土木工程地质学 Geology in Civil Engineering

1. 土木工程地质学Geology in Civil Engineering

2. 岩体的工程地质性质 4.1 岩体结构与地质特征 4.2 岩块的工程地质性质 4.3 结构面特征及力学性质 4.4岩体力学性质与工程分类

3. 岩体的基本概念：岩体通常指工程影响范围内的地质体，它由处于一定应力状态、被各种结构面切割的岩石所组成。岩体的基本概念：岩体通常指工程影响范围内的地质体，它由处于一定应力状态、被各种结构面切割的岩石所组成。 • 岩体(rock mass)＝结构面(discontinuities)+岩石(rocks) • 工程岩体：地基岩体、边坡岩体、地下洞室围岩 • 结构面：指岩体中具有一定方向、力学特性相对较差、两向延伸（或具有一定厚度）的各种地质界面的总称。由于中断了岩体的连续性，故又称不连续面，如层面、节理、断层、软弱夹层等。 4.1 岩体结构与地质特征

4. 构面的成因类型 • 原生结构面：岩石成岩过程中形成的结构面。 • 沉积结构面：层理、层面、沉积不整合面、沉积软弱夹层。 • 火成结构面：岩浆侵入、喷溢及冷凝过程中形成的结构面。 • 变质结构面：包括残余的变余结构面和变成的重结晶结构面。 • 次生结构面 • 内动力成因型结构面（构造结构面）：受构造应力作用。 • 外动力成因型结构面（表生结构面）：如卸荷裂隙（长江链子崖危岩体）、泥化夹层及表生夹泥。

5. 结构面的特征 • 1978年ISRM实验室和野外试验标准委员会制定的《岩体不连续面定量描述的建议方法》 • 方位：结构面的产状（走向、倾向、倾角） • 间距：反映岩体完整程度和块体大小 • 延续性：反映结构面的连通率 • 粗糙度：反映结构面的起伏状况 • 结构面侧壁强度：反映结构面受风化影响的程度 • 张开度：又称隙宽，即裂隙的宽度 • 充填物：不同物质充填对力学特性有显著影响 • 渗流：反映地下水的活动状况 • 节理组数：反映岩体被切割的状况 • 块体大小：可用块度和体积节理数反映

6. 1 0 结构体(structural element)－－被结构面切割而成的岩 石块体。与结构面级别对应,为四级。 结构体特征－－形态、规模、产状 形状 规模 常见的：柱状、板状、楔形及菱形等， 还有片状、鳞片状、碎块状及碎屑状 即岩块的大小,取决于结构面的密度,密度愈 小,结构体的规模愈大。常用单位体积内的 Ⅳ级结构体数（块度模数） 或结构体体积 来表示。

7. 岩体的结构体形状 结构体特征－－规模、形态、产状 板状或菱形 柱a状 楔形 f 板状或菱形 楔形 j 柱状 锥形 楔c 形 锥形 h e b d 板状 i g 形状不同,稳定性不同:板状比柱状、菱形状更易 滑动，楔形体比锥形体稳定性差

8. 结构体特征－－规模、形态、产状 产状 用结构体的长轴方向表示。 结构体稳定性与结构体产状、力的方向、临空面 方向等有关。如板状结构体：竖直的与平卧的稳 定性和破坏特征不同。 滑动或弯曲、折断破坏 弯曲、折断或弯曲、倾倒破坏

9. 岩体的结构类型－－ 5类 岩体结构类型划分表（引自《岩土工程勘察规范》，1995） 主要结 构体 形 状 岩体结 构类型 岩体地质 类 型 可能发生的 岩土工程问题 结构面发育情况 岩土工程特征 均质、巨块状 岩浆岩、变质 岩、巨厚层沉 积岩、正变质 岩 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l～2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 整体状 结 构 巨块状 不稳定结构体的 局部滑动或坍塌， 深埋洞室的岩爆 厚层状沉积岩、 整体强度较高，结 只具有少量贯穿性较好的节理 块状 裂隙，裂隙结构面间距0.7～ 正变质岩、块 块状 构面互相牵制，岩体 结构 1.5m。一般为2～3组，有少量 柱状 状岩浆岩、变 基本稳定，接近弹性 质岩 分离体 各向同性体 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 合控制，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 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 层状 结构 有层理、片理、节理， 常有层间错动面 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0.25～0.5m，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 质，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 碎裂状 结 构 构造影响严重 的破碎岩层 碎块状 构造影响剧烈 的断层破碎 带，强风化 带，全风化带 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 断层破碎带交叉，构造及风化 裂隙密集，结构面及组合错综 复杂，并多充填粘性土，形成 许多大小不一的分离岩块 易引起规模较大 的岩体失稳，地下 水加剧岩体失稳 散体状 结 构 碎屑状 颗粒状

