第四章岩体的工程地质特性

第四章岩体的工程地质特性第一节岩体的结构特征1.1基本概念及研究意义岩体（rockmass）通常指地质体中与工程建设有关的那一部分岩石，它处于一定的地质环境、被各种结构面所分割。岩体具有一定的结构特征，它由岩体中含有的不同类型的结构面及其在空间的分布和组合状况所确定。岩体是由结构面和结构体两部分组成。结构面是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸（或具有一定厚度）的地质界面（或带）。如岩层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面。结构体：结构面在空间的分布和组合可将岩体切割成形状、大小不同的块体，称结构体。工程地质之所以要将岩体的结构特征作为重要研究对象，意义如下：⑴岩体中的结构面是岩体力学强度相对薄弱的部位，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。只有掌握岩体的结构特征，才有可能阐明岩体不同荷载下内部的应力分布和应力状况。⑵岩体的结构特征对岩体在一定荷载条件下的变形破坏方式和强度特征起着重要的控制作用。岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定性的控制面，各结构面分别为确定坝肩岩体抗滑稳定的分割面和滑移控制面。⑶靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确定了外营力对岩体的改造进程。这是由于结构面往往是风化、地下水等各种外营力较活动的部位，也常常是这些营力的改造作用能深入岩体内部的重要通道，往往发展为重要的控制面。总之，对岩体的结构特征的研究，是分析评价区域稳定性和岩体稳定性的重要依据。研究结构面最关键的是研究各类结构面的分布规律、发育密度、表面特征、连续特征以及它们的空间组合形式等。1.2岩体结构特征及主要类型1.2.1结构面的主要类型及特征结构面的成因分类：原生结构面、构造结构面及浅表生结构面沉积结构面：层理，层面，软弱夹层，不整合面，原假整合面，古冲刷面等。生火成结构面：侵入体与围岩接结触面，岩脉、岩墙接触面，喷出岩构的流线、流面，冷凝节理面变质结构面：片理，片麻理，板劈理，片岩软弱夹层。构节理（X型节理，张节理）造结断层（正断层，逆断层，走滑断层）构面层间错动带，羽状裂隙，破劈理。浅部卸荷断裂浅结、构重力扩展变形破裂表面生结表卸荷裂隙构部风化裂隙面结风化夹层构泥化夹层面次生夹泥二、结构面的特征结构面的特征是影响结构面强度及其他性能的重要因素。国际岩石力学学会（ISRM）实验室和野外试验标准化委员会于1978年提出了《岩体不连续面定量描述的建议方法》，规定从方位、间距、延续性、粗糙度、侧壁强度、张开度、充填物、渗流、节理组数、块体大小十个方面进行研究。方位：结构面的产状（走向、倾向、倾角）间距：反映岩体完整程度和块体大小延续性：反映结构面的连通率粗糙度：反映结构面的起伏状况结构面侧壁强度：反映结构面受风化影响的程度张开度：又称隙宽，即裂隙的宽度充填物：不同物质充填对力学特性有显著影响渗流：反映地下水的活动状况节理组数：反映岩体被切割的状况块体大小：可用块度和体积节理数反映三、软弱夹层基本定义：软弱夹层（尤其是泥化夹层）是岩体中非常软弱的结构面，是坝基岩体、边坡岩体和洞室围岩稳定性的制约因素。一般软弱夹层的强度和变形参数：摩擦系数f0.5；饱和抗压强度Rb≤10MPa；变形模量E0≤1000MPa软弱夹层的分类按成因分类：参照P127的表4-5。按夹层的物质组成分类：长委会建议的分类a.软岩夹层b.碎块夹层c.碎屑夹层d.泥化夹层软弱夹层的特性：物理力学性质与夹层的物质组成、粘土矿物、颗粒大小、含水量、起伏状况有密切联系。软岩夹层：对于粘粒含量较多的粘土岩，遇水膨胀、崩解；对于可溶岩，遇水溶解。Rc＜15MPa，f’=0.4-0.6，E0＜2000MPa。如边坡稳定碎块夹层：粒径＞2mm的粗碎屑占80%以上，粘粒含量低于10%。面起伏较大，应力应变关系复杂，f’=0.45-0.6，E0=200~1000MPa。