第六章 岩体的工程地质性质及其分类

由以上试验结果可知：
（1）岩体的变形模量比岩块的小，而且受结构面发育 程度及风化程度等因素影响十分明显。
（2）不同地质条件下的同一类型的岩体，其变形模量 相差较大。
（3）试验方法不同、压力大小不同，得到的岩体变形 模量不同。 岩体与岩块比：弹性摸量E小，峰值强度低，残余强度低， 各向异性显著，相同荷载下的变形大。
①由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构 或泥质定向结构
②粘粒含量很高
③含水量接近或超过塑限 ④密度比原岩小 ·
⑤常具有一定的胀缩性
⑥力学性质比原岩差 ⑦强度低 ⑧压缩性高 ⑨易产生渗透变形
十
结构体特征
被结构面切割成的岩石块体，称为结构体．它可用其 规模、形态及其产状进行描述。 与结构面一样．结构体也是有级序的．不同级别的结 构面，切割成的结构体的规模不同：
第三节 岩体的强度性质 岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。岩体的强 度既不同于岩块的强度，也不同于结构面的强度，一般 情况下，其强度介于岩块与结构面强度之间。 岩体和岩块一样，岩体强度也有抗压强度、抗拉强 度和剪切强度之分。 一、岩体的剪切强度 1、岩体剪切强度的类型
岩体的剪切强度是指岩体内任一方向剪切面，在法向 应力作用下所能抵抗的最大剪应力。剪切强度分为抗剪 断强度、抗剪强度和抗切强度。
岩体剪切变形曲线类型示意图
（1）峰值前曲线平均斜率小，破坏位移大；峰值后应
力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。
（2）峰值前曲线平均斜率较大，峰值强度较高。峰值 后应力降较大。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及剧烈风
化岩体剪切。
（3）峰值前曲线斜率大，线性段和非线性段明显，峰 值强度高，破坏位移小。峰值后应力降大，残余强度 较低。多为剪断坚硬岩体。
Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力 学性质，数量多且具随机性。 Ⅴ级结构面, 又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响 岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。
三、 产状 结构面产状包括：走向、倾向、倾角。 结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机 理与强度，结构面展布方向与受力方向不同，岩石的破 坏方式与强度不同。
Ⅱ级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。
Ⅲ级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较 好的层面及层间错动等。 Ⅱ、Ⅲ级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破 坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接 威胁工程安全稳定性。
Ⅳ级 指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、较发育的片理、 劈理面等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响 岩体的物理力学性质及应力分布状态。
·
第六章 岩体的工程地质性质及其分类
第一节 结构面特征
一、结构面的地质成因类型 （1）原生结构面 岩体在成岩过程中形成的结构面。 沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理 面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。 岩浆结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括 岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原 生冷凝节理等。 变质结构面是在变质过程中形成结构面，分为残留结构 面和重结晶结构面。
按不同级别结构面对岩体的切割．可将结构体划分为 4级．其中以由Ⅳ级结构面切割的Ⅳ级结构体规模最小， 一般称为岩块．
在岩块内还包含有微裂隙、隐节理等V级结构面。 较大级别的结构体是由许多较小级别的结构体组成 的．并存在于更大级别的结构体之中。
结构体的规模不同，在工程岩体稳定性中所起的作用 也不同。
结构体的形状极为复杂，其基本形状有： 柱状、块状、板状、楔形、锥形、菱形等。
（4）复合型：p-W曲线呈阶梯 或“S”型。
岩体裂隙发育不均匀 或岩性不均匀（有软弱夹层）。
2、剪切变形曲线 岩体剪切变形曲线十分复杂。沿结构面剪切和剪断 岩体、沿光滑结构面和粗糙结构面的剪切曲线明显不同。 根据曲线形状、及残余强度与峰值强度的比值，可 将剪切变形曲线分为三种类型：
（1）
（2）
（3）
侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示
结构面的粗糙度用粗糙度系JRC(joint roughness coefficient)表示。 根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为 10级。随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。 标准粗糙度剖面见下图。
八 充填胶结特征
结构面胶结后力学性质有所增强，硅质胶结的强度最 高，泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。
五 密度 结构面的密度反映结构面发育的密集程度。 1、线密度(Kd) 指结构面法线方向单位测线长度上交切结 构面的条数(条/m)。 2、间距(d) 指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的 平均距离。
