡管巖石力學(xué)的誕生之日難以考查，但一般認(rèn)為，巖體力學(xué)形成于20世紀(jì)50年代末，其主要標(biāo)志：是1957年法國(guó)的塔羅勃(JTalobre)所著巖石力學(xué)的出版，以及1962年國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)的成立。巖體力學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)科至今才40余年的歷史，這是很短暫的，但其形成的歷史是漫長(zhǎng)的，這與當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)力水平低，工程建設(shè)數(shù)量少、規(guī)模小有關(guān)。對(duì)于巖體力學(xué)的形成歷史，在此不擬詳細(xì)介紹，這里僅就其形成以后的發(fā)展過程與特點(diǎn)作一簡(jiǎn)要介紹。以使讀者了解巖體力學(xué)的發(fā)展動(dòng)態(tài)。為了考察巖體力學(xué)的發(fā)展，先列舉一些對(duì)巖體力

17、學(xué)形成與發(fā)展有重要影響的事件如下：1951年，在奧地利的薩茨堡(Salzburg)創(chuàng)建了第一個(gè)巖石力學(xué)學(xué)術(shù)組織，叫地質(zhì)力學(xué)研究組(Study Group for Geomechanics)，并形成了獨(dú)具一格的奧地利學(xué)派，其基本觀點(diǎn)是巖體的力學(xué)作用主要取決于巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面及其對(duì)巖體的切割特征。同年，國(guó)際大壩會(huì)議設(shè)立了巖石力學(xué)分會(huì)。1956年，美國(guó)召開了第一次巖石力學(xué)討論會(huì)。1957年，第一本巖石力學(xué)(JTalobre著)專著出版。1959年，法國(guó)馬爾帕塞壩因左壩肩巖體沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑移而潰決，引起了許多巖體力學(xué)工作者的關(guān)注和研究。1962年，在國(guó)際地質(zhì)力學(xué)研究組的基礎(chǔ)上成立了國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(IS

18、RM)，由奧地利巖石力學(xué)家繆勒(LMller)擔(dān)任主席。1963年，意大利瓦依昂水庫左岸巖體大滑坡，吸引了許多巖石力學(xué)工作者的關(guān)注。 1966年，第一屆國(guó)際巖石力學(xué)大會(huì)在葡萄牙的里斯本召開，由葡萄牙巖石力學(xué)家羅哈(MRocha)擔(dān)任主席。以后每4年召開一次大會(huì)，至今已召開了八次。這八次國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議內(nèi)容廣泛，當(dāng)代巖石力學(xué)的主要熱點(diǎn)問題都得到了交流和討論，無疑代表了當(dāng)代國(guó)際巖石力學(xué)的水平。第九屆國(guó)際巖石力學(xué)大會(huì)將于1999年8月在法國(guó)巴黎召開，會(huì)議總的主題為面向未來。屆時(shí)將組織：應(yīng)用巖石力學(xué)，環(huán)境安全與控制；力學(xué)現(xiàn)象與熱學(xué)、流體力學(xué)及化學(xué)現(xiàn)象的耦合；巖石動(dòng)力學(xué)與構(gòu)造物理學(xué)；監(jiān)測(cè)、原位測(cè)試四

19、個(gè)專題的討論。這期間，我國(guó)的巖體(石)力學(xué)研究也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。陸續(xù)建立了中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所、地質(zhì)研究所工程地質(zhì)研究室，長(zhǎng)江科學(xué)院巖基室等科研機(jī)構(gòu)。并在許多高等院校的相關(guān)專業(yè)建立了巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，開設(shè)了巖體(石)力學(xué)課程。圍繞一些重點(diǎn)工程建設(shè)開展了一系列巖體力學(xué)科研、生產(chǎn)工作，獲得了一系列重大成果。其中，陳宗基教授把流變學(xué)引入巖體力學(xué)，提出了巖體流變、擴(kuò)容與長(zhǎng)期強(qiáng)度等概念，進(jìn)一步發(fā)展了巖石流變擴(kuò)容理論。谷德振教授等根據(jù)巖體由于受結(jié)構(gòu)面切割而具有的多裂隙性，提出了巖體工程地質(zhì)力學(xué)理論，將巖體劃分為整體塊狀、塊狀、碎裂狀、層狀及散體狀幾種結(jié)構(gòu)類型。另外，我國(guó)于1985年正式成立了全國(guó)巖

20、石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)，至今已召開了四次全國(guó)性學(xué)術(shù)大會(huì)，并派團(tuán)參加了第四至第八屆國(guó)際巖石力學(xué)大會(huì)，參與了國(guó)際學(xué)術(shù)交流。這一時(shí)期巖體力學(xué)的研究工作有如下特點(diǎn)。1.對(duì)巖體及其力學(xué)屬性的認(rèn)識(shí)不斷深入在巖體力學(xué)形成的初期，人們把巖體視為一種地質(zhì)材料。其研究方法是取小塊試件，在室內(nèi)進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試，并用以評(píng)價(jià)其對(duì)工程建筑的適宜性。這種研究實(shí)質(zhì)上還是材料力學(xué)方法，可稱為巖塊力學(xué)或巖石力學(xué)。大量的工程實(shí)踐表明：用巖塊性質(zhì)來表征作為建筑地基的大范圍巖體特征是不合適的。自20世紀(jì)60年代起，國(guó)內(nèi)外巖體力學(xué)工作者都逐步認(rèn)識(shí)到了被結(jié)構(gòu)面切割的巖體性質(zhì)與完整的小巖塊性質(zhì)有本質(zhì)的區(qū)別。即如果相對(duì)而言可將巖塊視為均質(zhì)、連續(xù)

21、和各向同性的彈性介質(zhì)，而巖體則是非均質(zhì)、非連續(xù)和各向異性的非彈性介質(zhì)。只有在某些情況下，如裂隙不發(fā)育的完整塊狀巖體等，其力學(xué)屬性才能近似地看成與巖塊相同。在這種認(rèn)識(shí)的前提下，人們開展對(duì)巖體的研究，并重視原位試驗(yàn)在確定巖體力學(xué)參數(shù)中的作用。這一時(shí)期內(nèi)，奧地利學(xué)派起了很大的推動(dòng)作用，繆勒(1974)主編的巖石力學(xué)代表了這一時(shí)期的研究方向和水平。但這一時(shí)期人們還是多把巖體視為巖塊的砌體來研究，而對(duì)結(jié)構(gòu)面在巖體變形、破壞機(jī)理中的影響及其重要性還認(rèn)識(shí)不足，在巖體力學(xué)分析計(jì)算中未作全面考慮。到70年代中后期，巖體力學(xué)工作者越來越認(rèn)識(shí)到巖體結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)及其在巖體力學(xué)作用中的重要性，開展了大量的研究(如奧地利、

