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5、体力学。 （2）构造岩体力学为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。 （3）破碎岩石力学为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。 3、研究意义 在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的原则。以露天采矿边坡坡角选择为例，坡角选择过陡，会使边坡不稳定，无法正常采矿作业，坡角选择过缓，又会加大其剥采量，增加其采矿成本。然而，要使岩体工程既安全稳定又经济合理，必须通过准确地预测工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设
6、计和良好的施工质量等来保证。其中，准确地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据，是工程岩体力学研究的根本目的和任务。 岩体力学的发展是和人类工程实践分不开的。起初，由于岩体工程数量少，规模也小，人们多凭经验来解决工程中遇到的岩体力学问题。因此，岩体力学的形成和发展要比土力学晚得多。随着生产力水平及工程建筑事业的迅速发展，提出了大量的岩体力学问题。诸如高坝坝基岩体及拱坝拱座岩体的变形和稳定性；大型露天采坑边坡、库岸边坡及船闸、溢洪道等边坡的稳定性；地下洞室围岩变形及地表塌陷；高层建筑、重型厂房和核电
9、内容 （1）岩块、岩体地质特征的研究 岩块与岩体的许多性质，都是在其形成的地质历史过程中形成的。因此，岩块与岩体地质特征的研究是岩体力学分析的基础。主要包括： 1）岩石的物质组成和结构特征； 2）结构面特征及其对岩体力学性质的影响； 3）岩体结构及其力学特征； 4）岩体工程分类。 （2）岩石的物理、水理与热学性质的研究 （3）岩块的基本力学性质的研究 为了全面了解岩体的力学性质，或者在岩体力学性质接近于岩块力学性质的条件下，可通过岩块力学性质的研究，减少或替代原位岩体力学试验研究。内容包括： 1）岩块在各种力作用下的变形和强度特征以及力学参数的室内实验技术； 2）荷载条件、时间等对岩块变形和强
10、度的影响； 3）岩块的变形破坏机理及其破坏判据。 （4）结构面力学性质的研究 结构面力学性质是岩体力学最重要的研究内容。内容包括： 1）结构面在法向压应力及剪应力作用下的变形特征及其参数确定； 2）结构面剪切强度特征及其测试技术与方法。 （5）岩体力学性质的研究 岩体力学性质是岩体力学最基本的研究内容。内容包括： 1）岩体的变形与强度特征及其原位测试技术与方法； 2）岩体力学参数的弱化处理与经验估算； 3）荷载条件、时间等因素对岩体变形与强度的影响； 4）岩体中地下水的赋存、运移规律及岩体的水力学特征。 （6）岩体中天然应力分布规律及其量测的理论与方法的研究 （7）边坡岩体、地基岩体及地下洞室
11、围岩等工程岩体的稳定性研究 这是岩体力学实际应用方面的研究，内容包括： 1）各类工程岩体中重分布应力的大小与分布特征； 2）各类工程岩体在重分布应力作用下的变形破坏特征； 3）各类工程岩体的稳定性分析与评价等。 （8）岩体性质的改善与加固技术的研究，包括岩体性质、结构的改善与加固，地质环境(地下水、地应力等)的改良等。 （9）各种新技术、新方法与新理论在岩体力学中的应用研究 （10）工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术的研究 模型模拟试验包括数值模型模拟、物理模型模拟和离心模型模拟试验等，这是解决岩体力学理论和实际问题的一种重要手段。而原位监测既可以检验岩体变形与稳定性分析成果的正确与否，同
12、时也可及时地发现问题。 2、研究方法 （1）工程地质研究法 研究岩块和岩体的地质与结构特征，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料。 （2）试验法 为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数。 （3）数学力学分析法 通过建立岩体力学模型和利用适当的分析方法，预测岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为设计和施工提供定量依据。 （4）综合分析法 采用多种方法考虑各种因素(包括工程的、地质的及施工的等)进行综合分析和综合评价，得出符合实际情况的正确结论。 三、岩体力学的形成与发展 1、形成历史 1951年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成了独具一格的奥地利学派。 同年，国际大坝会议设
13、立了岩石力学分会。 1956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。 1957年，第一本岩石力学专著出版。 1959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作者的关注和研究。 1962年，成立国际岩石力学学会(ISRM)。 1966年，第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。 2、发展前沿 岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学机理问题 裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题 岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题 软岩的力学特性及其岩体力学问题 水-岩-应力耦合作用及岩体工程稳定性问题 高地应力岩体力学问题 岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术 岩体动力学、水力学与热力学问题 岩体
23、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，构成了几乎99.9的地壳岩石。而其他矿物的工程地质意义不大。 组成岩石的矿物包括硅酸盐类矿物、黏土矿物、碳酸盐类矿物和氧化物类矿物。 二、岩块的结构特征 岩块的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、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构成上的特征。
24、 1、粒间连结 岩石的粒间连结分结晶连结与胶结连结 结晶连结：矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触。 胶结连结：矿物颗粒通过胶结物连结在一起。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。 2、微结构面 削弱岩块的强度，导致各向异性 3、颗粒形状 强度： 粒状、柱状片状鳞状 4、颗粒大小 强度： 粗粒细粒 三、岩块的风化 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。
