第5章

巖體的工程地質特性

l

深刻理解巖石與巖體的概念、

區(qū)別、

聯(lián)系，構建實踐——理論——

實踐的思維方法；l

掌握巖石的物理力學性質及其衡量指標；l

熟悉巖體的結構類型特征及軟弱夾層工程地質特性；l

熟悉影響巖體工程地質特性的因素，了解工程巖體的分級分類方法及其的發(fā)展過程，從而領悟求實務真的科學精神；學習目標l一、基本概念l巖體（rock

mass）：指地質體中與工程建設有關的那一部分巖石，它處于一定的應力狀態(tài)、被各種結構面所分割。巖體具有三方面特征：一定的巖性，一定的結構類型，一定的應力狀態(tài)。巖體具有一定的結構特征，它由巖

體中含有的不同類型的結構面及其

在空間的分布和組合狀況所確定。5.1概述

等。又稱不連續(xù)面（discontinuities）。l

結構體（structural

body）：結構面在空間的分布和組合將巖體切割成形狀、大小不同的塊體，稱結構體。

l一、基本概念l

結構面（structural

plane）：是指巖體中具

有一定方向、力學強度相對較低、兩向延伸（或具有一定厚度）的地質界面（或帶）。如

巖層層面、軟弱夾層、各種成因的斷裂、裂隙5.1概述

5.1概述

沉積巖

巖

風化

卸荷

地下水

。。。

物質基礎建造變質

淺、表生作用

構造作用l二、巖體結構特征的形成巖體結構特征

改造

地質歷史火成巖5.1概述

三、巖體的結構特征研究意義（1）巖體中的結構面是巖體力學強度相

對薄弱的部位，它導致巖體力學性能的

不連續(xù)性、不均一性和各向異性。只有

掌握巖體的結構特征，才有可能闡明巖

體在不同荷載下內(nèi)部的應力分布和應力

分異狀況。（2）巖體的結構特征對巖體在一定荷載

條件下的變形破壞方式和強度特征起著5.1概述

上猶江電站壩基內(nèi)板巖泥化夾層例如在巖石壩基的深部滑動抗滑穩(wěn)定性分析中，有些結構面為切

割面，而有些成為滑移控制面。壩基巖體由泥盆紀砂巖、板巖組成，地層中夾有一層由層間錯動和地下水的活動造成的板巖泥化夾層，傾角一般小于10。

，其內(nèi)摩

擦系數(shù)f＝0.24

～

0.30(內(nèi)摩擦角

φ

=

14。

～

17。)

，抗剪強度低5.1概述

//結構面影響地下洞

室圍巖的穩(wěn)定結構面影響邊坡

巖體的穩(wěn)定性c

·

da

b/5.1概述

l

（3）靠近地表的巖體，其結構特征在很大程度上確定了外營力對巖體的改造進程。這是由于結構面往往是風化、地下水等各種外營力較

活躍的部位，往往發(fā)展為重要的控制面。堅硬巖石組成的斜坡前緣卸荷裂隙導致崩塌示意圖①灰?guī)r；②砂頁巖互層；③石英巖軟硬巖性互層的陡坡局部崩塌示意圖1砂巖；2頁巖5.1概述

西

藏

橫

斷

山

地

震

帶喜

馬

拉雅

山

南

麓

地

震

帶形高喜

馬

拉

雅

山

岡

底

斯

山青殼莫

霍度)圖

1

-

2

青藏

高

原地

殼

厚

度

剖

面

和

地

震

帶

位

置（

據(jù)

時

振

梁

等

）(4)對巖體結構特征的研究還可以推廣于宏觀地質體，應用于區(qū)域構造穩(wěn)定性評價。宏觀地質體中的莫霍面、構造層的分界面、區(qū)域性大斷

層等相當于地質體中的巨型結構面。柴

達

山阿

爾

金

山

原唐

古

拉

山藏

高甘

、

川

地

震

帶川

滇

地

震

帶昆

侖

山度

)天

山地地面厚((5.1概述

空間組合形式總之，對巖體結構特征的研究，是分析評價區(qū)域穩(wěn)定性和巖體穩(wěn)定性的重要依據(jù)。研究結構面的關鍵：分布規(guī)律表面特征發(fā)育密度連續(xù)特征5.1概述

Y

=

p.g1N=1kg.m/s2一.

