巖體力學(xué)-第三章 巖體綜合調(diào)查及巖體分類

1３.１巖體綜合調(diào)查方法鉆孔取心調(diào)查和沿暴露面調(diào)查：沿露天邊坡和地下坑道壁面進(jìn)行，包括巖體構(gòu)造（結(jié)構(gòu)面），地下水，巖體和不連續(xù)面風(fēng)化情況，節(jié)理巖塊的強(qiáng)度，壁面回彈值。巖體結(jié)構(gòu)分類巖體工程分類第三章巖體綜合調(diào)查及巖體分類2鉆孔取心調(diào)查計(jì)算節(jié)理密度，間距，巖心采取率或巖石質(zhì)量指標(biāo)等，表示不連續(xù)面分布特征和巖體完整性。沿暴露面調(diào)查在露天邊坡和地下坑道壁面進(jìn)行。包括巖體構(gòu)造，地下水，巖體和不連續(xù)面風(fēng)化情況，節(jié)理巖塊的強(qiáng)度，壁面回彈值等等。巖體構(gòu)造調(diào)查主要對巖體中結(jié)構(gòu)面，特別是不連續(xù)面的組數(shù)，密度，產(chǎn)狀持續(xù)性，起伏度和粗糙度等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分布規(guī)律。地下水調(diào)查是統(tǒng)計(jì)地下水的賦存情況以涌水，流水，侵水點(diǎn)的位置及分析地下水的分布。巖體和不連續(xù)面的風(fēng)化情況調(diào)查是對巖體和不連續(xù)面分化程度進(jìn)行鑒定和統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)構(gòu)面特征：層理面(Bedding),沉積成巖過程中形成的結(jié)構(gòu)面,不整合面(Unformity),是老巖層的分化剝蝕面和新巖層的底面，是一種不連續(xù)面,斷層(Fault),節(jié)理(Joint),劈理(Cleavage).不連續(xù)面的風(fēng)化程度：肉眼鑒定不連續(xù)面充填物和兩壁巖石風(fēng)化程度，壁面回彈值判別，點(diǎn)荷載強(qiáng)度測量結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀示意圖34結(jié)構(gòu)面的空間分布規(guī)律赤平極射投影作結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)分布圖，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組，優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面為產(chǎn)狀相近的結(jié)構(gòu)面匯合；相對應(yīng)的為零散結(jié)構(gòu)面。結(jié)構(gòu)面空間分布和結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性分析常用赤平極射投影和實(shí)體比例投影。赤平極射投影：將空間直線和平面幾何關(guān)系轉(zhuǎn)化為平面圖形?？臻g的平面和直線都可以經(jīng)過平移，使其通過投影球的球心，作出其赤平極射投影圖?；臻g為平面。通過Ｎ級和Ｓ級發(fā)出射線將下半球面或上半球面上的點(diǎn)和線投影到赤道平面上。水平面的定義：5赤平極射投影(Stereographicprojection)：投影球：赤平面：其南(S’)北(N’)東(E)西(W)，SN’垂直與紙面。球面投影：赤平極射投影：將空間直線和平面幾何關(guān)系轉(zhuǎn)化為平面圖形。上半球投影（Ｓ級）：平面的走向、傾向（相對與Ｎ級）和傾角（相對于水平面）6吳氏投影吳氏投影：從Ｓ極向上半球面Ａ點(diǎn)發(fā)出射線，該射線與赤平面的交點(diǎn)Ｃ，即為Ａ點(diǎn)的吳氏投影。赤平面為其投影平面，吳氏投影具有等角度性，又叫等角投影。赤平面的南北東西分別為三S、N、E、W。南北垂直紙面。空間的平面和直線都可以經(jīng)過平移，使其通過投影球的球心，１.過球心的斜平面投影經(jīng)過球心的水平面其投影圓弧與基圓重合；經(jīng)過球心的直立平面其投影為一條直線；經(jīng)過球心的斜平面其投影為一圓弧；平面的走向用投影圓弦與北極的方向角表示；平面的傾角用距離表示：用基圓直徑線上投影圓弧的頂點(diǎn)到基圓圓周的距離表示，叫角距。２.不通過球心的水平面投影３.不經(jīng)過球心的直立平面投影４經(jīng)過球心的直線投影作出其赤平極射投影圖，化空間為平面分析空間幾何要素的關(guān)系。78作結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀投影1.幾何作圖法正立面圖水平面圖9作結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀投影1.幾何作圖法幾何作圖法步驟

