土木工程地质学Geology in Civil Engineering

4.1 岩体结构与地质特征

4.2 岩块的工程地质性质

4.3 结构面特征及力学性质

4.4岩体力学性质与工程分类

岩体的工程地质性质岩体的工程地质性质

岩体的基本概念：岩体通常指工程影响范围内的地质体，它由处于一定应力状态、被各种结构面切割的岩石所组成。

岩体 (rock mass) ＝结构面 (discontinuities)+ 岩石 (rocks)

工程岩体：地基岩体、边坡岩体、地下洞室围岩

结构面：指岩体中具有一定方向、力学特性相对较差、两向延伸（或具有一定厚度）的各种地质界面的总称。由于中断了岩体的连续性，故又称不连续面，如层面、节理、断层、软弱夹层等。

4.1 岩体结构与地质特征

构面的成因类型构面的成因类型 原生结构面：岩石成岩过程中形成的结构面。

沉积结构面：层理、层面、沉积不整合面、沉积软弱夹层。

火成结构面：岩浆侵入、喷溢及冷凝过程中形成的结构面。

变质结构面：包括残余的变余结构面和变成的重结晶结构面。

次生结构面

内动力成因型结构面（构造结构面）：受构造应力作用。

外动力成因型结构面（表生结构面）：如卸荷裂隙（长江链子崖危岩体）、泥化夹层及表生夹泥。

结构面的特征结构面的特征 19781978 年年 ISRMISRM 实验室和野外试验标准委员会制定的实验室和野外试验标准委员会制定的《《岩体不岩体不

连续面定量描述的建议方法连续面定量描述的建议方法》》 方位：结构面的产状（走向、倾向、倾角） 间距：反映岩体完整程度和块体大小 延续性：反映结构面的连通率 粗糙度：反映结构面的起伏状况 结构面侧壁强度：反映结构面受风化影响的程度 张开度：又称隙宽，即裂隙的宽度 充填物：不同物质充填对力学特性有显著影响 渗流：反映地下水的活动状况 节理组数：反映岩体被切割的状况 块体大小：可用块度和体积节理数反映

10

结构体 (structural element) －－被结构面切割而成的岩石块体。与结构面级别对应 , 为四级。

结构体特征－－形态、规模、产状形状

规模

常见的：柱状、板状、楔形及菱形等，还有片状、鳞片状、碎块状及碎屑状

即岩块的大小 , 取决于结构面的密度 , 密度愈小 , 结构体的规模愈大。常用单位体积内的Ⅳ 级结构体数（块度模数） 或结构体体积来表示。

板状或菱形

岩体的结构体形状

柱状

锥形形状不同 , 稳定性不同 : 板状比柱状、菱形状更易滑动，楔形体比锥形体稳定性差

结构体特征－－规模、形态、产状

板状或菱形

楔形j

g

ed

板状i

楔 c 形

锥形h

b柱 a 状

楔形f

产状 用结构体的长轴方向表示。结构体特征－－规模、形态、产状

结构体稳定性与结构体产状、力的方向、临空面方向等有关。如板状结构体：竖直的与平卧的稳定性和破坏特征不同。

滑动或弯曲、折断破坏

弯曲、折断或弯曲、倾倒破坏

岩体的结构类型－－ 5 类岩体结构类型划分表（引自《岩土工程勘察规范》， 1995 ）

岩体结构类型

岩体地质类 型

主要结构体 形

状结构面发育情况 岩土工程特征 可能发生的

岩土工程问题

整体状结 构

均质、巨块状岩浆岩、变质岩、巨厚层沉积岩、正变质岩

巨块状以原生构造节理为主，多呈闭

合型，裂隙结构面间距大于1.5m ，一般不超过 l～ 2 组，无危险结构面组成的落石掉块

整体性强度高，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体

块状结构

厚层状沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩

块状柱状

只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，裂隙结构面间距 0.7 ～

1.5m 。一般为 2～ 3 组，有少量分离体

整体强度较高，结构面互相牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体

层状结构

多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩

层状板状

透镜体

有层理、片理、节理，常有层间错动面

接近均一的各向异性体，其变形及强度特征受层面及岩层组合控制，可视为弹塑性体，稳定性较差

不稳定结构体可能产生滑塌，特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形

碎裂状结 构

构造影响严重的破碎岩层 碎块状

断层，断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育，裂隙结构面间距 0.25～ 0.5m ，一般在 3 组以上，由许多分离体形成