密度和重度：密度：單位體積的質量（p）

（g/cm3）〔天然密度{干密度l飽和密度重度：單位體積的重量（Y）（N

/

cm3）5.2巖石的物理水理性質

二.

顆粒密度和比重顆粒密度：單位體積固體顆粒的質量

比重：單位體積固體顆粒的重力與4℃時同體積水的

重力之比（ds）

三.

孔隙度和孔隙比：孔隙度：孔隙體積與巖石總體積之比（

n）孔隙比：孔隙體積與巖石中固體顆粒體積之比（e）

5.2巖石的物理水理性質

四.吸水性：~~

：指巖石吸收水的性能。其吸水程度用吸水率表示。吸水率：

（常壓條件下）吸入水量與干燥巖石質量之比。

飽水率：

（150個大氣壓下或真空）吸入水量與干燥巖石質量之比。

飽水系數(shù)：巖石吸水率與飽水率之比。

Kw

=

(Kw

=

0.5

~

0.9)

5.2巖石的物理水理性質

五.

透水性~~

：指巖石能透過水的能力。用滲透系數(shù)K表示。

（

m/s）指巖石浸水后強度降低的性質。用軟化系數(shù)KR

表示。

=

K.I

.

F

達西層流定律：滲透系數(shù)：

：六.

軟化性：軟化系數(shù)：

RR→

飽和單軸抗壓強度?！?/p>

干燥單軸抗壓強度。一般軟化系數(shù)

KR<0.75

的巖石具軟化性。K

=

cR5.2巖石的物理水理性質

七.

抗凍性：~~:指巖石抵抗凍融破壞的能力強度損失率：Rl

=

GL

=

凍融前的重量凍融前的強度凍融前后強度差八.

可溶性：指巖石被水溶解的性能。九.

膨脹性：指巖石吸水后體積增大的性能。十.

崩解性：巖石（干燥）泡水后，因內(nèi)部結構破壞而崩解的性能。

重量損失率：

凍融前后重量差

不抗凍的巖石5.2巖石的物理水理性質

l一、變形：巖石受力后發(fā)生形狀改變的現(xiàn)象。主要

變形模量和泊松比表示。1.模量：2.

泊松比：

ε=

h

11115.3巖石的力學性質

l二、強度：指巖石受力破壞時承受的最大應力。1.抗壓強度：

（烘干、垂直結構面受壓、單軸）

3.抗剪強度4.

點荷載強度：2.抗拉強度：

（一般用劈裂法）

5.3巖石的力學性質

沉積結構面：層理，層面，軟弱夾層，不整合面，假整合面，古沖刷面等。火成結構面：侵入體與圍巖接觸面，巖脈、巖墻接觸面，噴出巖的流線、流面，冷凝節(jié)理面等。變質結構面：片理，片麻理，板劈理，片巖軟弱夾層等。一、結構面的主要類型結構面的成因分類（基本分類方法）：原生結構面、構造結構面及淺、表生結構面。原生結構面5.4巖體的結構特征5.4巖體的結構特征5.4巖體的結構特征泥裂波痕5.4巖體的結構特征斷層（正斷層，逆斷層，走滑斷層）

層間錯動帶，羽狀裂隙，破劈理{卸荷斷裂卸荷裂隙

風化裂隙風化夾層

淺部結構面表部結構面一、結構面的主要類型

泥化夾層

次生夾泥淺表生

結構面重力擴展變形破裂構造結構面5.4巖體的結構特征節(jié)理（X型節(jié)理，張節(jié)理）X型節(jié)理風化裂隙5.4巖體的結構特征泥化夾層斷層5.4巖體的結構特征5.4巖體的結構特征二、結構面的主要特征5.4巖體的結構特征續(xù)表1-15.4巖體的結構特征三、結構面工程地質分級（1）按其結構面規(guī)模對巖體力學行為所起控制作用，可劃分為三個等級5.4巖體的結構特征級序分級依據(jù)力學效應力學屬性地質構造特征Ⅰ級結構面延展長、幾公里至幾

