第3章巖體的力學性質本章內容概述巖體結構基本類型巖體結構面結構面的力學性質巖體的變形特征巖體的強度特征巖體的水力學性質巖體質量評價及其分類本章重點難點：

1、巖體結構；

2、結構面的力學特征

3、巖體的強度特征

4、巖體的破壞機理

5、巖體分類。關鍵術語：巖體結構，巖體強度，準巖體強度；巖體變形，巖石RQD質量指標；完整性系數；巖石堅固性系數要求：

1、掌握本課程重點難點內容；

2、了解幾種有代表性的巖體分類方法；

3、了解我國工程巖體分級標準（GB50218－94）§3.1概述結構面：是指巖體中存在著的各種不同成因和不同特性的地質界面，包括物質的分界面、不連續面如節理、片理、斷層、不整合面等。堅硬結構面（干凈的）軟弱結構面（夾泥的夾層的）結構體：由結構面在巖體中切割而成的幾何體稱為結構體（巖石）。塊狀結構體（三維相差不大）板狀結構體（板狀）巖體：結構面和結構體的地質統一體。巖體的力學性質：巖體抵抗外力作用的的能力巖體力學性質的影響因素：

結構體的力學性質：結構體本身強度

結構面的力學性質：粗糙起伏、尺寸效應、各向異性、開閉

巖體結構的力學效應：結構面空間分布、組合

環境影響：水：主要是巖石的水理性質和水壓力作用溫度：地下溫度與深度的關系地應力：三維應力狀態影響承載能力地應力影響巖體變形與破壞機制應力傳播不連續的巖體變成連續巖體的力學性質要研究的具體對象§3.2巖體結構基本類型3.2.1巖體結構分類依據第一依據結構面類型，它規定了結構級序軟弱結構面：Ⅰ級結構堅硬結構面：Ⅱ級結構第二依據結構面切割程度及結構體類型，它規定了巖體結構的基本類型

Ⅰ級結構：塊狀結構體塊裂結構板狀結構體板裂結構

Ⅱ級結構：結構面貫通切割碎裂結構結構面斷續切割斷續結構無顯結構面切割完整結構過渡型巖體結構：軟硬面混雜、無序排列散體結構亞類劃分依據：依據巖體的原生結構如碎裂結構可分為：塊狀碎裂結構、層狀碎裂結構3.2.2巖體結構分類方案Ⅰ級結構：切割形成的結構面大多與區域構造有關或與不連續層面有關貫通切割不是一個完整體無約束將自然分離Ⅱ級結構：由次級結構面切割而成完整結構（無顯結構面切割）斷續結構（斷續結構面切割）碎裂結構（堅硬貫通結構面切割）過渡型結構：

散體結構（軟硬結構面混雜切割）多為斷層破碎帶和強風化帶中關于斷層破碎帶關于強風化帶（四川石棉礦大坪分礦山例）兩種特點：結構面排列無序結構面軟硬混雜參見Tab3-1，Page783.2.3各類巖體結構的地質特征1、完整結構巖體碎裂結構后天愈合而成愈合形式有兩種：壓力愈合，膠結愈合壓力愈合，使具有粘性散體粘接在一起膠結愈合，含硅、鈣、鐵質成分侵入“粘的不如原生的牢”2、塊裂結構巖體一組或數組軟硬結構面切割而成（多為錯動過）參與切割的結構面一般延展較長形成形狀各異的塊體3、板裂結構巖體

主要是層狀巖體受褶皺作用產生層間錯動所致4、碎裂結構巖體多組結構面結構面貫通結構體尺寸大（常以米計）5、斷續結構巖體不連續結構面切割所致不形成結構體受力后結構面端部應力集中而破壞6、散體結構碎屑狀散體結構：結構面軟硬混雜、無序切割，結構體呈礫狀，大小不一（塊度較碎裂結構小）。分構造型和風化型糜棱化散體結構：斷層內磨蝕，或風化所致

結構體的形狀1、板狀結構體：2、柱狀結構體：3、錐形結構體：

結構體的形狀與巖石類型有關；與區域構造運動強度有關；與工程圍巖的破壞方式有關。3.2.4巖體結構對于工程的相對性

之所以要研究巖體結構，是因為人類要在巖體內部或上方作工程工程尺寸不同，巖體結構對其穩定性影響也不同同一巖體，在其內部開挖隧道或鉆孔，穩定性不同3.3結構面及其充填特征

