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第4章
岩体的力学性质及岩体分类结构面：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。§4-1结构面、结构体、岩体
一、结构体的大小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：岩体结构整体结构层状结构块状结构碎裂结构散体结构§4-2岩体的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。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。岩体体变变形形机机制制受受岩岩体体结结构构控控制制岩体结构整体状结构碎裂状结构块状结构变形成分主要的岩块压缩变形结构面滑移变形结构体滑移及压缩变形次要的微结构面错动结构体及结构面压缩及结构体性状改变结构体压缩及形状改变侧胀系数小于0.5常大于0.5极微小变形系数结构体压缩及形状改变压密沿结构面滑移控制岩体变形的主要因素岩石、岩相特征及Ⅴ级结构面特征开裂的不连续的Ⅲ、Ⅳ级结构面贯通的Ⅰ、Ⅱ级结构面，主要为软弱结构面岩体体的的破破坏坏机机制制也也受受控控于于岩岩体体结结构构：：结构构控控制制有有：：岩岩体体破破坏坏难难易易程程度度、、岩岩体体破破坏坏的的规规模模、、岩岩体体破破坏坏的的过过程程及及岩岩体体破破坏坏的的主主要要方方式式等等。。岩体体破破坏坏机机制制受受岩岩体体结结构构控控制制整块体结构岩体块状结构岩体碎裂状结构岩体散体状结构岩体①张破裂②剪破坏结构体沿结构面滑动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⑥结构体组合体倾倒⑦结构体组合体溃屈①剪破坏②流动变形岩体体变变形形破破坏坏方方式式：：a.块块状状及及层层状状结结构构岩岩体体的的块块体体滑滑移移；；b.薄薄层层状状结结构构岩岩体体的的弯弯曲曲倾倾倒倒；；c.碎碎裂裂结结构构岩岩体体的的剪剪切切破破坏坏及及塑塑性性变变形形；；d.松松散散及及破破碎碎结结构构岩岩体体的的塑塑性性变变形形§4-3岩岩体体的的强强度度4.3.1岩体体强强度度特特征征岩体体的的强强度度取取决决于于结结构构面面的的强强度度和和岩岩石石的的强强度度。。1、、岩岩体体的的抗抗剪剪强强度度包包络络线线介介于于结结构构面面强强度度包包络络线线和和岩岩石石强强度度包包络络线线之之间间。2、、岩岩体体强强度度的的各各向向异异性性岩体体强强度度受受加加载载方方向向与与结结构构面面夹夹角角θθ的的控控制制，，因因此此，，表表现现出出岩岩体体强强度度的的各各向向异异性性。。4.3.2岩岩体体强强度度的的测测定定（（现现场场测测试试））1、、岩岩体体单单向向抗抗压压强强度度（1））单单向向抗抗压压强强度度σσc试件件:边边长长(0.5～～1.5））m，，高度度不不小小于于边边长长的的立立方方块块。。式中中:P——试件件破破坏坏时时的的作作用用力力，，N;A——试件件横横截截面面面面积积，，m2。2、、岩岩体体抗抗剪剪强强度度现现场场测测定定（1））双双千千斤斤顶顶法法式中中：：σ、、ττ——试试件件剪剪切切面面上上的的正正应应力力和和剪剪应应力力；；F——试试件件剪剪切切面面面面积积；；N——法向向力力；；Q——斜向向力力；；α——横横向向推推力力与与剪剪切切面面的的夹夹角角，，通通常常为为150。(2)单单千斤斤顶法现场无法法施加垂垂直荷载载的情况况下采用用单千斤斤顶法。。3、现场场三轴强强度试验验试件尺寸寸：2.8m×1.4m××2.8m,一一般h>2a,矩形截面面.加压装置置：千斤斤顶，应应力枕。。4.3.3岩岩体强度度估算1、准岩体强强度完整性系系数K：式中：V岩体、V岩石分别为弹弹性波在在岩体和和岩石中中传播的的纵波速速度。准岩体抗抗压强度度:σσcm=Kσc准岩体抗抗拉强度度:σσtm=Kσt式中：σσc、σt为岩石试试件的单单轴抗压压强度和和单轴抗抗拉强度度。