区域稳定及岩体稳定分析的几个基本问题..

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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。
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浅 部 浅 结 、 构 表 面 生 结 表 构 部 面 结 构 面
卸荷断裂 重力扩展变形破裂
卸荷裂隙 风化裂隙 风化夹层 泥化夹层 次生夹泥
构面发生剪切错动。 ⑶边墙或边坡岩体的倾斜。 地下开挖产生的岩体变形和破坏也有不同的类型： ⑴拱顶裂缝掉块； ⑵边墙内鼓张裂； ⑶底鼓及中心线偏移；
⑷施工导坑缩径。
2.2 影响岩体天然应力状态的主要因素及其作用
2.2.1地区地质条件及岩体所经历的地质历史对岩体天 然状态的影响
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⑴岩体的岩性及结构特征对天然岩体应力状态形成的影响。 a： 岩体的岩性及结构特征决定着岩体的容重（ γ）和泊 松比（μ ）等物理力学性质指标的大小，从而影响自重应力场 特征（ σv=γh ）。 • b：在统一区域构造应力作用下，岩体内应力分布的特征 主要取决于岩性、结构特征及其非均一性。 • c: 岩体的岩性和结构特征决定着岩体的强度及其蠕变特 征，因而决定了岩体承受及传递应力的能力。
工程应用分类是以岩体稳定性或岩体质量评价为基础的分类。 为综合性分类，目前主要考虑三方面因素的指标：即与岩石 工程性质有关的指标（力学性质）、岩体后期改造有关的指 标(岩体结构)和岩体赋存条件方面的指标（地下水或地应力）。 通常有:
RMR(宾尼亚斯基分类，Bieniawski);
巴顿的Q分类; 谷德振的岩体质量指标Z系统分类（1979）。
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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。
⑵ 构造作用及其演变历史 对岩体天然应力状态形成的影响。
统计表明活动的构造应力对世界上大部分地区岩体的天然应
力状态起着决定性的作用，而剩余构造应力作用仅局限于一 些地区。 ⑶区域卸荷作用对地壳表层岩体应力状态形成的影响。 区域性的地表剥蚀卸荷作用在增大某些岩体内的水平应 力方面有着重要的作用。
揭示出地壳岩体内的应力状态存在着不同的类型，其中包
括以下三种典型情况： • • • ①潜在走向滑动型; ②潜在逆断型； ③潜在正断层。
• 2.1.3 研究意义
• 地壳开挖导致的岩体变形和破坏主要有以下几种类型： • ⑴基坑底部的隆起、爆裂和沿已有结构面的逆冲错动。
⑵边墙向临空方向的水平位移和沿已有的近水平的结
IV 差 V
RSR的变化范围
25—100
Q 系 统
很好 极好 很好 好 一般 坏 很坏 坏 特坏
Q Q Q Q Q Q Q Q Q
400—1000 100—400 40—100 10—40 4 —10 1—4 0.1—1 0.01—0.1 0.001—0.01
Z 系 统
Z的变化范围为0.01—20
• 1.4 岩体构造结构特征的地质力学分析
第一篇 区域稳定及岩体稳定分析的几个基本问题
1.1 基本概念及研究意义
• 岩体（ rock mass）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。
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。
活动构造应力，即狭义的地应力，是地壳内现在正在 积累的能够导致岩石变形和破裂的应力。 剩余的构造应力是古构造运动残留下来的应力。
• ⑶变异及残余应力 • 变异应力：岩体的物理、化学变化及岩浆的侵入等引 起的应力。具体来说是岩体的物理状态、化学性质或赋存 条件的变化引起的，通常只具有局部意义，可统称为变异 应力。 • 残余应力：承载岩体遭受卸荷或部分卸荷时，岩体中 某些组分的膨胀回弹趋势部分地受到其他组分的约束，于 是就在岩体结构内形成残余的拉、压应力自相平衡的应力 系统，此即残余应力。
等级划分
很好 RMR 100—81 好 RMR 80—61 RMR 40—21 中等 RMR 60—41 很差 RMR<=20
（并联系统）
（T. Bieniawski,1973) RSR=A+B+C 和差综合法 （并联系统） （G.Wickham,1974 ) Q=RQD/Jn . J /J r a . J /SRF w 乘积法 串联系统 （Baton, 1974) Z=I . f . R 乘积法 （串联系统） 谷德振，1979
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•Байду номын сангаас
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。
E—地下水（干燥—流动）分数 15—0 F—不连续面产状条件（很好—很差） 分数 0—-12
A—地质（岩石类型：按三大岩类由硬质至破碎划分四个等级。 构造由整体—强烈断裂褶皱分为四等），分数 30—6 B—节理裂隙特征（按整体至极密集分为6个等级，按走向 倾角与掘进方向关系折减）分数 45—7 C—地下水（无至大量） 分数 25—6 RQD—岩石质量指标 0—100 Jn—裂隙组数，无裂—破裂 ，0.5—20 Jr—裂隙粗糙度，粗糙—镜面，4—0.5 Ja—裂隙蚀变程度，新鲜—蚀变夹泥，0.75—20 Jw—裂隙水折减系数，干燥—特大水流，1—0.05 SRF—应力折减系数，表示洞室开挖中岩性和地应力对 围岩抗变形能力的折减，高者可达20（高应力状态 岩石 趋于流动），低者2.5（接近地表的坚硬岩石） I—完整性系数，I=V2m/V2r Vm—岩体中纵波速 Vr—岩石中纵波速 f—结构面抗剪强度系数 R—岩石坚固系数（为岩石湿单轴抗压强度的百分之一）