22、中國(guó)、美國(guó)等國(guó)家的學(xué)者)。如我國(guó)從70年代開始，以谷德振為首的科研群體就開展了對(duì)巖體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)面力學(xué)效應(yīng)等理論問題的研究，并應(yīng)用于解決工程問題，提出了巖體工程地質(zhì)力學(xué)的學(xué)說，出版了巖體工程地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)(1979)等一系列專著。進(jìn)而又提出了巖體結(jié)構(gòu)控制論的觀點(diǎn)(巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)，孫廣忠，1988)，認(rèn)為巖體的變形和穩(wěn)定性主要受控于巖體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)，因此必須重視對(duì)巖體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)及其力學(xué)效應(yīng)的研究。從上述巖體力學(xué)的發(fā)展過程，我們不難看出，人們對(duì)巖體及其力學(xué)屬性的認(rèn)識(shí)是不斷深化的。2.研究領(lǐng)域愈益擴(kuò)大，并強(qiáng)調(diào)在工程中的應(yīng)用在巖體力學(xué)形成初期，主要是針對(duì)礦山建設(shè)中的圍巖壓力問題進(jìn)行工作。

23、現(xiàn)在巖體力學(xué)已被廣泛應(yīng)用于采礦、能源開發(fā)、國(guó)防工程、水利水電工程、交通及海洋開發(fā)工程、環(huán)境保護(hù)及減災(zāi)防災(zāi)工程、古文物保護(hù)工程、地震、地球動(dòng)力學(xué)等等許多領(lǐng)域。而且隨著工程建設(shè)的增多和規(guī)模的不斷加大，特別是一些復(fù)雜的重大工程(如三峽工程)的實(shí)施，將給巖體力學(xué)帶來許多新的復(fù)雜課題，這對(duì)于巖體力學(xué)來說既是發(fā)展的機(jī)遇，也是一種挑戰(zhàn)。3.重視巖體中天然應(yīng)力的研究過去人們提到天然應(yīng)力主要是指自重應(yīng)力，現(xiàn)在人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到在很多情況下只考慮自重應(yīng)力是不行的，必須考慮除自重應(yīng)力以外如構(gòu)造應(yīng)力等的影響。從60年代開始，逐漸重視和加強(qiáng)了巖體中天然應(yīng)力及其量測(cè)技術(shù)的研究，積累了豐富的實(shí)測(cè)資料，并獲得了一些非常有意義的結(jié)

24、論。同時(shí)天然應(yīng)力的確定方法和量測(cè)手段也有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。4.巖體的測(cè)試技術(shù)和監(jiān)測(cè)技術(shù)大力發(fā)展在開始的室內(nèi)常規(guī)巖塊力學(xué)參數(shù)測(cè)試的基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展了巖石三軸試驗(yàn)、高溫高壓試驗(yàn)、剛性試驗(yàn)、伺服技術(shù)、結(jié)構(gòu)面力學(xué)試驗(yàn)、原位巖體力學(xué)試驗(yàn)及原位監(jiān)測(cè)技術(shù)和模型模擬試驗(yàn)等。另外，巖石微觀結(jié)構(gòu)研究等也逐漸應(yīng)用于巖體力學(xué)中。5.注意巖體動(dòng)力學(xué)、水力學(xué)性質(zhì)及流變性質(zhì)的研究隨著地下爆炸試驗(yàn)、地震研究、國(guó)防工程和水利水電工程的發(fā)展，巖體在振動(dòng)、沖擊等動(dòng)載荷作用下的變形和強(qiáng)度特性、破壞規(guī)律、應(yīng)力波傳播與衰減規(guī)律及結(jié)構(gòu)防護(hù)等以及巖體在長(zhǎng)期荷載作用下的流變性能和長(zhǎng)期強(qiáng)度；水巖耦合及水巖與應(yīng)力耦合所表現(xiàn)出來的水力學(xué)性質(zhì)等等，都日益

25、受到廣泛的重視，并取得了一些成果。6.新理論、新技術(shù)及新方法的應(yīng)用首先，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與普及，為巖體力學(xué)解決許多復(fù)雜的巖體力學(xué)問題提供了有力的手段，提高了巖體力學(xué)解決生產(chǎn)實(shí)際問題的能力和效率。另外，從70年代末開始，塊體理論、概率論、模糊數(shù)學(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)、分形幾何等理論相繼引入巖體力學(xué)的基礎(chǔ)理論與工程穩(wěn)定性研究中，取得了一系列重大成果。近年來，還有不少學(xué)者將系統(tǒng)論、信息論、控制論、人工智能專家系統(tǒng)、灰色系統(tǒng)、突變理論、耗散結(jié)構(gòu)理論及協(xié)同論等軟科學(xué)引入巖體力學(xué)研究中，取得了一系列研究成果。最近又提出了利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(Sach，Dheores等，1994；馮夏庭，王泳嘉等，1995)來預(yù)

26、測(cè)巖體邊坡穩(wěn)定性等等。這些新理論、新方法的引入，大大地促進(jìn)了巖體力學(xué)的發(fā)展。總之，到目前為止，巖體力學(xué)工作者從各個(gè)方面對(duì)巖體力學(xué)與工程進(jìn)行了全面的研究，并取得了可喜的進(jìn)展，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與學(xué)科發(fā)展作出了杰出的貢獻(xiàn)。但是，巖體力學(xué)還不成熟，還有許多重大問題仍在探索之中，還不能滿足工程實(shí)際的需要。因此，大力加強(qiáng)巖體力學(xué)理論和實(shí)際應(yīng)用的研究，既是巖體力學(xué)發(fā)展的需要，更是工程實(shí)踐的客觀要求。在今后一段時(shí)期內(nèi)，巖體力學(xué)的前沿研究課題有：巖體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)面的仿真模擬、力學(xué)表述及其力學(xué)機(jī)理問題；裂隙化巖體的強(qiáng)度、破壞機(jī)理及破壞判據(jù)問題；巖體與工程結(jié)構(gòu)的相互作用與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)問題；軟巖(包括松散巖體、軟弱巖體、強(qiáng)