2、霍克－布布朗经验验判据式中:σc——完整岩石石单轴抗抗压强度度；σ3———作用在岩岩石试样样上的最最小主应应力；m，s——为与岩性性及结构构面情况况有关的的常数，，可查表表；§4-4岩体体的变形形特性1岩体体的单轴轴和三轴轴压缩变变形特征征（1）岩岩体应力力－应变变全过程程曲线①在加载过程程，结构面压压密与闭合，，应力－应变变曲线，呈上上凹型。②中途卸载有有弹性后效现现象和不可恢恢复残余变形形。这是结构构面闭合、滑滑移、错动造造成的。③完全卸载，，再加载形成成形式上的““开环型”曲曲线，这也是是弹性后效造造成的。④峰值强度后后，岩体开始始破坏，应力力下降较缓慢慢，仍有残余余应力，这是是岩体结构效效应。（2）卸载时时荷载不降至至零时的应力力－应变曲线线①卸荷不降至至零时的循环环加载应力－－应变曲线呈呈“闭环型”。②随着外荷加加大、循环次次数增多，闭环后移，这是结构面面逐级被压密密与啮合，这这是结构面逐逐级被压密与与啮合所致。。③闭环逐渐变变窄→演变呈呈一条线，这这是压密程度度越来越高，，弹性后效变小小的原因。④当卸荷至零零并持续一定定时间后，有有较大回弹变变形，这是弹性后效的表表现。⑤变形模量2岩体剪切切变形特征①在屈服点前前，变形曲线线与抗压变形形相似，上凹型。②屈服点后，，某个结构面或或结构体首先先剪坏，随之出现一一次应力下降降。峰值前可可能发现多次应力升降降。升降程度与与结构面或结结构体强度有有关，岩体越越破碎，应力力降反而不明明显。③当应力增加加到一定应力力水平时，岩岩体剪切变形形已积累到一一定程度，没没剪破的部位位以瞬间破坏坏方式出现，，并伴有一次大的的应力降。④随后产生稳定滑移3岩体各向向异性变形①岩体力学性性质具有各向异性，变形、破坏坏机制、强度度特征不同。。②工程布置要要考虑如何扬长避短，充分发挥岩岩体自身强度度，维持工程程稳定性。§4-5岩体质质量评价及其其分类岩体分类是对影响岩体体稳定性和影影响工程设计计、施工和维维护的各种因因素建立一些些评价指标，，对工程辖区区岩体进行评评价，划分出出不同的的级级别或类别。。分类的目的：：为岩体工程程建设的勘察察、设计、施施工和编制定定额提供必要要的基本依据据。按分类目的，，可分为综合性和专题题性两种；按其所涉及及的因素多少少，可分为单因素分类法法和多因素分分类法两种。一、工程岩体体分类的参考考影响因素1、岩石的质质量。主要表现在岩岩石的强度和和变形性质方方面。2、岩体的完完整性。岩体完整性取取决于不连续续面的组数和和密度。可用用结构面频率率(裂隙度））、间距、岩岩心采取率、、岩石质量指指标RQD以及完整性系系数作为定量量指标进行描描述。这些定定量指标是表表征岩体工程程性质的重要要参数。3、结构面条条件。包括结构面产产状、粗糙度度和充填情况况。岩体的工工程性质主要要取决于结构构面的性质和和分布状态以以及其间的充充填物性质。。4、岩体及结结构面的风化化程度。风化程度越越高，岩体越越破碎，强度度越低。5、地下水的的影响。渗流，软化化，膨胀，崩崩解，静、动动水压力等。。6、地应力。地应力难于于测定，它对对工程的影响响程度也难于于确定，因此此，其影响一一般在综合因因素中反映。。二、几种有代代表性的工程程岩体分类方方法式中：Rc——岩石单轴抗压压强度，Mpaf≥20为1级，最坚坚固；f≤0.3为第第10级，最最软弱。优点：形式简简单，使用方方便。缺点：未考虑虑岩体的完整整性、岩体结结构特征对稳稳定性影响，，故不能准确确评价岩体的的稳定性。1、普氏分类类法以岩石试件的的单轴抗压强强度作为分类类依据，根据据普氏坚固性性系数f将岩石分为十十级。f值越大，岩体体越稳定。2、岩石单轴轴抗压强度分分类我国工程界按按岩石单轴抗抗压强度将岩岩体分为四类类：类别岩石单轴抗压强度σc(Mpa)坚固性Ⅰ250~160特坚固Ⅱ160~100坚固Ⅲ100~40次坚固Ⅳ<40软岩3、按岩体完完整性系数Kv（龟裂系数数）分类式中：Vpm、Vpr—岩体、岩石弹弹性纵波速度度（m/s)。Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎4、按岩芯质质量指标（RQD）分类类蒂尔（Deer,1968)提出根据钻探探时岩芯完好好程度来判断断岩体的质量量，对岩体分分类。式中：li—所取岩芯中≥≥10cm长度的岩芯段段的长度；L—钻进岩芯的总总程度，m。RQD（％）0～2525~5050~7575~9090～100等级ⅠⅡⅢⅣⅤ分类很差差较好良好很好例某钻孔的长度度为250cm，其中岩芯采取总总长度为200cm,而而大于10cm的岩芯总长长度为157cm(如图所示)，则岩芯采取率：200/250=80%RQD=157/250=63%岩体分类为：：Ⅲ类、中等岩岩体5、以弹性性波速度分类类6、宾尼奥夫斯基基节理岩体地地质力学分类类（RMR分级系系统）宾尼奥夫斯基基（Bieniawski，，1976)提出的分类指指标RMR(RockMassRating)，由下列6种指标组成：：（1）岩块强度(R1)（2）RQD值(R2)（3）节节理理间间距距(R3)（4）节节理理条条件件(R4)（5）地地下下水水(R5)（6）节节理理方方向向对对工工程程的的影影响响的的修修正正参参数数（（R6）即：：（1））对对应应岩岩石石强强度度的的岩岩体体评评分分值值R1点荷载指标（Mpa）岩石单轴抗压强度Rc(Mpa)评分值>10>250154~8100~250122~450~10071~225~504不采用5~252不采用1~51不采用<10（2））对对应应于于岩岩芯芯质质量量指指标标的的岩岩体体评评分分值值R2RQD（％）91～10076~9051~7526~50
<25评分值20171383（3））对对应应于于最最有有影影响响的的节节理理组组间间距距的的岩岩体体评评分分值值R3节理间距（m）>31~30.3~10.05~0.3<0.05评分值302520105（4））对对于于节节理理状状态态的的岩岩体体评评分分值值R4说明评分值尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁25略粗糙的表面、张开度<1mm，硬岩壁20略粗糙的表面、张开度<1mm，软岩壁12光滑表面；由断层泥充填厚度为1～5mm；张开度1～5mm，节理延伸超过数米6由厚度>5mm的断层泥充填的张开节理;张开度>5mm的节理，延伸超过数米0（5））取取决决于于地地下下水水状状态态的的岩岩体体评评分分值值R5每米隧道的涌水量（L/min）节理水压力与最大主应力的比值总的状态评分值无0完全干燥15<10<0.1潮湿1010～250.1～0.2湿725～1250.2～0.5有中等压力水，滴水4>125>0.5有严重地下水问题，流水0（6））节节理理方方位位对对RMR的修修正正值值R6方位对工程的影响评价隧道地基边坡很有利000有利－2－2－5一般－5－7－25不利－10－15－50很不利－12－25（7））节节理理走走向向与与倾倾角角对对隧隧道道掘掘进进的的影影响响节理走向垂直于隧道轴线节理走向平行于隧道轴线倾角00～200顺倾向掘进逆倾向掘进倾角450～900200～450450～900200～450450～900200～450不考虑走向很有利有利一般不利很不利一般一般根据据总总分分确确定定岩岩体体分分级级类别岩体描述岩体评分值RMRⅠ很好81~100Ⅱ好61~80Ⅲ较好41~60Ⅳ较差21~40Ⅴ很差0~20岩体体分分级级的的意意义义考虑虑不不支支护护隧隧道道的的自自稳稳时时间间分类号ⅠⅡⅢⅣⅤ平均自稳时间15m跨，20年10m跨，1年5m跨，1星期2.5m跨，10h1m跨，30min岩体的内聚力(kPa)>400300~400200~300100~200
<100岩体内摩擦角>450350~450250~350150~250
