Chapter 4.1 岩体的结构特征

第四章 岩体的基本力学性质岩体是由岩块和结构面组合的天然地质体，其变形与强度不仅取决于它的受力状态，而且取决于岩体本身特征及赋存环境。

影响岩体基本力学性质的主要因素可概括为：（1）组成岩体的岩石材料性质；（2）组成岩体的结构面力学性质；（3）岩体中结构面的发育组合状态；（4）赋存环境，包括地下水、气和地应力的作用等等。

正是由于这些复杂因素的影响，使得岩体的力学性质与岩块有显著的差别，造成岩体变形增加，强度降低，显示出非均质、非连续、各向异性和非弹性等非线性性质。

本章首先讨论主要影响因素的特征，进而讨论岩体的变形性质和强度性质。

4.1.结构面的几何特征结构面对岩体力学性质的影响因素主要表现在结构面自身的力学性质和及其几何特征两方面。

其中几何特征通常包括：结构面的空间方位、连续性、密度、张开度、形态等；进一步研究还包括这些表述结构面几何特征指标的分布概率和结构面的空间组合关系对岩体力学性质或岩体工程稳定性的影响。

本节仅含前者。

4.1.1.结构面的空间方位结构面的空间方位，地质学中称为结构的产状，由走向、倾向和倾角表示。

其中：走向是指结构面与水平面相交的交线方向；倾向是与走向成垂直的方向，它是结构面上倾斜线最陡的方向；倾角度是指水平面与结构面之间所夹的最大角度。

可见结构面走向和倾向可以互相转换，所以，结构面产状有时又用倾向和倾角来表示。

为了便于结构面的数学表达，建立如图4.1(a)所示的坐标系，结构面就视为该坐标系中的一个空间平面。

并约定：向上为z 轴正向，向东为x 轴正向，向北为y 轴正向；结构面产状由倾向角β和倾角α确定。

由图4.1（a ）的几何关系可见，结构面的倾向角则为空间平面倾向与y 轴(正北向)的夹角；结构面倾角则为空间平面外法线与z 轴的夹角，如图4.1(b)所示，图中，ˆn表示结构面（空间平面）外法线。

设为单位矢量ˆn，则ˆn 在坐标轴,,x y z 上的分量分别为：sin sin αβ，sin cos αβ，cos α。

§1. 岩体的结构特征结构面——不连续面，切割岩体的各种地质界面岩体结构体——结构面切割岩体形成的大小、形状各异的快体岩体结构特征：结构面、结构体的形状、规模、性质及组合关系的特征一、结构面的成因类型（一）原生结构面成岩过程中形成的1. 沉积结构面：层理、层面、沉积软弱夹层、沉积间断面2. 火成结构面岩浆侵入、喷溢及冷凝过程中形成的结构面eg：流层、冷凝节理、接触面冷凝节理——张性节理：岩体稳定、渗漏形成破碎带或围岩蚀余带的——软弱结构面接触面——熔合好——强度高3. 变质结构面变余结构面：层面上有云母、绿泥石等鳞片状矿物变成的重结晶结构面：片理、片麻理发育，因此岩性软弱，易水化——软弱夹层（二）次生结构面后期地质作用形成1. 内动力形成的结构面——构造结构面eg：节理、劈理、断层面2. 外动力形成的结构面作用：风化作用，卸荷作用（滑坡面）、人为（爆破）风化裂隙：风化夹层卸荷裂隙：岩体剥蚀，人工开挖→应力状态改变，应力释放形成爆破裂隙：二、结构面特征和野外试验标准化委员会于1978年提出《岩体不连续面定量描述的建议方法》规定：从方位张开度等方面研究间距充填度连续性渗流粗糙度节理组数侧壁强度块体大小结构面规模分级三、软弱夹层1.软弱夹层是指在坚硬的层状岩层中夹有强度低、泥质或炭质含量高、遇水易软化、延伸较广和厚度较薄的软弱岩层。

