第一章 岩土体结构的工程地质研究 第1节、岩体结构的基本概念 第2节、岩体结构面主要类型、特征 第3节、岩土体力学特性

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1 第一章 岩土体结构的工程地质研究 第1节、岩体结构的基本概念 第2节、岩体结构面主要类型、特征 第3节、岩土体力学特性
第4节、土结构和构造的工程地质研究

2 第1节 岩土体结构的相关概念 岩体： 是指工程影响范围内的岩石综合体。 A.岩性--岩石： 三大岩或其组合都可以组成地质体
B.空间范围： 工程地质活动相关 C.自然地质历史：产生演化过程—环境：地下水、 应力、地温等，不能脱离环境， 岩块---岩石 D.综合体： 地质历史过程中产生不完整性（层理 节理、 裂隙、断裂） 含义

3 结构体----岩石 结构面 组成岩体基本单元：结构体+结构面。

4 2.结构面 结构面是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸（或具有一定厚度）的地质界面（带）。如岩层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面。

5 3. 结构体：岩体中被结构面切割而成的岩石块体。

6 岩体结构特征的研究意义 构件 组合方式 岩体： 结构体 结构面 不同类型的岩体结构单元在岩体内的排列、组合形式， 称为岩体结构
结构体 结构面 构件 不同类型的岩体结构单元在岩体内的排列、组合形式， 称为岩体结构 岩体结构特征的研究意义 岩体的结构特征是指岩体中结构面和结构体的形状、规模、性质及其组合关系的特征。 岩体结构特征常常决定岩体变形行为和破坏特征 《岩体结构控制论》 最关键的是研究各类结构面的分布规律、发育密度、表面特征、连续特征以及它们的空间组合形式等。

7 第2节 结构面成因类型及自然特征 一、结构面的基本类型 成 因 类 型 地 质 界 面 原 生 结 构 面 构造结构面 次 生 结 构 面
沉积结 构面 火成结 变质 结构面 内动力 形成的 外动力 形成的 综合 层理、 层面、 沉积间 断面、 沉积软 弱夹层 侵入体与围岩的接触面、 火山熔岩层面、 冷凝节理 风化裂隙、 卸荷裂隙、 爆破裂隙、 次生充填软弱夹层 变余层 理、 片理 构造节理、 断层、 劈理、 层间错动面 泥化夹层

8 二、结构面的特征与描述 1.方位：结构面的产状 2.密集程度：裂隙度K=n/L; d´=1/K=L/n
线密度Kd=n/L； d=1/K=L/n 3.结构面形态：起伏形态，起伏角，粗糙度、结构面形态类型：

9 粗糙度系数JRC的确定方法

10 4.连续性： a.线连续性系数K1 b.面连续性系数Xe （面切割度） c.迹长 名称 切割度Xe 完整的 0.1～0.2 弱节理化
0.2～0.4 中等节理化 0.4～0.6 强节理化 0.6～0.8 完全节理化 0.8～1.0 描述 很低连续性 低的连续性 中等连续性 高连续性 很高连续性 迹长(m) <1 1～3 3～l0 10～20 >20

11 5.结构面的充填物 a.胶结充填物成分对结构面力学性质的影响： ①铁硅质胶结强度高； ②钙质胶结强度较差； ③黏土、泥质胶结强度最差。
b.胶结充填物厚度对结构面力学性质的影响： ①薄膜充填：厚度小于1mm、受侧壁力学特征的控制； ②断续充填：厚度小于起伏、强度与充填物和结构面有关； ③连续充填：厚度稍大于起伏、强度取决于充填物。 ④厚层充填：厚度远大于起伏、强度取决于充填物、易滑移

12 6.结构面的张开度 描 述 结构面张开度(mm) 张开情况 很紧密 紧 密 部分张开 <0.1 0.1～0.25 0.25～0.5
描 述 结构面张开度(mm) 张开情况 很紧密 紧 密 部分张开 <0.1 0.1～0.25 0.25～0.5 闭合结构面 张 开 中等宽的 宽 的 0.5～2.5 2.5～10 >10 裂开结构面 很宽的 极宽的 似洞穴的 10～100 100～l 000 >1000 张开结构面

