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1、第二章 岩块和岩体的地质特征第一节 概 述 岩体力学研究的对象是在各种地质作用下形成的天然岩体。这些岩体，尤其是与人类工程活动密切相关的地壳表层岩体，其物理力学性质和力学属性，在很大程度上受形成和改造岩体的各种地质作用过程所控制，往往表现出非均匀、非连续、各向异性和多相性特征。因此，在岩体力学研究中，应将岩体地质特征的研究工作置于相当重要的地位。岩块和岩体均为岩石物质和岩石材料。传统的工程地质方法往往是按岩石的成因，取小块试件在室内进行矿物成分、结构构造及物理力学性质的测定，以评价其对工程建筑的适宜性。大量的工程实践表明，用岩块性质来代表原位工程岩体的性质是不合适的。因此，自20世纪60年代起
2、，国内外工程地质和岩体力学工作者都注意到岩体与岩块在性质上有本质的区别，其根本原因之一是岩体中存在有各种各样的结构面及不同于自重应力的天然应力场和地下水。因而，从岩体力学观点出发提出了岩块、结构面和岩体等基本概念。本章将重点讨论岩块、结构面和岩体的地质特征，影响岩块与岩体物理力学性质的主要地质因素以及岩体工程分类等问题。第二节 岩 块一、岩块的物质组成岩块(rock或rock block)是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。这一定义里的显著一词是个比较模糊的说法,一般来说，能明显地将岩石切割开来的分界面叫显著结构面，而包含在岩石块体内结合比较牢固的面如微层面、微裂隙等都属
3、于不显著的结构面。在国内外，有些学者把岩块称为结构体(structural element)、岩石材料(rockmaterial)及完整岩石(intact rock)等等。岩石是由具有一定结构构造的矿物(含结晶和非结晶的)集合体组成的。因此，新鲜岩块的力学性质主要取决于组成岩块的矿物成分及其相对含量。一般来说，含硬度大的粒柱状矿物(如石英、长石、角闪石、辉石等)愈多时，岩块强度愈高；含硬度小的片状矿物(如云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等)愈多时，则岩块强度愈低。自然界中的造岩矿物有：含氧盐、氧化物及氢氧化物、卤化物、硫化物和自然元素五大类。其中以含氧盐中的硅酸盐、碳酸盐及氧化物类矿物最常见，构成
4、了几乎99.9的地壳岩石。而其他矿物的工程地质意义不大。常见的硅酸盐类矿物有长石、辉石、角闪石、橄榄石及云母和粘土矿物等。这类矿物除云母和粘土矿物外，硬度大，呈粒、柱状晶形。因此，含这类矿物多的岩石如花岗岩、闪长岩及玄武岩等，强度高，抗变形性能好。但该类矿物多生成于高温环境，与地表自然环境相差较大，在各种风化营力的作用下，易风化成高岭石、水云母等。尤以橄榄石、基性斜长石等抗风化能力最差，长石、角闪石次之。粘土矿物属层状硅酸盐类矿物，主要有高岭石、水云母及蒙脱石三类，具薄片状或鳞片状构造，硬度小。因此含这类矿物多的岩石如粘土岩、粘土质岩，物理力学性质差，并具有不同程度的胀缩性，特别是含蒙脱石多的
5、膨胀岩，其物理力学性质更差。碳酸盐类矿物是石灰岩和白云岩类的主要造岩矿物。岩石的物理力学性质取决于岩石中CaCO3及酸不溶物的含量。CaCO3含量越高，如纯灰岩、白云岩等强度高、抗变形和抗风化性能都比较好。泥质含量高的，如泥质灰岩、泥灰岩等，力学性质较差。但随岩石中硅质含量的增高，岩石性质将不断变好。另外，碳酸盐类岩体中，常发育各种岩溶现象，使岩体性质趋于复杂化。氧化物类矿物以石英最常见，是地壳岩石的主要造岩矿物。呈等轴晶系、硬度大，化学性质稳定。因此，一般随石英含量增加，岩块的强度和抗变形性能都明显增强。岩块的矿物组成与岩石的成因及类型密切相关。岩浆岩多以硬度大的粒柱状硅酸盐、石英等矿物为主
6、，所以其岩块物理力学性质一般都很好。沉积岩中的粗碎屑岩如砂砾岩等，其碎屑多为硬度大的粒柱状矿物，岩块的力学性质除与碎屑成分有关外，在很大程度上取决于胶结物成分及其类型。细碎屑岩如页岩、泥岩等，矿物成分多以片状的粘土矿物为主，其岩块力学性质很差。变质岩的矿物组成与母岩类型及变质程度有关。浅变质的副变质岩如千枚岩、板岩等多含片状矿物(如绢云母、绿泥石及粘土矿物等)，岩块力学性质较差。深变质岩如片麻岩、混合岩、石英岩等，多以粒柱状矿物(如长石、石英、角闪石等)为主，因而其岩块力学性质好。二、岩块的结构与构造岩块的结构是指岩石内矿物颗粒的大小、形状和排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块
7、构成上的特征。岩块的结构特征，尤其是矿物颗粒间连结及微结构面的发育特征对岩块的力学性质影响很大。矿物颗粒间具有牢固的连结是岩石区别于土并赋予岩石以优良工程地质性质的主要原因。岩石的粒间连结分结晶连结与胶结连结两类。结晶连结是矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩均具这种连结。它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触，故一般强度较高。但是不同的结晶结构对岩块性质的影响不同。一般来说，等粒结构的岩块强度比非等粒结构的高，且抗风化能力强。在等粒结构中，细粒结构岩块强度比粗粒结构的高。在斑状结构中，具细粒基质的岩块强度比玻璃质基质的高。总之，结晶愈细愈均匀，非晶质成分愈少，
