工程地質(zhì)第6章

1、第六章第六章 巖石及巖體的工程性質(zhì)巖石及巖體的工程性質(zhì) 巖石的工程性質(zhì)巖石的工程性質(zhì) 巖體的工程性質(zhì)巖體的工程性質(zhì) 巖體的工程分類巖體的工程分類 巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)了解了解： 巖體穩(wěn)定性的影響因素。重點(diǎn)重點(diǎn):：巖石的工程性質(zhì);結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)體、巖體結(jié)構(gòu)、巖體的概念；結(jié)構(gòu)面及巖體的力學(xué)性質(zhì)；巖體的工程分類。一、巖石的物理性質(zhì) 重量重量 比重比重wssVWG 重量重量固體物質(zhì)固體物質(zhì)水水氣氣Ws、VsWw、VwW、VVnVW* * 干容重、天然容重及飽和容重 * * 空隙性空隙性VVnn堅(jiān)硬巖石 0.24.5%半堅(jiān)硬巖石 5.020.0%松散沉積物 25.947.6% 二、巖石的水理性質(zhì)

2、吸水性吸水性透水性透水性 吸水率吸水率%10022swWWw 飽和吸水率飽和吸水率%10011swWWw21wwKs 飽和系數(shù)飽和系數(shù)* 反映巖石大開型空隙與反映巖石大開型空隙與*小開型空隙之相對(duì)數(shù)量小開型空隙之相對(duì)數(shù)量 * 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 軟化性軟化性抗凍性抗凍性 軟化系數(shù)軟化系數(shù) 重量損失率重量損失率dwdRRK %100212RRRRl 強(qiáng)度損失率強(qiáng)度損失率*強(qiáng)度損失率小于強(qiáng)度損失率小于25%或重量損失率小于或重量損失率小于2%的巖石抗凍性強(qiáng)的巖石抗凍性強(qiáng) *巖石飽水狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度巖石干燥狀態(tài)的抗壓強(qiáng)度%100212WWWWl* 軟化系數(shù)0.75 的巖石抗水、抗風(fēng)化、抗凍性強(qiáng) *可溶性

3、可溶性 膨脹性膨脹性 三、巖石的力學(xué)性質(zhì) 變形特性變形特性 變形模量變形模量（E0） 彈性模量彈性模量（E） 泊松比（泊松比（）E0 = / = h / h h= 橫橫 / 軸軸 d d(MPa)0ABChd橫橫= d / d 軸軸= h / h：巖石抵抗外荷不被破壞的能力。強(qiáng)度特性強(qiáng)度特性 單軸抗壓強(qiáng)度單軸抗壓強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度APRcAPtAPAPCtgs 抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度AP 抗切強(qiáng)度抗切強(qiáng)度Cs 抗摩擦強(qiáng)度抗摩擦強(qiáng)度tgs 點(diǎn)荷載強(qiáng)度點(diǎn)荷載強(qiáng)度2DPIsDPP四、巖石的工程分類四、巖石的工程分類 硬質(zhì)巖硬質(zhì)巖巖石極硬巖極硬巖 Rc60硬巖硬巖 6030軟質(zhì)巖軟質(zhì)巖較軟巖較軟巖 30

4、15軟巖軟巖 155極軟巖極軟巖 Rc5區(qū)別區(qū)別 ： 巖石：礦物的集合體，無顯著軟弱結(jié)構(gòu)面巖石：礦物的集合體，無顯著軟弱結(jié)構(gòu)面巖體：巖石的地質(zhì)綜合體，被各種地質(zhì)界面分割成巖體：巖石的地質(zhì)綜合體，被各種地質(zhì)界面分割成大小不等、形狀各異的許多塊體。其工程性質(zhì)嚴(yán)格受大小不等、形狀各異的許多塊體。其工程性質(zhì)嚴(yán)格受其結(jié)構(gòu)面的控制。其結(jié)構(gòu)面的控制。巖體特征巖體特征 ：巖石、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及巖體天然應(yīng)力狀態(tài)對(duì)巖體穩(wěn)巖石、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及巖體天然應(yīng)力狀態(tài)對(duì)巖體穩(wěn)定影響較大。定影響較大。結(jié)構(gòu)面是巖體穩(wěn)定性的控制因素，它導(dǎo)致巖體力學(xué)性能結(jié)構(gòu)面是巖體穩(wěn)定性的控制因素，它導(dǎo)致巖體力學(xué)性能的不連續(xù)性、不均一性和各向