13 7.块体大小： 它们的基本形状有块状、柱状、板状、菱形、楔形及锥形等六种。有时由于岩体强烈变形和破坏，也可形成片状、碎块等形状。一般板状、柱状结构体的稳定性比块状结构体差，锥形、楔形结构体当具有临空条件时稳定性很差。

14 8.节理组数：节理组数的多少，决定了岩石块体的大小及岩体的结构类型。四等级：不发育，较发育，发育，很发育
9.结构面侧壁强度：它可以反映结构面经受风化的程度，可用施密特回弹仪或点荷载仪测定节理壁的强度。 10.结构面内的渗流：结构面内有无渗流及流量的大小，对结构面的力学性质、有效应力的大小及施工的难易程度均有重要的影响

15 三、结构面分级 发育程度和规模分级： 结构面分级 实际结构面 I级结构面 II级结构面 III级结构面 统计结构面 IV级结构面 V级结构面
三、结构面分级 发育程度和规模分级： 结构面分级 实际结构面 I级结构面 II级结构面 III级结构面 统计结构面 IV级结构面 V级结构面 力学性质：《基于岩体结构面分级的抗剪强度确定法》

16 分级依据 力学效应 力学属性* 地质构造特征 级序 I级 延展几公里至几十公里以上，贯通岩体，破碎带宽度达数米至数十米
1. 形成岩体力学作用边界； 2. 岩体变形和破坏的控制条件; 3. 构成独立的力学介质单元 1.属软弱结构面； 2.构成独立力学模型——软弱夹层 断层较大 II级 延展数百米至数公里，破碎带宽度比较窄，几厘米至数米 1. 形成块裂体边界； 2. 控制岩体变形和破坏方式； 3. 构成次级地应力场边界 属于软弱结构面 小断层，层间错动面 III级 延展十几米至几十米，无破碎带，面内不夹泥，有的有泥膜 1. 参与块裂岩体切割； 2. 划分II级岩体结构类型的重要依据； 多数属坚硬结构面，少数软弱结构面 不夹泥，大节理或小断层开裂的层面 IV级 延展短，未错动，不夹泥，有的呈弱结合状态，统计结构面 1. 划分II级岩体结构类型的基本依据； 2. 确定岩体力学性质，结构效应的基础 3. 有的为次级地应力场边界 坚硬结构面 节理，劈理，层理，次生裂隙 V级 结构面小，且连续性差，统计结构面 1. 岩体内形成应力集中； 2. 决定岩体力学性质和结构效应的依据之一 不连续小节理，隐节理，层面，片理面

17 四、岩体的结构类型 划分依据 ： 岩体完整性、 结构体的形状、 结构面的发育程度、 间距大小 岩体划分类型： 整体、块状结构 层状结构
划分依据 ： 岩体完整性、 结构体的形状、 结构面的发育程度、 间距大小 岩体划分类型： 整体、块状结构 层状结构 碎块状结构 散体状结构

18 整体结构 岩性 单一、构造变形轻微 巨厚层 沉、变岩 不发育，延展性差，组数一般不超过2组 结构面发育 结构面强度
单一、构造变形轻微 巨厚层 沉、变岩 不发育，延展性差，组数一般不超过2组 结构面发育 结构面强度 f=tanφ≥0.6，结构体间结合力强 完整性 完整--基本完整，结构面间距dp>1.0m 水的影响 地下水作用不明显，渗流对岩体特性影响不大 1.变形、破坏与工程作用有关； 2.在深埋或高地应力区的坚硬岩层中开挖，引起应力释放， 可能导致岩爆，而且一般沿裂隙端部产生； 3.较坚硬岩层中可能产生微弱的塑性变形。 工程特性

19 块状结构 岩性 单一或互层，有时极薄的软弱夹层 以IV、V结构面为主，将岩体切割成岩块集合 结构面发育 结构面强度 岩块之间结合力强，一般tanφ＝0.4～0.6 完整性 dp＝0.5～1.0m 水的影响 使较坚硬岩石软化 1.微小压缩变形，可能出现剪切滑移； 2可能出现块体滑移，稳定性分析是要注意结构面的特性及组合，尤其是II、III及结构面的存在； 3在深埋或地震危险区条件下开挖，由于隐型微裂隙存在，可能出现岩爆； 4有一定自稳能力，可局部出现不稳定块体，产生超挖。塌方和崩塌现象 工程特性

