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第六章岩体结构和稳定性分析第一节岩体的结构特性第二节岩体稳定性分析第三节岩质边坡稳定性分析（自学）第一节岩体的结构特性大量实践证明;岩体的稳定性主要取决于岩体结构面的性质及对岩体的切割程度，岩体的结构面在岩体的变形与破坏中起到了主导作用；大量实践也证明：岩体的破坏既有岩石材料的破坏、也有岩体结构的破坏，而主要是岩体结构的破坏，因此岩体结构是分析岩体稳定性的基础，可以提供岩体稳定性分析的边界条件和破坏机理。为什么要研究岩体结构。a.结构面是岩体中力学强度相对较薄弱的部位，导致岩体的不连续性、不均一性和各面异性。b.岩体结构特征对岩体的变形、破坏方式和强度特征起重要的控制作用。c.在地表的岩体，其结构特征在很大程度上决定了外营力对岩体的改造过程。一.岩体1.定义：是指工程作用范围内在地质历史过程中形成的具有一定岩石成分、特定结构类型并赋存于一定环境条件的复合地质体。可见岩体不同于岩石：岩石在漫长的地质历史时期内，由于遭受内力、外力地质作用的影响，在岩体里面会形成各种裂隙，变成不连续、各向异性的非均匀地质体。因此1)岩体是非均值各项异性体；2)岩体内含有各种各样的裂隙系统；3)岩体内存在着初始应力场；4)岩体处于地下环境、受地下水等因素的影响。2.岩体的主要特征岩体是地质体的一部分，因此，岩石、地质构造、温度、地下水及岩体中的天然应力状态对岩体的稳定有很大影响。要研究岩体，不仅要研究现状还要研究其历史。岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它将导致岩体力学性能不连续性、不均一性和各向异性。软弱的结构面常常形成岩体稳定性的控制面。岩体在工程荷载的作用下产生变形和破坏，主要受各种结构面的性质及其组合形式的控制。岩体结构特征不同，岩体的变形与破坏机制也不同。岩体中存在天然的应力场，在多数情况下，岩体中不仅存在自重应力还有构造应力，这些应力的存在，使得岩体的工程地质性质复杂化。二.岩体结构1.结构单元1).结构面：指存在于岩体中的各种不同成因、不同特征的具有一定方向、延展较大而厚度较小的二维面状地质界面，它包括物质分异面和不连续面，如：断层、节理、层理、片理面、软弱夹层及不整合面等；2).结构体：由结构面切割后形成的岩石块体；2.岩体结构：指岩体中结构面和结构体两个要素的组合特征。包含以下三方面内容：第一岩体的结构单元或结构要素；第二结构要素的组合特征（不同类型要素的搭配）；第三结构要素的排列特征（是否有序、是否贯通等）。三.结构面1.结构面的类型（1）结构面的类型（2）2.结构面的特征（1）结构面的规模结构面对岩体力学性质及岩体稳定性的影响程度，首先取决于结构面的延展性及其规模结构面的规模一级结构面：区域性的断裂破碎带，延展数十公里以上。它直接关系到工程所在区域的稳定性，一般在规划选点时尽量避开如大型断裂带、大型不整合面等，。二级结构面：延展性较强，贯穿整个工程地区或在一定工程范围内切断整个岩体的结构面。它的组合与分布，控制了山体及工程岩体的破坏方式及滑动边界。如一般断层、大型层间错动等。三级结构面：包括走向与倾向方向，延伸有限。这些结构面控制岩体的破坏和滑移机理，常常是工程稳定的控制性因素及边界条件。如小断层、开裂的层面、不含泥的大节理等。四级结构面：延展性差，一般在数米至数十米的范围内的节理、片理等，它们仅在小范围内将岩体切割成块状。五级结构面：延展性极差的一些微小裂隙。它主要影响岩块的力学性质。岩块的破坏由于微裂隙的存在具有随机性。结构面的特征（2）结构面形态起伏度平直型：包括大多数层面、片理和剪切破裂面。波状起伏型：如波痕层面、轻度揉曲的片理锯齿状型：张扭性结构面不规则型粗糙度粗糙的平滑的镜面的结构面的形态特征结构面的形态(平整性、光滑性)直接影响岩体的力学性能和水力性质。结构面的起伏程度用起伏角表示；粗糙程度用粗糙度表示。