5、異性。的不連續(xù)性、不均一性和各向異性。巖體的變形與破壞主要受各種結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其組合形巖體的變形與破壞主要受各種結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其組合形式的控制。式的控制。 巖體中存在復(fù)雜的天然應(yīng)力場。巖體中存在復(fù)雜的天然應(yīng)力場。 一、巖體結(jié)構(gòu)一、巖體結(jié)構(gòu) 巖體的結(jié)構(gòu)特征巖體的結(jié)構(gòu)特征 巖體中結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)體巖體中結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)體的形狀、規(guī)模、性質(zhì)及其組合關(guān)系的特征。的形狀、規(guī)模、性質(zhì)及其組合關(guān)系的特征。 結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面 巖體中的物質(zhì)分異面、破裂面及軟巖體中的物質(zhì)分異面、破裂面及軟弱夾層等弱夾層等力學(xué)不連續(xù)面力學(xué)不連續(xù)面。結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體 巖體被結(jié)構(gòu)面切割成的不同形狀和大巖體被結(jié)構(gòu)面切割成的不同形狀和大小的巖塊。小的巖塊

6、。1、結(jié)構(gòu)面的成因類型、結(jié)構(gòu)面的成因類型 原生結(jié)構(gòu)面原生結(jié)構(gòu)面 構(gòu)造結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面 次生結(jié)構(gòu)面次生結(jié)構(gòu)面 沉積結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面片理片理 火成結(jié)構(gòu)面火成結(jié)構(gòu)面 變質(zhì)結(jié)構(gòu)面變質(zhì)結(jié)構(gòu)面層理面層理面沉積間斷面沉積間斷面 軟弱夾層軟弱夾層原生節(jié)理原生節(jié)理多期巖漿巖之間的接觸面多期巖漿巖之間的接觸面侵入體與圍巖的接觸面侵入體與圍巖的接觸面流紋和流層面流紋和流層面劈理、節(jié)理劈理、節(jié)理斷層斷層層間錯(cuò)動(dòng)帶層間錯(cuò)動(dòng)帶 風(fēng)化裂隙風(fēng)化裂隙卸荷裂隙卸荷裂隙次生充填?yuàn)A泥次生充填?yuàn)A泥2、結(jié)構(gòu)面的特征、結(jié)構(gòu)面的特征 結(jié)構(gòu)面的規(guī)模結(jié)構(gòu)面的規(guī)模 一級(jí)結(jié)構(gòu)面一級(jí)結(jié)構(gòu)面小斷層、大型節(jié)理、風(fēng)化夾層和卸荷裂隙小斷層、大型節(jié)理、風(fēng)化夾層

7、和卸荷裂隙 二級(jí)結(jié)構(gòu)面二級(jí)結(jié)構(gòu)面區(qū)域性斷裂破碎帶區(qū)域性斷裂破碎帶 三級(jí)結(jié)構(gòu)面三級(jí)結(jié)構(gòu)面斷層斷層 層間錯(cuò)動(dòng)帶層間錯(cuò)動(dòng)帶 沉積間斷面沉積間斷面軟弱夾層軟弱夾層 大型接觸破碎帶大型接觸破碎帶微小裂隙微小裂隙節(jié)理、片理、劈理節(jié)理、片理、劈理 四級(jí)結(jié)構(gòu)面四級(jí)結(jié)構(gòu)面 五級(jí)結(jié)構(gòu)面五級(jí)結(jié)構(gòu)面*工程所在區(qū)域的穩(wěn)定性工程所在區(qū)域的穩(wěn)定性 *控制山體及工程巖體的破壞方式及滑動(dòng)邊界控制山體及工程巖體的破壞方式及滑動(dòng)邊界 *工程巖體穩(wěn)定的控制性因素及邊界條件工程巖體穩(wěn)定的控制性因素及邊界條件 *小范圍內(nèi)將巖體切割成塊狀小范圍內(nèi)將巖體切割成塊狀 *影響巖塊的力學(xué)性質(zhì)影響巖塊的力學(xué)性質(zhì) * 結(jié)構(gòu)面的形態(tài)結(jié)構(gòu)面的形態(tài) 平直平