20 层状结构 岩性 单一或互层，有时极薄的软弱夹层 以III、IV级结构面（层理、片理、节理）为主，延展性较好， 一般有2～3组结构面，层面居多
结构面发育 结构面强度 层间结合力较差，tanφ＝0.3～0.5 水的影响 地下水的软化、泥化作用明显； 1岩体变形受岩层组合和结构面控制； 2在缓倾斜和陡立岩层中，拱顶和边墙可出现弯曲拗折现象； 3软弱面特别是软弱夹层面的抗剪强度控制岩体的前切滑移破坏； 4稳定性分析是要注意岩层的组合、层面特性及其结合力、岩层产状，尤其是软弱夹层、层间错动的存在和II、III及结构面的组合情况。 工程特性

21 碎裂结构 岩性 复杂多变，组合不一 多级结构面发育，结构体的大小和形态均不相同 结构面发育 结构面强度
被软弱物质充填，结构面上tanφ<0.2 水的影响 地下水作用明显 1岩体整体强度很低，塑性大，变形具有明显的时间效应； 2此类岩体中开挖工程，易发生坍落、滑移、片帮、侧向挤出和底臌等现象。 工程特性

22 散体结构 岩性 复杂，呈松散状态 有的为块夹泥，有的泥夹块 结构面发育 结构面强度 岩体的tanφ<0.2 水的影响
地下水作用强烈，可引起泥化、软化、崩解、膨胀，甚至化学反应； 此类岩体具有明显的塑性或流变特征，变形破坏严重，持续时间长，应予以特别关注。 工程特性

23 第3节 岩土体力学特性 一、岩石的主要物理力学性质指标 二、岩体的变形特征 三、岩体的流变特性 四、岩体破坏的方式与机制 五、岩体的强度特征

24 一、岩石的主要物理力学性质指标 （一）岩石物理性质指标 1.密度和重度 2.相对密度（比重） 密度：单位体积的质量（）（g/cm3）
重度：单位体积的重量（r）。（N/cm3） 2.相对密度（比重） 颗粒密度：单位体积固位颗粒的质量（ ）。（g/cm3） 比重（相对密度）：单位体积固体颗粒的重力与4℃时同体积水的重力之比（Gs）。 （一）岩石物理性质指标 w s G r =

25 一、岩石的主要物理力学性质指标 3.孔隙率 孔隙率越大-----力学性质越差 4.吸水率和饱和吸水率
孔隙率（度） ：孔隙体积与岩石总体积之比（n）。 孔隙比：孔隙体积与岩石中固体颗粒体积之比（e）。 孔隙率越大-----力学性质越差 实际的颗粒细孔隙率大---吸附电荷有关 4.吸水率和饱和吸水率 吸水性：指岩石吸收水的性能。其吸水程度用吸水率表示。 吸水率:（常压条件下）吸入水量与干燥岩石重量之 比。反映孔隙和细裂隙的多少及其连通性 抗冻性和风化程度指标 饱水率：（150个大气压下或真空）吸入水量与干燥 岩石重量之比。抗冻性 饱水系数：岩石吸水率与饱水率之比。

26 一、岩石的主要物理力学性质指标 （二）岩石力学性质指标 1.抗压强度（烘干、垂直结构面受压、单轴） 2.抗剪强度
试样尺寸： 吸水后岩石强度降低 软化系数<0.75 强软化，抗水、风化、冻低 2.抗剪强度 （1）抗剪断强度 （2）摩擦强度 （3）抗切强度 （二）岩石力学性质指标

27 一、岩石的主要物理力学性质指标

28 一、岩石的主要物理力学性质指标 返回 3.岩石的变形参数 变形：岩石受力后发生形状改变的现象。主要由变形和泊松比 表示。
2. 泊松比：横向应变 与纵向应变 之比 返回

