第二章 岩石的物理性质.ppt

第第二二章章 岩石的物理性质岩石的物理性质 2.1 2.1 概述概述(岩石的基本特性岩石的基本特性)2.2 2.2 岩石的基本性质指标岩石的基本性质指标 基本物理性质 岩石的水理性质2.3 2.3 岩石的热学和电学性质岩石的热学和电学性质 2.4 2.4 岩石的渗透性岩石的渗透性 2.5 2.5 岩体结构岩体结构 结构面的类型和自然特性 结构体及其力学特点岩体结构类型 2.6 2.6 岩石（体）的工程分类岩石（体）的工程分类 完整岩块的工程分类岩体的工程分类岩石是由矿物组成的多相体系按成因岩石可划分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。成因类型不一样，差别也很大，因此，工程性质极为多样。2.1 2.1 概述概述岩石：岩石：由矿物(或岩屑)在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体。这是影响这是影响岩石岩石力学性质和物理性质的三个重要因素力学性质和物理性质的三个重要因素。构造构造:组成成分的空间分布及其相互间排列关系 矿物：矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性 质的自然元素和化合物。结构：结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。岩浆岩的性质岩浆岩的性质岩浆岩具有较高的力学强度，可作为各种建筑物良好的地基及天然建筑石料。但各类岩石的工程性质差异很大。2.1 2.1 概述概述沉积岩的性质沉积岩的性质 碎屑岩的工程地质性质一般较好，但其胶结物的成分和胶结类型影响显著；粘土岩和页岩的性质相近，抗压强度和抗剪强度低，受力后变形量大，浸水后易软化和泥化；化学岩和生物化学岩抗水性弱，常具不同程度的可溶性。常常导致地基和边坡的失稳。2.1 2.1 概述概述变质变质岩的性岩的性质质变质岩的工程性质与原岩密切相关，往往与原岩的性质相似或相近。变质岩的片理构造(包括板状、千枚状、片状及片麻状构造)会使岩石具有各向异性特征水工建筑中应注意研究其在垂直及平行于片理构造方向上工程性质的变化。2.1 2.1 概述概述总而言之总而言之变质岩：不稳定与变质程度和原岩性质有关岩浆岩：强度高、均质性好沉积岩：强度不稳定，各向异性岩体(rockmass)，由地质结构面和形状各异、大小不同的岩石块体聚合而形成的，具有多种结构类型。地壳表层圈层经建造和改造而成的具一定组分和结构的地质体，工程建筑的地基和环境。显著的不连续性、不均匀性和各向异性。进行岩体力学的分析和计算，必须区分岩体结构类型，并充分考虑结构面的力学效应。2.1 2.1 概述概述岩体岩体=岩块岩块+结构面结构面岩岩 体体结构面结构面岩块岩块不连续面：节理裂隙孔隙断面孔洞层面岩石的物理性质岩石的物理性质(容重，密度，比重，孔容重，密度，比重，孔隙率等数值指标隙率等数值指标)岩石的水理性质岩石的水理性质(吸水率，饱水率，膨胀吸水率，饱水率，膨胀性，崩解性，抗冻性等指标性，崩解性，抗冻性等指标)水对岩石性状的影响2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标岩石的容重岩石的容重岩岩石石容容重重是是指指单单位位体体积积(包包括括岩岩石石内内孔孔隙隙体体积积)内内岩岩石石的的重重量量，kN/mkN/m3 3。根根据据试试样样的的含含水水情情况况不不同同，分分为为干干容容重重（r rd d）、湿湿容容重重（r r）和和饱饱和和容容重重（r rm m）。岩石的容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙大小以及含水的多少；一般在26.528.0 kN/m3之间。随着岩石容重的增加，极限抗压强度也随着增大。一定程度上反映了其力学性质 物理性质物理性质：物理性质物理性质：2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标岩石的密度岩石的密度 岩石密度（rock density）是指单位体积内岩石的质量，kg/m3。它是研究岩石风化、岩体稳定性、围岩压力和选取建筑材料等必需的参数；岩石密度又分为颗粒密度和块体密度：岩石含：固相、液相、气相。三相比例不同而密度不同。物理性质物理性质：2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标岩石的比重岩石的比重岩石的比重（岩石的比重（）是指岩石的干的重力除以岩石的实体体积（不）是指岩石的干的重力除以岩石的实体体积（不包括孔隙），再与包括孔隙），再与4 40 0C C时水的容重相比时水的容重相比。：绝对干燥时体积为 的岩石重量；：岩石的实体体积（不包括孔隙体积）；：水的容重。