27、烈應(yīng)力破碎及風(fēng)化蝕變巖體、膨脹性和流變性巖體等)的力學(xué)特性及其巖體力學(xué)問題；水巖耦合及水巖與應(yīng)力耦合作用及巖體工程穩(wěn)定性問題；高地應(yīng)力巖體力學(xué)問題；巖體結(jié)構(gòu)整體綜合仿真反饋系統(tǒng)與優(yōu)化技術(shù)；巖體動(dòng)力學(xué)、水力學(xué)與熱力學(xué)問題；巖體流變與長(zhǎng)期強(qiáng)度問題；巖體工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖像自動(dòng)生成處理；等等。以上課題，雖然有些已有一些研究成果，某些問題甚至已達(dá)到一定的深度，但多數(shù)僅限于科學(xué)探討性的和定性或半定量的研究，離實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離，不能滿足工程實(shí)際的需求，需要進(jìn)一步探索與研究。當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各門學(xué)科都將以更快的速度向前發(fā)展，巖體力學(xué)也不例外。而各門學(xué)科協(xié)同合作，相互滲透，不斷引入相關(guān)

28、學(xué)科的新思想、新理論和新方法是加速巖體力學(xué)發(fā)展的必要途徑。第四節(jié) 本書的主要內(nèi)容與學(xué)習(xí)方法本教材是為巖土工程、水利水電工程、建筑工程專業(yè)及其相關(guān)專業(yè)本科生編寫的專業(yè)基礎(chǔ)課教材，教材分十章。第一章緒論，主要介紹巖體力學(xué)的研究任務(wù)、內(nèi)容與方法，以及巖體力學(xué)的發(fā)展歷史與研究動(dòng)態(tài)。第二章討論巖塊、結(jié)構(gòu)面及巖體的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征及巖體工程分類。使讀者弄清影響巖塊及巖體物理力學(xué)性質(zhì)的各種地質(zhì)因素的類型、特征及工程巖體分類方法。第三、四章討論巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)，包括各種性質(zhì)指標(biāo)的定義、測(cè)定方法、相互關(guān)系、影響因素及其經(jīng)驗(yàn)值。同時(shí)在第四章中還討論了目前工程中常用的幾種強(qiáng)度判據(jù)，它們的含義、判據(jù)方程及其使用條

29、件。第五章討論結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度特征，指標(biāo)定義及其測(cè)定方法。第六章巖體的力學(xué)性質(zhì)，討論巖體的變形、強(qiáng)度及動(dòng)力學(xué)與水力學(xué)特性；巖體原位力學(xué)試驗(yàn)的原理方法及裂隙化巖體變形與強(qiáng)度參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)估算方法。第七章巖體中的天然應(yīng)力，討論地殼淺部巖體中的天然應(yīng)力分布特征、研究意義及其量測(cè)技術(shù)的原理與方法。第八、九、十章討論邊坡巖體、地基巖體及地下洞室圍巖中的重分布應(yīng)力特征、計(jì)算方法與巖體的變形與破壞特征及其穩(wěn)定性分析方法等。本教材的編寫旨在使學(xué)生掌握巖體力學(xué)的基本原理與方法，并力求實(shí)用。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)在深刻理解基本概念的基礎(chǔ)上，切實(shí)掌握分析研究問題的思路和方法，培養(yǎng)解決巖體力學(xué)問題的能力。因此，對(duì)于書中的基

30、本概念、原理和方法，要加強(qiáng)理解，舉一反三，把它弄懂弄通，切忌死記硬背。對(duì)于書中的公式，重點(diǎn)要求理解其推導(dǎo)思路、應(yīng)用條件和使用方法。而真正要記的公式不是太多，對(duì)少數(shù)必須記住的公式，也應(yīng)在理解的基礎(chǔ)上去記，這樣才能記得牢，用得活。此外，巖體力學(xué)是工程地質(zhì)與工程力學(xué)交叉發(fā)展起來的邊緣學(xué)科，它的理論基礎(chǔ)相當(dāng)廣泛，涉及工程地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、固體力學(xué)、流體力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、彈塑性力學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)及建筑結(jié)構(gòu)等學(xué)科。因此，要學(xué)好巖體力學(xué)，必須具備以上基礎(chǔ)知識(shí)。特別是固體力學(xué)和彈塑性力學(xué)等力學(xué)基礎(chǔ)更應(yīng)牢固掌握。第二章 巖塊和巖體的地質(zhì)特征第一節(jié) 概 述 巖體力學(xué)研究的對(duì)象是在各種地質(zhì)作用下形成的天然

31、巖體。這些巖體，尤其是與人類工程活動(dòng)密切相關(guān)的地殼表層巖體，其物理力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)屬性，在很大程度上受形成和改造巖體的各種地質(zhì)作用過程所控制，往往表現(xiàn)出非均勻、非連續(xù)、各向異性和多相性特征。因此，在巖體力學(xué)研究中，應(yīng)將巖體地質(zhì)特征的研究工作置于相當(dāng)重要的地位。巖塊和巖體均為巖石物質(zhì)和巖石材料。傳統(tǒng)的工程地質(zhì)方法往往是按巖石的成因，取小塊試件在室內(nèi)進(jìn)行礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定，以評(píng)價(jià)其對(duì)工程建筑的適宜性。大量的工程實(shí)踐表明，用巖塊性質(zhì)來代表原位工程巖體的性質(zhì)是不合適的。因此，自20世紀(jì)60年代起，國(guó)內(nèi)外工程地質(zhì)和巖體力學(xué)工作者都注意到巖體與巖塊在性質(zhì)上有本質(zhì)的區(qū)別，其根本原因之一是巖