10. 岩体完整程度与岩体结构类型的定性划分(《工程岩体分级标准》）岩体完整程度与岩体结构类型的定性划分(《工程岩体分级标准》）

11. 整体状结构 层状结构 块状结构 碎裂结构

12. 散体状结构

13. 岩体的结构类型 • 整体块状 • 层状结构 • 碎裂结构 • 散体结构

14. 4.2.1岩石的主要物理和水理性质 密度和重度 相对密度（比重） 孔隙度（孔隙率） 吸水率和饱和吸水率 4.2 岩块的工程地质性质

15. 4.2.1岩石的主要物理性质 • 密度和重度 • 岩石密度ρ（g/cm3）：试样质量m（g）与试样体积V（cm3）的比值 • 天然密度 • 干密度ρd • 含水量w（％） • 重度γ（kN/m3）：单位体积岩石受到的重力，与密度ρ的关系为

16. 4.2.1岩石的主要物理性质 • 相对密度（比重）Gs • 干试样质量m（g）与4℃时同体积纯水质量（岩石固体体积与水的密度之积）的比值

17. 4.2.1岩石的主要水理性质 • 孔隙度（孔隙率）n • 试样中孔隙（包括微裂隙）的体积Vv（cm3）与试样总体积V（cm3）的百分比 • 孔隙比e • 孔隙度n与孔隙比e之间的关系

18. 4.2.1岩石的主要水理性质 吸水率Wa和饱和吸水率Wsa • 饱水系数kw

19. 4.2.1岩石的主要水理性质 • 岩石的耐冻性 • 岩石的饱水系数kw可以作为岩石耐冻性判别的指标。 • 饱水系数越大的岩石，耐冻性越差。

20. 4.2.2 岩块的力学性质 • 岩石强度 • 抗压强度：干抗压、饱和抗压、软化系数 • 抗拉强度：劈裂试验，点荷载试验 • 抗剪强度：中型剪、双面剪 • 岩石变形 • 弹性模量 • 变形模量 • 泊松比

21. 4.2 岩体的主要力学特性 • 岩石力学指标的用途 • 划分岩石工程类型、岩体工程评价 利用岩石饱和抗压强度划分岩石工程类型

22. 4.2 岩体的主要力学特性 • 岩石力学指标的用途 • 岩体质量分类或洞室围岩类型划分 • RMR分类：地质力学分类，南非 • Q分类：隧道围岩质量分类，欧洲 • 国内：如水利水电规范、岩土工程规范，其他部们如铁道、公路、总参、建设部，个人方面有王思敬、陶振宇、杨子文。 • 评价岩体强度 • 利用结构面网络模拟、蒙特卡洛法等

23. 影响岩石工程性质的因素 • 内部因素（岩石的地质特征） • 矿物成分 • 结构 • 构造 • 外部因素 • 水的作用 • 风化作用

24. 4.3 结构面特征及力学性质 结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体的形状、方位和大小，控制岩体稳定性的重要因素。尤以结构面的规模是最重要的控制因素。按结构面发育程度和规模可以划分为如下五级： I 级结构面--区域构造起控制作用的断裂带 Ⅱ 级结构面--延展性强而宽度有限的地质界面 Ⅲ 级结构面--局部性的断裂构造 Ⅳ 级结构面--节理面 V 级结构面--细小的结构面

25. 结构面的几何特征是反映结构面的外貌，由下列要素组成：结构面的几何特征是反映结构面的外貌，由下列要素组成： 1、走向:结构面与水平面的交线方向，用方位角表示。 2、倾斜:结构面的倾斜方向和倾斜角度。 3、连续性。 4、粗糙度:表明结构面的粗糙程度。 5、起伏度:包括起伏波的幅度和长度。起伏波的幅度是指相邻两波峰连线与其下波槽的最大距离a,起伏波的长度是指相邻两波峰之距离。 结构面的几何特征

