1、 研究巖塊的實際意義研究巖塊的實際意義 1、巖塊的物理力學性質是評價巖塊是否適宜作為建筑材料和可鉆性的指標； 2、在特定的情況下，巖塊的性質可 外推巖體的性質，巖塊與巖體即存在差異，有時也存在統一性； 3、巖塊是巖體的組成部分，研究巖塊的性質有助于更深入了解巖體的性質。 1 巖體結構要素巖體結構要素 2 結構面類型結構面類型 3 結構面分級及其特性結構面分級及其特性 4 結構面狀態結構面狀態 5 巖體結構類型巖體結構類型 結構面結構面：是把巖體切割成巖塊，具有強度低和易變形特性的各種地質界面，如節理、斷層、層理等的統稱 。 按成因分為按成因分為：原生結構面、構造結構面、次生結構面 。 （一）結

2、構面產狀（一）結構面產狀 研究結構面的產狀對巖體穩定性的影響，研究結構面的產狀對巖體穩定性的影響，就是討論結構面的方位與其對應的最大主就是討論結構面的方位與其對應的最大主應力作用之間的關系。見應力作用之間的關系。見P71圖圖6-1。 連續性反映結構面的貫通程度貫通程度常用線連續性系數和面連續性系數表示 。 1、線連續系數線連續系數K1 是指沿巖體中某結構面延長方向上，結構面各段長度之和(a)測線長度的比值，即見p71圖6-2 K1=a/（a+b） K1從變化在0一1之間K1位愈大，說明結構面連續性愈好；當K11時說明結構面完全貫通 。 反映結構面的發育密集程度，常用線密度和間距表示。 線密度線

3、密度(Kd)和間距（d） 是指結構面法線方向上單位測線長度交切結構面的條數（條/m)，而間距(d)則是指同一組結構面法線方向上兩相鄰結構面之間的平均距離 。 兩者萬為倒數關系，即Kd=1/d b 多組結構面兩組節理的裂隙度計算圖22112121coscos11ddmmKKK 結構面的密度決定了巖體的完整性和巖塊的塊度。一般來說。結構面發育愈集。巖體的完整性愈差，巖塊塊度愈小，進而導致巖體的力學性質變差。滲透性增強 。 普里斯特(Priest，1976)等人提出用結構面的線密度來估算巖體的質量指標(RQD值)。即 ) 11 . 0(1001 . 0dkkeRQDd 4）結構面）結構面形態：形態：

4、 要素：起伏形態、起伏角、粗糙度。 對巖體的力學性質和剪切強度有影響。 起伏角:i=arctan(2/L) 結構面的粗糙度可用粗糙度系數 JRC表示。 粗糙程度可將粗糙度系數(JRC)分為如圖65所示的10級 。 張開度：結構面兩壁間的垂直距離。 結構面是閉合的、干凈無充填物或為后期巖脈充填，結構面抗剪強度取決于結構面的形態、起伏差、粗糙度及兩側巖塊性質。 結構面閉合，有泥質或礦物薄膜充填或有地下水浸染，結構面抗剪強度取決于結構面的形態、兩側巖塊性質及礦物薄膜的親水性。 張開:強度決定于充填物。 a.膠結充填物成分成分對結構面力學性質的影響 鐵硅質膠結強度高； 鈣質膠結強度較差； 黏土、泥質膠

5、結強度最差。 b.膠結充填物厚度厚度對結構面力學性質的影響： 薄膜充填：厚度小于1mm； 薄層充填：厚度小于起伏、強度與充填物和結構面有關； 厚層充填：厚度大于起伏、強度取決于充填物，易滑移。 按結構面的規模及其力學效應，可將結構面劃分為5級其主要特征見p73表62。 實測結構面：實測結構面：是指、結構面，通過野外地質測繪工作，按其產狀和位置直接表示在不同比例尺的工程地質圖上。 統計結構面統計結構面是指、，是通過野外巖層露頭進行統計、分析，認識其統計規律，不直接在工程地質圖上表示。 軟弱夾層：是指巖體中那些性質軟弱、有一定厚度的軟弱結構面或軟弱帶。成因上有原生沉積的、火山碎屑的、沉積變質的、層