１.作任意投影圓，標(biāo)明N、S、W、E

２.從N極開始順時(shí)針作大小等于傾向角度方位角，連OF線；

3.作OF線的垂線，即為結(jié)構(gòu)面與投影面交線

４.在Ｆ點(diǎn)同側(cè)，以交線為一邊作大小等于傾角的角，交OF于Ｐ點(diǎn)，為投影圓弧的圓心作投影圓弧。10吳氏經(jīng)緯網(wǎng)：經(jīng)線代表一系列過球心的斜平面赤平投影大圓弧，其走向南北，傾向東西，傾角為0-90度。緯線代表一系列不經(jīng)過球心的直立平面的赤平極射投影小圓弧，走向東西。吳氏經(jīng)緯網(wǎng)的角距(angulardistance)：表示在經(jīng)線所代表的平面內(nèi)兩條過球心的相交直線的夾角(重點(diǎn)理解，有助于學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)面交角的作法)吳氏經(jīng)緯網(wǎng)應(yīng)用：1.作結(jié)構(gòu)面的投影圓弧和結(jié)構(gòu)面的極點(diǎn)，2.很方便的作出兩條相交結(jié)構(gòu)面的交線的投影及其產(chǎn)狀，3.兩相交結(jié)構(gòu)面的夾角。11作結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀投影１.借助經(jīng)緯網(wǎng)a.作基圓標(biāo)出N、S、W、E，與經(jīng)緯網(wǎng)上的N、S、W、E重合；b.從N極開始順時(shí)針作大小等于傾向角度方位角，連OF線；c.OF線與ＷＥ線重合，作傾角總結(jié)為：二次重合二次量角度12步驟：１.作兩結(jié)構(gòu)面的投影圓弧，得到其相交線的投影為Ｋ點(diǎn)２.該Ｋ點(diǎn)為兩結(jié)構(gòu)面的公垂面的極點(diǎn)，據(jù)此可以作出公垂面的投影圓弧，與兩結(jié)構(gòu)面相交與Ｋ１、Ｋ２。３.借助經(jīng)緯網(wǎng)量出Ｋ１、Ｋ２點(diǎn)之間的角距代表的角度，即為兩結(jié)構(gòu)面的相交角度借助經(jīng)緯網(wǎng)作兩結(jié)構(gòu)面的相交角課堂思考題：試比較作結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀投影的方法優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？借助經(jīng)緯網(wǎng)方法和幾何作圖法13施氏子午緯度圈網(wǎng)：子午線代表一系列過球心的直立平面赤平投影緯度圈代表一系列不經(jīng)過球心的水平面的赤平極射投影小圓．施氏子午緯度圈網(wǎng)的角距：子午線所在平面內(nèi)過球心的兩直線交角用極點(diǎn)表示的平面的傾角施氏投影14子午線表示平面或直線的傾向，緯度圈表示直線或平面法線傾角。平面和直線在子午緯度圈網(wǎng)中的投影就是一個(gè)點(diǎn)。施氏子午緯度圈網(wǎng)應(yīng)用：作結(jié)構(gòu)面的極點(diǎn)。將一定范圍內(nèi)巖體中的數(shù)百條結(jié)構(gòu)面，按照各自產(chǎn)狀繪制其極點(diǎn)確定優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組施氏投影施氏投影1516子午緯度圈17子午緯度圈角距18用施氏子午緯度圈網(wǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析１.施氏子午緯度圈網(wǎng)編制結(jié)構(gòu)面的極點(diǎn)圖(用不同符號表示不同結(jié)構(gòu)面)２.根據(jù)結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖繪制極點(diǎn)等密圖極點(diǎn)等密圖：在極點(diǎn)圖基礎(chǔ)上，采用一種計(jì)數(shù)網(wǎng)格或密度計(jì)，將相鄰的每個(gè)計(jì)數(shù)單元內(nèi)的極點(diǎn)數(shù)記錄在計(jì)數(shù)單元的中心，從而形成極點(diǎn)計(jì)數(shù)圖。繪制方法：a.等面積方格網(wǎng)和密度計(jì)編制極點(diǎn)計(jì)數(shù)圖；包括中心密度計(jì)和邊緣密度計(jì)；中心密度計(jì)用于統(tǒng)計(jì)基圓內(nèi)完整小圓內(nèi)中的極點(diǎn)數(shù)；邊緣密度計(jì)用于統(tǒng)計(jì)基圓周邊附近殘缺小圓內(nèi)的極點(diǎn)數(shù)b.丹尼斯計(jì)數(shù)網(wǎng)編制極點(diǎn)計(jì)數(shù)圖c.繪制極點(diǎn)等密線圖或者極點(diǎn)等密圖３.分析極點(diǎn)等密圖，尋找優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面繪制優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組分析對于工程穩(wěn)定性分析有重要意義。19結(jié)構(gòu)面間距的統(tǒng)計(jì)規(guī)律１.結(jié)構(gòu)面間距：分為真間距（兩條結(jié)構(gòu)面之間的垂直距離）和視在間距（沿著測線兩條相鄰結(jié)構(gòu)面之間的間距）。優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面組的間距統(tǒng)計(jì)分析規(guī)律:巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面的間距服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，結(jié)構(gòu)面的間距均大致服從負(fù)指數(shù)分布。巖石質(zhì)量指標(biāo)ＲＱＤ(rockqualitydesignation):直徑為75mm的金剛石鉆頭和雙層巖芯管在巖石中鉆進(jìn)，連續(xù)取芯，回次鉆進(jìn)所取巖芯中，長度大于10cm的巖芯段長度之和與該回次進(jìn)尺的比值，以百分比表示。

