巖體的工程分類_工程地質(zhì)

在漫長的地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)巖石經(jīng)受了構(gòu)造變動(dòng)、風(fēng)化作用和卸荷作用等各種內(nèi)外力地質(zhì)作用的破壞和改造，被各種地質(zhì)界面（如層面、層理、節(jié)理、斷層、軟弱夾層）等切割，形成不連續(xù)的非均勻各向異性地質(zhì)體，在工程建設(shè)中稱為巖體。因此，巖體是指場地中經(jīng)過變形和破壞后的巖石組合，是一種或多種巖石中的各種地質(zhì)界面（結(jié)構(gòu)面）和大小不同、形狀不一的巖塊（結(jié)構(gòu)體）的總體。巖體與巖石是兩個(gè)不同的概念，不能以小型完整的單塊巖石來代表巖體，巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、性質(zhì)、充填情況以及連通程度等對巖體的工程地質(zhì)特性有很大的影響。

作為工業(yè)與民用建筑地基、道路與橋梁地基、地下洞室圍巖、水工建筑地基的巖體，作為道路工程邊坡、港口岸坡、橋梁岸坡、庫岸邊坡的巖體等都屬于工程巖體。工程實(shí)踐中遇到的巖體工程地質(zhì)問題實(shí)質(zhì)上就是巖（土）體的穩(wěn)定問題。關(guān)于土體穩(wěn)定問題，將在《土力學(xué)》課程中研究。

巖體穩(wěn)定是指在一定的時(shí)間內(nèi)，在一定的自然條件和人為因素的影響下，巖體不產(chǎn)生破壞性的剪切滑動(dòng)、塑性變形或張裂破壞。巖體的穩(wěn)定性，巖體的變形與破壞，主要取決于巖體內(nèi)各種結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其對巖體的切割程度。工程實(shí)踐表明，邊坡巖體的破壞，地基巖體的滑移，以及隧道巖體的塌落，大多數(shù)是沿著巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生的。巖體結(jié)構(gòu)在巖體的變形與破壞中起到了主導(dǎo)作用。

巖體穩(wěn)定分析有多種方法，但巖體結(jié)構(gòu)分析是基礎(chǔ)。通過對巖體結(jié)構(gòu)的分析，可以為其他方法的分析提供邊界條件。要從巖體結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)分析巖體的穩(wěn)定性，首先要研究巖體的結(jié)構(gòu)特征。

巖塊的工程地質(zhì)性質(zhì)包括物理性質(zhì)、水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)。影響巖塊工程地質(zhì)性質(zhì)的因素，主要是組成巖塊的礦物成分，巖塊的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和巖塊的風(fēng)化程度。

巖塊的物理性質(zhì)是巖塊的基本工程性質(zhì)，主要是指巖塊的重力性質(zhì)和孔隙性。

1） 巖塊的重力性質(zhì)

（1） 巖塊的相對密度（D）

巖塊的相對密度是巖塊固體部分(不含孔隙)的重力與同體積水在4℃時(shí)重力的比值，即

D=

（6-1）

式中：Ws——巖塊固體顆粒重量（N)；

　Vs——巖塊固體顆粒體積（cm3)；

　γw——4℃時(shí)水的密度(N/cm3)。

巖塊相對密度的大小，取決于組成巖塊的礦物相對密度及其在巖塊中的相對含量。組成巖塊的礦物相對密度大、含量多，則巖塊的相對密度就大。一般巖塊的相對密度在2.65左右，相對密度大的可達(dá)3.3。

（2） 巖塊的重度(γ)

巖塊的重度是指巖塊單位體積的重力。在數(shù)值上，它等于巖塊試件的總重力(含孔隙中水的重力)與其總體積(含孔隙體積)之比，即

γ=

（6-2）

式中：W——巖塊樣本總重量(N)；

　V——巖塊樣本總體積(cm3)。

巖塊之重度大小，取決于巖塊中的礦物相對密度、巖塊的孔隙性及其含水情況。巖塊孔隙中完全沒有水存在時(shí)的重度，稱為干重度。巖塊中的孔隙全部被水充滿時(shí)的重度，稱為巖塊的飽和重度。組成巖塊的礦物相對密度大，或巖塊中的孔隙性小，則巖塊的重度大。對于同一種巖塊，若重度有差異，則重度大的結(jié)構(gòu)致密、孔隙性小，強(qiáng)度和穩(wěn)定性相對較高。

（3） 巖塊的密度(ρ)

巖塊單位體積的質(zhì)量稱為巖塊的密度。

巖塊孔隙中完全沒有水存在時(shí)的密度，稱為干密度。巖塊中孔隙全部被水充滿時(shí)的密度，稱為巖塊的飽和密度。常見巖塊的密度為2.3～2.8g／cm3。

2） 巖塊的孔隙性

巖塊中的空隙包括孔隙和裂隙。巖塊的空隙性是巖塊的孔隙性和裂隙性的總稱，可用空隙率、孔隙率、裂隙率來表示其發(fā)育程度。但人們已習(xí)慣用孔隙性來代替空隙性。即用巖塊的孔隙性反映巖塊中孔隙、裂隙的發(fā)育程度。

巖塊的孔隙率(或稱孔隙度)是指巖塊中孔隙(含裂隙)的體積與巖塊總體積之比值，常以百分?jǐn)?shù)表示，即

n=×100％

（6-3）

式中：n——巖塊的孔隙率（％）；

　Vn——巖塊中空隙的體積（cm3）；

　V——巖塊的總體積（cm3）。

巖塊孔隙率的大小主要取決于巖塊的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，同時(shí)也受風(fēng)化作用、巖漿作用、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及變質(zhì)作用的影響。由于巖塊中孔隙、裂隙發(fā)育程度變化很大，因此其孔隙率的變化也很大。例如，三疊紀(jì)砂巖的孔隙率為0.6％～27.7％。碎屑沉積巖的時(shí)代愈新，其膠結(jié)愈差，則孔隙率愈高。結(jié)晶巖類的孔隙率較低，很少高于3％。

常見巖塊的物理性質(zhì)指標(biāo)見表6-1。

表6-1　常見巖塊的物理性質(zhì)

巖塊的水理性質(zhì)，是指巖塊與水作用時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)，主要有巖塊的吸水性、透水性、溶解性、軟化性、抗凍性等。

1） 巖塊的吸水性

巖塊吸收水分的性能稱為巖塊的吸水性，常以吸水率、飽水率兩個(gè)指標(biāo)來表示。

（1） 巖塊的吸水率(ω1)

巖塊的吸水率是指在常壓下巖塊的吸水能力。以巖塊所吸水分的重力與干燥巖塊重力之比的百分?jǐn)?shù)表示，即

ω1=×100％

(6-4)

式中：ω1——巖塊的吸水率（％）；

　Wω1——巖塊常壓下所吸水分的重力（kN）；

　Ws——干燥巖塊的重力（kN）。

巖塊的吸水率與巖塊的孔隙數(shù)量、大小、開閉程度和空間分布等因素有關(guān)。巖塊的吸水率愈大，則水對巖塊的侵蝕、軟化作用就愈強(qiáng)，巖塊強(qiáng)度和穩(wěn)定性受水作用的影響也就愈顯著。

（2） 巖塊的飽水率(ω2)

巖塊的飽水率是指在高壓(15MPa)或真空條件下巖塊的吸水能力。仍以巖塊所吸水分的重力與干燥巖塊重力之比的百分?jǐn)?shù)表示，即

ω2=×100％

(6-5)

式中：ω2——巖塊的飽水率（％）；

　Wω2——巖塊在高壓(15MPa)或真空條件下所吸水分的重力（kN）；

　Ws——干燥巖塊的重力（kN）。

巖塊的吸水率與飽水率的比值，稱為巖塊的飽水因數(shù)（ks），其大小與巖塊的抗凍性有關(guān)，一般認(rèn)為飽水因數(shù)小于0.8的巖塊是抗凍的。

