土木工程地地質學GeologyinCivilEngineering4.1巖體體結結構構與與地地質質特特征征4.2巖塊塊的的工工程程地地質質性性質質4.3結構構面面特特征征及及力力學學性性質質4.4巖體體力力學學性性質質與與工工程程分分類類巖體體的的工工程程地地質質性性質質巖體體的的基基本本概概念念：：巖巖體體通通常常指指工工程程影影響響范范圍圍內內的的地地質質體體，，它它由由處處于于一一定定應應力力狀狀態態、、被被各各種種結結構構面面切切割割的的巖巖石石所所組組成成。。巖體體(rockmass)＝結結構構面面(discontinuities)+巖石石(rocks)工程程巖巖體體：：地地基基巖巖體體、、邊邊坡坡巖巖體體、、地地下下洞洞室室圍圍巖巖結構構面面：：指指巖巖體體中中具具有有一一定定方方向向、、力力學學特特性性相相對對較較差差、、兩兩向向延延伸伸（（或或具具有有一一定定厚厚度度））的的各各種種地地質質界界面面的的總總稱稱。。由由于于中中斷斷了了巖巖體體的的連連續續性性，，故故又又稱稱不不連連續續面面，，如如層層面面、、節節理理、、斷斷層層、、軟軟弱弱夾夾層層等等。。4.1巖體結結構與與地質質特征征構面的的成因因類型型原生結結構面面：巖石成成巖過過程中中形成成的結結構面面。沉積結結構面面：層理理、層層面、、沉積積不整整合面面、沉沉積軟軟弱夾夾層。。火成結結構面面：巖漿漿侵入入、噴噴溢及及冷凝過程中中形成成的結結構面面。變質結結構面面：包括括殘余余的變變余結結構面面和變變成的的重結結晶結結構面面。次生結結構面面內動力力成因因型結結構面面（構造造結構構面））：受受構造造應力力作用用。外動力力成因因型結結構面面（表生生結構構面））：如如卸荷荷裂隙隙（長長江鏈鏈子崖崖危巖巖體））、泥泥化夾夾層及及表生生夾泥泥。結構面面的特特征1978年ISRM實驗室室和野野外試試驗標標準委委員會會制定定的《巖體不不連續續面定定量描描述的的建議議方法法》方位：結構構面的的產狀狀（走走向、、傾向向、傾傾角））間距：反映映巖體體完整整程度度和塊塊體大大小延續性性：反映映結構構面的的連通通率粗糙度度：反映映結構構面的的起伏伏狀況況結構面面側壁壁強度度：反映映結構構面受受風化化影響響的程程度張開度度：又稱稱隙寬寬，即即裂隙隙的寬寬度充填物物：不同同物質質充填填對力力學特特性有有顯著著影響響滲流：反映映地下下水的的活動動狀況況節理組組數：反映映巖體體被切切割的的狀況況塊體大大小：可用用塊度度和體體積節節理數數反映映10結構體體(structuralelement)－－被被結構構面切切割而而成的的巖石塊體體。與與結構構面級級別對對應,為四級級。結構體體特征征－－形態、、規模模、產狀狀形狀規模常見的的：柱柱狀、、板狀狀、楔楔形及及菱形形等，，還有片片狀、、鱗片片狀、、碎塊塊狀及及碎屑屑狀即巖塊塊的大大小,取決于結結構面的的密度,密度愈小,結構體的的規模愈愈大。常常用單位位體積內內的Ⅳ級結構體體數（塊塊度模數數）或或結構體體體積來表示。。板狀或菱菱形巖體的結結構體形形狀柱狀錐形形狀不同同,穩定性不不同:板狀比柱柱狀、菱菱形狀更更易滑動，楔楔形體比比錐形體體穩定性性差結構體特特征－－－規模、、形態、、產狀板狀或菱菱形楔形jged板狀i楔c形錐形hb柱a狀楔形f產狀用結構體體的長軸軸方向表表示。結構體特特征－－－規模、、形態、、產狀結構體穩穩定性與與結構體體產狀、、力的方方向、臨臨空面方向等有有關。如如板狀結結構體：：豎直的的與平臥臥的穩定性和破破壞特征征不同。。滑動或彎彎曲、折折斷破壞壞彎曲、折折斷或彎彎曲、傾傾倒破壞壞巖體的結結構類型型－－5類巖體結構構類型劃劃分表（（引自《巖土工程程勘察規規范》，1995）巖體結構類型巖體地質質類型主要結構體形形狀結構面發發育情況況巖土工程程特征可能發生生的巖土工程程問題整體狀結構均質、巨巨塊狀巖漿巖、、變質巖、巨厚厚層沉積巖、正正變質巖巨塊狀以原生構構造節理理為主，，多呈閉閉合型，裂裂隙結構面間間距大于于1.5m，一般不不超過l～2組，無危險結構構面組成成的落石石掉塊整體性強強度高，，巖體穩定，，可視為為均質彈性各向向同性體體塊狀結構厚層狀沉沉積巖、、正變質巖巖、塊狀巖漿巖巖、變質巖塊狀柱狀只具有少少量貫穿穿性較好好的節理理裂隙，裂裂隙結構面間間距0.7～1.5m。