8、岩块强度愈高，如某粗粒花岗岩的抗压强度(c)为120MPa，而其成分相同的细粒花岗岩c可达250MPa。胶结连结是矿物颗粒通过胶结物连结在一起，如碎屑岩等具这种连结方式。胶结连结的岩块强度取决于胶结物成分及胶结类型。一般来说，硅质胶结的岩块强度最高；铁质、钙质胶结的次之；泥质胶结的岩块强度最低，且抗水性差。如某地具不同胶结物的砂岩抗压强度为：硅质胶结的c207.5MPa；铁质胶结的c105.9MPa；钙质胶结的c84.2MPa；泥质胶结的c55.6MPa。从胶结类型来看，常以基底式胶结的岩块强度最高，孔隙式胶结的次之，接触式胶结的最低。微结构面是指存在于矿物颗粒内部或颗粒间的软弱面或缺陷，包括
9、矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层面及片理面、片麻理面等。它们的存在不仅降低了岩块的强度，还往往导致岩块力学性质具有明显的各向异性。岩块的构造是指矿物集合体之间及其与其他组分之间的排列组合方式。如岩浆岩中的流线、流面构造，沉积岩中的微层状构造，变质岩中的片状构造及其定向构造等等。这些都可使岩块物理力学性质复杂化。由上述可知岩块的结构构造不同，其力学性质及其各向异性和不连续性程度也不同。因此，在研究岩块的力学性质时也要注意其各向异性和不连续性。但是相对岩体而言，岩体的各向异性和不连续性更为显著，因此，在岩体力学研究中，通常又把岩块近似地视为均质、各向同性的连续介质。三、岩块的风化程度众所
10、周知，风化作用可以改变岩石的矿物组成和结构构造，进而改变岩块的物理力学性质。一般来说，随风化程度的加深，岩块的空隙率和变形随之增大，强度降低，渗透性加大。不同的岩石对风化作用的反应是不同的。如花岗岩类岩石，常先发生破裂，而后被渗入的雨水形成的碳酸所分解。碳酸与长石、云母、角闪石等矿物作用，析出Fe，Mg，K，Na等可溶盐以及游离SiO2，并被地下水带走，而岩屑、粘土物质和石英颗粒等残留在原地。基性岩浆岩的风化过程，与中酸性岩浆岩类似，只是其风化残留物多为粘土；石灰岩的风化残留物为富含杂质的粘土；砂砾岩的风化，常仅发生解体破碎，等等。因此，研究岩体风化时，应考虑到岩石的风化程度及风化产物的类型。
11、岩块的风化程度可通过定性指标和某些定量指标来表述。定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程度及开挖锤击技术特征等。定量指标主要有风化空隙率指标和波速指标等。风化空隙率指标(Iw)是汉罗尔(Hamral，1961)提出的。Iw是快速浸水后风化岩块吸入水的质量与干燥岩块质量之比。借此可近似地反映风化岩块空隙率的大小。国家标准岩土工程勘察规范GB50021-94中提出用风化岩块的纵波速度(vcp)、波速比(kv)和风化系数(kf)等指标来评价岩块的风化程度，其中kv、kf的定义为： (2-1) (2-2)式中：vcp，vrp分别为风化岩块和新鲜岩块的纵波速度(ms)；cw，cw分别为风化岩块和新鲜
12、岩块的饱和单轴抗压强度(MPa)。按岩块的vcp,kv和kf将硬质岩石的风化分级划分如表2-1。表2-1 硬质岩石按波速指标的风化分级表 (据岩土工程勘察规范，1995)第三节 结构面结构面(structuraLplane)是指地质历史发展过程中，在岩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或带。它包括物质分异面和不连续面，如层面、不整合面、节理面、断层、片理面等。国内外一些文献中又称为不连续面(discontinuities)或节理(joint)。在结构面中，那些规模较大、强度低、易变形的结构面又称为软弱结构面。结构面对工程岩体的完整性、渗透性、物理力学性质及应力传递等都有
13、显著的影响，是造成岩体非均质、非连续、各向异性和非线弹性的本质原因之一。因此，全面深入细致地研究结构面的特征是岩体力学中的一个重要课题。一、结构面的成因类型(一)地质成因类型根据地质成因的不同，可将结构面划分为原生结构面、构造结构面和次生结构面三类，各类结构面的主要特征如表2-2。表2-2 岩体结构面的类型及其特征(据张咸恭，1979) 成因类型地质类型主 要 特 征工程地质评价产 状分 布性 质原生结构面沉积结构面1层理层面2软弱夹层3不整合面、假整合面4沉积间断面一般与岩层产状一致，为层间结构面海相岩层中此类结构面分布稳定，陆相岩层中呈交错状，易尖灭层面、软弱夹层等结构面较为平整；不整合面
14、及沉积间断面多由碎屑泥质物构成，且不平整国内外较大的坝基滑动及滑坡很多由此类结构面所造成的，如奥斯汀、圣·弗朗西斯、马尔帕塞坝的破坏，瓦依昂水库附近的巨大滑坡 岩浆结构面 侵入体与围岩接触面岩浆岩结构面1侵入体与围岩接触面2岩脉岩墙接触面3原生冷凝节理岩脉受构造结构面控制，而原生节理受岩体接触面控制接触面延伸较远，比较稳定，而原生节理往往短小密集与围岩接触面可具熔合及破碎两种不同的特征，原生节理一般为张裂面，较粗糙不平一般不造成大规模的岩体破坏，但有时与构造断裂配合，也可形成岩体的滑移，如有的坝肩局部滑移变质结构面1片理2片岩软弱夹层产状与岩层或构造方向一致片理短小，分布极密，片岩软