岩石固体质量与同体积水在岩石固体质量与同体积水在4时的质量比时的质量比 物理性质物理性质：2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标孔隙率岩石的孔隙率分为总孔隙率（n）、开口孔隙率（no）和封闭孔隙率(nc)几种，各自的定义如下：总孔隙率总孔隙率：岩石试样中的孔隙体积与岩石试样的总体积的百分比；也可由干容重和比重来计算孔隙率n，它是反映岩石致密程度和岩石质量的重要参数。水银充填法 物理性质物理性质：思考：e?2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标开口孔隙率（）：试样中与大气相通的孔隙的体积与试样总体积之比；封闭孔隙率（）：试样中封闭的孔隙（与大气不相通的孔隙）的体积与试样总体积之比；总孔隙率与开口和封闭孔隙率的关系(读2-3)岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要有吸水性、抗冻性、软化性、渗透性、膨胀性及崩解性等。岩石的吸水性岩石的吸水性岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。常用吸水率，饱和吸水率(饱水率)与饱水系数等指标表示。吸水率：岩石的吸水率（a）是指干燥岩石试件在一个大气压力及室温条件下吸入水的重力（Ww1）与岩石的干重力（Ws）之比的百分率，用百分数表示。岩石的水理性质岩石的水理性质：2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标含水量？2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标岩石的吸水性岩石的吸水性吸水率吸水率(孔隙指数孔隙指数i i)实验测定实验测定：烘干箱烘干不少于12小时（1050C）求得干重Ws，后放入水中浸润1224小时，称得湿重，由此算出吸入的水重Ww1，从而求得a。影响因素影响因素：岩石所含孔隙的多少以及孔隙和细微裂隙的连通情况(隙多量大-i)应用应用：工程上常用吸水率作为判断岩石的抗冻性及风化程度的指标，并与其它物理力学特征值建立关系。(读图2-4)岩石的水理性质岩石的水理性质：2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标岩石的吸水性岩石的吸水性饱水率岩石的饱水率（sa）是指岩石在高压（一般压力为15Mpa）或真空条件下强制吸入水的重量（Ww2）与岩样干重量（Ws）之比,用百分数表示饱水系数岩石的吸水率（）与饱和吸水率（）之比，称为饱水系数。它反映了岩石中开口孔隙的发育程度。一般说来，饱水系数愈大，岩石中的开口孔隙相对愈多。饱水系数大，说明常压下吸水后余留的孔隙就愈少，岩石愈容易被冻胀破坏，因而其抗冻性差。岩石的水理性质岩石的水理性质：2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标饱水系数饱水系数取取值值范范围围：一般岩石都介于0.50.8之间。意义意义：对于判别岩石的抗冻性具有重要意义小于0.91，在冻结中水尚有膨胀和挤入剩余的敞开孔隙的余地大于0.91，无余地，冻结中冰会对孔隙和裂隙产生“冰劈”作用，从而造成岩石的胀裂破坏。岩石的水理性质岩石的水理性质：岩石的水理性质岩石的水理性质：2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标岩石的抗冻性岩石的抗冻性岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。常用冻融系数和重力损失率来表示。作用作用：评价岩石抗风化稳定性的重要指标；影影响响因因素素：岩石抗冻性能的高低取决于造岩矿物的热物理性质，颗粒间联结强度以及岩石的含水特征等因素。坚硬矿物刚性联结组成的致密岩石抗冻性能高(花岗岩)，松软矿物等结构不致密的岩石抗冻性能低(长石、云母、绿泥石等)。2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标 岩石的水理性质岩石的水理性质：岩石的抗冻性岩石的抗冻性冻融系数冻融系数（）：是指岩石试件经反复冻融后的干抗压强度（）与冻融前干抗压强度（）之比，用百分数表示(抗冻系数)重力损失率重力损失率（）：岩石冻融前后干试样的重力差（）与冻融前干试样的重力（）的比值，以百分数表示即2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标 岩石的水理性质岩石的水理性质：岩石的抗冻性岩石的抗冻性两个参数的测定方法两个参数的测定方法制备试样610块，分两组。