26. 结构面的产状、形态、延展尺度、密集程度以及胶结与充填情况等是影响岩体强度和稳定性的重要因素。 1、结构面产状：指结构面的走向、倾向和倾角，对岩体是否沿某一结构面滑移起控制作用。 2、结构面形态：决定结构面抗滑力的大小，当结构面的起伏程度大，粗糙度高时，其抗滑力就大。 3、结构面的延展尺度：在工程岩体范围力，延展度大的结构面控制着岩体的强度。结构面延展情况不同，其力学效应也不同。 结构面的状态 (1)非贯通性结构面 (2)半贯通性结构面 (3)贯通性结构面

27. 4、结构面的密集程度：指岩体中各种结构面的发育程度。衡量密集度的指标为岩体裂隙度K和切割度Xe。 （1）岩体裂隙度K——沿取样方向单位长度上的节理数量 结构面的状态 式中：n为长度l内的节理数量. 当取样线垂直节理的走向时，d为节理走向的垂直间距。按节理的垂直间距d将岩体分为： d > 180cm 整体结构； d =30～80cm 块状结构 d < 30cm 碎裂状结构； d < 6.5cm 极破碎结构 当岩体中有几组不同方向的节理时，如图所示两组节理Ka、Kb，则沿取样方向x上的节理平均间距max和mbx为

28. 式中：n为取样线l内的节理组数量. 该取样线上的裂隙度K为各组节理的裂隙度Ki之和。即： K越大，结构面越密集。不同测线上的K值差别越大，岩体各向异性越明显。按K的大小，可将节理分成：疏节理（K=0～1 m-1）；密节理（K=1～10 m-1）；非常密集节理（K=10～100 m-1）；压碎或糜棱化带（K=100～1000 m-1）； （2）切割度Xe——指岩体被节理分割的程度。 假设岩体仅有一个结构面，可沿结构面在岩体中取一个贯通性的假想平直断面，则结构面面积a与该断面面积A之比，即为该岩体的切割度。 可见,当: 0<Xe<1, 岩体部分切割； Xe＝1, 岩体被整个切割； Xe＝0, 即岩体为完整连续体。

29. 如果岩体沿某断面上同时存在着面积为a1、a2…an的n个结构面时，则岩体沿该断面的切割度为如果岩体沿某断面上同时存在着面积为a1、a2…an的n个结构面时，则岩体沿该断面的切割度为 岩体按切割度分类： Xe＝0.1～0.2 完整岩体； Xe＝0.2～0.4弱节理化岩体； Xe＝0.4～0.6中等节理化岩体； Xe＝0.6～0.8强节理化岩体； Xe＝0.8～1.0完全节理化岩体； 岩体被某组结构面切割的程度Xr为： 式中：K为岩体的裂隙度； Xe为沿某一平面的切割度。

30. 结构面的胶结情况及充填情况 (1)胶结结构面 泥质胶结：强度最低，在脱水情况下有一定的强度，遇水发生泥化、软化，强度明显降低。 可溶盐类胶结：干燥时有一定的强度，遇水发生溶解，强度降低。 钙质胶结：强度较高，且不受水的影响，但遇酸性水强度降低。 铁质胶结：强度较高，但易风化，力学性能不稳定。 硅质胶结：强度高，力学性能稳定。 可见，胶结结构面随胶结物的成分不同，其力学效应有很大差别。 结构面的状态

31. (2)非胶结结构面 分为有充填物的结构面和无充填物的结构面。 无充填物的结构面：其强度主要取决于结构面两侧岩石的力学性质及结构面粗糙度。 有充填物的结构面：其强度除与充填物、结构面两侧岩壁接触面的力学特性有关外，主要取决于充填物的成分和厚度。 A、充填物成分：质粘土、砂质、角砾质等。 B、充填物厚度对结构面强度影响特别显著。按厚度可将有充填物的结构面分为： 薄膜充填：充填物厚度多在1mm以下，多系次生蚀变矿物与风化矿物构成，如滑石、粘土矿物等； 断续充填：充填物不连续，厚度多小于结构面的起伏差，使结构面强度降低。 连续充填：充填物厚度一般大于起伏差，结构面强度主要受充填物强度控制，因此，常构成岩体的主要滑动面。 厚层充填：充填厚度较大，一般几十厘米至数米，构成软弱带，如断层泥。有时表现为岩体沿接触面滑移，有时为软弱充填物本身塑性流动，常导致重大工程事故。