8、直 波狀波狀 不規(guī)則不規(guī)則 鋸齒狀鋸齒狀ii：起伏角：起伏角 h：起伏高度：起伏高度h 起伏度起伏度 粗糙度粗糙度 結(jié)構(gòu)面的密集程度結(jié)構(gòu)面的密集程度 線密集度線密集度K：單位長度上的結(jié)單位長度上的結(jié)構(gòu)面條數(shù)構(gòu)面條數(shù) 結(jié)構(gòu)面間距結(jié)構(gòu)面間距d：同一組結(jié)構(gòu)面的平均間距：同一組結(jié)構(gòu)面的平均間距K=n/LM1Ln=3M2n=2d=MK=1/M1+ 1/M2 結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性（貫通性、延展性）結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性（貫通性、延展性）非貫通非貫通半貫通半貫通貫通貫通 線連續(xù)性系數(shù)線連續(xù)性系數(shù)：某一結(jié)構(gòu)面的延長線上某一結(jié)構(gòu)面的延長線上，結(jié)構(gòu)面各段長度之和與整個(gè)線段長度之比，結(jié)構(gòu)面各段長度之和與整個(gè)線段長度之比 面連續(xù)性

9、系數(shù)面連續(xù)性系數(shù)：巖體內(nèi)包含結(jié)構(gòu)面的斷面巖體內(nèi)包含結(jié)構(gòu)面的斷面上，結(jié)構(gòu)面面積之和與整個(gè)斷面面積之比上，結(jié)構(gòu)面面積之和與整個(gè)斷面面積之比KL = a / ( a + b )KA = ( A1+ A2+ A3+ An) / Aa1a2a3a4a5b1b2b3b4A1A2A3A4 結(jié)構(gòu)面的張開度及充填情況結(jié)構(gòu)面的張開度及充填情況 密閉密閉 5.0mm*取決于巖石成分及結(jié)構(gòu)面的粗糙程度取決于巖石成分及結(jié)構(gòu)面的粗糙程度 *取決于充填物情況及膠結(jié)情況取決于充填物情況及膠結(jié)情況 *3、軟弱夾層、軟弱夾層 軟弱夾層軟弱夾層 在堅(jiān)硬巖層中夾有的力學(xué)強(qiáng)度低、泥在堅(jiān)硬巖層中夾有的力學(xué)強(qiáng)度低、泥質(zhì)或炭質(zhì)含量高、遇水易

10、軟化、延伸較長和厚度較質(zhì)或炭質(zhì)含量高、遇水易軟化、延伸較長和厚度較薄的軟弱巖層。薄的軟弱巖層。 成因成因原生型原生型構(gòu)造型構(gòu)造型次生型次生型 分類分類泥化夾層的形成泥化夾層的形成泥化泥化 粘土巖類巖石經(jīng)一系列地質(zhì)作用變成塑泥的過程。粘土巖類巖石經(jīng)一系列地質(zhì)作用變成塑泥的過程。標(biāo)志：標(biāo)志：其天然含水量等于或大于塑限。其天然含水量等于或大于塑限。特點(diǎn)：特點(diǎn)：濕度高、密度小、強(qiáng)度低、變形大。濕度高、密度小、強(qiáng)度低、變形大。v 物質(zhì)基礎(chǔ)：物質(zhì)基礎(chǔ)：粘土礦物含量較高的原生軟弱夾層，粘土礦物含量較高的原生軟弱夾層，如粘土巖、粘土質(zhì)頁巖、粘土質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)板巖、如粘土巖、粘土質(zhì)頁巖、粘土質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)板巖、

11、泥灰?guī)r、千枚巖等夾層。泥灰?guī)r、千枚巖等夾層。v 構(gòu)造作用構(gòu)造作用v 地下水的作用地下水的作用：結(jié)合水膜減弱顆粒間連接力，巖結(jié)合水膜減弱顆粒間連接力，巖石處于塑態(tài)甚至接近流態(tài)；溶解鹽類、水化和水解石處于塑態(tài)甚至接近流態(tài)；溶解鹽類、水化和水解作用。作用。v 成分成分：粘粒含量明顯增多。：粘粒含量明顯增多。v 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：由固結(jié)或超固結(jié)變成泥質(zhì)分散結(jié)構(gòu)。：由固結(jié)或超固結(jié)變成泥質(zhì)分散結(jié)構(gòu)。v 物理狀態(tài)物理狀態(tài)：天然含水量高，接近或超過塑限。：天然含水量高，接近或超過塑限。v 力學(xué)強(qiáng)度力學(xué)強(qiáng)度：軟弱，：軟弱，0.2。 泥化夾層的特征泥化夾層的特征4、結(jié)構(gòu)體、結(jié)構(gòu)體 形狀形狀（取決于結(jié)構(gòu)面的組數(shù)及產(chǎn)狀 ）

