西南科技大學本科工程地質(zhì)學課件6

工程地質(zhì)學ENGINEERINGGEOLOGY主講人：劉歲海lecturer：LiuSuihai

第六章巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)及巖體的工程分類本章主要內(nèi)容

1、巖體等概念

2、巖體的結構特征

3、巖體的力學性質(zhì)

4、巖體的工程分類

5、風化巖體的工程特征巖石（Rock）：礦物、巖屑的集合體。結構面（StructuralPlane）：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度，厚度相對較小的地質(zhì)界面或帶。巖塊（Rockblock或Rock）：指不含顯著結構面的巖石塊體，是構成巖體的最小巖石單元體。巖體（Rockmass）：是指地質(zhì)歷史過程中形成的，由巖塊和結構面網(wǎng)絡組成的，具有一定的結構并賦存于一定的天然應力狀態(tài)和地下水等地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。幾個基本概念第一節(jié)巖體的結構特征巖體結構(rockmassstructure)=結構面(structuralplane)+結構體(structuralelement)一、結構面類型(按成因分)結構面類型原生結構面次生結構面沉積結構面巖漿結構面變質(zhì)結構面構造結構面地質(zhì)成因類型1、原生結構面是巖體在成巖過程中形成的結構面。沉積結構面是沉積巖在沉積和成巖過程中形成的，有層理面、軟弱夾層、沉積間斷面和不整合面等。巖漿結構面是巖漿侵入及冷凝過程中形成的結構面，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)結構面在變質(zhì)過程中形成，分為殘留結構面和重結晶結構面。2、構造結構面是巖體形成后在構造應力作用下形成的各種破裂面，包括斷層、節(jié)理、劈理和層間錯動面等。3、次生結構面是巖體形成后在外營力作用下產(chǎn)生的結構面，包括卸荷裂隙、風化裂隙、次生夾泥層和泥化夾層等。力學成因類型1、張性結構面：是由拉應力形成的，如羽毛狀張裂面、縱張及橫張破裂面、巖漿巖中的冷凝節(jié)理等特點：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,易被充填,常含水豐富，導水性強2、剪性結構面：是剪應力形成的，破裂面兩側巖體產(chǎn)生相對滑移，如逆斷層、平移斷層以及多數(shù)正斷層等。特點：連續(xù)性好，面較平直，延伸較長并有擦痕鏡面等。二、結構面特征及其對巖體力學性質(zhì)的影響(一)、結構面的產(chǎn)狀

結構面的產(chǎn)狀與最大主應力作用線方向之間的關系控制著巖體的破壞機理，進而控制著巖體的強度。(1)、當結構面與最大主應力σ1的夾角β為銳角時，巖體將沿結構面產(chǎn)生滑動破壞，如（a）圖所示(2)、當結構面與最大主應力σ1的夾角β為直角時，巖體將切過結構面，產(chǎn)生剪斷、巖體破壞，如（b）圖所示

(3)、當結構面與最大主應力σ1的夾角β為0°時，巖體將平行結構面，產(chǎn)生劈裂拉張破壞，如（c）圖所示(二)、結構面的連續(xù)性連續(xù)性反映結構面的貫通程度，常用線連續(xù)性系數(shù)和面連續(xù)性系數(shù)來表示。線連續(xù)性系數(shù)：沿巖體中某結構面延長方向上，結構面各段長度之和與測線長度的比值K1變化在0—1之間，K1值越大，則結構面連續(xù)性越好；當K1=1時，則結構面完全貫通(三)、結構面的密度密度反映結構面發(fā)育的密集程度，常用間距、線密度等指標來表示線密度(Kd)：結構面法線方向上單位測線長度交切結構面的條數(shù)(條/m)間距(d)：同一結構面法線方向上兩相鄰結構面之間的平均距離Kd=1/d結構面的密度決定了巖體的完整性和巖塊塊度一般來說，結構面發(fā)育愈密集，巖體的完整性越差，巖塊塊度越小，進而導致巖體力學性質(zhì)變差，滲透性增強(四)、結構面的形態(tài)結構面的形態(tài)從側壁的起伏形態(tài)和粗糙度兩方面來研究結構面的起伏形態(tài)：平直的、波狀的、鋸齒狀的、臺階狀的及不規(guī)則狀的等側壁的起伏程度用起伏角表示結構面的粗糙度用粗糙度系JRC(jointroughnesscoefficient)表示。隨粗糙度的增大，結構面的摩擦角也增大。根據(jù)標準粗糙度剖面將結構面的粗糙度系數(shù)劃分為10級。(五)、結構面的張開度結構面兩壁之間一般不是最緊密接觸，而是點接觸或局部接觸結構面的張開度是指結構面兩壁間的平均距離，以mm表示(六)、結構面的充填膠結特征結構面經(jīng)膠結后，力學性質(zhì)有所改善改善的程度因膠結物成分的不同而異，以鐵質(zhì)膠結的強度最高，往往與巖石強度差別不大，甚至超過巖石強度；而泥質(zhì)膠結及易溶鹽類膠結的結構面強度最低，且抗水性差未膠結且具有一定張開度的結構面被外來物質(zhì)充填(七)、結構面的分級及其特征三、軟弱夾層軟弱夾層：指巖體中性質(zhì)軟弱、有一定厚度的軟弱結構面或軟弱帶軟弱夾層具有較高壓縮性和低強度的特征泥化夾層四、結構體特征結構體：被結構面切割成的巖塊，稱為結構體可用規(guī)模、形態(tài)和產(chǎn)狀進行描述五、巖體的結構類型巖體結構的復雜性巖體結構：4大類和8個亞類不同結構類型的巖體，其工程地質(zhì)性質(zhì)不同第二節(jié)巖體的力學性質(zhì)一、巖體的變形性質(zhì)巖體的變形是巖塊、結構面及其充填物三者變形的總和一般情況下，結構面及其充填物的變形起著控制性作用巖體的定義：巖塊+結構面=>巖體巖體變形=巖塊變形+結構面閉合+充填物壓縮+其他變形(一)、結構面的變形特性