6、間錯動和斷裂破碎的、次生充填的及地下水泥化的等。與周圍巖體相比軟弱夾層具有高壓縮性和低強度的特征。 赤平極射投影定性分析巖體穩定性及判斷破壞模式方法簡介 所謂巖體結構巖體結構就是結構體和結構面的組合形式。巖體結構包括結構體和結構面兩個要素。 結構體特征：規模、形狀、產狀 規模：按不同級別結構面對巖體的切割，將結構體劃分為4級。、 級結構面地質體或斷塊體 級結構面山體 級結構面塊體 級結構面巖塊 形狀：柱狀、板狀 塊狀、楔形、錐形、菱形等。 依據結構面和結構體的組合特征，巖體結構類型劃分為四大類八個亞類。見P75表6-3 、整體塊狀：整體結構、塊狀結構 、層狀結構：層狀結構、薄層狀結構 、碎裂結

7、構：鑲嵌結構、層狀碎裂結構、碎裂結構 、散體結構： 巖體的力學性質與巖塊有顯著的差別。一般情況下，巖體比巖塊易于變形，其強度也顯著低于巖塊的強度。造成這種差別的根本原因在于巖體中存在各種類型不同、規模不等的結構面，并受到天然應力和地下水等環境因素的影響。 研究巖體的力學性質比研究巖塊力學性質更重要、更具有實際意義。 影響巖體的力學性質的主要因素： 組成巖體的巖石材料性質；結構面的發育特征及其性質和巖體的地質環境條件，尤其是天然應力及地下水條件。 本節內容將主要介紹巖體的變形與強度性質 （一）結構面的變形特性（一）結構面的變形特性 1、法向變形特征、法向變形特征 試驗方法試驗方法 分別對這兩種試

8、件施加連續法向壓應力，可得到（P76）如圖66所示的應力應力變形變形關系曲線關系曲線。 Vj=VtVr a含結構面巖塊n一Vt 曲線；b巖塊n一Vv曲線； c結構面n一Vj曲線 n一Vj曲線的形狀與結構面的類型及巖壁性質無關，其結構面形狀可用最大閉合量（Vm）和初始法向剛度(kn)確定。 Kn為n一Vj曲線原點處的斜率。是一個與初始應力有關的量。 見表6-1軟弱結構面的抗剪參數。 2、剪切變形特征、剪切變形特征 在巖體中取一含結構面的巖塊試在巖體中取一含結構面的巖塊試件，在剪力儀上進行剪切試驗，件，在剪力儀上進行剪切試驗，可得到結構面剪應力可得到結構面剪應力與結構面剪與結構面剪切位移切位移u的

9、關系曲線。試驗研究的關系曲線。試驗研究表明，結構面的剪切變形有如下表明，結構面的剪切變形有如下特征。特征。 1、結構面的剪切變形曲線均為非、結構面的剪切變形曲線均為非線性曲線線性曲線 ，可為脆性變形和塑性可為脆性變形和塑性變形兩類曲線變形兩類曲線 。 2、塑性變形曲線：特點是無明顯、塑性變形曲線：特點是無明顯的峰值強度和應力降，且峰值強的峰值強度和應力降，且峰值強度與殘余強度相差很小，曲線的度與殘余強度相差很小，曲線的斜率是連續變化的，且具流變性。斜率是連續變化的，且具流變性。 脆性變形曲線：特點是開始時剪脆性變形曲線：特點是開始時剪切變形隨應力增加緩慢，曲線較切變形隨應力增加緩慢，曲線較陡。

10、峰值后剪切變形增加較快，陡。峰值后剪切變形增加較快，有明顯的峰值強度和應力降。當有明顯的峰值強度和應力降。當應力降至一定值后趨于穩定，殘應力降至一定值后趨于穩定，殘余強度明顯低于峰值強度。余強度明顯低于峰值強度。 剪切剛度剪切剛度Ks：是反映結構面剪切變形性質的重要參數，其數值等于峰值前u曲線上任意點的斜率。 巖體變形是評價工程巖體穩定性的重要指標。巖體工程除研究巖體強度外，還需研究巖體的變形性能。當巖體各部分變形性能差別較大時，在結構物中產生附加應力；當巖體各部分變形性能差別不大時，若巖體軟弱抗變形能力差，將產生過量變形，這些都會使工程建筑物破壞或無法使用。巖體的變形性質主要通過巖體原位試驗