2） 巖塊的透水性

巖塊的透水性，是指巖塊允許水通過的能力。巖塊的透水性大小，主要取決于巖塊中孔隙、裂隙的大小和連通情況。巖塊的透水性用滲透系數(shù)(K)來表示。

3） 巖塊的溶解性

巖塊的溶解性，是指巖塊溶解于水的性質(zhì)，常用溶解度或溶解速度來表示。常見的可溶性巖塊有石灰?guī)r、白云巖、石膏、巖鹽等。巖塊的溶解性，主要取決于巖塊的化學(xué)成分，但和水的性質(zhì)有密切關(guān)系，如富含CO2的水具有較大的溶解能力。

4） 巖塊的軟化性

巖塊的軟化性，是指巖塊在水的作用下，強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低的性質(zhì)。巖塊的軟化性主要取決于巖塊的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征。巖塊中黏土礦物含量高、孔隙率大、吸水率高，則易與水作用而軟化，使其強(qiáng)度和穩(wěn)定性大大降低甚至喪失。

巖塊的軟化性常以軟化因數(shù)（Kd）來表示。軟化因數(shù)等于巖塊在飽水狀態(tài)下的極限抗壓強(qiáng)度與巖石風(fēng)干狀態(tài)下極限抗壓強(qiáng)度的比值，用小數(shù)表示。其值愈小，表示巖塊在水的作用下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性愈差。未受風(fēng)化影響的巖漿巖和某些變質(zhì)巖、沉積巖，軟化因數(shù)接近于1，是弱軟化或不軟化的巖塊，其抗水、抗風(fēng)化和抗凍性強(qiáng)；軟化因數(shù)小于0.75的巖塊，認(rèn)為是強(qiáng)軟化的巖塊，工程性質(zhì)較差，如黏土巖類。

5） 巖塊的抗凍性

巖塊的孔隙、裂隙中有水存在時(shí)，水結(jié)成冰體積膨脹，則產(chǎn)生較大的壓力，使巖塊的構(gòu)造等遭到破壞。巖塊抵抗這種冰凍作用的能力，稱為巖塊的抗凍性。在高寒冰凍地區(qū)，抗凍性是評價(jià)巖塊工程地質(zhì)性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。

巖塊的抗凍性，與巖塊的飽水因數(shù)、軟化因數(shù)有著密切關(guān)系。一般是飽水因數(shù)愈小，巖塊的抗凍性愈強(qiáng)；易于軟化的巖塊，其抗凍性也低。溫度變化劇烈，巖塊反復(fù)凍融，則降低巖塊的抗凍能力。

巖塊的抗凍性有不同的表示方法，一般用巖塊在抗凍試驗(yàn)前后抗壓強(qiáng)度的降低率表示?？箟簭?qiáng)度降低率小于20％～25％的巖塊，認(rèn)為是抗凍的；大于25％的巖塊，認(rèn)為是非抗凍的。

常見巖塊的水理性質(zhì)的主要指標(biāo)見表6-2、表6-3。

表6-2　常見巖塊的吸水性

表6-3　常見巖塊的滲透系數(shù)值

6） 巖塊的膨脹性

巖塊的膨脹性是指巖石遇水體積發(fā)生膨脹的性質(zhì)，由巖石膨脹性試驗(yàn)按下列公式計(jì)算巖塊自由膨脹率（VH）、側(cè)向約束膨脹率(VD)、膨脹壓力(PS),即

VH=×100%

(6-6)

VD=×100%

(6-7)

VHP=×100%

(6-8)

PS=

(6-9)

式中：ΔH——試件軸向變形值（mm）；

　H——試件高度（mm）；

　ΔD——試件徑向平均變形值（mm）；

　D——試件直徑或邊長（mm）；

　ΔH1——有側(cè)向約束試件的軸向變形值（mm）；

　F——軸向荷載（N）；

　A——試件截面積（m2）。

1） 巖塊的變形指標(biāo)

巖塊的變形指標(biāo)主要有彈性模量、變形模量和泊松比。

（1） 彈性模量

彈性模量是應(yīng)力與彈性應(yīng)變的比值，即

E=

（6-10）

式中：E——彈性模量（kPa）；

　σ——應(yīng)力（kPa）；

　εe——彈性應(yīng)變。

（2） 變形模量

變形模量是應(yīng)力與總應(yīng)變的比值，即

E0=

（6-11）

式中：E0——變形模量（Pa）；

　εp——塑性應(yīng)變；

　σ、εe意義同上。

（3） 泊松比

巖塊在軸向壓力的作用下，除產(chǎn)生縱向壓縮外，還會產(chǎn)生橫向膨脹，則由均勻分布的縱向應(yīng)力所引起的橫向應(yīng)變與相應(yīng)的縱向應(yīng)變之比的絕對值稱為泊松比，即

μ=

(6-12)

式中：μ——泊松比；

　ε1——橫向應(yīng)變；

　ε——縱向應(yīng)變。

泊松比越大，表示巖塊受力作用后的橫向變形越大。巖塊的泊松比一般在0.2～0.4之間。

2） 巖塊的強(qiáng)度指標(biāo)

巖塊受力作用破壞有壓碎、拉斷及剪斷等形式，故巖塊的強(qiáng)度可分為抗壓、抗拉及抗剪強(qiáng)度。巖塊的強(qiáng)度單位用Pa表示。

（1） 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是巖塊在單向壓力作用下抵抗壓碎破壞的能力，即

σn=

(6-13)

式中：σn——巖塊抗壓強(qiáng)度（Pa）；

　P——巖塊破壞時(shí)的壓力（N）；

　A——巖塊受壓面面積（m2）。

各種巖塊抗壓強(qiáng)度值差別很大，主要取決于巖塊的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，同時(shí)受礦物成分和巖塊生成條件的影響。《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）（2009年版）中按單軸飽和抗壓強(qiáng)度將巖石分為堅(jiān)硬巖（＞60MPa）、較堅(jiān)硬巖(30～60MPa)、較軟巖(15～30MPa)、軟巖(5～15MPa)、極軟巖(＜5MPa）等。

（2） 抗剪強(qiáng)度

抗剪強(qiáng)度是巖塊抵抗剪切破壞的能力，以巖塊被剪破時(shí)的極限應(yīng)力表示。根據(jù)試驗(yàn)形式不同，巖塊抗剪強(qiáng)度可分為：

① 抗剪斷強(qiáng)度

抗剪斷強(qiáng)度是指在垂直壓力作用下的巖塊剪斷強(qiáng)度，即

τb=σtanφ+c

(6-14)

式中:τb——巖塊抗剪斷強(qiáng)度（Pa）;

　σ——破裂面上的法向應(yīng)力（Pa）;

　φ——巖塊的內(nèi)摩擦角（°）;

　tanφ——巖塊摩擦因數(shù);

　c——巖塊的內(nèi)聚力（Pa）。

堅(jiān)硬巖塊因有牢固的結(jié)晶聯(lián)結(jié)或膠結(jié)聯(lián)結(jié)，故其抗剪斷強(qiáng)度一般都比較高。

② 抗剪強(qiáng)度

抗剪強(qiáng)度是沿已有的破裂面發(fā)生剪切滑動(dòng)時(shí)的指標(biāo)，即

τc=σtanφ

(6-15)

顯然，抗剪強(qiáng)度大大低于抗剪斷強(qiáng)度。

③ 抗切強(qiáng)度

抗切強(qiáng)度是壓應(yīng)力等于零時(shí)的抗剪斷強(qiáng)度，即

τy=C

(6-16)

（3） 抗拉強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度是巖塊單向拉伸時(shí)抵抗拉斷破壞的能力，以拉斷破壞時(shí)的最大張應(yīng)力表示。抗拉強(qiáng)度是巖塊力學(xué)性質(zhì)中的一個(gè)重要指標(biāo)。巖塊的抗壓強(qiáng)度最高，抗剪強(qiáng)度居中，抗拉強(qiáng)度最小。巖塊越堅(jiān)硬，其值相差越大，軟弱的巖塊差別較小。巖塊的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度是評價(jià)巖塊(巖體)穩(wěn)定性的指標(biāo)，是對巖塊(巖體)的穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析的依據(jù)。由于巖塊的抗拉強(qiáng)度很小，所以當(dāng)巖層受到擠壓形成褶皺時(shí)，常在彎曲變形較大的部位受拉破壞，產(chǎn)生張性裂隙。