<150该分分类类法法已已得得到到比比较较广广泛泛的的应应用用。。7、、巴巴顿顿岩岩体体质质量量（（Q））分分类类挪威威巴巴顿顿（（Barton））等人人于于1974年年根根据据隧隧道道工工程程的的调调查查，，提提出出一一个个用用6个个参参数数表表达达的的岩岩体体质质量量指指标标Q，，作为为岩岩体体质质量量分分类类的的依依据据。。式中中：：RQD————岩岩石石质质量量指指标标；；Jn———节理理组组数数评评分分；；Jr———节理理面面粗粗糙糙度度评评分分；；Jw———按裂裂隙隙水水条条件件评评分分；；Ja———节节理理蚀蚀变变程程度度评评分分；；SRF————按按地地应应力力影影响响评评分分（（应应力力折折减减系系数数））。Q反映映了了岩岩体体质质量量的的三三个个方方面面：：为岩岩体体的的完完整整性性；；表示示结结构构面面的的形形态态、、充充填填物物特特征征及及次次生生变变化化程程度度；；表示示水水与与其其他他应应力力存存在在时时对对岩岩体体质质量量的的影影响响。。（1））节节理理组组数数影影响响（（Jn)（2））节节理理粗粗糙糙度度影影响响（（Jr)（3））节节理理蚀蚀变变程程度度影影响响（（Ja)（4））裂裂隙隙水水影影响响（（Ja)（5））地地应应力力影影响响（（SRF)地下下开开挖挖当当量量直直径径：：根据据Q值，，可可将将岩岩体体分分为为9类类，，如如图图：：Q分类类法法考考虑虑的的地地质质因因素素较较全全面面，，而而且且把把定定性性分分析析与与定定量量评评价价结结合合起起来来了了，，软软硬硬岩岩均均适适用用，，在在处处理理极极软软弱弱的的岩岩层层中中推推荐荐采采用用此此分分类类法法。。宾尼尼奥奥夫夫斯斯基基（（Bieniawski，，1976)在大大量量实实测测统统计计的的基基础础上上，，发发现现Q值与与RMR值之之间间具具有有如如下下条条件件关关系系：：三、我我国工工程岩岩体分分级标标准（（GB50218-94)1、工工程岩岩体分分级的的基本本方法法（1））确定定岩体体基本本质量量《标准准》认认为岩岩石的的坚硬硬程度度和岩岩体完完整程程度决决定岩岩体的的基本本质量量。岩岩体基基本质质量好好，则则稳定定性好好；反反之，，稳定定性差差。A、采采用饱饱和岩岩石单单轴抗抗压强强度σσC划分岩岩石坚坚硬程程度σ
(Mpa)>6060~3030~1515~5
<5坚硬程度坚硬较坚硬较软岩软岩极软岩σC与点荷荷载强强度指指数的的关系系：是指直直径50mm圆柱试试件径径向加加压时时的点点荷载载强度度。B、采采用完完整性性系数数Kv划分岩岩体完完整程程度Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎Jv<33~1010~2020~35>35Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15岩体体体积节节理数数Jv(条/m3)：式中：：Sn——第n组节理理每米米长测测线上上节理理的条条数；；Sk——每立方方米岩岩体非非成组组节理理条数数。Jv与Kv的对照照关系系：（2）岩岩体基基本质质量分分级A、岩岩体基基本质质量指指标（（BQ)的的计算算注意：当σC>90Kv+30时，应应以σC=90Kv+30代入上上式计计算Q值；当Kv>0.04σC+0.4时，应应以Kv=0.04σC+0.4代入上上式计计算Q值；式中：：BQ——岩体基基本质质量指指标；；σC——岩岩石饱饱和单单轴抗抗压强强度(Mpa);Kv——岩体完完整性性系数数。B、按BQ值进行行岩体体基本本质量量分级级基本质量级别岩体基本质量定性特征岩体基本质量指标(BQ)Ⅰ坚硬岩，岩体完整；>550Ⅱ坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整；550~451Ⅲ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；450~351Ⅳ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；350~251Ⅴ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；<250（3））基本质质量指指标BQ值的修修正结合工工程具具有情情况，，对BQ进进行修修正，，修正正值[BQ]按下式式计算算：[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)式中：：K1———地下水水影响响修正正系数数；K2———主要软软弱结结构面面产状状影响响修正正系数数；K3———初始应应力状状态修修正系系数。。（A））地下水水影响响修正正系数数K1地下水出水状态