完整性破坏较大，整体强度很低，并受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质，稳定性很差

易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳

散体状结 构

构造影响剧烈的断层破碎带，强风化带，全风化带

碎屑状颗粒状

断层破碎带交叉，构造及风化裂隙密集，结构面及组合错综复杂，并多充填粘性土，形成许多大小不一的分离岩块

完整性遭到极大破坏，稳定性极差，岩体属性接近松散体介质

易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳

不稳定结构体的局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆

岩体完整程度

结构面发育程度 主要结构面的结合程度

主要结构面类型

岩体结构类型组数 平均间距 /m

完整 1 ～ 2 >1.0 结合好或结合一般 节理、裂隙、层面

整体状或巨厚层状结构

较完整 1 ～ 2 >1.0 结合差 节理、裂隙、层面

块状或厚层状结构

2 ～ 3 1.0 ～ 0.4 结合好或结合一般 块状结构较破碎 2 ～ 3 1.0 ～ 0.4 结合差 节理、裂隙、

层面、小断层裂隙块状或中厚层状结构

≥3 0.4 ～ 0.2 结合好 镶嵌碎裂结构结合一般 中、薄层状结

构破碎 ≥3 0.4 ～ 0.2 结合差 各种类型结构

面裂隙块状结构

≤0.2 结合一般或结合差 碎裂状结构极破碎 无序 结合很差 散体结构

岩体完整程度与岩体结构类型的定性划分 ( 《工程岩体分级标准》）

整体状结构

层状结构

块状结构

碎裂结构

散体状结构

岩体的结构类型岩体的结构类型 整体块状 层状结构 碎裂结构 散体结构

4.2.1 岩石的主要物理和水理性质

1) 密度和重度

2) 相对密度（比重）

3) 孔隙度（孔隙率）

4) 吸水率和饱和吸水率

4.2 岩块的工程地质性质

4.2.1 岩石的主要物理性质

1) 密度和重度 岩石密度 ρ（ g/cm3 ）：试样质量m（ g ）与试样体积

V（ cm3 ）的比值

天然密度 干密度 ρd

含水量 w（％） 重度 γ（ kN/m3 ） ：单位体积岩石受到的重力，与密度 ρ的

关系为

4.2.1 岩石的主要物理性质

2) 相对密度（比重） Gs

干试样质量m（ g ）与 4℃ 时同体积纯水质量（岩石固体体积与水的密度之积）的比值

4.2.1 岩石的主要水理性质

3) 孔隙度（孔隙率） n

试样中孔隙（包括微裂隙）的体积 Vv（ cm3 ）与试样总体积V（ cm3 ）的百分比

V

Vn v

v

v

VV

Ve

n

ne

e

en

11或

孔隙比 e

孔隙度 n与孔隙比 e之间的关系

4.2.1 岩石的主要水理性质

4) 吸水率Wa 和饱和吸水率Wsa

%1001 s

wa m

mW

%1001 s

wsa m

mW

sa

aw W

Wk 饱水系数 kw

4.2.1 岩石的主要水理性质 岩石的耐冻性

岩石的饱水系数 kw 可以作为岩石耐冻性判别的指标。

饱水系数越大的岩石，耐冻性越差。

岩 石 种 类 耐冻岩石 不耐冻岩石

一般岩石的理论值 kw ＜ 0.9 kw ≥0.9

粒状结晶、孔隙均匀的岩石 kw ＜ 0.8 kw ≥0.8

孔隙不均匀或呈层状分布有粘土物质充填的岩石

kw ＜ 0.7 kw ≥0.7

4.2.2 岩块的力学性质 岩石强度岩石强度 抗压强度：干抗压、饱和抗压、软化系数 抗拉强度：劈裂试验，点荷载试验 抗剪强度：中型剪、双面剪 岩石变形岩石变形 弹性模量 变形模量 泊松比

4.2 岩体的主要力学特性 岩石力学指标的用途

a. 划分岩石工程类型、岩体工程评价

饱和抗压强度 ≥60MPa 60-30MPa ＜ 30MPa ＜ 15MPa

岩石类型 坚硬岩 中硬岩 软岩 极软岩

利用岩石饱和抗压强度划分岩石工程类型

4.2 岩体的主要力学特性

岩石力学指标的用途

b. 岩体质量分类或洞室围岩类型划分

RMR 分类：地质力学分类，南非

Q 分类：隧道围岩质量分类，欧洲

国内：如水利水电规范、岩土工程规范，其他部们如铁道、公路、总参、建设部，个人方面有王思敬、陶振宇、杨子文。

c. 评价岩体强度

利用结构面网络模拟、蒙特卡洛法等

影响岩石工程性质的因素

内部因素（岩石的地质特征）•矿物成分•结构•构造

外部因素•水的作用•风化作用

结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体的形状、方位和大小，控制岩体稳定性的重要因素。尤以结构面的规模是最重要的控制因素。按结构面发育程度和规模可以划分为如下五级：

I 级结构面 --区域构造起控制作用的断裂带 Ⅱ 级结构面 --延展性强而宽度有限的地质界面 Ⅲ 级结构面 --局部性的断裂构造 Ⅳ 级结构面 --节理面

V 级结构面 --细小的结构面

4.3 结构面特征及力学性质

结构面的几何特征是反映结构面的外貌，由下列要素组成：1 、走向 : 结构面与水平面的交线方向，用方位角表示。 2 、倾斜 : 结构面的倾斜方向和倾斜角度。 3 、连续性。4 、粗糙度 : 表明结构面的粗糙程度。 5 、起伏度 : 包括起伏波的幅度和长度。起伏波的幅度是指相邻两波峰连线与其下波槽的最大距离 a,起伏波的长度是指相邻两波峰之距离。

结构面的几何特征

结构面的产状、形态、延展尺度、密集程度以及胶结与充填情况等是影响岩体强度和稳定性的重要因素。1 、结构面产状：指结构面的走向、倾向和倾角，对岩体是否沿某一结构面滑移起控制作用。 2 、结构面形态：决定结构面抗滑力的大小，当结构面的起伏程度大，粗糙度高时，其抗滑力就大。 3 、结构面的延展尺度：在工程岩体范围力，延展度大的结构面控制着岩体的强度。结构面延展情况不同，其力学效应也不同。

