岩体的工程性质及稳定性评价.ppt

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1、第 六 章岩体的工程性质及岩体的稳定性,第一节 岩体及岩体结构概述第二节 岩体的工程性质第三节 岩体的稳定性评价,第一节 岩体及岩体结构概述,1、岩体（rockmass）:与工程活动有关的那部分地质体，地壳的一部分。岩体的范围：取决于工程的形状、位置、工程类型、工程规模等。,一、岩体概述,2、岩体分类按岩体对工程作用特征可分为三大类：地基岩体:房屋、桥梁、路基等下岩体；边坡岩体:人工开挖暴露出来的斜坡岩体；周围岩体:隧道等地下工程周围的岩体。,一、岩体概述,3、岩体与岩石（比较）岩体：是地壳的一部分，有结构体及结构面组成，即由各种岩石块体组合而成的岩石结构物。岩石：指天然的石料，其性质取决于矿

2、物成分、结构和构造。岩石可以看成是均质、各向同性的材料。“岩体”概念的出现已成为一个重要的研究课题，标志该学科发展达到了一个重要阶段。,一、岩体概述,岩体与岩石(庐山二叠泉的岩体),节理：是岩石中的裂隙，是没有明显位移的裂隙。也是地壳上部岩石发育最广的一种构造,节理就是裂隙，断裂是一个大的概念，基本类型包括了节理（裂隙）、断层，还有劈理。,节理是很常见的一种构造地质现象，就是我们在岩石露头上所见的裂缝，或称岩石的裂缝。这是由于岩石受力而出现的裂隙.还有一种说法:几乎在所以岩石中都可以看到有规律的，纵横交错的裂隙，他的专门术语就叫节理.节理即断裂岩块沿着破裂面没有发生或没有明显发生位移的断裂构造

3、.裂隙应该包括的东西更多，在地学上有构造裂隙，而节理裂隙只是构造裂隙的一种.断层是地壳岩层因受力达到一定强度而发生破裂，并沿破裂面有明显相对移动的构造称断层。断层是构造运动中广泛发育的构造形态。它大小不一、规模不等，小的不足一米，大到数百、上千千米。但都破坏了岩层的连续性和完整性。还有一种解释:断层是地质学概念，是指因地壳的变动，引起地层发生断裂并沿断裂面发生水平、垂直或倾斜方向的相对位移现象。断裂:地质学马丁尼兹说:“当地壳移动，板块相互撞击时会断裂，导致其他地区的压力逐渐增加，最终引发地震。”断裂是大的，深的断层.,1、结构面的类型(1)原生结构面(2)构造结构面(3)次生结构面,（一）结

4、构面,近100年来坝体因对岩体软弱面稳定性认识不足而失事者达45%以上。法国60m高的坝体，1959年因左坝肩片麻岩中的绢云母页岩软弱层滑动而失稳。1963年，意大利一水库，2亿m3此岩体下滑淤满水库，死2600余人，震动了整个岩土工程与工程地质界。,岩体与岩石,岩体：被各种结构层面、软弱片理面等不连续面切割成的岩块组成的结构物。结构面：岩体中的软弱面。结构体：岩体中的岩块。,二、岩体结构概述,岩石（Rock）矿物、岩屑的集合体。结构面（Structural Plane）指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。岩块（Rock block 或 R

5、ock）指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。岩体（Rockmass）是指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。,2.1 几个基本概念,(一)地质成因类型1.原生结构面岩体在成岩过程中形成的结构面。沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。岩浆结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等。变质结构面在变质过程中形成，分为残留结构面和重结晶结构面。2.构造结构面 是岩体形成后在构造应力作用下

6、形成的各种破裂面，包括断层、节理、劈理和层间错动面等。3.次生结构面 是岩体形成后在外营力作用下产生的结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。,(1)原生结构面：岩浆岩冷凝收缩而成的原生节理面。沉积中层理面（不整合面）等物质分界面。变质岩中的片理面。,（一）结构面,(2)构造结构面节理裂隙断层,（一）结构面,(3)次生结构面风化裂隙面卸荷裂隙面爆破裂隙面滑坡裂隙面溶蚀裂隙面等,（一）结构面,2、结构面的特征表征结构面地质特征的参数如下：,（一）结构面,产状间距持续性粗糙度结构面壁强度,裂缝开度充填物渗透性节理组数岩块尺寸,(1)产状：结构面在空间的分布状态。以结构面倾向和倾角表

