4岩体的力学性质及工程分类

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。岩体变形机制受岩体结构控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的破坏机制也受控于岩体结构：结构控制有：岩体破坏难易程度、岩体破坏的规模、岩体破坏的过程及岩体破坏的主要方式等。岩体破坏机制受岩体结构控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流动变形岩体变形破坏方式：a.块状及层状结构岩体的块体滑移；b.薄层状结构岩体的弯曲倾倒；c.碎裂结构岩体的剪切破坏及塑性变形；d.松散及破碎结构岩体的塑性变形§4-3岩体的强度4.3.1岩体强度特征岩体的强度取决于结构面的强度和岩石的强度。1、岩体的抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和岩石强度包络线之间。2、岩体强度的各向异性岩体强度受加载方向与结构面夹角θ的控制，因此，表现出岩体强度的各向异性。13034.3.2岩体强度的测定（现场测试）1、岩体单向抗压强度（1）单向抗压强度σc试件:边长(0.5～1.5）m，高度不小于边长的立方块。式中:P—试件破坏时的作用力，N;A—试件横截面面积，m2。2、岩体抗剪强度现场测定（1）双千斤顶法式中：σ、τ—试件剪切面上的正应力和剪应力；F—试件剪切面面积；N—法向力；Q—斜向力；α—横向推力与剪切面的夹角，通常为150。cossinFQFQFN(2)单千斤顶法现场无法施加垂直荷载的情况下采用单千斤顶法。cossinFQFQQ3、现场三轴强度试验试件尺寸：2.8m×1.4m×2.8m,一般h2a,矩形截面.加压装置：千斤顶，应力枕。4.3.3岩体强度估算1、准岩体强度完整性系数K：式中：V岩体、V岩石分别为弹性波在岩体和岩石中传播的纵波速度。准岩体抗压强度:σcm=Kσc准岩体抗拉强度:σtm=Kσt式中：σc、σt为岩石试件的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。2)(岩石岩体VVK2、霍克－布朗经验判据2c331smc式中:σc——完整岩石单轴抗压强度；σ3——作用在岩石试样上的最小主应力；m，s——为与岩性及结构面情况有关的常数，可查表；§4-4岩体的变形特性1岩体的单轴和三轴压缩变形特征（1）岩体应力－应变全过程曲线①在加载过程，结构面压密与闭合，应力－应变曲线，呈上凹型。②中途卸载有弹性后效现象和不可恢复残余变形。这是结构面闭合、滑移、错动造成的。③完全卸载，再加载形成形式上的“开环型”曲线，这也是弹性后效造成的。④峰值强度后，岩体开始破坏，应力下降较缓慢，仍有残余应力，这是岩体结构效应。（2）卸载时荷载不降至零时的应力－应变曲线①卸荷不降至零时的循环加载应力－应变曲线呈“闭环型”。②随着外荷加大、循环次数增多，闭环后移，这是结构面逐级被压密与啮合，这是结构面逐级被压密与啮合所致。③闭环逐渐变窄→演变呈一条线，这是压密程度越来越高，弹性后效变小的原因。④当卸荷至零并持续一定时间后，有较大回弹变形，这是弹性后效的表现。⑤变形模量abE2岩体剪切变形特征①在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，上凹型。②屈服点后，某个结构面或结构体首先剪坏，随之出现一次应力下降。峰值前可能发现多次应力升降。升降程度与结构面或结构体强度有关，岩体越破碎，应力降反而不明显。③当应力增加到一定应力水平时，岩体剪切变形已积累到一定程度，没剪破的部位以瞬间破坏方式出现，并伴有一次大的应力降。④随后产生稳定滑移3岩体各向异性变形①岩体力学性质具有各向异性，变形、破坏机制、强度特征不同。②工程布置要考虑如何扬长避短，充分发挥岩体自身强度，维持工程稳定性。§4-5岩体质量评价及其分类岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评价，划分出不同的的级别或类别。分类的目的：为岩体工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。按分类目的，可分为综合性和专题性两种；按其所涉及的因素多少，可分为单因素分类法和多因素分类法两种。一、工程岩体分类的参考影响因素1、岩石的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。2、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。可用结构面频率(裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标RQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。3、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。4、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体越破碎，强度越低。5、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水压力等。6、地应力。地应力难于测定，它对工程的影响程度也难于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。二、几种有代表性的工程岩体分类方法式中：Rc——岩石单轴抗压强度，Mpaf≥20为1级，最坚固；f≤0.3为第10级，最软弱。优点：形式简单，使用方便。缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影响，故不能准确评价岩体的稳定性。10cRf1、普氏分类法以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏坚固性系数f将岩石分为十级。f值越大，岩体越稳定。2、岩石单轴抗压强度分类我国工程界按岩石单轴抗压强度将岩体分为四类：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Ⅳ40软岩3、按岩体完整性系数Kv（龟裂系数）分类式中：Vpm、Vpr—岩体、岩石弹性纵波速度（m/s)。2)(prpmvVVKKv0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.150.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎4、按岩芯质量指标（RQD）分类蒂尔（Deer,1968)提出根据钻探时岩芯完好程度来判断岩体的质量，对岩体分类。式中：li—所取岩芯中≥10cm长度的岩芯段的长度；L—钻进岩芯的总程度，m。%100LlRQDiRQD（％）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为250cm，其中岩芯采取总长度为200cm,而大于10cm的岩芯总长度为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、中等岩体5、以弹性波速度分类6、宾尼奥夫斯基节理岩体地质力学分类（RMR分级系统）宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)提出的分类指标RMR(RockMassRating)，由下列6种指标组成：（1）岩块强度(R1)（2）RQD值(R2)（3）节理间距(R3)（4）节理条件(R4)（5）地下水(R5)（6）节理方向对工程的影响的修正参数（R6）即：654321RRRRRRRMR（1）对应岩石强度的岩体评分值R1点荷载指标（Mpa）岩石单轴抗压强度Rc(Mpa)评分值10250154~8100~250122~450~10071~225~504不采用5~252不采用1~51不采用10（2）对应于岩芯质量指标的岩体评分值R2RQD（％）91～10076~9051~7526~5025评分值20171383（3）对应于最有影响的节理组间距的岩体评分值R3节理间距（m）31~30.3~10.05~0.30.05评分值302520105（4）对于节理状态的岩体评分值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）取决于地下水状态的岩体评分值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15100.1潮湿1010～250.1～0.2湿725～1250.2～0.5有中等压力水，滴水41250.5有严重地下水问题，流水0（6）节理方位对RMR的修正值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）节理走向与倾角对隧道掘进的影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总分确定岩体分级654321RRRRRRRMR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岩体分级的意义考虑不支护隧道的自稳时间分类号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)400300~400200~300100~200100岩体内摩擦角450350~450250~350150~250150该分类法已得到比较广泛的应用。7、巴顿岩体质量（Q）分类挪威巴顿（Barton）等人于1974年根据隧道工程的调查，提出一个用6个参数表达的岩体质量指标Q，作为岩体质量分类的依据。SRFJJJJRQDQwarn式中：RQD——岩石质量指标；Jn——节理组数评分；Jr——节理面粗糙度评分；Jw——按裂隙水条件评分；Ja——节理蚀变程度评分；SRF——按地应力影响评分（应力折减系数）。Q反映了岩体质量的三个方面：nJRQD为岩体的完整性；arJJ表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度；SRFJw表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。（1）节理组数影响（Jn)（2）节理粗糙度影响（Jr)（3）节理蚀变程度影响（Ja)（