第四章岩体的力学性质与工程分类4.1概述岩体与完整的岩石材料不同，它是地质体的一部分，其中存在着断层、节理、层面等各种不连续面（或称结构面），岩体在这些不连续面的切割下，形成一定的岩体结构并赋存于一定的地质环境之中，因此岩体在力作用下的变形与强度特征要比岩石材料复杂得多。岩体的变形与强度，一方面取决于它的受力条件，另一方面则受岩体本身特征及赋存条件的影响。其影响主要有：（1）组成岩体的岩石材料性质的影响；(2)岩石中结构面力学性质的影响；(3）岩体内结构面的发育组合情况一一岩体结构类型的影响；(4)赋存环境的影响，特别是水和地应力的影响。其中，结构面的影响是使岩体力学性质不同于完整岩石材料力学性质的根本原因。因此，研究岩体的变形和强度特征，必须重点研究结构面的力学效应。岩体中的一般微观不连续面，可以忽略不计，当作连续介质来研究。若有一定方向的较小裂隙，如结合良好的层理，可以当作各向异性的连续介质。但由于不连续面的存在，不连续面的特性在很大程度上控制岩体特性时，对于这种岩体，我们称之为不连续岩体或裂隙岩体。不连续岩体的力学性能由于有结构面的存在而大大削弱，这要分为两种情况来分析。一种情况是岩体中存在几组结构面，或者结构面密度不大，或者结构面没有贯通，或者结构面虽然贯通，但切割成镶嵌的块体，在这些情况下，在某几个方向即最不利方位上的岩体力学性能受到很大削弱，但在某些方向上岩体力学性能却影响较小。对于这种情况，在实际岩石工程中，必须注意到结构物力的作用方向与岩体最不利方向的关系。另外一种情况是岩体受结构面切割已经非常破碎，岩体性能无论在哪个方向上都受到不同程度的、极大的削弱，这时岩体就应该看作是完全碎裂的散体结构来加以处理。研究不连续岩体首先要研究岩体不连续面的力学特性，并需要注意以下几点。(1）结构面胶结或结合情况，如虽有结构面，但胶结良好，结构面上还可以有较高的抗剪强度：（2）结构面的充填情况，如果结构面间没有充填，结构面间的抗剪性能受结构面自身特性控制。若结构面问有充填，并有一定厚度，则抗剪性能受充填材料性能控制：(3）结构面粗糙度及起伏度的形态特征；68
68 第四章 岩体的力学性质与工程分类 4.1 概 述 岩体与完整的岩石材料不同，它是地质体的一部分，其中存在着断层、节理、层面 等各种不连续面(或称结构面)，岩体在这些不连续面的切割下，形成一定的岩体结构并 赋存于一定的地质环境之中，因此岩体在力作用下的变形与强度特征要比岩石材料复杂 得多。 岩体的变形与强度，一方面取决于它的受力条件，另一方面则受岩体本身特征及赋 存条件的影响。其影响主要有： (1) 组成岩体的岩石材料性质的影响； (2) 岩石中结构面力学性质的影响； (3) 岩体内结构面的发育组合情况——岩体结构类型的影响； (4) 赋存环境的影响，特别是水和地应力的影响。 其中，结构面的影响是使岩体力学性质不同于完整岩石材料力学性质的根本原因。 因此，研究岩体的变形和强度特征，必须重点研究结构面的力学效应。 岩体中的一般微观不连续面，可以忽略不计，当作连续介质来研究。若有一定方向 的较小裂隙，如结合良好的层理，可以当作各向异性的连续介质。但由于不连续面的存 在，不连续面的特性在很大程度上控制岩体特性时，对于这种岩体，我们称之为不连续 岩体或裂隙岩体。不连续岩体的力学性能由于有结构面的存在而大大削弱，这要分为两 种情况来分析。一种情况是岩体中存在几组结构面，或者结构面密度不大，或者结构面 没有贯通，或者结构面虽然贯通，但切割成镶嵌的块体，在这些情况下，在某几个方向 即最不利方位上的岩体力学性能受到很大削弱，但在某些方向上岩体力学性能却影响较 小。对于这种情况，在实际岩石工程中，必须注意到结构物力的作用方向与岩体最不利 方向的关系。另外一种情况是岩体受结构面切割已经非常破碎，岩体性能无论在哪个方 向上都受到不同程度的、极大的削弱，这时岩体就应该看作是完全碎裂的散体结构来加 以处理。 研究不连续岩体首先要研究岩体不连续面的力学特性，并需要注意以下几点。 (1) 结构面胶结或结合情况，如虽有结构面，但胶结良好，结构面上还可以有较高 的抗剪强度； (2) 结构面的充填情况，如果结构面间没有充填，结构面间的抗剪性能受结构面自 身特性控制。若结构面问有充填，并有一定厚度，则抗剪性能受充填材料性能控制； (3) 结构面粗糙度及起伏度的形态特征；
（4）结构面的贯通性，延展规模；(5）结构面的密度：（6）结构面空间分布情况，即结构面是如何组合的，如果是贯通切割的，则形成块体的形状等。目前试验研究岩体的方法大致可分为现场的原位试验研究和试验室的模型试验研究。现场实际岩体是多组结构面互相作用，有的裂隙甚至没有明确的规律性，如果一开始就研究如此复杂的岩体是非常困难的，因此常常把实物抽象成为简单的模型，例如先研究一种结构面的力学特性，进而研究存在多组结构面模型的力学性能。只有对个别单一的现象研究清楚，再进行现场大型试验，与之分析对比，才能较好地分析包括错综复杂地质结构在内的岩体性质。为了在工程设计与施工中能区分出岩体质量的好坏和表现在稳定性上的差别，需要对岩体做出合理分类，作为选择工程结构参数、科学管理生产以及评价经济效益的依据之一。因此，岩体工程分类也是岩石力学与工程应用方面的基础性工作。4.2岩体结构在工程分析中，岩石常被作为线弹性、均质和各向同性的介质处理，但是这种特定的性状对于认识岩体内部应力、应变的真实性是有限度的。