一组进行冻融实验，一组进行干燥状态下的抗压强度实验。冻融试样：先饱和处理，然后-200C冷冻4小时，然后200C水中融4小时，反复进行到规定次数，最后测定岩石在冻融前后的强度变化和重力损失。抗冻性衡量指标抗冻性衡量指标抗冻系数大于75%，重力损失率不大于5%的岩石为抗冻性能好的岩石。岩石的膨胀性岩石的膨胀性岩石的膨胀性是岩石浸水后体积增大的性质(粘土矿物:蒙脱石、水云母，高岭石)；水化膜，楔劈效应，楔劈作用力大于结构联结力。大多数结晶岩和化学岩是不具有膨胀性的，这是因为岩石中的矿物亲水性小和结构联结力强的缘故。如果岩石中含有(片状结构矿物结晶的)绢云母、石墨和绿泥石一类矿物，水可能渗进片状层之间，由此亲水膨胀。指标：膨胀力和膨胀率。室内试验确定，土的固结仪和膨胀仪三种方法了解 岩石的水理性质岩石的水理性质：2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标岩石的崩解性岩石的崩解性岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。水化过程中削弱了岩石内部的结构联络而致。常见于由可溶盐和粘土质胶结的沉积岩地层中。指标：耐崩解性指数。实验室内做干湿循环试验确定。干湿循环仪，取第二次循环耐崩解指数岩石耐崩性分类的六个质量等级(-30-60-85-95-98-)岩石的水理性质岩石的水理性质：2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标岩石的软化性岩石的软化性软化性：岩石浸水饱和后强度降低的性质，用软化系数（KR）表示。KR定义为岩石试件的饱和抗压强度（Rcw）与干压强度的比值，即：KR愈小则岩石软化性愈强。研究表明：岩石的软化性取决于岩石的矿物组成(粒间连结方式)与孔隙率。(未风化结晶岩-沉积岩)当岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，且含开口空隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。岩石的水理性质岩石的水理性质：2.2 2.2 基本性质指标基本性质指标容热性：比热，容积热容导热性：导热系数(热导率)热膨胀性：线胀系数，体胀系数导电性：电导率，电阻率 容热性，导热性，热膨胀性，导电性容热性，导热性，热膨胀性，导电性2.3 2.3 岩石的热学和电学性质岩石的热学和电学性质2.3 2.3 岩石的热学和电学性质岩石的热学和电学性质容热性：热交换时岩石吸收热量的能力(岩石温升1需热量度量)比热C：不存在相转变条件下，使单位质量岩石温度变化1时所需输入的热量(J/(g)容积热容CV：单位体积的岩石，在温度变化1时所需的热量(J/(m3)影响因素：取决于矿物成分及含量，可作常数看。水的影响重要含水状态岩石的比热可用干试样的比热等指标来进行换算，公式如下：2.3 2.3 岩石的热学和电学性质岩石的热学和电学性质导热性：岩石传导热量的能力导热系数(热导率)：温度梯度为1时，单位时间内通过单位面积岩石所传导的热量(cal/(cm2s)多数造岩矿物介于0.400.804.007.00之间(2.10,0.63,0.021)，岩石与岩石密度有关(沉积岩骨架密度1520%，一倍)，注意各向异性岩石的差异(顺高1030%)。2.3 2.3 岩石的热学和电学性质岩石的热学和电学性质热膨胀系数：岩石温度升高1所引起的线性伸长量(体积增长量)与其在温度0(体积)之比值，称为线膨胀系数或体膨胀系数线膨胀系数体膨胀系数体膨胀系数约为线膨胀系数的3倍。因矿物成分不同而变化2.3 2.3 岩石的热学和电学性质岩石的热学和电学性质导电性：岩石介质传导电流的能力，常用电导率或电阻率表示。学科内应用较少导电性复杂易变：矿物成分，结构，孔隙溶液的多少、化学组成、浓度等电阻率岩浆岩高，变质岩次之，沉积岩变化范围大、垂直层理较高在水力坡降作用下，水在岩体孔隙和裂隙中的流动，即渗流；该过程称为渗透。而岩石的渗透性就是指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。概述概述2.4 2.4 岩石的渗透性岩石的渗透性 由水的渗透引起岩石边坡失稳、边坡变形、地基变形、岩溶渗透塌陷等均属于岩石的渗透稳定问题。水在孔隙介质中的渗透问题，目前的研究在试验及理论上都有一定的水平，在解决实际问题方面也能够较好地反映孔隙介质中渗流的运动规律。而裂隙介质的渗流研究则相对欠缺。裂隙相互连通的程度岩石的渗透性是一个复杂的问题，根据目前的研究，岩石的渗流大体可划分为准均匀介质渗流、裂隙性介质渗流和岩溶性介质渗流三种。(1)准均匀介质渗流：属于这一类型的有全、强风化带及弱风化带的中上部的多孔隙砂岩。