岩体物理力学性质分析

2.2　岩体物理力学性质分析

2.2.1　概述

岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体。岩石有其自身的矿物成分、结构与构造。所谓矿物，是指存在与地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物，其中构成岩石的矿物称其为造岩矿物。所谓岩石的结构，是指组成岩石最主要的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。例如，沉积岩内存在有碎屑节后、泥质结构和生物结构的等结构特征。所谓岩石的构造，是指组成成分的空间分布及其相互间的排列关系。例如作为代表性结构的有，沉积岩的层理构造和变质岩中的片理构造等。岩石中的矿物成分和性质、结构、构造等的存在和变化，都会对岩石的物理力学性质发生影响。

按岩石的成因可将其分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。

岩浆岩是岩浆冷凝而形成的岩石。绝大多数的岩浆岩是由结晶矿物所组成，由非结晶矿物组成的岩石是很少的。由于组成岩浆岩的各种矿物的化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的联结是牢固的，因此，岩浆岩通常具有较高的力学强度和均质性。

沉积岩是由母岩在地表经风化而剥蚀而产生的物质，通过搬运、沉积和固结成岩作用而形成的岩石，组成沉积岩的主要物质成分为颗粒和胶结物。颗粒包括各种不同形状及大小的岩屑及某些矿物。胶结物常见的成分为钙质、硅质、铁质以及泥质等。沉积岩的物理力学特性不仅与矿物和岩屑的成分有关，而且与胶结物的性质有很大的关系，例如硅质、钙质胶结的沉积岩胶结强度较大，而泥质胶结的沉积岩和一些粘土强度就较小。另外，由于沉积环境的影响，沉积岩具有层理构造，这就使得沉积岩沿不同方向表现出不同的力学性能。

变质岩是由沉积岩、沉积岩和一些变质岩在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石。它在矿物成分；结构构造上具有变质过程中所产生的特征，也常常残留有原岩的某些特点。因此，它的物理力学性能不仅与原岩的性质有关，而且与变质作用的性质及变质程度有关。

岩石的物理力学性能的指标是在试验室里用一定规格的试件进行试验而测定的。这种岩石试件是用在钻孔中获取的岩芯、在工程中用轻微爆破及精力方法等获得的岩块加工制成的。用这种方法所采集的标本仅仅是在自然地质体中间的岩石小块，称为岩块。会造成与现场条件的岩体性质之间出现差别。由于现场测定困难多，岩块试件就成了相应岩石的代表。因为岩块是不包含有显著弱面的岩石块体，所以通常都把它作为连续介质及均质体来看待。

在地壳的自然地质体中，除了岩石块作为主要组成部分外，还包含有各种节理、裂隙、空隙、空洞等。通常情况下，岩体一般被定义为一定工程范围内的自然地质体。岩体内存在各种各样的节理裂隙称之为结构面。所谓结构面，是指具有极低的或没有抗拉强度的不连续面，包括一切地质分离面。结构面的存在使得岩体整体强度大大地降低，导致稳定性的降低，有的甚至沿着结构面发生破坏。因此，结构面的力学特性对岩体的稳定性起着决定性作用。

岩体结构是指结构面的发育程度及其组合关系；或者是指结构体的规模、形态及其排列形式所表现的空间形态。岩体结构的两大要素是结构体和结构面。岩体结构通常采用定型的方法描述岩体的基本形态。

中科院地质研究所在20世纪60年代提出了岩体结构分类，该分类将岩体结构分成六大类：块状结构(节理少，层厚)；镶嵌结构(结构面较多，有斜交结构面)；碎裂结构(碎块状)；层状结构(板状)；层状碎裂结构(小碎块体)；散体结构(颗粒状，碎屑状)。

2.2.2　岩体的基本力学性质

岩体是被各种结构面分割成的岩块组合成的既连续又不连续的裂隙体，由于岩体中结构面与结构体的存在，使岩体与完整岩石的力学特性之间有很大的差异，也不完全与结构面的力学性质相同，有着自己固有的特点。岩体的强度比试验室测得的岩块强度低得多。下面重点进行结构面的分析。

1)结构面的定量描述

结构面是具有极低或没有抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。要全面、正确地理解结构面，通常从以下8个参数加以描述。

