情景 7 岩石的工程地质性质与岩体概念 【 学习目标 】 1. 熟悉岩石的工程地质特性； 2. 掌握岩体的内涵；了解岩体结构划分；初步认识软弱岩工程地质性质； 【 能力要求 】

1. 情景7岩石的工程地质性质与岩体概念 【学习目标】 1. 熟悉岩石的工程地质特性； 2. 掌握岩体的内涵；了解岩体结构划分；初步认识软弱岩工程地质性质； 【能力要求】 1. 能进行岩石指标测试； 2. 能完成施工现场岩体稳定性分析的原始资料收集、整理工作。

2. 【导入案例】 • 2010年4月25日下午，台湾高速公路3号线下行3.1公里处，基隆七堵玛东山区，发生滑坡事故。整座山冲到高速公路上。上方的大埔跨越桥断裂。塌方体长约200m，宽约100m，面积约有两个足球场大小。造成双向6线道全部中断。据称这是台湾高速公路有史以来最严重的滑坡灾害。 • 令人不解的是，这座山并不高，附近也没有人为破坏，为何大量土石会以惊人的加速度滑落？原来该路段地质结构属于由倾斜砂、页岩地层构成的顺向坡，岩层倾角约20°，在公路施工时进行了削坡处理，设置预应力岩锚，以防止边坡滑动破坏。初步推测，锚索可能受损，导致灾害发生。随后有关部门已针对本地高速公路沿线路堑地带，尤其是顺向坡路段全面检视，避免类似问题再度发生。

3. 必要的理论知识： • 工程岩体的稳定问题是道路建设部门经常遇到的主要问题之一。科学评价岩体的稳定性，对于道路工程的设计、施工及正常运营有着非常重要的作用，它不仅关系到道路工程建设的成败和经济效益，更关系到我们每个人的切身利益。 • 7.1岩石的工程地质性质 • 岩石的工程地质性质包括物理性质、水理性质和力学性质三个主要方面。 • 7.1.1岩石的物理性质评价指标 • 物理性质是岩石的基本工程地质性质，主要包括重度和空隙性。 • (1) 岩石的重度（γ） • 岩石的重度是指单位体积岩石的重量。即： • γ=WV • 式中γ——岩石的重度（kN/m3）; • W——岩石的重量（kN）; • V——岩石的体积（包含空隙体积,m3）。 • 岩石的天然重度取决于矿物成分、空隙发育程度及其含水情况。 • (2) 岩石的空隙性 • 岩石的空隙性是岩石孔隙性和裂隙性的统称。岩石空隙性常用空隙率表示。 • 岩石的空隙率（n）是指岩石空隙体积与岩石总体积之比，以百分数表示。即： • n=VnV×100% • 式中Vn——岩石中空隙总体积（cm3）; • V——岩石总体积（cm3）。 • 岩石空隙率的大小，主要取决于岩石的结构和构造，同时也受风化和构造作用因素的影响。一般坚硬岩石的空隙率小于3％；沉积岩空隙率较高，一般小于10%；部分砾岩和充填胶结差的砂岩空隙率可达10%～20%。

4. 7.1.2岩石的水理性质评价指标 • 岩石的水理性质是指岩石与水作用时的性质，包括吸水性、透水性、溶解性、软化性、抗冻性等。 • （1） 岩石的吸水性 • 岩石在一定试验条件下的吸水性能称为岩石的吸水性。它取决于岩石空隙数量、大小、开闭程度和分布情况。表征岩石吸水性的指标有吸水率、饱水率和饱水系数。 • （2） 岩石的透水性 • 岩石的透水性，是指岩石允许水通过的能力。岩石透水性的大小，主要取决于岩石中裂隙、孔隙及孔洞的大小和连通情况。岩石的透水性用渗透参数（K）来表示。渗透系数等于水力坡降为1时，水在岩石中的渗透速度，其单位用m/d或cm/s表示。 • （3） 岩石的溶解性 • 岩石的溶解性，是指岩石溶解于水的性质，常用溶解度或溶解速度来表示。在自然界中常见的可溶性岩石有石膏、岩盐、石灰岩、白云岩及大理岩等。岩石的溶解性不但和岩石的化学成分有关，而且还和水的性质有很大的关系。纯水几乎不具溶蚀能力，而富含CO2的水，则具有较大的溶解能力。