7、示。在很大程度上决定着单独岩块的形状及岩体的稳定性。,2、结构面的特征,(2)间距:同组相邻结构面间的垂直距离通常指平均间距或常见的间距在很大程度上控制着单独岩块的尺寸对岩体的破坏形式有重要影响,2、结构面的特征,(3)持续性:暴露面上能够见到的结构面迹线的长度。区域性断层面持续长度可达数百数千米，若贯穿工程区域，对工程稳定有全局性影响。结构面持续性对不同工程有不同作用。平面状结构面无分叉地延伸510m，对隧道围岩稳定性有较大影响。,2、结构面的特征,(4)粗糙度：相对于结构面平均平面的平整光滑程度。结构面壁的粗糙程度对抗剪强度有利。,2、结构面的特征,(4)粗糙度：大规模的粗糙度：也称起伏度

8、起伏度：用起伏坡面与结构面平均平面夹角i表示。,2、结构面的特征,(4)粗糙度：中等规模粗糙度分三种台阶形波浪形平面形小规模的粗糙度分三种粗糙的平坦的光滑的,2、结构面的特征,标准的粗糙度断面,对结构面抗剪强度影响很大,(4)粗糙度：结构面抗剪强度:,2、结构面的特征,标准的粗糙度断面,=n tg（+i）+C,n:结构面上法向应力 C:粘聚力(结构面上无垂直或很陡的台阶状起伏时：C=0),(5)结构面壁强度结构面相邻岩壁的等效抗压强度。它与岩体结构面的抗剪强度、变形特征有密切关系由于风化及蚀变作用，岩块表面即结构面壁的强度会低于岩块内部新鲜岩石的强度。,2、结构面的特征,(6)裂缝开度张开结构

9、面相邻岩壁间的垂直距离。裂缝开度对岩体变形特征和水的渗透有很大影响。大的裂缝开度可能是由于具有大规模粗糙度的结构面的剪切位移，或由于张裂、冲刷及溶解作用造成的。,2、结构面的特征,(6)裂缝开度大多数地下岩体的裂缝开度较小，一般小于0.5mm。结构面按裂缝开度大小可分为三类:闭合结构面(0.5mm)裂开结构面(0.510mm)张开结构面(1100cm),2、结构面的特征,(7)充填物充填于结构面相邻岩壁间的物质。常有方解石、绿泥石、粘土、断层泥、角砾等。充填物的物理力学性质(尤其是变形性能和渗透性)、厚度对结构面的工程性质影响较大。,2、结构面的特征,(8)渗透性水沿岩石孔隙（原生渗透）和导水

10、结构面（次生渗透）的流动。可用于判定地下水的流向、含水情况，从而依此判定岩体的稳定性或地下工程施工的涌水预测。,2、结构面的特征,(9)节理组数：组成交叉节理系的节理组的数目。节理组的数目影响岩体的完整性和力学性质。如：节理组数可能是边坡岩体稳定性的决定性因素。,2、结构面的特征,(10)岩块尺寸：结构体的形状、大小。是岩体的一个特别重要的特征。可根据交叉节理组的相互方位和各个节理组的间距来确定。,2、结构面的特征,（二）结构体,岩体中被结构面切割而成的岩石块体。,岩石的形状和大小、与工程的相对位置 影响岩体的稳定性。,二、结构面的规模,级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳定性，

11、直接影响工程岩体稳定性；级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。、级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性,级 指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律具统计规律，需用统计方法进行研究。级 又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。,二

12、、结构面的规模,走向、倾向、倾角结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度。,三、产状,据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极限强度与结构面倾角间的关系为：,四 连续性结构面的连续性反映结构面的贯通程度。1、线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各段长度之和(a)与测线长度的比值。,K1变化在01之间，K1值愈大说明结构面的连续性愈好，当K11时，结构面完全贯通。2、面连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面面积之和与总面积的比值。,结构面连续性分级表,五 密度结构面的密度反映结构面发育的密集程度。1、线密度(Kd)是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数(条m)。

13、2、间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。Kd与d互为倒数关系如果测线水平布置，且与结构面法线的夹角为，结构面的倾角为时:,结构面间距分级表,用线密度来估算岩体质量指标RQD(rock quality designation),岩体质量指标RQD：长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比。,六 张开度结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。结构面两壁面一般不是紧密接触，使结构面实际接触面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。如在层流条件下，平直而两壁平行的单个结构面的渗透系数(Kf)可表达为：,结构面张开度分级表,级及部分级结构面的产状、迹长、间距及张

14、开度等几何特征参数，服从一定的随机分布规律。,七 形态结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。结构面侧壁的起伏形态分为：平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的。,侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。,（二）结构体,结构体的形状和大小：,结构体的形状：,取决于结构面组数及其产状,常见的六种：,2 岩体的结构类型,（二）结构体,结构体的形状和大小：,结构体的大小：,取决于结构面组数及其间距。,（二）结构体,结构体的形状和大小：,结构体的大小：,大块岩石组成的岩体易于形成地下拱或锁合作用,小岩块易于形成类似土的潜在破坏形式。,碎裂岩体则可能产生流动式破坏。,研究与工程规格相差不太悬殊