29 二、岩体的变形特征 变形= 结构体变形+ 结构面变形 四个阶段： 岩体变形=坚硬岩石+软弱结构面变形 下图：应力—应变曲线，
Ⅰ.OA段---凹状缓坡---节理 压密闭合造成的 岩石 Ⅱ.AB段---结构面压密后的弹性变形 阶段； Ⅲ.BC段---曲线形---岩体已产生 微破裂或塑性变形 B Ⅲ D D’ C Ⅳ 岩体 Ⅱ C点的应力值就是岩体的峰值强度 A 结构面 Ⅰ Ⅳ.过C点---产生应力降----岩体进入 全面的破坏阶段。 o

30 变形模量和弹性模量： 应力----变形的关系曲线通常有下列四种类型： 直线型 上凹型 上凸型 复合型

31 三、岩体的流变特性 外 部 条 件 不 变 两种表现形式： 应力（变形）~时间变化的性质 流变性： 蠕变、松弛
外 部 条 件 不 变 蠕变、松弛 1．松弛 变形恒定； 应力---时间 2．蠕变 应力恒定； 变形---时间 应力大小----岩体的蠕变曲线特征不同： 变形速率! 最后趋于稳定 1）. 变形↑ 时 间 > 2） 变形↑ 最后趋于破坏 可分为三个阶段： 初始蠕变阶段 等速蠕变阶段 加速蠕变阶段

32 岩体收到长期应力作用超过某一临界值才经过发展蠕变至破坏
（1）初始蠕变阶段 （2）等速蠕变阶段 （3）加速蠕变阶段 3. 影响因素： 应力 温度 加载速率 湿度 4．长期强度— 岩体收到长期应力作用超过某一临界值才经过发展蠕变至破坏

33 四 、岩体破坏的方式与机制 脆性破坏、塑性破坏型： 剪应力－剪位移曲线 3-4阶段： 1.线性阶段--比例极限强度
2.微裂隙出现— 屈服极限 3.加速位移— 极限强度（峰值强度） 4.残余强度

34 五、岩体的强度特征 岩体沿结构面产生剪切滑动 强度最低， 岩体的抗剪强度 完全剪断岩石时 强度最高，
一般情况: 岩体的抗剪强度的包络线不是一条简单的曲线， 而是有一定上下限的曲线族。 重点介绍结构面的抗剪强度 （一）平直光滑 无充填结构面的抗剪强度

35 （二）粗糙起伏无充填结构面的抗剪强度 理想化石膏模型试验： 在法向应力(σ)+剪应力(τ)， 锯齿凸起面上：法向应力( ) 剪应力（ ）为：
帕顿(F．D．patton，1966)、 理想化石膏模型试验： 在法向应力(σ)+剪应力(τ)， 锯齿凸起面上：法向应力( ) 剪应力（ ）为： 1）设产生滑动时，服从库伦强度条件， 较小时，则可推导出结构面的抗剪强度为 2）较大时，将限制试块沿齿向上滑动，使锯齿在剪应力作用下被剪断。这时，结构面的抗剪强度不单取决于剪切面的摩擦阻力，而主要是由锯齿的岩石强度决定

36 （三）粗糙起伏无充填结构面的抗剪强度——巴顿公式
1973,巴顿(Barton) 峰值抗剪强度 结构面的粗糙度 侧壁的抗压强度 大量试验资料 式中： ---结构面上的正应力； ---岩石的基本摩擦角； JCS(JointCompressineStrength)---结构面两壁岩石的抗压强度； JRC(JointRoughnessCoefficient)---结构面的粗糙系数； 最光滑 最粗糙 0～20等级 标准剖面 对比 等级 实测的结构面剖面

37 （四）有充填结构面的抗剪强度 充填度=t/h 影响因素：充填物的成分、粒度、结构、厚度、充填程度
基本规律：反比于粘粒含量增加，粒度小 ，充填度增加 当充填度=200% 结构面摩擦系数稳定