岩石是矿物颗粒的聚集体。岩石的物理力学性质随看所测定的空间方位不同而有所差异，这种差异表明岩石是非均质的。对于矿物成分复杂的结晶岩体和层状岩体来说：它的不均匀性更为显著，因此通常所说的均质岩体，只是就其大体而言，而且只是为了在工程分析中简化的目的。严格地说岩石的非均质性是无条件的，绝对的，而其具有均质性的特点则是有条件的，相对的。岩石的物理力学性质随结构的取向不同，而产生的方向性特点，称为各向异性。岩石的各向异性是岩石的结构性的反映。岩石具有两种结构性：一是微观结构性，即岩石内部的结构性，它是以组成岩石的矿物结晶程度、颗粒大小、形状和胶结方式为特征的：二是宏观结构性，即岩体的结构性，它是以岩体中存在的各种不连续面为特征的。岩体中不连续面的普遍存在，使岩体具有明显的不连续性或多裂障性。岩石的不均匀性、各向异性和不连续性，使其具有与一般材料完全不同的性质。这就导致对它进行力学分析时，要比一般材料来得困难。目前要完全考虑这些性质进行分析还缺少成熟的方法，因此在一般情况下，仍然假定岩体为线弹性的、均质的和各向同性的介质。岩体是指一定范围内的天然岩石。岩体经受过各种不同构造运动的改造和风化次生作用的演化，所以在岩体中存在着各种不同的地质界面，这种地质界面称为结构面，例如层理面、节理面、裂隙和断层等。由这些结构面所切割和包围的岩块体，称为结构体。因此岩体就是由结构面和结构体两种单元所组成的地质体。国内工程地质界称之为岩体69
69 (4) 结构面的贯通性，延展规模； (5) 结构面的密度； (6) 结构面空间分布情况，即结构面是如何组合的，如果是贯通切割的，则形成块 体的形状等。 目前试验研究岩体的方法大致可分为现场的原位试验研究和试验室的模型试验研 究。现场实际岩体是多组结构面互相作用，有的裂隙甚至没有明确的规律性，如果一开 始就研究如此复杂的岩体是非常困难的，因此常常把实物抽象成为简单的模型，例如先 研究一种结构面的力学特性，进而研究存在多组结构面模型的力学性能。只有对个别单 一的现象研究清楚，再进行现场大型试验，与之分析对比，才能较好地分析包括错综复 杂地质结构在内的岩体性质。 为了在工程设计与施工中能区分出岩体质量的好坏和表现在稳定性上的差别，需要 对岩体做出合理分类，作为选择工程结构参数、科学管理生产以及评价经济效益的依据 之一。因此，岩体工程分类也是岩石力学与工程应用方面的基础性工作。 4.2 岩体结构 在工程分析中，岩石常被作为线弹性、均质和各向同性的介质处理，但是这种特定 的性状对于认识岩体内部应力、应变的真实性是有限度的。 岩石是矿物颗粒的聚集体。岩石的物理力学性质随着所测定的空间方位不同而有所 差异，这种差异表明岩石是非均质的。对于矿物成分复杂的结晶岩体和层状岩体来说， 它的不均匀性更为显著，因此通常所说的均质岩体，只是就其大体而言，而且只是为了 在工程分析中简化的目的。严格地说岩石的非均质性是无条件的，绝对的，而其具有均 质性的特点则是有条件的，相对的。 岩石的物理力学性质随结构的取向不同，而产生的方向性特点，称为各向异性。岩 石的各向异性是岩石的结构性的反映。岩石具有两种结构性：一是微观结构性，即岩石 内部的结构性，它是以组成岩石的矿物结晶程度、颗粒大小、形状和胶结方式为特征的； 二是宏观结构性，即岩体的结构性，它是以岩体中存在的各种不连续面为特征的。岩体 中不连续面的普遍存在，使岩体具有明显的不连续性或多裂隙性。岩石的不均匀性、各 向异性和不连续性，使其具有与一般材料完全不同的性质。这就导致对它进行力学分析 时，要比一般材料来得困难。目前要完全考虑这些性质进行分析还缺少成熟的方法，因 此在一般情况下，仍然假定岩体为线弹性的、均质的和各向同性的介质。 岩体是指一定范围内的天然岩石。岩体经受过各种不同构造运动的改造和风化次生 作用的演化，所以在岩体中存在着各种不同的地质界面，这种地质界面称为结构面，例 如层理面、节理面、裂隙和断层等。由这些结构面所切割和包围的岩块体，称为结构体。 因此岩体就是由结构面和结构体两种单元所组成的地质体。国内工程地质界称之为岩体
结构。它是一个复杂的地质体。岩体的力学性质是结构面和结构体这两个基本单元体力学性质的综合性质，通常由工程现场岩体的力学试验而获得。软弱结构面的强度与岩块相比要低很多，所以也简称为弱面。岩块是指脱离天然状态的岩石块体，或岩体中的结构体，例如钻取的岩芯、爆破得到的石料，以及各种形状的岩体结构体。所以它是不包含具有显著影响的结构面的均质块体。岩块是由各种造岩矿物的结晶颗粒，借助于颗粒间的分子作用力，或借助于外来胶结物的连接而成。因此岩块或岩石的力学性质，主要取决于矿物成分，颗粒大小和颗粒间的连接方式，以及它的结构和构造性质。岩体结构是岩块单元的集合体。这些单元体以结构面为边界，并有规律地按照某一种排列方式组成一个整体，为了便于反映岩体被结构面切割的程度和概括这些单元体组合的规律，人为地提出了“岩体结构”的概念，以区别于只具有微观不连续的岩石，例如层状结构是指在工程范围内一组弱面明显发育的岩体。同时，将结构面组合起来切割而成的单元体称为结构体。岩体结构由结构面和结构体两个单元组成。也就是说，岩体结构是指岩体中结构面和结构体形态和组合的特征。图4-1表示了岩体结构与其组成部分（结构面和结构体）的相互关系。Scale(A4sizedpaper)图4-1岩石与岩体结构示意图4.2.1结构面的类型与自然特性1结构面的类型结构面按其成因可分为原生结构面、构造结构面及次生结构面三种。下面简要地介绍各种结构面的形成和分布规律。（1）原生结构面：就是指在成岩过程中形成的结构面。它包括沉积结构面、火成结构面和变质结构面。沉积结构面：沉积结构面是沉积岩层在沉积成岩过程中形成的，如层理、不整合面、70