結構面具有一定方向、延展較大、厚度較小、變化復雜、二維地質界面使巖體構造上不連續、非均質3.3.1結構面的類型及其特征1、原生結構面⑴沉積結構面：沉積巖成巖石過程中形成的地質界面常見形式：層面、層理、沉積間斷面（不整合、假整合）、原生軟弱面等。沉積結構面產狀與巖層相同沉積面特征決定于沉積環境海相：延展范圍廣、分布穩定陸相：易尖滅、透鏡或扁豆體沉積結構面的特征：常見泥裂、波痕、交錯層理、縫合線、古生物遺跡、古風化殘積物、軟弱夾層等⑵火成結構面：巖漿侵入、冷凝、噴溢所形成的結構面常見形式：流層、流線、火山巖流接觸面、各種蝕變面擠壓破碎帶、原生節理等接觸帶延展強原生節理延展不強，粗糙起伏，平行或垂直接觸面，有時充填充填節理、擠壓破碎帶、蝕變帶較弱⑶變質結構面：巖體變質過程中所形成的結構面常見形式：片理、片麻理、板理、軟弱夾層等結構面產狀：與巖層一致延展性差，分布密集，除板理外，其余都較粗糙抗剪強度低，含水后更差2、構造結構面構造結構面是地殼構造運動作用產生的結構面常見形式：劈理、節理、斷層、層間錯動等大小不一、寬窄不一、起伏粗糙不一、充填不一3、次生結構面次生結構面？地表附近外部影響引起產生的結構面風化所致地下水所致卸載所致沖擊震動所致（如爆破、天外隕石）結構面類型及特征：參見Tab2-2,Page843.3.2結構面的分級

Ⅰ級結構面：區域構造控制面，如斷層，延展范圍大，公里級

Ⅱ級結構面：一般構造斷裂延展性強而寬度有限，米到公里級

Ⅲ級結構面：延展性差的小型構造斷裂，米到百米級

Ⅳ級結構面：延展性較差的成組分布的節理，米級

Ⅴ級結構面：延展性極差的隨機性小節理，米級及其以下前三級為實測結構面，后兩種為統計結構面結構面分級及其特征：參見Tab2-3，Page873.3.3結構面狀態

⑴

結構面的分類：按照貫通與否，可分作三類非貫通結構面半貫通結構面貫通結構面⑵結構面的分布結構面對巖體強度影響，與結構面性態、結構面的分布相關結構面的產狀結構面的形態結構面的延展度結構面的密集度巖體裂隙度K

節理平均間距d

巖體中有多組節理時

巖體的切割度Xe

巖體的切割度是指巖體被切割分離的程度切割度：等于某節理的巖體中的面積除以該方向巖體截面積當一貫截面方向多個節理時某個節理組產生的切割度⑶結構面的充填物充填物的C、Φ值較兩壁小得多當充填物含水時，降低更明顯§3.4結構面的力學性質1、結構面的法向變形Goodman理論：法向變形與壓力關系

剛度系數Bandis理論：

法向變形與壓力關系

剛度系數（理論）剛度系數（經驗）初始剛度系數與最大閉合量2、剪切變形⑴結構面粗糙無充填時結構面剪切變形過程：分光滑結構面與粗糙起伏結構面剪切過程（在正壓力作用下）：初始表現彈性不同起伏粗糙度剪切變形曲線不同剪切剛度

Goodman經驗公式

粗糙起伏節理面的剪切騎越σnτ⑵結構面含有充填物時張性結構面常常含有充填物。當充填物較兩壁軟弱時，對結構面剪切試驗①充填物厚度大于結構面起伏度時②充填物厚度小于結構面起伏度時討論：剪切應力與位移關系變化δτ3、抗剪強度①平直結構面問題張性結構面未貫通或膠結結構面στστ②粗糙結構面

剪脹的概念

剪脹角的概念

剪脹角的幾何含義δtδnJRC的確定結構面分形曲線的測定目測確定計算確定

Φp--峰值剪切角，可用傾斜滑移傾角確定，亦可用下式計算

結構面峰值剪切強度的尺寸效應（隨著尺寸增大而減小）隨著尺寸增大：峰值強度時位移增大剪切破壞由脆性向延性變化峰值剪脹減小隨著粗糙度減小，尺寸效應減小結構面接觸的尺寸效應結構面面積大，接觸面積大，接觸點少結構面面積小，接觸面積小，接觸點多結構面抗剪強度與結構面形成歷史關系新鮮結構面抗剪強度大古老結構面抗剪強度小結構面抗剪強度與剪切試驗次數的關系初次剪切，抗剪強度高隨著剪切次數的增加，抗剪強度逐漸降低剪切次數充分多，結構面磨平，無剪切峰值，摩擦問題討論：結構面抗剪強度受充填層的影響充填層厚度大于起伏度充填層厚度小于起伏度充填物含水的情形