在该渗流场中，达西定律基本上适用；(2)裂隙性介质渗流：裂隙性介质渗流是岩石渗流的基本形式，水的渗流主要受裂隙的类型、裂隙的大小、裂隙的产状及裂隙充填情况所控制。岩石的渗透性岩石的渗透性：2.4 2.4 岩石的渗透性岩石的渗透性(3)岩溶介质渗流：岩溶介质渗流是岩石渗流最复杂的一种形式，由于受岩溶的发育规律所控制，岩溶的渗流具有间歇性、隐伏性、封闭性和地下水系等特点。岩溶介质渗流的复杂性主要表现在以下三个方面：多循环系统共存 这是岩溶介质渗流最突出的特点之一。如一个泉眼可能是一个循环系统的排泄点，也可能是几个循环系统的排泄点。同时，单个系统在空间上可以相互交叉。裂隙性渗流与管道型渗流共存。多种渗流特征参数共存。岩石的渗透性岩石的渗透性：2.4 2.4 岩石的渗透性岩石的渗透性在一定的水力梯度或压力作用下，岩石能被水透过的性质，称为透水性。对孔隙介质岩石，一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律达西(Darcy)定律，流速与水头成正比；渗透系数：介质对某种特定流体的渗透能力，它是表征岩石透水性的重要指标，其大小取决于岩石中孔隙、裂隙的数量、规模及连通情况等，并可在室内根据达西定律测定。岩石的渗透性一般都很小，远小于相应岩体的透水性，新鲜致密岩石的渗透系数一般均小于10-7cm/s量级。同一种岩石，有裂隙发育时，渗透系数急剧增大，一般比新鲜岩石大46个数量级，甚至更大，说明孔隙性对岩石透水性的影响是很大的。2.4 2.4 岩石的渗透性岩石的渗透性 岩石的渗透性岩石的渗透性：在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可定律描述为：（m3/s）水头变化率；qx沿x方向水的流量；h水头高度；A垂直x方向的截面面积；k渗透系数。2.4 2.4 岩石的渗透性岩石的渗透性渗透系数k，渗流速度v，水力坡降i张量张量形式：形式：影响因素影响因素：岩石的物理特性和结构特征，如孔隙和裂隙的大小、开启程度以及连通情况等。有时与岩石的应力状态也有很大关系。实验确定方法实验确定方法：岩石渗透仪(图2-6)。岩石的渗透性岩石的渗透性：2.4 2.4 岩石的渗透性岩石的渗透性 岩石的渗透性岩石的渗透性：Darcy定律的适用情况：当岩体中水力坡降很高或裂隙宽度足够大时，渗流的雷诺特性被破坏，就不再适用。常以区分层流和紊流的雷诺数为标准，其范围是：由诺维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程，可导出单个裂隙的渗流公式及渗透系数：渗流场与应力场的耦合渗流场与应力场的耦合：渗流与应力的相互影响与作用水利水电工程地质勘察规范(GB50287-99)规定，岩土渗透性可按下表分级。(对比表2-3)岩土渗透性分级岩土渗透性分级：2.4 2.4 岩石的渗透性岩石的渗透性渗透性等级标准岩体特征土类渗透系数k（cm/s）透水率q（Lu）极微透水K10-6q0.1完整岩石，含等价开度0.025mm裂隙的岩体粘土微透水10-6K10-50.1q1含等价开度0.0250.05mm裂隙的岩体粘土粉土弱透水10-5K10-41q10含等价开度0.050.01mm裂隙的岩体粉土细粒土质砂中等透水10-4K10-210q100含等价开度0.010.5mm裂隙的岩体砂砂砾强透水10-2K2.5mm裂隙的岩体粒径均匀的巨砾坝基下的渗透水流，使岩土体中的某些颗粒移动或颗粒成分、结构发生改变的现象称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形对土石坝稳定影响极大，据美国发表的资料，在破坏的土石坝中，有40是由于坝基或坝体土的渗透变形所造成。我国对有问题的土石坝的调查发现其中由渗透变形所引起者竟达60。四川陈陈仓仓水水库库条条石石拱拱坝坝的实事便是一例。该坝由于清基不彻底，在三号拱基下发生渗透变形，不仅把红色风化泥岩裂隙中的粘土冲蚀，而且把泥岩也冲蚀了7m深，连同被冲蚀的坝身成为一个高13m，宽8m的冲蚀洞。坝基渗透变形的主要类型是管涌和流土。坝基渗透稳定性分析坝基渗透稳定性分析2.4 2.4 岩石的渗透性岩石的渗透性在工程地质勘测工程地质勘测基础上坝基渗透稳定性分析步骤如下：（1）在宏观第四纪地层结构分析或软弱夹层研究的基础上，进行坝基渗透变形特征的分段。（2）根据岩性和颗粒分析以及物理分析试验资料，对各地段进行渗透变形类型的预测。（3）确定坝基各点的实际水力坡降。确定方法有理论计算法、流网法、水电比拟法和观察法等。初步判定可用计算法。双层结构且透水层厚度稳定，坝下溢出平均水力坡度为：2.4 2.4 岩石的渗透性岩石的渗透性（4）确定临界水力坡降。确定临界水力坡降有计算法、试验法和经验数值法。计算法，临界水力坡降可用式（2-7）计算。试验法确定临界水力坡降的试验法有室内试验和现场试验。