1、法向變形特性結構面的變形具有如下特征：在法向應力下，開始變形較快，變形量也較大，隨后逐漸減慢，變形量趨于常量△Vm(結構面最大閉合量)法向剛度

2、剪切變形特性在一定的法向力作用下進行剪切試驗，得結構面的剪應力(τ)-剪位移(△uj)關系曲線結構面的剪切變形有兩種基本類型：①、塑性變形型，如:泥化夾層、光滑平直的破裂面具這種特征②、脆性變形型，如:粗糙結構面具這種特征剪切剛度(二)、巖體變形參數(shù)的測定及變形曲線類型巖體變形參數(shù)的測定方法：測定方法靜力法動力法承壓板法狹縫法鉆孔變形法水壓洞室法地震法聲波法靜力法的基本原理：在選定的巖體表面、槽壁或鉆孔壁面上施加法向荷載，并測定其巖體的變形值；然后繪制出壓力-變形關系曲線，計算出巖體的變形參數(shù)。動力法的基本原理：用人工方法對巖體發(fā)射(或激發(fā))彈性波(聲波或地震波)，并測定其在巖體中的傳播速度，然后根據(jù)波動理論求巖體的變形參數(shù)。承壓板法試驗一般在平巷中進行。利用巷道頂板作用力，以油壓千斤頂施加壓力，通過剛性承壓板將壓力傳至底部平直光滑的巖面上，用百分表測量巖體變形值承壓板法剛性承壓板法柔性承壓板法鉆孔變形法利用鉆孔膨脹計對一定長度的孔壁施加均勻壓力，同時測量孔壁的徑向變形鉆孔變形法

優(yōu)點：①對巖體擾動??；②可以在地下水位以下和相當深的部位進行；③試驗方向基本上不受限制，而且試驗壓力可以達到很大；④在一次試驗中可以同時量測幾個方向的變形，便于研究巖體的各向異性。缺點：試驗涉及的巖體體積小，代表性受到局限。聲波法通過測量巖體中縱波和橫波的傳播速度，來確定其變形參數(shù)。即：Emd=ρvp2(1+μd)(1-2μd)/(1-μd)Emd=2ρvs2(1+μd)Gmd=ρvs2

μd=(vp2-2vs2)/2(vp2-vs2)

式中：Emd-巖體的動彈性模量(Gpa)；μd-巖體的泊松比；Gmd-巖體的動剪切模量(Gpa)ρ-巖體密度(g/cm3)；Vp-縱波速度(m/s)；vs-橫波速度(m/s)（三）、巖體變形曲線類型及其特征

法向變形曲線直線型上凹型上凸型復合型直線型通過原點的直線，其方程為p＝f(W)＝KW加壓過程中W隨p成正比增加巖體巖性均勻、結構面不發(fā)育或結構面分布均勻巖體剛度大，不易變形，巖體較堅硬、完整、致密均勻、少裂隙，以彈性變形為主，接近于均質(zhì)彈性體。

巖體剛度低、易變形，由多組結構面切割且分布較均勻或巖性較軟弱且均質(zhì)或平行層面加壓。有明顯的塑性變形和回滯環(huán)，非彈性變形。

陡直線型緩直線型上凹型曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增大而遞增，dp/dW＞0層狀及節(jié)理巖體多呈這類曲線