结构面的特征（3）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件、形态、规模、滑动方向、滑移破坏类型等。因此需分析结构面之间及其与临空面之间的组合关系。结构面的特征（4）结构面的延展性结构面的延展性也称连续性，是决定岩体稳定性的决定性因素，对岩体的变形、变形破坏机理、强度、渗透性都有很大影响。一般用连续性系数表示：即沿结构面延伸方向上结构面各段长度之和与测线长度的比值。发育程度等级基本特征附注裂隙不发育裂隙1~2组，规则，构造型，间距在1米以上，多为密闭裂隙。岩体被切割成巨块状对基础工程无影响，在不含水且无其他不良因素时，对岩体稳定性影响不大裂隙较发育裂隙2~3组，呈X型，较规则，以构造型为主，多数间距大于0.4米，多为密闭裂隙，部分为微张裂隙，少有填充物。岩体被切割成大块状对基础工程影响不大，对其他工程可能产生相当影响裂隙发育裂隙3组以上，不规则，以构造型或风化型为主，多数间距小于0.4米，大部分为张开裂隙，部分有填充物。岩体被切割成小块状对工程建筑物可能产生很大影响裂隙很发育裂隙3组以上，杂乱，以风化型和构造型为主，多数间距小于0.2米，以张开裂隙为主，一般均有填充物。岩体被切割成碎石状对工程建筑物产生严重影响结构面的特征(5)结构面的发育程度结构面的特征（6）结构面的张开度和填充胶结特征结构面的张开程度：是指结构面两壁之间的垂直距离，它影响结构面的强度、变形、渗透。一般分为下列四级：δ﹤1mm闭合的;δ=1-3mm微张的;δ=3-5mm张开的;δ﹥5mm宽张的;张性断裂面，为次生充填和地下水活动提供条件，显著降低其抗剪强度；产生静、动水压力，影响岩体稳定性；结构面经充填胶结后，力学性质有所改善，，改善程度因充填物不同而不同。以铁硅质胶结的强度高，一般不予研究；以泥质和钙质胶结的强度低、抗水性差。充填物以砂质、砾质的好、泥质和易溶盐类的差；按充填物厚度和连续性，结构面的充填可分为：薄膜充填、断续充填、连续充填、厚层充填四种。结构面特征总结结构面的几何特征------组数、间距、密度、产状、延伸程度等-----结构面的发育程度。结构面的性状特征-----张开度、粗糙度、起伏情况、充填情况、充填物赋水情况等-----结构面的结合程度。结构面的发育程度和结合程度是确定工程岩体完整程度的主要因素。3软弱夹层四.结构体结构体与结构面相互依存：1.结构体形状与结构面组数密切相关，岩体内结构面组数越多，结构体形状越复杂；2.结构体块度或尺寸与结构面间距密切相关。结构面间距越大，结构体块度（尺寸）越大。3.结构体级序与结构面级序有相互依存的关系结构体的类型：柱状、块状、板状、楔形、菱形、锥形等；强烈破碎部位可能有片状、鳞片状、碎块状、碎屑状。五.岩体结构的类型不同结构类型岩体的工程地质性质整体块状结构岩体：结构面稀疏、延展性差、结构体块度大且常为硬质岩石，故整体强度高、变形特征接近于各向同性的均质弹性体，变形模量、承载能力与抗滑能力均较高，抗风化能力一般也较强，故这类岩体具有良好的工程地质性质，是较理想的各类工程建筑地基、边坡岩体及洞室围岩。层状结构岩体：结构面以层面与不密集的节理为主，结构面多闭合~微张状、一般风化微弱、结合力一般不强，结构体块度较大且保持着母岩岩块性质，故这类岩体总体变形模量和承载能力均较高，可作为工程建筑地基，但应注意结构面结合力不强的情况。碎裂结构岩体：节理、裂隙发育、常有泥质充填物质，结合力不强，其中层状岩体常有平行层面的软弱结构面发育，结构体块度不大，岩体完整性破坏较大，其中镶嵌结构岩体因其结构体为硬质岩石，尚具较高的变形模量和承载能力，工程地质性能尚好；而层状碎裂结构和碎裂结构岩体则变形模量、承载能力均不高，工程地质性质较差。散体结构岩体：节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，岩石手捏即碎，属于碎石土类，可按碎石土类研究。公路工程中岩体工程地质问题路堑边坡的稳定问题路桥地基稳定问题隧道围岩的稳定问题一.岩体稳定性：是指在一定的时间内、一定的自然条件和人为因素的影响下，岩体不产生破坏性的剪切滑动、塑性变形或张裂破坏。