结构面的状态

(1)非贯通性结构面(2)半贯通性结构面(3)贯通性结构面

4 、结构面的密集程度：指岩体中各种结构面的发育程度。衡量密集度的指标为岩体裂隙度 K 和切割度 Xe 。

n

l

Kd

1

（ 1 ）岩体裂隙度 K——沿取样方向单位长度上的节理数量

式中： n 为长度 l 内的节理数量 .当取样线垂直节理的走向时， d 为节理走

向的垂直间距。按节理的垂直间距 d 将岩体分为：

d > 180cm 整体结构； d =30 ～80cm 块状结构

d < 30cm 碎裂状结构； d < 6.5cm 极破碎结构

当岩体中有几组不同方向的节理时，如图所示两组节理 Ka、 Kb，则沿取样方向 x 上的节理平均间距 max和 mbx为

结构面的状态

,cos

,cos

,cos n

nnx

b

bbx

a

aax

dm

dm

dm

l

nK

式中： n 为取样线 l 内的节理组数量 .该取样线上的裂隙度 K 为各组节理的裂隙度 Ki 之和。即：

nba KKKK ,1

,1

,1

nxn

bxb

axa m

Km

Km

K

K 越大，结构面越密集。不同测线上的 K 值差别越大，岩体各向异性越明显。按 K 的大小，可将节理分成：疏节理（ K=0～ 1 m-1）；密节理（ K=1～ 10 m-1）；非常密集节理（ K=10～100 m-1）；压碎或糜棱化带（ K=100～ 1000 m-1）；

（ 2 ）切割度 Xe——指岩体被节理分割的程度。 假设岩体仅有一个结构面，可沿结构面在岩体中取一个贯通性的假想平直断面，则结构面面积 a 与该断面面积 A 之比，即为该岩体的切割度。

A

aX e

可见 , 当 : 0<Xe<1, 岩体部分切割； Xe＝ 1, 岩体被整个切割； Xe＝ 0, 即岩体为完整连续体。

岩体按切割度分类：Xe＝ 0.1～ 0.2 完整岩体；Xe＝ 0.2～ 0.4弱节理化岩体；Xe＝ 0.4～ 0.6中等节理化岩体；Xe＝ 0.6～ 0.8强节理化岩体； Xe＝ 0.8～ 1.0完全节理化岩体；岩体被某组结构面切割的程度 Xr为：

如果岩体沿某断面上同时存在着面积为 a1 、 a2…an 的 n个结构面时，则岩体沿该断面的切割度为

A

aaaX n

e

21

er XKX 式中： K 为岩体的裂隙度； Xe为沿某一平面的切割度。

结构面的胶结情况及充填情况(1)胶结结构面 泥质胶结：强度最低，在脱水情况下有一定的强度，遇水发生泥化、软化，强度明显降低。 可溶盐类胶结：干燥时有一定的强度，遇水发生溶解，强度降低。 钙质胶结：强度较高，且不受水的影响，但遇酸性水强度降低。 铁质胶结：强度较高，但易风化，力学性能不稳定。 硅质胶结：强度高，力学性能稳定。 可见，胶结结构面随胶结物的成分不同，其力学效应有很大差别。

结构面的状态

(2)非胶结结构面 分为有充填物的结构面和无充填物的结构面。 无充填物的结构面：其强度主要取决于结构面两侧岩石的力学性质及结

构面粗糙度。 有充填物的结构面：其强度除与充填物、结构面两侧岩壁接触面的力学

特性有关外，主要取决于充填物的成分和厚度。 A 、充填物成分：质粘土、砂质、角砾质等。 B 、充填物厚度对结构面强度影响特别显著。按厚度可将有充填物的结构

面分为：薄膜充填：充填物厚度多在 1mm以下，多系次生蚀变矿物与风化矿物构

成，如滑石、粘土矿物等； 断续充填：充填物不连续，厚度多小于结构面的起伏差，使结构面强度

降低。 连续充填：充填物厚度一般大于起伏差，结构面强度主要受充填物强度

控制，因此，常构成岩体的主要滑动面。 厚层充填：充填厚度较大，一般几十厘米至数米，构成软弱带，如断层

泥。有时表现为岩体沿接触面滑移，有时为软弱充填物本身塑性流动，常导致重大工程事故。

软弱夹层软弱夹层 基本定义：软弱夹层（尤其是泥化夹层）是岩体中非常软弱的

结构面，是坝基岩体、边坡岩体和洞室围岩稳定性的制约因素。

软弱夹层的分类

按成因分类：参照 P127 的表 4-5 。

按夹层的物质组成分类：长委会建议的分类a. 软岩夹层b. 碎块夹层c. 碎屑夹层d. 泥化夹层

软弱夹层软弱夹层 软弱夹层的特性：物理力学性质与夹层的物质组成、粘土矿物、颗粒大小、含水量、起伏状况有密切联系。

软岩夹层：对于粘粒含量较多的粘土岩，遇水膨胀、崩解；对于可溶岩，遇水溶解。 Rc ＜ 15MPa ， f’=0.4-0.6 ， E0 ＜2000MPa 。如边坡稳定

碎块夹层：粒径＞ 2mm 的粗碎屑占 80% 以上，粘粒含量低于 10% 。面起伏较大，应力应变关系复杂， f’=0.45-0.6 ， E0=200~1000MPa 。 如隧洞稳定

碎屑夹层：粒径＞ 2mm 的粗碎屑占 30 ～ 50% 以上， 2 ～0.5 mm 的粗碎屑占 30% 以上，粘粒占 10-30% ， f’=0.30-0.45 ， E0=50~200MPa 。 如隧洞稳定

