巖石力學第8章工程巖體分級課件

第七章工程巖體分級

重慶交通大學土木建筑學院

隧道及巖土工程系第七章工程巖體分級

重慶交通大學土木建筑學院

隧道1本章內(nèi)容：

§2-1

概述

§2-2

巖石分級

§2-3

工程巖體分級

本章內(nèi)容：§2-1概述2

1.工程巖體分級的概念和意義；

2.工程巖體分級的基本思想；

3.工程巖體分級指標的選擇原則；重點、難點:

分類；分級；普氏系數(shù)；完整性系數(shù)；巖石RQD質(zhì)量指標；BQ指標；RMR分級指標；Q指標；RMI分級法關(guān)鍵術(shù)語:1.工程巖體分級的概念和意義；重點、難點:分類3

要求：1.須掌握本章重點難點內(nèi)容；2.理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）要求：4§7-1概述

巖體分級是對影響巖體穩(wěn)定性和影響工程設(shè)計、施工和維護的各種因素建立一些評價指標，對工程轄區(qū)巖體進行評價，劃分出不同的的級別或類別。分級的目的：通過分類，概括地反映各類工程巖體的質(zhì)量好壞，預(yù)測可能出現(xiàn)的巖體力學問題。為工程設(shè)計、支護襯砌、建筑物選型和施工方法選擇等提供參數(shù)和依據(jù)。

分級的方法：通過巖體的一些簡單和容易實測的指標，把工程地質(zhì)條件和巖體力學性質(zhì)參數(shù)聯(lián)系起來，并借鑒已建工程設(shè)計、施工和處理等方面成功與失敗的經(jīng)驗教訓，對巖體進行歸類的一種工作方法。

§7-1概述巖體分級是對影響巖體穩(wěn)定性和影響工程5分級、分類認識事物的同一性和差異性的方法就是將事物進行分類和分級分類：主要突出的是同一性，是質(zhì)的定性評價，強調(diào)的是屬性特征；分級：主要突出差異性，是量的界定，強調(diào)的是等級特征；是在分類的基礎(chǔ)上進行的。工程巖體分級：對工程巖體依據(jù)一定的特征指標進行歸類分級。分級、分類6工程巖體分類的參考影響因素1.巖石的質(zhì)量。主要表現(xiàn)在巖石的強度和變形性質(zhì)方面。2.巖體的完整性。巖體完整性取決于不連續(xù)面的組數(shù)和密度?？捎媒Y(jié)構(gòu)面頻率(裂隙度）、間距、巖心采取率、巖石質(zhì)量指標RQD以及完整性系數(shù)作為定量指標進行描述。這些定量指標是表征巖體工程性質(zhì)的重要參數(shù)。3.結(jié)構(gòu)面條件。包括結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、粗糙度和充填情況。巖體的工程性質(zhì)主要取決于結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)和分布狀態(tài)以及其間的充填物性質(zhì)。工程巖體分類的參考影響因素1.巖石的質(zhì)量。主要表現(xiàn)在巖石的7工程巖體分類的參考影響因素4.巖體及結(jié)構(gòu)面的風化程度。風化程度越高，巖體越破碎，強度越低。5.地下水的影響。滲流，軟化，膨脹，崩解，靜、動水壓力等。6.地應(yīng)力。地應(yīng)力難于測定，它對工程的影響程度也難于確定，因此，其影響一般在綜合因素中反映。工程巖體分類的參考影響因素4.巖體及結(jié)構(gòu)面的風化程度。風化8§7-2巖石分級式中：Rc——巖石單軸抗壓強度，Mpaf≥20為1級，最堅固；f≤0.3為第10級，最軟弱。優(yōu)點：形式簡單，使用方便。缺點：未考慮巖體的完整性、巖體結(jié)構(gòu)特征對穩(wěn)定性影響，故不能準確評價巖體的穩(wěn)定性。1.普氏分級法以巖石試件的單軸抗壓強度作為分類依據(jù)，根據(jù)普氏堅固性系數(shù)f將巖石分為十級。f值越大，巖體越穩(wěn)定?！?-2巖石分級式中：Rc——巖石單軸抗壓強度，Mpa1.92.Deere&Miller雙指標分類分級指標：巖塊抗壓強度（c）、模量比（Et/c）類別巖塊分類σc(MPa)巖石類型舉例A極高強度＞200石英巖、輝長巖、玄武巖B高強度100~200大理巖、花崗巖、片麻巖C中等強度50~100砂巖、板巖D低強度25~50煤、粉砂巖、片巖E極低強度1~25白堊、鹽巖類別Et/σc分類Et/σcH高模量比＞500M中等模量比200~500L低模量比＜2002.Deere&Miller雙指標分類類別巖塊分類σc103.巖石單軸抗壓強度分類我國工程界按巖石單軸抗壓強度將巖體分為四類：