常見巖塊的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及部分強(qiáng)度對比值見表6-4。

表6-4　常見巖塊力學(xué)性質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表6-4

影響巖塊工程地質(zhì)性質(zhì)的因素主要有巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及成因、水的作用及風(fēng)化作用等。

1） 礦物成分

巖塊是由礦物組成的，巖塊的礦物成分對巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生直接的影響，例如輝長巖的比重比花崗巖大，這是因?yàn)檩x長巖的主要礦物成分輝石和角閃石的比重比石英和正長石大；又如石英巖的抗壓強(qiáng)度比大理巖要高得多，這是因?yàn)槭⒌膹?qiáng)度比方解石高。但也不能簡單地認(rèn)為含有高強(qiáng)度礦物的巖塊其強(qiáng)度一定就高。因?yàn)閹r塊受力作用后，內(nèi)部應(yīng)力是通過礦物顆粒的直接接觸來傳遞的，如果強(qiáng)度較高的礦物在巖塊中互不接觸，則應(yīng)力的傳遞必然會受中間低強(qiáng)度礦物的影響，巖塊不一定就能顯示出高的強(qiáng)度。所以，在對巖塊的工程地質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行分析和評價(jià)時(shí)，更應(yīng)該注意那些可能降低巖塊強(qiáng)度的因素，如花崗巖中的黑云母含量是否過高，石灰?guī)r、砂巖中黏土類礦物的含量是否過高等。黑云母是硅酸鹽類礦物中硬度低、解理最發(fā)育的礦物之一，它容易遭受風(fēng)化而剝落，也易于發(fā)生次生變化，最后成為強(qiáng)度較低的鐵的氧化物和黏土類礦物。石灰?guī)r和砂巖，當(dāng)黏土類礦物的含量大于20%時(shí)，就會直接降低巖塊的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2） 結(jié)構(gòu)

巖塊的結(jié)構(gòu)特征，是影響巖塊物理力學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要因素。根據(jù)巖塊的結(jié)構(gòu)特征，可將巖塊分為兩類：一類是結(jié)晶聯(lián)結(jié)巖塊，如大部分的巖漿巖、變質(zhì)巖和一部分沉積巖；另一類是由膠結(jié)物聯(lián)結(jié)的巖塊，如沉積巖中的碎屑巖等。

結(jié)晶聯(lián)結(jié)是由巖漿或溶液結(jié)晶或重結(jié)晶形成的。礦物的結(jié)晶顆?？恐苯咏佑|產(chǎn)生的力牢固地聯(lián)結(jié)在一起，結(jié)合力強(qiáng)，孔隙率小，比膠結(jié)聯(lián)結(jié)的巖塊具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。結(jié)晶聯(lián)結(jié)的巖塊，結(jié)晶顆粒的大小對巖塊的強(qiáng)度有明顯影響。如粗?；◢弾r的抗壓強(qiáng)度一般在120～140MPa，而細(xì)粒花崗巖有的則可達(dá)200～250MPa。又如大理巖的抗壓強(qiáng)度一般在100～120MPa，而最堅(jiān)固的石灰?guī)r則可達(dá)250MPa。這說明礦物成分和結(jié)構(gòu)類型相同的巖塊，其礦物結(jié)晶顆粒的大小對強(qiáng)度的影響是顯著的。

膠結(jié)聯(lián)結(jié)是礦物碎屑由膠結(jié)物聯(lián)結(jié)在一起的。膠結(jié)聯(lián)結(jié)的巖塊，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性主要取決于膠結(jié)物的成分和膠結(jié)的形式，同時(shí)也受碎屑成分的影響，變化很大。就膠結(jié)物的成分來說，硅質(zhì)膠結(jié)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性高，泥質(zhì)膠結(jié)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性低，鐵質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)的介于兩者之間。如泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖，其抗壓強(qiáng)度一般只有60～80MPa，鈣質(zhì)膠結(jié)的可達(dá)120MPa，而硅質(zhì)膠結(jié)的則可高達(dá)170MPa。

3） 構(gòu)造

構(gòu)造對巖塊物理力學(xué)性質(zhì)的影響，主要是由礦物成分在巖塊中分布的不均勻性和巖塊結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性所決定的。前者是指某些巖塊所具有的片狀構(gòu)造、板狀構(gòu)造、千枚狀構(gòu)造、片麻構(gòu)造以及流紋構(gòu)造等。巖塊的這些構(gòu)造，往往使礦物成分在巖塊中的分布極不均勻。一些強(qiáng)度低、易風(fēng)化的礦物多沿一定方向富集，或呈條帶狀分布，或成局部的聚集體，從而使巖塊的物理力學(xué)性質(zhì)在局部發(fā)生很大變化。觀察和實(shí)驗(yàn)證明，巖塊受力破壞和巖塊遭受風(fēng)化，首先都是從巖塊的這些缺陷中開始發(fā)生的。后者是指不同的礦物成分雖然在巖塊中的分布是均勻的，但由于存在著層理、裂隙和各種成因的孔隙，致使巖塊結(jié)構(gòu)的連續(xù)性與整體性受到一定程度的影響，從而使巖塊的強(qiáng)度和透水性在不同的方向上發(fā)生明顯的差異。一般來說，垂直層面的抗壓強(qiáng)度大于平行層面的抗壓強(qiáng)度，平行層面的透水性大于垂直層面的透水性。假如上述兩種情況同時(shí)存在，則巖塊的強(qiáng)度和穩(wěn)定性將會明顯降低。

4） 水

巖塊飽水后強(qiáng)度降低，已為大量的實(shí)驗(yàn)資料所證實(shí)。當(dāng)巖塊受到水的作用時(shí)，水就沿著巖塊中可見和不可見的孔隙、裂隙侵入，浸濕巖塊表面上的礦物顆粒，并繼續(xù)沿著礦物顆粒間的接觸面向深部侵入，削弱礦物顆粒間的聯(lián)結(jié)，使巖塊的強(qiáng)度受到影響。如石灰?guī)r和砂巖被水飽和后，其極限抗壓強(qiáng)度會降低25%～45%。即使花崗巖、閃長巖及石英巖等類的巖塊，被水飽和后，其強(qiáng)度也均有一定程度的降低。降低程度在很大程度上取決于巖塊的孔隙度。當(dāng)其他條件相同時(shí)，孔隙度大的巖塊，被水飽和后其強(qiáng)度降低的幅度也大。

5） 風(fēng)化

風(fēng)化作用促使巖塊礦物顆粒間的聯(lián)結(jié)松散和使礦物顆粒沿解理面崩解。風(fēng)化作用的這種物理過程，能促使巖塊的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和整體性遭到破壞，孔隙率增大，容重減小，吸水性和透水性顯著增高，強(qiáng)度和穩(wěn)定性大為降低。隨著風(fēng)化作用的加強(qiáng)，會引起巖塊中的某些礦物發(fā)生次生變化，從根本上改變巖塊原有的工程地質(zhì)性質(zhì)。

結(jié)構(gòu)面是指存在于巖體中的各種不同成因、不同特征的地質(zhì)界面，包括各種破裂面（如劈理、斷層面、節(jié)理等）、物質(zhì)分異面（如層理、層面、不整合面、片理等）、軟弱夾層及泥化夾層等。結(jié)構(gòu)體是由結(jié)構(gòu)面切割后形成的巖石塊體。結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的排列與組合特征便形成了巖體結(jié)構(gòu)(圖6-1)。

圖6-1　野外巖體形態(tài)

巖體結(jié)構(gòu)指巖體中不同成因、形態(tài)、規(guī)模、性質(zhì)的結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體在空間的排列分布和組合狀態(tài)，它既表達(dá)巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度及組合，又反映了結(jié)構(gòu)體的大小、幾何形狀及排列方式。