15、的中等和较小尺寸的岩块极为重要。,（二）结构体,结构体的形状和大小：,结构体尺寸表示：,可以用典型岩块的平均尺寸表达。,也可用岩体单位体积中通过的总节理数目表示。,（二）结构体,2.结构体与工程的相对位置,同样形状和大小的结构体，产状不同时:在同一个工程部位有不同的稳定性。,图中岩块A的稳定性：,楔体处于拱顶中心位置 刃角朝下稳于刃角朝上,2.结构体与工程的相对位置,产状相同而处于不同的工程部位时：有不同的稳定性。,图中水平板状岩块：,在拱顶和边墙部位的稳定性不同。,（二）结构体,（三）岩体结构类型,岩体结构：由结构面和结构体组合而成。,岩体结构类型：按结构面和结构体的特征划分为四大类：,整

16、体 块 状层 状碎 裂散 体,我国有代表性的几种岩体结构分类见表达5-2。,（三）岩体结构类型,岩体结构分类的意义：,不同岩体结构类型反映出岩体质量的好坏；,岩体结构类型可直接用于岩体稳定性的评价。,岩体结构分类的意义：,不同岩体结构类型可用不同的力学介质来表示：,整体块状岩体近似于弹性体层状及碎裂岩体可视为弹塑性体散体岩体接近于塑性体,岩体结构分类为岩体稳定性定量评价提供了理论基础。,5.2 岩体的工程性质,一、结构面的工程性质,二、岩体的力学特性,三、岩体中的地应力状态,第二节 岩体的工程性质,包括：,岩体的变形性质,岩体的强度性质,岩体中天然应力状态,第二节 岩体的工程性质,岩体的工程性

17、质与岩石的工程性质、结构面的工程性质密切相关。岩性较好的坚硬岩石组成的岩体工程性质：主要取决于结构面的工程性质。岩性较差的弱软岩石组成的岩体工程性质：一般取决于岩石的工程性质。,一、结构面的工程性质,结构面的工程性质与其十项地质特征有关。,（一）结构面的变形特征,（二）结构面的抗剪强度,（一）结构面的变形特征,结构面的变形包括：结构面的法向变形结构面的剪切变形,（一）结构面的变形特征,结构面的法向变形：结构面在法向正应力（n）压缩作用下的闭合变形。密闭结构面可视为无法向变形。大多结构面都可能发生法向变形。一般结构面均有一定粗糙度，结构面两侧壁之间只有局部接触，或张开结构面中有一定程度充填物，在

18、法向正应力（n）压缩作用下的发生闭合变形。,（一）结构面的变形特征,结构面的法向变形：法向变形（V）与法向正应力（n）之间一般是非线性的关系。法向刚度系数Kn不是常数：Kn随法向正应力n 增大而增大。,（一）结构面的变形特征,结构面的剪切变形在一定法向正应力作用下，结构面承受剪切应力（），发生两侧壁的相对位移变形。,（一）结构面的变形特征,结构面的剪切变形用试验所得剪应力()与相应的剪切位移(u)的关系曲线表示。,u曲线,（一）结构面的变形特征,结构面的剪切变形用试验所得剪应力()与相应的剪切位移(u)的关系曲线表示。,u曲线,型曲线是未充填或充填少量粉碎屑物的粗糙结构面的剪切变形特性曲线。,

19、型曲线是结构面间含有较厚粘土物质的剪切变形特性曲线。,库仑强度理论：结构面抗剪强度基本表达式为：抗剪强度由摩擦阻力及粘聚力两部分组成：摩擦阻力：随n而增大，摩擦系数f=tg粘聚力：取决于结构面壁岩石的性质，用C表示。,=n tg+C,（二）结构面的抗剪强度,（二）结构面的抗剪强度,不同摩擦特征结构面的强度曲线：,n 较小时，发生滑移膨胀,n 较大时，剪坏凹凸面,剪切面较光滑时，不呈现内聚力C,（二）结构面的抗剪强度,取得结构面抗剪强度值的方法：室内直剪试验现场剪切试验巴顿峰值抗剪强度公式,（二）结构面的抗剪强度,室内直剪试验取样进行室内直剪试验。可测得：峰值抗剪强度残余抗剪强度n曲线,（二）结

20、构面的抗剪强度,现场剪切试验可获得:原位结构面抗剪强度的各种参数和关系曲线。能较真实地反映客观实际；现场试样制备、试验设备安装较复杂；试验周期长，费尽大；不能进行大量试验。,（二）结构面的抗剪强度,巴顿峰值抗剪强度公式国际岩石力学学会推荐巴顿建议的简便方法（峰值抗剪强度公式）：,JRC：结构面粗糙度系数JCS：结构面壁抗压强度 r：残余摩擦角,（二）结构面的抗剪强度,巴顿峰值抗剪强度公式,JRC：结构面粗糙度系数将实测结构面粗糙度剖面与标准粗糙度剖面及JRC值对比，从而确定实测结构面的JRC值。,（二）结构面的抗剪强度,巴顿峰值抗剪强度公式,JCS：结构面壁抗压强度通常用回弹仪测得回弹值，经查