類別

巖石單軸抗壓強度

σc(Mpa)堅固性

Ⅰ250~160特堅固

Ⅱ160~100堅固

Ⅲ100~40次堅固

Ⅳ<40軟巖3.巖石單軸抗壓強度分類我國工程界按巖石單軸抗壓強度將巖體114.國標《巖土工程勘察規(guī)范》分類分類指標：新鮮巖塊的飽和單軸抗壓強度（cw）類別亞類飽和單軸抗壓強度(MPa)代表性巖石硬質(zhì)巖石極硬巖石＞60花崗巖、花崗片麻巖、閃長巖、玄武巖、石灰?guī)r、石英砂巖、石英巖、大理巖、硅質(zhì)礫巖等次硬巖石30~60軟質(zhì)巖石次軟巖石5~30粘土巖、頁巖、千枚巖、綠泥石片巖、云母片巖等極軟巖石＜54.國標《巖土工程勘察規(guī)范》分類類別亞類飽和單軸抗壓強度(121.按巖體完整性系數(shù)Kv（龜裂系數(shù)）分級式中：Vpm、Vpr—巖體、巖石彈性縱波速度（m/s)。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§7-3工程巖體分級1.按巖體完整性系數(shù)Kv（龜裂系數(shù)）分級式中：Vpm、Vp132.按巖芯質(zhì)量指標（RQD）分級

蒂爾（Deer,1964)提出根據(jù)鉆探時巖芯完好程度來判斷巖體的質(zhì)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.按巖芯質(zhì)量指標（RQD）分級蒂爾（Deer,1143.以彈性波速度分類3.以彈性波速度分類154.賓尼奧夫斯基節(jié)理巖體地質(zhì)力學分類（RMR分級系統(tǒng)）

賓尼奧夫斯基（Bieniawski，1976)提出的分類指標RMR(RockMassRating)，由下列6種指標組成：（1）巖塊強度(R1)

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

（6）節(jié)理方向?qū)こ痰挠绊懙男拚齾?shù)（R6）

即：4.賓尼奧夫斯基節(jié)理巖體地質(zhì)力學分類（RMR分級系統(tǒng)）16（1）對應(yīng)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>25015

4~8100~25012

2~450~10071~225~504不采用5~252不采用1~51不采用

<10（1）對應(yīng)巖石強度的巖體評分值R1點荷載指標（Mpa）17（2）對應(yīng)于巖芯質(zhì)量指標的巖體評分值R2RQD（％）91～10076~9051~7526~50

