矿井围岩控制 灾害防治

主讲人：张国华 教授电 话： 0451-88036483E-mail ： zgh710828131@163.com

第 04 讲 岩 体

与安全工程

岩体的基本性质

定定义义

所谓“结构面”，是指在地质发展历史中，尤其是地质构造变形过程中形成的，具有一定方向、延展较大、厚度较小的二维面状地质界面，它包括岩石物质的分界面和不连续面，如岩体中存在的层面、节理、断层、软弱夹层等，可统称为结构面。

通常把在地质历史过程中形成的，具有一定的岩石成分和一定结构，并赋存于一定地应力状态的地质环境中的地质体，称为岩体。

所谓结构体是指由结构面切割而成的岩石块体。结构体的四周都被结构面包围，常见的结构体大都是有棱角的多面体，如立方体、长方体、柱状体、板状体、菱形体、梯形体、楔形体、锥形体等。

岩体的基本性质

岩岩体体的的特特征征

非均质性 非均质性

各向异性 各向异性

非连续性 非连续性

由多种岩石组成的岩体，由于在自然条件下组成岩石的物质成分、组织结构及其组合状况经常变化，所以一般认为岩体是非均质的。

各向异性是指物体的全部或部分物理力学特性随方向不同而表现出一定差异的性质。

由于岩体受各种结构面切割，从原则上讲岩体属于非连续体。在研究工程问题，尤其是进行岩体稳定性分析时，往往根据岩体的不同结构类型把岩体分别看作是非连续体、似连续体或连续体。

一、岩体的结构 1 、结构面

类类型型

成因成因

原生结构面 原生结构面

构造结构面 构造结构面

次生结构面 次生结构面

沉积结构面 沉积结构面

岩浆结构面 岩浆结构面

变质结构面 变质结构面

一、岩体的结构 1 、结构面

特特征征

结构面的产状 结构面的产状

结构面的连续性 结构面的连续性

结构面的密度 结构面的密度

结构面的形态结构面的形态

结构面的开张度 结构面的开张度

结构面的充填胶结特征 结构面的充填胶结特征

结构面的产状与最大主应力作用线之结构面的产状与最大主应力作用线之间的关系控制着岩体的破坏机理，进间的关系控制着岩体的破坏机理，进而控制着岩体的强度。而控制着岩体的强度。

反映结构面的贯通程度，常用线连续反映结构面的贯通程度，常用线连续性系数和面连续性系数表示。性系数和面连续性系数表示。

反映结构面发育的密集程度，常用间反映结构面发育的密集程度，常用间距、线密度等指标表示。 距、线密度等指标表示。

一、岩体的结构 2 、结构体

定义定义 被结构面切割而成的岩石块体，称为结构体。被结构面切割而成的岩石块体，称为结构体。

不同的结构面，切割成结构体的规模不同。结构体的形状极其复杂，其基本不同的结构面，切割成结构体的规模不同。结构体的形状极其复杂，其基本形状有柱状、板状、块状、楔形、锥形、菱形等。此外，在强烈破碎的部位，形状有柱状、板状、块状、楔形、锥形、菱形等。此外，在强烈破碎的部位，还可有片状、鳞片状、碎块状及碎屑状等。结构体形状在岩体稳定性评价中还可有片状、鳞片状、碎块状及碎屑状等。结构体形状在岩体稳定性评价中关系很大，形状不同，稳定程度不同。一般说来，板状结构体比柱状和块状关系很大，形状不同，稳定程度不同。一般说来，板状结构体比柱状和块状的差，而楔状的比菱形及锥形的差，但还需要结合其产状及与工程作用力的的差，而楔状的比菱形及锥形的差，但还需要结合其产状及与工程作用力的关系作具体分析。关系作具体分析。

结构体的产状一般用结构体表面上最大结构面的长轴方向表示。它对岩体稳结构体的产状一般用结构体表面上最大结构面的长轴方向表示。它对岩体稳定性的影响需结合临空面及工程作用力来分析。一般来说，平卧的板状结构定性的影响需结合临空面及工程作用力来分析。一般来说，平卧的板状结构体比竖直的板状结构体对岩体稳定性的影响要大一些，楔形体也是如此。体比竖直的板状结构体对岩体稳定性的影响要大一些，楔形体也是如此。