21、表或换算得到 JCS值。,（二）结构面的抗剪强度,巴顿峰值抗剪强度公式,r：残余摩擦角取决于结构面壁的风化程度和岩石种类。未经风化的岩石：r=25 35，常用值：30强烈风化又无粘土充填：r值可下降15左右。,（二）结构面的抗剪强度,结构面抗剪强度是定量评价岩体稳定性的重要参数。不同结构面具有不同的抗剪强度。,软弱结构面是岩体中最薄弱的部分，是岩体变形破坏的主要因素。,软弱结构面：是抗剪强度较低、易于发生软化、泥化、溶蚀、潜蚀的结构面。,二、岩体的力学特性,（一）岩体的应力应变曲线,（二）岩体的变形模量,（三）岩体的抗剪强度,（一）岩体的应力应变曲线,岩体受力变形破坏的规律：既不同于岩石，也不

22、同于结构面，是一种比较复杂的机理。,与岩石受力变形破坏相比，同类岩石组成的岩体变形更大，强度降低。,岩体的应力应变曲线形态主要取决于：岩石和结构面的工程性质；岩体结构类型；外部荷载的大小。,I：直线形曲线；：上凹形转直线形曲线；：下凹形曲线；IV：S形(上凹转下凹)曲线。,（一）岩体的应力应变曲线,岩体应力应变曲线分为四种形态：,直线形曲线：坚硬岩石组成的完整岩体的特征。,上凹形转直线形曲线：坚硬岩石组成的裂隙岩体的特征。,下凹形曲线：软弱岩石组成的完整岩体的特征。,S形(上凹转下凹)曲线：软弱岩石组成的裂隙岩体的特征。,（一）岩体的应力应变曲线,坚硬完整岩体接近于弹性体破坏方式多为脆性断裂软

23、弱完整岩体、散体结构岩体，接近于塑性体，破坏方式多为塑性剪坏大多数块状、层状及碎裂岩体，表现为复杂的弹塑性体，并具有一定粘滞性，岩体破坏方式也较复杂。,地下工程中常发生的岩爆现象：脆性断裂地下开挖中边墙与底面向临空面鼓出：塑性破坏边坡与围岩中常见的不稳定结构体滑移：剪切破坏,（一）岩体的应力应变曲线,在进行岩体稳定性分析时，对不同的岩体应采用不同的力学理论与方法。,（一）岩体的应力应变曲线,岩体变形各向异性（特别是层理岩体）：垂直层面或片理面方向结构面容易压密闭，岩体易于变形。垂直层面或片理面方向变形模量常小于平行结构面方向的变形模量。,岩体变形和强度各向异性的机理仍属于需要进一步研究的问题。

24、,（二）岩体的变形模量,岩体的变形模量和抗剪强度是岩体两个最重要的力学性质指标。一般，重大工程建筑给岩体的荷载远达不到岩体的极限抗压强度值。而岩体的变形往往是工程设计的重要控制因素。,（二）岩体的变形模量,岩体的力学性质指标，不能单靠实验室试验方法确定。大比例现场试验是重要工程项目设计依据中最主要的部分。岩体变形模量通常是通过现场岩体变形试验测得,（二）岩体的变形模量,目前常用的现场变形试验有：,静力试验：,动力试验：,承压板试验,压力洞室试验,钻孔变形试验,地震试验,声波试验,超声波试验,（二）岩体的变形模量,静力试验：,承压板试验：,压力洞室试验：,钻孔变形试验：,在基础设计中最常采用，也

25、可在小型隧洞或试验平洞内测定岩体变形特性时使用。,（二）岩体的变形模量,静力试验：,压力洞室试验：,承压板试验：,钻孔变形试验：,多在隧洞设计中使用，特别在高压水力隧洞中用得最多。,（二）岩体的变形模量,静力试验：,压力洞室试验：,钻孔变形试验：,其它试验方法无法测定时用,利用各种钻孔膨胀装置，对一定长度钻孔壁施加均匀压力，同时测量孔径变形，并计算岩体的变形参数。,钻孔试验涉及到的岩石体积很小，有必要进行大量试验以便取得一定范围内岩体变形特性的代表性数据。,承压板试验：,（二）岩体的变形模量,动力试验：,基本原理：,通过测定岩体中各种弹性波的纵波速度（Vp）和横波速度（Vs），来确定动弹性常数