32、體中存在有各種各樣的結(jié)構(gòu)面及不同于自重應(yīng)力的天然應(yīng)力場(chǎng)和地下水。因而，從巖體力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)提出了巖塊、結(jié)構(gòu)面和巖體等基本概念。本章將重點(diǎn)討論巖塊、結(jié)構(gòu)面和巖體的地質(zhì)特征，影響巖塊與巖體物理力學(xué)性質(zhì)的主要地質(zhì)因素以及巖體工程分類等問題。第二節(jié) 巖 塊一、巖塊的物質(zhì)組成巖塊(rock或rock block)是指不含顯著結(jié)構(gòu)面的巖石塊體，是構(gòu)成巖體的最小巖石單元體。這一定義里的顯著一詞是個(gè)比較模糊的說法,一般來說，能明顯地將巖石切割開來的分界面叫顯著結(jié)構(gòu)面，而包含在巖石塊體內(nèi)結(jié)合比較牢固的面如微層面、微裂隙等都屬于不顯著的結(jié)構(gòu)面。在國(guó)內(nèi)外，有些學(xué)者把巖塊稱為結(jié)構(gòu)體(structural element

33、)、巖石材料(rockmaterial)及完整巖石(intact rock)等等。巖石是由具有一定結(jié)構(gòu)構(gòu)造的礦物(含結(jié)晶和非結(jié)晶的)集合體組成的。因此，新鮮巖塊的力學(xué)性質(zhì)主要取決于組成巖塊的礦物成分及其相對(duì)含量。一般來說，含硬度大的粒柱狀礦物(如石英、長(zhǎng)石、角閃石、輝石等)愈多時(shí)，巖塊強(qiáng)度愈高；含硬度小的片狀礦物(如云母、綠泥石、蒙脫石和高嶺石等)愈多時(shí)，則巖塊強(qiáng)度愈低。自然界中的造巖礦物有：含氧鹽、氧化物及氫氧化物、鹵化物、硫化物和自然元素五大類。其中以含氧鹽中的硅酸鹽、碳酸鹽及氧化物類礦物最常見，構(gòu)成了幾乎99.9的地殼巖石。而其他礦物的工程地質(zhì)意義不大。常見的硅酸鹽類礦物有長(zhǎng)石、輝石、角

34、閃石、橄欖石及云母和粘土礦物等。這類礦物除云母和粘土礦物外，硬度大，呈粒、柱狀晶形。因此，含這類礦物多的巖石如花崗巖、閃長(zhǎng)巖及玄武巖等，強(qiáng)度高，抗變形性能好。但該類礦物多生成于高溫環(huán)境，與地表自然環(huán)境相差較大，在各種風(fēng)化營(yíng)力的作用下，易風(fēng)化成高嶺石、水云母等。尤以橄欖石、基性斜長(zhǎng)石等抗風(fēng)化能力最差，長(zhǎng)石、角閃石次之。粘土礦物屬層狀硅酸鹽類礦物，主要有高嶺石、水云母及蒙脫石三類，具薄片狀或鱗片狀構(gòu)造，硬度小。因此含這類礦物多的巖石如粘土巖、粘土質(zhì)巖，物理力學(xué)性質(zhì)差，并具有不同程度的脹縮性，特別是含蒙脫石多的膨脹巖，其物理力學(xué)性質(zhì)更差。碳酸鹽類礦物是石灰?guī)r和白云巖類的主要造巖礦物。巖石的物理力學(xué)性

35、質(zhì)取決于巖石中CaCO3及酸不溶物的含量。CaCO3含量越高，如純灰?guī)r、白云巖等強(qiáng)度高、抗變形和抗風(fēng)化性能都比較好。泥質(zhì)含量高的，如泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等，力學(xué)性質(zhì)較差。但隨巖石中硅質(zhì)含量的增高，巖石性質(zhì)將不斷變好。另外，碳酸鹽類巖體中，常發(fā)育各種巖溶現(xiàn)象，使巖體性質(zhì)趨于復(fù)雜化。氧化物類礦物以石英最常見，是地殼巖石的主要造巖礦物。呈等軸晶系、硬度大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。因此，一般隨石英含量增加，巖塊的強(qiáng)度和抗變形性能都明顯增強(qiáng)。巖塊的礦物組成與巖石的成因及類型密切相關(guān)。巖漿巖多以硬度大的粒柱狀硅酸鹽、石英等礦物為主，所以其巖塊物理力學(xué)性質(zhì)一般都很好。沉積巖中的粗碎屑巖如砂礫巖等，其碎屑多為硬度大的粒柱狀

36、礦物，巖塊的力學(xué)性質(zhì)除與碎屑成分有關(guān)外，在很大程度上取決于膠結(jié)物成分及其類型。細(xì)碎屑巖如頁巖、泥巖等，礦物成分多以片狀的粘土礦物為主，其巖塊力學(xué)性質(zhì)很差。變質(zhì)巖的礦物組成與母巖類型及變質(zhì)程度有關(guān)。淺變質(zhì)的副變質(zhì)巖如千枚巖、板巖等多含片狀礦物(如絹云母、綠泥石及粘土礦物等)，巖塊力學(xué)性質(zhì)較差。深變質(zhì)巖如片麻巖、混合巖、石英巖等，多以粒柱狀礦物(如長(zhǎng)石、石英、角閃石等)為主，因而其巖塊力學(xué)性質(zhì)好。二、巖塊的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造巖塊的結(jié)構(gòu)是指巖石內(nèi)礦物顆粒的大小、形狀和排列方式及微結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況與粒間連結(jié)方式等反映在巖塊構(gòu)成上的特征。巖塊的結(jié)構(gòu)特征，尤其是礦物顆粒間連結(jié)及微結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征對(duì)巖塊的力學(xué)性質(zhì)影響

37、很大。礦物顆粒間具有牢固的連結(jié)是巖石區(qū)別于土并賦予巖石以優(yōu)良工程地質(zhì)性質(zhì)的主要原因。巖石的粒間連結(jié)分結(jié)晶連結(jié)與膠結(jié)連結(jié)兩類。結(jié)晶連結(jié)是礦物顆粒通過結(jié)晶相互嵌合在一起，如巖漿巖、大部分變質(zhì)巖及部分沉積巖均具這種連結(jié)。它是通過共用原子或離子使不同晶粒緊密接觸，故一般強(qiáng)度較高。但是不同的結(jié)晶結(jié)構(gòu)對(duì)巖塊性質(zhì)的影響不同。一般來說，等粒結(jié)構(gòu)的巖塊強(qiáng)度比非等粒結(jié)構(gòu)的高，且抗風(fēng)化能力強(qiáng)。在等粒結(jié)構(gòu)中，細(xì)粒結(jié)構(gòu)巖塊強(qiáng)度比粗粒結(jié)構(gòu)的高。在斑狀結(jié)構(gòu)中，具細(xì)粒基質(zhì)的巖塊強(qiáng)度比玻璃質(zhì)基質(zhì)的高。總之，結(jié)晶愈細(xì)愈均勻，非晶質(zhì)成分愈少，巖塊強(qiáng)度愈高，如某粗?；◢弾r的抗壓強(qiáng)度(c)為120MPa，而其成分相同的細(xì)?；◢弾rc可達(dá)