一般為為2～3組，有少量量分離體整體強度度較高，，結構面互相相牽制，，巖體基本穩定定，接近近彈性各向同性體層狀結構多韻律的薄層層及中厚層狀沉沉積巖、副變質質巖層狀板狀透鏡體有層理、片片理、節理理，常有層間錯錯動面接近均一的的各向異性體，其變變形及強度度特征受層面面及巖層組組合控制，可可視為彈塑塑性體，穩定定性較差不穩定結構構體可能產生滑塌塌，特別是巖層的彎彎張破壞及軟弱巖層層的塑性變形碎裂狀結構構造影響嚴嚴重的破碎巖層層碎塊塊狀狀斷層層，，斷斷層層破破碎碎帶帶、、片片理理、、層層理及及層層間間結結構構面面較較發發育育，，裂裂隙隙結構構面面間間距距0.25～0.5m，一般在3組以上，由許多分離離體形成完整性破壞較較大，整體強度很低低，并受斷裂等軟弱結結構面控制，多呈彈塑塑性介質，穩定性很很差易引起規模較較大的巖體失穩，地地下水加劇巖體失穩穩散體狀結構構造影影響劇劇烈的斷層層破碎碎帶，強強風化化帶，全全風化化帶碎屑狀狀顆粒狀狀斷層破破碎帶帶交叉叉，構構造及及風化化裂隙密密集，，結構構面及及組合合錯綜綜復雜，，并多多充填填粘性性土，，形成成許多大大小不不一的的分離離巖塊塊完整性性遭到到極大大破壞，穩穩定性性極差差，巖巖體屬性性接近近松散散體介介質易引起起規模模較大大的巖體體失穩穩，地地下水加劇劇巖體體失穩穩不穩定定結構構體的的局部滑滑動或或坍塌塌，深埋洞洞室的的巖爆爆巖體完整程度結構面發育程度主要結構面的結合程度主要結構面類型巖體結構類型組數平均間距/m完整1～2>1.0結合好或結合一般節理、裂隙、層面整體狀或巨厚層狀結構較完整1～2>1.0結合差節理、裂隙、層面塊狀或厚層狀結構2～31.0～0.4結合好或結合一般塊狀結構較破碎2～31.0～0.4結合差

節理、裂隙、層面、小斷層裂隙塊狀或中厚層狀結構≥30.4～0.2結合好鑲嵌碎裂結構結合一般中、薄層狀結構破碎≥30.4～0.2結合差各種類型結構面裂隙塊狀結構≤0.2結合一般或結合差碎裂狀結構極破碎無序結合很差散體結構巖體完完整程程度與與巖體體結構構類型型的定定性劃劃分(《工程巖體分分級標準》）整體狀結構構層狀結構塊狀結構碎裂結構散體狀結構構巖體的結構構類型整體塊狀層狀結構碎裂結構散體結構4.2.1巖石的主要要物理和水水理性質密度和重度度相對密度（（比重）孔隙度（孔孔隙率）吸水率和飽飽和吸水率率4.2巖塊的工程程地質性質質4.2.1巖石的主要要物理性質質密度和重度度巖石密度ρ（g/cm3）：試樣質量量m（g）與試樣體積積V（cm3）的比值天然密度干密度ρd含水量w（％）重度γ（kN/m3）：單位體積積巖石受到到的重力，，與密度ρ的關系為4.2.1巖石的主要要物理性質質相對密度（（比重）Gs干試樣質量量m（g）與4℃時同體積純純水質量（（巖石固體體體積與水水的密度之之積）的比比值4.2.1巖石的主要要水理性質質孔隙度（孔孔隙率）n試樣中孔隙隙（包括微微裂隙）的的體積Vv（cm3）與試樣總體體積V（cm3）的百分比孔隙比e孔隙度n與孔隙比e之間的關系系4.2.1巖石的主要要水理性質質吸水率Wa和飽和吸水水率Wsa飽水系數kw4.2.1巖石的主要要水理性質質巖石的耐凍凍性巖石的飽水水系數kw可以作為巖巖石耐凍性性判別的指指標。飽水系數越越大的巖石石，耐凍性性越差。巖石種類耐凍巖石不耐凍巖石一般巖石的理論值kw

＜0.9kw≥0.9粒狀結晶、孔隙均勻的巖石kw

＜0.8kw≥0.8孔隙不均勻或呈層狀分布有粘土物質充填的巖石kw

＜0.7kw≥0.74.2.2巖塊的力學學性質巖石強度抗壓強度：干抗壓、、飽和抗壓壓、軟化系系數抗拉強度：劈裂試驗驗，點荷載載試驗抗剪強度：中型剪、、雙面剪巖石變形彈性模量變形模量泊松比4.2巖體的主要要力學特性性巖石力學指指標的用途途劃分巖石工工程類型、、巖體工程程評價飽和抗壓強度≥60MPa60-30MPa＜30MPa＜15MPa巖石類型堅硬巖中硬巖軟巖極軟巖利用巖石飽飽和抗壓強強度劃分巖巖石工程類類型4.2巖體的主要要力學特性性巖石力學學指標的的用途巖體質量量分類或或洞室圍圍巖類型型劃分RMR分類：地質力力學分類類，南非非Q分類：隧道圍巖質質量分類，歐歐洲國內：如水利水電規范范、巖土工程規范范，其他部們如如鐵道、公路路、總參、建建設部，個人人方面有王思思敬、陶振宇宇、楊子文。。