第六章巖體的工程地質性質及巖體工程分類中國地質大學（武漢）工程學院工程地質學EngneeringGeology2023/1/31中國地質大學工程學院2第六章巖體的工程地質性質及巖體工程分類第一節巖體的結構特征第二節巖體的變形與強度性質第三節巖體的工程分類2023/1/31中國地質大學工程學院3巖體結構包括結構面和結構體兩個要素。結構面是指發育于巖體中，具有一定方向和延伸性，有一定厚度的地質界面。如斷層、節理、層理及不整合面等。結構體是指由結構面切割而成的巖石塊體。

一、結構面的類型(一)地質成因類型原生結構面構造結構面次生結構面第一節巖體的結構特征(二)力學成因類型張性結構面剪性結構面2023/1/31中國地質大學工程學院4巖體結構面的類型及其特征成因類型地質類型主

要

特

征工程地質評價產

狀分

布性

質原生結構面沉積結構面1層理層面2軟弱夾層3不整合面、假整合面4沉積間斷面一般與巖層產狀一致，為層間結構面海相巖層中此類結構面分布穩定，陸相巖層中呈交錯狀，易尖滅層面、軟弱夾層等結構面較為平整；不整合面及沉積間斷面多由碎屑泥質物構成，且不平整國內外較大的壩基滑動及滑坡很多由此類結構面所造成的，如奧斯汀、圣·弗朗西斯、馬爾帕塞壩的破壞，瓦依昂水庫附近的巨大滑坡巖漿巖結構面1侵入體與圍巖接觸面2巖脈巖墻接觸面3原生冷凝節理巖脈受構造結構面控制，而原生節理受巖體接觸面控制接觸面延伸較遠，比較穩定，而原生節理往往短小密集與圍巖接觸面可具熔合及破碎兩種不同的特征，原生節理一般為張裂面，較粗糙不平一般不造成大規模的巖體破壞，但有時與構造斷裂配合，也可形成巖體的滑移，如有的壩肩局部滑移變質結構面1片理2片巖軟弱夾層產狀與巖層或構造方向一致片理短小，分布極密，片巖軟弱夾層延展較遠，具固定層次結構面光滑平直，片理在巖層深部往往閉合成隱蔽結構面，片巖軟弱夾層具片狀礦物，呈鱗片狀在變質較淺的沉積巖，如千枚巖等路塹邊坡常見塌方。片巖夾層有時對工程及地下洞體穩定也有影響構造結構面1節理（X型節理、張節理）2斷層（沖斷層、捩斷層、橫斷層）3層間錯動4羽狀裂隙、劈理產狀與構造線呈一定關系，層間錯動與巖層一致張性斷裂較短小，剪切斷裂延展較遠，壓性斷裂規模巨大，但有時為橫斷層切割成不連續狀張性斷裂不平整，常具次生充填，呈鋸齒狀，剪切斷裂較平直，具羽狀裂隙，壓性斷層具多種構造巖，成帶狀分布，往往含斷層泥、糜棱巖對巖體穩定影響很大，在上述許多巖體破壞過程中，大都有構造結構面的配合作用。此外常造成邊坡及地下工程的塌方、冒頂次生結構面1卸荷裂隙2風化裂隙3風化夾層4泥化夾層5次生夾泥層

受地形及原結構面控制分布上往往呈不連續狀，透鏡狀，延展性差，且主要在地表風化帶內發育一般為泥質物充填，水理性質很差在天然及人工邊坡上造成危害，有時對壩基、壩肩及淺埋隧洞等工程亦有影響，但一般在施工中予以清基處理