软弱夹层软弱夹层 泥化夹层： w≥wp 。具有结构松散、孔隙比大、密度小、含水

量大、粘粒含量高、力学特性差的特点， f’=0.45-0.6 ， E0

＜ 50MPa 。如葛洲坝水电站 泥化夹层形成的三个基本条件：

a. 物质基础：粘土岩类夹层，粘粒含量高，且以蒙脱石为主的粘土矿物。

b. 构造作用：完整性被破坏，有利于地下水的运动；矿物颗粒的性质和成分受到破坏。

c. 地下水的作用：泥化作用，孔隙水压力作用，溶解作用等。

结构面变形法向变形

剪切变形

一、节理的法向变形

1 、节理弹性变形：节理面光滑，受压力后成面接触，粗糙则成点接触。每一接触面会产生压缩变形，其压缩量 δ 可按弹性理论中的布辛涅斯克解求得：

nhE

dm

AE

mQ )1()1( 222

nhE

dm )1(2 22

0

节理闭合弹性变形值 δ0＝ 2δ ，则

式中： m 为与荷载面积形状有关的系数； d 为块体的边长； E 为弹性模量； n 为接触面的个数； h2 为每个接触面的面积； σ.d2 为作用于节理上的压缩荷载。

结构面的变形特性

2 、节理的闭合变形Goodman 于 1974年通过试验，得出法向应力 σ与结构面闭合量△ V

有如下关系：t

mc VV

VA )(

式中： ξ 为原位压力，由测量法向变形的初始条件决定； Vmc为最大可能的闭合量； A 、t 是与结构面几何特征、岩石力学性质有关的参数。

t

mc VV

VA )(

当 A=1 ， t=1时，上式为：

1

mcmc VVV

节理的法向变形

△ V 与 1/σ的关系曲线如图（ c).

若 A 与 t 不为 1 ，可由试验确定曲线方程。其方法为： （ 1 ）取完整岩石试件，测其轴向 σ-△V曲线（如图（ a)中的 A 线 ) 。 （ 2 ）将试件沿横向切开，使切缝成一条平行于试件底面且成波状起伏的裂缝，以模拟节理。 （ 3 ）将切缝上下两块试块重合装上—“配称切缝试件”，加载测其轴向 σ-△V曲线（如图（ a)中的 B 线 ) 。 （ 4 ）将切缝上下两块试块旋转某一角度装上—“非配称切缝试件”，加载测其轴向 σ-△V曲线（如图（ a)中的 C 线 ) 。 (5)利用曲线的差值求切缝的压缩量。

“配称切缝试件”——“ B-A”“非配称切缝试件”——“ C-A”

节理的法向变形

在一定的法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形，其变形特征用试验时施加的剪应力 τ与相应的剪切位移δ的关系来描述。 τ-δ曲线特征取决于结构面的基本特征（粗糙度、起伏度、充填物性质与厚度等）。（ 1 ）结构面粗糙无充填物（ A)：随着剪切变形发生，剪应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象。（ 2 ）平坦的结构面或结构面有充填物（ B): 初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型，随着剪切变形的发展，剪切应力逐渐升高但无明显的峰值出现，最终达到恒定值。

节理的切向变形

结构面的抗剪强度 结构面最重要的力学性质之一是抗剪强度。结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗剪强度因素是多方面的，大量试验结果表明，结构面抗剪强度一般可用莫尔－库伦准则表示：

式中： c、 φ分别是结构面上的粘结力和摩擦角， φ＝ φb + β , φb 是岩石平坦表面基本摩擦角，β是结构面的爬坡角；σ是作用在结构面上的法向正应力。

tgc

平直结构面的抗剪强度

结构面呈平直状，没有波状起伏。 1、平直结构面的剪切变形曲线（ 1 ） τ 很小时， τ － δ 呈线性，弹性状态； （ 2 ） τ 很大，大到足以克服移动摩擦阻力之后， τ － δ 呈非线性；

（ 3 ） τ 达到峰值 τP 后， δ突然增大，表面试件已沿结构面破坏，此后 τ 迅速下降，并趋于一常量（残余强度）。

o

R残余强度

P峰值强度

平直结构面的抗剪强度

PPP c tg

oR

R残余强度

P峰值强度

pCRR tg

PPP c tg

P

(1) 、峰值剪切强度

（ 2 ）残余剪切强度

式中： CP 结构面的粘结力； φP 、 φR 是结构面的峰值摩擦角和残余摩擦角，一般 φP>φR 。

RR tg

粗糙结构面的抗剪强度1、理想化粗糙结构面模型－锯齿状结构面（ 1）爬坡角 β与剪胀现象（ 2 ）剪切强度 作用在斜面 A’B上的法向力和切向力分别为：

sincos' TNN

cossin' TNT

bNT tg''

)tg()( bbNtgT

式中： σ, τ为结构面 AB上的正应力和剪应力， φb为 A’B面上的摩擦角。

如图为结构面有凸台的模型的剪应力与法向应力的关系曲线，它近似呈双直线的特．结构面受剪初期，剪切力上升较快；随着剪力和剪切变形增加，结构面上部分凸台被剪断，此后剪切力上升，梯度变小，直至达到峰值抗剪强度．

Patton 公式

σ 较小时，抗剪强度 τ ＝ σtg(φb+β); σ 较大时，抗剪强度 τ ＝ c+σtgφb ,其中 c 为视内聚力。试验表面，低法向应力的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法向应力的剪切，凸台剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。

在实际应用中应注意： (1) 对结构面进行直剪试验时，法向应力应与实际工程中的一致。一般认为φb ＝ φR ( 残余摩擦角） . (2)β是各向不同的，因此，测量时应使所测 β 角与所讨论的方向一致。