評價巖體強度度利用結構面網絡模模擬、蒙特卡洛法等影響巖石工程程性質的因素素內部因素（巖巖石的地質特特征）礦物成分結構構造外部因素水的作用風化作用結構面的發育育程度、規模模大小、組合合形式等是決決定結構體的的形狀、方位位和大小，控控制巖體穩定定性的重要因因素。尤以結結構面的規模模是最重要的的控制因素。。按結構面發發育程度和規規模可以劃分分為如下五級級：I級結構面--區域構造起控控制作用的斷斷裂帶Ⅱ級結構面--延展性強而寬寬度有限的地地質界面Ⅲ級結構面--局部性的斷裂裂構造Ⅳ級結構面--節理面V級結構面--細小的結構面面4.3結構面特征及及力學性質結構面的幾何何特征是反映映結構面的外外貌，由下列列要素組成：：1、走向:結構面與水平平面的交線方方向，用方位位角表示。2、傾斜:結構面的傾斜斜方向和傾斜斜角度。3、連續性。4、粗糙度:表明結構面的的粗糙程度。。5、起伏度:包括起伏波的的幅度和長度度。起伏波的的幅度是指相相鄰兩波峰連連線與其下波波槽的最大距距離a,起伏波的長度度是指相鄰兩兩波峰之距離離。結構面的幾何何特征結構面的產狀狀、形態、延延展尺度、密密集程度以及及膠結與充填填情況等是影影響巖體強度度和穩定性的的重要因素。。1、結構面產狀：指結構面的走走向、傾向和和傾角，對巖巖體是否沿某某一結構面滑滑移起控制作作用。2、結構面形態態：決定結構面抗抗滑力的大小小，當結構面面的起伏程度度大，粗糙度度高時，其抗抗滑力就大。。3、結構面的延延展尺度：在工程巖體范范圍力，延展展度大的結構構面控制著巖巖體的強度。。結構面延展展情況不同，，其力學效應應也不同。結構面的狀態態(1)非貫通性結構構面(2)半貫通性結構構面(3)貫通性結構面面4、結構面的密密集程度：指指巖體中各種種結構面的發發育程度。衡衡量密集度的的指標為巖體體裂隙度K和切割度Xe。（1）巖體裂隙度度K——沿取樣方向單單位長度上的的節理數量式中：n為長度l內的節理數量量.當取樣線垂直直節理的走向向時，d為節理走向的的垂直間距。。按節理的垂垂直間距d將巖體分為：：d>180cm整體結構；d=30～80cm塊狀結構d<30cm碎裂狀結構；；d<6.5cm極破碎結構當巖體中有幾幾組不同方向向的節理時，，如圖所示兩兩組節理Ka、Kb，則沿取樣方方向x上的節理平均均間距max和mbx為結構面的狀態態式中：n為取樣線l內的節理組數數量.該取樣線上的的裂隙度K為各組節理的裂裂隙度Ki之和。即：K越大，結構面面越密集。不不同測線上的的K值差別越大，，巖體各向異異性越明顯。。按K的大小，可將將節理分成：：疏節理（K=0～1m-1）；密節理（（K=1～10m-1）；非常密集集節理（K=10～100m-1）；壓碎或糜糜棱化帶（K=100～1000m-1）；（2）切割度Xe——指巖體被節理理分割的程度度。假設巖體僅有有一個結構面面，可沿結構構面在巖體中中取一個貫通通性的假想平平直斷面，則則結構面面積積a與該斷面面積積A之比，即為該該巖體的切割割度。可見,當:0<Xe<1,巖體部分切割割；Xe＝1,巖體被整個切切割；Xe＝0,即巖體為完整整連續體。巖體按切割度度分類：Xe＝0.1～0.2完整巖體；Xe＝0.2～0.4弱節理化巖體體；Xe＝0.4～0.6中等節理化巖巖體；Xe＝0.6～0.8強節理化巖體體；Xe＝0.8～1.0完全節理化巖巖體；巖體被某組結結構面切割的的程度Xr為：如果巖體沿某某斷面上同時時存在著面積積為a1、a2…an的n個結構面時，，則巖體沿該該斷面的切割割度為式中：K為巖體的裂隙隙度；Xe為沿某一平面面的切割度。。結構面的膠結結情況及充填填情況(1)膠結結構面泥質膠結：強度最低，，在脫水情況況下有一定的的強度，遇水水發生泥化、、軟化，強度度明顯降低。。可溶鹽類膠結結：干燥時有有一定的強度度，遇水發生生溶解，強度度降低。鈣質膠結：強度較高，，且不受水的的影響，但遇遇酸性水強度度降低。鐵質膠結：強度較高，，但易風化，，力學性能不不穩定。硅質膠結：強度高，力力學性能穩定定。可見，膠結結結構面隨膠結結物的成分不不同，其力學學效應有很大大差別。結構面的狀態態(2)非膠結結構面面分為有充填物物的結構面和和無充填物的的結構面。