巖土體的工程性質(zhì)

巖土體的工程性質(zhì)第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日一、巖土體的物質(zhì)組成礦物+顆粒聯(lián)結(jié)1巖土體：是非均質(zhì)、各向異性、厚度不等，具有一定次序并含有一定結(jié)構(gòu)的多層巖土層，且存在于一定的地下水、溫度及應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境中的地質(zhì)體。2巖體與土體共性：

a.都為礦物集合體;b.有固相、液相和氣相組成的多相體系;c.相互轉(zhuǎn)化：土---成巖作用---巖石；巖石--風(fēng)化作用---土;

第一節(jié)

巖土體的物質(zhì)組成與性質(zhì)第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日3巖體與土體差別：

a.結(jié)構(gòu)形式

巖石——存在斷層、節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面;

土——一般是連續(xù);

b.連結(jié)形式

巖石--結(jié)晶連結(jié)、膠結(jié)連結(jié)--硬連結(jié);

土--無連結(jié)、水連結(jié)或水膠連結(jié)等;

c.力學(xué)性質(zhì)

巖石比土具有強(qiáng)度高、不易變形及整體性和抗水性好，但缺陷是存在斷層、節(jié)理等構(gòu)造面;

d.地應(yīng)力

巖體--有較高地應(yīng)力;

土體—自重應(yīng)力狀態(tài);

第一節(jié)

巖土體的物質(zhì)組成與性質(zhì)第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日

第一節(jié)

巖土體的物質(zhì)組成與性質(zhì)二、工程地質(zhì)性質(zhì)1土體：

不是各土層性質(zhì)的疊加而是相互影響淤泥、砂土液化、欠固結(jié)、特殊土2巖體：

結(jié)構(gòu)起控制作用第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二節(jié)

工程地質(zhì)巖組巖土工程地質(zhì)類型劃分--聯(lián)合國(guó)教科文組織（UNESCO）和國(guó)際工程地質(zhì)協(xié)會(huì)（IAEG）

1劃分:

工程地質(zhì)單元

工程地質(zhì)類型（ET）、巖石類型（LT）、巖石綜合體（LC)、工程地質(zhì)巖組(LS)

a.ET--精度高，物理狀態(tài)和巖性均勻.

b.LT--包含不同ET其成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造是均勻的,但物理狀態(tài)不均勻,存在一定范圍.

c.LC--一組發(fā)育在特定古地理和地質(zhì)構(gòu)造條件下的成因相關(guān)的LT組成,空間分布均一,物理狀態(tài)不同.

d.LS--在相似的古地理構(gòu)造條件下形成,具有共同的巖性性質(zhì)和一般的均勻性.第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日2.目的:研究對(duì)比和量化計(jì)算3.原則:A)精度有高到低

B)必須以實(shí)際資料為前提4依據(jù):A)地層形成時(shí)代及順序

B)巖石成因類型、巖性及巖相變化

C)巖石的物質(zhì)組成及組織結(jié)構(gòu)

D)成層條件及厚度變化

E)巖層的原生結(jié)構(gòu)面標(biāo)志

F)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)第二節(jié)

工程地質(zhì)巖組第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日劃分舉例第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)一、基本概念

1結(jié)構(gòu)面:指發(fā)育于巖體中，具有一定方向和延伸性,有一定厚度的各種地質(zhì)界面,如斷層、節(jié)理、層理及不整合面等.由于這種界面中斷了巖體的連續(xù)性，故又稱不連續(xù)面。

2結(jié)構(gòu)體:結(jié)構(gòu)面在空間的分布和組合可將巖體切割成形狀、大小不同的塊體,稱結(jié)構(gòu)體.