巖體中含有結構面，巖體的受理變形受結構面力學特性、分布情況和產狀直接影響1、巖體的單軸和三軸壓縮變形

巖體單軸壓縮變形特性

試驗方法：巖柱試驗（常用來測強度）表面承壓板法§3.5巖體的變形特性采用何種加荷方式，可根據巖體結構和工程要求而定。

完整巖體：可采用大循環加荷方式，以確定巖體在不同荷載下的變形特性；

多裂隙巖體：可采用多循環或單循環加荷方式，以了解各種結構面對巖體變形的影響。加荷方式（1）直線型：堅硬、完整無裂隙巖體直線型下凹型上凹型S型（2）下凹型：節理裂隙發育，泥質充填，巖性軟弱（3）上凹型：堅硬但裂隙發育，多呈張開而無充填物

單調加載時壓密階段明顯

逐級循環加載時形成回滯環—不斷后移，且有一定彈性滯后峰值后應力下降緩慢，且有殘余應力巖柱試驗測得變形模量εσ

當存在彈性后效（滯彈性）三軸壓縮變形特征類似單軸壓縮試驗，底板保留水平約束，垂直方向單軸施加壓力進行壓縮實驗

另施圍壓試驗應力應變曲線與單軸類似εσ

上述承壓板法測得彈性模量或變形模量偏低巖體動彈性模量Ed的測定：采用小量藥包爆炸激發地震波，在距震源一定距離設置檢波器，檢測彈性波。根據彈性波波速算出動彈性模量Ed和動泊松比μd。式中：vp,,vs

分別為縱波波速和橫波波速，ρ為巖體密度。一般而言：Ed>Ee,μd>μ。2、巖體剪切變形特征剪應變與剪應力關系曲線屈服前與壓應力應變曲線相近屈服以后應力反復升降峰值后陡降，然后殘余抗剪強度3、巖體各向異性特征

主要有兩個因素決定了巖體的非各向同性其一是組成巖石結構體物質結構的方向性其二是結構面的方向性結構面的方向性的影響：分離度χ=1/3和χ=2/3兩組結構面§3.6巖體的強度特性巖體的強度的概念巖體的抗壓強度與抗剪強度巖體強度的影響因素，結構面力學性能與方位較突出1、巖體強度的測定⑴巖體單軸抗壓強度的測定⑵

巖體抗剪強度的測定雙千斤頂法

單千斤頂法⑶

巖體三軸壓縮強度試驗試驗方法試驗數據處理：不同圍壓不同軸向壓力強度2、單結構面的強度效應巖體中有單一結構面如圖在加載試驗中，結構面上應力將前兩式代入結構面強度曲線方程F

將前兩式代入結構面強度曲線方程得結構面剪切破壞條件或用摩擦系數表示之上式左邊大于右邊，巖石將沿著結構面破壞，等式成立則極限平衡

巖體沿著結構面破壞條件討論上式中β為π/2和Φw，使等式成立需σ1→∞所以說不會沿著結構面破壞研究σ1的最小值，將其對β求導并令之等于0

則有σ1min若不沿著該結構面破壞

沿著結構面破壞的β取之范圍通過幾何關系可以確定

巖體三軸抗壓強度對于結構面對于無結構面的巖石當巖體強度就是結構面的強度當巖體的強度就是巖石結構體的強度當σ3=0，巖體單軸應力狀態下結構面影響問題

3、多結構面巖體的強度4、巖體強度的估算⑴準巖體強度關于彈性波的概念聲波或超聲波在巖石或巖體中的傳播速度巖體完整性系數

準巖體強度⑵Hoek-Brown經驗方程§3.7巖體質量評價及分類

巖體分類的意義：人類生產生活活動與巖體的關系（地下工程、低級工程、邊坡工程等）巖體的特殊性：特殊地質體（成巖年代、礦物組成、結晶類型、風化程度、原巖應力、構造行跡、結構面….）1、按巖芯質量指標分類