26、（动弹模量Ed和动泊松比d）。,动力法依据的是弹性理论，而岩体并非理想弹性体，因此测出的动弹模量普遍大于静弹模量。岩石愈软弱，结构面愈发育，EdEs比值愈大，一般为15，岩体质量很差时，此比值可达20。,（二）岩体的变形模量,现场试验所得变形参数值均小于室内岩块变形参数值。,因为现场岩体变形试验中规定了试验面积内应包含一定数量结构面，且加荷面积比室内岩块试验大得多。,钻孔变形试验中测得的高值接近室内试验值。,（三）岩体的抗剪强度,岩体强度：(包括)单轴抗压强度抗拉强度抗剪强度三轴强度,应用最多,边坡、洞室及地基岩体稳定性多与岩体的抗剪强度密切相关。,（三）岩体的抗剪强度,岩体现场抗剪试验方法：

27、,两种方法：,斜推法,1砂浆顶板 2钢垫板 3传力柱 4压力表 5液压千斤顶 6滚轴排 7混凝土后座 8斜垫板 9钢筋混凝土罩,斜推法,平推法,（三）岩体的抗剪强度,斜推法岩体指标抗剪断试验(岩体现场抗剪断试验),在现场切出方柱形岩体，底部受剪面积25002，最小边长不小于50cm，高度不小于50cm。,四周套上安全保护罩，罩底预留剪切缝 d，d0.52 cm。,斜推力和垂直力的合力通过剪切面中心，（剪切缝中部 d2处）。,斜推法,（三）岩体的抗剪强度,试验成果：不同正应力下的剪应力剪切位移关系曲线。可得：不同正应力条件下：峰值抗剪强度值残余抗剪强度值岩体的C、值,斜推法,三、岩体中的地应力状

28、态,（）地应力概念,（二）岩体中天然应力的某些特征,（）地应力概念,1.初始应力（天然地应力）：,岩体中任何一点都受到力的作用。,在工程施工之前岩体中已经存在的应力。,2.次生应力：,在工程施工过程及完工后，初始应力发生变化，引起的应力重新分布。,（）地应力概念,岩体是天然应力状态下长期、复杂的地质作用过程的产物，岩体初始应力场是多种不同成因、不同时期应力场的叠加综合的结果。,初始应力的来源：,（）地应力概念,初始应力的来源：,自重应力,构造应力,沉积作用,固结作用,脱水作用,结晶作用,温度应力,地 震 力,水 压 力,变质作用,引起的应力,最主要,（）地应力概念,各处岩体中初始应力大小、分布

29、及变化情况有很大差别。（见教材表58）,岩体中初始应力状态与岩体工程，特别是地下工程的受力状态及稳定性有密切关系。,图示：不同初始应力状态下隧道变形破坏情况不同。,（二）岩体中天然应力的某些特征,岩体中存在着天然应力,天然应力对工程建筑物稳定性有重要影响,研究天然应力的大小、分布规律等特征,目前对岩体中天然应力的大小、分布规律等特征的研究还很不够。深入研究岩体天然应力势在必行。,（二）岩体中天然应力的某些特征,简要介绍已有的一些成果：,天然应力的一般特征,垂直应力的某些特征,水平应力的某些特征,天然应力的一般特征,天然应力随深度增大而增大。,这是根据国内外的实测资料分析、总结发现的。,我国测点

30、最深的500多米，一般在200 m 深度以内。,最大测深已超过3000 m，大部分测点在1000m之内。,（据E.T.布朗和E.霍克1978资料）,垂直应力分量v与深度关系如图：,v随深度H增大。,天然应力的一般特征,水平应力分量总和与深度关系如图：,AB线：水平分量总和1+2 随深度H而增大。,静水压力理论值：OC线：1+22 H,弹性理论值：OD线：1+2/（1-）2 H,天然应力的一般特征,天然应力的一般特征,引起岩体中天然应力的两个主要来源：,上覆岩体自重应力,岩体中构造应力,天然应力的一般特征,上覆岩体自重应力,在岩体中可按静水压力理论考虑：,垂直应力v=水平应力H h,埋深不大时，

31、按弹性理论考虑：（因岩体有一定强度）,v HH/（1-）H,天然应力的一般特征,岩体中构造应力,较复杂，对岩体稳定影响较大。,目前主要通过地质力学方法对构造体系进行分析；,最大主应力方向为垂直于构造线方向；,水平分量一般大于垂直分量。,构造应力一般为压应力；,构造应力目前还只能通过现场实测数值进行分析。,垂直应力的某些特征,世界上大部分资料表明：,地下几十米至2700m左右的范围内，垂直应力大体上等于按岩石平均容重为2.7g/3计算。,v=0.027H（MPa）,v值相对于平均值线的分散度小于5。,个别油矿井中，v实测值比H大l.52倍。,垂直应力的某些特征,我国的统计资料：,v=0.81.2

