岩体稳定性评价

岩体稳定性分析与评价

1 工程岩体的定义

在工程地质中，把工程作用范围内具有一定的岩石成分、结构特征及赋存于某种地质环境中的地质体称为岩体。岩体是在内部的联结力较弱的层理、片理和节理、断层等切割下，具有明显的不连续性。这是岩体的重要特点，使岩体结构的力学效应减弱和消失。使岩体强度远远低于岩石强度，岩体变形远远大于岩石本身，岩体的渗透性远远大于岩石的渗透性[1]。

工程岩体是十分复杂的，它受到自然地质作用和人类活动的共同影响。工程岩体稳定性评价与利用一直是人们研究的热点话题，国内外相关方面的研究一直没有间断。工程岩体通常是指与人类活动有关的地下或地表岩体，如地面的斜坡边坡、岩石基础、水库岸坡、地下硐室围岩以及矿区岩体等。具体而言工程岩体具有以下四个方面的含义：

（1）岩体中普遍存在的节理裂隙、断层、层里等软弱面不连续使大部分岩体失去了连续性而呈现出非线性大变形的力学形态。岩体的变形与强度特征在很多情况下都是由这些结构面控制的，加之岩体介质本身的非均质性，使得岩体的力学形态比土体复杂的多。

（2）由于各种条件的限制，工程岩体往往不可避免地处于高地应力、地下水、地震、地热等环境中，处于多因素控制的受力状态，使其变形与破坏规律更为复杂，经常涉及到固体力学—水力学—热力学场耦合作用。

（3）为满足工程建设要求，经常地对工程岩体进行各种扰动，如开挖、回填、加固处理等，从而使得工程岩体在时间和空间上呈现出复杂的性态特征。

（4）大多数工程岩体均为地表相对较浅的地壳岩体，经历各种地质营力作用，因人类工程活动表现为卸荷岩体力学行为和特征，不同于常规的加载岩体力学特征。

2工程岩体稳定性的影响因素及破坏形式

通常来讲，影响岩体稳定性的结构性因素主要是其自身的结构特征，其次是人类工程活动，最后是环境因素，包括地下水、地应力、地震、地热等。影响工程岩体稳定性的因素主要有以下几个方面：

（1）岩块性质的影响包括岩石的坚硬程度、抗风化能力、抗软化能力、强度、组成、透水性等。

（2）岩层的构造与结构的影响，表现在节理裂隙的发育程度及其分布规律、结构面的胶结情况、软弱面和破碎带的分布与边坡的关系、下伏岩土界面的形态以及坡向坡脚等。

（3）水文地质条件的影响，包括地下水的埋藏条件、地下水的流动及动态变化等。

（4）地貌因素，如边坡的高度、坡度和形态等。

（5）风化作用的影响，主要体现为风化作用将减弱岩石的强度，改变地下水的动态。

（6）气候作用的影响，气候引起岩土风化速度、风化厚度以及岩石风化后的机械、化学变化，同时引起地下水、地表水作用的变化。

（7）地震作用除了使岩土体增加下滑力外，还常常引起孔隙水压力的增加和岩体的强度的降低；另外，开挖、填筑和堆载等人为因素同样可能造成工程岩体的失稳。

工程岩体的失稳往往是多种因素共同作用的结果，导致边坡失稳的因素可归结为两类：一是外界力的作用破坏了岩体原来的应力平衡状态，如边坡岩体的开挖及坡顶上作用外荷载、渗流、地震力等；另一类是边坡岩体的抗剪强度由于受外界各种因素的影响而降低。

岩体承受应力，就会在体积、形状或宏观连续性上发生某种变化。宏观连续性无显著变化者称为变形。如果宏观连续性发生了显著变化，称为破坏。岩体变形破坏的方式与过程既取决于岩体的岩性、结构，也与所承受的应力状态及其变化有关。