蒂爾（Deer,1968)提出根據鉆探時巖芯完好程度來判斷巖體的質量，對巖體分類。式中：li—所取巖芯中≥10cm長度的巖芯段的長度；

L—鉆進巖芯的總程度，m。RQD（％）0～2525~5050~7575~9090～100等級ⅠⅡⅢⅣⅤ分類很差差較好良好很好2、按巖體結構類型分類中國科學院地質研究所，將巖體按照結構類型分成四類，每一類又分成2~3個亞類3、按巖體質量分級我國工程巖體分級標準（GB50218-94)⑴、工程巖體分級的基本方法①確定巖體基本質量

《標準》認為巖石的堅硬程度和巖體完整程度決定巖體的基本質量。巖體基本質量好，則穩定性好；反之，穩定性差。A、采用飽和巖石單軸抗壓強度σC劃分巖石堅硬程度σ

C

(Mpa)>6060~3030~1515~5

<5堅硬程度堅硬較堅硬較軟巖軟巖極軟巖σC與點荷載強度指數的關系：是指直徑50mm圓柱試件徑向加壓時的點荷載強度。B、采用完整性系數Kv劃分巖體完整程度Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整較完整較破碎破碎極破碎Jv<33~1010~2020~35>35Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15巖體體積節理數Jv(條/m3)：式中：Sn——第n組節理每米長測線上節理的條數；

Sk——每立方米巖體非成組節理條數。Jv與Kv的對照關系：②巖體基本質量分級A、巖體基本質量指標（BQ)的計算注意：當σC>90Kv+30時，應以σC=90Kv+30代入上式計算Q值；當Kv>0.04σC+0.4時，應以Kv=0.04σC+0.4代入上式計算Q值；式中：BQ——巖體基本質量指標；

σC——巖石飽和單軸抗壓強度(Mpa);Kv——巖體完整性系數。B、按BQ值進行巖體基本質量分級基本質量級別巖體基本質量定性特征巖體基本質量指標(BQ)Ⅰ堅硬巖，巖體完整；>550Ⅱ堅硬巖，巖體較完整；較堅硬巖，巖體完整；550～451Ⅲ堅硬巖，巖體較破碎；較堅硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整；較軟巖，巖體完整；450～351Ⅳ堅硬巖，巖體破碎；較堅硬巖，巖體較破碎～破碎；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整～較破碎；軟巖，巖體完整～較完整；350～251Ⅴ較軟巖，巖體破碎；軟巖，巖體較破碎～破碎；全部極軟巖及全部極破碎巖；<250③基本質量指標BQ值的修正

結合工程具體情況，對BQ進行修正，修正值[BQ]按下式計算：式中：K1——地下水影響修正系數；K2——主要軟弱結構面產狀影響修正系數；

K3——初始應力狀態修正系數。A地下水影響修正系數K1地下水出水狀態

BQ>450450~351350~251<250潮濕或點滴出水

0

0.10.2～0.30.4～0.6淋雨狀或涌流狀出水，水壓≤0.1MPa，或單位出水量≤10L/(min.m)

0.10.2～0.30.4～0.60.7～0.9淋雨狀或涌流狀出水，水壓＞0.1MPa或單位出水量＞

10L/(min.m)

