补充岩体结构和工程地质特性.ppt
4岩体结构和工程地质特性4.1 岩体的结构特征岩体的基本概念：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。,4.1.1 结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。,4.1.2 结构面的特征1978年ISRM实验室和野外试验标准委员会制定的岩体不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,4.1.3 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：长委会建议的分类软岩夹层碎块夹层碎屑夹层泥化夹层,4.1.3 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。Rc15MPa，f=0.4-0.6，E02000MPa。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=2001000MPa。如隧洞稳定碎屑夹层：粒径2mm的粗碎屑占3050%以上，20.5 mm的粗碎屑占30%以上，粘粒占10-30%，f=0.30-0.45，E0=50200MPa。如隧洞稳定,4.1.3 软弱夹层泥化夹层：wwp。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，E050MPa。如葛洲坝水电站泥化夹层形成的三个基本条件：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。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。地下水的作用：泥化作用，孔隙水压力作用，溶解作用等。,4.1.4 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 岩体的主要物理力学特性4.2.1岩石的主要物理性质密度和重度相对密度（比重）孔隙度（孔隙率）吸水率和饱和吸水率,4.2.1岩石的主要物理性质密度和重度岩石密度（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d含水量w（）重度（kN/m3）：单位体积岩石受到的重力，与密度的关系为,4.2.1岩石的主要物理性质相对密度（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岩石的主要物理性质孔隙度（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,孔隙比e,孔隙度n与孔隙比e之间的关系,4.2.1岩石的主要物理性质吸水率Wa和饱和吸水率Wsa,饱水系数kw,4.2.1岩石的主要物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。,4.2 岩体的主要物理力学特性岩石的力学指标：强度和变形岩石强度抗压强度：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划分岩石工程类型、岩体工程评价,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。评价岩体强度利用结构面网络模拟、蒙特卡洛法等,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验承压板试验获得的参数：变形模量E0、弹性模量Ee变模E0与弹模Ee的经验关系：基本原理：弹性半无限空间的Boussniesq课题。当测点在板内时的计算公式,d,p,式中：E0（Ee）-岩体变形模量（弹性模量）；W0（We）-岩体的总变形（弹性变形）；p-按承压板单位面积计算的压力；d-承压板的直径；u-泊松比。,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验承压板试验平硐中试验需满足的边界条件：Boussniesq课题的基本前提是半无限空间，但实际试验时是不可能满足的。一般而言，平硐中试验需满足如下图中的边界条件。,硐底位置,1.5d,1.5d,2.0d,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验承压板试验现场试验设备,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验承压板试验现场试验加压方式逐级一次循环法（推荐方式）：逐级多次循环法若只要变形模量，则不需卸载；而既要弹性模量、又要变形模量，则每级荷载作用下要进行卸载；若要反映岩体正交各向异性变形特性，可以沿不同方向进行试验，主要有垂直加载和水平加载两种方式。