第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日3巖體在地質(zhì)歷史過程中形成的,具有一定的巖石成分和一定結(jié)構(gòu),并賦存于一定地應(yīng)力狀態(tài)的地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。

4巖體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的排列與組合形成。包括結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩個(gè)要素。第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日二、巖體結(jié)構(gòu)特征1結(jié)構(gòu)面的特征及性質(zhì)(1)類型結(jié)構(gòu)面的成因分類：原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面、次生結(jié)構(gòu)面（解釋）(2)特征

a.結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與最大主應(yīng)力作用線方向之間的關(guān)系控制著巖體的破壞機(jī)理，進(jìn)而控制著巖體的強(qiáng)度。第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日成因類型地質(zhì)類型主要特征工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

產(chǎn)

狀分

布性

質(zhì)原生結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面1.層理層面2.軟弱夾層3.不整合面假整合面4.沉積間斷面一般與巖層產(chǎn)狀一致，為層間結(jié)構(gòu)面

海相巖層中此類結(jié)構(gòu)面分布穩(wěn)定。陸相巖層中呈交錯(cuò)狀，易尖滅

層面、軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面較為平整；不整合面及沉積間斷面多由碎屑泥質(zhì)物構(gòu)成且不平國(guó)內(nèi)外較大的壩基滑動(dòng)及滑坡很多由此類結(jié)構(gòu)面所造成的。如奧斯汀、圣佛蘭西靳，馬爾巴賽壩的破壞．瓦依昂壩附近的巨大滑坡

巖漿結(jié)構(gòu)面

1.侵入體與圍巖接觸面2.巖脈、巖墻接觸面3.原生冷凝節(jié)理巖脈受構(gòu)造結(jié)構(gòu)面控制．而原生節(jié)理受巖體接觸面控制接觸面延伸較遠(yuǎn)，比較穩(wěn)定而原生節(jié)理往往短小密集與圍巖接觸面可具熔合及破壞兩種不同的特征。原生節(jié)理一般為張裂面，較粗糙不平

一般不造成大規(guī)模的巖體破壞．但有時(shí)與構(gòu)造斷裂配合．也可形成巖體的滑移，如有的壩肩局部滑移

變質(zhì)結(jié)構(gòu)面1.片理2.片巖軟弱夾層產(chǎn)狀與巖層或構(gòu)造方向一致片理短小，分布極密．片巖軟弱夾層延展較遠(yuǎn)，具固定層次結(jié)構(gòu)面光滑平直．片理在巖層深部往往閉合成隱蔽結(jié)構(gòu)面，片巖、軟弱夾層、巖片狀礦物．呈鱗片狀變質(zhì)較淺的沉積巖，如千枚巖等路塹邊坡常見塌方。片巖夾層有時(shí)對(duì)工程及地下洞體穩(wěn)定也有影響構(gòu)造結(jié)構(gòu)面1.節(jié)理（X型節(jié)理，張節(jié)理）2.斷層（正斷層，逆斷層，走滑斷層）3.層間錯(cuò)動(dòng)帶4.羽狀裂隙劈理

產(chǎn)狀與構(gòu)造線呈一定關(guān)系，層間帶動(dòng)與巖層一致張性斷裂較短小,剪切斷裂延展較遠(yuǎn)，壓性斷裂規(guī)模巨大．但有時(shí)為橫斷層切割成不連續(xù)狀張性斷裂不平整，常具次生充填．呈鋸齒狀，剪切斷裂較平直．具羽狀裂晾，壓性斷層具多種構(gòu)造巖，成帶狀分布，往往含斷層泥、糜棱巖

對(duì)巖體穩(wěn)定影響很大．在上述許多巖體破壞過程中．大都有構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的配合作用．此外常造成邊坡及地下工程的塌方、冒頂次生結(jié)構(gòu)面1.卸荷裂隙2.風(fēng)化裂隙3.風(fēng)化夾層4.泥化夾層5.次生夾泥受地形及原結(jié)構(gòu)面控制分布上往往呈不連續(xù)狀，透鏡體，延展性差，且主要在地表風(fēng)化帶內(nèi)發(fā)育一般為泥質(zhì)物充填，水理性質(zhì)很差

在天然及人工邊坡上造成危害，有時(shí)對(duì)壩基，壩肩及淺埋隧洞等工程亦有影響，但一般在施工中予以清基處理第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日如上圖：

β-結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng)力的夾角

(a)β為銳角,巖體將沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動(dòng)破壞

(b)β為直角,表現(xiàn)為切過結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)生剪斷、巖體破壞

(c)β為0度,平行結(jié)構(gòu)而的劈裂拉張破壞第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日b.結(jié)構(gòu)面連續(xù)性連續(xù)性反映結(jié)構(gòu)面的貫通程度．常用線連續(xù)性系數(shù)和面連續(xù)性系數(shù)表示.