5. （4） 岩石的软化性与软化系数 • 岩石的软化性是指岩石在水的作用下，强度及稳定性降低的一种性质。岩石的软化性主要取决于岩石的矿物成分、结构和构造特征。黏土矿物含量高、空隙率大、吸水率高的岩石与水作用容易软化而丧失其强度和稳定性。 • 通常用岩石的软化系数表示水对岩石强度的影响程度。即饱和岩石试件的单轴抗压强度与干燥岩石试件单轴抗压强度之比 • η0=Rcw/Rc≤1 • 式中η0——岩石的软化系数； • Rcw——饱和岩石试件的单轴抗压强度(MPa)； • Rc——干燥岩石试件的单轴抗压强度(MPa)。 • (5) 岩石的抗冻性 • 岩石空隙中有水存在时，水结冰后体积膨胀，就会产生巨大的压力。由于这种压力的作用，会促使岩石强度和稳定性受到破坏。岩石抵抗这种冰冻作用的能力，称为岩石的抗冻性。可用强度损失率和质量损失率表示。 • 强度损失率指饱和岩石在一定负温度（-25℃）条件下，冻融10~25次（视工程具体要求而定，有的要求冻融100~200次或更高），冻融前后的抗压强度之差与冻融前抗压强度的比值，用百分数表示。

6. 7.1.3岩石力学性质及变形评价指标 • 岩石的力学性质指岩石在各种静力、动力作用下所表现的性质，主要包括变形和强度。而岩石的坚硬程度无疑是岩石力学性质的一种表现。岩石受力作用破坏有压碎、拉断及剪断等形式，故岩石的强度可分为抗压、抗拉及抗剪强度。岩石的强度单位用MPa表示。 • (1) 抗压强度 • 抗压强度是指岩石在单向压力作用下，抵抗压碎破坏的能力，即： • Fr=PA • 式中Fr——岩石抗压强度（Pa）； • P——岩石破坏时的压力（N）； • A——岩石受压面面积（m2）。 • 岩石的最大抗压强度的量测，通常是在固定的实验室中进行。为测试岩石的抗压强度，其样品需制成立方体或圆柱体的形状，尺寸视岩石的不同而异。 • 各种岩石抗压强度值差别很大，主要取决于岩石的结构和构造，同时受矿物成分和岩石生成条件的影响。抗压强度可用来划分岩石的坚硬程度

7. 在野外可以采用下表来定性划分。注：1.表中的未风化 结构构造未变，岩质新鲜。2.微风化 结构构造、矿物色泽基本未变，部分裂隙面有铁锰质渲染。3.弱风化 结构构造部分破坏，矿物色泽较明显变化，裂隙面出现风化矿物或存在风化夹层。4.强风化 结构构造大部分破坏，矿物色泽明显变化，长石，云母等多用化成次生矿物。5.全风化 结构构造全部破坏，矿物成分除石英外，大部分风化成土状。

8. (2) 抗剪强度 • 抗剪强度是指岩石抵抗剪切破坏的能力。以岩石被剪破时的极限应力表示。根据试验形式不同，岩石抗剪强度可分为： • ① 抗剪断强度 • 抗剪断强度是在垂直压力作用下，岩石被剪断时的最大剪应力。即： • τ=σtanφ+c • 式中τ——岩石抗剪断强度（MPa）； • σ——破裂面上的法向应力（MPa）； • φ——岩石的内摩擦角； • tanφ——岩石的摩擦系数； • c——岩石的内聚力（MPa）。 • 坚硬岩石因有牢固的结晶联结或胶结联结，故其抗剪断强度一般都比较高。 • ② 抗剪强度 • 抗剪强度是在垂直压力作用下，沿已有的破裂面剪切滑动时的剪应力，即： • τ=σtanφ • 式中符号含义同上。显然，抗剪强度低于抗剪断强度。 • ③ 抗切强度 • 抗切强度是指压应力等于零时的抗剪断强度即： • τ=c • 式中符号含义同上。 • (3) 抗拉强度 • 抗拉强度是岩石单向拉伸时抵抗拉断破坏的能力，以拉断破坏时的最大张应力表示。抗拉强度是岩石力学性质的重要指标之一。由于岩石的抗拉强度远小于抗压强度，故在受载时，岩石往往首先发生拉伸破坏，这一点在地下工程中有着重要意义。