各優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面間距在形成結(jié)構(gòu)體塊度上起著關(guān)鍵作用，在巖體工程爆破塊度和自然崩落法采礦中礦體可崩性以及原始塊度分析中具有重要作用。20巖體結(jié)構(gòu)分類（依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》）巖體結(jié)構(gòu)單元

：不連續(xù)面(discontinuityplane)和結(jié)構(gòu)體稱為巖體的兩種結(jié)構(gòu)單元(structurecell)。

巖體結(jié)構(gòu)：巖體中的結(jié)構(gòu)單元的組合(combination)和排列(arrange）形式叫做巖體結(jié)構(gòu)?！敖M合”是指不同類型結(jié)構(gòu)單元在巖體中的搭配關(guān)系；“排列”是指結(jié)構(gòu)單元的排列有序或無序，結(jié)構(gòu)面的貫通(runthrough)或斷續(xù)(spiccato)特征。根據(jù)不連續(xù)面的發(fā)育情況，巖體結(jié)構(gòu)分為整體狀結(jié)構(gòu)，

塊體結(jié)構(gòu)，

層狀結(jié)構(gòu)，

碎裂結(jié)構(gòu),散體狀結(jié)構(gòu).21表3－4巖體結(jié)構(gòu)分類表（引自《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-94,1995）巖體結(jié)構(gòu)類型巖體地質(zhì)類

型主要結(jié)構(gòu)體形

狀結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況巖土工程特征可能發(fā)生的巖土工程問題整體狀結(jié)