70 结构。它是一个复杂的地质体。岩体的力学性质是结构面和结构体这两个基本单元体力 学性质的综合性质，通常由工程现场岩体的力学试验而获得。软弱结构面的强度与岩块 相比要低很多，所以也简称为弱面。 岩块是指脱离天然状态的岩石块体，或岩体中的结构体，例如钻取的岩芯、爆破得 到的石料，以及各种形状的岩体结构体。所以它是不包含具有显著影响的结构面的均质 块体。岩块是由各种造岩矿物的结晶颗粒，借助于颗粒间的分子作用力，或借助于外来 胶结物的连接而成。因此岩块或岩石的力学性质，主要取决于矿物成分，颗粒大小和颗 粒间的连接方式，以及它的结构和构造性质。 岩体结构是岩块单元的集合体。这些单元体以结构面为边界，并有规律地按照某一 种排列方式组成一个整体，为了便于反映岩体被结构面切割的程度和概括这些单元体组 合的规律，人为地提出了“岩体结构”的概念，以区别于只具有微观不连续的岩石，例 如层状结构是指在工程范围内一组弱面明显发育的岩体。同时，将结构面组合起来切割 而成的单元体称为结构体。岩体结构由结构面和结构体两个单元组成。也就是说，岩体 结构是指岩体中结构面和结构体形态和组合的特征。 图 4-1 表示了岩体结构与其组成部分（结构面和结构体）的相互关系。 图 4-1 岩石与岩体结构示意图 4.2.1 结构面的类型与自然特性 1 结构面的类型 结构面按其成因可分为原生结构面、构造结构面及次生结构面三种。下面简要地介 绍各种结构面的形成和分布规律。 (1) 原生结构面：就是指在成岩过程中形成的结构面。它包括沉积结构面、火成结 构面和变质结构面。 沉积结构面：沉积结构面是沉积岩层在沉积成岩过程中形成的，如层理、不整合面
软弱夹层或古风化夹层等。沉积结构面是岩层的结合面，有平整光滑面，也有起伏的粗糙面，这类结构面都连续分布并能延伸很远。变质结构面：受变质作用而形成的结构面，有片理和各种片状岩石的夹层，如滑石片岩、云母片岩、绿泥片岩等等。岩体中的片理对岩体强度起控制作用。火成结构面：火成结构面是指岩浆侵入活动及冷凝过程中形成的原生结构面，如火成岩与围岩的接触面。当接触面因高温混熔而很致密时，对岩体稳定没有多大影响：接触面很破碎时，则属软弱结构面。2）构造结构面：就是指岩体受构造应力作用所产生的破裂面或破碎带。它包括构造节理、断层、劈理以及层间错动面等。构造结构面对岩体的稳定性影响很大。在岩体破坏过程中大多都有构造结构面的配合。所以研究构造结构面尤其重要。分析研究指出，岩体中的断裂与岩石一样，只有剪性与张性两种。凡是剪切断裂必有两组共生：其锐角等分线为最大主应力方向。由于在岩石力学中，压应力为正，拉应力为负。所以当两组断裂直接由压应力形成时，张应力方间压应力方向压应力在图示条件下是最大主应力方向：锐角等1分线应当是压应力方向（图4-2a）。如果两组断裂直接由张应力形成，张应力在图示条件下是最小主应力，则锐角等分线与张应力方向垂直：钝角等分线上才是张应力方向（图4-2b）。凡是张性断裂，其张裂面平行于最大压应力方向或垂直于最0b)大张应力方向。构造结构面的性质与其力学成因、规模、多图4-2剪切断裂力学成因示意图次构造变动及次生变化有着密切关系，一般来说张性结构面粗糙不平，常具有次生物质充填；扭性破裂面表面光滑、平整、多呈闭合状；压性或压扭性破裂面多呈波状起伏，并月具有相当规模。（3）次生结构面：就是指岩体受卸荷、风化和地下水活动等次生作用所产生的结构面。如卸荷裂隙、风化裂隙以及各种泥化夹层、次生夹泥等。在上述各种次生结构面中，由于泥质物的充填或蒙上薄的泥膜，对于岩体来说，都是增加了不稳定的因素。如果它是分布在坝基、坝肩，隧洞洞口和岩质边坡等部位，要特别引起注意。各种结构面的特征示于表4-1。2结构面的自然特性为了确定结构面的工程地质性质，必须仔细研究结构面的自然特性，即结构面的规模，结构面上的物质组成，结构面的结合状态和空间分布以及密集程度等等。兹分别叙述如下：（1）结构面的等级：随着结构面的规模不同，结构面对岩休稳定性的影响也有所不同。因此，常常按照结构面的规模，把它分为五种等级：、I、IⅢI、IV、V，其中I71
71 软弱夹层或古风化夹层等。沉积结构面是岩层的结合面，有平整光滑面，也有起伏的粗 糙面，这类结构面都连续分布并能延伸很远。 变质结构面：受变质作用而形成的结构面，有片理和各种片状岩石的夹层，如滑石 片岩、云母片岩、绿泥片岩等等。岩体中的片理对岩体强度起控制作用。 火成结构面：火成结构面是指岩浆侵入活动及冷凝过程中形成的原生结构面，如火 成岩与围岩的接触面。当接触面因高温混熔而很致密时，对岩体稳定没有多大影响；接 触面很破碎时，则属软弱结构面。 (2) 构造结构面：就是指岩体受构造应力作用所产生的破裂面或破碎带。它包括构 造节理、断层、劈理以及层间错动面等。构造结构面对岩体的稳定性影响很大。在岩体 破坏过程中大多都有构造结构面的配合。所以研究构造结构面尤其重要。 分析研究指出，岩体中的断裂与岩石一样，只有剪性与张性两种。