32、H的仅占13.7%v 0.8 H的占17.37%v 1.2 H的占69%,未经过强烈构造运动，岩层产状比较平缓时：,v=H,构造运动强烈、岩层产状复杂的地区：,多数情况为：vH,水平应力的某些特征,自重应力引起的侧限水平应力,构造应力的水平分量,迭加成,水平应力多为压应力，拉应力甚少。,H与v的关系：,H500 m：Hv,H1000m：Hv,水平应力有强烈的方向性,一、概述（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素（二）岩体稳定性评价的方法二、铁路部门应用的某些经验数据,第三节 岩体的稳定性评价,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学2.影响岩体稳定性的因素（二）

33、岩体稳定性评价的方法,一、概述,(1)岩体稳定性:岩体在工程施工期间和运营期间发生的-变形和破坏特性。岩体失稳:在工程施工和运营期间，岩体发生了不能容许的变形和破坏。稳定的：岩体未发生不能容许的变形和破坏。,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学,(1)岩体稳定性:各类工程有不同的结构特点和用途，对岩体的稳定性有不同的要求。拱桥基础对地基岩体变形要求十分严格；简支梁桥基础容许一定数量的地基岩体均匀压缩变形。水库边坡上容许发生一些规模不大的滑坡与崩塌；铁路路堑边坡不容许发生这样的边坡岩体滑动与崩塌。不同的地下工程对地下洞室围岩稳定性有不同要求。如：铁路隧道 地

34、下电站厂房 地下储油库等。,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学,(2)岩体稳定性评价：研究工程岩体发生失稳的条件 及变形破坏的规律，为人类利用和改造岩体服务。岩体稳定问题一直是工程地质学研究的最主要任务。,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学,(2)岩体稳定性评价：,评价方法：,传统的工程地质学定性分析,岩 石 力 学 定 量 分 析,相互结合,目前已形成以研究岩体稳定性为主要任务的新学科 岩体工程地质力学,(3)岩体工程地质力学主要观点如下

35、：认为岩体稳定性问题是一个岩体结构问题。岩体结构是在长期地质历史中，经过岩石建造、构造变形和次生蜕变形成的一种地质结构，因此，必须在地质力学背景研究的基础上认识岩体结构。应力状态的作用是通过岩体结构的力学效应表现出来的。,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学,(3)岩体工程地质力学主要观点如下：作好岩体稳定性评价，必须引进数学力学分析方法和物理力学测试技术。在分析岩体结构时要考虑应力状态和荷载的作用，力学分析时注意应力分布受岩体结构的影响，使分析方法与之相适应。,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学,(3)岩体工程地质

36、力学主要观点如下：岩体工程地质力学的理论和方法已经引起国内外工程地质界的重视并应用于工程实践中，特别在地下工程围岩稳定性评价和边坡稳定性评价方面。,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,1.岩体的稳定性及岩体工程地质力学,岩体的稳定性主要取决于岩体结构特征及其它众多因素：影响因素归纳为四个方面：岩体所在位置周围地质环境的稳定性；岩体本身的特征和岩体中地下水的作用；岩体中初始应力状态及所受的工程荷载；工程施工及运营管理的水平等。,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,2.影响岩体稳定性的因素,岩体所在位置周围地质环境的稳定性对该环境内的岩体稳定性有宏观控制作用。地质环境的稳定性包括：区域稳定

37、性山体稳定性地面稳定性,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,2.影响岩体稳定性的因素,岩体所在位置周围地质环境的稳定性对该环境内的岩体稳定性有宏观控制作用。区域稳定性主要指该地区地壳的构造活动性，特别是新构造运动的强烈程度和由构造断裂引起的地震活动性。有的地区断裂活动比较微弱，地震少而烈度低，地壳稳定性较好，从区域稳定性来评价应属稳定地区。而新构造运动强烈，表现为地壳的上升或下降，近期沉积物的褶皱与断裂，甚至发生强烈地震的地区，则地壳处于不稳定状态，危害比一般的构造活动更大。地震活动性是区域稳定性评价的主要内容。,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,2.影响岩体稳定性的因素,岩体所在位

38、置周围地质环境的稳定性对该环境内的岩体稳定性有宏观控制作用。山体稳定性对工程岩体的稳定住有直接的接响。如某段铁路线穿过某处山体以长隧道通过，仅就隧道围岩岩体的稳定性而言可能是非常良好的，但整个山体是否沿软弱面向河侧滑动。若山体失稳则造成该工程报废。此外组成山体的岩石的强弱、构造破碎和风化破坏程度、地下水等均是评价山体稳定性的重要因素。,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,2.影响岩体稳定性的因素,岩体所在位置周围地质环境的稳定性对该环境内的岩体稳定性有宏观控制作用。地面稳定性问题，地表大面积下沉、开裂及陷落等。地面失稳常常是由于人类地下采掘活动例如采矿、抽水等活动造成的。在地面失稳地区进行