10. 【相关链接】室内抗剪强度试验常用的方法有直接剪力试验、 扭转试验和三轴试验三种。

12. (4) 岩石的变形评价指标 • 表征岩石变形的指标主要有弹性模量、变形模量和泊松比。弹性模量是应力与弹性应变的比值。变形模量是应力与总应变的比值。泊松比是岩石在轴向压力的作用下，横向应变与纵向应变的比值。泊松比越大，表示岩石受力作用后的横向变形越大。岩石的泊松比一般在0.2～0.4之间。 • 岩石的抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。岩石越坚硬，其值相差越大，软弱的岩石差别较小。 • 岩石的抗剪强度和抗压强度，是评价岩石（岩体）稳定性的指标，是对岩石（岩体）的稳定性进行定量分析的依据。由于岩石的抗拉强度很小，所以当岩层受到挤压形成褶皱时，常在弯曲变形较大的部位受拉破坏，产生张性裂隙。 • 7.1.4影响岩石工程性质的因素 • 影响岩石工程性质的因素有矿物成分、结构和构造、风化作用等。 • (1) 矿物成分的影响 • 矿物成分对岩石的物理力学性质产生直接影响，从工程评价上讲，应更注重降低岩石强度稳定性的矿物。 • (2) 岩石结构的影响 • 结晶颗粒的大小对岩石的性质影响显著。硅质胶结、泥质胶结、钙质胶结等基底胶结，孔隙度小，强度和稳定性取决于胶结物的成分。孔隙胶结岩石强度和稳定性与胶结物的成分及碎屑有关。接触胶结岩石孔隙度大、重度小、吸水率高、强度低、易透水。 • (3) 构造的影响 • 构造造成矿物成分在岩石中分布的不均匀性和岩石结构的不连续性。片状构造、板状构造、千枚状构造、片麻状构造、流纹状构造强度相对较低。 • (4) 风化作用的影响 • 风化作用会导致原有裂隙增大，产生新裂隙，使岩石的结构、构造和整体性遭到破坏。

13. 7.2岩 体 概 述 • 岩体与土体，简称岩土，既存在多方面的共性和密切联系，又存在明显的区别，主要以它们组成的物质成分间有无坚固的联系而区分。土体可以理解为由分散土组成的土层，而岩体的涵义比较广。石中有土，土中有石，有时很难区分岩石和土。从动力地质学观点来说，土在深部的高温高压地质环境下经成岩作用固结为岩石，而岩石也可以经过风化作用和外动力的沉积和搬运后，成为分散的土。岩体完整的工程地质定义可以理解为：岩体是一种地质体，是自然历史的产物，位于一定的地质环境中，经历了地壳形成和形变两个历史过程，具有自身固有的成分、结构、状态和工程地质性质。 • 岩体是指某一地点一种或多种岩石中的各种结构面、结构体的总称。影响岩体稳定性的主要因素有：区域稳定性、岩体结构特征、岩体变形特性与承载能力、地质构造、岩体风化程度等。 • 岩体的特点有： • (1)岩体是非均质的、各向异性的不连续体。 • (2) 岩体由结构面和结构体两个基本单元组成。 • (3) 岩体本身存在复杂的应力场。

15. 7.2.1岩体结构的基本概念 • 岩体是结构面与结构体的组合。 • （1） 结构面 • 结构面是岩体内存在的不同成因、不同特性的各种地质界面的统称，是岩体中分割固相组分的地质界面的统称，如层理、节理、片理、断层破裂面、物质分异面、软弱夹层、软弱带、构造岩、泥化夹层、充填夹层等不连续的开裂面。结构面不是几何学上的面，而往往是具有一定张开度的裂缝，或被一定物质充填,具有一定厚度的层或带。 • (2) 结构体 • 结构体是指岩体受结构面切割而成的块体或岩块。随着结构面的分级，相应地结构体也可分级。视研究问题的不同，所选取的结构体等级是不同的。由于不同级别、不同性质、不同产状以及不同发育程度的结构面的组合，结构体几何形态、单体大小可迥然不同。 • 岩性的变化也关系着岩体的完整性、坚强性，从而决定着岩体的所属介质类型。

19. 7.2.2结构面的主要类型及特征 (1) 结构面的主要类型 按地质成因，结构面可分为原生结构面、构造结构面、次生结构面三大类。

20. ① 原生结构面有沉积结构面、火成结构面和变质结构面三类。 • ② 构造结构面是指构造应力作用下，岩体中形成的断裂面、错动面、破碎带。 • ③ 次生结构面是指风化、卸荷、地下水等作用下形成的风化裂隙、破碎带、卸荷裂隙、泥化夹层、夹泥层等。 • (2) 结构面的特征 • 结构面的特征包括规模、形态、连通性、密集程度和张开度等。 • ① 规模按照控制区域稳定性的范围，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ等多个等级。一般场地具体位置岩体稳定性由Ⅳ级或Ⅴ级结构面控制。 • ② 形态平整度、光滑度对抗剪强度有影响。 • ③ 密集程度通常以线密度（条/m）或结构面的间距表示。 • ④ 连通性地下岩体连通性的勘探方法有：勘探平硐、岩芯、地面开挖。 • ⑤ 张开度指两壁面的离开距离，共分4级： • a.闭合＜0.2mm; • b.微张0.2~1.0mm; • c.张开1.0~5.0mm; • d.宽张＞5.0mm。 • 张开和宽张的结构面，抗剪强度取决于充填物的成分和厚度，一般黏土充填物的抗剪强度小于砂土充填物的抗剪强度。