15、弱夹层延展较远，具固定层次结构面光滑平直，片理在岩层深部往往闭合成隐蔽结构面，片岩软弱夹层具片状矿物，呈鳞片状在变质较浅的沉积岩，如千枚岩等路堑边坡常见塌方。片岩夹层有时对工程及地下洞体稳定也有影响构造结构面1节理(X型节理、张节理)2断层(冲断层、捩断层、横断层)3层间错动4羽状裂隙、劈理产状与构造线呈一定关系，层间错动与岩层一致张性断裂较短小，剪切断裂延展较远，压性断裂规模巨大，但有时为横断层切割成不连续状张性断裂不平整，常具次生充填，呈锯齿状，剪切断裂较平直，具羽状裂隙，压性断层具多种构造岩，成带状分布，往往含断层泥、糜棱岩对岩体稳定影响很大，在上述许多岩体破坏过程中，大都有构造结构面的
16、配合作用。此外常造成边坡及地下工程的塌方、冒顶次生结构面1卸荷裂隙2风化裂隙3风化夹层4泥化夹层5次生夹泥层受地形及原结构面控制分布上往往呈不连续状，透镜状，延展性差，且主要在地表风化带内发育一般为泥质物充填，水理性质很差在天然及人工边坡上造成危害，有时对坝基、坝肩及浅埋隧洞等工程亦有影响，但一般在施工中予以清基处理1.原生结构面这类结构面是岩体在成岩过程中形成的结构面，其特征与岩体成因密切相关，因此又可分为沉积结构面、岩浆结构面和变质结构面三类。沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，包括层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。沉积结构面的特征与沉积岩的成层性有关，一般延伸性较强，常贯
17、穿整个岩体，产状随岩层产状而变化。如在海相沉积岩中分布稳定而清晰；在陆相岩层中常呈透镜状。岩浆结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等。变质结构面可分为残留结构面和重结晶结构面。残留结构面主要是沉积岩经变质后，在层面上绢云母、绿泥石等鳞片状矿物富集并呈定向排列而形成的结构面，如千枚岩的千枚理面和板岩的板理面等。重结晶结构面主要有片理面和片麻理面等，它是岩石发生深度变质和重结晶作用下，片状矿物和柱状矿物富集并呈定向排列形成的结构面，它改变了原岩的面貌，对岩体的物理力学性质常起控制性作用。原生结构面中，除部分经风化卸荷作用裂开者外
18、，多具有不同程度的连结力和较高的强度。2.构造结构面这类结构面是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面，包括断层、节理、劈理和层间错动面等。构造结构面除被胶结者外，绝大部分都是脱开的。规模大者如断层、层间错动等，多数有厚度不等、性质各异的充填物，并发育有由构造岩组成的构造破碎带，具多期活动特征。在地下水的作用下，有的已泥化或者已变成软弱夹层。因此这部分构造结构面(带)的工程地质性质很差，其强度接近于岩体的残余强度，常导致工程岩体的滑动破坏。规模小者如节理、劈理等，多数短小而密集，一般无充填或只具薄层充填，主要影响岩体的完整性和力学性质。3.次生结构面这类结构面是岩体形成后在外营力作用下产生
19、的结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。卸荷裂隙面是因表部被剥蚀卸荷造成应力释放和调整而产生的，产状与临空面近于平行，并具张性特征。如河谷岸坡内的顺坡向裂隙及谷底的近水平裂隙等，其发育深度一般达基岩面以下510m，局部可达数十米，甚至更大。谷底的卸荷裂隙对水工建筑物危害很大，应特别注意。风化裂隙一般仅限于地表风化带内，常沿原生结构面和构造结构面叠加发育，使其性质进一步恶化。新生成的风化裂隙，延伸短，方向紊乱，连续性差。泥化夹层是原生软弱夹层在构造及地下水共同作用下形成的；次生夹泥层则是地下水携带的细颗粒物质及溶解物沉淀在裂隙中形成的。它们的性质一般都很差，属软弱结构面。(二)
20、力学成因类型从大量的野外观察、试验资料及莫尔强度理论分析可知，在较低围限应力(相对岩体强度而言)下，岩体的破坏方式有剪切破坏和拉张破坏两种基本类型。因此，相应地按破裂面的力学成因可分为剪性结构面和张性结构面两类。张性结构面是由拉应力形成的，如羽毛状张裂面、纵张及横张破裂面，岩浆岩中的冷凝节理等等。羽毛状张裂面是剪性断裂在形成过程中派生力偶所形成的，它的张开度在邻近主干断裂一端较大，且沿延伸方向迅速变窄，乃至尖灭。纵张破裂面常发生在背斜轴部，走向与背斜轴近于平行，呈上宽下窄。横张破裂面走向与褶皱轴近于垂直，它的形成机理与单向压缩条件下沿轴向发展的劈裂相似。一般来说，张性结构面具有张开度大、连续性
21、差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎带较宽等特征。其构造岩多为角砾岩，易被充填。因此，张性结构面常含水丰富，导水性强等。剪性结构面是剪应力形成的，破裂面两侧岩体产生相对滑移，如逆断层、平移断层以及多数正断层等。剪性结构面的特点是连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等现象发育。二、结构面的规模与分级结构面的规模大小不仅影响岩体的力学性质，而且影响工程岩体力学作用及其稳定性。按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，可将结构面分为如下5级。级 指大断层或区域性断层，一般延伸约数公里至数十公里以上，破碎带宽约数米至数十米乃至几百米以上。有些区域性大断层往往具有现代活动性，给工程建设带