Kd与d互为倒数关系
结构面间距分级表
描述
极密集的间距
间距（mm）
<20
很密集的间距
密集的间距 中等的间距 宽的间距 很宽的间距 极宽的间距
2. 承压板法：（平板载荷 试验）
原理：油压千斤顶对承压板 下的岩体（平直光滑的表面 上）加压，用测微表测变形 （表面变形）。 承压板面积：0.25~1.0m2 加压方式：将预定荷载分若 干级采用逐级一次循环加载。 测记变形：用百分表测记各 级压力下的变形值。 试验结果：可得P~W曲线 P——压力 ；W——各级压力对应变形值
（4）厚层充填结构面的力学性质很差，主要取决于充填物 性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。
九 软弱结构面
软弱结构面是岩体中具有一定厚度的软弱带(层)，与 两盘岩体相比具有高压缩和低强度等特征，在产状上多属 缓倾角结构面。 主要包括：原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化 夹层及次生夹泥层等。
泥化夹层的特性：
未胶结的结构面，力学性质取决于其充填情况，可分 为薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填4类：
（1）薄膜充填结构面两壁附着一层极薄的矿物膜，厚度多 小于1mm，多明显降低结构面的强度。 （2）断续充填结构面的力学性质与充填物性质、壁岩性质 及结构面的形态有关。
（3）连续充填结构面的力学性质主要取决于充填物性质。
3.钻孔（变形法） 它是利用钻孔膨 胀计对一定长度的孔壁施 加均匀液压，同时通过传 感器测量孔壁的径向变形。 用厚壁圆筒理论， 可推导出岩体变形模量与 径向变形的关系：
d—钻孔直径（cm）；p—水压力（MPa）；U—径向变形。
4.狭缝法： （刻槽法） 开缝——用 扁千斤顶加 压，通过百 分表或电阻 应变片观察 变形。
原因：岩体存在显著结构面。
岩体：由岩块和结构面（一组或多组）组成。 岩块：只是含微裂隙，无宏观结构面。 所以岩体与岩块相比，其变形特征有很大区别。
三、岩体变形曲线类型及其特征 1、法向变形曲线 岩体变形曲线有以下一些类型，其特征各不相同。
（1）
（2）
（3）
（4）
岩体法向变形曲线类型示意图
（1）直线型： 通过原点的直线，其方程为： p KW , dp K ,
此外，在强烈破碎的部位，还可有片状、鳞片状、碎块 状及碎屑状等。
结构体形状在岩体稳定性评价中关系很大．形状不 同，稳定程度不同．一般来说．板状结构体比柱状、块 状的差，而楔状的比菱形及锥形的差．但还需结合其产 状及与工程作用力的关系作具体分析。 结构体的产状一般用结构体表面上最大结构面的长 轴方向表示．
（2）构造结构面 是岩体形成后在构造应力作用下形成 的各种破裂面，包括断层、节理、劈理和层间错动面等。 （3）次生结构面 是岩体形成后在外营力作用下产生 的结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥 化夹层等。 各类岩体结构面特征见表2-2。
二、结构面的规模
Ⅰ级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳 定性，直接影响工程岩体稳定性；
基本原理：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加 法向荷载，并测定岩体的变形值；然后绘制出压力-变形关系 曲线，计算出岩体的变形参数。 常用的测试岩体变形参数的静力法原位实验有以下三种： （1）承压板法 ;（2）钻孔变形法;（3）狭缝法
（2）动力法
基本原理：用人工方法对岩体发射(或激发)弹性波(声 波或地震波)，并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动 理论求岩体的变形参数。 动力法包括声波试验、地震试验等。
β
据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的 极限强度与结构面倾角β间的关系为：
由上式可知：当围压σ3不变时，岩体强度(σ1－σ3) 随结构面倾角β变化而变化。
四 连续性 结构面的连续性反映结构面的贯通程度。 1、线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各段长度 之和(Σa)与测线长度的比值。如下图所示，可按下式计算。
2 pb1 Ee
WP 变形系数： D W0
W
e
（反映卸荷曲 线的斜率）
（反映了岩体的残余变形特征 ）
P——承压板单位面积上的压力（MPa）；b——承压板边 长（直径）；ω——与承压板刚度和强度有关的系数 （方形取0.886，圆形取0.785）；W0——总变形；μ— —泊松比（一般室内试验决定）；We——弹性变形；
岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和。结构变形通 常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和滑动等变 形。
岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形 在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。 一、岩体变形试验及其变形参数确定
岩体的变形试验包括静力法和动力法两大类：
1. 基本方法 （1）静力法
dW
d p dW
2
2
0
加压过程中W随p成正比增加。岩体岩性均匀、结构面 不发育或结构面分布均匀多呈这种状态。
（2）上凹型：
曲线方程为：
p＝f(W)，dp/dW， E0随p增大而递增，d2p/d2W＞0
层状及节理岩体多呈这 类曲线。
（3）上凸型：
曲 线 方 程 为 p ＝ f(W) ， dp/dW 随 p 增 加 而 递 减 ， d2p/dW2＜0。 ①软岩：p增大微裂纹扩展,W 增大。 ②充泥裂隙岩体，p增大，泥 向两侧挤出,W增大。 ③较深处埋藏有软弱夹层。