0.20.4～0.60.7～0.9

1.0B主要軟弱結構面產狀影響修正系數K2結構面產狀及其與洞軸線的組合關系結構面走向與洞軸線的夾角<300結構面傾角300～750結構面走向與洞軸線的夾角>600結構面傾角>750其它組合K20.4~0.60~0.20.2~0.4C初始應力狀態修正系數K3初始應力狀態BQ>550550～451450~351350~251<250極高應力區1.01.01.0~1.51.0~1.51.0高應力區0.50.50.50.5~1.00.5~1.0⑵、工程巖體分類標準的應用①巖體物理參數的選用工程巖體的級別一旦確定，可按表選用巖體的物理參數和結構面的抗剪強度參數。②地下工程巖體自穩能力的確定自穩能力：工程跨度、自穩時間、落塊、塌方巖體級別與巖體物理力學參數基本質量級別重力密度γ(kN/m3)內摩擦角Φ(0)粘結力C(Mpa)變形模量E(Gpa)泊松比μⅠ>26.5>60>2.1>33<0.2Ⅱ60~502.1~1.533~200.2~0.25Ⅲ26.5~24.550~391.5~0.720~60.25~0.3Ⅳ24.5~22.539~270.7~0.26~1.30.3~0.35Ⅴ<22.5<27<0.2<1.3>0.35巖體級別與巖體結構面抗剪強度參數基本質量級別兩側巖體的堅硬程度及結構面的結合程度內摩擦角Φ(0)粘結力C(Mpa)Ⅰ堅硬、結合好>37>0.22Ⅱ堅硬－較堅硬、結合一般；軟弱巖，結合好37~290.22~0.12Ⅲ堅硬－較堅硬、結合差；較軟弱巖，結合一般29~190.12~0.08Ⅳ較堅硬－較軟巖、結合差—很差；軟弱巖、結合差；軟質巖的泥化面19~130.08~0.05Ⅴ較堅硬及全部軟質巖、結合很差；軟質巖泥化層本身<13<0.05巖體級別與地下工程巖體自穩能力基本質量級別自穩能力Ⅰ跨度<20m，可長期穩定，偶有掉塊，無塌方Ⅱ跨度10~20m，可基本穩定，局部發生掉塊或小塌方跨度<10m，可長期穩定，偶有掉塊Ⅲ跨度10~20m，可穩定數日至1個月，可發生小至中塌方跨度5~10m，可穩定數月，可發生局部塊體位移及小至中塌方跨度<5m，可基本穩定Ⅳ跨度>5m，一般無自穩能力，數日至數月內可發生松動變形、小塌方，可發展為中至大塌方。跨度<5m，可穩定數日至1個月Ⅴ無自穩能力注：小塌方：塌方高度<3m，或塌方體積<30m3中塌方：塌方高度3～6m，或塌方體積30～100m3大塌方：塌方高度>6m，或塌方體積>100m34、巖體地質力學分級（CSIR分類）南非科學與工業研究委員會（一說是賓尼奧夫斯基）提出CSIR分類指標值RMR，然后進行修正RMR(RockMassRating)由下列6種指標組成：

（1）巖塊強度(R1)

（2）RQD值(R2)（3）節理間距(R3)（4）節理條件(R4)（5）地下水(R5)

（6）節理方向對工程的影響的修正參數（R6）

即：（1）對應巖石強度的巖體評分值R1

點荷載指標（Mpa）

巖石單軸抗壓強度Rc(Mpa)評分值>10>250154~8100~250122~450~10071~225~504不采用5~252不采用1~51不采用<10（2）對應于巖芯質量指標的巖體評分值R2RQD（％）91～10076~9051~7526~50

<25評分值20171383（3）對應于最有影響的節理組間距的巖體評分值R3節理間距（m）>31~30.3~10.05~0.3<0.05評分值302520105（4）對應于節理狀態的巖體評分值R4

說明評分值尺寸有限的粗糙的表面、硬巖壁25略粗糙的表面、張開度<1mm，硬巖壁20略粗糙的表面、張開度<1mm，軟巖壁12光滑表面；由斷層泥充填厚度為1～5mm；張開度1～5mm，節理延伸超過數米6由厚度>5mm的斷層泥充填的張開節理;張開度>5mm的節理，延伸超過數米0（5）取決于地下水狀態的巖體評分值R5每米隧道的涌水量（L/min）節理水壓力與最大主應力的比值總的狀態評分值無0完全干燥15<10<0.1潮濕1010～250.1～0.2濕725～1250.2～0.5有中等壓力水，滴水4>125>0.5有嚴重地下水問題，流水0（6）節理方位對RMR的修正值R6方位對工程的影響評價隧道地基邊坡很有利000有利－2－2－5一般－5－7－25不利－10－15－50很不利－12－25節理走向與傾角對隧道掘進的影響節理走向垂直于隧道軸線節理走向平行于隧道軸線傾角00～200順傾向掘進逆傾向掘進傾角450～900200～450450～900200～450450～900200～450不考慮走向很有利有利一般不利很不利一般一般根據總分確定巖體分級

類別

巖體描述巖體評分值RMR

Ⅰ很好81~100

Ⅱ好61~80

Ⅲ較好41~60Ⅳ較差21~40Ⅴ很差0~20巖體分級的意義考慮不支護隧道的自穩時間分類號ⅠⅡⅢⅣⅤ平均自穩時間15m跨，20年10m跨，1年5m跨，1星期2.5m