無充填物的結結構面：其強強度主要取決決于結構面兩兩側巖石的力力學性質及結結構面粗糙度度。有充充填填物物的的結結構構面面：：其其強強度度除除與與充充填填物物、、結結構構面面兩兩側側巖巖壁壁接接觸觸面面的的力力學學特特性性有有關關外外，，主主要要取取決決于于充充填填物物的的成成分分和和厚厚度度。。A、充充填填物物成成分分：：質質粘粘土土、、砂砂質質、、角角礫礫質質等等。。B、充充填填物物厚厚度度對對結結構構面面強強度度影影響響特特別別顯顯著著。。按按厚厚度度可可將將有有充充填填物物的的結結構構面面分分為為：：薄膜膜充充填填：：充充填填物物厚厚度度多多在在1mm以下，多多系次生生蝕變礦礦物與風風化礦物物構成，，如滑石石、粘土土礦物等等；斷續充填填：充填填物不連連續，厚厚度多小小于結構構面的起起伏差，，使結構構面強度度降低。。連續充填填：充填填物厚度度一般大大于起伏伏差，結結構面強強度主要要受充填填物強度度控制，，因此，，常構成成巖體的的主要滑滑動面。。厚層充填填：充填填厚度較較大，一一般幾十十厘米至至數米，，構成軟軟弱帶，，如斷層層泥。有有時表現現為巖體體沿接觸觸面滑移移，有時時為軟弱弱充填物物本身塑塑性流動動，常導導致重大大工程事事故。軟弱夾層層基本定義義：軟弱夾層層（尤其其是泥化化夾層））是巖體體中非常常軟弱的的結構面面，是壩壩基巖體體、邊坡坡巖體和和洞室圍圍巖穩定定性的制制約因素素。軟弱夾層層的分類類按成因分分類：參照P127的表4-5。按夾層的的物質組組成分類類：長委會會建議的的分類軟巖夾層層碎塊夾夾層碎屑夾夾層泥化夾夾層軟弱夾夾層軟弱夾夾層的的特性性：物理力力學性性質與與夾層層的物物質組組成、、粘土土礦物物、顆顆粒大大小、、含水水量、、起伏伏狀況況有密密切聯聯系。。軟巖夾夾層：對于于粘粒粒含量量較多多的粘粘土巖巖，遇遇水膨膨脹、、崩解解；對對于可可溶巖巖，遇遇水溶溶解。。Rc＜15MPa，f’=0.4-0.6，E0＜2000MPa。如邊邊坡穩穩定碎塊夾夾層：粒徑徑＞2mm的粗碎碎屑占占80%以上，，粘粒粒含量量低于于10%。面起起伏較較大，，應力力應變變關系系復雜雜，f’=0.45-0.6，E0=200~1000MPa。如如隧洞洞穩定定碎屑夾夾層：粒徑徑＞2mm的粗碎碎屑占占30～50%以上，，2～0.5mm的粗碎碎屑占占30%以上，，粘粒粒占10-30%，f’=0.30-0.45，E0=50~200MPa。如如隧洞洞穩定定軟弱夾夾層泥化夾夾層：w≥wp。具有有結構構松散散、孔孔隙比比大、、密度度小、、含水水量大大、粘粘粒含含量高高、力力學特特性差差的特特點，，f’=0.45-0.6，E0＜50MPa。如葛葛洲壩壩水電電站泥化夾夾層形形成的的三個個基本本條件件：物質基基礎：粘土巖類夾夾層，粘粒含含量高，且以以蒙脫石為主主的粘土礦物物。構造作用：完整性被破破壞，有利于于地下水的運運動；礦物顆顆粒的性質和和成分受到破破壞。地下水的作用用：泥化作用，，孔隙水壓力力作用，溶解解作用等。結構面變形法向變形剪切變形一、節理的法法向變形1、節理彈性變變形：節理面面光滑，受壓壓力后成面接接觸，粗糙則則成點接觸。。每一接觸面面會產生壓縮縮變形，其壓壓縮量δ可按彈性理論論中的布辛涅涅斯克解求得得：節理閉合彈性性變形值δ0＝2δ，則式中：m為與荷載面積積形狀有關的的系數；d為塊體的邊長長；E為彈性模量；；n為接觸面的個個數；h2為每個接觸面面的面積；σ.d2為作用于節理理上的壓縮荷荷載。結構面的變形形特性2、節理的閉合合變形Goodman于1974年通過試驗，，得出法向應應力σ與結構面閉合合量△V有如下關系：：式中：ξ為原位壓力，，由測量法向向變形的初始始條件決定；；Vmc為最大可能的的閉合量；A、t是與結構面幾幾何特征、巖巖石力學性質質有關的參數數。當A=1，t=1時，上式為：節理的法向變變形△V與1/σ的關系曲線如如圖（c).若A與t不為1，可由試驗確確定曲線方程程。其方法為為：（1）取完整巖石石試件，測其其軸向σ-△V曲線（如圖（（a)中的A線)。（2）將試件沿橫橫向切開，使使切縫成一條條平行于試件件底面且成波波狀起伏的裂裂縫，以模擬擬節理。（3）將切縫上下下兩塊試塊重重合裝上—“配稱切縫試件件”，加載測其軸軸向σ-△V曲線（如圖（（a)中的B線)。