這個(gè)定義內(nèi)有3個(gè)因素：第一個(gè)因素是“巖體結(jié)構(gòu)單元”。結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)單元或結(jié)構(gòu)要素。結(jié)構(gòu)單元在巖體內(nèi)組合、排列的方式不同，就構(gòu)成不同類型的巖體結(jié)構(gòu)。第二個(gè)因素是“組合”?！敖M合”是指不同類型的巖體結(jié)構(gòu)單元在巖體內(nèi)的搭配，如堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)面與塊狀結(jié)構(gòu)體“組合”構(gòu)成碎裂結(jié)構(gòu)，軟弱結(jié)構(gòu)面與塊狀結(jié)構(gòu)體“組合”構(gòu)成塊裂結(jié)構(gòu)，而軟弱結(jié)構(gòu)面與板狀結(jié)構(gòu)體“組合”構(gòu)成板裂結(jié)構(gòu)。第三個(gè)因素是“排列”。巖體結(jié)構(gòu)單元是有序的還是無序的，是貫通的還是斷續(xù)的，都是排列的表現(xiàn)形式。這3個(gè)因素限定了巖體結(jié)構(gòu)的差別。以此為依據(jù)，形成多種多樣的巖體結(jié)構(gòu)類型。

由于結(jié)構(gòu)面是在建造和改造過程中形成的，其空間性狀和界面特征與其成因和演變歷史關(guān)系密切，因而其基本分類可按地質(zhì)成因分為原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和次生結(jié)構(gòu)面三大類，其主要特征如表6-5所示。

1） 原生結(jié)構(gòu)面

原生結(jié)構(gòu)面是在成巖過程中形成的，分為沉積結(jié)構(gòu)面、火成結(jié)構(gòu)面和變質(zhì)結(jié)構(gòu)面3種類型。

（1） 沉積結(jié)構(gòu)面

沉積結(jié)構(gòu)面是指沉積巖層在沉積、成巖過程中形成的結(jié)構(gòu)面，包括層理、層面、假整合面（沉積間斷層）、不整合面、原生軟弱夾層等。陸相沉積巖層在沉積過程中往往發(fā)生沉積間斷，在沉積間斷期，由于巖層遭受風(fēng)化剝蝕，其后又為新的沉積物所覆蓋，因而在不整合面上下兩套巖層之間形成軟弱夾層。在火山巖流或噴發(fā)間歇期，也會形成古風(fēng)化夾層。它們一般含泥質(zhì)物質(zhì)較多，膠結(jié)松散，且多為地下水的通道，易軟化或泥化，強(qiáng)度較低。原生軟弱夾層，一般有碎屑巖類中的各類頁巖夾層，碳酸鹽巖體中的泥質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖夾層，陸相碎屑巖及瀉湖相巖層中的石膏等可溶鹽類夾層以及火山碎屑巖系中的凝灰質(zhì)頁巖夾層等。它們當(dāng)中多數(shù)強(qiáng)度較低、水穩(wěn)性差。

表6-5　巖體結(jié)構(gòu)面的類型及其特征

（2） 火成結(jié)構(gòu)面

火成結(jié)構(gòu)面是指巖漿侵入活動(dòng)及冷凝過程中所形成的結(jié)構(gòu)面，包括巖漿巖體與圍巖的接觸面、冷凝原生節(jié)理、流紋面、凝灰?guī)r夾層及侵入擠壓破碎結(jié)構(gòu)面等。冷凝原生節(jié)理具張性破裂面的特征，一般粗糙不平。巖漿巖體與圍巖接觸面往往膠結(jié)不良，或形成小型破碎帶。

（3） 變質(zhì)結(jié)構(gòu)面

變質(zhì)結(jié)構(gòu)面是指變質(zhì)作用過程中礦物定向排列形成的結(jié)構(gòu)面，包括片理、片麻理、片巖軟弱夾層等。片理在巖體深部往往閉合成隱蔽結(jié)構(gòu)面，沿片理面一般片狀礦物富集，對巖體強(qiáng)度起控制作用，如薄層云母片巖、綠泥石片巖、滑石片巖等。由于片理極為發(fā)育，巖性軟弱，礦物易受風(fēng)化，所以也會形成相對的軟弱夾層。

2） 構(gòu)造結(jié)構(gòu)面

構(gòu)造結(jié)構(gòu)面是指巖體中受構(gòu)造應(yīng)力作用所產(chǎn)生的破裂面、錯(cuò)動(dòng)面或破碎帶，包括構(gòu)造節(jié)理、劈理、斷層面及層間錯(cuò)動(dòng)面等。構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的特點(diǎn)是延展性較強(qiáng)，規(guī)模較大，分布有一定規(guī)律，對巖體穩(wěn)定影響很大。其工程地質(zhì)性質(zhì)與力學(xué)成因、規(guī)模及次生變化等有密切關(guān)系。它們的產(chǎn)狀和分布情況主要受當(dāng)?shù)貥?gòu)造應(yīng)力場的控制。

3） 次生結(jié)構(gòu)面

次生結(jié)構(gòu)面是指巖體受卸荷、風(fēng)化、地下水等次生作用所形成的結(jié)構(gòu)面，包括卸荷節(jié)理、風(fēng)化節(jié)理、風(fēng)化夾層、泥化夾層、次生夾泥層等。次生結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀及分布受地形影響較大，對河谷及岸坡巖體穩(wěn)定的影響較為顯著。卸荷節(jié)理在塊狀脆性巖體中較為常見。風(fēng)化節(jié)理一般僅限于表層風(fēng)化帶內(nèi)，產(chǎn)狀無規(guī)律，短小密集。而風(fēng)化夾層則可能延至巖體較深部位，如斷層風(fēng)化、巖脈風(fēng)化、夾層風(fēng)化等。地下水可以使原來的軟弱夾層形成摩阻力很低的可塑性黏土，并可產(chǎn)生次生夾泥，泥化作用在黏土巖、黏土質(zhì)頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r等隔水的軟弱夾層頂部最為發(fā)育，其上覆巖層往往堅(jiān)硬、斷裂發(fā)育、地下水循環(huán)劇烈。次生夾泥是由地下水?dāng)y帶細(xì)粒黏土物質(zhì)沿層面、節(jié)理、斷層面重新沉積充填而成的，在地下水活動(dòng)帶內(nèi)、河槽兩側(cè)常見。

各類結(jié)構(gòu)面的規(guī)模、形態(tài)、連通性、充填物的性質(zhì)、分布規(guī)律、發(fā)育密度以及它們的空間組合形式等對結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)性質(zhì)有很大影響。

1) 結(jié)構(gòu)面的規(guī)模

實(shí)踐證明，結(jié)構(gòu)面對巖體力學(xué)性質(zhì)及巖體穩(wěn)定的影響程度，首先取決于結(jié)構(gòu)面的延展性及其規(guī)模。中國科學(xué)院地質(zhì)研究所將結(jié)構(gòu)面的規(guī)模分為5級（表6-6）。

表6-6　結(jié)構(gòu)面分級及其特征（據(jù)孫廣忠，1988）

續(xù)表6-6

(1） Ⅰ級結(jié)構(gòu)面

區(qū)域性的斷裂破碎帶，延展數(shù)十千米以上，破碎帶的寬度從數(shù)米至數(shù)十米。它直接關(guān)系到工程所在區(qū)域的穩(wěn)定性。

(2） Ⅱ級結(jié)構(gòu)面

二級結(jié)構(gòu)面一般指延展性較強(qiáng)，貫穿整個(gè)工程地區(qū)或在一定工程范圍內(nèi)切斷整個(gè)巖體的結(jié)構(gòu)面，其長度可從數(shù)百米至數(shù)千米，寬1m至數(shù)米。它控制了山體及工程巖體的破壞方式及滑動(dòng)邊界。

(3） Ⅲ級結(jié)構(gòu)面

三級結(jié)構(gòu)面一般在數(shù)十米至數(shù)百米范圍內(nèi)的小斷層、大型節(jié)理、風(fēng)化夾層和卸荷裂隙等。這些結(jié)構(gòu)面控制著巖體的破壞和滑移機(jī)理，常常是工程巖體穩(wěn)定的控制性因素及邊界條件。

(4） Ⅳ級結(jié)構(gòu)面

四級結(jié)構(gòu)面延展性差，一般在數(shù)米至數(shù)十米范圍內(nèi)的節(jié)理、片理等，它們僅在小范圍內(nèi)將巖體切割成塊狀。這些結(jié)構(gòu)面的不同組合，可以將巖體切割成各種形狀和大小的結(jié)構(gòu)體，它是巖體結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)問題之一。

(5） Ⅴ級結(jié)構(gòu)面

五級結(jié)構(gòu)面是延展性極差的一些微小裂隙，它主要影響巖塊的力學(xué)性質(zhì)。巖塊的破壞由于微裂隙的存在而具有隨機(jī)性。

2) 結(jié)構(gòu)面形態(tài)