凡是剪切断裂必 有两组共生；其锐角等分线为最大主应力方向。由于在岩石力学中，压应力为正，拉应 力为负。所以当两组断裂直接由压应力形成时， 压应力在图示条件下是最大主应力方向；锐角等 分线应当是压应力方向（图 4-2a）。如果两组断裂 直接由张应力形成，张应力在图示条件下是最小 主应力，则锐角等分线与张应力方向垂直；钝角 等分线上才是张应力方向（图 4-2b）。凡是张性断 裂，其张裂面平行于最大压应力方向或垂直于最 大张应力方向。 构造结构面的性质与其力学成因、规模、多 次构造变动及次生变化有着密切关系，一般来说， 张性结构面粗糙不平，常具有次生物质充填；扭性破裂面表面光滑、平整、多呈闭合状； 压性或压扭性破裂面多呈波状起伏，并且具有相当规模。 (3) 次生结构面：就是指岩体受卸荷、风化和地下水活动等次生作用所产生的结构 面。如卸荷裂隙、风化裂隙以及各种泥化夹层、次生夹泥等。 在上述各种次生结构面中，由于泥质物的充填或蒙上薄的泥膜，对于岩体来说，都 是增加了不稳定的因素。如果它是分布在坝基、坝肩，隧洞洞口和岩质边坡等部位，要 特别引起注意。各种结构面的特征示于表 4-1。 2 结构面的自然特性 为了确定结构面的工程地质性质，必须仔细研究结构面的自然特性，即结构面的规 模，结构面上的物质组成，结构面的结合状态和空间分布以及密集程度等等。兹分别叙 述如下： (1) 结构面的等级：随着结构面的规模不同，结构面对岩休稳定性的影响也有所不 同。因此，常常按照结构面的规模，把它分为五种等级：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，其中Ⅰ 图 4-2 剪切断裂力学成因示意图
级规模最大，长度为数十公里，直接关系到工程所在的区域稳定性，V级规模最小，长度一般在数米以内，对具体工程影响较大。这方面的详细情况见工程地质学专著。表 4-1岩体结构面类型及特征成主要特征因地质类型工程地质评价类产状分布性质型层面、软弱夹层沉1层状节理海相岩层中此类等结构面较为平国内外较大的坝积软弱夹层一般与岩层结构面分布稳定，整，不整合面及沉基滑动及滑坡很多结3不整合面，假产状一致，为陆相岩层中呈交错积间断面多由碎由此类结构面所造构整合面岩层结构面状，易尖灭成屑、泥质物构成且面4沉积间断面不平整结构面光滑平在变质较浅的沉变片理短小，分布直，片理在岩体深积变质岩，如千枚质1片理与岩层或构密集。片岩软弱夹部往往闭合成隐蔽岩等的路堑边坡常结造线方向一致层延展较远，具固结构面，片岩软弱见塌方。片岩夹层2片岩软弱夹层构定层次夹层含片状矿物，有时对工程及地下面呈鳞片状碉室稳定也有影响火1侵入体与围岩岩脉受构造一般不造成大规接触面延伸较接触面有熔合及成接触面结构面控制，模的岩体破坏。但远，比较稳定，而破裂两种。原生节结而原生节理受2岩脉岩墙接触有时与构造断裂配原生节理往往短小理一般为张裂面，构面岩体接触面控合，也可形成岩体密集较粗糙不平面制的滑移3原生冷凝节理张性断裂不平对岩体稳定性影张性断裂较小。整，常有次生充填，构响较大，在许多岩1节理与构造线呈剪切断裂延展较呈针状。剪切断裂造体破坏过程中，大2断层定关系，层远。压性断裂规模较平直。具羽状裂结多都有构造结构面3层间错动面间错动与岩层巨大，但有时被横隙。压性断层具多构的配合作用。此外，4羽状裂隙劈理一致断层切割成不连续种构造，岩层带状面常造成边坡及地下状分布，往往含断层工程的塌方冒项泥和摩棱岩次1卸荷裂隙分布上往往呈不易在天然及人工生2风化裂隙连续状，透镜体，边坡上造成危害，受地形及原一般为泥质物充结3风化夹层延展性差。而且主有时对坝基、坝肩填结构面控制构要在地表风化带内及浅埋隧洞等工程4泥化夹层发育面5次生夹层也有影响S(2）结构面的物质组成及结合状态：结构面的宽度、结构面上有无蚀变现象以及其中充填物质的成分极为重要，下面分五种情况作一简单讨论：a结构面是闭合的，没有充填物或者只是细小的岩脉混熔，在一般情况下，岩块与岩块之间结合紧密，结构面的强度与面的形态和粗糙度有关。b结构面是张开的，有少量的粉粒碎屑物质充填，表面没有矿化薄膜，结构面的强度取决于粉状碎屑物的性质。72
72 级规模最大，长度为数十公里，直接关系到工程所在的区域稳定性，Ⅴ级规模最小，长 度一般在数米以内，对具体工程影响较大。这方面的详细情况见工程地质学专著。 表 4-1 岩体结构面类型及特征 成 因 类 型 地质类型 主 要 特 征 工程地质评价 产 状 分 布 性 质 沉 积 结 构 面 1 层状节理 1 软弱夹层 3 不整合面，假 整合面 4 沉积间断面 一般与岩层 产状一致，为 岩层结构面 海相岩层中此类 结构面分布稳定， 陆相岩层中呈交错 状，易尖灭 层面、软弱夹层 等结构面较为平 整，不整合面及沉 积间断面多由碎 屑、泥质物构成且 不平整 国内外较大的坝 基滑动及滑坡很多 由此类结构面所造 成 变 质 结 构 面 1 片理 2 片岩软弱夹层 与岩层或构 造线方向一致 片理短小，分布 密集。片岩软弱夹 层延展较远，具固 定层次 结 构 面 光 滑 平 直，片理在岩体深 部往往闭合成隐蔽 结构面，片岩软弱 夹层含片状矿物， 呈鳞片状 在变质较浅的沉 积变质岩，如千枚 岩等的路堑边坡常 见塌方。