39、工程建设必须弄清地面失稳对工程岩体稳定性的影响。,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,2.影响岩体稳定性的因素,岩体所在位置周围地质环境的稳定性对该环境内的岩体稳定性有宏观控制作用。总之，在工程建设中，首先要解决岩体地质环境稳定性问题，力求在选址阶段对区域、山体、地面的稳定性有正确的认识，避免把一些重大工程置于不稳定的地质环境之中。然后再去解决工程岩体本身的稳定性问题。,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,2.影响岩体稳定性的因素,岩体本身的特征和岩体中地下水的作用是决定岩体是否稳定的内在因素，是岩体稳定性评价最重要的根据。,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,2.影响岩体稳定性的

40、因素,岩体中初始应力状态及所受工程荷载是岩体稳定的主要外部因素，是进行岩体稳定性评价的重要边界条件。岩体常常因工程活动使岩体承受了新的工程荷载，改变了岩体中初始应力状态，在这种情况下岩体能否继续保持稳定，是各种岩体稳定性评价方法要解决的基本问题。,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,2.影响岩体稳定性的因素,岩体稳定性与工程施工及运营管理水平有密切关系。随意地改变设计、不合理的施工顺序和施工方法、支护工作不及时、缺乏科学的管理等都可能导致岩体失稳。,（）岩体的稳定性及影响岩体稳定性的因素,2.影响岩体稳定性的因素,岩体稳定性评价方法的研究发展很快，但这些方法尚需完善；各种方法各有其优缺点和

41、应用条件。因此。应当尽可能采取多种方法结合使用，互相检验和补充。当前应用比较广泛的是：1.地质分析法2.力学计算法3.试验研究方法,（二）岩体稳定性评价的方法,1地质分析法：是传统的工程地质的研究方法，仍应作为岩体稳定性评价的基本方法，用这种方法取得的定性分析成果和经验数据，成为进一步定量分析岩体稳定性的基础和指导性资料。具体有：（1）工程地质比拟法（2）一般的地质分析法（3）地质力学配套分析法,1地质分析法：,1地质分析法：（1）工程地质比拟法：工程地质学最常用的方法。它是根据对天然岩体的稳定性及已建工程岩体的稳定性进行大量的统计研究，对待建工程岩体的各种相应条件进行对比，从而确定待建工程岩

42、体稳定性的方法。,1地质分析法：,1地质分析法：（1）工程地质比拟法：通常在大量统计基础上，根据部门的需要制订出一系列数据表，为不同地质条件下岩体稳定提供参考使用的参数数据，例如边坡的坡度、高度、地下洞室的形状、衬砌厚度和支护要求；地基容许承载力等。由于待建工程岩体的地质条件又很难与表中规定的条件完全相同，所以，表列数据只能作为重要的参考资料。只有在没有条件进行任何其它方法的定量评价时才不得不采用。,1地质分析法：,1地质分析法：（2）一般的地质分析法：从现场工程地质勘测着手，对测绘和勘探以及必要的试验和观测资料进行工程地质分析，从而判断岩体的稳定性。其优点是对影响岩体稳定性的各种因素，特别是

43、工程地质条件各方面因素，考虑得比较全面；据以分析问题的各种资料都是实地勘测所得，比较符合现场岩体实际情况。但定性分析多而定量分析少。,1地质分析法：,1地质分析法：（3）地质力学配套分析：在岩体稳定性评价中日益得到发展。分析的基本内容可包括三个方面：一是根据破裂结构面的力学性质评价结构面的工程性质，例如从结构面抗剪强度来看，张性结构面较大，压性结构面其次，扭性结构面较小；变形模量则是压性面大于扭性面，扭性面大于张性面；透水性是张性面最大，扭性面居中，压性面最小。二是应用构造体系的理论确定结构面构造组合、结构体的型式等岩体结构特征。三是根据构造配套恢复区域构造应力场，为了解岩体的天然应力状态指明

44、方向。,1地质分析法：,2力学计算法：一般采用图解分析与结构受力计算相结合的方法，也可以单独采用计算方法。力学计算法是当前发展较快，使用比较广泛的一种方法，也是进行岩体稳定性定量评价的主要方法。虽然这种方法尚不成熟，用于岩体稳定分析还缺乏严密、系统的理论，但却代表着岩体稳定性评价方法的一个重要发展方向。当前较常使用的方法是两种:用赤平极射投影图解及极限平衡理论计算可能失稳方向上的安全系数。利用有限单元法进行岩体稳定性评价。,2力学计算法：,2力学计算法：用赤平极射投影图解及实体比例投影图解确定岩体中各种结构面的组合关系，并求得可能失稳块体的位置、产状、形状、大小，可能的失稳形式。然后根据极限平