　圖6-2　結(jié)構(gòu)面起伏度

結(jié)構(gòu)面的幾何形狀非常復(fù)雜，大體上可分為4種類型：①平直形，包括大多數(shù)層理、層面、片理和剪切破裂面等；②波狀起伏形，如波痕的層面、輕度揉曲的片理、呈舒緩波狀的壓性及壓扭性結(jié)構(gòu)面等；③鋸齒狀形，如多數(shù)張性和張扭性結(jié)構(gòu)面；④不規(guī)則形，其結(jié)構(gòu)面曲折不平，如沉積間斷面、交錯(cuò)層理及沿原有裂隙發(fā)育的次生結(jié)構(gòu)面等。結(jié)構(gòu)面的形態(tài)對結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度有很大的影響，一般平直光滑的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度較低，粗糙起伏的結(jié)構(gòu)面則有較高的抗剪強(qiáng)度。

結(jié)構(gòu)面的形態(tài)特征一般用起伏差(h)及起伏角(i)表示(圖6-2)。起伏差的力學(xué)效應(yīng)常與充填度相聯(lián)系。起伏角i是指迎著受力方向結(jié)構(gòu)面的仰角，又稱為爬坡角。結(jié)構(gòu)面具有爬坡角為i的起伏時(shí)，其抗剪強(qiáng)度中的摩擦角φi將增加i，即

φi=φj+I

（6-17）

式中:φj——平直結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角。

3) 結(jié)構(gòu)面物質(zhì)構(gòu)成

有些結(jié)構(gòu)面上物質(zhì)軟弱松散，含泥質(zhì)物及水理性質(zhì)不良的黏土礦物，抗剪強(qiáng)度很低，對巖體穩(wěn)定性的影響較大。如黏土巖或頁巖夾層，假整合面（包括古風(fēng)化夾層）及不整合面，斷層夾泥、層間破碎夾層、風(fēng)化夾層、泥化夾層及次生夾泥層等。對于這些結(jié)構(gòu)面，除進(jìn)行一般物理力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究外，還應(yīng)對其礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，預(yù)測結(jié)構(gòu)面可能發(fā)生的變化（如泥化作用是否會發(fā)展等），比較可靠地確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

4) 結(jié)構(gòu)面的延展性

結(jié)構(gòu)面的延展性也稱連續(xù)性。有些結(jié)構(gòu)面延展性較強(qiáng)，在一定工程范圍內(nèi)切割整個(gè)巖體，對穩(wěn)定性影響較大。但也有一些結(jié)構(gòu)面比較短小或不連續(xù)，巖體強(qiáng)度一部分仍為巖石（巖塊）強(qiáng)度所控制，穩(wěn)定性較好。因此，在研究結(jié)構(gòu)面時(shí)，應(yīng)注意調(diào)查研究其延展長度及規(guī)模。結(jié)構(gòu)面的延展性可用線連續(xù)性系數(shù)及面連續(xù)性系數(shù)表示。

5) 結(jié)構(gòu)面的密集程度

結(jié)構(gòu)面的密集程度反映了巖體的完整性，它決定巖體變形和破壞的力學(xué)機(jī)制。有時(shí)在巖體中，雖然結(jié)構(gòu)面的規(guī)模和延展長度均較小，但卻平行密集，或是互相交織切割，使巖體穩(wěn)定性大為降低，且不易處理。試驗(yàn)表明，巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面愈密集，巖體變形愈大，強(qiáng)度愈低，而滲透性愈高。通常用結(jié)構(gòu)面間距和線密度（k=1/M1+1/M2或k=n/L，單位為條/m）來表示結(jié)構(gòu)面的密集程度（圖6-3）。

圖6-3　結(jié)構(gòu)面線密度的確定

6) 結(jié)構(gòu)面的連通性

結(jié)構(gòu)面的連通性是指一定范圍的巖體中各結(jié)構(gòu)面的連通程度，如圖6-4。結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度與其連通性有關(guān)，連通的結(jié)構(gòu)面其抗剪強(qiáng)度低；非連通的短小結(jié)構(gòu)面，抗剪強(qiáng)度大，巖體強(qiáng)度仍受巖塊強(qiáng)度控制。

7) 結(jié)構(gòu)面的張開度和填充膠結(jié)特征

結(jié)構(gòu)面的張開度是指結(jié)構(gòu)面的兩壁離開的距離，分為密閉（＜0.2mm）、微張（0.2～1mm）、張開（1～5mm）和寬張（＞5mm）4級。有些張性斷裂面為次生充填和地下水活動(dòng)提供了條件，不僅顯著降低其抗剪強(qiáng)度，而且會產(chǎn)生靜、動(dòng)水壓力，大量涌水和增加山巖壓力，對斜坡巖體穩(wěn)定性和隧道圍巖穩(wěn)定性影響很大。

圖6-4　巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面連通性

充填物質(zhì)及其膠結(jié)情況對巖體穩(wěn)定性的影響也很顯著。結(jié)構(gòu)面經(jīng)膠結(jié)后力學(xué)性質(zhì)有所改善，改善的程度因膠結(jié)物成分不同而異，以硅質(zhì)膠結(jié)的強(qiáng)度最高，往往與巖塊強(qiáng)度差別不大，甚至超過巖塊強(qiáng)度；鈣質(zhì)、鐵質(zhì)次之；泥質(zhì)及易溶鹽類膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度最低，且抗水性差。

未膠結(jié)且具有一定張開度的結(jié)構(gòu)面往往被外來物質(zhì)所充填，其力學(xué)性質(zhì)取決于充填物成分、厚度、含水性及壁巖性質(zhì)等。充填物成分以砂質(zhì)、角礫質(zhì)的性質(zhì)最好，黏土質(zhì)、易溶鹽類性質(zhì)最差。按充填物厚度和連續(xù)性可分為薄膜充填、斷續(xù)充填、連續(xù)充填及厚層充填幾類，不同的充填類型，結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)不同。

8） 軟弱夾層

軟弱夾層是具有一定厚度的特殊的巖體軟弱結(jié)構(gòu)面。它與周圍巖體相比，具有顯著的低強(qiáng)度和顯著的高壓縮性，或具有一些特有的軟弱特性。它是巖體中最薄弱的部位，常構(gòu)成工程中的隱患，應(yīng)予以特別注意。從成因上，軟弱夾層可劃分為原生的、構(gòu)造的和次生的軟弱夾層。

原生軟弱夾層是與周圍巖體同期形成，但性質(zhì)是軟弱的夾層。構(gòu)造軟弱夾層主要是沿原有的軟弱面或軟弱夾層經(jīng)構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)而形成的，也有的是沿?cái)嗔衙驽e(cuò)動(dòng)或多次錯(cuò)動(dòng)而成，如斷裂破碎帶等。次生軟弱夾層是沿薄層狀巖石、巖體間接觸面、原有軟弱面或軟弱夾層，由次生作用（主要是風(fēng)化作用和地下水作用）參與形成的。各種軟弱夾層的成因類型及其基本特征如表6-7所示。

軟弱夾層危害很大，常是工程的關(guān)鍵部位。研究軟弱夾層最為重要的是那些粘粒和黏土礦物含量較高，或浸水后黏性土特性表現(xiàn)較強(qiáng)的巖層、裂隙充填、泥化夾層等。這些泥質(zhì)的軟弱夾層分為松軟的，如次生充填的夾泥層、泥化夾層、風(fēng)化夾層；固結(jié)的，如頁巖、黏土巖、泥灰?guī)r；淺變質(zhì)的，如泥質(zhì)板巖、千枚巖等。巖石的狀態(tài)不同，其軟弱的程度也不同，這主要取決于它們與水作用的程度，這是黏性土最突出的特征。

地下水對于泥質(zhì)軟弱夾層的作用主要表現(xiàn)在泥化和軟化兩個(gè)方面。軟化是指泥巖夾層在水的作用下失去干黏土堅(jiān)硬的狀態(tài)而成為軟黏土狀態(tài)。泥化是軟化的繼續(xù)，使軟弱夾層的含水量增大到大于塑限的程度，表現(xiàn)為塑態(tài)，原生結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，強(qiáng)度很低，c、φ值很小，摩擦系數(shù)f值一般在0.3以下。