2023/1/315(一)地質成因類型1.原生結構面是巖體在成巖過程中形成的結構面。可分為沉積結構面、巖漿結構面和變質結構面三類。沉積結構面是沉積巖在沉積和成巖過程中形成的，有層理面、軟弱夾層、沉積間斷面和不整合面等。巖漿結構面是巖漿侵入及冷凝過程中形成的結構面，包括巖漿巖體與圍巖的接觸面、各期巖漿巖之間的接觸面和原生冷凝節理等。變質結構面在變質過程中形成，分為殘留結構面和重結晶結構面。2.構造結構面是巖體形成后在構造應力作用下形成的各種破裂面，包括斷層、節理、劈理和層間錯動面等。3.次生結構面是巖體形成后在外營力作用下產生的結構面，包括卸荷裂隙、風化裂隙、次生夾泥層和泥化夾層等。2023/1/316(二)力學成因類型1、張性結構面是由拉應力形成的，如羽毛狀張裂面、縱張及橫張破裂面、巖漿巖中的冷凝節理等特點：張開度大、連續性差、形態不規則、面粗糙，起伏度大及破碎帶較寬,易被充填,常含水豐富，導水性強2、剪性結構面是剪應力形成的，破裂面兩側巖體產生相對滑移，如逆斷層、平移斷層以及多數正斷層等。特點：連續性好，面較平直，延伸較長并有擦痕鏡面等。2023/1/317走向、傾向、傾角結構面與最大主應力間的關系控制著巖體的破壞機理與強度。如圖，當結構面與最大主應力的夾角為銳角時，巖體將沿結構面產生滑動破壞（圖a）；當夾角為直角時，表現為切過結構面，產生剪斷、巖體破壞（圖b）；當夾角為0時，則表現為平行結構面的劈裂拉張破壞（圖c）。