（4）將切縫上下下兩塊試塊旋旋轉某一角度度裝上—“非配稱切縫試試件”，加載測其軸軸向σ-△V曲線（如圖（（a)中的C線)。(5)利用曲線的差差值求切縫的的壓縮量。“配稱切縫試件件”——“B-A”“非配稱切縫試試件”——“C-A”節理的法向變變形在一定的法向向應力作用下下，結構面在在剪切作用下下產生切向變變形，其變形形特征用試驗驗時施加的剪剪應力τ與相應的剪切切位移δ的關系來描述述。τ-δ曲線特征取決決于結構面的的基本特征（（粗糙度、起起伏度、充填填物性質與厚厚度等）。（1）結構面粗糙糙無充填物（（A)：隨著剪切變形形發生，剪應應力相對上升升較快，當達達到剪應力峰峰值后，結構構面抗剪能力力出現較大的的下降，并產產生不規則的的峰后變形或或滯滑現象。。（2）平坦的結構構面或結構面面有充填物（（B):初始階段的剪剪切變形曲線線呈下凹型，，隨著剪切變變形的發展，，剪切應力逐逐漸升高但無無明顯的峰值值出現，最終終達到恒定值值。節理的切向變變形結構面的抗剪剪強度結構面最重要要的力學性質質之一是抗剪剪強度。結構構面在剪切過過程中的力學學機制比較復復雜，構成結結構面抗剪強強度因素是多多方面的，大大量試驗結果果表明，結構構面抗剪強度度一般可用莫莫爾－庫倫準準則表示：式中：c、φ分別是結構面面上的粘結力力和摩擦角，，φ＝φb+β,φb是巖石平坦表表面基本摩擦擦角，β是結構面的爬爬坡角；σ是作用在結構構面上的法向向正應力。平直結構面的的抗剪強度結構面呈平直直狀，沒有波波狀起伏。1、平直結構構面的剪切變變形曲線（1）τ很小時，τ－δ呈線性，彈性性狀態；（2）τ很大，大到足足以克服移動動摩擦阻力之之后，τ－δ呈非線性；（（3）τ達到峰值τP后，δ突然增大，表表面試件已沿沿結構面破壞壞，此后τ迅速下降，并并趨于一常量量（殘余強度度）。平直結構面的的抗剪強度(1)、峰值剪切強度度（2）殘余剪切強強度式中：CP結構面的的粘結力力；φP、φR是結構面面的峰值摩摩擦角和和殘余摩摩擦角，，一般φP>φR。粗糙結構構面的抗抗剪強度度1、理想化粗粗糙結構構面模型型－鋸齒齒狀結構構面（1）爬坡角β與剪脹現象象（2）剪切強強度作用在斜斜面A’B上的法向向力和切切向力分分別為：：式中：σ,ττ為結構面面AB上的正應應力和剪剪應力，，φb為A’B面上的摩摩擦角。。如圖為結結構面有有凸臺的的模型的的剪應力與法向應應力的關關系曲線線，它近近似呈雙雙直線的特特．結構構面受剪剪初期，，剪切力力上升較較快；隨隨著剪力力和剪切切變形增增加，結結構面上上部分凸凸臺被剪剪斷，此此后剪切切力上升升，梯度度變小，，直至達達到峰值值抗剪強強度．Patton公式σ較小時，，抗剪強強度τ＝σtg(φb+β);σ較大時，，抗剪強強度τ＝c+σtgφb,其中c為視內聚聚力。試驗表面面，低法法向應力力的剪切切，結構構面有剪剪切位移移和剪脹脹；高法法向應力力的剪切切，凸臺臺剪斷，，結構面面抗剪強強度最終終變成殘殘余抗剪剪強度。。在剪切切過程中中，凸臺臺起伏形形成的粗粗糙度以以及巖石石強度對對結構面面的抗剪剪強度起起著重要要作用。。在實際應應用中應應注意：：(1)對結構面面進行直直剪試驗驗時，法法向應力力應與實實際工程程中的一一致。一一般認為為φb＝φR(殘余摩擦擦角）.(2)ββ是各向不不同的，，因此，，測量時時應使所所測β角與所討討論的方方向一致致。不規則粗粗糙結構構面的抗抗剪強度度Barton強度準則則考慮到三三個基本本因素（（法向力力σ、粗糙度度JRC、結構面面抗壓強強度JCS）的影響響，Barton(1977)提出確定定不規則則粗糙結結構面抗抗剪強度度公式：：式中：φb巖石表面面基本摩摩擦角。。JRC為結構面面粗糙性性系數（（0～20），Barton將其分為為10級，平平坦近平平滑結構構面為5，平坦起起伏結構構面為10，粗糙起起伏結構構面為20。結構面的的力學效效應單節理面面的力學學效應1、節理面面的破壞壞條件（（極限應應力平衡衡方程））如圖，巖巖體受σ1、σ3作用，節節理面與與最大主主平面的的交角為為β，則節理理面上的的正應力力和剪應應力為：：σ1σ3σ1σσ3βτ如節理面面強度符符合庫倫倫準則，，其強度度方程為為：式中：cj,φj為結構面面的粘結結力和內內摩擦角角。