• 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 层面，软弱夹 层，断层面或 断层破碎带 A.贯通 连续性好，延伸方向确定，破坏岩体的连续性， 性宏观 通常具一定厚度与方向 构成岩体力学性质作 结构面 用边界，控制岩体变 形破坏方向，稳定性 计算的边界 B.显现 硬性结构面，随机断续分 结构面 布，延伸长度米级-数十 米，具有统计优势方位 C.隐微 短小闭合，长度从毫米级 结构面 至厘米级，随机分布可有 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 影响岩块的强度和变 形破坏特征
• ⑴.自重应力： • 在重力场作用下生成的应力为自重应力。在地表近水 平的情况下，重力场在岩体内的某一任意类形成相当于上 覆岩层重量的垂直正应力σv。 • σv=γh （r 为岩石的容重； h 为该点的埋深； σv 相当于该点三向应 力中的最大主应力。） • 由于泊松效应（即侧向膨胀）造成水平正应力σh，相当 于三向应力中的最小应力：
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按成因，可对构成岩体应力的各组分作如下分类： 岩体应力： 天然应力和初始应力（virginal stress） 自重应力（gravitational stress） 构造应力 （tectonic stress） 活动的（active tectonic stress） 剩余的（residual tectonic stress） 变异及残余应力（altered and residual stress） 感生应力（induced stress）
(见表1-3。)
表1—3 岩体质量分类代表性方案
分类 方案
R M R 系 统 R S R 系统
岩体质量指标计 算公式及方法
RMR=A+B+C+D +E+F 和差综合法
参数
A—岩石强度（点荷载.单轴压) 分数 15—0 B—RQD(岩石质量指标） 分数 20—3 C—不连续面间距（>2m—<3m)分数 20—5 D—不连续面性状（粗糙—夹泥） 分数 30—0 I II III
2.1.2 岩体天然应力状态类型
• 目前有三种观点：⑴由瑞士地质学家海姆于1905-1912 年提出的，他以岩体具有蠕变的性能为依据，认为地壳岩 体任一类的应力都是各向相等的，均等于上覆岩层的自重， 即：σx=σy=σv=rh
• ⑵垂直应力为主的观点
• 基于弹性理论提出的，认为岩体内的应力主要是重力 场作用下形成的自重应力。 • ⑶水平应力为主的观点 • 近年来，大量的震源机制资料和应力实测资料清楚地
结构面的张开度 • 闭合：＜0.2mm；微张：0.2—1.0mm； • 张开：1.0—5.0mm；宽张：＞5.0mm；
1.2.2 岩体分类
1.2.2.1 岩体结构分类 • 按结构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。
• 1.2.2.2 岩体的工程分类
• 2.1 基本概念及研究定义
• 2.1.1 岩体应力的一些基本概念
• 地壳岩体内的天然应力状态，是指未经人为扰动的，主 要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也在岩体 的物理、化学变化及岩浆侵入等的作用下所形成的应力状 态，常称为天然应力或初始应力。
人类从事工程活动，在岩体天然应力场内，因挖除部 分岩体或增加结构面而引起的应力，称为感生应力。
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：侵入体与围岩接触面，岩脉、岩墙接触面 结 喷出岩的流线、流面，冷凝节理 构 面 变质结构面：片理，片麻理，板劈理，片岩软弱夹层。
• 1.4.1 构造断裂的基本组合模式
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⑴.根据构造断裂组合规律去分析评价区域构造稳 定性或岩体稳定性具有重大影响的构造结构特征。
• ⑵.通过追溯应力场演变史来阐明具有复杂历史的 构造断裂的工程地质性质。
1.4.4 走滑断裂区岩体结构特征分析
（1）走滑断裂的基本组合模式 典型的走滑断裂系统发育在相对稳定的地块中，也可
于板块转换断层接触带，它是最大、最小主应力近于水平 的地应力环境下的产物，大多属于脆性剪切破裂。按地质 力学观点，断裂组合可有多种形式，但某一主干断层与其 伴生的不同次序的断裂的组合形式，可视为基本模式。
巴杰利（1959）曾提出一对共额走滑断层与各序次断裂 共生组合的理想模式（图1-19）。80年代以来大量调查 证明，实际情况要复杂一些（图1-20）
各类原生和构 造裂隙，表生 破裂结构面 岩石的隐微裂 隙
• 结构面的形态：
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• 结构面的密集程度：
• 线密度（条/m）、结构面的间距 K=n/L K=1/M1+1/M2
结构面的连通性（连续性、延展性）
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（μ 为岩体的泊松比，N。称为岩体的侧压力系数。）
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对于大多数坚硬岩体：μ 为0.2～0.3，即N。为0.25～ 0.43。对于半坚硬岩体:N。大于0.43；而且当上覆荷载大， 下伏岩体呈塑流时，μ 接近0.5，N。近于1，也就是说该点 近于静水平应力状态。
• ⑵构造应力
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岩石圈运动在岩体内形成的应力称为构造应力。构造应 力又可称为活动构造应力和剩余构造应力。