不规则粗糙结构面的抗剪强度

Barton强度准则 考虑到三个基本因素（法向力 σ、粗糙度 JRC、结构面抗压强度 JCS ）的影响， Barton(1977)提出确定不规则粗糙结构面抗剪强度公式：

b

JCSJCR

)lg(tg

式中： φb 岩石表面基本摩擦角。 JRC为结构面粗糙性系数（ 0 ～ 20）， Barton将其分为10级 ，平坦近平滑结构面为 5 ，平坦起伏结构面为 10，粗糙起伏结构面为 20。

结构面的力学效应单节理面的力学效应

1 、节理面的破坏条件（极限应力平衡方程） 如图，岩体受 σ1 、 σ3 作用，节理面与最大主平面的交角为 β，则节理面上的正应力和剪应力为：

σ1

σ3

σ1

σ

σ3

β

τ

jjj c tg

2cos22

3131

2sin2

31

如节理面强度符合库伦准则，其强度方程为：

式中： cj,φj 为结构面的粘结力和内摩擦角。

（ 1）

（ 2）

节理面的破坏条件（极限应力平衡方程）

jj

jjjc

sin)2sin(

sin2cos2 331

2sin)ctgtg1(

tg22 331

j

jjc

或

可见：节理面上的应力和强度均是 β 的函数。因此，岩体强度与岩石的强度不同，除与应力状态有关外，还与节理面的方位有关。

β1≤β≤β2 ，单节理岩体才会沿节理面发生移动破坏， Q P（ 1 ）式带入（ 2 ）式时

（ 3 ）

(1)由上式极限平衡方程可见：当 β→φj 或 π/2 ， σ1 － σ3→∞, 故使方程有意义

2

j

(2)如图可见，当 β1<β<β2 ,岩体才会沿节理面产生滑移破坏。

故，节理面破坏β必须满足的条件 : (1)φj <β <π/2, (2)β1≤β≤β2 。

节理面破坏 β必须满足的条件

2sin)ctgtg1(

tg22 331

j

jjc

求 β1、 β2

m

jj31

jj ctgc2

)(ctgcOMRORM

△ RPM中 :

m

2

PM 31

∠RPM=2β1- φj;

由正弦定律：jj

PMRM

sin)2sin( 1

将 RM,PM 代入上式得：

j

m

j

m

sin)2sin(

ctgc

1

jj

)ctgc(

sin)2sin( jj1 m

m

jj

)ctgc(

sinsin2 jj

11 m

m

jj

12 222 j由几何关系：

节理最不利的位置

0d

)d( 31

由极限平衡方程可以看出，应力圆直径（ σ1 － σ3 ）是β的函数，当β等于某一个值时，其直径最小，与强度曲线相切。将上式对 β取一阶导数，然后令其为 0 ，得：

)90(1

2 0j

j

tgtg

tg

2

450 j

即是说，当 时，节理的强度最低，最容易产生破坏。说明岩体最容易沿此节理面产生滑移。

jj

jjjc

sin)2sin(

sin2cos2 331

2450 j

节理对岩体强度的影响

从上述分析可见： （ 1）当节理面倾角 β满足 β1≤β≤β2 , 且 φj <β <π/2 时，节

理才会对岩体产生影响，这时岩体的强度取决于节理的强度，且当 β ＝ 45° ＋ φj/2 时，岩体强度最低，其莫尔圆直径最小。

（ 2）当 β增大或减小时，岩体的强度随之增加。 （ 3）当 β<β1 或 β>β2 时，岩体强度与节理无关，取决于

岩石的强度。

σ3=c 时 σ1 － β 曲线

围压 σ3=c 增加， 即 c2>c1, 岩体的强度随之增大。

多节理的力学效应1 、 岩体有两组相交的节理，其力学效应可根据单节理求解，一般有三种情况： （ 1）两组中只有一组节理面倾角 β满足 β1≤β≤β2 , 则岩体强度取决于该组节理的强度，岩体若发生破坏，必沿该节理面产生；（ 2）两组节理均满足 β1≤β≤β2 , 则岩体强度取决于节理的临界应力圆大小。岩体若发生破坏，必沿临界应力圆直径较小的节理面产生；（ 3）两组节理均不满足 β1≤β≤β2 , 则岩体强度取决于岩石本身的强度而不受节理的影响。2 、 岩体有多组相交的节理

1

3

2

当 Cj=0 时结构面的力学效应

岩体中的节理往往呈现 cj=0,这时节理面的抗剪强度只靠摩擦力来维持。 莫尔－库伦判据为： tg

由节理面极限应力平衡方程：

2sin)ctgtg1(

tg22 331

j

jjc

2sin)ctgtg1(

tg2 331

j

j

)tg(

tg

3

1

j

4.4 岩体力学性质与工程分类

岩体的力学性质

岩体变形是岩块变形和结构面变形叠加的结果。在长期静载荷作用下，岩体应力（应变）随时间发生变化，表现出流变特性。当应力一定时，岩体变形随时间持续增长成为蠕变。如课本 P95 图 4.11所示。初始蠕变阶段岩体变形逐渐减小，平缓变形阶段变形速度接近常量，加速变形阶段变形速度加快直至岩体破坏。岩体发生蠕变破坏时的最低应力值成为长期强度。当岩体变形一定时，岩体应力随时间持续而减小，成为松弛。

