第七章第七章 岩石和岩体的工程性质岩石和岩体的工程性质 第二节 岩体及岩体结构第三节 岩体的主要力学性质主要内容第五节 岩体稳定性分析第一节 岩石的工程性质第四节 岩石和岩体的工程分类1第一节岩石的工程性质 1.岩石工程性质的常用指标 物理性质(physicalproperties) 重度重度（密度）(unitweight)：岩石单位体积的重力（质量）。 有干重度、湿重度和饱和重度之分。 比重比重(相对密度)(specificgravity)：固体岩石的重力（质量） 与同体积水在4C时重力（质量）的比值。 空隙率空隙率(porosity)：岩石中空隙的体积与岩石总体积的比值。2吸水率：吸水率：常压条件下，岩石吸入水分的质量与干燥岩石质量之比。饱水率：饱水率：高压或真空条件下，岩石吸入水分的质量与干燥岩石质量之比。饱水系数：饱水系数：岩石的吸水率与饱水率的比值。其值越大，岩石的抗冻性越差。水理性质3软化性：软化性：指岩石在水的作用下强度降低的性质。软化系数(softeningcoefficient)为岩石在饱水状态下的极限抗压强度与风干状态下强度之比。0.75是强软化的岩石，工程性质较差。渗透性渗透性(permeability)：指岩石允许水透过的能力。溶解性溶解性(dissolubility)：指岩石溶解于水的性质。抗冻性抗冻性(frostresistance)：指岩石抵抗冰劈作用的能力.抗压强度降低率(2025)的岩石是抗冻的。崩解性崩解性(disintegration)：指黏土质岩石吸水膨胀的性质。4 力学性质 强度指标：强度指标： 抗压强度抗压强度(compressivestrength)：岩石单向受压时抵抗破坏的能力。 抗拉强度抗拉强度(tensilestrength)：岩石单向受拉时抵抗破坏的能力。 抗剪强度抗剪强度(shearstrength)：岩石抵抗剪切破坏的能力。5抗剪强度可分为以下三种强度：抗剪强度可分为以下三种强度：( a ) 抗剪断强度：抗剪断强度：在垂直压力作用下的岩石剪切强度。( b ) 抗剪强度：抗剪强度：沿着已有的破裂面发生剪切时的强度。( c ) 抗切强度：抗切强度：压应力等于零时的剪切强度。图 71 岩石的三种抗剪强度试验6变形指标弹性模量弹性模量(modulusofelasticity)：是应力与弹性应变的比值。变形模量变形模量(modulusofdeformation)：是应力与总应变的比值。泊松比泊松比(poissonratio)：是横向应变与纵向应变比值。72.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83.岩石的工程性质评述岩浆岩 深成侵入岩具结晶结构，晶粒粗大均匀，力学强度高。一般是良好的建筑地基和天然建筑石材。但由于多种矿物结晶组成，抗风化能力较差。 浅成侵入岩特别是脉状岩体穿插于不同的岩石中，易蚀变风化，使其强度降低、透水性增大。 喷出岩若具有气孔构造、流纹构造及发育有原生裂隙，透水性较大。多呈岩流状产出，岩体厚度小，岩相变化大，对地基均一性和稳定性影响大。9沉积岩火山碎屑岩由细小火山灰组成，水理性质差。沉积碎屑岩受胶结物成分和胶结类型影响显著。黏土岩浸水后易软化和泥化，还可能有膨胀性。对工程极为不利，但可作隔水层和防渗层。化学岩和生物化学岩具不同程度的可溶性，易渗漏。10变质岩工程性质与其原岩密切相关。动力变质岩的力学强度和抗水性均较差。片理构造使岩石具有各向异性特征。11 岩石（Rock）: 具一定结构构造的矿物集合体。 岩体（Rockmass）： 包含各种结构面的地质体。岩体的工程性质首先取决于结构面的性质,其次才是组成岩体的岩石性质。第二节 岩体及岩体结构12岩体结构(rockmassstructure)=结构面(structuralplane)+结构体(structuralelement)13结构面：存在于岩体中的各种地质界面。分为：14岩体中的软弱夹层15结构面特征 形态、平整光滑度 张开度和充填程度 连通性 密集程度 产状和组数 规模16结构体类型(d)(a)(c)(f)(g)(b)(e)(h) 图 72 结构体的类型(a)方柱（块）体； (b)菱形柱体；(c）三棱柱体 ；(d)楔形体；(e)锥形体;(f)板状体;(g)多角柱体;(h)菱形块体17岩体结构类型及工程性质整体结构：整体强度高,完整性好。 块状结构：整体强度高。 层状结构：强度和变形特性具各向异性特点。 碎裂结构：岩体完整性破坏大。 散体结构：工程性质差。