線連續(xù)系數(shù)(K):K=Σa/Σb;

其中:Σa---各結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)度之和;Σb---完整巖石各段長(zhǎng)度之和;

K變化在0—1之間．

K值愈大，說明結(jié)構(gòu)面連續(xù)性愈好；當(dāng)K＝1時(shí)．說明結(jié)構(gòu)面完全貫通.

第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日c.結(jié)構(gòu)面的密度密度反映結(jié)構(gòu)面發(fā)育的密集程度．常用間距、線密度等指標(biāo)表示。線密度(Kd)是指結(jié)構(gòu)面法線方向上單位測(cè)線長(zhǎng)度交切結(jié)構(gòu)面的條數(shù)(條/m)；間距(d)則是指同一組結(jié)構(gòu)面法線方向上兩相鄰結(jié)構(gòu)面之間的平均距離。兩者互為倒數(shù)關(guān)系.即

Kd=1/d

結(jié)構(gòu)面的密度決定了巖體的完整性和巖塊的塊度。一般來說．結(jié)構(gòu)面發(fā)育愈密集，巖體的完整性愈差，巖塊塊度愈?。M(jìn)而導(dǎo)致巖體的力學(xué)性質(zhì)變差．滲透性增強(qiáng).第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日d.結(jié)構(gòu)面的形態(tài)

結(jié)構(gòu)面的形態(tài)可從側(cè)壁的起伏形態(tài)和粗糙度兩方面來進(jìn)行研究.

結(jié)構(gòu)面?zhèn)缺诘钠鸱螒B(tài)可分為：平直的、波狀的、鋸齒狀的、臺(tái)階狀的和不規(guī)則狀的幾種，見下圖。而側(cè)壁的起伏程度則可用起伏角(i)表示如下:

i=arctg(2δ/L)

第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)面?zhèn)缺诘钠鸱螒B(tài)第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日側(cè)壁的起伏程度第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日

結(jié)構(gòu)面的粗糙度可用粗糙度系數(shù)(JRC)表示:

它可以增加結(jié)構(gòu)面的摩擦角．進(jìn)而提高了巖體的強(qiáng)度。據(jù)結(jié)構(gòu)面的粗糙程度可將粗糙度系數(shù)（JRC）分為10級(jí)。在實(shí)際工作中，可用剖面儀測(cè)出所研究結(jié)構(gòu)面的粗糙剖面、然后與標(biāo)準(zhǔn)剖面進(jìn)行比較，即可求得結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)(JRC).結(jié)構(gòu)面粗糙度第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日e.結(jié)構(gòu)面的張開度

結(jié)構(gòu)面兩壁之間，一般不是最緊密接觸，而是點(diǎn)接觸或局部接觸.

結(jié)構(gòu)面的張開度是指結(jié)構(gòu)面兩壁間的平均距離．常以毫米為單位.

第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日f.結(jié)構(gòu)面的充填膠結(jié)特征

結(jié)構(gòu)面經(jīng)膠結(jié)后，力學(xué)性質(zhì)有所改善。改善的程度因膠結(jié)物成分不同而異，鐵硅質(zhì)膠結(jié)的強(qiáng)度最高，泥質(zhì)及易溶鹽類膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度最低，且抗水性差.