38、250MPa。膠結(jié)連結(jié)是礦物顆粒通過膠結(jié)物連結(jié)在一起，如碎屑巖等具這種連結(jié)方式。膠結(jié)連結(jié)的巖塊強(qiáng)度取決于膠結(jié)物成分及膠結(jié)類型。一般來說，硅質(zhì)膠結(jié)的巖塊強(qiáng)度最高；鐵質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)的次之；泥質(zhì)膠結(jié)的巖塊強(qiáng)度最低，且抗水性差。如某地具不同膠結(jié)物的砂巖抗壓強(qiáng)度為：硅質(zhì)膠結(jié)的c207.5MPa；鐵質(zhì)膠結(jié)的c105.9MPa；鈣質(zhì)膠結(jié)的c84.2MPa；泥質(zhì)膠結(jié)的c55.6MPa。從膠結(jié)類型來看，常以基底式膠結(jié)的巖塊強(qiáng)度最高，孔隙式膠結(jié)的次之，接觸式膠結(jié)的最低。微結(jié)構(gòu)面是指存在于礦物顆粒內(nèi)部或顆粒間的軟弱面或缺陷，包括礦物解理、晶格缺陷、粒間空隙、微裂隙、微層面及片理面、片麻理面等。它們的存在不僅降低了巖塊

39、的強(qiáng)度，還往往導(dǎo)致巖塊力學(xué)性質(zhì)具有明顯的各向異性。巖塊的構(gòu)造是指礦物集合體之間及其與其他組分之間的排列組合方式。如巖漿巖中的流線、流面構(gòu)造，沉積巖中的微層狀構(gòu)造，變質(zhì)巖中的片狀構(gòu)造及其定向構(gòu)造等等。這些都可使巖塊物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜化。由上述可知巖塊的結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同，其力學(xué)性質(zhì)及其各向異性和不連續(xù)性程度也不同。因此，在研究巖塊的力學(xué)性質(zhì)時(shí)也要注意其各向異性和不連續(xù)性。但是相對(duì)巖體而言，巖體的各向異性和不連續(xù)性更為顯著，因此，在巖體力學(xué)研究中，通常又把巖塊近似地視為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)。三、巖塊的風(fēng)化程度眾所周知，風(fēng)化作用可以改變巖石的礦物組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，進(jìn)而改變巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)。一般來說，隨風(fēng)

40、化程度的加深，巖塊的空隙率和變形隨之增大，強(qiáng)度降低，滲透性加大。不同的巖石對(duì)風(fēng)化作用的反應(yīng)是不同的。如花崗巖類巖石，常先發(fā)生破裂，而后被滲入的雨水形成的碳酸所分解。碳酸與長(zhǎng)石、云母、角閃石等礦物作用，析出Fe，Mg，K，Na等可溶鹽以及游離SiO2，并被地下水帶走，而巖屑、粘土物質(zhì)和石英顆粒等殘留在原地?；詭r漿巖的風(fēng)化過程，與中酸性巖漿巖類似，只是其風(fēng)化殘留物多為粘土；石灰?guī)r的風(fēng)化殘留物為富含雜質(zhì)的粘土；砂礫巖的風(fēng)化，常僅發(fā)生解體破碎，等等。因此，研究巖體風(fēng)化時(shí)，應(yīng)考慮到巖石的風(fēng)化程度及風(fēng)化產(chǎn)物的類型。巖塊的風(fēng)化程度可通過定性指標(biāo)和某些定量指標(biāo)來表述。定性指標(biāo)主要有：顏色、礦物蝕變程度、破碎

41、程度及開挖錘擊技術(shù)特征等。定量指標(biāo)主要有風(fēng)化空隙率指標(biāo)和波速指標(biāo)等。風(fēng)化空隙率指標(biāo)(Iw)是漢羅爾(Hamral，1961)提出的。Iw是快速浸水后風(fēng)化巖塊吸入水的質(zhì)量與干燥巖塊質(zhì)量之比。借此可近似地反映風(fēng)化巖塊空隙率的大小。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)巖土工程勘察規(guī)范GB50021-94中提出用風(fēng)化巖塊的縱波速度(vcp)、波速比(kv)和風(fēng)化系數(shù)(kf)等指標(biāo)來評(píng)價(jià)巖塊的風(fēng)化程度，其中kv、kf的定義為： (2-1) (2-2)式中：vcp，vrp分別為風(fēng)化巖塊和新鮮巖塊的縱波速度(ms)；cw，cw分別為風(fēng)化巖塊和新鮮巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)。按巖塊的vcp,kv和kf將硬質(zhì)巖石的風(fēng)化分級(jí)劃分如表2

42、-1。表2-1 硬質(zhì)巖石按波速指標(biāo)的風(fēng)化分級(jí)表 (據(jù)巖土工程勘察規(guī)范，1995)第三節(jié) 結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面(structuraLplane)是指地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，在巖體內(nèi)形成的具有一定的延伸方向和長(zhǎng)度，厚度相對(duì)較小的地質(zhì)界面或帶。它包括物質(zhì)分異面和不連續(xù)面，如層面、不整合面、節(jié)理面、斷層、片理面等。國(guó)內(nèi)外一些文獻(xiàn)中又稱為不連續(xù)面(discontinuities)或節(jié)理(joint)。在結(jié)構(gòu)面中，那些規(guī)模較大、強(qiáng)度低、易變形的結(jié)構(gòu)面又稱為軟弱結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面對(duì)工程巖體的完整性、滲透性、物理力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)力傳遞等都有顯著的影響，是造成巖體非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性和非線彈性的本質(zhì)原因之一。因此，全面深入細(xì)致