片岩夹层 有时对工程及地下 硐室稳定也有影响 火 成 结 构 面 1 侵入体与围岩 接触面 2 岩脉岩墙接触 面 3 原生冷凝节理 岩脉受构造 结构面控制， 而原生节理受 岩体接触面控 制 接 触 面 延 伸 较 远，比较稳定，而 原生节理往往短小 密集 接触面有熔合及 破裂两种。原生节 理一般为张裂面， 较粗糙不平 一般不造成大规 模的岩体破坏。但 有时与构造断裂配 合，也可形成岩体 的滑移 构 造 结 构 面 1 节理 2 断层 3 层间错动面 4 羽状裂隙劈理 与构造线呈 一定关系，层 间错动与岩层 一致 张性断裂较小。 剪切断裂延展较 远。压性断裂规模 巨大，但有时被横 断层切割成不连续 状 张 性 断 裂 不 平 整，常有次生充填， 呈针状。剪切断裂 较平直。具羽状裂 隙。压性断层具多 种构造，岩层带状 分布，往往含断层 泥和靡棱岩 对岩体稳定性影 响较大，在许多岩 体破坏过程中，大 多都有构造结构面 的配合作用。此外， 常造成边坡及地下 工程的塌方冒顶 次 生 结 构 面 1 卸荷裂隙 2 风化裂隙 3 风化夹层 4 泥化夹层 5 次生夹层 受地形及原 结构面控制 分布上往往呈不 连续状，透镜体， 延展性差。而且主 要在地表风化带内 发育 一般为泥质物充 填 易在天然及人工 边坡上造成危害， 有时对坝基、坝肩 及浅埋隧洞等工程 也有影响 (2) 结构面的物质组成及结合状态： 结构面的宽度、结构面上有无蚀变现象以及 其中充填物质的成分极为重要，下面分五种情况作一简单讨论： a 结构面是闭合的，没有充填物或者只是细小的岩脉混熔，在一般情况下，岩块与 岩块之间结合紧密，结构面的强度与面的形态和粗糙度有关。 b 结构面是张开的，有少量的粉粒碎屑物质充填，表面没有矿化薄膜，结构面的强 度取决于粉状碎屑物的性质
c结构面是闭合的有泥质薄膜。泥质物的含水量、粘粒含量和粘土矿物成分，决定了结构面的强度。d结构面是张开的，有1～2mm厚的矿物薄膜。结构面的强度取决于面的起伏差、泥化程度和粘土矿物的性质。e结构面的次生泥化作用明显，结构面之间的物质是岩屑和泥质物，厚度大于结构面的起伏差而且是连续分布。其强度取决于软弱泥化夹层的性质。(3）结构面的空间分布与延展性：结构面的延展性是与规模大小相对应的，有的结构面在空间连续分布，延伸相当远的距离切割岩体，对岩体的稳定性影响较大；有的结构面则比较短小或不连贯，这种岩体的强度基本上取决于岩块的强度，稳定性较高。按照结构面的贯通情况，可将结构面分为非贯通性的、半贯通性的和贯通性的三种类型（见图4-3）。a非贯通性结构面：即结构面较短，不能贯通岩体和岩块，但它的存在石岩体或岩块强度降低，变性增大。b半贯通性结构面：解构面有一定的长度，但尚不能贯通整个岩体或岩块。c贯通性结构面：结构面连续长度贯通整个岩体，是构成岩体、岩块的边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制。七(c)(6)(a)图4-3岩体内结构面贯通类型(a)非贯通：(b)半贯通：(c)贯通(4）结构面的密集程度：它包括两重含义：一是结构面的组数，即不同产状和性质、不同规模的结构面数目：另一是单位体积（或间距或长度）内结构面的数量。显然组数越多岩体越凌乱；数量越多结构体越小。所以结构面的密集度越大，岩体越破碎。岩体中比较常见的IV级、V级结构面，一般比较密集，而I、IⅡ级结构面比较稀疏。3结构面的统计分析目前常把实测的关于裂隙的产状、间距、宽度和面积等资料，用数字或图表的方式加以表示，从而反映裂隙的出现频率和裂隙间的组合关系，以此作为评价岩体裂隙化程度和质量好坏的依据。（1）裂隙的统计密度：为了从数量上表示裂隙的发育程度，常常采用以下两个指标。a裂隙频率（K）73
73 c 结构面是闭合的有泥质薄膜。泥质物的含水量、粘粒含量和粘土矿物成分，决定 了结构面的强度。 d 结构面是张开的，有 1～2mm 厚的矿物薄膜。结构面的强度取决于面的起伏差、 泥化程度和粘土矿物的性质。 e 结构面的次生泥化作用明显，结构面之间的物质是岩屑和泥质物，厚度大于结构 面的起伏差而且是连续分布。其强度取决于软弱泥化夹层的性质。 (3) 结构面的空间分布与延展性： 结构面的延展性是与规模大小相对应的，有的 结构面在空间连续分布，延伸相当远的距离切割岩体，对岩体的稳定性影响较大；有的 结构面则比较短小或不连贯，这种岩体的强度基本上取决于岩块的强度，稳定性较高。 按照结构面的贯通情况，可将结构面分为非贯通性的、半贯通性的和贯通性的三种 类型（见图 4-3）。 a 非贯通性结构面：即结构面较短，不能贯通岩体和岩块，但它的存在石岩体或岩 块强度降低，变性增大。 b 半贯通性结构面：解构面有一定的长度，但尚不能贯通整个岩体或岩块。 c 贯通性结构面：结构面连续长度贯通整个岩体，是构成岩体、岩块的边界，它对 岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制。 图 4-3 岩体内结构面贯通类型 (a) 非贯通；(b) 半贯通；(c) 贯通 (4) 结构面的密集程度： 它包括两重含义：一是结构面的组数，即不同产状和性 质、不同规模的结构面数目：另一是单位体积（或间距或长度）内结构面的数量。显然， 组数越多岩体越凌乱；数量越多结构体越小。所以结构面的密集度越大，岩体越破碎。 岩体中比较常见的 IV 级、Ⅴ级结构面，一般比较密集，而Ⅰ、Ⅱ级结构面比较稀疏。 3 结构面的统计分析 目前常把实测的关于裂隙的产状、间距、宽度和面积等资料，用数字或图表的方式 加以表示，从而反映裂隙的出现频率和裂隙间的组合关系，以此作为评价岩体裂隙化程 度和质量好坏的依据。 (1) 裂隙的统计密度: 为了从数量上表示裂隙的发育程度，常常采用以下两个指标。 a 裂隙频率（K）