岩体的强度

在岩体强度性质中，最重要的是抗剪强度。岩体的强度存在各异性，在垂直于结构面的方向上，岩体的抗剪强度接近于岩块的抗剪强度；在平行于结构面的方向上，岩体的抗剪强度取决于结构面的抗剪强度；在与结构面斜交的方向上岩体的抗剪强度随剪切面与结构面的夹角而变化。此外，岩体在瞬时冲击载荷下的动力强度比静载荷下的强度高。

一、岩体的单轴和三轴压缩变形特性

1 、现场岩体的单轴和三轴压缩试验的应力－应变全过程曲线

2、典型的岩体应力－应变全过程曲线

o

B

A

D

C

4 个阶段：

（ 1）裂隙压密阶段（ OA）：曲线上凹

（ 2）弹性变形阶段（ AB） : 呈直线

（ 3）塑性变形阶段（ BC）：曲线下凹

（ 4）破坏后阶段（ CD）：

残余强度 σD

峰值强度 σC

3 、岩体变形曲线的基本形式

（ 1 ）直线型：坚硬、完整无裂隙岩体

直线型 下凹型 上凹型 S 型

（ 2 ）下凹型：节理裂隙发育，泥质充填，岩性软弱

（ 3 ）上凹型：坚硬但裂隙发育，多呈张开而无充填物

其它形式可看成是这三种形式的组合，如 S 型。

4 、岩石与岩体的应力－应变曲线

二、 岩体剪切变形特征

岩体的剪切变形是许多岩体工程特别是边坡工程中最常见的变形模式。

在屈服点以下，变形曲线与压缩变形相似。屈服点以后，岩体内某个结构面和结构体可能首先被剪坏，随之出现一次应力降，峰值前可能出现多次应力降。当应力增加到一定程度，没被剪坏部位以瞬间破坏的方式出现，并伴有一次大的应力降，然后可能产生稳定滑移。

三、岩体各向异性变形特征

1 、特征：垂直层面方向岩体变形模量 E⊥明显小于平行层面方向岩体的变形模量 E∥ 。

1E

2E

3E

l

3l

1l

2l

(a)垂直层面加力

1

1E

2E

3E

l

3l

1l

2l

(b)平行层面加力3

2

2 、变形机制不同：

3、构成岩体变形各向异性的两个基本要素：（ 1）物质成分和物质结构的方向性（ 2）结构面的方向性

（ 1 ）垂直层面的压缩变形量主要是由岩块和结构面（软弱夹层）压密汇集而成；层状岩体不仅开裂层面压缩变形量大，而且在成岩过程中，由于沉积规律的变化，层面出现在矿物连结力弱、致密度低的部位，这是垂直层面方向压缩变形量大的另一个原因。

（ 2 ）平行层面方向的压缩变形量主要是岩块和少量结构面错动而成。

岩体的应力量测

a. 应力恢复法

b. 应力解除法

c. 水压致裂法

d.钻孔崩落测量法

岩体的工程分类

岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评价，划分出不同的的级别或类别。

分类的目的：为岩体工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。

按分类目的，可分为综合性和专题性两种；按其所涉及的因素多少，可分为单因素分类法和多因素分类法两种。

一、工程岩体分类的参考影响因素

1 、岩石的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。

2 、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。可用结构面频率 ( 裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标 RQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是表征岩体工程性质的重要参数。

3 、结构面条件。包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。

一、工程岩体分类的参考影响因素

4 、岩体及结构面的风化程度。风化程度越高，岩体越破碎，强度越低 。

5、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水压力等。

6、地应力。地应力难于测定，它对工程的影响程度也难于确定，因此，其影响一般在综合因素中反映。

二、几种有代表性的工程岩体分类方法

式中： Rc—— 岩石单轴抗压强度， Mpa

f ≥20 为 1级，最坚固； f ≤0.3为第 10级，最软弱。优点：形式简单，使用方便。缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影响，故不能准确评价岩体的稳定性。

10cR

f

1 、普氏分类法 以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏坚固性系数 f 将岩石分为十级。 f 值越大，岩体越稳定。

2 、岩石单轴抗压强度分类我国工程界按岩石单轴抗压强度将岩体分为四类：

类别 岩石单轴抗压强度

σc(Mpa)

坚固性

Ⅰ 250~160 特坚固

Ⅱ 160~100 坚固

Ⅲ 100~40 次坚固

Ⅳ <40 软岩

3 、按岩体完整性系数 Kv （龟裂系数）分类

式中： Vpm 、 Vpr—岩体、岩石弹性纵波速度（ m/s)。

2)(pr

pmv V

VK

Kv >0.75

0.75~0.55 0.55~0.35 0.35~0.15 <0.15

完整程度 完整 较完整 较破碎 破碎 极破碎

4 、按岩芯质量指标（ RQD ）分类

蒂尔（ Deer,1968)提出根据钻探时岩芯完好程度来判断岩体的质量，对岩体分类。

式中： li — 所取岩芯中≥ 10cm 长度的岩芯段的长度；

L—钻进岩芯的总程度， m 。

%100L

lRQD i

RQD（％）

0～ 25 25~50 50~75 75~90 90～ 100

等级 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

分类 很差 差 较好 良好 很好

5、 以弹性波速度分类

6 、宾尼奥夫斯基节理岩体地质力学分类（ RMR 分级系统） 宾尼奥夫斯基（ Bieniawski， 1976)提出的分类指标 RMR(Rock Mass Rating) ，由下列 6 种指标组成： （ 1 ）岩块强度 (R1)