43、地研究結(jié)構(gòu)面的特征是巖體力學(xué)中的一個(gè)重要課題。一、結(jié)構(gòu)面的成因類型(一)地質(zhì)成因類型根據(jù)地質(zhì)成因的不同，可將結(jié)構(gòu)面劃分為原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和次生結(jié)構(gòu)面三類，各類結(jié)構(gòu)面的主要特征如表2-2。表2-2 巖體結(jié)構(gòu)面的類型及其特征(據(jù)張咸恭，1979) 成因類型地質(zhì)類型主 要 特 征工程地質(zhì)評(píng)價(jià)產(chǎn) 狀分 布性 質(zhì)原生結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面1層理層面2軟弱夾層3不整合面、假整合面4沉積間斷面一般與巖層產(chǎn)狀一致，為層間結(jié)構(gòu)面海相巖層中此類結(jié)構(gòu)面分布穩(wěn)定，陸相巖層中呈交錯(cuò)狀，易尖滅層面、軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面較為平整；不整合面及沉積間斷面多由碎屑泥質(zhì)物構(gòu)成，且不平整國(guó)內(nèi)外較大的壩基滑動(dòng)及滑坡很多由此類結(jié)構(gòu)面所造成的

44、，如奧斯汀、圣弗朗西斯、馬爾帕塞壩的破壞，瓦依昂水庫附近的巨大滑坡 巖漿結(jié)構(gòu)面 侵入體與圍巖接觸面巖漿巖結(jié)構(gòu)面1侵入體與圍巖接觸面2巖脈巖墻接觸面3原生冷凝節(jié)理巖脈受構(gòu)造結(jié)構(gòu)面控制，而原生節(jié)理受巖體接觸面控制接觸面延伸較遠(yuǎn)，比較穩(wěn)定，而原生節(jié)理往往短小密集與圍巖接觸面可具熔合及破碎兩種不同的特征，原生節(jié)理一般為張裂面，較粗糙不平一般不造成大規(guī)模的巖體破壞，但有時(shí)與構(gòu)造斷裂配合，也可形成巖體的滑移，如有的壩肩局部滑移變質(zhì)結(jié)構(gòu)面1片理2片巖軟弱夾層產(chǎn)狀與巖層或構(gòu)造方向一致片理短小，分布極密，片巖軟弱夾層延展較遠(yuǎn)，具固定層次結(jié)構(gòu)面光滑平直，片理在巖層深部往往閉合成隱蔽結(jié)構(gòu)面，片巖軟弱夾層具片狀礦物，

45、呈鱗片狀在變質(zhì)較淺的沉積巖，如千枚巖等路塹邊坡常見塌方。片巖夾層有時(shí)對(duì)工程及地下洞體穩(wěn)定也有影響構(gòu)造結(jié)構(gòu)面1節(jié)理(X型節(jié)理、張節(jié)理)2斷層(沖斷層、捩斷層、橫斷層)3層間錯(cuò)動(dòng)4羽狀裂隙、劈理產(chǎn)狀與構(gòu)造線呈一定關(guān)系，層間錯(cuò)動(dòng)與巖層一致張性斷裂較短小，剪切斷裂延展較遠(yuǎn)，壓性斷裂規(guī)模巨大，但有時(shí)為橫斷層切割成不連續(xù)狀張性斷裂不平整，常具次生充填，呈鋸齒狀，剪切斷裂較平直，具羽狀裂隙，壓性斷層具多種構(gòu)造巖，成帶狀分布，往往含斷層泥、糜棱巖對(duì)巖體穩(wěn)定影響很大，在上述許多巖體破壞過程中，大都有構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的配合作用。此外常造成邊坡及地下工程的塌方、冒頂次生結(jié)構(gòu)面1卸荷裂隙2風(fēng)化裂隙3風(fēng)化夾層4泥化夾層5次生

46、夾泥層受地形及原結(jié)構(gòu)面控制分布上往往呈不連續(xù)狀，透鏡狀，延展性差，且主要在地表風(fēng)化帶內(nèi)發(fā)育一般為泥質(zhì)物充填，水理性質(zhì)很差在天然及人工邊坡上造成危害，有時(shí)對(duì)壩基、壩肩及淺埋隧洞等工程亦有影響，但一般在施工中予以清基處理1.原生結(jié)構(gòu)面這類結(jié)構(gòu)面是巖體在成巖過程中形成的結(jié)構(gòu)面，其特征與巖體成因密切相關(guān)，因此又可分為沉積結(jié)構(gòu)面、巖漿結(jié)構(gòu)面和變質(zhì)結(jié)構(gòu)面三類。沉積結(jié)構(gòu)面是沉積巖在沉積和成巖過程中形成的，包括層理面、軟弱夾層、沉積間斷面和不整合面等。沉積結(jié)構(gòu)面的特征與沉積巖的成層性有關(guān)，一般延伸性較強(qiáng)，常貫穿整個(gè)巖體，產(chǎn)狀隨巖層產(chǎn)狀而變化。如在海相沉積巖中分布穩(wěn)定而清晰；在陸相巖層中常呈透鏡狀。巖漿結(jié)構(gòu)面是

47、巖漿侵入及冷凝過程中形成的結(jié)構(gòu)面，包括巖漿巖體與圍巖的接觸面、各期巖漿巖之間的接觸面和原生冷凝節(jié)理等。變質(zhì)結(jié)構(gòu)面可分為殘留結(jié)構(gòu)面和重結(jié)晶結(jié)構(gòu)面。殘留結(jié)構(gòu)面主要是沉積巖經(jīng)變質(zhì)后，在層面上絹云母、綠泥石等鱗片狀礦物富集并呈定向排列而形成的結(jié)構(gòu)面，如千枚巖的千枚理面和板巖的板理面等。重結(jié)晶結(jié)構(gòu)面主要有片理面和片麻理面等，它是巖石發(fā)生深度變質(zhì)和重結(jié)晶作用下，片狀礦物和柱狀礦物富集并呈定向排列形成的結(jié)構(gòu)面，它改變了原巖的面貌，對(duì)巖體的物理力學(xué)性質(zhì)常起控制性作用。原生結(jié)構(gòu)面中，除部分經(jīng)風(fēng)化卸荷作用裂開者外，多具有不同程度的連結(jié)力和較高的強(qiáng)度。2.構(gòu)造結(jié)構(gòu)面這類結(jié)構(gòu)面是巖體形成后在構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的各種破