,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验承压板试验现场试验加压方式,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验承压板试验现场试验变形稳定判定标准,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验承压板试验压力变形曲线与应力应变关系,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验承压板试验试验曲线类型及特征直线型：坚硬岩体或碎裂岩体，比较均匀，E0=Ee，各级荷载下进行计算均可以。,U,P,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验承压板试验试验曲线类型及特征上凹型：裂隙岩体、中等质量岩体。若按实际荷载取各点的模量便是该点在曲线上的切线，所以模量是变化的，但通常取各级荷载下计算模量的平均值。,U,P,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验承压板试验试验曲线类型及特征下凹型：软岩或断层带及岩体质量较差的岩体，同样按实际荷载取各点的模量时是变化的，一般按与实际的荷载（或地应力）相当的点进行取值。,U,P,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验承压板试验试验曲线类型及特征长尾型：试验所在平硐开挖面上有松弛的岩体，或平硐开挖时间长，已形成松动圈。曲线上后段模量较前段模量大。若要真实反映“原位岩体”的模量，则应将u00，即以u0点作为0点进行计算。,U,P,U0,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验承压板试验试验曲线类型及特征折尾型：试验所在平硐开挖后有应力集中（残余应力）或有硬壳层。若要真实反映“原位岩体”的模量，则应将00，即以0点作为0点进行计算。,U,P,P0,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形试验承压板试验变形模量或弹性模量的计算公式,式中：E0（Ee）-岩体变形模量（弹性模量）；W0（We）-岩体的总变形（弹性变形）；p-按承压板单位面积计算的压力；d-承压板的直径；u-泊松比。,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值动力法测岩体动弹性模量动力法或弹性波法（地震法、声波法）基本公式,式中：Vp-纵波波速（m/s）；Vs 横波波速（m/s）；-岩体的密度；u-泊松比。,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值直接根据变形试验测得的E0、Ee作为依据利用波速Vp、Vs获得Ed，建立EdEe关系，并结合E0Ee关系对于大型水电工程，可以根据某一工程地质单元或某一岩性测试的波速成果建立E0Vp关系进行分带赋值；对于一般的中小型工程或工程前期阶段，可以利用如下的经验关系对岩体变形模量取值,式中：E0 变形模量（GPa）；Vp-纵波波速（km/s）。,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值举例：李家峡水电站坝基岩体开挖前坝基岩体开挖后,式中：E0 变形模量（GPa）；Vp-硐壁纵波波速（km/s）；r-相关系数。进一步反映“原位岩体”的变形模量，可以利用硐壁波速与穿透波速之间的关系，建立新的关系,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值举例：李家峡水电站,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值举例：李家峡水电站,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值根据岩石、岩体的优劣，利用饱和抗压强度Rb获得E0（野外所取得的岩石要能充分反映不同部位或不同工程地质单元的特性），而Rb也可以通过与点荷载试验获得强度之间的关系获得,式中：E0变形模量（GPa）；Rb-饱和抗压强度（MPa）；注：当Rb15MPa时，不适用。,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数取值根据岩体质量获得E0,4.2.1 岩体变形测试技术、变形特性及参数取值岩体变形参数泊松比u的取值,4.2.2 岩体变形参数的用途理论计算或数值分析中重要力学参数之一广义虎克定律,其中：G=E/2(1+u),4.2.2 岩体变形参数的用途利用波速比Vpm/Vr划分岩体风化带新鲜岩石的波速Vr可以用坝址区（或场址区）新鲜岩体中测得最高波速来代替；Vpm为不同风化带中测试的岩体波速；水利水电工程地质勘察规范（1999）划分标准见表,4.2.2 岩体变形参数的用途岩体分类岩体分类中把用变形模量E0作为一个非常重要的参考指标,4.2.2 岩体变形参数的用途利用V2pm/V2r划分岩体完整性完整性系数的定义：,4.2.2 岩体变形参数的用途利用波速Vp划分岩体结构,4.2.2 岩体变形参数的用途利用波速Vp或完整性系数Kv了解岩石质量指标RQD。