室内试验多在透明的有机玻璃渗透仪或水槽中进行（图2-8和图2-9）。2.4 2.4 岩石的渗透性岩石的渗透性软弱夹层渗透变形现场试验有辐射流法和平行流法。前者是用一个主压水孔，产生辐射渗透，在四周打孔，挖坑观测；后者是打一排孔联合压水，使试验地段的中心地带，产生近于平行流渗透，后一种方法与坝基实际渗流状态接近，具体布置如图2-11。图2-11软弱夹层现场渗透变形试验布置图2.4 2.4 岩石的渗透性岩石的渗透性现场试验也是逐级升压，逐级稳定，并经历试验与逐级减压两个阶段。一般在每级压力下要稳定23h，所以试验历时较长。试验结束，绘制流量与压力关系曲线或1gI1gv关系曲线，以曲线转折点求出I。（图2-12）2.4 2.4 岩石的渗透性岩石的渗透性控制坝基及地基的渗流，其主要任务可归结为三点：一是尽量减少渗漏量；二是提早释放渗透压力，保证地基与水工建筑物有足够的静力稳定性；三是防止渗透破坏，保证渗透稳定性。渗透变形的防治措施可分为渗流水动力条件改变、渗流出口保护和土石性质改善等三个方面。坝基渗透变形的防治措施坝基渗透变形的防治措施2.4 2.4 岩石的渗透性岩石的渗透性结构面；类型：原生，构造，次生；自然特性：等级，物质组成结合状态，空间分布延展性，密集程度；统计分析：裂隙统计图，统计密度结构体：形状，产状，块度；力学性质岩体结构类型：四大类九亚类，表2-5(岩体结构类型)岩体结构岩体结构结构面结构面结构体结构体结构类型2.5 2.5 岩体结构岩体结构岩体结构包括两个组成部分：结构面和结构体。结构面是指岩体中的各种地质界面，它包括物质分异面和不连续面，诸如层面和断裂面等。结构体是不同产状和不同规模的结构面相互切割而形成的、大小不一、形态各异的岩石块体。因此，岩体可以看作结构体的组合。2.5 2.5 岩体结构岩体结构结构面结构面：断层、节理、褶皱统称 岩体 结构面影响完整性很好连续介质力学方法非常破碎土力学方法 两者之间裂隙体力学方法岩体不连续性，各向异性反映区域性地质构造降低岩体强度2.5 2.5 岩体结构岩体结构 节理岩体的强度特征与岩石强度的区别 岩石；节理化岩体：节理 岩体强度岩体强度=岩块强度岩块强度+节理强度节理强度 结结构面的构面的类类型型 结构面的类型和自然特性结构面的类型和自然特性2.5 2.5 岩体结构岩体结构成成 因因举举 例例原生结构面原生结构面在成岩过程中形成的结构面。沉积岩层理层面软弱夹层和不整合面等;岩浆岩的侵入体与围岩的接触面、喷出岩的流线和流面构造及原生节理等;变质岩中的片理板理和片麻构造等构造结构面构造结构面岩体受构造应力作用所产生的破裂面或破碎带。构造节理、断层、劈理以及层间错动面等。次生结构面次生结构面岩体受卸荷作用，风化作用和地下水活动所产生的结构面。卸荷裂隙、风化裂隙以及各种泥化夹层、次生夹泥等。Structuralplane成因类型地质类型原生结构面沉积结构面层面、层理、沉积间断面（不整合面、假整合面）、原生软弱夹层火成结构面流层、流线、火山岩流接触面，蚀变带、挤压破碎带、原生节理变质结构面片理、板理、软弱夹层成因类型地质类型构造结构面劈理节理断层层间破碎夹层成因类型地质类型次生结构面卸荷裂隙爆破裂隙风化裂隙风化夹层泥化夹层结结构面的构面的自然特性自然特性结构面的规模、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结构面的等级：按结构面的规模分为四个等级，每个等级都关系到岩体的稳定性。2.5 2.5 岩体结构岩体结构结构面的类型和自然特性结构面的类型和自然特性结结构面的构面的自然特性自然特性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五种情况：（a）闭合，无充填物；（b）张开，有少量充填物；（c）闭合，有泥质粘膜；（d）张开，有1mm的矿物薄膜；（e）次生泥化作用明显，结构面之间的物质是岩屑和泥质物。2.5 2.5 岩体结构岩体结构结构面的类型和自然特性结构面的类型和自然特性结结构面的构面的自然特性自然特性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，在空间连续分布的结构面，其延展程度高，规模大，对岩体的稳定性影响大；短小或不连贯的结构面，其延展程度低，规模小，对岩体的稳定性影响小。结构面的密集程度：指标：（a）岩体内结构面的组数；（b）单位体积（面积、长度）内结构面的数量。2.5 2.5 岩体结构岩体结构结构面的类型和自然特性结构面的类型和自然特性级序分级依据地质类型力学属性对岩体稳定性影响I级延伸数十公里深度可切穿一个构造层破碎带宽度在数米、数十米以上区域性深大断裂或大断裂属于软弱结构面，构成独立的力学介质单元影响区域稳定性是岩体变形或破坏的控制条件，形成岩体力学作用边界。