未膠結(jié)且具一定張開度的結(jié)構(gòu)面，其力學(xué)性質(zhì)取決于充填物成分、厚度、含水性及壁巖性質(zhì)等。就充填物成分來說以砂質(zhì)、角礫質(zhì)力學(xué)性質(zhì)最好．粘土質(zhì)、易溶鹽類性質(zhì)最差.第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日g.結(jié)構(gòu)面的分級(jí)及其特征

按結(jié)構(gòu)面的規(guī)模及其力學(xué)效應(yīng)，可將結(jié)構(gòu)面劃分為5級(jí)級(jí)序

分級(jí)依據(jù)力學(xué)效應(yīng)力學(xué)屬性地質(zhì)構(gòu)造特征Ⅰ級(jí)

結(jié)構(gòu)面延展長(zhǎng)，幾公里至幾十公里以上貫通巖體，破碎帶寬度達(dá)數(shù)至數(shù)十米1.形成巖體力學(xué)作用邊界2.巖體變形和破壞的控制條件3.構(gòu)成獨(dú)立的力學(xué)介質(zhì)單元1.屬于軟弱結(jié)構(gòu)面2.構(gòu)成獨(dú)立的力學(xué)模型—一軟弱夾層較大的斷層

Ⅱ級(jí)延展規(guī)模與研究的巖體相關(guān)，破碎帶寬度比較窄，幾厘米至數(shù)米1.形成塊裂巖體邊界2.控制巖體變形和破壞方式3.構(gòu)成次級(jí)地應(yīng)力場(chǎng)邊界

屬于軟弱結(jié)構(gòu)面

小斷層層間錯(cuò)動(dòng)面Ⅲ級(jí)延長(zhǎng)度短,從十幾米至幾十米,無破碎帶,面內(nèi)不夾泥,有的具有泥膜1.參與塊裂巖體切割2.構(gòu)成次級(jí)地應(yīng)力場(chǎng)邊界少數(shù)屬于軟弱結(jié)構(gòu)面不夾泥大節(jié)理或小斷層開裂的層面Ⅳ級(jí)延展短、未錯(cuò)動(dòng)、不夾泥,有的呈弱結(jié)合狀態(tài)1.是巖體力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)效應(yīng)的基礎(chǔ)2.有的為次級(jí)地應(yīng)力邊界節(jié)理劈理層面次生裂隙Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)面小，且連續(xù)性差1.巖體內(nèi)形成應(yīng)力集中

2.巖體力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)效應(yīng)的基礎(chǔ)不連續(xù)的小節(jié)理隱節(jié)理層面片理面第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日（3)軟弱夾層

a.定義:指巖體中那些性質(zhì)軟弱、有一定厚度的軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱帶,具有高壓縮性和低強(qiáng)度的特征.

b.特征:

(a)由原巖的超固結(jié)膠結(jié)式結(jié)構(gòu)，變成了泥質(zhì)散體結(jié)構(gòu)或泥質(zhì)定向結(jié)構(gòu)；

(b)粘粒含量較原巖增多并達(dá)一定含量；

(c)含水量接近或超過塑限．密度比原巖?。?/p>

(d)常具一定的膨脹性；

(e)力學(xué)強(qiáng)度比原巖大為降低．壓縮性較大；

(f)由于結(jié)構(gòu)松散，因而抗沖刷能力低.在滲透水流作用下，易產(chǎn)生滲透變形.第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日2結(jié)構(gòu)體特征及性質(zhì)

(1)特征

可用其規(guī)模、形態(tài)及其產(chǎn)狀進(jìn)行描述

a.按不同級(jí)別結(jié)構(gòu)面對(duì)巖巖體的切割，可將結(jié)構(gòu)體劃分為4級(jí)。

Ⅰ級(jí)結(jié)構(gòu)體——地質(zhì)體或稱斷塊體

Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)體——巖塊

Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)體——塊體

Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)體——山體

第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日b.基本形狀有柱狀、塊狀、板狀、楔形、錐形、菱形等。一般來說其穩(wěn)定程度，板狀結(jié)構(gòu)體比柱狀、塊狀的差。而楔狀的比菱形及錐狀的差.

c.產(chǎn)狀一般用結(jié)構(gòu)體表面上最大結(jié)構(gòu)面的長(zhǎng)軸方向表示，平臥的板狀結(jié)構(gòu)體比豎直的板狀結(jié)構(gòu)體對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響要大—些.