38 第4节 土结构和构造的工程地质研究 一、残积层(Qel) 土不同成因 特定的结构构造 工程地质特征不同
第4节 土结构和构造的工程地质研究 土不同成因 特定的结构构造 工程地质特征不同 一、残积层(Qel) 岩石风化未经搬运而残留在原来位置的松散物。 （一）其特点： 位置： 基岩风化壳的上部， 则渐变为半风化的半坚硬岩石 成分、颜色：和下覆基岩有一定关系 粒度： 上部颗粒一般较细，多为黏性土、粉土等 向下逐步过渡为砂和角砾。 分选磨圆： 未经磨损，大小混杂，无层理， 界线： 与下伏基岩没有明显界线， 是逐渐过渡变化的。

39 不同的气候区不同的残积层具有不同的工程地质性质
（二）影响因素 物质成分、风化作用： 密切关系 气候条件 干旱地区： 粗碎屑土和砂土---具有砂类土的特征 物理风化为主 含可溶盐， 形成蒙脱石矿物 硅铝酸盐---次生黏土矿物 半干旱地区： 物理+化学风化 雨量少，蒸发大，水溶液呈碱性 气候潮湿： 易形成水云母， 不同的气候区不同的残积层具有不同的工程地质性质 （三）力学特征 气候条件、基岩性质密切相关 成分和性质变化很大 工程性能差别也很大 * 勘察时要查明其厚度和物理力学性质 总体上来说，残积层的工程地质性质变化较大，加之地形影响，工程中少有大面积用作天然地基。

40 二、坡积层(Qdl) 岩堆 （一）形成： 水和重力作用将山坡的物质 (风化残积物)搬运或崩塌在 斜坡下部较低洼地带堆积而成。
（二）其特点是： 稍具分选，从坡顶到坡角颗粒有逐渐变细的规律； 颗粒无磨圆，略呈层理或无层理结构疏松; 斜坡浅表部坡积松散碎石，有一定的分选 由重力作用发生崩塌而堆积在陡坡卞的物质，称为崩积物(Qcol)。 体积大或容重大的滚得远， 体积小或容重小的滚得近， 在陡坡的坡”麓形成上部细粒、 下部粗粒的半圆锥体地形 岩堆

41 （三）影响因素： （四）特征 自然环境不同 其厚度、物质成分和结构变化很大 工程地质性质变化也大 常具较高的孔隙度，容重小
潮湿时具有较大的压缩性和崩解性，透水性小， 抗剪强度较其他成因的低； 同时坡积物易沿斜坡发生滑动，尤其是在坡积物中 开挖路堑和基坑时，常发生滑坡。 当机场位于坡积层时，应查明其厚度及物理力学性质； 正确评价建筑物的稳定性问题。　　　

42 三、洪积层(QPl) （一）成因： （二）洪积物的特点是： （三）其工程地质性质：
山区暴雨后,洪水携带大量碎屑在山间河谷或山前平原地带形成的堆积物 形成环境： 常发育在干旱、半干旱地区， 形成地点： 多在山间河谷形成洪积扇，与坡积物交互沉积在一起 形成地貌： 山麓坡积洪积裙 山前洪积冲积倾斜平原 （二）洪积物的特点是： 其磨圆度与搬运距离有关 有斜交层理或透镜体。 近山区 分选不好的巨粒、粗粒土 远处 分选性较好的细碎屑和黏性土 （三）其工程地质性质： 近山口：粗巨粒土的孔隙度和透水性都很大，压缩性小，承载力大 远离山口：砂、粉土和黏性土，其透水性小，压缩性大。

43 四、冲积层(Qal) （一）形成 由河流所携带的物质， 随地势、流速的变化， 在河谷中逐渐沉积下来 （二）其特点 山区河谷中：
河漫滩沉积的主要特征是上部的细砂和黏性土与下部 河床沉积组成的二元结构， 具斜层理与交错层理,牛轭湖相沉积 （二）其特点 山区河谷中： 单层碎石结构的河床相 山间盆地和宽谷中： 有河漫相沉积 其分选性差，具透镜状或不规则的带状构造，有斜层理出现，厚度不大， 一般不超过10～15m，多与崩塌堆积物交错混合。 河床相沉积结构 （三）沉积相 上部 分选较好的砂或砾 斜层理、交错层理 平原河流 中部 粗砂、卵石土组成的透镜体 具河床相、 河漫滩相 牛轭湖相沉积 滨河床浅滩 底部 厚度不大的块石、粗砾