岩石力学---第8章 工程岩体分级

第七章工程岩体分级重庆交通大学土木建筑学院隧道及岩土工程系本章内容：§2-1概述§2-2岩石分级§2-3工程岩体分级1.工程岩体分级的概念和意义；2.工程岩体分级的基本思想；3.工程岩体分级指标的选择原则；重点、难点:分类；分级；普氏系数；完整性系数；岩石RQD质量指标；BQ指标；RMR分级指标；Q指标；RMI分级法关键术语:要求：1.须掌握本章重点难点内容；2.理解几种有代表性的岩体分类方法；3.了解我国工程岩体分级标准（GB50218－94）§7-1概述岩体分级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。分级的目的：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。分级的方法：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。分级、分类认识事物的同一性和差异性的方法就是将事物进行分类和分级分类：主要突出的是同一性，是质的定性评价，强调的是属性特征；分级：主要突出差异性，是量的界定，强调的是等级特征；是在分类的基础上进行的。工程岩体分级：对工程岩体依据一定的特征指标进行归类分级。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。工程岩体分类的参考影响因素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。§7-2岩石分级式中：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.普氏分级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.Deere&Miller双指标分类分级指标：岩块抗压强度（c）、模量比（Et/c）类别岩块分类σc(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100~200大理岩、花岗岩、片麻岩C中等强度50~100砂岩、板岩D低强度25~50煤、粉砂岩、片岩E极低强度1~25白垩、盐岩类别Et/σc分类Et/σcH高模量比＞500M中等模量比200~500L低模量比＜2003.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4.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（cw）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30~60软质岩石次软岩石5~30粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥石片岩、云母片岩等极软岩石＜51.按岩体完整性系数Kv（龟裂系数）分级式中：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§7-3工程岩体分级2.按岩芯质量指标（RQD）分级蒂尔（Deer,1964)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3.以弹性波速度分类4.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0~205.巴顿岩体质量（Q）分级挪威巴顿（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，作为岩体质量分级的依据。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)（4）裂隙水影响（Jw)地下开挖当量直径：ESRDr巷道支护比跨度、直径或高度根据Q值，可将岩体分为9类，如图：Q分级法考虑的地质因素较全面，而且把定性分析与定量评价结合起来了，软硬岩均适用，在处理极软弱的岩层中推荐采用此分类法。宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)在大量实测统计的基础上，发现Q值与RMR值之间具有如下条件关系：44ln9QRMR6.国标（GB50218-94)BQ分级(1)工程岩体分级的基本方法◆按岩体基本质量指标BQ进行初步分级◆根据天然应力、地下水和结构面方位等对BQ进行修正◆按修正后的［BQ］进行详细分级①确定岩体基本质量《标准》认为岩石的坚硬程度和岩体完整程度决定岩体的基本质量。岩体基本质量好，则稳定性好；反之，稳定性差。A采用饱和岩石单轴抗压强度σC划分岩石坚硬程度σC(Mpa)6060~3030~1515~55坚硬程度坚硬较坚硬较软岩软岩极软岩σC与点荷载强度指数的关系：是指直径50mm圆柱试件径向加压时的点荷载强度。)50(SI75.0)50(82.22ScIB采用完整性系数Kv划分岩体完整程度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Jv33~1010~2020~3535Kv0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.150.15岩体体积节理数Jv(条/m3)：knvSSSSJ21式中：Sn——第n组节理每米长测线上节理的条数；Sk——每立方米岩体非成组节理条数。Jv与Kv的对照关系：②岩体基本质量分级A岩体基本质量指标（BQ)的计算注意：当σC90Kv+30时，应以σC=90Kv+30代入上式计算BQ值；当Kv0.04σC+0.4时，应以Kv=0.04σC+0.4代入上式计算BQ值；vcKBQ250390式中：BQ——岩体基本质量指标；σC——岩石饱和单轴抗压强度(Mpa);Kv——岩体完整性系数。B按BQ值进行岩体基本质量分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；250③基本质量指标BQ值的修正结合工程具有情况，对BQ进行修正，修正值[BQ]按下式计算：[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)式中：K1——地下水影响修正系数；K2——主要软弱结构面产状影响修正系数；K3——初始应力状态修正系数。A地下水影响修正系数K1地下水出水状态BQ450450~351350~251250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)0.20.4～0.60.7～0.91.0B主要软弱结构面产状影响修正系数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K20.4~0.60~0.20.2~0.4C初始应力状态修正系数K3初始应力状态BQ550550～451450~351350~251250极高应力区1.01.01.0~1.51.0~1.51.0高应力区0.50.50.50.5~1.00.5~1.0基本质量级别岩体质量的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＜250④基本质量指标分级7.洞室围岩分级（《锚杆喷射混凝土支护技术规范》）分级指标：岩体结构、结构面发育特征、岩石强度及岩体声学性质、优点：给出了毛洞自稳