48、裂面，包括斷層、節(jié)理、劈理和層間錯(cuò)動(dòng)面等。構(gòu)造結(jié)構(gòu)面除被膠結(jié)者外，絕大部分都是脫開的。規(guī)模大者如斷層、層間錯(cuò)動(dòng)等，多數(shù)有厚度不等、性質(zhì)各異的充填物，并發(fā)育有由構(gòu)造巖組成的構(gòu)造破碎帶，具多期活動(dòng)特征。在地下水的作用下，有的已泥化或者已變成軟弱夾層。因此這部分構(gòu)造結(jié)構(gòu)面(帶)的工程地質(zhì)性質(zhì)很差，其強(qiáng)度接近于巖體的殘余強(qiáng)度，常導(dǎo)致工程巖體的滑動(dòng)破壞。規(guī)模小者如節(jié)理、劈理等，多數(shù)短小而密集，一般無充填或只具薄層充填，主要影響巖體的完整性和力學(xué)性質(zhì)。3.次生結(jié)構(gòu)面這類結(jié)構(gòu)面是巖體形成后在外營(yíng)力作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)面，包括卸荷裂隙、風(fēng)化裂隙、次生夾泥層和泥化夾層等。卸荷裂隙面是因表部被剝蝕卸荷造成應(yīng)力釋放和調(diào)

49、整而產(chǎn)生的，產(chǎn)狀與臨空面近于平行，并具張性特征。如河谷岸坡內(nèi)的順坡向裂隙及谷底的近水平裂隙等，其發(fā)育深度一般達(dá)基巖面以下510m，局部可達(dá)數(shù)十米，甚至更大。谷底的卸荷裂隙對(duì)水工建筑物危害很大，應(yīng)特別注意。風(fēng)化裂隙一般僅限于地表風(fēng)化帶內(nèi)，常沿原生結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造結(jié)構(gòu)面疊加發(fā)育，使其性質(zhì)進(jìn)一步惡化。新生成的風(fēng)化裂隙，延伸短，方向紊亂，連續(xù)性差。泥化夾層是原生軟弱夾層在構(gòu)造及地下水共同作用下形成的；次生夾泥層則是地下水?dāng)y帶的細(xì)顆粒物質(zhì)及溶解物沉淀在裂隙中形成的。它們的性質(zhì)一般都很差，屬軟弱結(jié)構(gòu)面。(二)力學(xué)成因類型從大量的野外觀察、試驗(yàn)資料及莫爾強(qiáng)度理論分析可知，在較低圍限應(yīng)力(相對(duì)巖體強(qiáng)度而言)下，巖

50、體的破壞方式有剪切破壞和拉張破壞兩種基本類型。因此，相應(yīng)地按破裂面的力學(xué)成因可分為剪性結(jié)構(gòu)面和張性結(jié)構(gòu)面兩類。張性結(jié)構(gòu)面是由拉應(yīng)力形成的，如羽毛狀張裂面、縱張及橫張破裂面，巖漿巖中的冷凝節(jié)理等等。羽毛狀張裂面是剪性斷裂在形成過程中派生力偶所形成的，它的張開度在鄰近主干斷裂一端較大，且沿延伸方向迅速變窄，乃至尖滅?？v張破裂面常發(fā)生在背斜軸部，走向與背斜軸近于平行，呈上寬下窄。橫張破裂面走向與褶皺軸近于垂直，它的形成機(jī)理與單向壓縮條件下沿軸向發(fā)展的劈裂相似。一般來說，張性結(jié)構(gòu)面具有張開度大、連續(xù)性差、形態(tài)不規(guī)則、面粗糙，起伏度大及破碎帶較寬等特征。其構(gòu)造巖多為角礫巖，易被充填。因此，張性結(jié)構(gòu)面常含

51、水豐富，導(dǎo)水性強(qiáng)等。剪性結(jié)構(gòu)面是剪應(yīng)力形成的，破裂面兩側(cè)巖體產(chǎn)生相對(duì)滑移，如逆斷層、平移斷層以及多數(shù)正斷層等。剪性結(jié)構(gòu)面的特點(diǎn)是連續(xù)性好，面較平直，延伸較長(zhǎng)并有擦痕鏡面等現(xiàn)象發(fā)育。二、結(jié)構(gòu)面的規(guī)模與分級(jí)結(jié)構(gòu)面的規(guī)模大小不僅影響巖體的力學(xué)性質(zhì)，而且影響工程巖體力學(xué)作用及其穩(wěn)定性。按結(jié)構(gòu)面延伸長(zhǎng)度、切割深度、破碎帶寬度及其力學(xué)效應(yīng)，可將結(jié)構(gòu)面分為如下5級(jí)。級(jí) 指大斷層或區(qū)域性斷層，一般延伸約數(shù)公里至數(shù)十公里以上，破碎帶寬約數(shù)米至數(shù)十米乃至幾百米以上。有些區(qū)域性大斷層往往具有現(xiàn)代活動(dòng)性，給工程建設(shè)帶來很大的危害，直接關(guān)系著建設(shè)地區(qū)的地殼穩(wěn)定性，影響山體穩(wěn)定性及巖體穩(wěn)定性。所以，一般的工程應(yīng)盡量避開，

52、如不能避開時(shí)，也應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行研究，采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?。?jí) 指延伸長(zhǎng)而寬度不大的區(qū)域性地質(zhì)界面，如較大的斷層、層間錯(cuò)動(dòng)、不整合面及原生軟弱夾層等。其規(guī)模貫穿整個(gè)工程巖體，長(zhǎng)度一般數(shù)百米至數(shù)千米，破碎帶寬數(shù)十厘米至數(shù)米。?？刂乒こ虆^(qū)的山體穩(wěn)定性或巖體穩(wěn)定性，影響工程布局，具體建筑物應(yīng)避開或采取必要的處理措施。級(jí) 指長(zhǎng)度數(shù)十米至數(shù)百米的斷層、區(qū)域性節(jié)理、延伸較好的層面及層間錯(cuò)動(dòng)等。寬度一般數(shù)厘米至1m左右。它主要影響或控制工程巖體，如地下洞室圍巖及邊坡巖體的穩(wěn)定性等等。級(jí) 指延伸較差的節(jié)理、層面、次生裂隙、小斷層及較發(fā)育的片理、劈理面等。長(zhǎng)度一般數(shù)十厘米至2030m，小者僅數(shù)厘米至十幾厘米，寬度為零至