22、来很大的危害，直接关系着建设地区的地壳稳定性，影响山体稳定性及岩体稳定性。所以，一般的工程应尽量避开，如不能避开时，也应认真进行研究，采取适当的处理措施。级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面，如较大的断层、层间错动、不整合面及原生软弱夹层等。其规模贯穿整个工程岩体，长度一般数百米至数千米，破碎带宽数十厘米至数米。常控制工程区的山体稳定性或岩体稳定性，影响工程布局，具体建筑物应避开或采取必要的处理措施。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。宽度一般数厘米至1m左右。它主要影响或控制工程岩体，如地下洞室围岩及边坡岩体的稳定性等等。级 指延伸较差的节理、层面、次生
23、裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。长度一般数十厘米至2030m，小者仅数厘米至十几厘米，宽度为零至数厘米不等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。该级结构面数量多，分布具随机性，主要影响岩体的完整性和力学性质，是岩体分类及岩体结构研究的基础，也是结构面统计分析和模拟的对象。级 又称微结构面。指隐节理、微层面、微裂隙及不发育的片理、劈理等，其规模小，连续性差，常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质。上述5级结构面中，、级结构面又称为软弱结构面，级结构面多数也为软弱结构面，、级结构面为硬性结构面。不同级别的结构面，对岩体力学性质的影响及在工程岩体稳定
24、性中所起的作用不同。如级结构面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；、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(如滑坡、崩塌等)的边界面，直接威胁工程的安全稳定性；级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，是岩体结构研究的重点，也是难点，因为相对于工程岩体来说级以上结构面分布数量少，甚至没有，且规律性强，容易搞清楚，而级结构面数量多且具随机性，其分布规律不太容易搞清楚，需用统计方法进行研究；级结构面控制岩块的力学性质，等等。但各级结构面是互相制约、互相影响，并非孤立的。这些特点在实际工作中应予注意。三、结构面特征及其对岩体性质
25、的影响图2-1 结构面产状对破坏机理的影响示意图结构面对岩体力学性质的影响是不言而喻的，但其影响程度则主要取决于结构面的发育情况。如岩性完全相同的两种岩体，由于结构面的空间方位、连续性、密度、形态、张开度及其组合关系等的不同，在外力作用下，这两种岩体将呈现出完全不同的力学反应。因此研究结构面特征及其力学效应是十分必要的。下面主要就级结构面进行讨论。(一)产状结构面的产状常用走向、倾向和倾角表示。结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度。如图2-1所示，当结构面与最大主平面的夹角为锐角时，岩体将沿结构面滑移破坏(图2-1(a)；当0°时，表现为横切结构面产生剪断岩体破坏(图
26、2-1(b)；当90°时，则表现为平行结构面的劈裂拉张破坏(图2-1(c)。随破坏方式不同，岩体强度也发生变化。据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极限强度1与结构面倾角间的关系为： (2-3)图2-2 结构面的线连续性系数计算图式中：Cj，j分别为结构面的粘聚力和摩擦角。由(2-3)式可知：当围压3不变时，岩体强度(13)随结构面倾角变化而变化。(二)连续性结构面的连续性反映结构面的贯通程度，常用线连续性系数、迹长和面连续性系数表示。线连续性系数(K1)是指沿结构面延伸方向上，结构面各段长度之和(a)与测线长度的比值(图2-2)，即： (2-4)式中：a，b分别为结构面及
27、完整岩石长度之和。K1变化在01之间，K1值愈大说明结构面的连续性愈好，当K11时，结构面完全贯通。另外，国际岩石力学学会(1978)主张用结构面的迹长来描述和评价结构面的连续性，并制订了相应的分级标准(表2-3)。结构面的连续性对岩体的变形、变形破坏机理、强度及渗透性都有很大的影响。(三)密度结构面的密度反映结构面发育的密集程度，常用线密度、间距等指标表示。线密度(Kd)是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数(条m)；间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离；两者互为倒数关系，即 (2-5)按以上定义，则要求测线沿结构面法线方向布置，但在实际结构面量测中，由于露
28、头条件的限制，往往达不到这一要求。如果测线是水平布置的，且与结构面法线的夹角为，结构面的倾角为时，则Kd可用下式计算： (2-6)式中：L为测线长度，一般应为2050m；Kd为测线方向某组结构面的线密度，n为结构面条数。当岩体中包含有多组结构面时，可用叠加方法求得水平测线方向上的结构面线密度。结构面的密度控制着岩体的完整性和岩块的块度。一般来说，结构面发育愈密集，岩体的完整性愈差，岩块的块度愈小，进而导致岩体的力学性质变差，渗透性增强。普里斯特等人(Priest等，1976)提出用线密度(Kd)来估算岩体质量指标RQD(rock quality designation)为： (2-7)为了统一