BQ>450450~351350~251<250潮湿或点滴出水00.10.2～0.30.4～0.6淋雨状或涌流状出水，水压≤0.1MPa或单位出水量≤10L/(min.m)0.10.2～0.30.4～0.60.7～0.9淋雨状或涌流状出水，水压＞0.1MPa或单位出水量＞
10L/(min.m)0.20.4～0.60.7～0.91.0（B））主要软软弱结结构面面产状状影响响修正正系数数K2结构面产状及其与洞轴线的组合关系结构面走向与洞轴线的夹角<300结构面倾角300～750结构面走向与洞轴线的夹角>600结构面倾角>750其它组合K20.4~0.60~0.20.2~0.4（C））初始应应力状状态修修正系系数K3初始应力状态BQ>550550～451450~351350~251<250极高应力区1.01.01.0~1.51.0~1.51.0高应力区0.50.50.50.5~1.00.5~1.02、工工程岩岩体分分类标标准的的应用用（1））岩体体物理理参数数的选选用工程岩岩体的的级别别一旦旦确定定，可可按表表选用用岩体体的物物理参参数和和结构构面的的抗剪剪强度度参数数。（2））地下下工程程岩体体自稳稳能力力的确确定岩体级级别与与岩体体物理理力学学参数数基本质量级别重力密度γ(kN/m3)内摩擦角Φ(0)粘结力C(Mpa)变形模量E(Gpa)泊松比μⅠ>26.5>60>2.1>33<0.2Ⅱ60~502.1~1.533~200.2~0.25Ⅲ26.5~24.550~391.5~0.720~60.25~0.3Ⅳ24.5~22.539~270.7~0.26~1.30.3~0.35Ⅴ<22.5<27<0.2<1.3>0.35岩体级级别与与岩体体结构构面抗抗剪强强度参参数基本质量级别两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合程度内摩擦角Φ(0)粘结力C(Mpa)Ⅰ坚硬、结合好>37>0.22Ⅱ坚硬－较坚硬、结合一般；软弱岩，结合好37~290.22~0.12Ⅲ坚硬－较坚硬、结合差；较软弱岩，结合一般29~190.12~0.08Ⅳ较坚硬－较软岩、结合差—很差；软弱岩、结合差；软质岩的泥化面19~130.08~0.05Ⅴ较坚硬及全部软质岩、结合很差；软质岩泥化层本身<13<0.05岩体级级别与与地下下工程程岩体体自稳稳能力力基本质量级别自稳能力Ⅰ跨度<20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方Ⅱ跨度10~20m，可基本稳定，局部发生掉块或小塌方跨度<10m，可长期稳定，偶有掉块Ⅲ跨度10~20m，可稳定数日至1个月，可发生小至中塌方跨度5~10m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小至中塌方跨度<5m，可基本稳定Ⅳ跨度>5m，一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动变形、小塌方，可发展为中至大塌方。跨度<5m，可稳定数日至1个月Ⅴ无自稳能力注：小小塌方方：塌塌方高高度<3m，或塌塌方体体积<30m3中塌方方：塌塌方高高度3～6m，或塌塌方体体积30～～100m3大塌方方：塌塌方高高度>6m，或塌塌方体体积>100m3应用实实例工程岩岩体分分类广广泛应应用于于岩体体参数数估算算、稳稳定性性评价价与治治理设设计。。举应用用实例例位于地地下200m处处的泥泥岩包包含3组主主要的的结构构面第一组组结构构面
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