21. 7.2.3岩体结构类型和岩体工程分类 • (1) 岩体结构类型 • 按结构面和结构体组合形式，尤其是结构面性状，可将岩体结构划分如下结构类型： • ①整体块状结构，包括整体（断续）结构、块状结构和菱形块状结构；②层状结构，包括层状结构和薄层(板状)结构；③碎裂结构，包括镶嵌结构、层状碎裂结构和碎裂结构；④散体结构，包括块夹泥结构和泥夹块结构等。 • (2) 岩体工程分类 • 在分类中起主导和控制作用的有如下几方面因素： • a岩石材料的质量（强度指标）。 • b岩体的完整性，结构面产状、密度、声波等。 • c水文状态（软化、冲蚀、弱化） • d地应力 • e其它因素（自稳时间、位移率） • 其中：岩性是最重要因素

26. 7.3软弱岩石概述 • 7.3.1软弱岩石 • (1) 软弱岩石的分类 • ① 软质岩石：黏土岩（泥岩、页岩）、软质的泥灰岩、凝灰岩、大部分千枚岩、片岩、膨胀岩以及各种成因的软弱夹层。 • ② 构造岩或断裂破碎岩。 • ③ 风化岩石。 • (2) 软弱岩石的特征 • ① 强度低； • ② 变形模量小； • ③ 水理性质差； • ④ 流变效应明显，长期强度低。 • 7.3.2软弱夹层 • 一般认为，软弱夹层是指在坚硬的（层状）岩层中夹有强度低、泥质或炭质含量高、遇水易软化、延伸较广和厚度较薄的软弱岩层(图79)。通过对大量实际工程资料的统计分析表明，软弱夹层自身的强度与夹持它的上下坚硬岩层相比较，其强度和变形模量均为上下坚硬岩层的1/5~1/50。 • 一般软弱夹层的强度和变形参数如下： • 摩擦系数＜0.5； • 饱和抗压强度≤10MPa； • 变形模量≤1000MPa。 • 软弱夹层，特别是其中的泥化夹层是一种非常软弱的结构面，它们是控制岩体稳定性的极其重要的因素，国内外一些工程的失事均与此有关。所以要重视对软弱夹层的调查与分析。

27. 7.3.3风化岩石 • 我国各工程单位按照岩体风化程度将其从上而下分为残积土,全风化带,强风化带,弱风化带,微风化带,未风化带。 • 岩体风化程度划分方法有定性分析法和定性定量分析法两种。 • 定性分析法是从风化岩的地质特征和工程性质出发，用经验判断，以定性分析为主。 • 7.3.4构造岩 • (1) 构造岩的分类及其特征 • ① 断层泥在断层破碎带中常可见到厚度不等的泥状物质，脱水干燥后呈硬块状，它们是糜棱岩、碎裂岩或岩粉等经浸水风化而成。大多由亲水性较强的黏土矿物及石英等组成。断层泥压缩变形大、强度低，常给工程带来很大的危害。 • ② 糜棱岩由被碾碎成均匀细小的粉末碎屑胶结而成，以粒径小于0.05mm的颗粒为主，只有在显微镜下才能看出颗粒的成分和结构特征，外观致密，类似硅质岩。矿物有重结晶、重组合现象。除含有石英、长石等原岩矿物外，常含有一些变质矿物。风化后常呈岩粉或泥状。 • ③ 片状岩母岩多为软弱岩层，经过强烈的挤压与剪切错动，形成劈理和片理，再结晶的矿物及细小的碎屑常成定向排列而构成片状岩。 • ④ 断层角砾岩主要由粒径大于2mm的被搓碎的棱角状碎块及岩粉等经胶结形成，角砾仍保持原岩的矿物成分和结构。 • ⑤ 压碎岩主要由原岩碎粒并杂以岩粉经胶结形成。能用放大镜分辨原岩成分。 • ⑥ 碎块岩 • (2) 构造岩的工程地质特性 • ①构造岩的渗透性碎块岩,强透水;压碎岩,中等透水;断层角砾岩,弱透水至不透水；片状岩,不透水；糜棱岩,不透水；断层泥,不透水。 • ② 构造岩的强度和变形特征随着破碎程度的加剧而降低，与母岩相比，均有不同程度的降低。