剪切滑动是最常见和最主要的。第二节岩体稳定性分析大量的工程实践证明:岩体稳定性分析常用方法：定性：工程地质类比法、图解法（结构分析法）刚性极限平衡法定量数值计算法：有限元法、边界元法、离散元法、模型试验法半定量图解法可靠度法附:1.边坡工程中的岩体结构控制理论岩土力学的发展为边坡工程的研究奠定了基础，特别是岩质边坡结构十分复杂，其稳定性取决于边坡的各类结构面的特征。中科院地质所孙广忠先生提出了“岩体结构控制论”，并出版了专著《岩体结构力学》，孙玉科先生等将赤平投影法和实体比例投影法应用于边坡工程。美国学者石根华提出了“关键块体理论”，主要解决被多个地质结构面、开挖面所切割的边坡或硐室之稳定性问题。南京大学罗国煜教授等提出了岩坡优势面控制论，认为岩坡的变形破坏受岩坡内的优势面所控制。上述理论的共同的特点是注重岩体结构研究，各类地质结构面对边坡的变形破坏起着控制作用。2.边坡工程中的分形理论分形理论是美国数学家(B.B.Mandelbort)(1973)首次提出来的，它主要是研究自然界中一些具有自相似但没有特征长度的图形或现象，其研究方法是通过确定图形或现象的分维数，以揭示该现象或图形的内在本质和规律。分形理论被广泛地应用于物理学、生物学、材料科学、岩石力学等学科中，近年来，边坡工程中开始应用分形理论进行有意义的探索。研究表明，边坡岩体结构常呈不规则分形状态，可以用分维来表征，利用分维可以定量地描述断层、层理、节理、泥化夹层等宏观结构面的形态特征、分布、产状及粗糙度等。同样，岩体的微观结构面或破坏面也呈不规则的分形状态，这种不规则反应了岩体破坏时的能量耗散及微观结构效应，也可用分维来表示。分维数是岩体变形破坏的某一统计特征量，分维数可以充当岩体变形破坏变量的角色进行岩体的强度和稳定性演化过程的分析[13]。分形理论在边坡工程的应用有广阔的前景，目前，三峡库区、西北黄土地区及一些典型的滑坡体均有所应用，在分布规律研究、机制分析和预测预报方面取得较好成果。3.边坡工程中的3S理论在信息社会中，全球是一个开放系统，3S系统已在地学领域取得初步尝试，在1996年国际岩石力学学会年会上，充分利用3S技术在岩土工程建设中的作用已引起极大注意。所谓3S系统是指地理信息系统(GIS，GeographyInformationSystem)、遥感系统(RS，RemoteSensingSystem)和全球卫星定位系统(GPS，GlobalPositioningSystem)。三者融为一体为边坡工程的防治与预测预报提供了新一代观测手段、描述语言和思维工具。集GIS、GPS和RS为一体的3S系统，是一个完整的有机整体。例如针对三峡库区边坡，崔政权大师率先提出“3S工程”的概念和设想，从1997年着手建立“三峡库区边坡稳态3S实时工程分析系统”，并给出了系统的框图，何满潮教授将该系统按功能分为三大部分，即3S接收处理系统、GIS地理信息系统和工程分析专家系统。4.边坡工程中的人工神经网络方法人工神经网络（简称NN-Neuralnetwork）是指由大量简单神经元经广泛互连构成的一种计算结构，它是一种广义的并行处理系统。人脑的认知模式被认为是一种并行的分布式模式，神经网络采用类似于人大脑的神经网络的体系结构来构造模型仿真人大脑的功能，即把对信息的储存和计算推理同时储存在一个单元里。因此，在某种程度上神经网络被认为可以模拟生物神经系统的工作过程。特别是通过抽象、简化和模拟手段，神经网络部分反映了人脑的某些功能特征，且具有高度非线性、自组织、自学习、动态处理、联想记忆、容错性等特征。近年来，人工神经网络开始应用于边坡工程的稳定性分析和评价，对于解决复杂的边坡系统工程的稳定性问题提供了一条新的途径。5.边坡工程中的数值计算和仿真从70年代开始，数值计算被广泛地应用于边坡工程，比较成熟的三大数值方法是有限单元法、边界单元法和离散单元法。其中有限单元法是通过离散化，建立近似函数把有界区域内的无限问题简化为有限问题，并通过求解联立方程对工程问题进行应力位移分析