構(gòu)均質(zhì)巨塊狀巖漿巖、變質(zhì)巖、巨厚層沉積巖、正變巖質(zhì)巖巨塊狀以原生構(gòu)造節(jié)理為主，多呈閉合型，裂隙結(jié)構(gòu)面間距大于1.5m，一般不超過1～2組，無危險(xiǎn)結(jié)構(gòu)面組成的落石掉塊整體性強(qiáng)度高，巖體穩(wěn)定，可視為均質(zhì)彈性各向同性體不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體的局部滑落或坍塌，深埋洞室的巖爆塊狀結(jié)構(gòu)厚層狀沉積巖、正變質(zhì)巖、塊狀巖漿巖、變質(zhì)巖塊狀柱狀只具有少量貫穿性較好的節(jié)理裂隙，裂隙結(jié)構(gòu)面間距0.7～1.5m，一般為2～3組，有少量分離體巖體整體強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)體面

互相牽制，巖體基本穩(wěn)定，接近彈性各向同性體層狀結(jié)構(gòu)多韻律的薄層及中厚層狀沉積巖、副變質(zhì)巖層狀板狀透鏡體有層理、片理、節(jié)理，常有層間錯(cuò)動面接近均一的各向異性體，其變形及強(qiáng)度特征受層面及巖層組合控制，可視為彈塑性體，穩(wěn)定性較差不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體可能產(chǎn)生滑塌，特別是巖層的彎張破壞及軟弱巖層的塑性變形碎裂結(jié)構(gòu)構(gòu)造影響嚴(yán)重的破碎巖層碎塊狀

斷層、斷層破碎帶、片理、層理及層間結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，裂隙結(jié)構(gòu)面間距0.25～0.5m，一般在3組以上，由許多分離體形成。完整性破壞較大，整體強(qiáng)度很低，并受斷層等軟弱結(jié)構(gòu)面控制，多呈彈塑性介質(zhì)，穩(wěn)定性很差易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)，地下水加劇巖體失穩(wěn)散體狀結(jié)

構(gòu)構(gòu)造影劇烈的斷層破碎帶，強(qiáng)風(fēng)化帶，全風(fēng)化帶碎屑狀顆粒狀斷層破碎帶交叉，構(gòu)造及風(fēng)化裂隙密集，結(jié)構(gòu)面及組合錯(cuò)綜復(fù)雜，并多充填粘性土，形成許多大小不一的分離巖塊完整性遭到極大破壞，穩(wěn)定性極差，巖體屬性接近松散體介質(zhì)易引起規(guī)模較大的巖體失穩(wěn)，地下水加劇巖體失穩(wěn)22巖體工程分類：目的：巖體工程分類是對影響巖體工程設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)的各種因素建立一些評價(jià)指標(biāo)，對工程轄區(qū)巖體進(jìn)行綜合評價(jià)，劃分出不同的級別或類別。它是對巖體的綜合評價(jià)，是解決巖體工程中各種力學(xué)問題的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作.巖體工程分類與巖體結(jié)構(gòu)分類的區(qū)別?巖體工程分類考慮的因素？１.巖石強(qiáng)度：２.巖體完整性：可用結(jié)構(gòu)面頻率(frequency)，間距(spacing)，巖心采取率，巖石質(zhì)量指標(biāo)ＲＱＤ以及完整性系數(shù)表示。23３.不連續(xù)面條件：４.巖體及不連續(xù)面的風(fēng)化蝕變程度：巖體分化程度越高，巖體越破碎，其力學(xué)特性越差。不連續(xù)面分化程度越高，巖體強(qiáng)度越低。５.地下水情況６.允許暴露面面積，不支護(hù)自穩(wěn)時(shí)間，建議支護(hù)類型24常用的幾種巖體質(zhì)量評價(jià)方法（一）蒂爾的巖石質(zhì)量指標(biāo)分類(Deere,1968)巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）、

RQD的巖體分類RQD巖體質(zhì)量(0～25)％

很不好(25～50)％

不好(50～75)％較好(75～90)％

好(90～100)％很好25（二）賓尼亞夫斯基的節(jié)理地質(zhì)力學(xué)分類(Bieniawski，1973,1976)提出一種巖體分級系統(tǒng)（RockMassRatingsystem，RMR）完整巖石強(qiáng)度（單軸抗壓強(qiáng)度和點(diǎn)載荷強(qiáng)度指標(biāo)(pointloadstrengthindex)）、巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）、節(jié)理間距、節(jié)理?xiàng)l件及地下水影響等方面的因素