表6-7　軟弱夾層類型及其特征（李宗惕）

軟弱夾層的泥化是有條件的，泥化成因是：黏土質(zhì)巖石是物質(zhì)基礎(chǔ)，構(gòu)造作用使其破壞形成透水通道，水的活動(dòng)使其泥化，三者必不可少。

泥化夾層的力學(xué)強(qiáng)度比原巖大為降低，特別是抗剪強(qiáng)度降低很多，壓縮性增大。壓縮系數(shù)約為0.5～1.0MPa-1,屬高壓縮性。根據(jù)研究，泥化夾層的抗剪指標(biāo)可按下述情況參考確定：受層間錯(cuò)動(dòng)有連續(xù)光滑面，以蒙脫石為主時(shí)，c=50kPa，f=0.17；以伊利石為主時(shí)，c=50kPa，f=0.20，具微層理，粘粒含量最高，f=0.17；其他局部泥化的f=0.25。

9） 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)

（1） 結(jié)構(gòu)面的變形特性

結(jié)構(gòu)面的變形分為法向變形和切向變形，根據(jù)彈性力學(xué)觀點(diǎn)，結(jié)構(gòu)面在壓應(yīng)力作用下發(fā)生彈性壓縮變形（圖6-5），造成接觸面齒頂接觸并被壓碎乃至閉合；結(jié)構(gòu)面在剪應(yīng)力作用下發(fā)生剪切變形（圖6-6）和剪脹（擴(kuò)容）現(xiàn)象（圖6-7）。

圖6-5　結(jié)構(gòu)面彈性壓縮變形曲線

圖6-6　結(jié)構(gòu)面剪切變形曲線

圖6-7　結(jié)構(gòu)面剪脹（擴(kuò)容）曲線

（2） 結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度特征

結(jié)構(gòu)面的抗拉強(qiáng)度很低，沒有充填物的結(jié)構(gòu)面可認(rèn)為沒有抗拉強(qiáng)度，主要表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度取決于結(jié)構(gòu)面的表面形態(tài)和附著物。張性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度較高，扭性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度低；表面粗糙強(qiáng)度高，表面光滑或呈鏡面強(qiáng)度低。閉合結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)取決于結(jié)構(gòu)面兩側(cè)的巖塊性質(zhì)和結(jié)構(gòu)面的粗糙程度，微張的結(jié)構(gòu)面兩壁巖塊多有點(diǎn)接觸，抗剪強(qiáng)度比張開的結(jié)構(gòu)面大。張開和寬張的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度則取決于充填物的成分和厚度。泥質(zhì)充填物厚度變化對抗剪強(qiáng)度影響極大，厚度薄強(qiáng)度較高，厚度增加強(qiáng)度迅速降低，厚度達(dá)到一定值后充填物強(qiáng)度則起控制作用，強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

結(jié)構(gòu)體特征可以用結(jié)構(gòu)體形狀、塊度及產(chǎn)狀描述。結(jié)構(gòu)體與結(jié)構(gòu)面是相互依存的，表現(xiàn)在三方面：①結(jié)構(gòu)體形狀與結(jié)構(gòu)面組數(shù)密切相關(guān)，巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面組數(shù)越多，結(jié)構(gòu)體形狀越復(fù)雜；②結(jié)構(gòu)體塊度或尺寸與結(jié)構(gòu)面間距密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)面間距越大，結(jié)構(gòu)體塊度或尺寸越大；③結(jié)構(gòu)體級序與結(jié)構(gòu)面級序亦具有相互依存關(guān)系。

1） 結(jié)構(gòu)體的類型

巖體受結(jié)構(gòu)面切割而產(chǎn)生的單元塊體的幾何形狀，稱為結(jié)構(gòu)體的類型。常見的結(jié)構(gòu)體類型有柱狀、塊狀、板狀、楔形、菱形、錐形6種形態(tài)（圖6-8）。當(dāng)巖體強(qiáng)烈變形破碎時(shí)，還可形成片狀、鱗片狀、碎塊狀及碎屑狀等形態(tài)的結(jié)構(gòu)體。

圖6-8　結(jié)構(gòu)體的類型

結(jié)構(gòu)體形狀在巖體穩(wěn)定性評價(jià)中關(guān)系很大，形狀不同，其穩(wěn)定程度各不相同。僅考慮結(jié)構(gòu)體的形式，板狀結(jié)構(gòu)體較塊狀、柱狀的穩(wěn)定性差，楔形的比菱形及錐形的差；在地基巖體中，豎立的結(jié)構(gòu)體比平臥的穩(wěn)定性高，而在邊坡巖體中，平臥或豎立的比傾斜的穩(wěn)定性高。

結(jié)構(gòu)體的形態(tài)與巖層產(chǎn)狀有一定關(guān)系，如平緩的層狀巖體中層面與平面“X”形斷裂組合，將巖體切割成三角形柱體和立方體；陡峭巖層中層面與剖面“X”形斷裂組合，將巖體切割成塊體、錐形體和各種柱體。

2） 結(jié)構(gòu)體塊度

結(jié)構(gòu)面密度控制結(jié)構(gòu)體塊度，結(jié)構(gòu)面密度越小，結(jié)構(gòu)體塊度越大。一般在輕微構(gòu)造作用區(qū)節(jié)理密度小，形成的結(jié)構(gòu)體塊度大；在劇烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)地區(qū)，結(jié)構(gòu)面密度大，結(jié)構(gòu)體塊度小。除了構(gòu)造作用外，結(jié)構(gòu)體塊度與巖相特征有關(guān)。深海相的灰?guī)r巖層厚度大，形成的結(jié)構(gòu)體塊度也大。淺海相和海陸交互相的沉積巖層薄，形成的結(jié)構(gòu)體塊度也小。結(jié)構(gòu)體塊度可以用1m3內(nèi)含有的總裂隙數(shù)（體積裂隙數(shù)Jv）表示，亦可用單個(gè)結(jié)構(gòu)體尺寸表示，這對研究巖體結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)很有用。根據(jù)Jv值可將結(jié)構(gòu)體的塊度分為5類，見表6-8。

表6-8　結(jié)構(gòu)體塊度分類

續(xù)表6-8

3） 結(jié)構(gòu)體的產(chǎn)狀

結(jié)構(gòu)體產(chǎn)狀可以用結(jié)構(gòu)體表面上最大結(jié)構(gòu)面的長軸方向表示，它對巖體穩(wěn)定性的影響需結(jié)合臨空面及工程荷載來分析。

不同形式的結(jié)構(gòu)體的組合方式?jīng)Q定著巖體結(jié)構(gòu)類型。常見的巖體結(jié)構(gòu)類型可劃分為整體塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)及散體結(jié)構(gòu)等，詳見圖6-9及表6-9。

不同結(jié)構(gòu)類型巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)差異很大。

1) 整體塊狀結(jié)構(gòu)巖體

結(jié)構(gòu)面稀疏、延展性差、結(jié)構(gòu)體塊度大且常為硬質(zhì)巖石，故整體強(qiáng)度高，變形特征接近于各向同性的均質(zhì)彈性體，變形模量、承載能力與抗滑能力均較高，抗風(fēng)化能力一般也較強(qiáng)，故這類巖體具有良好的工程地質(zhì)性質(zhì)，是較理想的各類工程建筑地基、邊坡巖體及洞室圍巖。

圖6-9　巖體結(jié)構(gòu)類型分析圖解

表6-9　巖體結(jié)構(gòu)的基本類型（谷德振）

2） 層狀結(jié)構(gòu)巖體

結(jié)構(gòu)面以層面與不密集的節(jié)理為主，結(jié)構(gòu)面多閉合～微張狀，一般風(fēng)化微弱，結(jié)合力一般不強(qiáng)，結(jié)構(gòu)體塊度較大且保持著母巖巖塊性質(zhì)，故這類巖體總體變形模量和承載能力均較高，可作為工程建筑地基，但應(yīng)注意結(jié)構(gòu)面結(jié)合力不強(qiáng)的情況。