（ 2 ） RQD值 (R2)

（ 3 ）节理间距 (R3)

（ 4 ）节理条件 (R4)

（ 5 ）地下水 (R5)

（ 6 ）节理方向对工程的影响的修正参数（ R6 ）

即：

654321 RRRRRRRMR

（ 1）对应岩石强度的岩体评分值 R1

点荷载指标（ Mpa ）

岩石单轴抗压强度 Rc(Mpa)

评分值

>10 >250 15

4~8 100~250 12

2~4 50~100 7

1~2 25 ~ 50 4

不采用 5 ~ 25 2

不采用 1 ~ 5 1

不采用 <1 0

（ 2）对应于岩芯质量指标的岩体评分值 R2

RQD（％）

91～ 100 76~90 51~75 26~50 <25

评分值 20 17 13 8 3

（ 3）对应于最有影响的节理组间距的岩体评分值 R3

节理间距（ m ） >3 1~3 0.3~1 0.05~0.3 <0.05

评分值 30 25 20 10 5

（ 4）对于节理状态的岩体评分值 R4

说明 评分值

尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁 25

略粗糙的表面、张开度 <1mm ，硬岩壁 20

略粗糙的表面、张开度 <1mm ，软岩壁 12

光滑表面；由断层泥充填厚度为 1 ～ 5mm；张开度 1 ～ 5mm ，节理延伸超过数米 6

由厚度 >5mm 的断层泥充填的张开节理 ;张开度 >5mm 的节理，延伸超过数米 0

（ 5）取决于地下水状态的岩体评分值 R5

每米隧道的涌水量（ L/min ）

节理水压力与最大主应力的比值 总的状态 评分值

无 0 完全干燥 15

<10 <0.1 潮湿 10

10 ～ 25 0.1 ～ 0.2 湿 7

25 ～ 125 0.2 ～ 0.5有中等压力水，滴水 4

>125 >0.5有严重地下水问题，流

水0

（ 6）节理方位对 RMR 的修正值 R6

方位对工程的影响评价 隧道 地基 边坡

很有利 0 0 0

有利 － 2 － 2 － 5

一般 － 5 － 7 － 25

不利 － 10 － 15 － 50

很不利 － 12 － 25

（ 7）节理走向与倾角对隧道掘进的影响

节理走向垂直于隧道轴线

节理走向平行于隧道轴线

倾角00 ～200顺倾向掘进 逆倾向掘进

倾角450 ～

900

200 ～450

450 ～900

200 ～450

450 ～900

200 ～450 不考虑

走向

很有利 有利 一般 不利 很不利 一般 一般

根据总分确定岩体分级

654321 RRRRRRRMR

类别 岩体描述 岩体评分值 RMR

Ⅰ 很好 81~100 Ⅱ 好 61~80 Ⅲ 较好 41~60Ⅳ 较差 21~40

Ⅴ 很差 0~20

岩体分级的意义 考虑不支护隧道的自稳时间

分类号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ

平均自稳时间

15m 跨，20年

10m 跨，1年

5m 跨，1星期

2.5m 跨，10h

1m跨，30min

岩体的内聚力(kPa)

>400 300~400 200~300 100~200 <100

岩体内摩擦角 >450 350~450 250~350 150~250 <150

该分类法已得到比较广泛的应用。

7 、巴顿岩体质量（ Q ）分类 挪威巴顿（ Barton ）等人于 1974年根据隧道工程的调查，提出一个用 6个参数表达的岩体质量指标 Q ，作为岩体质量分类的依据。

SRF

J

J

J

J

RQDQ w

a

r

n

式中： RQD—— 岩石质量指标； Jn—— 节理组数评分； Jr—— 节理面粗糙度评分； Jw—— 按裂隙水条件评分； Ja—— 节理蚀变程度评分；SRF—— 按地应力影响评分（应力折减系数）。 Q 反映了岩体质量的三个方面：

nJ

RQD为岩体的完整性；

a

r

J

J 表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度；

SRF

J w 表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。

（ 1 ）节理组数影响（ Jn)

（ 2 ）节理粗糙度影响（ Jr)

（ 3 ）节理蚀变程度影响（ Ja)

（ 4 ）裂隙水影响（ Ja)

（ 5）地应力影响（ SRF)

地下开挖当量直径： ESRDr 巷道支护比

跨度、直径或高度

根据 Q 值，可将岩体分为 9类，如图：

Q 分类法考虑的地质因素较全面，而且把定性分析与定量评价结合起来了，软硬岩均适用，在处理极软弱的岩层中推荐采用此分类法。

宾尼奥夫斯基（ Bieniawski， 1976) 在大量实测统计的基础上，发现 Q 值与 RMR 值之间具有如下条件关系：

44ln9 QRMR

三、我国工程岩体分级标准（ GB50218-94)