十公里以上，破碎帶寬度達

數(shù)十米1.形成巖體力學作用邊界2.巖體變形和破壞的控制條件3.構成獨立的力學介質單元1.屬于軟弱結構面2.構成獨立的力學模

型—軟弱夾層較大的斷層Ⅱ級延展規(guī)模與研究的巖體相若，

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.構成次級地應力場邊界屬于軟弱結構面小斷層層間錯動面Ⅲ級延展長度短，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.構成次級地應力場邊界少數(shù)屬于軟弱結構面不夾泥大節(jié)理或小斷層開裂的層面Ⅳ級延展短，未錯動、不夾泥，

有的呈弱結合狀態(tài)1.是巖體力學性質，結構效應的基

礎2.有的為次級地應力場邊界節(jié)理劈理層面次生裂隙Ⅴ級結構面小，且連續(xù)性差1.巖體內(nèi)形成應力集中2.巖體力學性質、結構效應的基礎不連續(xù)的小節(jié)理隱節(jié)理層面(2)

按巖體結構面規(guī)模及其力學效應：將結構面分為5級（孫廣忠）。片里面5.4巖體的結構特征一、巖體分類巖體結構分類和巖體工程應用分類，力圖使分類指標定量化。1、巖體結構分類巖體結構是建造和改造這兩方面的綜合產(chǎn)物，按建造特征可劃分：整體狀結構塊狀結構層狀結構碎塊狀結構散體狀結構5.6工程巖體分類及分級5.6工程巖體分類及分級巖、安山巖、玄武巖、凝灰角礫巖中。1、巖體結構分類整體狀結構：