a

b

c二、結構面特征及其對巖體力學性質的影響1、結構面產狀2023/1/3182、結構面的連續性結構面的連續性反映結構面的貫通程度，線連續性系數：指沿結構面延伸方向，結構面各段長度之和(Σa)與測線長度的比值。K1變化在0～1之間，K1值愈大說明結構面的連續性愈好K1＝1時，結構面完全貫通。2023/1/3193、結構面的密度結構面的密度反映結構面發育的密集程度。1）線密度(Kd)是指結構面法線方向單位測線長度上交切結構面的條數(條／m)。2）間距(d)則是指同一組結構面法線方向上兩相鄰結構面的平均距離。Kd與d互為倒數關系如果測線水平布置，且與結構面法線的夾角為α，結構面的傾角為β時:2023/1/3110用線密度來估算巖體質量指標RQD(rockqualitydesignation)巖體質量指標RQD：長度大于10cm的巖心長度之和與鉆孔總進尺的百分比。2023/1/31114、結構面的形態結構面的形態可以用側壁的起伏形態及粗糙度來反映。結構面側壁的起伏形態：平直的、波狀的、鋸齒狀的、臺階狀的和不規則狀的。側壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。2023/1/3112結構面的粗糙度用粗糙度系JRC(jointroughnesscoefficient)表示。隨粗糙度的增大，結構面的摩擦角也增大。根據標準粗糙度剖面將結構面的粗糙度系數劃分為10級。2023/1/3113三、巖體的結構巖體是由結構面網絡及其所圍限的巖塊(結構體)所組成。具有一定的結構是巖體的顯著特征之一。巖體中存在著復雜的天然應力狀態和地下水，這是巖體與其他材料的根本區別之一。巖體結構(rockmassstructure)指巖體中結構面與結構體的排列組合關系。1結構體特征結構體(structuralelement)指巖體中被結構面切割圍限的巖石塊體。它不同于巖塊的概念。結構體的規模取決于結構面的密度，密度愈小，結構體的規模愈大,與結構面對應,劃分為五級。2023/1/3114結構體形狀：柱狀、板狀、楔形、菱形2023/1/31152巖體的結構類型巖體結構類型巖體地質類型主要結構形狀結構面發育情況巖土工程特征可能發生的巖土工程問題整體狀結構均質，巨塊狀巖漿巖、變質巖，巨厚層沉積巖、正變質巖巨塊狀以原生構造節理為主，多呈閉合型，裂隙結構面間距大于15m，一般不超過1～2組，無危險結構面組成的落石掉塊整體性強度高，巖體穩定，可視為均質彈性各向同性體不穩定結構體的局部滑動或坍塌，深埋洞室的巖爆塊狀結構厚層狀沉積巖、正變質巖、塊狀巖漿巖、變質巖塊狀、柱狀只具有少量貫穿性較好的節理裂隙，裂隙結構面間距0.7～1.5m。一般為2～3組，有少量分離體整體強度較高，結構面互相牽制，巖體基本穩定，接近彈性各向同性體層狀結構多韻律的薄層及中厚層狀沉積巖、副變質巖層狀、板狀、透鏡體有層理、片理、節理，常有層間錯動面接近均一的各向異性體，其變形及強度特征受層面及巖層組合控制，可視為彈塑性體，穩定性較差不穩定結構體可能產生滑塌，特別是巖層的彎張破壞及軟弱巖層的塑性變形碎裂狀結構構造影響嚴重的破碎巖層塊狀斷層、斷層破碎帶、片理、層理及層間結構面較發育，裂隙結構面間距0.25~0.5m，一般在3組以上，由許多分離體形成完整性破壞較大，整體強度很低，并受斷裂等軟弱結構面控制，多呈彈塑性介質，穩定性很差易引起規模較大的巖體失穩，地下水加劇巖體失穩散體狀結構構造影響劇烈的斷層破碎帶，強風化帶，全風化帶碎屑狀顆粒狀斷層破碎帶交叉，構造及風化裂隙密集，結構面及組合錯綜復雜，并多充填粘性土，形成許多大小不一的分離巖塊完整性遭到極大破壞，穩定性極差，巖體屬性接近松散體介質易引起規模較大的巖體失穩，地下水加劇巖體失穩2023/1/3116整體狀結構與塊狀結構2023/1/3117層狀結構2023/1/3118碎裂狀結構2023/1/3119散體狀結構2023/1/3120一、法向變形性質1.法向變形特征兩塊試件（含結構面、不含結構面）做變形試驗，得變形曲線σｎ-ΔＶ，設不含結構面的巖塊變形為ΔＶｒ，含結構面的巖塊變形為ΔＶｔ，則結構面的變形（法向閉合變形）ΔＶｊ為：ΔＶｊΔＶｔΔＶｒΔＶｊ＝ΔＶｔ－ΔＶｒ第二節結構面的變形與強度性質2023/1/3121應力-變形關系曲線

ABC2023/1/3122法向剛度Ｋｎ（normalstiffness）是指在法向應力作用下，結構面產生單位法向變形所需要的應力，在數值上等于σｎ-Ｖｊ曲線上一點的切線斜率。2.法向剛度2023/1/3123粗糙結構面，呈脆性變形型平直結構面，呈塑性變形型結構面變形與風化程度有關結構面的剪切剛度，隨法向應力的增大而增大，隨結構面的規模增大而降低。1、剪切變形特征二、結構面的剪切變形性質2023/1/3124剪切剛度KS（shearstiffness）是反映結構面剪切變形性質的重要參數，其數值等于峰值前τ-u曲線上任一點的切線斜率。2.剪切剛度2023/1/3125（一）平直無充填的結構面平直無充填的結構面包括剪應力作用下形成的剪性破裂面，如剪節理、剪裂隙等，發育較好的層理面與片理面。特點是面平直、光滑，只具微弱的風化蝕變。堅硬巖體中的剪破裂面還發育有鏡面、擦痕及應力礦物薄膜等。這類結構面的抗剪強度大致與人工磨制面的摩擦強度接近，即：三、結構面的強度性質2023/1/3126（二）粗糙起伏無充填的結構面

剪切特點：①當σ較小時，上盤巖塊上下運動，產生爬坡效應，增大了τ②當σ較大時，將剪斷凸起而運動，也增大了τσττ2023/1/31271、規則鋸齒形結構面（1）σ較小，剪脹作用Patton公式2023/1/3128（2）σ較大，啃斷作用式中