32. 软弱夹层 • 基本定义：软弱夹层（尤其是泥化夹层）是岩体中非常软弱的结构面，是坝基岩体、边坡岩体和洞室围岩稳定性的制约因素。 • 软弱夹层的分类 • 按成因分类：参照P127的表4-5。 • 按夹层的物质组成分类：长委会建议的分类 • 软岩夹层 • 碎块夹层 • 碎屑夹层 • 泥化夹层

33. 软弱夹层 • 软弱夹层的特性：物理力学性质与夹层的物质组成、粘土矿物、颗粒大小、含水量、起伏状况有密切联系。 • 软岩夹层：对于粘粒含量较多的粘土岩，遇水膨胀、崩解；对于可溶岩，遇水溶解。Rc＜15MPa，f’=0.4-0.6，E0＜2000MPa。如边坡稳定 • 碎块夹层：粒径＞2mm的粗碎屑占80%以上，粘粒含量低于10%。面起伏较大，应力应变关系复杂， f’=0.45-0.6，E0=200~1000MPa。 如隧洞稳定 • 碎屑夹层：粒径＞2mm的粗碎屑占30～50%以上，2～0.5 mm的粗碎屑占30%以上，粘粒占10-30%， f’=0.30-0.45，E0=50~200MPa。 如隧洞稳定

34. 软弱夹层 • 泥化夹层：w≥wp。具有结构松散、孔隙比大、密度小、含水量大、粘粒含量高、力学特性差的特点， f’=0.45-0.6，E0＜50MPa。如葛洲坝水电站 • 泥化夹层形成的三个基本条件： • 物质基础：粘土岩类夹层，粘粒含量高，且以蒙脱石为主的粘土矿物。 • 构造作用：完整性被破坏，有利于地下水的运动；矿物颗粒的性质和成分受到破坏。 • 地下水的作用：泥化作用，孔隙水压力作用，溶解作用等。

35. 法向变形 剪切变形 结构面变形 结构面的变形特性 一、节理的法向变形 1、节理弹性变形：节理面光滑，受压力后成面接触，粗糙则成点接触。每一接触面会产生压缩变形，其压缩量δ可按弹性理论中的布辛涅斯克解求得： 节理闭合弹性变形值δ0＝2δ，则 式中：m为与荷载面积形状有关的系数； d为块体的边长；E为弹性模量；n为接触面的个数；h2为每个接触面的面积；σ.d2 为作用于节理上的压缩荷载。

36. 2、节理的闭合变形 Goodman 于1974年通过试验，得出法向应力σ与结构面闭合量△V有如下关系： 节理的法向变形 式中：ξ为原位压力，由测量法向变形的初始条件决定； Vmc为最大可能的闭合量； A、t是与结构面几何特征、岩石力学性质有关的参数。 当A=1，t=1时，上式为： △V 与1/σ的关系曲线如图（c).

37. 节理的法向变形 若A与t不为1，可由试验确定曲线方程。其方法为： （1）取完整岩石试件，测其轴向σ-△V曲线（如图（a)中的A线)。 （2）将试件沿横向切开，使切缝成一条平行于试件底面且成波状起伏的裂缝，以模拟节理。 （3）将切缝上下两块试块重合装上—“配称切缝试件”，加载测其轴向σ-△V曲线（如图（a)中的B线)。 （4）将切缝上下两块试块旋转某一角度装上—“非配称切缝试件”，加载测其轴向σ-△V曲线（如图（a)中的C线)。 (5)利用曲线的差值求切缝的压缩量。 “配称切缝试件”——“B-A” “非配称切缝试件”——“C-A”

38. 节理的切向变形 在一定的法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形，其变形特征用试验时施加的剪应力τ与相应的剪切位移δ的关系来描述。τ-δ曲线特征取决于结构面的基本特征（粗糙度、起伏度、充填物性质与厚度等）。 （1）结构面粗糙无充填物（A)： 随着剪切变形发生，剪应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象。 （2）平坦的结构面或结构面有充填物（B): 初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型，随着剪切变形的发展，剪切应力逐渐升高但无明显的峰值出现，最终达到恒定值。

39. 结构面的抗剪强度 结构面最重要的力学性质之一是抗剪强度。结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗剪强度因素是多方面的，大量试验结果表明，结构面抗剪强度一般可用莫尔－库伦准则表示： 式中：c、φ分别是结构面上的粘结力和摩擦角， φ＝φb + β , φb是岩石平坦表面基本摩擦角，β是结构面的爬坡角；σ是作用在结构面上的法向正应力。