11、進行研究。 巖體原位測試是在現場制備試件模擬工程作用對巖體施加外荷載，進而求取巖體力學參數的試驗方法，是巖土工程勘察的重要手段之一。巖體原位測試的最大優點是對巖體擾動小，盡可能地保持了巖體的天然結構和環境狀態，使測出的巖體力學參數直觀、準確；其缺點是試驗設備笨重、操作復雜、工期長、費用高。另外，原位測試的試件與工程巖體相比，其尺寸還是小得多，所測參數也只能代表一定范圍內的巖體力學性質。因此，要取得整個工程巖體的力學參數，必須有一定數量試件的試驗數據用統計方法求得。 原位巖體試驗，按原理、方法不同分為靜力法和動力法。 靜力法基本原理：在巖體表面、槽壁或鉆孔壁施加法向荷載，并測定變形值，繪制壓力變

12、形曲線，計算巖體的變形參數，根據試驗方法不同，有；承載板法 、鉆孔變形法 動力法：人工對巖體發射（激發）彈性波，測定波速，根據波動理論計算變形參數，方法有聲波法和地震波法。 1承載板法 變形模量Em 剛性承壓板法是通過剛性承壓板(其彈性模量大于巖體一個數量級以上)對半無限空間巖體表面施加壓力并量測各級壓力下巖體的變形；按彈性理論公式計算巖體變形參數的方法。量測出某級壓力下巖體表面任一點的變形量，即可求出巖體的變形模量(Em)。通過現場靜力加卸荷，繪制Pw曲線。 2鉆孔變形法 變形模量Em 3、聲波法 動彈性模量Ed 泊松比 對于裂隙巖體，國內外都特別重視建立巖體分類指標與變形模量之間的經驗關系

13、，并用于推求巖體的變形模量Em。 比尼衛斯基(1978)研究了大量巖體變形模量實測資料，建立了分類指標RMR值和變形模量Em(GPa)間的統計關系如下： Em=2RMR100 巖體是由各種不同形態的巖塊和結構面組成的地質體，因此其強度必然受到巖塊和結構面強度及其組合形式的控制。一般情況下，巖體的強度既不等于巖塊的強度，也不等于結構面的強度而是兩者共同影響表現出來的強度。但在某些情況下可以用巖塊或結構面的強度來代替。如果巖體中結構面不發育呈整體或完整結構則其強度可視為與巖塊強度相近或相等。如果巖體是沿某一結構面的整體滑動破壞則巖體強度完全取決于該結構面的強度。這是兩種特殊情況多數情況巖體的強度介

14、于巖塊和結構面強度之間。本節主要討論結構面與巖體的剪切強度及巖體的抗壓強度。 由于結構面的特征不同，結構面抗剪強度曲線有以下幾種形式： 1平直光滑無充填結構面的剪切強度 其剪切強度接近于人工磨光面的摩擦強度即 =tani 天然平直光滑結構面仍具有細微的起伏和凹凸，剪切強度仍由內聚力(c)和摩擦力組成。 一般2040，C在00.1MPa。 (鋸齒狀結構面） 這類結構面的基本特點是具有起伏度在法向應力較小時，剪切過程中可引起上滑效應（稱剪脹效應)，從而增大了結構面的剪切強度=tan(i +i) 由此可見起伏度的存在可增加結構面的摩擦角 法向應力增加到T時，（啃斷效應）結構面的剪切強度=tan b+

15、Cb 法向應力T時， 由上面兩公式可求得 剪斷結構面突起部分 的條件是： 以上是規則起伏結構面的剪切強度。但自然界多數粗糙結構面的起伏形態是不規則的起伏角(j)也不是常數。對于這種情況，巴頓(1973)提出用下式計算結構面的剪切強度即公式 式中；JRc為粗糙度系數，可通過實測的結構面粗糙剖面與標準利面對比求得，JCS為結構面側壁巖塊的抗壓強度，可用回彈儀測定；為結構面的基本摩擦角，為法向應力。 3非貫通斷續結構面的剪切強度 這類結構面的剪切強度由各段結構面剪切強度和非貫通段(巖橋)巖石的剪斷強度兩部分道成。因此、整個結構面的強度取決于結構面和巖塊性質以及結構面的連續性，即公式 式中：cj j