如隧洞稳定碎屑夹层：粒径＞2mm的粗碎屑占30～50%以上，2～0.5mm的粗碎屑占30%以上，粘粒占10-30%，f’=0.30-0.45，E0=50~200MPa。如隧洞稳定泥化夹层：w≥wp。具有结构松散、孔隙比大、密度小、含水量大、粘粒含量高、力学特性差的特点，f’=0.45-0.6，E0＜50MPa。如葛洲坝水电站泥化夹层形成的三个基本条件：a.物质基础：粘土岩类夹层，粘粒含量高，且以蒙脱石为主的粘土矿物。b.构造作用：完整性被破坏，有利于地下水的运动；矿物颗粒的性质和成分受到破坏。c.地下水的作用：泥化作用，孔隙水压力作用，溶解作用等。结构面规模等级划分：按其对岩体力学行为所起控制作用，可划分为三个等级，即贯通性宏观软弱面（A类）；显现结构面（B类）；和隐微结构面（C类）。类型主要特征力学性质代表性结构面A.贯通性宏观结构面连续性好，延伸方向确定，通常具一定厚度与方向破坏岩体的连续性，构成岩体力学性质作用边界，控制岩体变形破坏方向，稳定性计算的边界层面，软弱夹层，断层面或断层破碎带B.显现结构面硬性结构面，随机断续分布，延伸长度米级-数十米，具有统计优势方位破坏岩体的完整性，使岩体力学性质具各向异性特征，影响岩体变形破坏方式各类原生和构造裂隙，表生破裂结构面C.隐微结构面短小闭合，长度从毫米级至厘米级，随机分布可有统计优势方位影响岩块的强度和变形破坏特征岩石的隐微裂隙四、岩体的结构类型按建造特征可将岩体划分为块体状（或整体状）结构、块状结构、层状结构、碎块状结构和散体状结构等类型。块体状结构：代表岩性均一，无软弱面的岩体，含有的原生结构面具有较强的结合力，间距大于1m。通常出现在厚层的碳酸盐岩、碎屑岩；花岗岩、闪长岩；原生节理不太发育的流纹岩、安山岩、玄武岩、凝灰角砾岩中等。块体结构：代表岩性较均一，含有2-3组较发育的软弱结构面的岩体，结构面间距1～0.5m。成岩裂隙较发育的厚层砂岩或泥岩，槽状冲刷面发育的河流相砂岩体等沉积岩，原生节理发育的火山岩体等。层状结构：代表一组连续性好，抗剪性能显著较低的软弱面的岩体，一般岩性不均一。可进一步分为层状（软弱面间距50～30cm），薄层状（间距小于30cm）。还可以据不均一程度划分出软硬相间的互层状结构。碎块状结构：代表含有多组密集结构面的岩体，岩体被分割成碎块状，以某些动力变质岩为典型，如溪洛渡泡灰岩。另外按岩体的改变程度可划分为完整的、块裂化或板裂化，碎裂化、散体化的等四个等级。第二节岩体的主要力学特性岩石力学指标的用途a.划分岩石工程类型、岩体工程评价饱和抗压强度≥60MPa60-30MPa＜30MPa＜15MPa岩石类型坚硬岩中硬岩软岩极软岩利用岩石饱和抗压强度划分岩石工程类型岩石力学指标的用途b.岩体质量分类或洞室围岩类型划分RMR分类：地质力学分类，南非Q分类：隧道围岩质量分类，欧洲国内：如水利水电规范、岩土工程规范，其他部们如铁道、公路、总参、建设部，个人方面有王思敬、陶振宇、杨子文。c.评价岩体强度利用结构面网络模拟、蒙特卡洛法等岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验获得的参数：变形模量E0、弹性模量Ee变模E0与弹模Ee的经验关系：基本原理：弹性半无限空间的Boussniesq课题。当测点在板内时的计算公式00.2~5.1EEeeeEdpWEdpW41412020dp式中：E0（Ee）-岩体变形模量（弹性模量）；W0（We）-岩体的总变形（弹性变形）；p-按承压板单位面积计算的压力；d-承压板的直径；u-泊松比。岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验平硐中试验需满足的边界条件：Boussniesq课题的基本前提是半无限空间，但实际试验时是不可能满足的。一般而言，平硐中试验需满足如下图中的边界条件。硐底位置1.5d1.5d2.0d岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验现场试验设备岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验现场试验加压方式a.