（1）（2）節理面的的破壞條條件（極極限應力力平衡方方程）或可見：節節理面上上的應力力和強度度均是β的函數。。因此，，巖體強強度與巖巖石的強強度不同同，除與與應力狀狀態有關關外，還還與節理理面的方方位有關關。β1≤β≤β2，單節理巖巖體才會會沿節理理面發生生移動破破壞，QP（1）式帶帶入（（2）式時時（3）(1)由上式式極限限平衡衡方程程可見見：當β→φφj或π/2，σ1－σ3→∞,故使方方程有有意義義(2)如圖可可見，，當β1<β<β2,巖體才才會沿沿節理理面產產生滑滑移破破壞。。故，節節理面面破壞壞β必須滿滿足的的條件件:(1)φj<β<ππ/2,(2)ββ1≤β≤≤β2。節理面面破壞壞β必須滿滿足的的條件件求β1、β2△RPM中:∠RPM=2β1-φφj;由正弦弦定律律：將RM,PM代入上上式得得：由幾何何關系系：節理最最不利利的位位置由極限限平衡衡方程程可以以看出出，應應力圓圓直徑徑（σ1－σ3）是β的函數數，當當β等于某某一個個值時時，其其直徑徑最小小，與與強度度曲線線相切切。將將上式式對β取一階階導數數，然然后令令其為為0，得：：即是說說，當當時時，節節理的的強度度最低低，最最容易易產生生破壞壞。說說明巖巖體最最容易易沿此此節理理面產產生滑滑移。。節理對對巖體體強度度的影影響從上述述分析析可見見：（1）當節節理面面傾角角β滿足β1≤β≤≤β2,且φj<ββ<π/2時，節節理才才會對對巖體體產生生影響響，這這時巖巖體的的強度度取決決于節節理的的強度度，且且當β＝45°＋φj/2時，巖巖體強強度最最低，，其莫莫爾圓圓直徑徑最小小。（2）當β增大或或減小小時，，巖體體的強強度隨隨之增增加。。（3）當β<ββ1或β>ββ2時，巖巖體強強度與與節理理無關關，取取決于于巖石石的強強度。。σ3=c時σ1－ββ曲線圍壓σ3=c增加，，即即c2>c1,巖體的的強度度隨之之增大大。多節理理的力力學效效應1、巖巖體有有兩組組相交交的節節理，，其力力學效效應可可根據據單節節理求求解，，一般般有三三種情情況：：（1）兩組組中只只有一一組節節理面面傾角角β滿足β1≤β≤≤β2,則巖體體強度度取決決于該該組節節理的的強度度，巖巖體若若發生生破壞壞，必必沿該該節理理面產產生；；（2）兩組節節理均均滿足足β1≤β≤≤β2,則巖體體強度度取決決于節節理的的臨界界應力力圓大大小。。巖體體若發發生破破壞，，必沿沿臨界界應力力圓直直徑較較小的的節理理面產產生；；（3）兩組節理理均不滿足足β1≤β≤β2,則巖體強度度取決于巖巖石本身的的強度而不不受節理的的影響。2、巖體有有多組相交交的節理當Cj=0時結構面的的力學效應應巖體中的節節理往往呈呈現cj=0,這時節理面面的抗剪強強度只靠摩摩擦力來維維持。莫爾－庫倫倫判據為：：由節理面極極限應力平平衡方程：：4.4巖體力學性性質與工程程分類巖體的力學學性質巖體變形是是巖塊變形形和結構面面變形疊加加的結果。。在長期靜靜載荷作用用下，巖體體應力（應應變）隨時時間發生變變化，表現現出流變特特性。當應應力一定時時，巖體變變形隨時間間持續增長長成為蠕變變。如課本本P95圖4.11所示。初始始蠕變階段段巖體變形形逐漸減小小，平緩變變形階段變變形速度接接近常量，，加速變形形階段變形形速度加快快直至巖體體破壞。巖巖體發生蠕蠕變破壞時時的最低應應力值成為為長期強度度。當巖體體變形一定定時，巖體體應力隨時時間持續而而減小，成成為松弛。。巖體的強度度在巖體強度度性質中，，最重要的的是抗剪強強度。巖體體的強度存存在各異性性，在垂直直于結構面面的方向上上，巖體的的抗剪強度度接近于巖巖塊的抗剪剪強度；在在平行于結結構面的方方向上，巖巖體的抗剪剪強度取決決于結構面面的抗剪強強度；在與與結構面斜斜交的方向向上巖體的的抗剪強度度隨剪切面面與結構面面的夾角而而變化。此此外，巖體體在瞬時沖沖擊載荷下下的動力強強度比靜載載荷下的強強度高。一、巖體的的單軸和三三軸壓縮變變形特性1、現場巖體的的單軸和三三軸壓縮試試驗的應力力－應變全全過程曲線線2、典型的的巖體應力力－應變全全過程曲線線4個階段：：（1）裂隙隙壓密階段段（OA）：曲線上凹（2）彈性性變形階段段（AB）:呈直線（3）塑性性變形階段段（BC）：曲線下凹（4）破壞壞后階段（（CD）：殘余強度σD峰值強度σC3、巖體變形曲曲線的基本本形式（1）直線線型：堅硬硬、完整無無裂隙巖體體直線型下凹型上凹型S型（2）下凹凹型：節理理裂隙發育育，泥質充充填，巖性性軟弱（3）上凹凹型：堅硬硬但裂隙發發育，多呈呈張開而無無充填物其它形式可可看成是這這三種形式式的組合，，如S型。