级序分级依据 地质类型力学属性对岩体稳定性影响II级延伸数百米至数公里，破碎带宽度比较窄，几厘米至数米不整合面假整合面原生软弱夹层层间错动带风化夹层属于软弱结构面形成块裂边界控制山体稳定性与I级结构面可形成大规模的块体破坏，即控制岩体变形和破坏方式。级序分级依据地质类型力学属性对岩体稳定性影响III级延展十米或数十米，无破碎带，面内不含泥，有泥膜。在一个地质时代地层中分布。各种类型的断层原生软弱夹层层间错动带等多数属于坚硬结构面少数属软弱结构面。控制岩体的稳定性与I、II级结构面组合可形成不同规模的块体破坏划分II类岩体结构的重要依据级序分级依据地质类型力学属性对岩体稳定性影响IV级延展数米，未错动，不夹泥，有的呈弱结合状态，统计结构面节理、劈理、片理、层理、卸荷裂隙等。坚硬结构面划分II类岩体结构的基本依据是岩体力学性质和结构效应基础破坏岩体的完整性，与其他结构面形成不同类型边坡破坏方式。级序分级依据地质类型力学属性对岩体稳定性影响V级连续性极差、刚性接触的细小或隐微裂面，统计结构面微小节理隐微裂隙线理等。硬性结构面分布随机，降低岩块强度，是岩块力学性质效应基础。若十分密集，又因风化，形成松散介质。按照工程的要求分类按照工程的要求分类1 1绝对分类绝对分类2 2相对分类相对分类相对工程而言的分类。相对工程而言的分类。见下表见下表3 3按力学观点分类按力学观点分类 中等结构面中等结构面 110m巨大巨大结构面面 10m 细小结构面细小结构面 延长延长 1m1m破坏面破坏面破坏带破坏带行两者之间行两者之间充填充填非充填非充填见附表2.5 2.5 岩体结构岩体结构结构面的相对分类结构面的相对分类2.5 2.5 岩体结构岩体结构按力学观点的破坏面和破坏带分类按力学观点的破坏面和破坏带分类单节理单节理节理组节理组节理群节理群羽毛状羽毛状节理节理破碎带破碎带无充填有充填有粘性充填物结构面的统计分析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，并用之作为评价岩体质量的依据。裂隙统计图裂隙统计图 2.5 2.5 岩体结构岩体结构结构面的类型和自然特性结构面的类型和自然特性结构面的统计分析结构面的统计分析采用赤平极射投影原理，通常采用施密特极坐标网表示裂隙面的产状。即把实测到的裂隙的倾向和倾角投影到极坐标网上，网上的每一个点，即代表一个裂隙面的产状。为了反映岩体中不同产状裂隙的疏密程度，可以用图2-11右上方的小圆圈去测量，从而得出图上某个范围内单位面积上分布的裂隙条数，即裂隙密度。将邻近的裂隙条数相等的点连接起来，就构成了裂隙密度等值线图。2.5 2.5 岩体结构岩体结构结构面的类型和自然特性结构面的类型和自然特性结构面的统计分析结构面的统计分析 裂隙的裂隙的统计统计密度密度 为了从数量上表示裂隙的发育程度，经常采用以下两个指标：裂隙裂隙频频率率（）：岩体内单位长度直线上所穿过的裂隙条数。如果裂隙的平均间距用 表示，则被裂隙系统切割而造成的最小单元体的体积，可以近似地看作立方体，可以用下式表示2.5 2.5 岩体结构岩体结构结构面的类型和自然特性结构面的类型和自然特性结构面的统计分析结构面的统计分析 裂隙的裂隙的统计统计密度密度裂隙裂隙度度：有二向裂隙度和三向裂隙度两种。二向裂隙度二向裂隙度（K2）：就是岩体内一个平行于裂隙的截面上，裂隙面积与整个岩石的截面积的比值。2.5 2.5 岩体结构岩体结构结构面的类型和自然特性结构面的类型和自然特性结构面的统计分析结构面的统计分析 裂隙的裂隙的统计统计密度密度三向裂隙度三向裂隙度（K3)：就是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。2.5 2.5 岩体结构岩体结构结构面的类型和自然特性结构面的类型和自然特性结构面状态结构面状态1）结构面）结构面贯通类型贯通类型和和连续性连续性a.贯通类型贯通类型非贯通性结构面：较短、不能贯通,岩块强度降低、变形增大.半贯通性结构面：有一定长度、不能贯通,岩块强度降低、变形增大贯通性结构面：长度较长、连续好、贯通整个岩体、构成岩体边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制 b.连续性连续性结构面的连续性反映结构面的贯通程度。线连续性系数K1：沿结构面延伸方向上，结构面各段长度之和与测线长度比值 K1=a/(a+b)K1变化在01之间变化,K1值愈大说明结构面的连续性愈好,当K1=1时，结构面完全贯通。面连续性系数（面切割度）Xe：在岩体中沿结构面延展平面上，结构面各块面积之和a与该断面面积A之比 Xe=a/AXe变化在01之间变化；Xe值愈大说明结构面的连续性愈好；当Xe=1时，结构面完全贯。当Xe=0时，岩体完整。岩体按切割度Xe的分类表名称切割度Xe完整的0.10.2弱节理化0.20.4中等节理化0.40.6强节理化0.60.8完全节理化0.81.0迹长：在岩体中沿结构面延展迹线的长度。