27、质结构面在变质过程中形成，分为残留结构面和重结晶结构面。 （2）构造结构面 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。 （3）次生结构面 是岩体形成后在外营力作用下产生的结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。 各类岩体结构面特征见下表。 岩体结构面的类型及其特征 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；不整合面及沉积间
28、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，片岩软弱夹层延展较远，具固定层次结构面光滑平直
29、，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配合作用。此外常造成边坡及地下工
30、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 2、力学成因类型 （1）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。 特点：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等。 （2）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。 特点：张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，
31、起伏度大及破碎带较宽,易被充填,常含水丰富,导水性强。 二、结构面的规模 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； 级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。 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。 、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。 级 指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。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。 级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且
32、具随机性，其分布规律具统计规律，需用统计方法进行研究，在此基础上进行岩体结构面网络模拟。 级结构面, 又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。 三、 产状 结构面产状包括走向、倾向、倾角。 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，结构面展布方向与受力方向不同，岩石的破坏方式与强度不同。 据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极限强度与结构面倾角间的关系为： 由上式可知：当围压3不变时，岩体强度(13)随结构面倾角变化而变化。四 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(a)
33、与测线长度的比值。如下图所示，可按下式计算。 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。 2、面连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面面积之和与总面积的比值。 3、迹长：结构面与岩体露头交线的长度。 结构面连续性分级表 描述迹长（m）很低连续性20五 密度 结构面的密度反映结构面发育的密集程度。 1、线密度(Kd) 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)。 2、间距(d) 指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。 Kd与d互为倒数关系 如果测线水平布置，且与结构面法线的夹角为，结构面的倾角为时: 结构面间距分级表 描述间距（mm
34、）极密集的间距6000 可以用线密度来估算岩体质量指标RQD(rock quality designation) RQD的原始定义为：长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比，按下式计算。 六 张开度 结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。 n结构面两壁面一般不是紧密接触，使结构面实际接触面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。 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： 结构面张开度分级表描述结构面张开度（mm）分类很紧密紧密部分张开10裂开结构面很宽的极宽的似洞穴的1010010010001000张开结构面七 形态 n结构面的形态可以用侧壁的
35、起伏形态及粗糙度来反映。 结构面侧壁的起伏形态分为：平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的。 侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。 n结构面的粗糙度用粗糙度系JRC(joint roughness coefficient)表示。n根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10级。随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。 标准粗糙度剖面见下图。 八 充填胶结特征 n结构面胶结后力学性质有所增强，Fe质胶结的强度最高，泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。未胶结的结构面，力学性质取决于其充填情况，可分为薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填4类： （1）薄膜充填是结构面两壁附着一
36、层极薄的矿物膜，厚度多小于1mm，多明显降低结构面的强度。 （2）断续充填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。 （3）连续充填结构面的力学性质主要取决于充填物性质。 （4）厚层充填结构面的力学性质很差，主要取决于充填物性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。 九 软弱结构面 软弱结构面是岩体中具有一定厚度的软弱带(层)，与两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。 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。 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