裂隙频率是指岩体内单位长度直线上所穿过的裂隙条数（条/m），用符号K表示。设有一取样直线，其长度为1，在沿1长度内出现节理的数量为n，则K=n/l(4-1)那么裂隙的平均间距d为1/K。当取样线垂直于节理的走向时，则d为节理走向的垂直间距。当节理间距d>180cm时，岩体的连续性具有整体的结构性质：d=30~180cm时，则为块状结构：d<30cm时，则为碎裂结构，而当d<6.5cm时，则称为极碎裂结构。当岩体上有几组方向的节理时，如图4-4所示，有两组节理Kal，Ka2和Kbl，Kb2。则沿取样线x上的节理平均间距max和mbx为d.d,d,(4-2)max=mbxm.cosEacOSSbcOsEn该取样线上的裂隙频率为各组节理的裂隙频率之和。即111K:maxmbxmaxcosEcOsEbcOsEn(4-3)d.d,dn按裂隙频率K的大小，可将节理分成：疏节理（K=0~lml）：密节理（K=1~10m）：非常密集节理（K=10~100m-1）：压碎或靡棱化带(K=100~1000m-l)。1如果把被裂隙系统切割而造成的最小单元体的体积近似地看作立方体，那么该最小单元体的体积为：()(4-4)Vub =d.dd.式中Vb一一最小单元体的体积：图4-4两组节理的裂隙频率计算图K。、K，、K。一一分别代表三个不同产状的裂隙出现频率。b切割度切割度是指节理在岩体中分离的程度，有些节理可将整个岩体完全切割，而有些节理由于其延伸不长，则只能切割岩体中的一部分，没有将整个岩体分离开。有二向切割度和三向切割度两种，所谓二向切割度，就是岩体内一个平行于裂隙面的截面上，裂隙面积与整个岩石的截面积的比值（如图4-5），用符号K表示。如用式子表示，即K, =ai +a, +a, +...(4-5)A74
74 裂隙频率是指岩体内单位长度直线上所穿过的裂隙条数（条／m），用符号 K 表示。 设有一取样直线，其长度为 l，在沿 l 长度内出现节理的数量为 n，则 K = n l (4-1) 那么裂隙的平均间距 d 为 1/K。当取样线垂直于节理的走向时，则 d 为节理走向的 垂直间距。当节理间距 d>180cm 时，岩体的连续性具有整体的结构性质；d=30~180cm 时，则为块状结构；d<30cm 时，则为碎裂结构，而当 d<6.5cm 时，则称为极碎裂结构。 当岩体上有几组方向的节理时，如图 4-4 所示，有两组节理 Ka1，Ka2 和 Kb1，Kb2。 则沿取样线 x 上的节理平均间距 max 和 mbx 为 a a ax d m cos = ， b b bx d m cos = ，.， n n nx d m cos = (4-2) 该取样线上的裂隙频率为各组节理的裂隙频率之和。即 max mbx mnx K 1 1 1 = + ++ n n b b a a d d d cos cos cos = + ++ (4-3) 按裂隙频率 K 的大小，可将节理分成：疏 节理（K=0~1m-1）；密节理（K=1~10m-1）；非 常密集节理（K=10~100m-1）；压碎或靡棱化带 （K=100~1000m-1）。 如果把被裂隙系统切割而造成的最小单元 体的体积近似地看作立方体，那么该最小单元 体的体积为： = = a b c ub a b c K K K V d d d 1 1 1 (4-4) 式中 Vub ——最小单元体的体积； Ka 、 Kb 、 Kc ——分别代表三个不同产状的裂隙出现频率。 b 切割度 切割度是指节理在岩体中分离的程度，有些节理可将整个岩体完全切割，而有些节 理由于其延伸不长，则只能切割岩体中的一部分，没有将整个岩体分离开。有二向切割 度和三向切割度两种，所谓二向切割度，就是岩体内一个平行于裂隙面的截面上，裂隙 面积与整个岩石的截面积的比值（如图 4-5），用符号 K2 表示。如用式子表示，即 A a a a K + + + = 1 2 3 2 (4-5) 图 4-4 两组节理的裂隙频率计算图
式中A一一总的岩石截面积：a1、c2、a3一一分别表示裂隙的面积。平行节理断面显然，当岩石截面上没有裂隙通过时，则K2=0：若岩石截面上布满裂隙面时，则K2=1。按照切割度的大小，可将岩体分N节理面通过岩石断面为以下几类，见表4-2。可以看出，上述的切割度只能说图4-5结构面的二向分布明岩体沿某一个平面被切割的程度。有时为了研究岩体内部某组节理切割的程度，可用三向切割度来表示。三向切割度就是指某一组裂隙在岩体中所占据的总的裂隙面积与岩体的体积之比值，用K3表示，即(4-6)K3=KK2以上说明，结构面的密集程度决定着结构体的尺寸和形状，能表征岩体的完整程度。当结构面的发育组数较多、密度较大时，则表4-2岩体按切制磨的分类结构体块度越小，岩体的完整程度越差，其名称切割度强度也越低。0.1~0.2完整的4.2.2结构体及其力学特点若节理的0.2~0.40.4~0.6中等节理的岩体中被结构面切割成的分离块体称强节理的0.6~0.8为结构体。