53、數(shù)厘米不等。是構(gòu)成巖塊的邊界面，破壞巖體的完整性，影響巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)力分布狀態(tài)。該級(jí)結(jié)構(gòu)面數(shù)量多，分布具隨機(jī)性，主要影響巖體的完整性和力學(xué)性質(zhì)，是巖體分類及巖體結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)，也是結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析和模擬的對(duì)象。級(jí) 又稱微結(jié)構(gòu)面。指隱節(jié)理、微層面、微裂隙及不發(fā)育的片理、劈理等，其規(guī)模小，連續(xù)性差，常包含在巖塊內(nèi)，主要影響巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)。上述5級(jí)結(jié)構(gòu)面中，、級(jí)結(jié)構(gòu)面又稱為軟弱結(jié)構(gòu)面，級(jí)結(jié)構(gòu)面多數(shù)也為軟弱結(jié)構(gòu)面，、級(jí)結(jié)構(gòu)面為硬性結(jié)構(gòu)面。不同級(jí)別的結(jié)構(gòu)面，對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響及在工程巖體穩(wěn)定性中所起的作用不同。如級(jí)結(jié)構(gòu)面控制工程建設(shè)地區(qū)的地殼穩(wěn)定性，直接影響工程巖體穩(wěn)定性；、級(jí)結(jié)構(gòu)面控制著工

54、程巖體力學(xué)作用的邊界條件和破壞方式，它們的組合往往構(gòu)成可能滑移巖體(如滑坡、崩塌等)的邊界面，直接威脅工程的安全穩(wěn)定性；級(jí)結(jié)構(gòu)面主要控制著巖體的結(jié)構(gòu)、完整性和物理力學(xué)性質(zhì)，是巖體結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，因?yàn)橄鄬?duì)于工程巖體來說級(jí)以上結(jié)構(gòu)面分布數(shù)量少，甚至沒有，且規(guī)律性強(qiáng)，容易搞清楚，而級(jí)結(jié)構(gòu)面數(shù)量多且具隨機(jī)性，其分布規(guī)律不太容易搞清楚，需用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行研究；級(jí)結(jié)構(gòu)面控制巖塊的力學(xué)性質(zhì)，等等。但各級(jí)結(jié)構(gòu)面是互相制約、互相影響，并非孤立的。這些特點(diǎn)在實(shí)際工作中應(yīng)予注意。三、結(jié)構(gòu)面特征及其對(duì)巖體性質(zhì)的影響圖2-1 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對(duì)破壞機(jī)理的影響示意圖結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響是不言而喻的，但其影響程度則

55、主要取決于結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況。如巖性完全相同的兩種巖體，由于結(jié)構(gòu)面的空間方位、連續(xù)性、密度、形態(tài)、張開度及其組合關(guān)系等的不同，在外力作用下，這兩種巖體將呈現(xiàn)出完全不同的力學(xué)反應(yīng)。因此研究結(jié)構(gòu)面特征及其力學(xué)效應(yīng)是十分必要的。下面主要就級(jí)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行討論。(一)產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀常用走向、傾向和傾角表示。結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng)力間的關(guān)系控制著巖體的破壞機(jī)理與強(qiáng)度。如圖2-1所示，當(dāng)結(jié)構(gòu)面與最大主平面的夾角為銳角時(shí)，巖體將沿結(jié)構(gòu)面滑移破壞(圖2-1(a)；當(dāng)0時(shí)，表現(xiàn)為橫切結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪斷巖體破壞(圖2-1(b)；當(dāng)90時(shí)，則表現(xiàn)為平行結(jié)構(gòu)面的劈裂拉張破壞(圖2-1(c)。隨破壞方式不同，巖體強(qiáng)度也發(fā)生變化。據(jù)單

56、結(jié)構(gòu)面理論，巖體中存在一組結(jié)構(gòu)面時(shí)，巖體的極限強(qiáng)度1與結(jié)構(gòu)面傾角間的關(guān)系為： (2-3)圖2-2 結(jié)構(gòu)面的線連續(xù)性系數(shù)計(jì)算圖式中：Cj，j分別為結(jié)構(gòu)面的粘聚力和摩擦角。由(2-3)式可知：當(dāng)圍壓3不變時(shí)，巖體強(qiáng)度(13)隨結(jié)構(gòu)面傾角變化而變化。(二)連續(xù)性結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性反映結(jié)構(gòu)面的貫通程度，常用線連續(xù)性系數(shù)、跡長(zhǎng)和面連續(xù)性系數(shù)表示。線連續(xù)性系數(shù)(K1)是指沿結(jié)構(gòu)面延伸方向上，結(jié)構(gòu)面各段長(zhǎng)度之和(a)與測(cè)線長(zhǎng)度的比值(圖2-2)，即： (2-4)式中：a，b分別為結(jié)構(gòu)面及完整巖石長(zhǎng)度之和。K1變化在01之間，K1值愈大說明結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性愈好，當(dāng)K11時(shí)，結(jié)構(gòu)面完全貫通。另外，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(1978)主張用結(jié)構(gòu)面的跡長(zhǎng)來描述和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性，并制訂了相應(yīng)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2-3)。結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性對(duì)巖體的變形、變形破壞機(jī)理、強(qiáng)度及滲透性都有很大的影響。(三)密度結(jié)構(gòu)面的密度反映結(jié)構(gòu)面發(fā)育的密集程度，常用線密度、間距等指標(biāo)表示。線密度(Kd)是指結(jié)構(gòu)面法線方向單位測(cè)線長(zhǎng)度上交切結(jié)構(gòu)面的條數(shù)(條m)；間距(d)則是指同一組結(jié)構(gòu)面法線方向上兩相鄰結(jié)構(gòu)面的平均距離；兩者互為倒數(shù)關(guān)系，即 (2-5)按以上定義，則要求測(cè)線沿結(jié)構(gòu)面法線方向布置，但在實(shí)際結(jié)構(gòu)面量測(cè)中，由于露頭條件的限制，往往達(dá)不到這一要求。如果測(cè)線是水平布置的，且與結(jié)構(gòu)面法線的夾角為，結(jié)構(gòu)面的傾角