逐级一次循环法（推荐方式）：b.逐级多次循环法若只要变形模量，则不需卸载；而既要弹性模量、又要变形模量，则每级荷载作用下要进行卸载；若要反映岩体正交各向异性变形特性，可以沿不同方向进行试验，主要有垂直加载和水平加载两种方式。岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验现场试验加压方式岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验现场试验变形稳定判定标准岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验压力～变形曲线与应力～应变关系岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征a.直线型：坚硬岩体或碎裂岩体，比较均匀，E0=Ee，各级荷载下进行计算均可以。UP岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征b.上凹型：裂隙岩体、中等质量岩体。若按实际荷载取各点的模量便是该点在曲线上的切线，所以模量是变化的，但通常取各级荷载下计算模量的平均值。UP岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征c.下凹型：软岩或断层带及岩体质量较差的岩体，同样按实际荷载取各点的模量时是变化的，一般按与实际的荷载（或地应力）相当的点进行取值。UP岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征d.长尾型：试验所在平硐开挖面上有松弛的岩体，或平硐开挖时间长，已形成松动圈。曲线上后段模量较前段模量大。若要真实反映“原位岩体”的模量，则应将u0→0，即以u0点作为0点进行计算。UPU0岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验试验曲线类型及特征e.折尾型：试验所在平硐开挖后有应力集中（残余应力）或有硬壳层。若要真实反映“原位岩体”的模量，则应将σ0→0，即以σ0点作为0点进行计算。UPP0岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验——承压板试验变形模量或弹性模量的计算公式eeWdpEWdpW41412020岩体类型坚硬岩体中硬岩体软岩断层带岩体分类I、IIIIIIVV泊松比u0.24-0.260.27-0.90.30-0.310.32-0.33式中：E0（Ee）-岩体变形模量（弹性模量）；W0（We）-岩体的总变形（弹性变形）；p-按承压板单位面积计算的压力；d-承压板的直径；u-泊松比。岩体变形测试技术、变形特性及参数取值动力法测岩体动弹性模量动力法或弹性波法（地震法、声波法）基本公式2112431211222222spspspsdpdVVVVVVVEuuVE式中：Vp-纵波波速（m/s）；Vs–横波波速（m/s）；ρ-岩体的密度；u-泊松比。岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值a.直接根据变形试验测得的E0、Ee作为依据b.利用波速Vp、Vs获得Ed，建立Ed~Ee关系，并结合E0~Ee关系对于大型水电工程，可以根据某一工程地质单元或某一岩性测试的波速成果建立E0~Vp关系进行分带赋值；对于一般的中小型工程或工程前期阶段，可以利用如下的经验关系对岩体变形模量取值434.0lg278.2lg0pVE式中：E0–变形模量（GPa）；Vp-纵波波速（km/s）。岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值举例：李家峡水电站1)坝基岩体开挖前2)坝基岩体开挖后91.0632.32ln1628.4ln0rVEp95.082.33ln30.4ln0rVEp18.62ln57.7ln0pVE式中：E0–变形模量（GPa）；Vp-硐壁纵波波速（km/s）；r-相关系数。3)进一步反映“原位岩体”的变形模量，可以利