40、模愈大,与结构面对应,划分为五级。 常用块度模数（单位体积内的级结构体数) 或结构体体积来表示结构体规模。 结构体常见的形状: 柱状、板状、楔形、菱形 ，见下图 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 形状不同，稳定性不同。例如下图，左边的岩块容易下落，不稳定，右侧的岩块稳定性好。 结构体的形状与稳定性关系示意图 2、岩体的结构类型 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4大类。
41、(1)整体与块状结构 主要为均质、巨块状岩浆岩、变质岩，巨厚层、厚层沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩；主要结构形状为巨块状、块状、柱状；以原生构造节理为主，只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于0.7m，一般不超过13组，无危险结构面组成的落石掉块，偶有少量分离体。整体性强度高，结构面互相牵制，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体，可能发生的岩土工程问题为不稳定结构体的局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆。 (2)层状结构 主要为多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩；主要结构形状为层状、板状、透镜体；有层理、片理、节理，常有层间错动。接近均一的各向异性体，其变形及强度特征
42、受层面及岩层组合控制，可视为弹塑性体，稳定性较差，可能发生的岩土工程问题为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。 (3)碎裂状结构 主要为构造影响严重的破碎岩层；主要结构形状为块状；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0.250.5m，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，可能发生的岩土工程问题为易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳。 (4)散体状结构 主要为构造影响剧烈的断层破碎带，强风化带，全风化带；主要结构形状为碎屑状、颗粒状；断层破碎带交叉，构
43、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，可能发生的岩土工程问题为易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳。三、岩体成因与岩体特征 1、岩浆岩体 无层理，产状复杂。根据岩浆活动方式，岩浆岩可分为深成岩、浅成岩和喷出岩三类。 2、 沉积岩体 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。 3 、变质岩体 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。 当前位置： H
45、行归类的一种工作方法。目的：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。一、岩块的工程分类 1、Deere &Miller 双指标分类 分类指标：岩块抗压强度（c）、模量比（Et/c） 分类方法： （1）按c将岩块按下表分为5类。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100200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（2）按Et/c将岩块按下表分为3类。岩块模量(E
46、t/c)分类表类别Et/c分类Et/cH高模量比500M中等模量比200500L低模量比200 （3）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。 2 、国标岩土工程勘察规范分类 分类指标：新鲜岩块的饱和单轴抗压强度 分类方法：按下表分为2大类4亚类。 岩块强度分类表 类别亚类饱和单轴抗压强度(MPa)代表性岩石硬质岩石极硬岩石60花岗岩、花岗片麻岩、闪长岩、玄武岩、石灰岩、石英砂岩、石英岩、大理岩、硅质砾岩等次硬岩石3060软质岩石次软岩石530粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥石片岩、云母片岩等极软岩石5 二、岩体的工程分类 HYPERLINK /
50、影响；岩体的结构特征；岩体的工程分类方法。对岩块的物质组成特征、三大类岩体的工程特征作了一般介绍。练习与思考1、在勘探巷道岩壁上进行结构面测线详测如图所示，量得两组结构面沿测线的间距分别为 0.45m和0.8m，且A组结构面的倾角为55，B组倾角为20。 1） 计算每组结构面的真间距及两组结构面沿测线的混合间距及线密度（Kd）;2） 估算岩体沿详测线方向的RQD值。 2、何谓岩石的微结构面，主要指哪些，各有什么特点？ 3、自然界中的岩石按地质成因分类，可以分为几大类，各有什么特点？ 4、主要从哪些方面来研究结构面的地质特征？ 5、构成岩石的主要造岩矿物有哪些，各有何特点？ 6、区别岩体、岩石、
57、n0 水中称量法常见岩石的颗粒密度与块体密度 岩石类型颗粒密度（g/cm3）块体密度（g/cm3）岩石类型颗粒密度（g/cm3）块体密度（g/cm3）花岗岩2.502.842.302.80页 岩2.572.772.302.77闪长岩2.603.102.522.96灰 岩2.482.852.302.77辉绿岩2.603.102.532.97泥灰岩2.702.802.102.70辉长岩2.703.202.552.98白云岩2.602.902.102.70安山岩2.402.802.302.70片麻岩2.633.012.303.00玢 岩2.602.842.402.80石英片岩2.602.802.10
58、2.70玄武岩2.603.302.503.10绿泥石片岩2.802.902.102.85凝灰岩2.562.782.292.50千枚岩2.812.962.712.86砾 岩2.672.712.402.66泥质板岩2.702.852.302.80砂 岩2.602.752.202.71大理岩2.802.852.602.70石英岩2.532.842.402.80二、岩石的空隙性 说明：岩石是有较多缺陷的多晶材料，因此具有相对较多的孔隙。同时，由于岩石经受过多种地质作用，还发育有各种成因的裂隙，如原生裂隙、风化裂隙及构造裂隙等。所以，岩石的空隙性比土复杂得多，即除了孔隙外，还有裂隙存在。 岩石中的空隙有
60、换算求得，其计算方法将在水理性质一节中讨论。 常见岩石的空隙率岩石类型 空隙率（%） 岩石类型 空隙率（%） 岩石类型 空隙率（%） 花岗岩 0.40.5 凝灰岩 1.57.5 片麻岩 0.72.2 闪长岩 0.20.5 砾岩 0.810.0 石英片岩 0.73.0 辉绿岩 0.35.0 砂岩 1.628.0 绿泥石片岩 0.82.1 辉长岩 0.34.0 页岩 0.410.0 千枚岩 0.43.6 安山岩 1.14.5 灰岩 0.527.0 泥质板岩 0.10.5 玢岩 2.15.0 泥灰岩 1.010.0 大理岩 0.16.0 玄武岩 0.57.2 白云岩 0.325.0 石英岩 0.18
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