29、描述结构面密度的术语，ISRM规定了分级标准如表2-4。表2-3 结构面连续性分级表 表2-4 结构面间距分级表(四)张开度结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。结构面两壁面一般不是紧密接触的，而是呈点接触或局部接触，接触点大部分位于起伏或锯齿状的凸起点。这种情况下，由于结构面实际接触面积减少，必然导致其粘聚力降低。当结构面张开且被外来物质充填时，则其强度将主要由充填物决定。另外，结构面的张开度对岩体的渗透性有很大的影响。如在层流条件下，平直而两壁平行的单个结构面的渗透系数(Kf)可表达为： (2-8)式中：e为结构面张开度(mm)，它的描述术语和分级标准如表2-5所示；为水的运动粘滞系
30、数(cm2s)；g为重力加速度。 表2-5 结构面张开度分级表根据大量的野外实测统计表明，级及部分级结构面的产状、迹长、间距及张开度等几何特征参数，服从于某种随机分布规律，而非定值。表26列出了结构面几何要素常见的概率分布规律，同时还给出了这些分布函数的表达式，供使用时参考。这些分布规律对结构面网络及连通网络模拟、研究结构面的空间分布、岩体质量评价及岩体力学性质参数确定等都是很有用的。表2-6 结构面几何要素经验概率分布形式表图2-4 结构面的起伏角计算图图2-5 标准粗糙程度剖面及其JRC值(据Barton，1977)图2-3 结构面的起伏形态示意图平直的；b.台阶状的；c.锯齿状的；d.波
31、状的；e.不规则状的(五)形态结构面的形态对岩体的力学性质及水力学性质存在明显的影响，结构面的形态可以从侧壁的起伏形态及粗糙度两方面进行研究。据统计，结构面侧壁的起伏形态可分为：平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的几种(图2-3)。而侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示如下(图2-4)： (2-9)式中：h为平均起伏差；L为平均基线长度。结构面的粗糙度可用粗糙度系JRC(joint roughness coefficient)表示，随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。据巴顿(Barton，1977)的研究可将结构面的粗糙度系数划分为如图2-5的10级。在实际工作中，可用结构面纵剖面仪
32、测出所研究结构面的粗糙剖面，然后与图2-5所示的标准剖面进行对比，即可求得结构面的粗糙度系数JRC。(六)充填胶结特征结构面经胶结后，总的来说，力学性质有所改善。改善的程度因胶结物成分不同而异。以铁硅质胶结的强度最高，往往与岩石强度差别不大，甚至超过岩石强度，这类结构面一般不予研究。而泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。未胶结具一定张开度的结构面往往被外来物质所充填，其力学性质取决于充填物成分、厚度、含水性及壁岩的性质等。就充填物成分来说，以砂质、砾质等粗粒充填的结构面性质最好，粘土质(如高岭石、绿泥石、水云母、蒙脱石等)和易溶盐类充填的结构面性质最差。按充填物厚度和连续性，结构面
33、的充填可分为：薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填4类。薄膜充填是结构面两壁附着一层极薄的矿物膜，厚度多小于1mm，多为应力矿物和蚀变矿物等。这种充填厚度虽薄，但因多是性质不良矿物，因而明显地降低了结构面的强度。断续充填的充填物不连续且厚度小于结构面的起伏差，结构面的力学性质与充填物性质、壁岩性质及结构面的形态有关。连续充填的充填物分布连续，且厚度大于结构面的起伏差，结构面的力学性质主要取决于充填物性质。厚层充填的充填物厚度远大于结构面的起伏差，大者可达数十厘米以上，结构面的力学性质很差，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。(七)结构面的组合关系结构面的组合关系控制着可能滑移岩体的几何边界条
34、件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型，它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。任何坚硬岩体的块体滑移破坏，都必须具备一定的几何边界条件。因此，在研究岩体稳定性时，必须研究结构面之间及其与临空面之间的组合关系，确定可能失稳块体的形态、规模和可能滑移方向等。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、软弱结构面以上讨论的主要是级及部分级结构面(硬性结构面)的特征及其力学影响。这里再简要地讨论一下软弱结构面的特征及其力学影响。软弱结构面就其物质组成及微观结构而言，主要包括原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其他夹泥层等。它们实际上是岩体中具有一定厚度的软弱带(层)，与两