，Ｃ分別為結構面壁巖的內摩擦角和內聚力。上式為法向應力σ≥σ1時，結構面的抗剪強度，其包絡線如圖所示。剪斷凸起的條件為：2023/1/31292、不規則起伏結構面自然界巖體中絕大多數結構面的粗糙起伏形態是不規則的，起伏角也不是常數。其強度包絡線不是折線，而是曲線形式。2023/1/3130巴頓對８種不同粗糙起伏的結構面進行了試驗研究，提出了剪脹角的概念并用以代替起伏角，剪脹角αｄ（angleofdilatancy）的定義為剪切時剪切位移的軌跡線與水平線的夾角，即：2023/1/3131Barton方程：Barton通過大量結構面剪切試驗，用統計方法求得結構面的基本摩擦角u＝２５°～３５°之間。因此，上式右邊的第二項應當就是結構面的基本摩擦角u

，而第一項的系數取整數２。Barton方程2023/1/3132（三）非貫通斷續的結構面這類結構面由裂隙面和非貫通的巖橋組成。在剪切過程中，一般認為兩者都起抗剪作用。通過的裂隙面和巖橋都起抗剪作用。假設沿整個剪切面上的應力分布是均勻的，結構面的線連續性系數為Ｋ1，則整個結構面的抗剪強度為：裂面巖橋裂面巖橋Ctgφ2023/1/3133裂面巖橋裂面巖橋Ctgφ2023/1/31中國地質大學工程學院賈洪彪34（四）具有充填物的軟弱結構面具有充填物的軟弱結構面包括泥化夾層和各種類型的夾泥層，其形成多與水的作用和各類滑錯作用有關。這類結構面的力學性質常與充填物的物質成分、結構及充填程度和厚度等因素密切相關。2023/1/3135第三節巖體的變形與強度性質

巖體的變形是巖塊變形和結構變形的總和，結構變形通常包括結構面閉合、充填物的壓密及結構體轉動和滑動等變形。巖體變形=巖塊變形+結構面閉合+充填物壓縮+其他變形在一般情況下，巖體的結構變形起著控制作用。2023/1/3136一、巖體變形性質承壓板法狹縫法鉆孔變形法水壓洞室法單(雙)軸壓縮試驗法聲波法地震波法原位巖體變形試驗靜力法動力法1、巖體變形試驗2023/1/3137（1）法向變形曲線直線型上凹型上凸型復合型2、巖體變形曲線類型及其特征

2023/1/3138（2）剪切變形曲線峰值前曲線平均斜率小，破壞位移大；峰值后應力降很小或不變。多為沿軟弱結構面剪切。峰值前曲線平均斜率較大，峰值強度較高。峰值后應力降較大。多為沿粗糙結構面、軟弱巖體及劇風化巖體剪切。峰值前曲線斜率大，線性段和非線性段明顯，峰值強度高，破壞位移小。峰值后應力降大，殘余強度較低。多為剪斷堅硬巖體。2023/1/3139二、巖體的強度性質巖體強度是指巖體抵抗外力破壞的能力。巖體的強度既不同于巖塊的強度，也不同于結構面的強度，一般情況下，其強度介于巖塊與結構面強度之間。巖體和巖塊一樣，巖體強度也有抗壓強度、抗拉強度和剪切強度之分。2023/1/31401、巖體的剪切強度

