第5章 巖體工程地質(zhì)特征

第五章巖體的工程地質(zhì)特征第一節(jié)巖體的結(jié)構(gòu)特征第二節(jié)巖體的主要力學(xué)特性第三節(jié)巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)第四節(jié)巖體的工程分類第一節(jié)巖體的結(jié)構(gòu)特征巖體是由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩部分組成的。結(jié)構(gòu)面也稱不連續(xù)面，切割巖體的各種地質(zhì)界面統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)面。如層面、沉積間斷面、節(jié)理、斷層等，也包括厚度較薄的軟弱夾層。結(jié)構(gòu)面將巖體切割成不同形狀和大小的塊體，這些被結(jié)構(gòu)面所圍限的巖塊稱為結(jié)構(gòu)體。巖體的結(jié)構(gòu)特征，就是指巖體中結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的形狀、規(guī)模、性質(zhì)及其組合關(guān)系的特征。

巖體結(jié)構(gòu)示意圖一、結(jié)構(gòu)面的成因類型1)原生結(jié)構(gòu)面

(1)沉積結(jié)構(gòu)面沉積巖的層理、層面、沉積間斷面及沉積軟弱夾層等都屬于沉積結(jié)構(gòu)面。(2)火成結(jié)構(gòu)面巖漿侵入、噴溢及冷凝過程中形成的結(jié)構(gòu)面，如流層、冷凝節(jié)理、侵入體與圍巖的接觸面及巖漿間歇噴溢所形成的軟弱接觸面等。(3)變質(zhì)結(jié)構(gòu)面變質(zhì)結(jié)構(gòu)面可分為殘留的變余結(jié)構(gòu)面和變成的重結(jié)晶結(jié)構(gòu)面兩種。前者為沉積巖淺變質(zhì)所具有，層面仍保留，但在層面上有絹云母、綠泥石等鱗片狀礦物密集并呈定向排列。重結(jié)晶結(jié)構(gòu)面主要有片理和片麻理等。玄武巖的原生柱狀裂隙沉積巖的層間裂隙2)次生結(jié)構(gòu)面(1)內(nèi)動力形成的結(jié)構(gòu)面包括節(jié)理、劈理、斷層、層間剪切帶等，也稱構(gòu)造結(jié)構(gòu)面。

(2)外動力形成的結(jié)構(gòu)面主要是由風(fēng)化作用、卸荷及人類活動所形成的結(jié)構(gòu)面，其共同特點是只分布在地表或地表以下數(shù)十米的范圍內(nèi)。構(gòu)造裂隙卸荷裂隙次生縫隙：地殼運(yùn)動在巖體中形成的構(gòu)造裂隙，風(fēng)化和卸荷作用形成的裂隙。剪節(jié)理（剪切裂隙）2.結(jié)構(gòu)面的特征(1)規(guī)模：結(jié)構(gòu)面的規(guī)模大小相差懸殊。大者可延展數(shù)十公里，寬度可達(dá)數(shù)十米。規(guī)模小者延展僅數(shù)十厘米或數(shù)十米，甚至可以是很微小的不連續(xù)裂隙。(2)方位：即結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。(3)間距：系指相鄰結(jié)構(gòu)面間的垂直距離，通常是指一組結(jié)構(gòu)面的平均間距。(4)延續(xù)性：它是表征結(jié)構(gòu)面延伸長度和展布范圍的指標(biāo)。(5)粗糙度：結(jié)構(gòu)面的形態(tài)有平直的、波狀的，鋸齒狀的、臺階狀的和不規(guī)則狀的幾種。

二、結(jié)構(gòu)體的形狀體積節(jié)理數(shù)Jv是單位體積通過的總節(jié)理數(shù)(裂隙數(shù)/m3)。根據(jù)體積節(jié)理數(shù)，可對塊體大小進(jìn)行分類，見表。巖石塊體大小分類塊體描述巨型塊體大塊體中等塊體小塊體碎塊體體積節(jié)理數(shù)(裂隙數(shù)/m3)<11~33~1010~30>30三、軟弱夾層軟弱夾層是指在堅硬的層狀巖層中夾有強(qiáng)度低、泥質(zhì)或炭質(zhì)含量高、遇水易軟化、延伸較廣和厚度較薄的軟弱巖層。包括：巖塊巖屑型、巖屑夾泥型、泥夾巖屑型及泥型（GB50287-99,附錄D)等。泥化夾層的形成條件：物質(zhì)基礎(chǔ)、構(gòu)造作用、地下水的作用。四、巖體結(jié)構(gòu)類型巖體結(jié)構(gòu)類型示意圖《港口工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的巖體結(jié)構(gòu)分類方案：整體狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂狀結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)等。不同結(jié)構(gòu)類型巖體的破壞方式整體，層狀，塊狀，破碎工程規(guī)模與巖體結(jié)構(gòu)類型的關(guān)系第二節(jié)巖體的主要力學(xué)特性一、巖體的變形特征單軸壓縮條件下巖石變形特征（變形階段劃分）