28. 7.4岩体稳定性分析 • 岩体稳定性分析是根据岩体的工程地质特性和各种力系（自然的、工程的）的作用，对一定时空条件下岩体的稳定性的分析评价，如边坡岩体稳定性、坝基岩体稳定性、地下洞室岩体稳定性等。 • 岩体稳定性分析是研究岩体发生失稳的条件及变形破坏的规律，考虑工程的类型和特点，为岩体的利用和改造提供依据。岩体稳定性分析方法有以下几类。 • 7.4.1地质分析法 • （1） 工程地质比拟法是通过对已建工程的建筑类型、施工方法、使用效果与建筑场地工程地质条件之间关系的研究，分析其相似性及差异性，找出规律，并以此作为类似条件下拟建工程设计依据的方法。 • （2） 工程地质力学分析法从工程地质学的观点出发，运用地质力学的理论和方法研究岩体特性的形成和演变规律，同时运用岩体力学的理论基础和方法研究岩体在受力条件下变形破坏的机制、物理状态和力学属性，最后结合工程要求，作出岩体稳定分析计算和评价。 • 岩体工程地质力学的研究方法是应用地质学的勘测调查和力学分析计算相结合的方法。特别强调地质构造的研究，这种研究是以地质力学的研究方法为基础，即分析断裂构造形成的力学机制与空间分布配套的规律，注意分析构造应力场。岩体工程地质力学研究的最终目的是评价和研究岩体的稳定性。岩体稳定性是个相对概念，即不同的工程建筑所要求的稳定标准是不一样的。稳定性研究涉及范围很广，稳定性评价研究工作还包括预测预报的研究。

29. 岩体工程地质力学的基本观点是： • ① 岩体是经受过变形，遭受过破坏的地质体，要研究在受力条件改变时，现有的地质体再变形和再破坏的规律； • ② 岩体为不连续结构体，岩体结构控制岩体变形和破坏规律，结构的控制作用远远大于岩体组成成分的控制作用； • ③ 岩体赋存环境条件可改变岩体结构力学效应规律； • ④ 在岩体结构控制下岩体具有多种力学介质和力学模型，力学机制复杂多样。 • 7.4.2岩体图解法 • （1） 极射赤平投影法简称赤平投影法，主要用来表示线、面的方位，相互间的角距关系及其运动轨迹，把物体三维空间的几何要素（线、面）反映在投影平面上进行研究处理。它是一种简便、直观的计算方法，又是一种形象、综合的定量图解，广泛应用于地质科学中。 • 运用赤平投影法能够解决地质构造的几何形态和应力分析等方面的许多实际问题，因此，它是研究地质构造时不可缺少的一种手段。 • （2） 工程图解法地质超前预报是地下工程施工中一个重要的不可或缺的步骤。根据有关结构面的发育规律，利用作图的方法对可能造成施工灾害的不良地质体进行图解预报分析。此方法简便、直观，是一种形象、综合的定量图解法，在构造地质、工程地质、结晶学和航海上被广泛地应用。

30. 7.4.3力学计算法 • 力学计算法包括极限平衡计算法、有限单元分析法及其他数值模拟计算等。 • 现仅简单介绍极限平衡计算法。 • 边坡稳定性分析的核心问题是边坡安全系数的计算。边坡稳定性分析的方法较多，极限平衡计算法简便且能定量地给出边坡安全系数的大小，方法本身已经成熟，广为工程界接受，是当今解决工程问题的基本方法。 • 现行众多任意滑面边坡稳定性计算方法均建立在条分极限平衡计算法基础上。其主要原理是将滑体划分为若干条块，条块看做是刚性的，滑面认为达到极限平衡状态且抗剪强度的发挥状态一致。各种方法都是通过力平衡和力矩平衡或两者都平衡来建立边坡安全系数表达式，具体表达式为： • 安全系数Fs=能够提供的抗滑力（或力矩）驱使滑塌的致滑力（或力矩） • Fs=1时出现临界或极限状态。 • 极限平衡计算方法主要有：Bishop法、Janbu法、Sarma法、余推力法等。各种方法都是基于一定的假定条件。工程中采用何种方法主要看其假定条件是否与待研究边坡的实际情况相吻合。 • 7.4.4模拟试验法 • 模拟试验法包括相似材料模型分析和光弹材料模型分析等，在此不一一讲述，可参考相关资料。