巖體剛度隨循環(huán)次數(shù)增加而增大，彈性變形成分較大。多為垂直層面加壓的較堅硬層狀巖體。卸壓曲線較陡，變形大部分為塑性變形。多為存在軟弱夾層的層狀巖體及裂隙巖體或垂直層面加壓的層狀巖體。第二種情況第一種情況上凸型曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增加而遞減，d2p/dW2＜0。結構面發(fā)育且有泥質(zhì)充填的巖體、較深處埋藏有軟弱夾層或巖性軟弱的巖體常呈這類曲線。復合型p-W曲線呈階梯或“S”型。結構面發(fā)育不均或巖性不均勻的巖體，常呈此類曲線。（三）、巖體變形參數(shù)估算一是在現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的基礎上，建立適當?shù)膸r體地質(zhì)力學模型，利用室內(nèi)小試件試驗資料來估算。二是在巖體質(zhì)量評價和大量試驗資料的基礎上，建立巖體分類指標與變形參數(shù)之間的經(jīng)驗關系，并用于變形參數(shù)估算。二、巖體的強度性質(zhì)巖體強度受巖塊、結構面強度及巖塊與結構面組合形式控制，巖體強度既不等于巖塊的強度也不等于結構面的強度，而是兩者共同影響表現(xiàn)出來的強度某些情況下可用巖塊強度或結構面強度來代替（一）、結構面剪切強度據(jù)結構面形態(tài)、連續(xù)性、充填情況及力學性質(zhì)，結構面分為：平直光滑無充填的粗糙起伏無充填的非貫通斷續(xù)的軟弱充填的（二）巖體的剪切強度

1、巖體中任一方向的剪切面，在一定的法向應力作用下所能抵抗的最大剪應力－巖體的剪切強度

2、巖體剪切強度分類剪斷強度摩擦強度抗切強度

3、控制因素結構面應力狀態(tài)巖性風化程度1、原位巖體剪切試驗及其強度參數(shù)確定雙千斤頂法直剪試驗

巖體剪應力(τ)-剪位移(u)曲線及法向應力(σ)-法向變形(W)曲線。剪切強度曲線及巖體剪切強度參數(shù)Cm，φm值各類巖體的剪切強度參數(shù)表巖體內(nèi)摩擦角與巖塊較接近，而內(nèi)聚力則大大低于巖塊。說明結構面的存在主要是降低了巖體的連結能力，進而降低其內(nèi)聚力。2、巖體的剪切強度特征巖體的剪切強度是具有上限和下限的值域，其強度包絡線是有上限和下限的曲線族。上限是巖塊的剪斷強度,下限是結構面的抗剪強度。應力σ較低時，強度變化范圍較大，隨著應力增大，范圍逐漸變小。應力σ高到一定程度時，包絡線變?yōu)橐粭l曲線，巖體強度將不受結構面影響而趨于各向同性體。沿結構面剪切(重剪破壞)時，巖體剪切強度最低，等于結構面的抗剪強度。橫切結構面剪切(剪斷破壞)時，巖體剪切強度最高。沿復合剪切面剪切(復合破壞)時，其強度介于以上兩者之間。堅硬巖石的強度曲線軟弱巖石的強度曲線（三）、裂隙巖體的壓縮強度

巖體的壓縮強度分為單軸抗壓強度和三軸壓縮強度。在生產(chǎn)實際中，通常是采用原位單軸壓縮和三軸壓縮試驗來確定。單軸壓縮三軸壓縮第三節(jié)巖體的工程分類目前，國內(nèi)外有關巖體工程分類方法較多，有一般性的分類，也有專門性的分類，有定性的，也有定量的分類。分類原則考慮的因素也不盡相同一、RQD分類二、節(jié)理巖體的RMR分類三、巴頓巖體質(zhì)量（Q）分類四、巖體質(zhì)量指標（RMQ）分類－M法第四節(jié)風化巖體的工程地質(zhì)特征巖體風化：指巖體在各種風化營力，如太陽能、大氣、水及動植物有機體等的作用下，發(fā)生物理化學變化的過程巖體經(jīng)風化后，它的工程地質(zhì)特征發(fā)生以下變化：

1、巖體的完整性進一步遭到破壞；

2、巖石的礦物成分和化學成分發(fā)生變化；

3、巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化。總之，從工程建筑的角度來看，巖體經(jīng)受風化后，其優(yōu)良性質(zhì)削弱，不良性質(zhì)加強，甚至喪失了原來牢固的連結和完整性，變?yōu)樗绍浲粒瑥母旧细淖兞藥r體的性質(zhì)。從而使建筑條件大大惡化。對于重大建筑來說