40. 平直结构面的抗剪强度 结构面呈平直状，没有波状起伏。 1、平直结构面的剪切变形曲线 （1）τ很小时，τ－δ呈线性，弹性状态； （2）τ很大，大到足以克服移动摩擦阻力之后，τ－δ呈非线性； （3）τ达到峰值τP后， δ突然增大，表面试件已沿结构面破坏，此后τ迅速下降，并趋于一常量（残余强度）。

41. 平直结构面的抗剪强度 (1)、峰值剪切强度 （2）残余剪切强度 式中：CP结构面的粘结力；φP、φR是结构面 的峰值摩擦角和残余摩擦角，一般φP>φR。

42. 1、理想化粗糙结构面模型－锯齿状结构面 （1）爬坡角β与剪胀现象 （2）剪切强度 作用在斜面A’B上的法向力和切向力分别为： 粗糙结构面的抗剪强度 Patton公式 式中：σ, τ为结构面AB上的正应力和剪应力，φb为A’B面上的摩擦角。 如图为结构面有凸台的模型的剪应力与法向应力的关系曲线，它近似呈双直线的特．结构面受剪初期，剪切力上升较快；随着剪力和剪切变形增加，结构面上部分凸台被剪断，此后剪切力上升，梯度变小，直至达到峰值抗剪强度．

43. σ 较小时，抗剪强度τ＝σtg(φb+β); σ 较大时，抗剪强度τ＝c+σtgφb ,其中c为视内聚力。 试验表面，低法向应力的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法向应力的剪切，凸台剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。 在实际应用中应注意： (1)对结构面进行直剪试验时，法向应力应与实际工程中的一致。一般认为φb ＝ φR (残余摩擦角）. (2)β是各向不同的，因此，测量时应使所测β角与所讨论的方向一致。

44. 不规则粗糙结构面的抗剪强度 Barton强度准则 考虑到三个基本因素（法向力σ、粗糙度JRC、结构面抗压强度JCS）的影响，Barton(1977)提出确定不规则粗糙结构面抗剪强度公式： 式中：φb岩石表面基本摩擦角。JRC为结构面粗糙性系数（0～20）， Barton将其分为10级 ，平坦近平滑结构面为5，平坦起伏结构面为10，粗糙起伏结构面为20。

45. 结构面的力学效应单节理面的力学效应 1、节理面的破坏条件（极限应力平衡方程） 如图，岩体受σ1、σ3作用，节理面与最大主平面的交角为β，则节理面上的正应力和剪应力为： σ1 （1） σ τ σ3 σ3 β 如节理面强度符合库伦准则，其强度方程为： （2） σ1 式中：cj,φj为结构面的粘结力和内摩擦角。

46. 节理面的破坏条件（极限应力平衡方程） β1≤β≤β2，单节理岩体才会沿节理面发生移动破坏，QP （1）式带入（2）式时 （3） 或 可见：节理面上的应力和强度均是β的函数。因此，岩体强度与岩石的强度不同，除与应力状态有关外，还与节理面的方位有关。

47. 节理面破坏β必须满足的条件 (1)由上式极限平衡方程可见：当β→φj 或π/2 ， σ1－σ3→∞, 故使方程有意义 (2)如图可见，当β1<β<β2 ,岩体才会沿节理面产生滑移破坏。 故，节理面破坏β必须满足的条件: (1)φj <β <π/2, (2)β1≤β≤β2。

48. △RPM中: 求β1、β2 ∠RPM=2β1- φj; 由正弦定律： 将RM,PM代入上式得： 由几何关系：

49. 节理最不利的位置 由极限平衡方程可以看出，应力圆直径（σ1－σ3）是β的函数，当β等于某一个值时，其直径最小，与强度曲线相切。将上式对β取一阶导数，然后令其为0，得： 即是说，当 时，节理的强度最低，最容易产生破坏。说明岩体最容易沿此节理面产生滑移。

50. 节理对岩体强度的影响 从上述分析可见： （1）当节理面倾角β满足β1≤β≤β2 ,且φj <β <π/2时，节理才会对岩体产生影响，这时岩体的强度取决于节理的强度，且当β＝45°＋φj/2时，岩体强度最低，其莫尔圆直径最小。 （2）当β增大或减小时，岩体的强度随之增加。 （3）当β<β1或β>β2时，岩体强度与节理无关，取决于岩石的强度。