完整性系数Kv与岩石质量指标RQD 的关系：,波速Vp与岩石质量指标RQD 的关系可以利用KvVp的关系，并结合KvRQD关系。,4.2.3 岩体的流变特性流变性：材料在外部条件不变的情况下，应力或应变（变形）随时间而变化的性质。包括蠕变和松弛。蠕变：材料在应力不变的情况下，应变（变形）随时间持续而逐渐增长的性质。松弛：材料在应变（变形）不变的情况下，应力随时间持续而逐渐减小的性质。岩体中具有明显流变性的有：软弱岩石、软弱夹层、碎裂及散体结构岩体。,4.2.3 岩体的流变特性典型蠕变曲线的特征初始蠕变阶段：变形速率随时间减小，又称阻尼蠕变阶段。等速蠕变阶段：变形缓慢平稳，应变随时间呈近乎等速增长。加速蠕变阶段：变形速率加快直到岩体破坏。,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度的意义岩体强度涵盖了“岩石+结构面”两部分，仅仅研究岩石的强度对工程没有太大的实际意义。在坝基抗滑稳定性（表层滑动、浅层滑动、深层滑动）、岩质边坡稳定性评价中，需要岩体和结构面的强度参数。,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩石、结构面和岩体强度的对应关系,岩石、结构面和岩体强度的对比1：岩石；2-结构面；3-岩体,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值Mohr-Coulomb准则Mohr-Coulomb准则定义、应力圆含义及潘家铮法的应用,式中,s发生破坏时破坏面上的剪应力,n发生破坏时破坏面上的有效法向应力,c-内聚力,-内摩擦角,y-岩体屈服强度,1-破坏时的最大有效主应力,3-破坏时的最小有效主应力。,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度试验大剪试验材料类型砼/岩石岩体（由硬性结构面切割的岩体，结构面无泥质充填）软弱结构面,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度试验大剪试验试验类型抗剪断试验：获得峰值强度参数tg、c；抗剪试验：获得残余值强度参数tg、c；抗切试验：获得抗切强度参数c。,P,Q,P,Q,P=0,Q,a,b,c,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度试验大剪试验三种试验曲线特征抗剪断试验抗剪试验抗切试验,c,=tg+c,c,=tg+c,c,=c,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度试验大剪试验试验方法平推式斜推式,P,Q,a,P,Q,b,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度试验大剪试验试验设备及安装,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度试验大剪试验试验成果整理计算各级荷载下剪切面上的剪应力、相应变形和正应力。,P,Q,b,式中,-作用于剪切面上的剪应力,-作用于剪切面上的正应力,P-作用于剪切面上的总垂直荷载（包括千斤顶出力，设备及试件重量）,Q-作用于剪切面上的总斜向荷载（应减去滚轴排摩擦阻力）,F-剪切面的面积。,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度试验大剪试验试验成果整理绘制剪应力水平位移和剪应力垂直位移曲线，也可以仅绘制剪应力剪切位移（水平位移）曲线。确定比例极限、屈服极限、峰值强度、残余强度。,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度试验大剪试验试验成果整理绘制剪应力正应力曲线，按Mohr-Coulumb表达式求出摩擦角和内聚力c。,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度试验大剪试验长期强度：视材料特性（尤其是软弱类岩石），可以进行流变试验，以获得长期强度。根据原位剪切试验的资料表明，软弱岩体和软弱夹层等的长期强度f 与短期剪切强度fc的比值约为0.8，大体上相当于快剪试验的屈服值与峰值强度的比值。,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度参数取值根据现场各点试验成果进行取值（和c）按各工程地质单元大剪试验综合取值点群中心法：安全裕度小，可以利用现场裂隙统计统计获得裂隙连通率、结构面网络模拟进行校正；给定斜率法：可以直接用于工程的稳定性评价和计算。,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度参数取值根据纵波波速进行取值,岩体强度随结构面增加而降低（具有尺寸效应），波速在岩体中的穿透反映了结构面的存在。