1）第一變形階段為圖中OA段曲線，屬于微裂隙壓密階段;2）第二變形階段為圖中AB段曲線，屬于彈性變形階段;3）第三變形階段為圖中BC段曲線，屬于初級膨脹階段;4）第四變形階段為圖中CD段曲線，屬于破壞階段;5）第五變形階段為圖中DE段曲線，屬于峰值后的變形與破壞階段。變形指標(biāo)：變形模量E0、靜彈性模量Ee、動彈性模量Ed。巖石、巖體的應(yīng)力－應(yīng)變曲線巖石強(qiáng)調(diào)的是其本身的巖性和物理、化學(xué)特征，而巖體強(qiáng)調(diào)的是在地質(zhì)環(huán)境下巖石作為地質(zhì)體的特征，如巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、強(qiáng)度、含水情況等等，包含的研究內(nèi)容比巖石更廣塑性和脆性巖體的破壞曲線二、巖體的流變特征蠕變：指在應(yīng)力一定的條件下,變形隨時間的持續(xù)而逐漸增長的現(xiàn)象；

巖石在地質(zhì)條件下的蠕變可以產(chǎn)生相當(dāng)大的變形而所需要的應(yīng)力卻不一定很大。如回填土、軟土、粘土等。

應(yīng)力不變松弛：變形保持一定時，應(yīng)力隨時間的增長而逐漸減小的現(xiàn)象。

應(yīng)變不變。

三、巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度1.平直光滑無充填結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度

τ=σtanφ2.粗糙起伏無充填結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度(1)

當(dāng)法向應(yīng)力較小時,存在所謂的爬坡效應(yīng)

τ=σtan(φb+i)式中:

φb為結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角,i為齒面的起伏角。(2)

當(dāng)法向應(yīng)力較大時,將剪斷鋸齒

τ=σtanφ+c

內(nèi)摩擦力粘聚力（摩擦力）土中有水時：σ=σ-u由上兩式相等,可求得剪斷時的法向應(yīng)力:

σT=c/[tan(φb+i)-tanφ]第三節(jié)巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)地應(yīng)力，也叫初始應(yīng)力，指工程施工前存在于巖體中的應(yīng)力。一、天然應(yīng)力的組成１.自重應(yīng)力;２.構(gòu)造應(yīng)力：由構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的地應(yīng)力;3.剩余應(yīng)力（風(fēng)化剝蝕后）及變異應(yīng)力等。二、天然應(yīng)力的分布規(guī)律1.三向不等空間應(yīng)力場；2.水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的關(guān)系；3.水平應(yīng)力的方向性；4.河谷地區(qū)應(yīng)力場。河谷地區(qū)地應(yīng)力場（二灘水電站附近）三、地應(yīng)力的測量方法1.應(yīng)力解除法和應(yīng)力恢復(fù)法測地應(yīng)力布置圖

(1)應(yīng)力恢復(fù)法

是在巖體表面或地下洞室圍巖表面預(yù)先布置好測量元件，當(dāng)其旁邊開槽解除巖體中的應(yīng)力時，測量元件讀數(shù)發(fā)生變化。再把平面扁千斤頂放入槽內(nèi)加壓，使測量元件恢復(fù)到原來狀態(tài)，此時千斤頂?shù)膽?yīng)力就是垂直槽壁方向的應(yīng)力。

(2)水壓致裂法（應(yīng)力解除法）

是在鉆孔內(nèi)用兩個可膨脹的橡膠封隔器將鉆孔的試驗段隔離開來，施加水壓，通過測量(在試驗水平面)巖石的裂隙產(chǎn)生傳播、保持和重新開裂所需的水壓力，來確定垂直于鉆孔平面最大、最小主應(yīng)力的方法。這種方法是目前在深孔內(nèi)能確定巖體應(yīng)力的唯一的一種技術(shù)。試驗中根據(jù)破裂壓力Pb、重張壓力Pr、關(guān)閉壓力Ps等確定巖石應(yīng)力四、地應(yīng)力研究的工程意義1.基坑底部的隆起、剝離破壞；2.基坑邊坡的剪切滑移；3.地下洞室產(chǎn)生大的收斂變形；4.地下洞室施工過程中產(chǎn)生巖爆；5.邊坡的傾倒變形；6.對壩型選擇的影響第四節(jié)巖體的工程分類一、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD分類巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD（RockQualityDesignation）是以修正的巖心采取率來確定的。巖心采取率就是采取巖心長度與鉆孔長度之比。而RQD即修正的巖心采取率是選用堅固完整的、其長度等于或大于10cm的巖心長度與鉆孔長度之比，并用百分?jǐn)?shù)表示。根據(jù)巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD，可分為很好的（RQD>90）、好的（RQD＝75～90）、一般的（RQD＝50～75）、差的（RQD＝25～50）和很差的（RQD<25）。迪爾（Deere,1964）根據(jù)金剛石鉆進(jìn)的巖芯采取率，提出用RQD值來評價巖體質(zhì)量的優(yōu)劣。二、《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）中的工程巖體分級方案

巖石堅硬程度分類

堅硬程度堅硬巖較硬巖較軟巖軟巖極軟巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）

fr>6060≥fr>3030≥fr>1515≥fr>5fr≤5巖體完整程度分類

注：完整性指數(shù)為巖體壓縮波速度與巖塊壓縮波速度之比的平方，選定巖體和巖塊測定波速時，應(yīng)注意其代表性。完整程度

完整較完整

較破碎破碎極破碎完整性指數(shù)（KV）>0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15<0.15三、工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)

在確定了巖石的堅硬程度、巖體完整程度之后，先按定量劃分方法確定的參數(shù)，計算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)（BQ），其計算公式如下

BQ＝90＋3R