18第三节岩体的主要力学性质变形特性变形特性变形模量弹性模量图75应力应变曲线图76岩石的弹性变形19蠕变蠕变(creep): 在一定应力下,变形随时间持续增长。松弛松弛(relaxation): 在变形保持一定时,应力随时间逐渐减小。 流变性流变性: : 指在恒定条件下，应力或变形随时间而变化的特性。图 78 不同应力条件下岩体的蠕变曲线20强度特性强度特性最主要是抗剪强度cm 图 712 岩体抗剪强度包络线1结构面强度线；2岩块强度线；3岩体强度包络线变化范围 21第四节 岩石和岩体的工程分类1.1.岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范(GB500212001)根据岩块的饱和单轴抗压强度标准值Rc划分岩石的坚硬程度: 5153060Rc极软岩软岩较软岩较坚硬岩坚硬岩222.2.岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范(GB500212001)根据岩体的完整性指数划分岩石的完整程度: 0.150.350.550.75完整性指数极破碎破碎较破碎较完整完整岩体压缩波速度与岩块压缩波速度之比的平方 233.3.岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范(GB500212001)根据岩石坚硬程度和岩体完整程度综合分五个岩体基本质量等级 : 完整程度坚硬程度完整较完整较破碎破碎极破碎坚硬岩IIIIIIIVV较硬岩IIIIIIVIVV较软岩IIIIVIVVV软岩IVIVVVV极软岩VVVVV244.4.岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范(GB500212001)根据岩石质量指标RQD分类：RQD分类类别RQD（）岩石质量123459010075905075255025好较好较差差极差RQD值是用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值，以百分数表示。25岩体稳定分析方法地质分析类比法岩体结构分析法岩体稳定分类法数值模拟计算法地质模拟试验法第五节 岩体稳定性分析26岩体稳定性与分析主要影响因素：主要影响因素：1.区域稳定性2.岩体结构3.边界条件（临空面、滑动面、切割面）4.荷载类型、大小和方向5.工程类别27主要影响因素：主要影响因素： 剪切滑移破坏 张拉破坏 压缩破坏 弯折破坏岩体破坏方式28边坡岩体稳定性分析1.力学计算法 单平面滑动：1)无渗流时 2)有渗流时 折线滑面:滑坡推力法2.图解法(赤平投影法)29一、高层建筑岩基稳定性分析沿基底面：沿砂层面OI：1、在风荷载下的抗倾覆计算图 713 岩体结构剖面及稳定性计算示意302、岩体(ABC)的稳定性计算图 714 隔离体 ABD 和 BCD 受力图31二、边坡岩体稳定性分析结构分析图解法赤平极射投影图 715 赤平极射投影原理图 716图 71732图 718 吴尔夫投影网图 719表 71233(一) 一组结构面的分析1.1.结构分析结构分析当岩层（结构面）的走向与边当岩层（结构面）的走向与边坡的走向一致时：坡的走向一致时：边坡的投影为弧AMC J1与坡面AC倾向相反 ，边坡稳定。J2与坡面AC倾向相同 ，但其倾角大于边坡倾角，边坡基本稳定 。J3与坡面AC倾向相同 ，但其倾角小于边坡倾角，边坡不稳定。图 720 一组结构面与赤平极射投影图的对应关系 34当岩层当岩层( (结构面结构面) )的走向与边坡的走向斜交时的走向与边坡的走向斜交时，若边坡的稳定性发生破坏，从岩体结构的观点来看，必须同时具备两个条件：第一边坡稳定件的破坏一定是沿着结构面发生的；第二必须有一个直立的并垂直于结构面的最小抗切面 ( c)DEK，结构面与最小抗切面就组合成不稳 定体ADEK。图 721 最小抗切面 DEK35如已知结构面走向为NW280，倾向SW，倾角50，与边坡斜交。边坡走向为NW310，倾向SW。求稳定坡角。图 722 用赤平投影求边坡坡角36当结构面走向与边坡走向成直交时，稳定坡角最大，可达90；当结构面走向与边坡走向平行时，稳定坡角最小，即等于结构面的倾角。图 723 结构面走向与边坡走向成直交图 724 结构面走向与边坡走向平行372. 2. 力学讨论力学讨论岩体稳定安全系数滑动面上岩体的粘聚力滑动面上岩体的内摩擦角K1时，滑动体高度hv为图 725 一组滑动面的力学分析38作图求极限稳定坡角某一不稳定结构面AB的倾角为 ，需要开挖的深度为H，在不稳定面AB上选C点作垂线CD，恰好使CD等于滑动体极限高度hv，联结AD，即为所求的开挖边坡线，它与水平线的夹角 ，即为求得的极限稳定坡角。