35、盘岩体相比具有高压缩和低强度等特征，在产状上多属缓倾角结构面。因此，软弱结构面在工程岩体稳定性中具有很重要的意义，往往控制着岩体的变形破坏机理及稳定性，如我国葛洲坝电站坝基及小浪底水库坝肩岩体中都存在着泥化夹层问题，极大地影响着水库大坝的安全，需特殊处理。其中最常见危害较大的是泥化夹层，故作重点讨论。泥化夹层是含泥质的软弱夹层经一系列地质作用演化而成的。它多分布在上下相对坚硬而中间相对软弱刚柔相间的岩层组合条件下。在构造运动作用下产生层间错动、岩层破碎、结构改组，并为地下水渗流提供了良好的通道。水的作用使破碎岩石中的颗粒分散、含水量增大，进而使岩石处于塑性状态(泥化)，强度大为降低，水还使夹层
36、中的可溶盐类溶解，引起离子交换，改变了泥化夹层的物理化学性质。泥化夹层具有以下特性：由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构或泥质定向结构；粘粒含量很高；含水量接近或超过塑限，密度比原岩小；常具有一定的胀缩性； 力学性质比原岩差，强度低，压缩性高；由于其结构疏松，抗冲刷能力差，因而在渗透水流的作用下，易产生渗透变形。以上这些特性对工程建设，特别是对水工建筑物的危害很大。对泥化夹层的研究，应着重于研究其成因类型、存在形态、分布、所夹物质的成分和物理力学性质以及这些性质在条件改变时的变化趋势等。第四节 岩 体一、岩体的定义与组成岩体(rockmass)是指在地质历史过程中形成的，由岩石单元体(或
37、称岩块)和结构面网络组成的，具有一定的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。国内外一些文献中也有称为岩石的。岩体是由结构面网络及其所围限的岩石块体所组成。这种岩石块体(或称岩石单元体)被称为结构体，它的大小、形态及其活动性取决于结构面的密度、连续性及其组合关系。岩体的组成对岩体的力学性质以及稳定性具有重要的影响。具有一定的结构是岩体的显著特征之一。岩体在其形成与存在过程中，长期经受着复杂的建造和改造两大地质作用，生成了各种不同类型和规模的结构面，如断层、节理、层理、片理、裂隙等。受这些结构面的交切，使岩体形成一种独特的割裂结构。因此，岩体的力学性质及其力学作用不仅受岩体的
38、岩石类型控制，更主要的是受岩体中结构面以及由此形成的岩体结构所控制。岩体中存在着复杂的天然应力状态和地下水，这是岩体与其他材料的根本区别之一。因此研究岩体在外力作用下的力学习性及其稳定性时，必须充分考虑天然应力，特别是构造应力和水的影响。二、岩体的结构特征岩体结构(rockmass structure)是指岩体中结构面与结构体的排列组合特征，因此，岩体结构应包括两个要素或称结构单元，即结构面和结构体。也就是说不同的结构面与结构体之间，以不同方式排列组合形成了不同的岩体结构。大量的工程失稳实例表明：工程岩体的失稳破坏，往往主要不是岩石材料本身的破坏，而是岩体结构失稳引起的。所以，不同结构类型的岩
39、体，其物理力学性质、力学效应及其稳定性都是不同的。在第三节中我们对结构面的特征作了详细讨论，不予重复。这里仅就结构体特征及岩体结构类型作一简单的讨论。(一)结构体特征结构体(structural element)是指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。有的文献上把结构体称为岩块，但岩块和结构体应是两个不同的概念。因为不同级别的结构面所切割围限的岩石块体(结构体)的规模是不同的。如级结构面所切割的级结构体，其规模可达数平方公里，甚至更大，称为地块或断块；、级结构面切割的、级结构体规模又相应减小；只有级结构面切割的级结构体，才被称为岩块，它是组成岩体最基本的单元体。所以，结构体和结构面一样也是有级序
40、的，一般将结构体划分为4级。其中以级结构体规模最小，其内部还包含有微裂隙、隐节理等级结构面。较大级别的结构体是由许许多多较小级别的结构体所组成，并存在于更大级别的结构体之中。结构体的特征常用其规模、形态及产状等进行描述。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。常用单位体积内的级结构体数(块度模数)来表示，也可用结构体的体积表示。结构体的规模不同，在工程岩体稳定性中所起的作用也不同。结构体的形态极为复杂，常见的形状有：柱状、板状、楔形及菱形等(图2-6)。在强烈破碎的部位，还有片状、鳞片状、碎块状及碎屑状等形状。结构体的形状不同，其稳定性也不同。一般来说，板状结构体比柱状、菱
41、形状的更容易滑动，而楔形结构体比锥形结构体稳定性差。但是，结构体的稳定性往往还需结合其产状及其与工程作用力方向和临空面间的关系作具体分析。图2-6 结构体形状典型类型示意图(据孙广忠，1983)a，b柱状结构体；d，e菱形或板状结构体；c，f，g，h，j楔、锥形结构体；i板状结构体 结构体的产状一般用结构体的长轴方向表示。它对工程岩体稳定性的影响需结合临空面及工程作用力方向来分析。比如，一般来说，平卧的板状结构体与竖直的板状结构体的稳定性不同，前者容易产生滑动，后者容易产生折断或倾倒破坏；又如，在地下洞室中，楔形结构体尖端指向临空方向时，稳定性好于其他指向；其他形状的结构体也可作类似的分析。(