一、岩体的结构 3 、软弱夹层

定义定义 所谓软弱夹层，是指岩体中那些性质软弱、有一定厚度所谓软弱夹层，是指岩体中那些性质软弱、有一定厚度的软弱结构面或软弱带。 的软弱结构面或软弱带。

成成因因

原生沉积 原生沉积

火山碎屑 火山碎屑

沉积变质 沉积变质

层间错动 层间错动

断裂破碎 断裂破碎

次生充填 次生充填 地下水泥化 地下水泥化

高压缩性和低强度 高压缩性和低强度 特征特征

工程意义工程意义在水工建筑中往往是工程研究的主要对象，其中最在水工建筑中往往是工程研究的主要对象，其中最常见且危害较大的是泥化夹层。常见且危害较大的是泥化夹层。

一、岩体的结构 4 、岩体的结构类型

类类型型

层状结构 层状结构

碎裂结构 碎裂结构

整体块状结构整体块状结构

散体结构 散体结构

整体结构整体结构

块体结构块体结构

层状结构 层状结构

薄层状结构 薄层状结构

镶嵌结构 镶嵌结构

层状碎裂结构 层状碎裂结构

碎裂结构 碎裂结构

二、岩体的变形性质

1 、结构面的变形特征

定义定义 岩体的力学性质是指岩体在外力作用下所表现的变形和破岩体的力学性质是指岩体在外力作用下所表现的变形和破坏性质。坏性质。

11）法向变形特性）法向变形特性

在同一岩体中，取一块不含结构面的在同一岩体中，取一块不含结构面的完整岩块试件和一块含有结构面的岩完整岩块试件和一块含有结构面的岩石试件，然后分别对这两块试件进行石试件，然后分别对这两块试件进行单向压缩试验，可得到如图所示的法单向压缩试验，可得到如图所示的法向应力和法向变形关系曲线。向应力和法向变形关系曲线。

花岗闪长岩岩块的法向变形曲线

二、岩体的变形性质

22）剪切变形特性）剪切变形特性

在岩体中取含有结构面的岩石试件，在在岩体中取含有结构面的岩石试件，在一定的法向力作用下进行剪切实验，可一定的法向力作用下进行剪切实验，可得到结构面的剪应力（得到结构面的剪应力（ ττ ）） --剪位移剪位移（（ ΔμΔμjj ）关系曲线。如图所示。）关系曲线。如图所示。

结构面剪切变形特征

类型类型塑性变形 塑性变形

脆性变形 脆性变形

如泥化夹层、光滑平直的破裂面等 如泥化夹层、光滑平直的破裂面等

如粗糙结构面等 如粗糙结构面等

二、岩体的变形性质

类型类型

岩体整体完整、裂隙不发育、致密坚硬、岩体整体完整、裂隙不发育、致密坚硬、变形模量较大、塑性变形量小变形模量较大、塑性变形量小

1 、岩体的变形特征

直线型 直线型

上凹型 上凹型

下凹型 下凹型

复合型 复合型 节理裂隙很发育，且具有泥质充填；岩节理裂隙很发育，且具有泥质充填；岩石性质软弱；岩体较深处存在有软弱夹石性质软弱；岩体较深处存在有软弱夹层。层。

在载荷作用初期，裂隙逐渐闭合或软弱在载荷作用初期，裂隙逐渐闭合或软弱夹层变形较大，变形曲线倾斜较缓，随夹层变形较大，变形曲线倾斜较缓，随着载荷的增加，曲线斜率也增大，塑性着载荷的增加，曲线斜率也增大，塑性变形趋于稳定，变形曲线则逐步呈现直变形趋于稳定，变形曲线则逐步呈现直线关系。线关系。

二、岩体的变形性质

测定方法测定方法

又可称为承压板法、狭缝法、钻孔变形又可称为承压板法、狭缝法、钻孔变形法及水压洞室法等法及水压洞室法等

2 、岩体的变形试验

静力法 静力法

动力法 动力法

式中，式中， --岩体的变形模量（岩体的变形模量（ GPaGPa ）；）； --岩体的变形量（岩体的变形量（ 10-2m10-2m ）；）； -- 承压板单位面积上的压力（承压板单位面积上的压力（ MPaMPa ）；）； -- 承压板直径或边长（承压板直径或边长（ 10-2m10-2m ）；）； --岩体的泊松比；岩体的泊松比； --与承压板刚度和形状有关的系数，圆与承压板刚度和形状有关的系数，圆 形板取形板取 0.790.79，方形板取，方形板取 0.880.88。。