第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日3巖體結(jié)構(gòu)類型劃分

為了概括地反映巖體結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的成因、特征及其排列組合關(guān)系．將巖體結(jié)構(gòu)劃分為4大類和8個(gè)亞類如下表所示：第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)類型

地

質(zhì)

背

景結(jié)構(gòu)面特征結(jié)構(gòu)體形態(tài)類亞

類整體塊狀結(jié)構(gòu)

Ⅰ整體結(jié)構(gòu)（Ⅰ1）巖性單一，構(gòu)造變形輕微的巨厚層沉積巖、變質(zhì)巖和火成巖體結(jié)構(gòu)面少．一般不超過3組．延展性極差．多閉合．無充填或夾少量碎屑巨型塊狀塊狀結(jié)構(gòu)（Ⅰ2）巖性單一，構(gòu)造變形輕一中等的厚層沉積巖、變質(zhì)巖和火成巖體結(jié)構(gòu)面—般2—3組，面多閉合，層間有一定的結(jié)合力各種形狀的塊狀層狀結(jié)構(gòu)

Ⅱ

層狀結(jié)構(gòu)（Ⅱ1）構(gòu)造變形輕一中等的中一厚層的層狀巖體以層面、片理、節(jié)理為主．延展性較好。一般有2-3組．層間結(jié)合力較差

厚板狀，塊狀、柱狀薄層狀結(jié)構(gòu)（Ⅱ2）同Ⅱ1但厚度小(<30cm)，在構(gòu)造作用下表現(xiàn)為相對(duì)強(qiáng)烈褶曲和層間錯(cuò)動(dòng)層理、片理發(fā)育．原生軟弱夾層層間錯(cuò)動(dòng)和小斷層不時(shí)出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)面多為泥膠、碎屑和泥質(zhì)物充填?！憬Y(jié)合力差板狀或薄板狀碎裂結(jié)構(gòu)

Ⅲ鑲嵌結(jié)構(gòu)

（Ⅲ1）一般發(fā)育于脆硬巖層，節(jié)理，劈理組數(shù)多，密度大以節(jié)理、劈理等小結(jié)構(gòu)面為主組數(shù)多，密度大，但延展性差，閉合無充填或夾少量碎屑形態(tài)、大小不—棱角顯著。層狀碎裂結(jié)構(gòu)

（Ⅲ2）軟硬相間的巖石組合．井常有近于平行的軟弱破碎帶存在軟弱夾層和各種成因類型的破碎帶發(fā)育，大致平行分布，以構(gòu)造節(jié)理等小型結(jié)構(gòu)面為主

以碎塊狀和板柱狀為主碎裂結(jié)構(gòu)(Ⅲ3)巖性復(fù)雜，構(gòu)造破碎強(qiáng)烈；弱風(fēng)化帶各類結(jié)構(gòu)面皆發(fā)育，彼此交切多被充填結(jié)構(gòu)面光滑度不等，形態(tài)不同碎屑和大小、形態(tài)不同的巖塊

散體結(jié)構(gòu)

Ⅳ

構(gòu)造破碎帶及劇一強(qiáng)風(fēng)化帶節(jié)理，劈理密集．破碎帶呈塊夾泥或泥包塊的松軟狀態(tài)泥、巖粉，碎屑、碎塊，碎片等第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)三、巖體工程性質(zhì)1巖體變形性質(zhì)

(1)結(jié)構(gòu)面的變形特性

a.法向變形特性（對(duì)比試驗(yàn)）

在同一巖體中．取一塊不含結(jié)構(gòu)面的完整巖塊試件和一塊含結(jié)構(gòu)面的巖石試件。然后，分別對(duì)這兩塊試件進(jìn)行單向壓縮試驗(yàn)，可得到如圖。設(shè)不含結(jié)構(gòu)面試件的法向變形為△Vr，含結(jié)構(gòu)面試件的法向變形為△Vt，則結(jié)構(gòu)面的閉合變形△Vj為：