12、大小大小（取決于結(jié)構(gòu)面組數(shù)及各組間距 ）12 結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體的形狀大的形狀大小相同，小相同，產(chǎn)狀不同產(chǎn)狀不同 12 結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體產(chǎn)狀相同產(chǎn)狀相同 ，位置不同位置不同1 25、巖體結(jié)構(gòu)類型、巖體結(jié)構(gòu)類型 整體結(jié)構(gòu)巖體整體結(jié)構(gòu)巖體（近似各向同性連續(xù)介質(zhì) ） 層狀結(jié)構(gòu)巖體層狀結(jié)構(gòu)巖體（順層滑動(dòng)、層間張裂及巖層彎曲折斷 ） 塊狀結(jié)構(gòu)巖體塊狀結(jié)構(gòu)巖體（沿軟弱夾層滑動(dòng) ） 碎裂結(jié)構(gòu)巖體碎裂結(jié)構(gòu)巖體（沿結(jié)構(gòu)面的滑移和張裂、結(jié)構(gòu)體的剪切、張裂及塑性流動(dòng) ） 散體結(jié)構(gòu)巖體散體結(jié)構(gòu)巖體（大型斷裂破碎帶，大型巖漿巖侵入接觸破碎帶及強(qiáng)烈風(fēng)化帶 ）二、結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)二、結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì) 結(jié)構(gòu)面的變形特性結(jié)構(gòu)面的變形特性

13、 123 脆性破壞變形脆性破壞變形*多發(fā)生在多發(fā)生在堅(jiān)硬巖體的高強(qiáng)度堅(jiān)硬巖體的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)面中結(jié)構(gòu)面中 * 塑性破壞變形塑性破壞變形*多發(fā)生在多發(fā)生在半半堅(jiān)硬或較軟弱堅(jiān)硬或較軟弱巖體結(jié)構(gòu)面，或結(jié)構(gòu)面光巖體結(jié)構(gòu)面，或結(jié)構(gòu)面光滑并附著有相當(dāng)多的松散滑并附著有相當(dāng)多的松散物質(zhì)條件下物質(zhì)條件下 *1423結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度特征結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度特征u 抗拉強(qiáng)度很低，沒有充填物的結(jié)構(gòu)面可認(rèn)為沒有抗拉強(qiáng)度很低，沒有充填物的結(jié)構(gòu)面可認(rèn)為沒有抗拉強(qiáng)度。抗拉強(qiáng)度。u 主要為抗剪強(qiáng)度，取決于：主要為抗剪強(qiáng)度，取決于： 上下結(jié)構(gòu)面的表面形態(tài)，結(jié)構(gòu)面的附著物。上下結(jié)構(gòu)面的表面形態(tài)，結(jié)構(gòu)面的附著物。u 張性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度較高，扭性結(jié)

14、構(gòu)面抗剪強(qiáng)度張性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度較高，扭性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度低。低。 粗糙度粗糙度鏡面低，粗糙高。鏡面低，粗糙高。u 泥質(zhì)充填物厚度變化極大影響抗剪強(qiáng)度。泥質(zhì)充填物厚度變化極大影響抗剪強(qiáng)度。 厚度薄強(qiáng)度較高，厚度增加強(qiáng)度迅速減少，厚度達(dá)厚度薄強(qiáng)度較高，厚度增加強(qiáng)度迅速減少，厚度達(dá)到一定值后充填物起到控制作用，強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。到一定值后充填物起到控制作用，強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。v 由于存在結(jié)構(gòu)面和 軟弱夾層，顯著影響巖體工程性質(zhì)。v 使巖體有著顯著的 不均勻性和各向異性，不連續(xù)性和非線性。v 巖體強(qiáng)度顯著 低于 巖塊強(qiáng)度。三、巖體的力學(xué)性質(zhì)三、巖體的力學(xué)性質(zhì) 巖體應(yīng)力分布的不連續(xù)巖體應(yīng)力分布的不連續(xù) 性性應(yīng)力集