因为岩体在变形发展与破坏过程中，除岩体内部结构与外形不断发生变化外，岩体的应力状态也随之调整，并引起弹性能的积存和释放等效应。

区域稳定和岩体稳定问题工程地质分析中的一个核心问题就是要对上述变化和效应作出预测和评价，并论证它们对人类工程活动的影响。

2.1岩体破坏的基本形式

根据岩体破坏机制可将岩体破坏划分为剪切破坏和张性破坏（或拉断破坏）两类。图2-1

破坏方式影响因素：受荷载条件、岩性、结构以及所处的环境特征及两者相互配合的情况等因素影响。

图2-1 岩体破坏的基本形式

2.1.1岩体变形破坏与受力状态的关系

岩石的三轴试验表明，岩石破坏形式与围压的大小有明显的关系（见图

2-2）。

（1）当在负围压及低围压条件下岩石表现为拉断破坏；

（2）随着围压增高将转化为剪断破坏；

（3）当围压升高到一定值以后，表现为塑性破坏。

图2-2 岩石的三向应力状态与破坏方式

（据伯奈克斯，1974）

（a）拉断破坏；(b)剪断破坏；(c) 塑性破坏

（b）

2.1.2岩体破坏形式与岩体结构特征的关系

在低围压条件下岩石的三轴试验表明：

（1）在相同的应力状态下，完整块体状坚硬岩石表现为张性破坏，通常释放出较高的弹性应变能；

（2）含有软弱结构面的块状岩体，当结构面与最大主应力之间角度合适时，则表现为沿结构面的剪切滑动破坏；

（3）碎裂状岩体的破坏方式介于二者之间；

（4）碎块状或散体状岩体，表现为塑性破坏。

3 结构面对岩体稳定性的影响

70年代以来，国外外工程地质学家和岩体力学专家都注意到各种结构面切割的岩体与完整岩块的性质存在区别，并提出了岩块(Rock)和岩体(Rock Mass)的概念。其基本观点是，岩石是地壳发展过程中的自然历史产物，是构成地壳的主要独立组分，它可以由一种或几种造岩矿物或天然玻璃组成，具有稳定的外形的固态集合体。岩石按其成因可分成岩浆岩、沉积岩和变质岩；岩体通常是指不具有成层构造的岩浆岩或混合岩化的变质岩的俗称。在工程地质学领域，“岩石”和“岩体”是工程性质截然不同的两个术语。岩体内存在着不同成因、不同特性、不同方向的结构面。岩体中的结构面依自己的产状，彼此组合将岩体切割成形态

不一、大小不等以及成分各异的岩块，这些由结构面所包围的岩块统称为结构体。岩石仅仅是指构成岩体的物质组成或材料。

岩体的工程性质主要取决于结构体的工程性质和结构面的工程性质，包括岩体赋存的地质环境(地应力、地下水等)和工程作用特点。其中，结构面是造成岩体工程性质复杂性的根本原因:一方面，结构面的存在破坏了岩体的连续性和完整性，使岩体具有不均一性和各向异性;另一方面，作为岩体组成部分的结构面本身，其几何上和力学上也是错综复杂的。

结构面的存在是岩体作为工程介质区别于其他工程介质的本质根源。与土体相比，岩体工程性质的特殊性主要表现在以下三个方面:

(l)不连续岩体是由不同规模、不同形态、不同成因、不同方向和不同序次的结构面以及被结构面围限而成的结构体共同组成的综合体，岩体在几何上和力学性质上都具有不连续性。

(2)各向异性由于发育在岩体中的各种结构面均具有明显的方向性，受结构面的影响，岩体的工程性质呈现显著的各向异性。随着岩体中发育的结构面组数的增多，岩体工程性质的各向异性程度趋于减弱。

(3)非均一由于岩体工程性质的不连续、各向异性以及岩体组成物质的非均质，加之结构面在岩体不同部位发育程度和分布规律的差异，不同工程部位的岩体常表现出不同的工程性质。

岩体工程性质的特殊性决定了岩体工程性质的复杂性，要求对岩体工程性质的研究方法应与土体及其他工程介质相区别。

结构面，根据谷德振教授(1979)的定义，它是地质历史发展过程中，在岩体内形成具有一定方向、一定规模、一定形态和特征的面、缝、层、带状的地质界面。面是指岩块间刚性接触的，无任何充填的劈理、节理、层面、片理等，是自然界最直观、最易被人们认识的一类结构面;缝是指有充填物，而且充填物有一定厚度的裂缝，如泥化夹层、岩脉等。这类结构面具有清楚的界面，也是人们所熟悉的;层是指岩层中工程性质相对软弱的软弱夹层，如玄武岩中的凝灰岩夹层，灰岩中的泥灰岩夹层，砂岩中的粘土层夹层等，是物质成分和力学性质有明显差异的二种成层岩石在空间上韵律分布形成的。这类结构面野外容易识别，但按传统的观点，人们并不把它视为结构面。可以说，这是一类根据力学属性定义的结