图 726 作图求稳定坡角39（二）二组结构面的分析1.1.结构分析结构分析a 属最稳定结构 b 属稳定结构 c 属较稳定结构 d 属较不稳定结构e 属于不稳定结构图 727 用赤平投影分析边坡稳定条件 ns天然边坡；cs人工开挖边坡40两组结构面组成的边坡的稳定坡角的推断：图 728412. 2. 力学讨论力学讨论楔形体的体积楔形体的重力两个结构面的面积令稳定系数极限滑动体高度为图 729423.3.岩体滑动方向的分析岩体滑动方向的分析 若结构面的交线CO在两倾向线之间（图a），则组合交线CO为滑动方向。这时两组结构面都是滑动面。若结构面的交线和一根倾向线重合，(图b）中CO与AO重合，则倾向线AO就是滑动时的滑动方向。这时，结构面M1是主要滑动面，而结构面M2则为稳定结构体滑动时摩阻力较小的依附面。若结构面的交线CO在两个倾向线之外，则其中一条倾向线为滑动方向。(图c）中AO是滑动线，即沿结构面M1的倾向线滑动，这时，结构面M2仅起切割面的作用。 图 730 楔形滑移体滑动方向分析43复习思考题复习思考题1. 什么是岩石饱水系数？2. 说明岩石软化系数的物理意义。3. 岩石的抗剪强度可分为哪几种？4. 说明影响岩石工程性质的因素有哪些？5何谓岩体？试说明岩体与岩石的区别。6什么叫结构面？结构面的主要特征有哪些？7按成因，结构面可划分为哪几种类型？研究结构面有何 工程意义？8 .什么叫结构体？常见的结构体的形状有哪几种？9何谓岩体结构？岩体结构有哪些主要类型？它们的特征 如何？研究岩体结构有何工程意义？4410 .岩体的变形有何特点？何谓岩体的流变性？11. 岩体的强度受什么控制？岩体的剪切破坏有几种情况？12. 岩石和岩体按岩土工程勘察规范有几种分类方 法？如何进行分类？13. 岩体的稳定性分析主要有哪些方法？各自有何特点？14高层建筑地基岩体稳定性分析的内容是什么？15. 岩体稳定性破坏必备的边界条件是什么？16试说明岩体稳定的结构分析的基本步骤。17如何根据赤平极射投影对具有一组结构面和两组结构 面的边坡岩体进行稳定性分析?451已知两结构面J1和J2的产状如下表所示试作此两结构面的赤平极射投影，并求其交线的倾向和倾角。作作 业业 题题2. 坡角为45，坡面走向为N W 315，倾向NE的闪长岩高岸坡。坡体内发育两组断层。一组断层走向NW345，倾向NE，倾角30。另一组断层走向EW，倾向N，倾角25。要求：（1）作赤平极射投影图表示两组断层与岸坡的关系。（2）分析岸坡的稳定性。结构面走向倾向倾角结构面走向倾向倾角J1NE300SE400J2NW3400NE600463. 已知两结构面的产状和设计边坡的走向、倾向见表。用赤平极射投影法求边坡稳定坡角。结构面走向倾向倾角J1NW30SW60J2NE70SE50边坡面NW50SW？4. 某路段辉长岩体岸坡处有一顺坡向倾斜的断层AC，其倾斜角度为32，断层面以上坡高h15米。断层带中夹泥层。有关力学性质指标如表所列。试求：（1）边坡在天然情况下和饱和情况下的稳定性；（2）考虑地震作用和其它地质条件改变等因素，取用安全系数为1.25时，边坡的极限稳定高度是多少？夹泥层粘聚力（kPa）夹泥层内摩擦角(度)辉 长 岩 容 重kN/m3天然状态253527饱和状态102529.7力学性质岩石状态作业 4 附图475.已测得某边坡上，结构面产状见表结构面走向倾向倾角J1NW30SW50J2NE30SE50边坡面EWS60请用赤平极射投影法求：（1） 结构面走向线与组合交线的夹角。（2） 结构面走向与边坡走向线的夹角。若路堑开挖深度H20米，两个结构面在边坡上的出露宽度AC25米，此两个结构面的摩擦角分别为22和17，粘聚力分别为8kPa和10kPa，岩石容重为25kN/m3。试求滑动体的稳定安全系数。作业 5 附图486. 有一走向NW275，倾向SW，倾角50的结构面，与某一平顶直立边坡斜交，试用图解法设计一个边坡高度为24米，走向NW310，倾向SW的稳定边坡角。提示：DEK为垂直结构面走向线的最小抗切面。7. 某一路堑边坡，岩体为弱风化的流纹斑岩。经地质勘察发现有一组走向及倾向都与边坡一致，倾角为30的软弱结构面，构成单一层状不稳定边坡。滑体最大高度h=7米，滑动面摩擦角为18，凝聚力为13kPa，岩石容重27.1kN/m3。设计路堑开挖深度H10.5米。若边坡稳定系数取1.5，用作图法求该边坡稳定坡角。作业 6 附图作业 7 附图49