主要有地震法和声波法主要有地震法和声波法

11）承压板法 ）承压板法

W

DpEm

)1( 2

二、岩体的变形性质

式中，式中， --岩体的径向变形（岩体的径向变形（ 10-2m10-2m ）；）； -- 计算压力，等于试验压力与初始压力之差计算压力，等于试验压力与初始压力之差 （（ MPaMPa ）；）； -- 实测点的钻孔直径（实测点的钻孔直径（ 10-2m10-2m ）；其余符号）；其余符号意意 义同前。义同前。

22）钻孔变形法 ）钻孔变形法

dp

Em)1(

33）声波法 ）声波法

)1(

)21)(1(2

d

ddpmd vE

式中，式中， --岩体的动弹性模量（岩体的动弹性模量（ GPGPaa ）） ;; --岩体的动泊松比；岩体的动泊松比； --岩体的动剪切模量（岩体的动剪切模量（ GPGPaa ）） ;; --岩体的密度（岩体的密度（ 103kg/m3103kg/m3 ）） ;; -- 纵波波速（纵波波速（ m/sm/s ））

)1(2 2dsmd vE

2smd vG

)(2

222

22

sp

sp

d vv

vv

或

三、岩体的强度性质 1 、结构面的剪切强度

结构面 结构面

平直光滑无充填 平直光滑无充填

粗糙起伏无充填 粗糙起伏无充填

非贯通断续 非贯通断续

具充填 具充填

itg

11 ）平直光滑无充填结构面）平直光滑无充填结构面

式中，式中， σ-σ- 结构面法向应力；结构面法向应力； ψψii-- 结构面的摩擦角，一结构面的摩擦角，一 般在般在 20°20° ～～ 40°40°之间。之间。

形态、连续性、充填物

三、岩体的强度性质 22 ）粗糙起伏无充填结构面）粗糙起伏无充填结构面

具有一定起伏度的锯齿形结构面的剪切强度随着起伏角（具有一定起伏度的锯齿形结构面的剪切强度随着起伏角（ ii）的增大而增加，）的增大而增加，其强度包络线如图其强度包络线如图 2-82-8 （（ cc ）中前段所示。）中前段所示。

（（ 11 ）法向应力较小（即）法向应力较小（即 σ<σσ<σTT））

)( itg i

理想化模型 单个凸起受力

三、岩体的强度性质 （（ 22 ）法向应力较大（即）法向应力较大（即 σ>σσ>σTT ））

bb tgC

])lg([ b

JCSJRCtg

巴顿巴顿

剪切强度包络线

式中：式中： JRCJRC 为粗糙度系数； 为粗糙度系数； JRSJRS 为结构面两侧岩石的抗压强为结构面两侧岩石的抗压强 度，可用回弹仪测定；其余度，可用回弹仪测定；其余 符号同前符号同前。

三、岩体的强度性质 33 ）非贯通断续结构面）非贯通断续结构面

这类结构面的剪切强度由各段结构面剪切强度和非贯通段岩石的剪切这类结构面的剪切强度由各段结构面剪切强度和非贯通段岩石的剪切强度两部分组成的。因此，整个结构面的强度取决于结构面和岩块性强度两部分组成的。因此，整个结构面的强度取决于结构面和岩块性质以及结构面连续性，即：质以及结构面连续性，即：

])[1(][ mmii tgCKtgCK

式中，式中， CCii 、、 CCmm-- 分别为结构面和岩石的内聚力；分别为结构面和岩石的内聚力； ψ ψ ii 、、 ψψmm -- 分别为结构面和岩石的内摩擦角；分别为结构面和岩石的内摩擦角； KK-- 结构面的连续性系数。结构面的连续性系数。

三、岩体的强度性质 44 ）具充填软弱结构面）具充填软弱结构面

充填物成分不同，其剪应力充填物成分不同，其剪应力 -- 剪位移曲线剪位移曲线也不同。如图为不同颗粒成分软弱夹层的也不同。如图为不同颗粒成分软弱夹层的剪应力剪应力 -- 剪位移关系曲线。剪位移关系曲线。