国际岩石力学学会(ISRM，1978)建议：用结构面的迹长来描述和评价结构面的连续性，并制订了相应的分级标准描述迹长(m)很低连续性20结构面的密集程度反映结构面发育的密集程度。裂隙度K：沿取样线方向单位长度上的结构面数量。设取样线长度为L,单位m,该长度内出现的结构面数量n，沿取样线方向结构面平均间距为d，则K=n/L ，d=1/K=L/n线密度Kd：若取样线垂直结构面，则裂隙度被称为线密度。间距d：同一组结构面法线方向上结构面平均距离。Kd=n/L ，d=1/Kd=L/n2）结构面）结构面密集程度密集程度按结构面间距d的分级表描述削距(mm)极密集的间距6000多组结构面裂隙度K 的计算：Ka=1/max=cosa/da，Kb=1/mbx=cosb/db，Kn=1/mnx=cosn/dn K=Ka+Kb+Kn结构面按裂隙度K分类：k=01为疏节理，k=110为密节理，k=10100为非常密集节理，k=1001000为压碎、糜棱化。裂隙度K与的线密度Kd关系：假设假设测线OC是水平布置的，且与结构面法线OA在水平面上的投影线OB的夹角为，结构面的倾角为，则体切割度Xv：面切割度Xe与裂隙度K的乘积；表示一组结构面对岩体的切割程度。Xv K Xe3）结构面）结构面产状：产状：要素：走向、倾向、倾角与主应力之间的关系：控制岩体的破坏机理与强度。4）结构面）结构面形态：形态：要素：起伏形态、起伏角、粗糙度。对岩体的力学性质和剪切强度有影响。起伏角:i=arctan(2h/L)粗糙度系数：JRC（joint roughness coefficent)巴顿（Barton，1977）提出：粗糙度标准及粗糙系数挪威岩土工程研究所(Norwegian Geotechnical Iinsitute)5）结构面）结构面张开度：张开度：张开度：结构面两壁间的垂直距离。点接触：起伏、锯齿的凸起点，粘聚力降低。张开:强度决定于充填物。描述结构面张开度(mm)张开情况很紧密紧密部分张开10裂开结构面很宽的极宽的似洞穴的10100100l0001000张开结构面结构面按张开度分级6）结构面）结构面的的胶结胶结充填物：充填物：a.胶结充填物成分成分对结构面力学性质的影响：铁硅质胶结强度高；钙质胶结强度较差；黏土、泥质胶结强度最差。b.胶结充填物厚度厚度对结构面力学性质的影响：薄膜充填：厚度小于1mm、应力矿物、强度明显降低；端续充填：厚度小于起伏、强度与充填物和结构面有关；连续充填：厚度稍大于起伏、强度取决于充填物。后层充填：厚度远大于起伏、强度取决于充填物、易滑移。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、楔锥状等或几种形体的组合。结构体产状是用其长轴方位来表示的。结构体的块度大小取决于结构面的密度。结构体的力学性质主要受组成它的岩石的力学性质的影响。2.5 2.5 岩体结构岩体结构结构体及其力学特点结构体及其力学特点结构面性质规模切割密度等因素的不同带来不同的岩体物力性质划分依据划分依据：结构面的等级和组合方式。划划分分类类型型：结构体类型分为四个大类和九个亚类。、级整体块状岩体；、级破碎结构岩体。2.5 2.5 岩体结构岩体结构岩体岩体结结构构类类型型岩体结构类型在其变形特征上反映很明显。整体结构主要为结构体体积压缩变形与剪切变形；而大量开裂结构面的存在使块状结构岩体变形主要受贯通性结构面的控制2.5 2.5 岩体结构岩体结构岩体岩体结结构构类类型型岩体构类型岩体地质类型主要结构体形状结构面发育情况岩土工程特征可能发生的岩上工程问题整体状结构均质，巨块状岩浆岩、变质岩巨厚层沉积岩、正变质岩巨块状以原生构造节理为主多呈闭合型，裂隙结构面间距大于1.5m,一般不超过l2组无危险结构面组成的落石掉块整体性强度高，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体不稳定结构体的局部滑动或坍深埋洞室的岩爆岩体构类型岩体地质类型主要结构体形状结构面发育情况岩土工程特征可能发生的岩上工程问题块状结构厚层状机积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩块状柱状只具有少量贯穿性较好的节理裂隙裂隙结构面问距0.71.5m。