△Vj=△Vt-△Vr

應(yīng)力-應(yīng)變曲線上某點(diǎn)的切線斜率定義為結(jié)構(gòu)面的法向剛度（Kn），它是反映結(jié)構(gòu)面法向變形性質(zhì)的主要參數(shù)。第二十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日b.剪切變形特征

結(jié)構(gòu)面的剪切變形有兩種基本類型：

一類為塑性變形型．如泥化夾層、光滑平直的破裂面等一般具這類變形特征；

另—類為脆性變形.σn-△Vj曲線有明顯的峰值點(diǎn)和應(yīng)力降。當(dāng)應(yīng)力降于—定值后趨于穩(wěn)定。不再隨位移變化而變化。如粗糙結(jié)構(gòu)面等常具這種變形特征。

把剪力-應(yīng)變曲線上某點(diǎn)的切線斜率定義為結(jié)構(gòu)面的剪切剛度(Ks)．它是反映結(jié)構(gòu)面剪切變形性質(zhì)的主要參數(shù)。第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日(2)巖體變形參數(shù)的確定及變形曲線類型

a.承壓板法

試驗(yàn)一般在平巷中進(jìn)行。利用巷道頂板作反力，以油壓千斤頂施加壓力．通過剛性承壓板將壓力傳至底部平直光滑的巖面上．用百分表測(cè)量巖體變形值。按下式計(jì)算．即

式中：Em為巖體的變形模量(MPa)；

W為巖體的變形量(cm)；

P為承壓板單位面積上的壓力(MPa)；

D為承壓板直徑或邊長(zhǎng)(cm)；

μ為巖體的泊松比；

ω為與承壓板剛度和形狀有關(guān)的系數(shù)，圓形板取0.79、方形板取0.88.第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日b.鉆孔變形法

利用鉆孔膨脹計(jì)對(duì)一定長(zhǎng)度的孔壁施加均勻壓力，同時(shí)測(cè)量孔壁的徑向變形。利用下式計(jì)算巖體的變形模量和彈性模量，即

式中：δ為巖體的徑向變形(cm)；

p為計(jì)算壓力，等于試驗(yàn)壓力與初始?jí)毫χ?MPa)；

d為實(shí)測(cè)點(diǎn)的鉆孔直徑(cm)；其余符號(hào)意義同前.第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日c.聲波法

通過測(cè)量巖體中縱波和橫波的傳播速度，來確定其變形參數(shù)，即

或

式中：Emd為巖體的動(dòng)彈性模量(GPa)；

μd為巖體的動(dòng)泊松比;

Gmd為巖體的動(dòng)剪切模量(GPa)ρ為巖體的密度(g／cm2);vp為縱波速度(m／s);vs為橫波速度(m／s).第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日(3)節(jié)理化巖體變形模量的估算

比尼衛(wèi)斯基根據(jù)巖體變形模量實(shí)測(cè)資料，并用CSIR分類法對(duì)巖體進(jìn)行了分類．建立了如下的統(tǒng)計(jì)關(guān)系：

當(dāng)RMR≥55時(shí)，

Em=2RMR-100

當(dāng)RMR<55時(shí)，

Em=10((RMR-100)/40)

式中:Em為巖體的變形模量(GPa)；

RMR為CSIR分類求得的巖體質(zhì)量評(píng)分值.第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第三十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)2、巖體的強(qiáng)度性質(zhì)巖體是由各種不同形態(tài)的巖塊和結(jié)構(gòu)面組成的地質(zhì)體．因此其強(qiáng)度必然受到巖塊和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度及其組合形式的控制。一般情況下．巖體的強(qiáng)度既不等于巖塊的強(qiáng)度．也不等于結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，而是兩者共同影響表現(xiàn)出來的強(qiáng)度。本節(jié)主要討論結(jié)構(gòu)面與巖體的剪切強(qiáng)度及巖體的抗壓強(qiáng)度.第三十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日1）結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度