结构体的特征可以用它的形状、0.8~1.0完全节理化产状和块度来描述。结构体的形状是多种多样的，有板状、柱状、楔锥状等几何形体（如图4-6）。一般在构造变动轻微的地区，多是由一种形状的结构体组成，如在玄武岩流纹岩体中，常见柱状结构体，在花岗岩体中多呈短柱状结构体，在缓倾角层状岩体中（如厚层砂岩及石灰岩）多为平置的板状及短柱状结构体而在构造作用剧裂的地区则常呈现由多种类型结构体组合的组合体。结构体的块度大小取决于结构面的密度。结构面的密度愈大、结构体的块度愈小；反之，块度愈大。块度的大小常用每立方米岩体内含有结构体的个数来表示。结构体的力学性质主要受组成它的岩石性质影响，即受矿物颗粒间的联结特征及微裂隙发育状况等因素的影响。如大部分的岩浆岩、变质岩及部分沉积岩属刚性的结晶联结，它具有弹性变形、脆性破坏的特征；沉积岩中的砂岩、页岩及粘土岩属韧性的胶体联结，它具有塑性变形、柔性破环的特点。不过，胶体联结如经脱水陈化也可能转化为性联结。联结特征不仅影响岩石的变形和破环机制，而且影响其强度，当联结强度大75
75 式中 A——总的岩石截面积； a1、a2、a3——分别表示裂隙的 面积。 显然，当岩石截面上没有裂隙通 过时，则 K2=0；若岩石截面上布满裂 隙面时，则 K2=1。 按照切割度的大小，可将岩体分 为以下几类，见表 4-2。 可以看出，上述的切割度只能说 明岩体沿某一个平面被切割的程度。 有时为了研究岩体内部某组节理切割 的程度，可用三向切割度来表示。三向切割度就是指某一组裂隙在岩体中所占据的总的 裂隙面积与岩体的体积之比值，用 K3 表示，即 K3＝KK2 （4-6） 以上说明，结构面的密集程度决定着结构体的尺寸和形状，能表征岩体的完整程度。 当结构面的发育组数较多、密度较大时，则 结构体块度越小，岩体的完整程度越差，其 强度也越低。 4.2.2 结构体及其力学特点 岩体中被结构面切割成的分离块体称 为结构体。结构体的特征可以用它的形状、 产状和块度来描述。 结构体的形状是多种多样的，有板状、 柱状、楔锥状等几何形体（如图 4-6）。一般在构造变动轻微的地区，多是由一种形状 的结构体组成，如在玄武岩流纹岩体中，常见柱状结构体，在花岗岩体中多呈短柱状结 构体，在缓倾角层状岩体中（如厚层砂岩及石灰岩）多为平置的板状及短拄状结构体。 而在构造作用剧裂的地区则常呈现由多种类型结构体组合的组合体。 结构体的块度大小取决于结构面的密度。结构面的密度愈大、结构体的块度愈小； 反之，块度愈大。块度的大小常用每立方米岩体内含有结构体的个数来表示。 结构体的力学性质主要受组成它的岩石性质影响，即受矿物颗粒间的联结特征及微 裂隙发育状况等因素的影响。如大部分的岩浆岩、变质岩及部分沉积岩属刚性的结晶联 结，它具有弹性变形、脆性破坏的特征；沉积岩中的砂岩、页岩及粘土岩属韧性的胶体 联结，它具有塑性变形、柔性破坏的特点。不过，胶体联结如经脱水陈化也可能转化为 刚性联结。联结特征不仅影响岩石的变形和破坏机制，而且影响其强度，当联结强度大 名称 切割度 完整的 0.1~0.2 若节理的 0.2~0.4 中等节理的 0.4~0.6 强节理的 0.6~0.8 完全节理化 0.8~1.0 图 4-5 结构面的二向分布 表 4-2 岩体按切割度的分类
于单个矿物的强度时，胶结物对岩石强度的影响则退居次要地位，而是由矿物的力学性质决定岩石的强度。岩石的物理力学性质除受上述两个因素控制外，岩石和矿物中微裂隙的存在也能产生影响，例如在对一组岩块做变形或强度试验时，往往会出现明显的分散性。11-(h)(f)(g)(c)(d)(e)(a)(b)图4-6结构体的几何形状(a）长方柱体：（b）菱形柱体：（c）三菱柱体：（d）楔形体：(e）锥形体：（)）板柱体：（g）多角柱体：（h）菱形块体4.2.3岩体结构类型1.岩体结构分类依据应用岩体结构的概念来解决岩石力学问题，这一观点已为多数人所接受。但岩体结构的具体划分，则由于应用角度的不同而有所差异。根据地下工程中应用岩体结构的实践与需要，在划分岩体结构时应考虑以下三方面的因素。（1）岩体的工程地质特征与节理化程度。前者包括岩性、构造特征、风化程度、渗流影响等：后者包括结构图4-7工程规模与岩体结构的关系体的形状与大小，结构面的类型等等。(2）结构体积和尺寸与工程规模的对比情况。在确定岩体结构类型时，必须同时考想所研究的岩石力学问题的规模。因为同样的节理化程度，可以因工程规模不同而产生不同的地压问题，并定位不同的结构类型。以图47所示的三种工程来说明。边坡的尺寸与结构体相比，约几十倍以上，岩体应化为块状结构：隧道B的尺寸与结构体相差仅几倍，如果结构面胶结良好，岩体可划为整体结构（均质结构）；如果结构面属于软76