结构面的充填度常用充填物厚度（结构面的充填度常用充填物厚度（ dd ）与）与结构面的起伏差（结构面的起伏差（ δδ ）之比来表示。它对）之比来表示。它对结构面剪切强度的影响表现在强度随充填结构面剪切强度的影响表现在强度随充填度的增大而降低，如图所示。度的增大而降低，如图所示。

不同颗粒成分夹层剪应力 - 剪位移曲线

夹泥充填度对摩擦系数的影响

三、岩体的强度性质 2 、岩体的剪切强度

定义 定义 岩体中任一方向的剪切面，在一定的法向应力作用下所岩体中任一方向的剪切面，在一定的法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力，称为岩体的剪切强度。能抵抗的最大剪应力，称为岩体的剪切强度。

类型 类型

抗切强度 抗切强度

抗切强度 抗切强度

抗切强度 抗切强度

岩体强度主要受节理弱面影响，且因弱面组成不同，岩体强度主要受节理弱面影响，且因弱面组成不同，表现出不同的破坏形式 表现出不同的破坏形式 工程意义工程意义

四、岩体的工程分类 1 、 RQD 分类

定义定义 大于大于 0.1m0.1m 的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分率率 ..

分类分类

RQD值（%） 岩体质量评价0～ 25 很差25～ 50 差50～ 75 一般75～ 90 好

90～ 100 很好

迪尔（迪尔（ Deere,196Deere,19644 ） ）

提出人提出人

四、岩体的工程分类 2 、节理岩体的 CSIR 分类

分类组成分类组成

比尼斯基（比尼斯基（ Bieniawski,197Bieniawski,19766 ） ）

提出人提出人

岩块强度 岩块强度

RQDRQD 值 值

节理间距 节理间距

节理条件 节理条件 地下水 地下水

根据实际的各类参数情况，根据各标准评分表，查得岩体的类别及根据实际的各类参数情况，根据各标准评分表，查得岩体的类别及相应的不支护地下开挖的自稳时间和岩体强度指标值。相应的不支护地下开挖的自稳时间和岩体强度指标值。

分类方法分类方法

四、岩体的工程分类 4 、岩体质量指标（ RMQ）分类

分类指标分类指标

我国水利部我国水利部 19719788

提出人提出人式中，式中， KKRR-- 岩石的软化系数岩石的软化系数 ；； SS-- 岩石质量；岩石质量； KKyy- 岩石风化程度系数；岩石风化程度系数； KKvv- 岩体完整性系数岩体完整性系数；

分类方法分类方法 根据以上各系数的计算值，代入上式得到岩体的质量指根据以上各系数的计算值，代入上式得到岩体的质量指标标 MM 值值，以以 MM 值为依据，将岩体分为五类值为依据，将岩体分为五类 。

M值 <0.01 0.01～ 0.1 0.12～ 0.1 1～ 3 >3

分类 差 较差 中等 较好 好

VRy KKKSM

四、岩体的工程分类 3 、 巴顿岩体质量（ Q）分类

分类指标分类指标

巴顿（巴顿（ Barton,1974Barton,1974 ）等人）等人

提出人提出人

式中，式中， RQDRQD-- 岩石质量指标；岩石质量指标； JJnn 、、 JJrr-- 节理组数和节理粗糙度系数；节理组数和节理粗糙度系数； JJaa 、、 JJww-- 节理蚀变系数和节理水折减系节理蚀变系数和节理水折减系数数 ;; SRFSRF-- 应力折减系数。应力折减系数。

分类方法分类方法

SRF

J

J

J

J

RQDQ w

a

r

n

根据公式中六个参数的实际情况，查表确定各自的数值，根据公式中六个参数的实际情况，查表确定各自的数值，然后带回公式求的然后带回公式求的 QQ 值，按值，按 QQ 值将岩体分为如下表九类：值将岩体分为如下表九类：

Q值 <0.01 0.01～0.1 0.1～ 1 1～ 4 4～ 10 10～ 40 40～ 10

0100～ 4

00 >400

分类 异常差 极差 很差 差 一般 好 很好 极好 异常好