岩体应力的测量方法

第三节　岩体的工程性质

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。岩体在形成过程中，长期经受着建造和改造两大地质作用，生成了各种不同类型的结构面。可以把岩体看做是由结构面和受它包围的结构体共同组成的。

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。结构面是岩体的重要组成单元，由于受结构面的切割，岩体的物理力学性质与岩石有很大的差别。岩体的物理力学性质取决于结构面和结构体两部分的组合情况，尤其在工程上，岩体的工程力学稳定性质主要取决于岩体内结构面的数量、空间大小、空间组合情况、结构面特征以及充填介质的性质等。

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。结构体也是岩体的重要组成部分，它本身的物质组成和排列组合方式也影响到岩体的力学性质。总之，岩体是由结构面和结构体两部分组成的，这也决定了其物理力学性质不是单纯取决于某一方面，而是二者共同作用和表现的结果，这在岩体力学分析和研究时是十分重要的。

一、岩体的结构特征

岩体结构指岩体中结构面与结构体的排列组合特征，它包括两个要素或结构单元：结构面和结构体。

（一）结构面特征

1．结构面的成因类型

1）地质成因类型

（1）原生结构面。岩体在成岩过程中形成的（包括沉积结构面如层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面；岩浆结构面；变质结构面）。

（2）构造结构面。断层、节理、劈理和层间错动面等。

（3）次生结构面。如卸荷、风化裂隙、次生夹泥和泥化夹层等。

2）力学成因类型

（1）剪性结构面。由剪应力引起，如逆断层、平移断层以及多数正断层。其连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等现象发育。

（2）张性结构面。由拉应力引起，如羽毛状张裂面、纵张及横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等。张性结构面具张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎带较宽等特征。其构造岩多为角砾岩，易被充填，含水丰富，导水性强。

2．结构面分级

按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，可将结构面分为如下五级。

（1）Ⅰ级。延伸数千米至数十千米以上，破碎带宽为数米至数十米以上。如大断层、区域性断层。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、山体稳定性。

（2）Ⅱ级。延伸数百米至数千米，破碎带宽为数十厘米至数米。如较大的断层、层间错动、不整合面及原生软弱夹层等。属于软弱结构面，形成块裂边界。控制工程区的山体稳定性或岩体稳定性。

（3）Ⅲ级。延伸数十米至数百米，宽度为数厘米至1m。如各种类型的断层、区域性节理、层面及层间错动带等。多数属于坚硬结构面，少数属软弱结构面。影响或控制工程岩体，如地下洞室围岩及边坡岩体的稳定性。

（4）Ⅳ级。延伸数十厘米至30m，宽度为零至数厘米。如节理、层面、次生裂隙、小断层、片理、劈理、卸荷裂隙、风化裂隙等。属于坚硬结构面。影响岩体的完整性和力学性质，是岩体分类及岩体结构研究的基础。

（5）Ⅴ级。连续性差，刚性接触的细小或隐微裂面。如隐节理、微层面、微裂隙和线理等。属于硬性（坚硬）结构面。分布随机，降低岩块强度，是岩块力学性质效应基础。

3．结构面特征及其对岩体性质的影响

主要就Ⅳ级结构面进行讨论。

（1）产状（结构面与σ₁间的关系控制着岩体的破坏机理与强度）。当结构面与最大主平面的夹角β为锐角时，岩体滑动破坏；当β＝0时，横切结构面产生剪断岩体破坏；当β＝90°时，平行结构面的劈裂拉张破坏。

（2）连续性。反映结构面的贯通程度。用线连续性系数（k₁）、迹长和面连续性系数（k ₂）表示。

（3）密度。反映结构面发育的密集程度，常用线密度（k_d）和间距（d）表示。线密度（k _d）指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数，单位为条／m。

（4）张开度（e，mm）。指结构面两壁面间的垂直距离。

（5）形态。可从侧壁的起伏形态及粗糙度两方面描述。起伏形态有平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状的。

（6）充填胶结特征。Fe、Si质胶结的强度最高，往往与岩石强度差别不大；泥质、易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。就充填物成分来说，以砂质、砾质等粗粒充填的结构面性质最好；以黏土质（如高岭石、绿泥石、水云母、蒙脱石等）和易溶盐类充填的结构面性质最差。

（7）结构面的组合（特征）关系。控制着可能滑移岩体的几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型，它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。

4．软弱结构面

软弱结构面主要包括原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其他夹泥层等。

（二）结构体特征

常用规模（取决于结构面的密度）、形态（柱状、板状、楔状和菱形等）和产状（长轴方向）来描述结构体特征。岩体的结构类型划分见《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）附录A，将岩体结构划分为五类：整体状结构、块状结构、层状结构、碎裂状结构和散体状结构。

二、岩体的力学性质

岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续性、各向异性和非弹性。岩体的力学性质取决于岩体的受力条件、地质特征及其赋存环境条件。其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。

（一）岩体的变形性质

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。通过前面的介绍可知，岩体是由结构面、结构体（岩块）及充填物三部分组成的，因此，岩体的力学性质是其组成部分的综合反映。

对于工程岩体来说，无论是局部还是整体变形，都限制了工程的使用。因此，变形控制是岩体工程设计的基本准则之一，为了保证岩体工程的安全和正常使用，必须研究岩体的变形性质。

岩体的变形是结构体（岩块）、结构面及其充填物三者变形的总和，在一般情况下，结构面及其充填物的变形起着控制作用，下面主要讨论结构面与岩体的变形性质。

（二）岩体的强度性质

岩体的强度所反映的是指岩体抵抗外力破坏的能力，受到岩块和结构面强度及其组合形式的影响。一般情况下，岩体的强度既不等于岩块的强度，也不等于结构面的强度，而是两者共同影响表现出来的强度。但在某些情况下，可以用岩块或结构面的强度来代替，如果岩体中结构面不发育，呈整体或完整结构，则其强度与岩块的强度相近或相等；如果岩体是沿某一结构面的整体滑动破坏，则岩体的强度完全取决于该结构面的强度，这是两种特殊情况；多数情况下，岩体的强度介于岩块和结构面强度之间。

1．结构面的剪切强度

在工程上，岩体中结构面的强度主要是指它的抗剪强度，而结构面的抗剪强度又与结构面的形态、连续性、充填情况及充填物的物理力学性质有密切的关系，所以，在研究岩体结构面的剪切强度时要根据结构面的形态、连续性、充填情况及充填物的物理力学性质等实际情况进行具体分析。

2．岩体的剪切强度

岩体的剪切强度指岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力。包括摩擦强度、剪切强度和抗切强度三种。

3．剪切强度特征

岩体的剪切强度主要受结构面、应力状态、岩块性质、风化程度及其含水状态等因素的影响。

（1）高应力条件时，岩体的剪切强度较接近于岩块强度；低应力条件下，岩体的剪切强度主要受结构面发育特征及其组合关系的控制。

（2）工程荷载一般小于10MPa（低应力），故与工程活动有关的岩体破坏基本上受结构面的控制。

（3）岩体的剪切强度不是单一值，而是具有上限和下限的值域，上限为岩体的剪断强度，下限是结构面的抗剪强度。其强度包络线也不是单一曲线，而是有一定上限和下限的曲线族，如图3-6所示。

图3-6　岩体剪切强度包络线