76 图 4-7 工程规模与岩体结构的关系 于单个矿物的强度时，胶结物对岩石强度的影响则退居次要地位，而是由矿物的力学性 质决定岩石的强度。岩石的物理力学性质除受上述两个因素控制外，岩石和矿物中微裂 隙的存在也能产生影响，例如在对一组岩块做变形或强度试验时，往往会出现明显的分 散性。 4.2.3 岩体结构类型 1 岩体结构分类依据 应用岩体结构的概念来 解决岩石力学问题，这一观 点已为多数人所接受。但岩 体结构的具体划分，则由于 应用角度的不同而有所差 异。根据地下工程中应用岩 体结构的实践与需要，在划 分岩体结构时应考虑以下三 方面的因素。 (1) 岩体的工程地质特 征与节理化程度。前者包括 岩性、构造特征、风化程度、 渗流影响等；后者包括结构 体的形状与大小，结构面的 类型等等。 (2) 结构体积和尺寸与工程规模的对比情况。在确定岩体结构类型时，必须同时考 虑所研究的岩石力学问题的规模。因为同样的节理化程度，可以因工程规模不同而产生 不同的地压问题，并定位不同的结构类型。以图 4-7 所示的三种工程来说明。边坡的尺 寸与结构体相比，约几十倍以上，岩体应化为块状结构；隧道 B 的尺寸与结构体相差 仅几倍，如果结构面胶结良好，岩体可划为整体结构（均质结构）；如果结构面属于软 图 4-6 结构体的几何形状 (a) 长方柱体；(b) 菱形柱体；(c) 三菱柱体；(d) 楔形体； (e) 锥形体；(f) 板柱体；(g) 多角柱体；(h) 菱形块体
弱结构面，则岩体可划为镶嵌结构。隧道A尺寸小，甚至小于结构单元体的尺寸，岩体可划为整体结构。可见，工程规模是划分岩体结构的重要依据之(3）岩体在工程范围内所产生的力学效应，也就是说岩X体属于哪一种力学介质，以及(c)(a)(b)(d)可以用哪种力学理论去解决工程范围内所出现的地压问题。2岩体结构类型根据结构面的等级和组合(e)(J)(g)(h)方式以及上述划分原则，把岩图?4图体结构类型分成四个大类与八图4-8岩体结构型式个亚类（见表4-3），图4-8为(a)整体结构：(b）块状结构；(c)层状结构：(d）薄层状结构岩体结构型式。(e）镶嵌结构：(t)层状破碎结构：(g）碎裂结构：(h）散体结构1一节理：2—层理：3一断层：4—断层破碎带岩体结构类型的差异在其变形特征上的反映是很明显的。例如，在整体结构岩体中，因开裂结构面不发育，所以岩体的变形主要是结构体体积的压缩变形和剪切变形所造成的：在碎裂结构的岩体中，因有大量的开裂结构面存在于结构体内，所以岩体的变形既有结构面的变形，也有结构体的变形。而在块状结构的岩体中，岩体的变形主要受贯通性结构面的控制，在外部荷载作用不太大的情况下，结构体的变形可不计。岩体结构类型的划分，不仅可以反映出岩体质量的好坏，同时也为确定岩体的力学介质类型、揭示岩体变形破坏的规律提供了可靠的根据。表4-3岩体结构的基本类型岩体结构结构面特征结构体特征地质背景类型结构面少，一般不超过三组，延续性极整体岩性单一、构造变形轻微的巨厚层差，多呈闭合状态，无充填或含少量碎巨型块状整体结构沉积岩、变质岩、火成侵入岩屑块状结构块状岩性较单一，受轻微构造作用的厚结构面一般2~3组，裂隙延续性极差，块状、菱形块状结构沉积岩和变质岩、火成岩多呈闭合状态。层面有一定的结合力结构面2~3组，以层面为主，有时也有层状受构造破坏轻或较轻的中厚层（大块状、柱状、厚板软弱夹层或层间错动面，其延续性较好，结构状于30cm）岩体层间接合力较差层状结构层理、片理发达，原生软弱夹层、层间薄层状层厚小于30cm，在构造作用下发生错动和小断层不时出现。结构面多为泥板状、薄板状结构强裂裙曲和层间错动膜、碎屑和泥质充填77
77 图 4-8 岩体结构型式 (a) 整体结构；(b) 块状结构；(c) 层状结构；(d) 薄层状结构； (e) 镶嵌结构；(f) 层状破碎结构；(g) 碎裂结构；(h) 散体结构 1—节理；2—层理；3—断层；4—断层破碎带 弱结构面，则岩体可划为镶嵌结构。隧道 A 尺寸小，甚至小于结构单元体的尺寸，岩 体可划为整体结构。可见，工程规模是划分岩体结构的重要依据之一。 (3) 岩体在工程范围内所 产生的力学效应，也就是说岩 体属于哪一种力学介质，以及 可以用哪种力学理论去解决工 程范围内所出现的地压问题。 2 岩体结构类型 根据结构面的等级和组合 方式以及上述划分原则，把岩 体结构类型分成四个大类与八 个亚类（见表 4-3），图 4-8 为 岩体结构型式。 岩体结构类型的差异在其 变形特征上的反映是很明显 的。例如，在整体结构岩体中，因开裂结构面不发育，所以岩体的变形主要是结构体体 积的压缩变形和剪切变形所造成的；在碎裂结构的岩体中，因有大量的开裂结构面存在 于结构体内，所以岩体的变形既有结构面的变形，也有结构体的变形。而在块状结构的 岩体中，岩体的变形主要受贯通性结构面的控制，在外部荷载作用不太大的情况下，结 构体的变形可不计。 岩体结构类型的划分，不仅可以反映出岩体质量的好坏，同时也为确定岩体的力学 介质类型、揭示岩体变形破坏的规律提供了可靠的根据。 表 4-3 岩体结构的基本类型 岩体结构 类 型 地质背景 结构面特征 结构体特征 整体 块状 结构 整体 结构 岩性单一、构造变形轻微的巨厚层 沉积岩、变质岩、火成侵入岩 结构面少，一般不超过三组，延续性极 差，多呈闭合状态，无充填或含少量碎 屑 巨型块状 块状 结构 岩性较单一，受轻微构造作用的厚 沉积岩和变质岩、火成岩 结构面一般 2~3 组，裂隙延续性极差， 多呈闭合状态。层面有一定的结合力 块状、菱形块状 层状 结构 层状 结构 受构造破坏轻或较轻的中厚层（大 于 30cm）岩体 结构面 2~3 组，以层面为主，有时也有 软弱夹层或层间错动面，其延续性较好， 层间接合力较差 块状、柱状、厚板 状 薄层状 结构 层厚小于 30cm，在构造作用下发生 强裂褶曲和层间错动 层理、片理发达，原生软弱夹层、层间 错动和小断层不时出现。结构面多为泥 膜、碎屑和泥质充填 板状、薄板状