42、二)岩体的结构类型划分表2-7 岩体结构类型划分表(引自岩土工程勘察规范 GB50021-94，1995)岩体结构类型岩体地质类型主要结构形状结构面发育情况岩土工程特征可能发生的岩土工程问题整体状结 构均质，巨块状岩浆岩、变质岩，巨厚层沉积岩、正变质岩巨块状以原生构造节理为主，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于15m，一般不超过12组，无危险结构面组成的落石掉块整体性强度高，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体不稳定结构体的局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆块状结构厚层状沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩块 状柱 状只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，裂隙结构面间距0.71.5m。一般为23组，有少量分离
43、体整体强度较高，结构面互相牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体层状结构多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩层 状板 状透镜体有层理、片理、节理，常有层间错动面接近均一的各向异性体，其变形及强度特征受层面及岩层组合控制，可视为弹塑性体，稳定性较差不稳定结构体可能产生滑塌，特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形碎裂状结构构造影响严重的破碎岩层块状 断层、断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育，裂隙结构面间距02505m，一般在3组以上，由许多分离体形成完整性破坏较大，整体强度很低，并受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质，稳定性很差易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳散体状结构构造
44、影响剧烈的断层破碎带，强风化带，全风化带碎屑状颗粒状断层破碎带交叉，构造及风化裂隙密集，结构面及组合错综复杂，并多充填粘性土，形成许多大小不一的分离岩块完整性遭到极大破坏，稳定性极差，岩体属性接近松散体介质易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳由于组成岩体的岩性，遭受的构造变动及次生变化的不均一性，导致了岩体结构的复杂性。为了概括地反映岩体中结构面和结构体的成因、特征及其排列组合关系，将岩体结构划分为5大类。各类结构岩体的基本特征列于表2-7。由表可知：不同结构类型的岩体，其岩石类型、结构体和结构面的特征不同，岩体的工程地质性质与变形破坏机理也都不同。但其根本的区别还在于结构面的性质及发
45、育程度，如层状结构岩体中发育的结构面主要是层面、层间错动；整体状结构岩体中的结构面呈断续分布，规模小且稀疏；碎裂结构岩体中的结构面常为贯通的且发育密集，组数多；而散体状结构岩体中发育有大量的随机分布的裂隙，结构体呈碎块状或碎屑状等。因此，我们在进行岩体力学研究之前，首先要弄清岩体中结构面的情况与岩体结构类型及其力学属性和岩体力学模型，使岩体稳定性分析建立在可靠的基础上。三、岩体成因与岩体特征按成因岩体可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。各类岩体的工程地质特征简述如下。(一)岩浆岩体岩浆岩在我国分布较广，其中以花岗岩类和玄武岩类最为常见。特点是无层理，产状复杂，其岩相则表现在结晶程度上。根据岩浆
46、活动方式，岩浆岩可分为深成岩、浅成岩和喷出岩三类。由于生成条件不同，因而其矿物组成、工程地质特征也各不相同。深成岩多为巨大的侵入体，如岩基、岩株等，岩性均一，变化较小。岩体呈整体状或块状结构，只在边缘相岩体中常存在流线、流面和各种原生节理。岩石结构相对较简单，多为中粗粒结构，颗粒均匀，且致密坚硬，孔隙率低，力学性质好，强度高。因此，深成岩体的工程地质性质是比较好的，常可作为大型建筑物的地基。但是，由于深成岩特有的生成环境和结构，也常显示出许多不足之处。主要表现在：抗风化能力弱，其风化带厚度较大，如华南花岗岩分布区风化带厚度一般可达50100m以上；深成岩中常有同期或后期岩脉穿插，岩体时代越老，
47、岩脉穿插愈多且复杂，使岩体的完整性遭到破坏，恶化了岩体的力学性质。浅成岩多呈岩床、岩墙和岩脉等小型侵入体。岩石多为斑状结构，均一性较差。岩石力学性质较好，抗风化能力强。喷出岩为火山喷出的熔岩凝固而成，由于火山喷发的多期性，火山熔岩往往与火山碎屑岩相间分布，呈似层状产出。岩石多呈玻璃质，结构致密。气孔构造、杏仁构造或流动构造(流线流面)及原生节理较发育。这些构造的存在使得喷出岩岩体的结构较为复杂，均一性差，各向异性显著，并有软弱夹层(带)发育，岩体的力学性质变差。在研究岩浆岩岩体力学性质时，除岩体本身外，还必须研究它与围岩的接触关系。岩浆岩与围岩的接触关系有冷接触和热接触两种。冷接触带没有变质和
48、蚀变现象，除少数为沉积接触外，常呈断层接触，具有一定厚度的接触破碎带。热接触的主要特点是有接触变质和蚀变现象，使接触部位岩石性质恶化，构成软弱结构面。(二)沉积岩体沉积岩由于其物质来源、搬运营力及沉积环境不同，形成的岩石类型、岩相及物理力学性质差异很大。其共同特点是具有层理构造，岩体呈层状结构。沉积岩包括他生沉积岩和自生沉积岩两大类。1他生沉积岩他生沉积岩按物质来源可分为陆源碎屑岩和火山碎屑岩两种。陆源碎屑岩包括各种砾岩、砂岩、粉砂岩和泥质岩。这类岩石的性质主要决定于胶结物成分、胶结方式及碎屑成分。胶结物成分主要有硅、铁、钙质和泥质几种，其力学强度与抗水性依次降低。对于碎屑成分，一般砾岩、砂岩