15、中、應(yīng)力集中軌跡的轉(zhuǎn)應(yīng)力集中、應(yīng)力集中軌跡的轉(zhuǎn)折、彎曲和應(yīng)力值不連續(xù)現(xiàn)象折、彎曲和應(yīng)力值不連續(xù)現(xiàn)象 巖體不均勻性巖體不均勻性和不連續(xù)性和不連續(xù)性傳遞應(yīng)力的性能與傳遞應(yīng)力的性能與 理想彈性均質(zhì)體有很大區(qū)別。理想彈性均質(zhì)體有很大區(qū)別。 巖體強(qiáng)度的各向異性巖體強(qiáng)度的各向異性A / 結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面 斜交結(jié)構(gòu)面斜交結(jié)構(gòu)面TPTPA 巖體的變形特征巖體的變形特征 0二者迭加二者迭加結(jié)構(gòu)體變形結(jié)構(gòu)體變形結(jié)構(gòu)面變型結(jié)構(gòu)面變型0結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面巖石巖石巖體巖體ABCD 巖體的流變特性巖體的流變特性 流變性流變性 物體在長期靜荷載作用下，應(yīng)力或物體在長期靜荷載作用下，應(yīng)力或 應(yīng)變隨時(shí)間變化的性質(zhì)。應(yīng)變隨時(shí)間

16、變化的性質(zhì)。蠕變?nèi)渥儯簯?yīng)力一定，變形隨時(shí)間的持續(xù)而增長。：應(yīng)力一定，變形隨時(shí)間的持續(xù)而增長。松弛松弛：變形一定，應(yīng)力隨時(shí)間的持續(xù)而減小。：變形一定，應(yīng)力隨時(shí)間的持續(xù)而減小。 t012 = c3初初始蠕始蠕變變加速蠕變加速蠕變平緩蠕變平緩蠕變 初始蠕變階段初始蠕變階段：變形速度逐漸減小。：變形速度逐漸減小。 平緩蠕變階段平緩蠕變階段：變形緩慢平穩(wěn)，變形速度為常量。：變形緩慢平穩(wěn)，變形速度為常量。 加速蠕變階段加速蠕變階段：變形速度加快直至巖體破壞。：變形速度加快直至巖體破壞。長期強(qiáng)度長期強(qiáng)度：出現(xiàn)蠕變破壞的最低應(yīng)力值。出現(xiàn)蠕變破壞的最低應(yīng)力值。 巖體的破壞方式和破壞機(jī)制巖體的破壞方式和破壞機(jī)制

17、脆性破裂、脆性破裂、塊體滑移塊體滑移層狀彎折層狀彎折塑性流動(dòng)塑性流動(dòng)追蹤破裂追蹤破裂剪切破壞剪切破壞剪斷破壞：剪斷破壞：層狀彎折、塑性流動(dòng)層狀彎折、塑性流動(dòng)重剪破壞：重剪破壞：脆性破裂、塊體滑移脆性破裂、塊體滑移復(fù)合剪切破壞：復(fù)合剪切破壞：追蹤破裂追蹤破裂 巖體剪切破壞類型巖體剪切破壞類型 脆性破壞型：堅(jiān)硬完整巖體脆性破壞型：堅(jiān)硬完整巖體特點(diǎn)：巖體破壞前剪位移較小，破壞后有明顯應(yīng)力降。特點(diǎn)：巖體破壞前剪位移較小，破壞后有明顯應(yīng)力降。12301： 2：屈服極限：屈服極限 3：破壞極限：破壞極限 4：殘余強(qiáng)度：殘余強(qiáng)度12340 塑性破壞型：半堅(jiān)硬或塑性破壞型：半堅(jiān)硬或 軟弱破碎巖體軟弱破碎巖體特

18、點(diǎn)：峰值破壞前剪位移較大，過峰之后剪應(yīng)力不變，巖體特點(diǎn)：峰值破壞前剪位移較大，過峰之后剪應(yīng)力不變，巖體沿剪切面滑移。沿剪切面滑移。一、單指標(biāo)分類一、單指標(biāo)分類 非非 常常 好好 RQD 90 100 好好 RQD 75 90較較 好好 RQD 50 75不不 好好 RQD 25 50非常不好非常不好 RQD 0 25巖體巖體LL1L2L3L4 巖體的巖體的RQDRQD分類分類 RQD=(L1+L2+L3+L4) / L 巖體彈性波速分類：巖體彈性波速分類： 堅(jiān)硬完整巖體中堅(jiān)硬完整巖體中 縱波速度值高，軟弱破碎巖體縱波速度值高，軟弱破碎巖體低低 Kv 90 100 Kv 75 90 Kv 50 75 Kv 25 50 Kv 25 50巖體巖體 巖體完整性系數(shù)（巖體完整性系數(shù)（K Kv v）分類）分類 Kv=(Vpm / Vpr) 2* * Vpm:巖體縱波速度巖體縱波速度 * *Vpr : :同類巖石完整巖塊縱波速度同類巖石完整巖塊縱波速度 * *二、多指標(biāo)分類二、多指標(biāo)分類 比氏分類比氏分類 * * 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、RQDRQD、節(jié)理