<25評分值20171383（3）對應(yīng)于最有影響的節(jié)理組間距的巖體評分值R3節(jié)理間距（m）>31~30.3~10.05~0.3<0.05評分值302520105（2）對應(yīng)于巖芯質(zhì)量指標的巖體評分值R2RQD（％）91～118（4）對于節(jié)理狀態(tài)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(jié)理延伸超過數(shù)米6由厚度>5mm的斷層泥充填的張開節(jié)理;張開度>5mm的節(jié)理，延伸超過數(shù)米0（4）對于節(jié)理狀態(tài)的巖體評分值R419（5）取決于地下水狀態(tài)的巖體評分值R5每米隧道的涌水量（L/min）節(jié)理水壓力與最大主應(yīng)力的比值總的狀態(tài)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（5）取決于地下水狀態(tài)的巖體評分值R5每米隧道的涌水量（L/20（6）節(jié)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（6）節(jié)理方位對RMR的修正值R6方位對工程的影響評價隧道地21（7）節(jié)理走向與傾角對隧道掘進的影響節(jié)理走向垂直于隧道軸線節(jié)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（7）節(jié)理走向與傾角對隧道掘進的影響節(jié)理走向垂直于隧道軸線節(jié)22根據(jù)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根據(jù)總分確定巖體分級類別巖體描述巖體評分值RMR235.巴頓巖體質(zhì)量（Q）分級

挪威巴頓（Barton）等人于1974年根據(jù)隧道工程的調(diào)查，提出一個用6個參數(shù)表達的巖體質(zhì)量指標Q，作為巖體質(zhì)量分級的依據(jù)。式中：RQD——巖石質(zhì)量指標；Jn——節(jié)理組數(shù)評分；Jr——節(jié)理面粗糙度評分；Jw——按裂隙水條件評分；Ja——節(jié)理蝕變程度評分；SRF——按地應(yīng)力影響評分（應(yīng)力折減系數(shù)）。Q反映了巖體質(zhì)量的三個方面：為巖體的完整性；表示結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、充填物特征及次生變化程度；

表示水與其他應(yīng)力存在時對巖體質(zhì)量的影響。

5.巴頓巖體質(zhì)量（Q）分級挪威巴頓（Barton）24（1）節(jié)理組數(shù)影響（Jn)（1）節(jié)理組數(shù)影響（Jn)25（2）節(jié)理粗糙度影響（Jr)（2）節(jié)理粗糙度影響（Jr)26（3）節(jié)理蝕變程度影響（Ja)（3）節(jié)理蝕變程度影響（Ja)27（4）裂隙水影響（Jw)（4）裂隙水影響（Jw)28地下開挖當量直徑：根據(jù)Q值，可將巖體分為9類，如圖：地下開挖當量直徑：根據(jù)Q值，可將巖體分為9類，如圖：29

Q分級法考慮的地質(zhì)因素較全面，而且把定性分析與定量評價結(jié)合起來了，軟硬巖均適用，在處理極軟弱的巖層中推薦采用此分類法。賓尼奧夫斯基（Bieniawski，1976)在大量實測統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)Q值與RMR值之間具有如下條件關(guān)系：Q分級法考慮的地質(zhì)因素較全面，而且把定性分析與定量評306.國標（GB50218-94)BQ分級(1)工程巖體分級的基本方法◆

按巖體基本質(zhì)量指標BQ進行初步分級◆

根據(jù)天然應(yīng)力、地下水和結(jié)構(gòu)面方位等對BQ進行修正◆

按修正后的［BQ］進行詳細分級①確定巖體基本質(zhì)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(zhì)量。巖體基本質(zhì)量好，則穩(wěn)定性好；反之，穩(wěn)定性差。6.國標（GB50218-94)BQ分級(1)工程巖體31A采用飽和巖石單軸抗壓強度σC劃分巖石堅硬程度σC

(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(shù)的關(guān)系：是指直徑50mm圓柱試件徑向加壓時的點荷載強度。A采用飽和巖石單軸抗壓強度σC劃分巖石堅硬程度σC(M32

B采用完整性系數(shù)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(jié)理數(shù)Jv(條/m3)：式中：Sn——第n組節(jié)理每米長測線上節(jié)理的條數(shù)；

Sk——每立方米巖體非成組節(jié)理條數(shù)。

Jv與Kv的對照關(guān)系：B采用完整性系數(shù)Kv劃分巖體完整程度Kv>0.750.733②巖體基本質(zhì)量分級A巖體基本質(zhì)量指標（BQ)的計算注意：當σC>90Kv+30時，應(yīng)以σC=90Kv+30代入上式計算BQ值；當Kv>0.04σC+0.4時，應(yīng)以Kv=0.04σC+0.4代入上式計算BQ值；式中：BQ——巖體基本質(zhì)量指標；