3） 碎裂結(jié)構(gòu)巖體

節(jié)理、裂隙發(fā)育，常有泥質(zhì)充填物質(zhì)，結(jié)合力不強(qiáng)，其中層狀巖體常有平行層面的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，結(jié)構(gòu)體塊度不大，巖體完整性破壞較大，其中鑲嵌結(jié)構(gòu)巖體因其結(jié)構(gòu)體為硬質(zhì)巖石，尚具較高的變形模量和承載能力，工程地質(zhì)性能尚好；而層狀碎裂結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)巖體則變形模量、承載能力均不高，工程地質(zhì)性質(zhì)較差。

4） 散體結(jié)構(gòu)巖體

節(jié)理、裂隙很發(fā)育，巖體十分破碎，巖石手捏即碎，屬于碎石土類，可按碎石土類研究。

巖體的工程性質(zhì)首先取決于結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)，其次才是組成巖體的巖石性質(zhì)。因此，在工程實(shí)踐中，研究巖體的特征比研究單一巖石的特征更為重要。從工程地質(zhì)觀點(diǎn)出發(fā)，可以把巖體的主要特征概括為以下幾點(diǎn)：

（1） 由于巖體是地質(zhì)體的一部分，因此，巖石、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及巖體中的天然應(yīng)力狀態(tài)對巖體穩(wěn)定有很大的影響。研究巖體時(shí)不僅要研究它的現(xiàn)狀，還要研究它的歷史。

（2） 巖體中的結(jié)構(gòu)面通常是巖體力學(xué)強(qiáng)度相對薄弱的部位，它導(dǎo)致巖體力學(xué)性能的不連續(xù)性、不均一性和各向異性。巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)面常常成為巖體穩(wěn)定性的控制面。

（3） 巖體在工程荷載作用下的變形與破壞，主要受各種結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及其組合形式的控制。巖體結(jié)構(gòu)特征不同，巖體的變形與破壞機(jī)制也不同。

（4） 巖體中存在著復(fù)雜的天然應(yīng)力場。在多數(shù)情況下，巖體中不僅存在自重應(yīng)力，而且還有構(gòu)造應(yīng)力。由于這些應(yīng)力的存在，使巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)復(fù)雜化。

結(jié)構(gòu)面和軟弱夾層的存在影響了巖體的工程性質(zhì)，使巖體顯著的不均勻、各向異性和不連續(xù)，巖體強(qiáng)度明顯低于巖塊強(qiáng)度，導(dǎo)致應(yīng)力集中、應(yīng)力集中軌跡轉(zhuǎn)折、彎曲和應(yīng)力分布的不連續(xù)現(xiàn)象。

巖體變形是巖塊變形和結(jié)構(gòu)面變形疊加的結(jié)果（圖6-10）。在長期靜荷載作用下巖體應(yīng)力（應(yīng)變）隨時(shí)間發(fā)生變化，表現(xiàn)出流變特性。當(dāng)應(yīng)力一定時(shí)，巖體變形隨時(shí)間持續(xù)而增長稱為蠕變，如圖6-11所示。初始蠕變階段巖體變形逐漸減小，平緩變形階段變形速度接近常量，加速變形階段變形速度加快直至巖體破壞。巖體發(fā)生蠕變破壞時(shí)的最低應(yīng)力值成為長期強(qiáng)度。當(dāng)巖體變形一定時(shí)，巖體應(yīng)力隨時(shí)間持續(xù)而減小，稱為松弛。

圖6-10　巖體變形與結(jié)構(gòu)面變形、結(jié)構(gòu)體

圖6-11　巖體蠕變變形關(guān)系

巖體的破壞方式受巖體結(jié)構(gòu)類型控制（圖6-12），塊狀巖體主要發(fā)生脆性破裂和塊體滑移，屬于重剪破壞；碎裂巖體發(fā)生追蹤破裂，屬于復(fù)合剪切破壞；層狀巖體發(fā)生彎折，散體結(jié)構(gòu)巖體破壞以塑性流動(dòng)為主，屬于剪斷破壞。

圖6-12　巖體破壞方式

如圖6-13所示，按剪切破壞類型劃分，堅(jiān)硬完整巖體發(fā)生脆性破壞，峰值破壞前剪切位移小，破壞后應(yīng)力下降顯著；半堅(jiān)硬或軟弱破碎巖體發(fā)生塑性破壞，峰值破壞前剪切位移大，破壞后剪應(yīng)力不變，巖體沿剪切面發(fā)生滑移。圖中點(diǎn)0～1間應(yīng)力應(yīng)變成正比，點(diǎn)2處為巖體屈服極限，點(diǎn)3處為破壞極限，點(diǎn)4處為殘余強(qiáng)度。

圖6-13　巖體破壞類型

巖體的工程分類是以巖體穩(wěn)定性或巖體質(zhì)量評價(jià)為基礎(chǔ)的分類，主要考慮巖體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、巖體后期改造有關(guān)的指標(biāo)(巖體結(jié)構(gòu))和巖體賦存條件方面的指標(biāo)（地下水或地應(yīng)力）等。

1) 單因素指標(biāo)分類

（1） 巖體質(zhì)量指標(biāo)（RQD）分類

用直徑為75mm的金剛石鉆頭和雙層巖芯管在巖層中鉆進(jìn)，連續(xù)取芯（圖6-14），將長度不小于10cm的完整巖芯段長度之和與統(tǒng)計(jì)段鉆孔總進(jìn)尺的比值定義為RQD(Rock Quality Designation)，以去掉百分號的百分比值來表示。《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）（2009版）根據(jù)RQD值將巖體分為好（90～100）、較好（75～95）、較差（50～75）、差（25～50）和極差（0～25）5類。

圖6-14　巖芯樣品

（2） 巖體彈性波速（vp）分類

根據(jù)彈性波在堅(jiān)硬完整巖體中傳播速度快、在軟弱破碎巖體中傳播速度慢的特點(diǎn)對工程巖體進(jìn)行分類，如表6-10。

表6-10　隧道圍巖分類

（3） 巖體完整性系數(shù)（kv）分類

巖體完整性系數(shù)（kv）定義為巖體縱波波速與同類完整巖塊縱波波速的比值的平方。根據(jù)kv值對巖體進(jìn)行分類，如表6-11。當(dāng)巖體中不止一個(gè)巖性組時(shí)，應(yīng)選擇有代表性的點(diǎn)、段分別評價(jià)。當(dāng)無法實(shí)測巖體完整性系數(shù)時(shí)可用單位體積內(nèi)巖體的節(jié)理數(shù)（Jv）與kv對照取值，已被硅質(zhì)、鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的節(jié)理不應(yīng)統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。

表6-11　巖體完整性系數(shù)分類（據(jù)鐵道部科學(xué)研究院西南分院）

2） 多因素綜合指標(biāo)分類

國內(nèi)外巖體分類方法有數(shù)十種之多，其中應(yīng)用最廣、最具代表性的是巖體結(jié)構(gòu)質(zhì)量分類（RSR）、節(jié)理化巖體地質(zhì)力學(xué)分類(RMR)、巖體質(zhì)量Q值系統(tǒng)分類和巖體質(zhì)量系數(shù)Z分類法，詳見表6-12。

表6-12　多因素綜合分類代表性方法

1） 巖體穩(wěn)定性的影響因素

巖體的穩(wěn)定性主要受到地質(zhì)環(huán)境、巖體特征、地下水作用、初始應(yīng)力狀態(tài)、工程荷載、施工及運(yùn)營管理水平的影響。

地貌條件決定了邊坡形態(tài)，坡度越陡、坡高越大則穩(wěn)定性越差，平面呈凹形的邊坡較呈凸形的邊坡穩(wěn)定。巖性是影響邊坡穩(wěn)定的基本因素，不同的巖層組合有不同的變形破壞形式。例如，堅(jiān)硬完整的塊狀或厚層狀巖組，易形成高達(dá)數(shù)百米的陡立斜坡；而在軟弱地層的巖石中形成的邊坡在坡高一定時(shí)其坡度較緩。泥巖、頁巖等一經(jīng)水浸強(qiáng)度就大大降低。