代表巖性均一、無軟弱面的巖體，含有

的原生結構面具有較強的結

合力，間距大于1m。通常出現(xiàn)在厚層的碳酸鹽巖、碎屑巖；花崗巖、閃長巖

；原生節(jié)理不太發(fā)育的流紋5.6工程巖體分類及分級1、巖體結構分類塊狀結構：代表巖性較均一、含有2

~3組較發(fā)育的軟弱結構面的巖

體，結構面間距1～0.5m。成巖裂隙較發(fā)育的厚層砂巖或泥巖，槽狀沖刷面發(fā)育的河流相砂

巖體等沉積巖，原生節(jié)理較發(fā)育的火山巖體等。5.6工程巖體分類及分級層狀結構：代表含有一組連續(xù)性

好

，抗剪性能顯著較低的軟弱

面的巖體，一般巖性不均一。可進一步分為層狀（軟弱面間距

50～30cm）

、薄層狀（間距小

于30cm）

。還可以據(jù)巖性不均

一程度劃分出軟硬相間的互層

狀結構。1、巖體結構分類5.6工程巖體分類及分級1、巖體結構分類碎塊狀結構：代表含有多組密集結構面的

巖體，巖體被分割成碎塊狀，

以某些動力變質巖為典型，如溪洛渡泡灰?guī)r。按巖體改造的程度可劃分為：完整的、塊裂化或板裂化、

碎裂化散體化等四個等級。5.6工程巖體分類及分級巖體結構分類已被廣泛采用，劃分依據(jù)和各結構類型巖體的主要特征如圖。塊裂5.6工程巖體分類及分級2

巖體的工程應用分類工程應用分類是以巖體穩(wěn)定性或巖體質量評價為基礎的分類，為綜

合性分類。主要考慮三方面因素的指標：即與巖石工程性質有關的指

標（力學性質）、巖體后期改造有關的指標(巖體結構)和巖體賦存條

件方面的指標（地下水或地應力等）。通常有:賓尼亞斯基的RMR分類

（1973）

;巴頓的Q系統(tǒng)分類（1974）

;谷德振的巖體質量指標Z系統(tǒng)分類（1979）。此種分類力圖將類型與巖體穩(wěn)定性分析和定量評價以及對策設計

等實際問題聯(lián)系起來，因而受到地質和工程界的重視。5.6工程巖體分類及分級3

巖體質量分級－巖體質量指標（定量化）20世紀70年代以來巖體分類中采用了“巖體質量指標

”或“綜合特征指

標

”來判別巖體性能的優(yōu)劣，如上所述的RMR、Q和Z系統(tǒng)。分類中有了定量指標作為依據(jù)，更便于將作過詳細勘探測試研究的場地

的經(jīng)驗和成果應用于研究程度較差或處于勘測初級階段的工地，從而達到

簡化和減少勘測程序和工作量的目的。RMR、RSR和Q系統(tǒng)三者得出的如下關系式：RMR=1.35lgQ+43RSR=0.77RMR+12.4

RSR=13.3lgQ+46.5

5.6工程巖體分類及分級3

巖體質量分級－巖體質量指標（定量化）(1)巖體基本質量分級在巖體質量定量評價的基礎上，確定巖體基本質量指標（BQ）：BQ

=

90

+

3Rc

+

250Kv式中，Rc巖石飽和單軸抗壓強度（MPa）、Kv為巖體完整性系數(shù)。根據(jù)定性特征和定量指標兩方面的特征，按下表對巖體質量進行初步

定級為

Ⅰ

、

Ⅱ

、Ⅲ

、Ⅳ

、

Ⅴ

、Ⅵ類。工程巖體的詳細定級，在巖體基本質量分級的基礎上，

結合不同類型

工程的特點，根據(jù)地下水狀態(tài)、

初始應力狀態(tài)、

工程軸線或工程走向線的方位與主要結構面產(chǎn)狀的組合關系等，

對巖體基本質量指標進行修正，

并以修正后的工程巖體質量指標確定工程巖體級別。5.6工程巖體分類及分級3

巖體質量分級－巖體質量指標（定量化）(2)

RQD分類RQD值：用直徑75mm金剛石鉆頭和雙層巖芯管鉆進，大于等于10cm的巖芯累計長度與鉆孔進尺長度百分比?！稁r土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001巖體質量評價0-25

很差25-50

差50-75

一般75-90

好90-100

很好RQD值5.6工程巖體分類及分級3

巖體質量分級－巖體質量指標（定量化）(3)

RMR

(ROCK

Ml

ass

Rating)

分類Bieniawski（賓尼亞斯基1973）提出，其分類系統(tǒng)由巖塊強度、

RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理條件及地下水5類參數(shù)組成。5.6工程巖體分類及分級5.6工程巖體分類及分級(4)

SMR分類Romana據(jù)自己和同行們的工程

實踐經(jīng)驗，引進不連續(xù)面——邊坡面

產(chǎn)狀關系、邊坡破壞模式、邊坡開挖

方法等幾個參數(shù)，提出了用于邊坡的

巖體質量評價方法－SMR方法。SMR

＝RMR－（F1

×F2

×F3

）＋F43

巖體質量分級－巖體質量指標（定量化）5.6工程巖體分類及分級5.6工程巖體分類及分級

5巴頓（1974）等提出，其Q分類指標為：

式中：RQD－巖石質量指標；Jn－節(jié)理組系數(shù)；Jr－節(jié)理粗糙度系數(shù)；Ja－節(jié)

理蝕變影響系數(shù)；Jw－節(jié)理水折減系數(shù)；SRF－應力折減系數(shù)。Q指標可看成三個參數(shù)的函數(shù)：RQD/Jn粗略表示巖石塊度，代表巖塊尺寸，反映巖體結構的影響；Jr/Ja代表嵌合巖塊間抗剪強度，反映節(jié)理壁或節(jié)理充填物的粗糙度和摩擦特性；

Jw/SRF表示巖體中各種應力的存在對巖體質量的折減。Q

值<

0

.

0

10

.

0

1

-

0

.

10

.

1

-

1

.

01

.

0

-

4

.

04

.

0

-

1

01

0

-

4

04

0

-

1

0

01

0

0

-

4

0

0>

4

0

0巖

體

分

類異

常

差

的極

差

的很

差

的差

的