4、巖石與與巖體的應應力－應變變曲線二、巖體剪切變變形特征巖體的剪切切變形是許許多巖體工工程特別是是邊坡工程程中最常見見的變形模模式。在屈服點以以下，變形曲線與與壓縮變形形相似。屈屈服點以后后，巖體內內某個結構構面和結構構體可能首首先被剪壞壞，隨之出出現一次應應力降，峰峰值前可能能出現多次次應力降。。當應力增增加到一定定程度，沒沒被剪壞部部位以瞬間間破壞的方方式出現，，并伴有一一次大的應應力降，然然后可能產產生穩定滑滑移。三、巖體各各向異性變變形特征1、特征：垂垂直層面方向巖體變形模模量E⊥明顯小于平平行層面方方向巖體的的變形模量量E∥。(a)垂直層面加力(b)平行層面加力2、變形機制制不同：3、構成巖巖體變形各各向異性的的兩個基本本要素：（1）物質質成分和物物質結構的的方向性（2）結構構面的方向向性（1）垂直層面面的壓縮變變形量主要要是由巖塊塊和結構面面（軟弱夾夾層）壓密密匯集而成成；層狀巖巖體不僅開開裂層面壓壓縮變形量量大，而且且在成巖過過程中，由由于沉積規規律的變化化，層面出出現在礦物物連結力弱弱、致密度度低的部位位，這是垂垂直層面方方向壓縮變變形量大的的另一個原原因。（2）平行層面面方向的壓壓縮變形量量主要是巖巖塊和少量量結構面錯錯動而成。。巖體的應力力量測a.應力恢復法法b.應力解除法法c.水壓致裂法法d.鉆孔崩落測測量法巖體的工程程分類巖體分類是對影響巖巖體穩定性性和影響工工程設計、、施工和維維護的各種種因素建立立一些評價價指標，對對工程轄區區巖體進行行評價，劃劃分出不同同的的級別別或類別。。分類的目的的：為巖體工工程建設的的勘察、設設計、施工工和編制定定額提供必必要的基本本依據。按分類目的的，可分為為綜合性和專專題性兩種種；按其所涉涉及的因素素多少，可可分為單因素分類類法和多因因素分類法法兩種。一、工工程巖巖體分分類的的參考考影響響因素素1、巖巖石的的質量量。主要要表現現在巖巖石的的強度度和變變形性性質方方面。。2、巖體的的完整性。巖體完整整性取決于于不連續面面的組數和和密度。可可用結構面面頻率(裂裂隙度）、、間距、巖巖心采取率率、巖石質質量指標RQD以及完整性性系數作為為定量指標標進行描述述。這些定定量指標是是表征巖體體工程性質質的重要參參數。3、結構面面條件。包括結構構面產狀、、粗糙度和和充填情況況。巖體的的工程性質質主要取決決于結構面面的性質和和分布狀態態以及其間間的充填物物性質。一、工程巖巖體分類的的參考影響響因素4、巖體及及結構面的的風化程度度。風化程度度越高，巖巖體越破碎碎，強度越越低。5、地下水水的影響。滲流，軟軟化，膨脹脹，崩解，，靜、動水水壓力等。。6、地應力力。地應力難難于測定，，它對工程程的影響程程度也難于于確定，因因此，其影影響一般在在綜合因素素中反映。。二、幾種有有代表性的的工程巖體體分類方法法式中：Rc——巖石單軸抗抗壓強度，，Mpaf≥20為1級，最最堅固；f≤0.3為為第10級級，最軟弱弱。優點：形式式簡單，使使用方便。。缺點：未考考慮巖體的的完整性、、巖體結構構特征對穩穩定性影響響，故不能能準確評價價巖體的穩穩定性。1、普氏分類類法以巖石試件件的單軸抗抗壓強度作作為分類依依據，根據據普氏堅固固性系數f將巖石分為為十級。f值越大，巖巖體越穩定定。2、巖石單軸軸抗壓強度度分類我國工程界界按巖石單單軸抗壓強強度將巖體體分為四類類：