巖體結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)面性狀及其與坡面的關(guān)系是巖體穩(wěn)定的控制因素。同向緩傾邊坡的穩(wěn)定性較反向坡要差；同向緩傾坡中，結(jié)構(gòu)面的傾角越陡，穩(wěn)定性越好；水平巖層組成的邊坡穩(wěn)定性亦較好。結(jié)構(gòu)面走向與坡面走向之間的關(guān)系，決定了失穩(wěn)邊坡巖體運(yùn)動(dòng)的臨空程度。當(dāng)傾向不利的結(jié)構(gòu)面走向和坡面平行時(shí)，整個(gè)坡面都具有臨空自由滑動(dòng)的條件。巖體受多組結(jié)構(gòu)面切割時(shí)，切割面、臨空面和滑動(dòng)面就多些，整個(gè)邊坡變形破壞的自由度就大些，組成滑動(dòng)塊體的機(jī)會較大。

地質(zhì)構(gòu)造是影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的重要因素，這包括區(qū)域構(gòu)造特點(diǎn)、斜坡地段的褶皺形態(tài)、巖層產(chǎn)狀、斷層與節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及分布規(guī)律、區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等。在區(qū)域構(gòu)造較復(fù)雜、褶皺較強(qiáng)烈、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較活躍區(qū)域，斜坡巖體的穩(wěn)定性較差。斜坡地段的褶皺形態(tài)、巖層產(chǎn)狀、斷層及節(jié)理等本身就是軟弱結(jié)構(gòu)面，經(jīng)常構(gòu)成滑動(dòng)面或滑坡周界，直接控制斜坡巖體變形破壞的形式和規(guī)模。

地下水對巖體穩(wěn)定性的影響是十分顯著的，大多數(shù)巖體的變形和破壞與地下水活動(dòng)有關(guān)。一般情況下，地下水位線以下的透水巖層受到浮力的作用，而不透水巖層的坡面受到靜水壓力的作用；充水的張開裂隙承受裂隙水靜水壓力的作用；地下水的運(yùn)動(dòng)，對巖坡產(chǎn)生動(dòng)水壓力。另外，地下水對巖體還具有軟化、凍脹、溶解作用，地表水對斜坡坡面具有沖刷作用等等。

地震作用、爆破震動(dòng)、氣候條件、巖石的風(fēng)化程度、工程荷載作用以及施工程序和方法等都會起到重要作用。

2） 巖體穩(wěn)定性分析方法

巖體穩(wěn)定性分析方法可分為定性分析、定量分析和實(shí)驗(yàn)分析等，其中定性分析主要是工程地質(zhì)類比法和工程地質(zhì)分析法，定量分析主要是極限平衡法、力學(xué)解析法和數(shù)值計(jì)算法。

（1） 工程地質(zhì)類比法

工程地質(zhì)類比法是生產(chǎn)實(shí)踐中最常用、最實(shí)用的巖體穩(wěn)定性分析方法。它主要是應(yīng)用自然歷史分析法認(rèn)識和了解已有邊坡巖體的工程地質(zhì)條件，并與將要設(shè)計(jì)的邊坡巖體工程地質(zhì)條件相對比；把已有邊坡的研究或設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，用到條件相似的新邊坡的研究或設(shè)計(jì)中去。一般情況下，在工程地質(zhì)比擬所要考慮的因素中，巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖體結(jié)構(gòu)、水的作用和風(fēng)化作用是主要的，其他如坡面方位、氣候條件等是次要的。

（2） 工程地質(zhì)分析法

地質(zhì)分析主要是通過巖體結(jié)構(gòu)分析，對巖體抗滑穩(wěn)定性的定性分析。巖體的破壞，往往是一部分不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體沿著某些結(jié)構(gòu)面拉開，并沿著另一些結(jié)構(gòu)面向著一定的臨空面滑移的結(jié)果。這就揭示了巖體穩(wěn)定性破壞所必須具備的邊界條件（切割面、滑動(dòng)面和臨空面）。所以，通過對巖體結(jié)構(gòu)要素（結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體）的分析，明確巖體滑移的邊界條件是否具備，就可以對巖體的穩(wěn)定性作出判斷。其分析步驟：①對巖體結(jié)構(gòu)面的類型、產(chǎn)狀及其特征進(jìn)行調(diào)整、統(tǒng)計(jì)、研究；②對各種結(jié)構(gòu)面及其空間組合關(guān)系、結(jié)構(gòu)體的立體形式采用赤平極射投影并結(jié)合實(shí)體比例投影來進(jìn)行分析；③對巖體的穩(wěn)定性作出評價(jià)。

（3） 極限平衡法

極限平衡理論一般都遵循一些基本假設(shè)：將滑體作為均質(zhì)剛性體，不考慮其本身變形；遵循庫侖—摩爾定律準(zhǔn)則；認(rèn)為下滑力等于抗滑力時(shí)邊坡處于極限（臨界）穩(wěn)定狀態(tài)。巖體穩(wěn)定性分析步驟如下：

① 根據(jù)邊坡的地質(zhì)條件，分析邊坡破壞的類型與特點(diǎn)，確定可能失穩(wěn)的邊界條件（切割面、滑動(dòng)面、臨空面），以圈定失穩(wěn)體（滑體）的形態(tài)、規(guī)模和范圍。

② 進(jìn)行失穩(wěn)體的受力分析。除自重外，應(yīng)根據(jù)失穩(wěn)體的具體工程地質(zhì)條件和工程荷載特點(diǎn)，確定失穩(wěn)體各部分受力狀態(tài)和大小。

③ 根據(jù)可能構(gòu)成滑移的結(jié)構(gòu)面特性、邊坡工程地質(zhì)條件及有關(guān)的試驗(yàn)資料，選擇結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角（φ）和內(nèi)聚力（c）、巖體的重度（γ）、地下水位標(biāo)高及失穩(wěn)體幾何形態(tài)等參數(shù)。

④ 穩(wěn)定性判別，一般常用剩余下滑力（亦稱推力）或安全系數(shù)兩種指標(biāo)。剩余下滑力是指沿滑移面的下滑力與抗滑力的代數(shù)和。當(dāng)剩余下滑力為正值時(shí)，說明巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)；沿最危險(xiǎn)滑動(dòng)面上的總抗滑力與該面上的實(shí)際下滑力的比值，稱為安全系數(shù)（K）。若計(jì)算得到的K等于1時(shí)，巖體處于極限狀態(tài)；K大于1，則巖體穩(wěn)定。

（4） 其他方法

塊體力學(xué)分析是假定巖體的滑移體都是剛性體的前提條件下，用剛體極限平衡法計(jì)算巖體抗滑穩(wěn)定系數(shù)的一種方法。該法簡單實(shí)用，便于工程上應(yīng)用。但它不能完全反映巖體滑移的機(jī)制、巖體內(nèi)和滑移面上應(yīng)力和變形的真正分布情況，因而所得的穩(wěn)定性指標(biāo)不可能完全反映實(shí)際情況。

數(shù)值計(jì)算法是將巖體地質(zhì)模型概化為數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力和巖體中不同部位的應(yīng)力狀態(tài)和變形情況。由于地質(zhì)體是一種復(fù)雜的介質(zhì)，參數(shù)和邊界條件確定等問題都有待進(jìn)一步研究。

模型試驗(yàn)法可以直接觀察滑移面的破壞過程，并對其他計(jì)算方法提供參考。它的基本要求是模型與原型的線性尺寸成比例，材料、荷載條件和邊界條件都相似。如何準(zhǔn)確地反映和模擬巖體復(fù)雜的地質(zhì)條件及其力學(xué)特征，提高模型精度和確定應(yīng)用范圍，有待進(jìn)一步研究。

思考題

1. 巖石和巖體有何區(qū)別與聯(lián)系？

2. 巖塊的物理力學(xué)水理指標(biāo)有哪些？其含義是什么？

3. 什么是巖體結(jié)構(gòu)？有哪些類型？

4. 何謂結(jié)構(gòu)面？有哪些成因類型？

5. 結(jié)構(gòu)面的特征指標(biāo)有哪些？

6. 說明結(jié)構(gòu)面對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響。

7. 巖體強(qiáng)度有什么特點(diǎn)？

8. 巖體蠕變可分為哪幾個(gè)階段？各有何特征？

9. 巖體穩(wěn)定性受哪些因素影響？

10. 何謂工程巖體？工程巖體有哪些分類方法？

11. 解釋RQD的含義。