2.分类：软岩夹层、碎块夹层、泥化夹层 包括：岩块岩屑型、岩屑夹泥型、泥夹 岩屑型及泥型（GB50287-99,附录D)等。

3.泥化夹层：结构松散，密度小，含水量大，强度低，变形量大 • 泥化夹层的形成条件：物质基础、构造作用、地下水的作用。

①物质基础：粘土岩类夹层粘粒含量越高，蒙脱石组粘土矿多→有利②构造作用③地下水作用：结合水膜→粒间连接力减小→岩石处于塑态四、结构体类型：柱状、板状、锥状等五、岩体结构类型：整体块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构§2. 岩体的主要力学特征岩体与岩块力学性质差异大贯穿整个工程区 的次一级断裂区域内的大断裂某建筑物地基内的小型断层、 大节理卸荷裂隙某范围的节理劈理构造小的裂隙一、岩体的变形特征1. 岩体变形结构面变形结构体变形2. 岩体变形过程调整表现形式：岩体的应力——应变曲线分析：①微裂隙闭合阶段：OA——凹状缓坡：节理压密闭合→岩石变压应力较低，岩石中微裂隙闭合，所以曲线先缓后陡，斜率度大，应变速度减小②直线变形阶段：岩石变形表现为微裂隙完全闭合，孔隙被压缩，岩石中颗粒都受挤压，发生弹性变形，应变、应力呈线性关系增长AB——结构面压密后弹性变形③破损阶段：当压力达到弹性极限以后，岩石产生新的破裂面，原闭合裂隙增大，发生塑性变形BC——岩体发生破裂、塑性变形④破坏阶段CD ——岩体全面破坏C ——峰值强度，应力极限3. 据变形特征、岩石力学性质分类（1）弹性岩石：岩石在外力作用下有明显弹性变形量（2）弹塑性岩石：弹性变形量<塑性变形（3）塑性——熔变性岩石4. 表征岩体变形的参数 （1）变形模量（E 0）最大应力（σ）与应变（ε）的比值 E 0=εσ=eP εεσ+ E 0越大，岩体越好（2）弹性模量（E e ）： E e =eεσ二、岩体的流变特征 1. 流变性：蠕变、松弛工程建筑中，应力较低时岩体就产生蠕变，并不须荷载很高蠕变：在应力一定的条件下，变形随时间的持续而逐渐增长的现象松弛：变形保持一定时，应力随时间增长而逐渐减小 流变岩体：软弱岩石、软弱夹层、碎裂及松散岩体 2. 蠕变（1）分类稳定蠕变：较小恒定荷载作用下，变形ε随t 增加，变形V 减小→稳定非稳定蠕变: 当恒定荷载超过某一极限值变形随t 增高,最终导致→破坏§3.岩体的天然应力状态一、地应力1. 概念：地壳岩体在天然状态下所具有的内应力，分布于岩体的每个质点上2.岩体自重应力 主类型 天然地应力构造应力变异应力——岩体中存在+应力、流体应力感生地应力：工程活动对岩体施加的应力三、天然应力分布规律 1. 岩体中存在三向不等的空间应力场σz ——垂直应力，一般最小σx 、σy ——水平应力，并不水平，倾角100~25 02. 利用天然应力比值系数K 分析（垂直应力与水平应力关系） zyx z K σσσσ== ①K=0 σx =σy =0 少见 ②0<K<1 σx <σz 或σy <σz14% ③K=1 σx =σz 11%④K>1σx >σz75%3. 水平应力具有强烈方向性应力释放区河谷地区地应力场应力集中区应力平稳区河谷由浅入深：应力释放区→应力集中区→应力平稳区应力<20MPa→急剧上升,达60MPa→减少至平稳,20MPa河谷周遍山体中：边坡→深部释放→集中→平稳<20MPa 升至35MPa 25MPa四、地应力研究的工程意思1. 总体：低应力区岩体松弛、漏水、风化带深高应力区开挖卸荷引起岩体变形破坏2. 地应力的高低划分以岩石强度R b/最大水平主应力的比值来确定法国: <2 高应力区2~4 中高应力区>4 低应力去中国: <4 极高应力区4~7 高应力区水平应力<自重引起低应力3. 高地应力对工程影响（1）基坑底部隆起、剥离破坏隆起轴线与最大水平主应力垂直（2）基坑边坡的剪切滑移葛洲坝二江电站厂房地基开挖时，当地含多层软弱夹层，当开挖一层时，产生向临室面滑动，开挖到3二层时，卸荷引起沿三层产生位移，测得边坡位移方向与最大水平主应力方向一致（3）地下洞室产生大的收敛变形洞室轴线与最大水平应力垂直时，产生收敛变形，软岩向洞内挤出“吐舌头”现象（4）地下洞室施工中产生岩爆1985年，天生桥二级电站引水隧洞发生岩爆，最大爆落方量22m3，最大爆深1.1m，最大面积84m2§4. 岩体的工程分类。

第四章 岩体的基本力学性质岩体是由岩块和结构面组合的天然地质体，其变形与强度不仅取决于它的受力状态，而且取决于岩体本身特征及赋存环境。

影响岩体基本力学性质的主要因素可概括为：（1）组成岩体的岩石材料性质；（2）组成岩体的结构面力学性质；（3）岩体中结构面的发育组合状态；（4）赋存环境，包括地下水、气和地应力的作用等等。

正是由于这些复杂因素的影响，使得岩体的力学性质与岩块有显著的差别，造成岩体变形增加，强度降低，显示出非均质、非连续、各向异性和非弹性等非线性性质。

本章首先讨论主要影响因素的特征，进而讨论岩体的变形性质和强度性质。

4.1.结构面的几何特征结构面对岩体力学性质的影响因素主要表现在结构面自身的力学性质和及其几何特征两方面。

其中几何特征通常包括：结构面的空间方位、连续性、密度、张开度、形态等；进一步研究还包括这些表述结构面几何特征指标的分布概率和结构面的空间组合关系对岩体力学性质或岩体工程稳定性的影响。

本节仅含前者。

4.1.1.结构面的空间方位结构面的空间方位，地质学中称为结构的产状，由走向、倾向和倾角表示。

其中：走向是指结构面与水平面相交的交线方向；倾向是与走向成垂直的方向，它是结构面上倾斜线最陡的方向；倾角度是指水平面与结构面之间所夹的最大角度。

可见结构面走向和倾向可以互相转换，所以，结构面产状有时又用倾向和倾角来表示。

为了便于结构面的数学表达，建立如图4.1(a)所示的坐标系，结构面就视为该坐标系中的一个空间平面。

并约定：向上为z 轴正向，向东为x 轴正向，向北为y 轴正向；结构面产状由倾向角β和倾角α确定。

由图4.1（a ）的几何关系可见，结构面的倾向角则为空间平面倾向与y 轴(正北向)的夹角；结构面倾角则为空间平面外法线与z 轴的夹角，如图4.1(b)所示，图中，ˆn表示结构面（空间平面）外法线。

设为单位矢量ˆn，则ˆn 在坐标轴,,x y z 上的分量分别为：sin sin αβ，sin cos αβ，cos α。