,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度参数取值根据岩石强度和连通率进行取值,式中，fm-岩体的摩擦系数，fr-岩石的摩擦系数，ff结构面的摩擦系数，cm-岩体的内聚力，cr-岩石的内聚力，cf 结构面的内聚力，k-连通率，JL-剪切面上节理长度，JL-剪切面上岩桥长度。,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度参数取值根据岩体完整性系数Kv进行取值,式中，f-岩体的摩擦系数，c-岩体的内聚力，Kv-岩体完整性系数，RQD-岩石质量指标。,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度参数取值根据结构面网络模拟进行取值,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度参数取值根据Hoek-Brown准则进行取值,4.2.4 岩体强度测试技术及参数取值岩体强度参数取值应注意的问题岩体强度包括：比例强度、屈服强度、峰值强度、残余强度和长期强度等内容，工程应用中应针对工程性质及内容具体选取；各强度之间的关系建议如下：残余强度一般用于评价大型滑动之后，可能造成严重危害时。,4.2.5 硬性结构面的抗剪强度平直光滑无充填结构面,粗糙起伏无充填结构面对于规则锯齿状结构面,爬坡效应：由上式可知，在正应力较低时，锯齿状起伏结构面的抗剪强度，随起伏角I的增加而加大，即所谓的爬坡效应。在正应力较大时，则由锯齿的岩石强度所决定，如下式,4.2.5 硬性结构面的抗剪强度粗糙起伏无充填结构面对于非规则结构面（Barton，1973）,式中,s-剪切应力,n-法向应力,JRC-节理粗糙系数（粗糙度常划分为10级,JRC的变化范围在020之间）,JCS-节理壁抗压强度（可用回弹仪在现场直接测定）,b-岩石基本内摩擦角（可用经验数据或在现场进行结构面的滑动或推拉试验测得,其与节理的残余内摩擦角jres接近,在很多情况下,尤其对于坚硬岩体中的未风化节理,设b=jres是可以接受的）。,4.2.5 硬性结构面的抗剪强度粗糙起伏无充填结构面对于非规则结构面（Barton，1973）在稳定性分析中,常常需要确定等效内聚力和内摩擦角。这可以通过Barton的剪切准则的外包络曲线获得。对于某一应力状态下的瞬态摩擦角可以通过下式求得(Hoek,1995),同样应力状态下的瞬态内聚力可以通过下式确定,在给定应力范围内获得一系列的(s,n)后,进行回归分析同样可以获得节理的等效内聚力和内摩擦角。,4.2.5 软弱夹层的抗剪强度（涵盖原状样和扰动样）软弱夹层取样应注意的问题,平洞中软弱夹层取样示意图,软弱夹层含水量在不同取样阶段的变化,4.2.5 软弱夹层的抗剪强度软弱夹层强度特性的影响因素粘粒含量，尤其0.0075mm含量百分比；含水量；干密度或孔隙比（可以互换）；粘土矿物（高岭石、蒙脱石、伊利石）；状态特征。,4.2.5 软弱夹层的抗剪强度软弱夹层强度参数与物理指标间的关系,摩擦系数f与含水量w(a)、孔隙比e(b)的相关关系曲线,4.2.5 软弱夹层的抗剪强度软弱夹层强度参数与物理指标间的关系,内聚力c与含水量w(a)、孔隙比e(b)的相关关系曲线,4.2.5 软弱夹层的抗剪强度软弱夹层工程特性的室内模拟,软弱夹层压密试验中压应力(P)与孔隙比(e)的关系,软弱夹层仿真试验中压应力与摩擦系数的关系,4.3 岩体的天然应力状态4.3.1 岩体应力的组成天然应力（natural stress）自重应力（gravitational stress）与上覆厚度有关构造应力（tectonic stress）：与构造活动有关变异应力（altered stress）：与岩体的物理化学改变和岩浆侵入有关残余应力（residual stress）：与卸荷有关感生应力（induced stress）：与开挖支护等有关,4.3 岩体的天然应力状态天然应力的理论计算：静水应力式的观点、垂直应力为主的观点和水平应力为主的观点。最早且引用最多的是瑞士地质学家Heim（1912）提出的假定，即地壳岩体某点的垂直地应力为其上覆岩体厚度的积分形式,Z,y,x,h,v,h,h,设岩体为完全弹性体，水平地应力可写为,式中：v-垂直地应力；h-水平地应力；-岩石密度；g-重力加速度；h-上覆岩体厚度；-岩石容重；-泊松比。,4.3.2 天然应力分布的规律岩体中存在三向不等的空间应力场；水平应力与垂直应力的关系表明：地壳表部岩体以水平应力为主；,垂直地应力随深度而增加(据G.Herget,1988),水平地应力随深度而增加(据G.Herget,1988),4.3.2 天然应力分布的规律,水平应力和垂直应力之比H/V与埋深H的关系（据Hoek和Brown，1980）,4.3.2 天然应力分布的规律水平应力具有强烈的方向性，这与构造活动具有方向性有关；河谷地区地应力场的特征表明，受浅表生改造作用，天然应力场发生了重分布，且在峡谷底部有明显的应力集中现象。,地应力测点平面分布位置图,主应力随深度的关系,4.3.3 地应力研究的工程意义基坑底部的隆起、剥离破坏基坑边坡的剪切滑移地下洞室产生大的收敛变形地下洞室施工过程中产生岩爆,