一般为23组有少量分离体整体强度较高结构面互相牵制岩基本稳定，接近弹性各向同性体不稳定结构体的局部滑动或坍塌深埋洞室的岩爆岩体构类型岩体地质类型主要结构体形状结构面发育情况岩土工程特征可能发生的岩上工程问题层状结构多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩层状板状透镜体有层理、片理、节理带有层间错动面接近均一的各向异性体其变形及强度特征受层面及岩层组合控可视为弹塑性体稳定性较差不稳定结构体可能产生滑塌特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形岩体构类型岩体地质类型主要结构体形状结构面发育情况岩土工程特征可能发生的岩上工程问题碎裂状结构构造影严重的破碎岩层碎块状断层、断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育，裂隙结构面 间距0.250.5m，一般在3组以上由许多分离体形成完整性破坏较大，整体强度很低并受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介稳定性很差易引起规模较大的岩体失稳、地下水加剧岩体失稳岩体构类型岩体地质类型主要结构体形状结构面发育情况岩土工程特征可能发生的岩上工程问题散体状结构构造影响剧烈的断层破碎带，强风化带，全风化带碎屑状颗粒状断层破碎带交叉构造及风化裂隙密集结构及组合错综复杂，并多充填粘性土形成许多大小不一的分离岩块完整性遭到极大破坏稳定性极差岩体属性接近松散体介质易引起规模较大的岩体失稳、地下水加剧岩体失稳岩体复杂、理论不完善、靠经验。岩体复杂、理论不完善、靠经验。n从定性和定量两个方面来评价岩体的工程性质，根据工程类型及使用目的对岩体进行分类，这也是岩体力学中最基本的研究课题。分类原则分类原则（1）有明确的类级和适用对象。（2）有定量的指标。（3）类级一般分五级为宜。（4）分类方法简单明了、数字便于记忆和应用。（5）根据适用对象，选择考虑因素。趋势：趋势：“综合特征值”分类法2.6 2.6 岩体的工程分类岩体的工程分类以工程实用为目的的岩石（体）类型划分叫岩石（体）的工程分类。是岩石力学研究的重要内容通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏预测可能出现的岩体力学问题为工程设计、加固、建筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。岩体工程分类既是工程岩体稳定性分析的基础，也是评价岩体工程地质条件的一个重要途径。岩体工程分类实际上是通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质条件和岩体的力学性质联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。2.6 2.6 岩体的工程分类岩体的工程分类2.6 2.6 岩体的工程分类岩体的工程分类应充分考虑工程的需要，用明确的概念和严谨的判据去区分岩石(体)的级别，以便工程技术人员合理的选择工程布局并采用相适应的技术处理方法。目前国内外已提出的岩体分类方案得到大家共识的有数十种之多，多以考虑地下洞室围岩稳定性为主。有定性的，也有定量或半定量的，有单一因素分类，也有考虑多种因素的综合分类。各种方案所考虑的原则和因素也不尽相同，但岩体的完整性和成层条件、岩块强度、结构面发育情况和地下水等因素都不同程度地考虑到了。以下主要介绍几种国内外在水工建设工程中应用较广、影响较大的分类方法。完整岩块：实验室内试验采用的不包含裂隙的岩石材料。早期采用单因素的岩石分类，即按单轴抗压强度的大小进行分类，使用方便。但岩石的强度并不是固定不变的，其它性质应予考虑。比如依据岩石材料的坚固性、抗水性、弹性波速及某些能反映岩石材料特征的物理力学性质指标，进行单因素和多因素的岩石分类。2.6 2.6 岩体的工程分类岩体的工程分类一、完整岩一、完整岩块块的工程分的工程分类类 岩石按坚硬程度分类：岩石按坚硬程度分类：岩土工程勘察规范（GB500212001）规定岩石的坚硬程度可按下表分类。2.6 2.6 岩体的工程分类岩体的工程分类坚硬程度坚硬程度坚硬岩坚硬岩较硬岩较硬岩较软岩较软岩软岩软岩极软岩极软岩饱 和 单 轴 抗 压 强 度（MPa）fr6060fr3030fr1515fr5fr5一、完整岩一、完整岩块块的工程分的工程分类类 岩石按风化程度分类岩石按风化程度分类国标岩土工程勘察规范（GB500212002）中提出岩石按风化程度分类见下表。2.6 2.6 岩体的工程分类岩体的工程分类风化程度野外特征风化程度参数指标压缩波速度vp(m/s)波速比kv风化程度kt未风化岩质新鲜，偶见分化痕迹50000.91.00.91.0微风化结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色。有少量风化裂隙400050000.80.90.80.9中等风化结构部分破坏,沿节理面有次生矿物。风化裂隙发育，岩体被切割成岩块。用镐难挖，岩芯钻方可钻进200040000.60.80.40.8强风化结构大部分破坏，矿物成分显著变化，分化裂隙发育，岩体破碎