巖體的剪切強度是指巖體內任一方向剪切面，在法向應力作用下所能抵抗的最大剪應力。剪切強度分為抗剪斷強度、抗剪強度和抗切強度。抗剪斷強度是指在任一法向應力下，橫切結構面剪切破壞時巖體能抵抗的最大剪應力。抗剪強度是指在任一法向應力下，巖體沿已有破裂面剪切破壞時的最大應力。抗切強度是指剪切面上的法向應力為零時的抗剪斷強度。2023/1/3141巖體的剪切強度是具有上限和下限的值域，其強度包絡線也是有上限和下限的曲線族。上限是巖體的剪斷強度,下限是結構面的抗剪強度。應力σ較低時，強度變化范圍較大，隨著應力增大，范圍逐漸變小。應力σ高到一定程度時，包絡線變為一條曲線，巖體強度將不受結構面影響而趨于各向同性體。沿結構面剪切(重剪破壞)時，巖體剪切強度最低，等于結構面的抗剪強度。橫切結構面剪切(剪斷破壞)時，巖體剪切強度最高。沿復合剪切面剪切(復合破壞)時，其強度介于以上兩者之間。2023/1/3142堅硬巖石軟弱巖石2023/1/31432、裂隙巖體的壓縮強度

巖體的壓縮強度分為單軸抗壓強度和三軸壓縮強度。在生產實際中，通常是采用原位單軸壓縮和三軸壓縮試驗來確定。

2023/1/3144單結構面理論2023/1/31453、裂隙巖體強度的經驗估算

Hoek-Brown的經驗方程2023/1/3146方法：通過巖體的一些簡單和容易實測的指標，把工程地質條件和巖體力學性質參數聯系起來，并借鑒已建工程設計、施工和處理等方面成功與失敗的經驗教訓，對巖體進行歸類的一種工作方法。目的：通過分類，概括地反映各類工程巖體的質量好壞，預測可能出現的巖體力學問題。為工程設計、支護襯砌、建筑物選型和施工方法選擇等提供參數和依據。第四節巖體的工程分類2023/1/3147一、巖塊的工程分類

1、Deere&Miller雙指標分類分類指標：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＜2002023/1/31482國標《巖土工程勘察規范》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)代表性巖石硬質巖石極硬巖石＞60花崗巖、花崗片麻巖、閃長巖、玄武巖、石灰巖、石英砂巖、石英巖、大理巖、硅質礫巖等次硬巖石30~60軟質巖石次軟巖石5~30粘土巖、頁巖、千枚巖、綠泥石片巖、云母片巖等極軟巖石＜52023/1/3149二、巖體的工程分類1巖體質量分級2洞室圍巖分類3巖體地質力學分類（RMR分類）4巴頓巖體質量分類（Q分類）2023/1/31501、巖體質量分級（《工程巖體分級標準》GB50218-94）

分級指標：巖體基本質量指標BQ

BQ=90+3σcw+250Kv

當σcw＞90Kv＋30時，令σcw＝90Kv＋30當Kv＞0.04σcw＋0.4時，令Kv＝0.04σcw＋0.4Jv與Kv對照表Jv(條/m3)＜33~1010~2020~35＞35Kv＞0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15＜0.152023/1/31512023/1/31522023/1/31532023/1/3154分級方法：（1）按巖體基本質量指標BQ進行初步分級（2）根據天然應力、地下水和結構面方位等對BQ進行修正（3）按修正后的［BQ］進行詳細分級基本質量級別巖體質量的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＜2502023/1/3155巖石飽和單軸抗壓強度σcw(MPa)＞6060~3030~1515~5＜5堅硬程度堅硬巖較堅硬巖較軟巖軟巖極軟巖巖石堅硬程度劃分表

巖體完整程度劃分表

巖體完整性系數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2023/1/3156各級巖體物理力學參數及圍巖自穩能力表