26RMR節(jié)理巖體地質(zhì)力學(xué)分類單項(xiàng)參數(shù)及評分1參數(shù)數(shù)值變動范圍完整巖石強(qiáng)度（Mpa）點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)

104－102-41-2對于這種低值范圍最好是進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)單軸抗壓強(qiáng)度

250100－25050－10025－505－251－5

1評分1512742102巖石質(zhì)量指標(biāo)（％）90－10075－9050－7525－50

25評分201713833節(jié)理間距

2m0.6－2m200－600mm60－200mm

60mm評分201510854節(jié)理?xiàng)l件（另見表3.8）非常粗糙不連續(xù)面未張開壁面未風(fēng)化輕微粗糙張開小于1mm壁面輕微風(fēng)化輕微粗糙張開小于1mm壁面高度風(fēng)化光滑面或斷層泥小于5mm或張開1－5mm軟弱的，斷層泥大于5mm或張開大于5mm評分3025201005地下水每米隧道的涌水量（升/分）無

1010－2525－125125節(jié)理水壓/最大主應(yīng)力0

0.10.1－0.20.2－0.5

0.5一般情況完全干燥潮濕濕滴水流水評分1510740注：本表中某些條件是互相排斥的。例如，如果有充填表物存在，由于斷層泥的影響，表面粗糙度就不重要了。27根據(jù)總分確定巖體分類總

分100～8180～6160～4140～21<20分類號12345說

明很好的巖體好的巖體一般巖體差的巖體很差的巖體

考慮不支護(hù)隧道的自穩(wěn)時(shí)間

分

類

號12345平均自穩(wěn)時(shí)間15米跨度20年10米跨度1年5米跨度1周2.5米跨度10小時(shí)1米跨度30分鐘巖體內(nèi)聚力(千帕)>400300～400200～300100～200<100巖體內(nèi)摩擦角>45°35°～45°25°～35°15°～25°<15°28綜合了RQD、節(jié)理組數(shù)、節(jié)理面粗糙度、節(jié)理面蝕變程度、裂隙水及地應(yīng)力的影響等六個(gè)方面的因素（三）巴頓等人的巖體分類（Bartonetal，1974）29Jn節(jié)理組數(shù)影響表節(jié)

理

發(fā)

育

情

況Jn值備

注A.整體的,沒有或很少有節(jié)理

0.5～1B.一組節(jié)理

2C.1～2組節(jié)理3D.2組節(jié)理4E.2～3組節(jié)理6F.3組節(jié)理9對交叉點(diǎn)取3.0×

G.3～4組節(jié)理12H.4～5組節(jié)理,巖體被多組節(jié)理切割成塊15對洞

口取2.0×

I.壓碎巖石,似土類巖石2030Jr節(jié)理組數(shù)影響表節(jié)理面粗糙度情況Jn值備

注(a)節(jié)理面直接接觸;(b)剪切時(shí)當(dāng)剪切變形<100cm,巖壁接觸A.不連續(xù)節(jié)理4B.粗糙而不規(guī)則的起伏節(jié)理3C.光滑,但是起伏的節(jié)理2D.光滑,但具起伏的節(jié)理1.5E.平坦且粗糙,或不規(guī)則節(jié)理1.5F.光滑平直節(jié)理1G.平直且光滑的節(jié)理

0.5H.節(jié)理面間充填有不能使節(jié)理面直接接觸的連續(xù)粘土礦物

1.0I.節(jié)理面間充填有不能使節(jié)理面直接接觸的砂.礫石或擠壓破碎帶1.031Ja理蝕變程度影響表節(jié)

理

蝕

變

程

度

Ja

(近似值)(a)節(jié)