1 、工程岩体分级的基本方法

（ 1 ）确定岩体基本质量

《标准》认为岩石的坚硬程度和岩体完整程度决定岩体的基本质量。岩体基本质量好，则稳定性好；反之，稳定性差。

A 、采用饱和岩石单轴抗压强度 σC 划分岩石坚硬程度

σ C

(Mpa)>60 60~30 30~15 15~5 <5

坚硬程度 坚硬 较坚硬 较软岩 软岩 极软岩

σC 与点荷载强度指数的关系：

是指直径 50mm圆柱试件径向加压时的点荷载强度。)50(SI

75.0)50(82.22 Sc I

B 、采用完整性系数 Kv 划分岩体完整程度

Kv >0.75 0.75~0.55 0.55~0.35 0.35~0.15 <0.15

完整程度 完整 较完整 较破碎 破碎 极破碎

Jv <3 3~10 10~20 20~35 >35

Kv >0.75 0.75~0.55 0.55~0.35 0.35~0.15 <0.15

岩体体积节理数 Jv( 条 /m3)：

knv SSSSJ 21

式中： Sn——第 n 组节理每米长测线上节理的条数； Sk—— 每立方米岩体非成组节理条数。 Jv与 Kv 的对照关系：

（ 2 ）岩体基本质量分级A 、岩体基本质量指标（ BQ) 的计算

注意：当 σC > 90Kv+30 时，应以 σC=90Kv+30 代入上式计算 Q值；当 Kv > 0.04 σC+0.4 时，应以 Kv=0.04σC+0.4 代入上式计算 Q 值；

vc KBQ 250390

式中： BQ—— 岩体基本质量指标； σC—— 岩石饱和单轴抗压强度 (Mpa);

Kv—— 岩体完整性系数。

B、按 BQ值进行岩体基本质量分级

基本质量级别 岩体基本质量定性特征

岩体基本质量指标(BQ)

Ⅰ 坚硬岩，岩体完整； >550

Ⅱ坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整； 550~451

Ⅲ坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整；

450~351

Ⅳ

坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎～破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体 较完整～较破碎；

软岩，岩体完整～较完整；

350~251

Ⅴ较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎～破碎；全部极软岩及全部极破碎岩；

<250

（ 3 ）基本质量指标 BQ 值的修正

结合工程具有情况，对 BQ 进行修正，修正值 [BQ] 按下式计算：

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)

式中： K1——地下水影响修正系数； K2—— 主要软弱结构面产状影响修正系数； K3——初始应力状态修正系数。

（ A ）地下水影响修正系数 K1

地下水出水状态 BQ

>450 450~351 350~251 <250

潮湿或点滴出水 0 0.10.2 ～0.3

0.4 ～0.6

淋雨状或涌流状出水，水压≤ 0.1MPa或单位出水量≤ 10L/(min.m)

0.10.2 ～0.3

0.4 ～0.6

0.7 ～0.9

淋雨状或涌流状出水，水压＞ 0.1MPa或单位出水量＞ 10L/(min.m)

0.20.4 ～0.6

0.7 ～0.9

1.0

（ B ）主要软弱结构面产状影响修正系数K2

结构面产状及其与洞轴线的组合关系

结构面走向与洞轴线的夹角 <300

结构面倾角 300～ 750

结构面走向与洞轴线的夹角 >600

结构面倾角 >750

其它组合

K2 0.4~0.6 0~0.20.2~0.4

（ C ）初始应力状态修正系数K3

初始应力状态

BQ

>550 550～ 451

450~351 350~251 <250

极高应力区

1.0 1.0 1.0~1.5 1.0~1.5 1.0

高应力区

0.5 0.5 0.5 0.5~1.00.5~1.0

2 、工程岩体分类标准的应用

（ 1 ）岩体物理参数的选用

工程岩体的级别一旦确定，可按表选用岩体的物理参数和结构面的抗剪强度参数。

（ 2 ）地下工程岩体自稳能力的确定

岩体级别与岩体物理力学参数

基本质量级别

重力密度 γ(kN/m3)

内摩擦角Φ(0)

粘结力C(Mpa)

变形模量E(Gpa)

泊松比μ

Ⅰ>26.5

>60 >2.1 >33 < 0.2

Ⅱ 60~50 2.1~1.5 33~20 0.2~0.25

Ⅲ 26.5~24.5 50~39 1.5~0.7 20~6 0.25~0.3Ⅳ 24.5~22.5 39~27 0.7~0.2 6~1.3 0.3~0.35Ⅴ <22.5 <27 <0.2 <1.3 > 0.35

岩体级别与岩体结构面抗剪强度参数基本质量级别

两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合程度

内摩擦角Φ(0)

粘结力C(Mpa)

Ⅰ 坚硬、结合好 >37 > 0.22

Ⅱ坚硬－较坚硬、结合一般；软弱岩，结合好

37~29 0.22~0.12

Ⅲ坚硬－较坚硬、结合差；较软弱岩，结合一般 29~19 0.12~0.08

Ⅳ

较坚硬－较软岩、结合差—很差；软弱岩、结合差；软质岩的泥化面

19~13 0.08~0.05

Ⅴ较坚硬及全部软质岩、结合很差；软质岩泥化层本身

<13 < 0.05

岩体级别与地下工程岩体自稳能力基本质量级别 自稳能力

Ⅰ 跨度 <20m ，可长期稳定，偶有掉块，无塌方

Ⅱ跨度 10~20m ，可基本稳定，局部发生掉块或小塌方跨度 < 10m ，可长期稳定，偶有掉块

Ⅲ

跨度 10~20m ，可稳定数日至 1个月，可发生小至中塌方跨度 5~10m ，可稳定数月，可发生局部块体位移及小至中塌方跨度 <5m ，可基本稳定

Ⅳ跨度 >5m ，一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动变形、小塌方，可发展为中至大塌方。跨度 <5m ，可稳定数日至 1个月

Ⅴ 无自稳能力

注：小塌方：塌方高度 <3m ，或塌方体积 <30m3 中塌方：塌方高度 3～ 6m ，或塌方体积 30～ 100m3

大塌方：塌方高度 >6m ，或塌方体积 >100m3