49、均以石英等硬矿物为主，因此其力学强度一般较高。角砾岩碎屑有时为灰岩、砂岩类等碎块，其力学性质较好，但易受溶蚀。时代较新、胶结较差的岩石，如第三纪及中生代砂砾岩类，常为钙、泥质胶结，固结程度低，并夹有泥质岩类夹层，因而岩体力学性质差，强度低，抗水性差。泥质岩主要包括页岩、泥岩等，常与其他碎屑岩或石灰岩互层或夹于其中，构成原生软弱夹层。这类岩石结构疏松，抗变形性差，强度低，易软化和泥化，隔水性好。火山碎屑岩的物质源于火山喷发作用。按其颗粒粗细可分为集块岩、火山角砾岩和凝灰岩等。火山碎屑岩的结构变化复杂、性质差异很大。其中凝灰岩和凝灰质页岩，结构疏松强度低，抗风化与抗水性能差，工程地质性质最差，其他
50、岩类则相对较好。2自生沉积岩自生沉积岩主要包括化学和生物化学沉积岩，其中以石灰岩和白云岩类最为常见。岩石多致密坚硬，强度较高，是良好的建筑石材。但这类岩体易被水溶蚀形成各种岩溶现象，大大降低了岩体的完整性和力学强度。(三)变质岩体变质岩的成因比较复杂，其物理力学性质变化大。多数岩石变质后都经历了不同程度的重结晶作用，结构较致密，抗水性增强，孔隙率较低，透水性弱，抗变形性能好，强度高。因此与沉积岩相比，变质岩的性质一般要好些。特别是泥质岩变质后性质大为改善。但是，变质岩中常发育有片理及片麻理等结构面，使岩石的连结力减弱并呈现明显的各向异性。变质岩按其成因不同可分为接触变质岩、动力变质岩及区域变质
51、岩三类。接触变质岩出现在岩浆岩与围岩的接触部位，其范围和性质取决于岩浆侵入体的大小、类型和围岩性质。岩石强度由于重结晶作用而有所提高。但由于侵入体的挤压作用，在接触带附近形成挤压破碎带，降低了岩体的完整性，岩体的抗风化能力和强度都将降低。动力变质岩是构造地质作用形成的，又称构造岩，主要沿较大的断层分布。其特点是构造破碎、胶结不良，裂隙很发育，岩体呈碎裂结构或散体结构。岩体的力学性质很差常构成软弱结构面(带)。构造岩又可分为碎块岩、压碎岩、断层角砾岩、糜棱岩和断层泥几种。区域变质岩分布范围较广，厚度大，变质程度在一定范围内较为均一。区域变质岩按其变质程度可分为深变质、中变质和浅变质岩三种。深变质
52、岩是高温高压条件下形成的，包括各类片麻岩、麻粒岩和混合岩。岩石重结晶程度高，矿物结晶较粗，因而岩体较完整坚硬，呈块状或整体状结构，总的来说，岩体强度高，抗水性较好。但岩体中发育的片麻理等结构面往往使岩体性质具各向异性，并降低了岩体的强度。中变质岩主要由各类片岩构成，其突出的特点是具有发育完善的片理构造。片岩的种类很多，由于原岩性质、矿物组成及片理构造的差异，岩体的物理力学性质相差很大。如石英片岩、角闪石片岩等的性质较好，强度相对较高，而云母片岩、绿泥石片岩及滑石片岩则性质差，强度低，且各向异性强烈。浅变质岩主要包括板岩和千枚岩类。特点是具有不完整的片理构造，鳞片状矿物(如绢云母、绿泥石等)富集
53、。岩体力学性质虽比原岩有所提高，但从整体上讲，其力学性质较差，强度低，且抗水性差。第五节 岩体的工程分类岩体工程分类是岩体力学中的一个重要研究课题。它既是工程岩体稳定性分析的基础，也是岩体工程地质条件定量化的一个重要途径。岩体工程分类实际上是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。其目的是通过分类，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。目前国内外已提出的岩体分类方案有数十种之多，其中
54、以考虑各种地下洞室围岩稳定性的居多。有定性的，也有定量或半定量的，有单一因素分类，也有考虑多种因素的综合分类。各种方案所考虑的原则和因素也不尽相同，但岩体的完整性和成层条件、岩块强度、结构面发育情况和地下水等因素都不同程度地考虑到了。下面主要介绍几种国内外应用较广、影响较大的分类方法。除这些分类方法外，本章第四节中介绍的岩体结构分类、铁道部提出的铁路隧道围岩分类、原国家建委提出的人工岩石洞室围岩分类等，在国内应用也很广泛，均可在实践工作中，根据具体岩体条件和工程类型选用。表2-8 岩块抗压强度(c)分类表类别岩块分类c(MPa)岩石类型举例A极高强度200石英岩、辉长岩、玄武岩B高强度1002
55、00大理岩、花岗岩、片麻岩C中等强度50100砂岩、板岩D低强度2550煤、粉砂岩、片岩E极低强度125白垩、盐岩一、岩块的工程分类(一)迪尔和米勒的双指标分类表2-9 岩块模量(Etc)分类表类别Etc分类EtcH高模量比500M中等模量比200500L低模量比200迪尔(Deere)和米勒(Miller)于1966年提出以岩块的单轴抗压强度(c)和模量比(Etc为c2处的切线模量Et与c的比值)作为分类指标。分类时首先按c将岩块分为5类，如表2-8所示。然后，再按Etc将岩块分为如表2-9所示的3类。最后综合二者，将岩块划分成不同类别，如AH(高模量比极高强度岩块)、BL(低模量比高强度岩块)等。这一分类的优点是较全面地反映了岩块的变形与强度性质，使用简便。(二
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