理

直

接

接

觸

A.堅(jiān)硬的,半軟弱的經(jīng)過處理而緊密且不具透水充填物的節(jié)理(如石英或綠廉石充填)0.75B.節(jié)理面未產(chǎn)生蝕變,僅少數(shù)表面稍有變化1.025°～30°C.輕微蝕變的節(jié)理,表面為半軟弱礦物所復(fù)蓋,具砂質(zhì)微粒,風(fēng)化巖土等2.025°～30°D.節(jié)理為粉質(zhì)粘土或砂質(zhì)粘土復(fù)蓋,少量粘土,半軟弱巖復(fù)蓋3.020°～35°E.有軟弱的或低摩擦角的粘土礦物復(fù)蓋在節(jié)理面(如高嶺石,云母,綠泥石,滑石,石膏等)或含少量膨脹性粘土(不連續(xù)復(fù)蓋,厚度約1～2m或更薄)的節(jié)理面4.08°～16°(b)當(dāng)剪切變形<10cm時(shí),節(jié)理面直接接觸F.砂質(zhì)微粒,巖石風(fēng)化物充填

425°～30°G.緊密固結(jié)的半軟弱粘土礦物充填(連續(xù)的或厚度小于5mm)616°～34°H.中等或輕微固結(jié)的粘土礦物充填(連續(xù)的或厚度小于5mm)812°～16°J.膨脹性粘土充填,如連續(xù)分布的厚度小于5mm的蒙脫石充填時(shí)

值取決于膨脹性顆粒所占百分比,以及水的滲透情況8～126°～12°(C)剪切后,節(jié)理面不再直接接觸

K.L.M.破碎帶夾層或擠壓破碎帶巖石和粘土(對各種粘土狀態(tài)的說明見G.或H.J)6～8或8～126°～24°N.粉質(zhì)或砂質(zhì)粘土及少量粘土(半軟弱)5Q.P.R.厚的連續(xù)分布的粘土帶或夾層(粘土狀態(tài)說明見G.H.J)10、13或13～206°～24°32Jw裂隙水影響表裂

隙

水

情

況Jw近似的水壓力(kg／cm)A.開挖時(shí)干燥,或有少量水入滲,即只有局部滲入,滲水量小于5升／分1.0小于1.0B.中等入滲,或充填物偶然受水壓沖擊0.661.0～2.5C.大量滲入,或?yàn)楦咚畨?節(jié)理未充填0.52.5～10D.大量入滲,或高水壓,節(jié)理充填物被大量帶走0.332.5～10E.異常大的入滲,或具有很高的水壓,但水壓隨時(shí)間衰減0.1～0.2大于10F.異常大的入滲,或具有很高且持續(xù)的無顯著衰減的水壓0.05～0.1大于1033(a)當(dāng)隧道的交岔點(diǎn)開挖在軟弱帶上時(shí),開挖后可能引起巖體疏松S.R.FA.含有粘土或化學(xué)風(fēng)化巖石的軟弱帶多次出現(xiàn),周圍巖石非常疏松(處于任何深度部位)10B.含有粘土或化學(xué)風(fēng)化巖的單一軟弱帶,開挖深度≤50m5C.含有粘土或化學(xué)風(fēng)化巖的單一軟弱帶,開挖深度>50m2.5D.在堅(jiān)硬巖石中,多次出現(xiàn)剪切帶,周圍巖石疏松7.5E.堅(jiān)硬巖石中,具有單一剪切帶(中間夾少量粘土),開挖深度≤50m5.0F.堅(jiān)硬巖石中,具有單一剪切帶(中間夾少量粘土),開挖深度>50m2.5G.疏松張節(jié)理,形成節(jié)理組很多,多呈方塊狀(處于任何深度部位)5(b)堅(jiān)硬巖石.巖石應(yīng)力問題бc(抗壓強(qiáng)度)/б1(最大主應(yīng)力)бt(抗拉強(qiáng)度)б1(最大主應(yīng))H.低應(yīng)力,靠近地表

>200>132.5J.中等應(yīng)力

10～2000.66～131.0K.高應(yīng)力