σC——巖石飽和單軸抗壓強度(Mpa);Kv——巖體完整性系數(shù)。②巖體基本質(zhì)量分級A巖體基本質(zhì)量指標（BQ)的計算注意：34B按BQ值進行巖體基本質(zhì)量分級基本質(zhì)量級別巖體基本質(zhì)量定性特征巖體基本質(zhì)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；<250B按BQ值進行巖體基本質(zhì)量分級基本質(zhì)量級別巖體基本質(zhì)量定性35

③基本質(zhì)量指標BQ值的修正

結(jié)合工程具有情況，對BQ進行修正，修正值[BQ]按下式計算：

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)式中：K1——地下水影響修正系數(shù)；K2——主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；

K3——初始應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)。③基本質(zhì)量指標BQ值的修正結(jié)合工程具有情況，對B36A地下水影響修正系數(shù)K1地下水出水狀態(tài)

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

1.0A地下水影響修正系數(shù)K1地下水出水狀態(tài)37B主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其與洞軸線的組合關(guān)系結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線的夾角<300結(jié)構(gòu)面傾角300～750結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線的夾角>600結(jié)構(gòu)面傾角>750其它組合K20.4~0.60~0.20.2~0.4B主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其與洞軸38C初始應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)K3初始應(yīng)力狀態(tài)BQ>550550～451450~351350~251<250極高應(yīng)力區(qū)1.01.01.0~1.51.0~1.51.0高應(yīng)力區(qū)0.50.50.50.5~1.00.5~1.0C初始應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)K3初始應(yīng)力狀態(tài)39基本質(zhì)量級別巖體質(zhì)量的定性特征巖體基本質(zhì)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＜250④基本質(zhì)量指標分級基本質(zhì)量級別巖體質(zhì)量的定性特征巖體基本質(zhì)量指標(BQ)Ⅰ堅硬407.洞室圍巖分級（《錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范》）分級指標：巖體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征、巖石強度及巖體聲學性質(zhì)、優(yōu)點：給出了毛洞自穩(wěn)性的工程地質(zhì)評價，給出了各類圍巖的噴錨支護設(shè)計參數(shù)及圍巖物理力學性質(zhì)的計算指標。7.洞室圍巖分級（《錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范》）分級指標41圍巖級別主要工程地質(zhì)特點毛洞穩(wěn)定情況巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造影響程度，結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況和組合狀態(tài)巖石強度指標巖體聲波指標巖體強度應(yīng)力比Sm單軸飽和抗壓強度σcw(MPa)點荷載強度(MPa)

巖體縱波度vmp(km／s)巖體完整性系數(shù)Kv

Ⅰ整體狀及層間結(jié)合良好的厚層狀結(jié)構(gòu)構(gòu)造影響輕微，偶有小斷層。結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，僅有兩到三組，平均間距大于0.8m，以原生和構(gòu)造節(jié)理為主，多數(shù)閉合，無泥質(zhì)充填，不貫通。層間結(jié)合良好，一般不出現(xiàn)不穩(wěn)定塊體＞60＞2.5＞5

＞0.75

毛洞跨度5~10m時，長期穩(wěn)定，一般無碎塊掉落

GBJ86-2002圍巖分級圍巖級別主要工程地質(zhì)特點毛洞穩(wěn)定情況巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造影響程度，結(jié)428.工程巖體分類標準的應(yīng)用（1）巖體物理參數(shù)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(shù)和結(jié)構(gòu)面的抗剪強度參數(shù)。（2）地下工程巖體自穩(wěn)能力的確定8.工程巖體分類標準的應(yīng)用（1）巖體物理參數(shù)的選用43巖體級別與巖體物理力學參數(shù)基本質(zhì)量級別重力密度γ(kN/m3)內(nèi)摩擦角Φ(0)粘結(jié)力C(Mpa)變