級別密度ρ(g/cm3)抗剪強度變形模量E(GPa)泊松比μ圍巖自穩能力φ(°)C(MPa)Ⅰ＞2.65＞60＞2.1＞330.2跨度≤20m，可長期穩定，偶有掉塊，無塌方Ⅱ＞2.6560~502.1~1.533~200.2~0.25跨度10~20m，可基本穩定，局部可掉塊或小塌方;跨度＜10m，可長期穩定，偶有掉塊Ⅲ2.65~2.4550~391.5~0.720~60.25~0.3跨度10~20m，可穩定數日~1月，可發生小至中塌方；跨度5~10m，可穩定數月，可發生局部塊體移動及小至中塌方；跨度＜5m，可基本穩定Ⅳ2.45~2.2539~270.7~0.26~1.30.3~0.35跨度＞5m，一般無自穩能力，數日至數月內可發生松動、小塌方，進而發展為中至大塌方。埋深小時，以拱部松動為主，埋深大時，有明顯塑性流動和擠壓破壞；跨度≤5m，可穩定數日至1月Ⅴ＜2.25＜27＜0.2＜1.3＞0.35無自穩能力2023/1/3157當地下洞室圍巖處于高天然應力區或圍巖中有不利于巖體穩定的軟弱結構面和地下水時，巖體BQ值應進行修正，修正值［BQ］按下式計算：［BQ］＝BQ－100(K1＋K2＋K3)

K1-地下水影響修正系數；

K2-主要軟弱面產狀影響修正系數；

K3-天然應力影響修正系數。根據修正值的［BQ］進行重新分級。確定各級巖體的物理力學參數和圍巖自穩能力。2023/1/3158K1BQ＞450450~350350~250＜25地下水狀態潮濕或點滴狀出水00.10.2~0.30.4~0.6淋雨狀或涌流狀出水，水壓≤0.1MPa或單位水量＜10L／min0.10.2~0.30.4~0.60.7~0.9淋雨狀或涌流狀出水，水壓＞0.1MPa或單位水量＞10L／min0.20.4~0.60.7~0.91.0地下水影響修正系數(K1)表

2023/1/3159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夾角α＜30°，傾角β＝30°~75°結構面走向與洞軸線夾角α＞60°，傾角β＞75°其他組合K20.4~0.50~0.20.2~0.4主要軟弱結構面產狀影響修正系數(K2)表

K3BQ

＞550550~450450~350350~250＜250天然應力狀態極高應力區1.01.01.0~1.51.0~1.51.0高應力區0.50.50.50.5~1.00.5~1.0天然應力影響修正系數(K3)表

2023/1/31602、洞室圍巖分類

（《錨桿噴射混凝土支護技術規范》）分類指標：巖體結構、結構面發育特征、巖石強度及巖體聲學性質、優點：給出了毛洞自穩性的工程地質評價，給出了各類圍巖的噴錨支護設計參數及圍巖物理力學性質的計算指標。2023/1/3161圍巖類別主要工程地質特點毛洞穩定情況巖體結構構造影響程度，結構面發育情況和組合狀態巖石強度指標巖體聲波指標巖體強度應力比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Kv

Ⅰ整體狀及層間結合良好的厚層狀結構構造影響輕微，偶有小斷層。結構面不發育，僅有兩到三組，平均間距大于0.8m，以原生和構造節理為主，多數閉合，無泥質充填，不貫通。層間結合良好，一般不出現不穩定塊體＞60＞2.5＞5

＞0.75

毛洞跨度5~10m時，長期穩定，一般無碎塊掉落

GBJ86-2002圍巖分類

2023/1/31623.巖體地質力學分類(RMR分類)分類指標巖塊強度RQD值節理間距節理條件地下水2023/1/3163（1）根據各類指標的數值，按右表的標準評分，求和得總分RMR值。

分類參數數

值

范

圍1完整巖石強度(MPa)點荷載強度指標＞104~102~41~2對強度較低的巖石宜用單軸抗壓強度單軸抗壓強度＞250100~25050~10025~505~251~5＜1評

分

值1512742102巖心質量指標RQD(％)90~10075~9050~7525~50＜25評

分

值201510833節理間距(cm)＞20060~20020~606~20＜6評

分

值201510854節理條件節理面很粗糙，節理不連續，節理寬度為零，節理面巖石堅硬節理面稍粗糙，寬度＜1mm，節理面巖石堅硬節理面稍粗糙，寬度＜1mm，節理面巖石軟弱節理面光滑