16、、cm m，、分別為結構面和巖石的內聚力；j m分別為結構面和巖石的內摩擦角；k1此為結構 面的線連續性系數。 4、具充填的軟弱結構面的剪切強度 這類結構面的剪切強度主要取決于充填物成分、結構、厚度及充填度等情況。 充填物的粒度成分不同，結構面的強度各異。表66列出了不同軟弱夾層的剪切強度指標。 結構面的剪切強度隨充填物碎屑含量增加及顆粒變粗面增高隨粘粒含量增加而降低。見圖6-10 巖體中任一方向的剪切面，在一定的法向應力作用下所能抵抗的最大剪切力，稱為巖體的剪切強度。巖體的剪切強度細分為抗剪斷強度、摩擦強度（剪切）和抗切強度3種。 抗剪斷強度：在任一法向應力下，橫切結構面剪切破壞時巖體能抵抗

17、的最大剪應力； 摩擦強度：在任一法向應力下，巖體沿已有破裂面剪切破壞時的最大剪應力； 抗切強度：剪切面上的法向應力為零時，抗剪斷強度。 巖體的剪切強度主要受結構面、應力狀態、巖性及風化程度等因素控制。在高應力條件下，巖體的剪切強度接近于巖塊強度，在低應力條件下，巖體的剪切強度主要受結構面控制。 圖6-12 巖體抗剪強度包絡線變化范圍1、結構面強度包絡線 2、巖塊強度包絡線； 3、裂隙巖體強度包絡線 (三)節理化巖體強度的估算 1利用單結構面理論估算巖體強度（耶格1960） 1+3=2（cj+3tanj）/(1-tanjcjtan)sin22利用霍克布朗經驗強度方程估算巖體強度霍克和布朗1980

18、年根據巖體性態方面的理論和實踐經驗，提出了巖塊和巖體破壞時的判據為 巖體的工程分類是通過巖體一些簡單和易實測的指標，把工程地質條件與巖體力學性質聯系起來進行歸類。 一、一、RQD分類分類（按巖石質量分類） 迪爾(DeeM、1964)根據金剛石鉆進的巖芯采取率，提出用RQD值來評價巖體質量的優劣。RQD值的定義是；大于10cm的巖芯累計長度與鉆孔進尺長度之比的百分率。據RQD值將巖體分為5類(表6-9)。 RQD分類由于沒有考慮巖體中結構面發育特征的影響，也沒有考慮巖塊性質的影響及這些因素的綜合效應。因此僅運用這一分類，往往不能全面反映巖體的質量。 由比尼衛斯基(976)提出，分類系統由巖塊強度

19、、RQD值、節理間距、行理條件及地下水5類參數組成。分類時根據實際的各類參數情況按表610A所列的標準，分別給予評分。然后將各個評分值相加得巖體質量總分，并按表610B依節理方位對巖體穩定是否有利作適當的修正。最后用修正后的巖體質量總分，對照表610C查得巖體的類別及相應的不支護地下開控的自穩時間和巖體強度指標值。分類指標分類指標：Q值值 RQD為巖石質量指標； Jn為節理組數； Jr為節理粗糙系數； Ja為節理蝕變系數； Jw為節理水折減系數； SRF為應力折減系數。 JW/SRF 表示水與其它應力存在時對巖體質量的影響 RQD/ Jn 為巖體的完整性； 分類方法：確定各參數的數值，求得Q值，以Q值為依據將巖體分為9類。見表6-11 在風化作用下，地表巖體的工程地質特征將發生如下幾方面的變化： (1)巖體完整性進一步遭到到破壞：巖體完整性進一步遭到到破壞： 風化不僅使巖體原有裂隙擴大還產生了新的風化裂隙、使巖體逐漸破碎，分裂成碎塊、碎片進而分解成砂粒、粉粒甚至粘粒。這種變化削弱丁巖石原有的結晶連結以至完全喪失連結力。致使完整堅硬的巖體往往變成為強度低、細分散狀態的松軟土。 、 (2)巖石的礦物成分和化學成分發生