45、衡理论，计算可能失稳块体在可能失稳方向上的安全系数K（抗失稳力与造成失稳的力之比）。K1为稳定，K1为失稳，K=1为极限平衡状态。,2力学计算法：,2力学计算法：利用有限单元法进行岩体稳定性评价。有限单元法是把被分析的岩体理想化为有限个单元的组合体。各个单元之间通过若干个节点连结起来。假定单元体之间力的传递都是通过单元节点的。每一个小单元体，各以其自身的力学参数，例如、c、E等加以描述，可视为是均质的；整个岩体用不同特性的单元加以离散化，将整个岩体的力学特征视为组成该岩体的各个小单元体力学特征的总和，既方便地处理了岩体非均质的问题，又可得到整个岩体的力学平衡关系。,2力学计算法：,2力学计算法

46、：利用有限单元法进行岩体稳定性评价。单元体的划分：通常采用三个节点的三角形单元。对断层、软弱夹层，有时采用四个节点的矩形或四边形单元。岩层面、断层面等结构面是单元间的分界面。有限单元法不仅可以解决连续的弹性与弹塑性岩体，而且也可以解决块状、层状等不连续岩体的稳定性评价问题，甚至还可用来分析流变问题等。,2力学计算法：,a.将岩体划分为若干单元；b.计算节点位移，建立单元体位移函数；c.计算单元体应变；d.据虚位移原理确定单元节点上力与位移间的关系。e.根据静力学的等效原则，把作用在单元集合体上的各 种力都移到相应的节点上，建立起整个单元集合体的平衡方程，求得全部节点的位移；f.应用材料的力学性

47、质，得到每个单元的应力状态；g.编制各种成果图件，如位移分布图、主应力分布图、等应力线图等，分析应力集中区等可能不稳定的区域。,有限单元法具体工作步骤：,2力学计算法：,3.试验研究方法包括模型试验法和模拟试验法。常用的有相似材料模型试验和光弹模型模拟试验。在相似理论的基础上用人工制造的模型和受力条件去模仿实际的工程岩体原型及实际的受力条件，通过室内模型模拟试验观察人工模型的稳定性来评价实际岩体的稳定性。,3.试验研究方法,3.试验研究方法要求模型的制作和试验过程尽可能与实际岩体的各种地质条件和受力状态接近。比较直观，能够解决目前的理论分析中尚不能解决的问题。目前限于试验条件的要求，试验研究远

48、不如前述两种方法普及，主要在重大工程的岩体稳定性评价中应用。,3.试验研究方法,二、铁路部门应用的某些经验数据,（一）地基承载力：,（二）隧道围岩分类：,以工程地质比拟法为基础，在总结了大量工程实践中的经验后、铁路部门在自己的工程技术规范中提出了评价岩质桥基和隧道围岩的方法，对岩质边坡设计也提出了一些经验数据。,岩石地基承载力，应考虑构造因素和地下水长期软化对承载力降低的影响，一般情况下可比照表510及511确定。对于风化层应根据风化程度的情况，比照碎石类土和砂类土情况予以确定。,二、铁路部门应用的某些经验数据,（一）地基承载力：,岩 石 名 称,节理发育程度,节 理 间 距 cm,。MPa,

49、注:对于复杂的岩层（如溶洞、断层、软弱夹层、易溶岩石等）则应 个别研究确定。裂隙张开或有泥质充填应取低值,（一）地基承载力：,铁路建筑物岩石地基承载力,岩 石 类 别,fk MPa,注:对于微风化的硬质岩石,其容许承载力如取4.0 Mpa 时，应另行研究确定。,风 化 程 度,工业和民用建筑岩石地基容许承载力,（一）地基承载力：,隧道围岩系指隧道（或坑道）周围一定范围内，对隧道或坑道稳定性能产生影响的岩（土）体。一般情况下，应按表512进行分类。,二、铁路部门应用的某些经验数据,（二）隧道围岩分类：,结构体的形状示意图,结构体常见的形状:柱状、板状、楔形、菱形形状不同，稳定性不同。,2 岩体的

50、结构类型,三、岩体成因与岩体特征,1 岩浆岩体 无层理，产状复杂。根据岩浆活动方式，岩浆岩可分为深成岩、浅成岩和喷出岩三类。2 沉积岩体 具有层理构造，岩体呈层状结构。沉积岩包括他生沉积岩和自生沉积岩两大类。3 变质岩体 多数岩石变质后都经历了不同程度的重结晶作用，结构较致密，抗水性增强，孔隙率较低，透水性弱，抗变形性能好，强度高。因此与沉积岩相比，变质岩的性质一般要好些。,方法：通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体力学性质参数联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。目的：通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，