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、按巖體完整整性系數Kv（龜裂系數數）分類式中：Vpm、Vpr—巖體、巖石石彈性縱波波速度（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4、按巖芯質質量指標（（RQD）分類蒂爾（Deer,1968)提出根據鉆鉆探時巖芯芯完好程度度來判斷巖巖體的質量量，對巖體體分類。式中：li—所取巖芯中中≥10cm長度的巖芯芯段的長度度；L—鉆進巖芯的的總程度，，m。RQD（％）0～2525~5050~7575~9090～100等級ⅠⅡⅢⅣⅤ分類很差差較好良好很好5、以彈彈性波速度度分類6、賓尼奧夫斯斯基節理巖體地地質力學分分類（RMR分級系統）賓尼奧夫斯斯基（Bieniawski，1976)提出的分類類指標RMR(RockMassRating)，由下列6種指標組成成：（1）巖塊強度度(R1)（2）RQD值(R2)（3）節理間距距(R3)（4）節理條件件(R4)（5）地下水(R5)（6）節理方向向對工程的的影響的修修正參數（（R6）即：（1）對應應巖石強度度的巖體評評分值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）對應應于巖芯質質量指標的的巖體評分分值R2RQD（％）91～10076~9051~7526~50

<25評分值20171383（3）對應應于最有影影響的節理理組間距的的巖體評分分值R3節理間距（m）>31~30.3~10.05~0.3<0.05評分值302520105（4）對于于節理狀態態的巖體評評分值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）取決決于地下水水狀態的巖巖體評分值值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（7）節理理走向與傾傾角對隧道道掘進的影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確定巖體分分級

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巖體分級的的意義考慮不支支護隧道道的自穩穩時間分類號ⅠⅡⅢⅣⅤ平均自穩時間15m跨，20年10m跨，1年5m跨，1星期2.5m跨，10h1m跨，30min巖體的內聚力(kPa)>400300~400200~300100~200

<100巖體內摩擦角>450350~450250~350150~250

<150該分類法法已得到到比較廣廣泛的應應用。7、巴頓巖巖體質量量（Q）分類挪威巴頓頓（Barton）等人于1974年根據據隧道工工程的調調查，提提出一個個用6個個參數表表達的巖巖體質量量指標Q，作為巖體體質量分分類的依依據。式中：RQD——巖石質量量指標；；Jn——節理組數數評分；；Jr——節理面粗粗糙度評評分；Jw——按裂隙水水條件評評分；Ja——節理蝕變變程度評評分；SRF——按地應力力影響評評分（應應力折減減系數））。Q反映了巖巖體質量量的三個個方面：：為巖體的的完整性性；表示結構構面的形形態、充充填物特特征及次次生變化化程度；；表示水與與其他應應力存在在時對巖巖體質量量的影響響。（1）節理組組數影響響（Jn)（2）節理粗糙度影響（Jr)（3）節理蝕變程度度影響（Ja)（4）裂隙水水影響（（Ja)（5）地應力力影響（（SRF)地下開挖挖當量直直徑：根據Q值，可將將巖體分分為9類類，如圖圖：Q分類法考考慮的地地質因素素較全面面，而且且把定性性分析與與定量評評價結合合起來了了，軟硬硬巖均適適用，在在處理極極軟弱的的巖層中中推薦采采用此分分類法。。賓尼奧夫夫斯基（（Bieniawski，1976)在大量實實測統計計的基礎礎上，發發現Q值與RMR值之間具具有如下下條件關關系：三、我國國工程巖巖體分級級標準（（GB50218-94)1、工程巖巖體分級級的基本本方法（1）確定巖巖體基本本質量《標準》認為巖石石的堅硬硬程度和和巖體完完整程度度決定巖巖體的基基本質量量。巖體體基本質質量好，，則穩定定性好；；反之，，穩定性性差。A、采用飽飽和巖石石單軸抗抗壓強度度σC劃分巖石石堅硬程程度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與點荷載載強度指指數的關關系：是指直徑徑50mm圓柱試件件徑向加加壓時的的點荷載載強度。。B、采用完完整性系系數Kv劃分巖體體完整程程度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巖體體積積節理數數Jv(條/m3)：式中：Sn——第n組節理每每米