根據(jù)結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、連續(xù)性、充填情況及力學(xué)性質(zhì)，可將結(jié)構(gòu)面分為平直光滑無充填的、粗糙起伏無充填的、非貫通斷續(xù)的及軟弱充填的等4類。各類結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度分述如下:

a.平直光滑無充填結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度

這類結(jié)構(gòu)面以光滑破裂面及磨光面為代表，是摩擦剪切作用的產(chǎn)物，其剪切強(qiáng)度接近于人工磨光面的摩擦強(qiáng)度。設(shè)剪切強(qiáng)度為τ，則

τ=σ·tgФi

式中：σ為法向應(yīng)力；Фi為結(jié)構(gòu)面的摩擦角.第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第三十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日b粗糙起伏無充填結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度

這類結(jié)構(gòu)面的基本持點(diǎn)是具有起伏度．當(dāng)法向應(yīng)力較小時(shí)．剪切過程中可引起上滑效應(yīng)(又稱剪脹效應(yīng))；當(dāng)法向應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，凸起面被剪斷。帕頓(Patton，1966)理想化石膏模型試驗(yàn)：

假定結(jié)構(gòu)面為規(guī)則的鋸齒形，起伏角為i．起伏差為δ，受法向應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ作用，則當(dāng)法向應(yīng)力較低時(shí)，剪切應(yīng)力為：

τ=σ·tg(Фi+i);

當(dāng)法向應(yīng)力較高時(shí)，剪切應(yīng)力為：

τ=Cb+tgФb;

其中，Cb和Фb分別為結(jié)構(gòu)面凸起部分巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第三十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日

剪斷結(jié)構(gòu)面凸起部分的條件

σT=Cb/(tan(Фj+i)-tanФb);

結(jié)構(gòu)面起伏形態(tài)不規(guī)則的粗糙面，巴頓(Barton，1977)根據(jù)大量試驗(yàn)資料得出：

τ=σtan(JRC*log(JCS/σ)+Фb);

其中，JRC為粗糙度系數(shù),可通過實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)同粗糙剖面與標(biāo)準(zhǔn)剖面對(duì)比求得；JCS為結(jié)構(gòu)面壁巖的抗壓強(qiáng)度,可用回彈儀測(cè)定；Фb為結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角；σ為法向應(yīng)力.第三十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日c非貫通斷續(xù)結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度這類結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度由各段結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度和非貫通段(巖橋)巖石的剪斷強(qiáng)度兩部分組成。因此，整個(gè)結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度取決于結(jié)構(gòu)面和巖塊性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性，即

式中：Cj、Cm分別為結(jié)構(gòu)面和巖石的內(nèi)聚力；Фj、Фm分別為結(jié)構(gòu)面和巖石的內(nèi)摩擦角；K1為結(jié)構(gòu)面的線連續(xù)性系數(shù).第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第四十頁，共五十七頁，2022年，8月28日d具充填的軟弱結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度

這類結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度，主要取決于充填物成分、結(jié)構(gòu)、厚度及充填度等情況.

第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第四十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日

由上圖可知，結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度隨充填物碎屑含量增加及顆粒變粗而增高，隨粘較含量增加而降低。結(jié)構(gòu)面的充填度常用充填物厚度(d)與結(jié)構(gòu)面的起伏差(δ)之比來表示。它對(duì)結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度的影響表現(xiàn)在強(qiáng)度隨充填度(d／δ)增大而降低.第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第四十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日2）巖體的剪切強(qiáng)度

巖體的剪切強(qiáng)度：巖體中任一方向的剪切面，在一定的法向應(yīng)力作用下所能抵抗的最大剪應(yīng)力。巖體的剪切強(qiáng)度也分為剪斷強(qiáng)度、摩擦強(qiáng)度和抗切強(qiáng)度3種.

第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第四十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日

試驗(yàn)和理論研究都表明：巖體的剪切強(qiáng)度主要受結(jié)構(gòu)面、應(yīng)力狀態(tài)、巖性及風(fēng)化程度等因素控制。在高應(yīng)力條件下，巖體的剪切強(qiáng)度接近于巖塊強(qiáng)度．在低應(yīng)力條件下，巖體的剪切強(qiáng)度主要受結(jié)構(gòu)面控制。

一般情況下，巖體的剪切強(qiáng)度包絡(luò)線不一條簡(jiǎn)單的曲線，而是有一定上、下限的曲線族。下限是結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度，上限是巖塊的剪斷強(qiáng)度。第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第四十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日3）節(jié)理化巖體強(qiáng)度的估算

由于原位巖體實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高周期長(zhǎng)，一般情況難以普遍采用。在工程中常對(duì)巖體作出合理的估算。下面介紹兩種節(jié)理化巖體強(qiáng)度的估算方法:

(1)利用單結(jié)構(gòu)面理論估算巖體強(qiáng)度

為了研究節(jié)理化巖體的強(qiáng)度，耶格（Jaeger，1960）發(fā)展了的單結(jié)構(gòu)面理論，具體如下：若巖體中發(fā)育有—組結(jié)構(gòu)面AB，結(jié)構(gòu)面的內(nèi)聚力為Cj，內(nèi)摩擦角為φj，則巖體沿結(jié)構(gòu)面AB發(fā)生滑動(dòng)破壞的條件，根據(jù)莫爾強(qiáng)度理論為：

第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第四十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日第四十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日

由上式可知：巖體的強(qiáng)度(σ1-σ3)隨β角的變化而變化，當(dāng)β→90°時(shí)或β→Фj時(shí)，巖體不可能沿結(jié)構(gòu)面破壞，而只能產(chǎn)生剪斷巖塊破壞。圖中（b）給出這兩種破壞的強(qiáng)度包絡(luò)線。

如果巖體中含有二組以上結(jié)構(gòu)面，且假定各組結(jié)構(gòu)面只有相同的性質(zhì)時(shí)．巖體強(qiáng)度的確定方法是分步運(yùn)用單結(jié)構(gòu)面理論．分別繪出每一組結(jié)構(gòu)面單獨(dú)存在時(shí)的強(qiáng)度包絡(luò)線，這些曲線的最小包絡(luò)線即為含多組結(jié)構(gòu)面巖體的強(qiáng)度包絡(luò)線。右圖為含二組和三組結(jié)構(gòu)面的巖體，在不同條件下的強(qiáng)度包絡(luò)線。第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第四十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日第四十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日2)利用霍克-布朗經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)度方程估算巖體強(qiáng)度霍克和布朗于1980年根據(jù)巖體性態(tài)方面的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了巖塊和巖體破壞時(shí)的判據(jù)為

σ1=σ3

+(mσc+sσc2)(1/2)

（2）

式中：σ1、σ3分別為破壞時(shí)最大、最小主應(yīng)力；σc為巖塊的單軸抗壓強(qiáng)；m、s為與巖石性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)面待征有關(guān)的系數(shù)，其值可查表6-8求得。第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第四十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日第五十頁，共五十七頁，2022年，8月28日

由上式，分別令σ1＝0和σ3＝0時(shí)，則巖體的單軸抗壓強(qiáng)度(σmc)和單軸抗拉強(qiáng)度(σmt)分別為

σmc=(sσc2)(1/2)

(3)

σmt=(m-(m2+4s)0.5)/2

(4)

通過有關(guān)資料調(diào)查后，可以用（2）、（3）、（4）式對(duì)巖體強(qiáng)度進(jìn)行估算.

第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)第五十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日第三節(jié)

巖體結(jié)構(gòu)及其工程性質(zhì)四、巖體的工程分類1目的：

a.對(duì)巖體進(jìn)行歸類

b.定性或定量的評(píng)價(jià)各類巖體質(zhì)量、工程建筑條件,為工程設(shè)計(jì)和施工提供地質(zhì)依據(jù)。2主要考慮因素：主要考慮三方面因素的指標(biāo)：即與巖石工程性質(zhì)有關(guān)的指標(biāo)（力學(xué)性質(zhì)）、巖體后期改造有關(guān)的指標(biāo)(巖體結(jié)構(gòu))和巖體賦存條件方面的指標(biāo)（地下水或地應(yīng)力）.第五十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日3典型分類主要有RQD、RMR(比尼衛(wèi)斯基分類，Bieniawski)、巴頓的Q分類。

a.RQD