(1)产状

产状是指结构面在空间的分布状态。通常情况下由三个方面来描述产状，即走向、倾向、倾角，即产状三要素。由于走向可根据倾向来加以推算，一般只用倾向、倾角来表示。

产状与开挖面的空间关系控制着岩体的稳定性，最简单的实例就是顺坡向的结构面在几何学上是不利的，而逆坡向却是有利的。

(2)间距

同一组两两结构面间的垂直距离称之为结构面的间距。通常采用同组结构面的平均间距。间距的大小将直接反映该组结构面的发育程度，同时反映出岩体的完整程度。

(3)延展性(持续性)

在一个岩体的露头上，结构面迹线的长度将直接反映出该组结构面的规模大小。此外，用结构面迹线的长度乘以倾向方向上的延展性，所得乘积便为结构面的面积，以此来评价结构面切割岩体的程度。

(4)结构面的参透性

在单个结构面或者整个岩体中所见到水流和水量的状态。水对岩体的影响是重大的，一般情况下会用水的流速与流量来表示可能对岩体的影响程度。

(5)粗糙度和起伏度

结构面平均表面的不平整度，通常由结构面的粗糙度和起伏度表示。此为结构面抗剪强度的一个几何参数。起伏度是相对较大一级的表面不平整状态，若起伏度较大，有可能会影响到结构面的局部产状。而对结构面的强度能够产生较大影响的，主要取决于粗糙度程度。结构面越粗糙其抗剪强度也会越高。

(6)结构面的组数和岩块的尺寸

岩体中结构面的组数反映了结构面的发育程度，而结构面组数的多少，又能够反映出岩体被结构面切割所形成的岩块的大小。同样，这也是两个相辅相成的参数，岩体的完整性如何，主要由这两个参数来描述。

(7)结构面面壁强度

结构面由两个表面组成。该表面由于在岩体中受到长期的地质作用，会发生不同程度的风化，从而影响表面的力学特性。在结构面的面壁风化程度与母岩很接近时，结构面的强度与母岩一致；在风化程度与母岩相差较大时，显然此结构面的强度将要小得多。在后一种情况下，即使结构面开度较小且无充填物，也会表现出相对较低的抗剪强度。

(8)结构面的开度与充填物

结构面的开度是指结构面两个面壁之间的垂直距离。一般张性的结构面通常具有较大的开度，而较大的开度又往往使得结构面成为地下水的通道，在长年累月的水流作用下，水流中的一部分物质会在长年累月的水流作用下残留于结构面中；结构面的面壁被风化也有一部分遗留在裂缝中；另外，后期的地质作用会将一些矿物重新胶结在一起，使原来张开的裂缝重新闭合。这些处在结构面缝隙中的物质被称作充填物。

这两个参数是相互依存的，张开度较大的结构面一般也有较厚的充填物。在具有较厚的充填物的情况下，充填物的性质决定结构面强度。

2)结构面的分类

(1)结构面的绝对分类和相对分类

绝对分类：建立在结构面的延展长度基础上。一般将结构面分为细小的结构面(延长小于1m)、中等的结构面(延长为1～10m)、巨大的结构面(延长大于10m)。没有与工程结构相结合是绝对分类的缺点。

相对分类：以地质不连续面尺寸为基础，并结合工程结构类型以及尺寸对结构面进行分类。根据工程结构类型和其规模的大小的不同，结构面的相对分类将结构面分为细小的、中等的及大型的等不同类型。

(2)按结构面成因分类

从工程地质学的角度而言，结构面的分类主要是按其成因类型加以划分。

原生节理：成岩过程中所形成的结构面，岩层的层面、柱状节理面等；

构造节理：构造运动作用下所形成的结构面，断层、岩体中的共轭剪节理等；

次生节理：成岩后期由风化作用而形成的结构面，风化节理等。

(3)按地质力学观点进行的结构面分类

岩体的地质破坏按地质力学观点可以分为三大种：第一种为破坏面，它是大面积的破坏，其特征表现为大和粗的节理。一般认为该破坏是由缓慢的地质作用所造成。第二种为破坏带，它是小面积、密集的破坏，其表现特征为细节理、局部节理以及风化节理等。该破坏一般由快速的地质作用所致。第三种为破坏面与破坏带的过渡类型，它同时具备破坏面与破坏带的力学特点，并表现为介于这二者之间的破坏特种。

3)岩体破碎程度的分类

岩体破碎程度的分类，是描述结构面对岩体完整性的一种评价。缪勒根据地质力学的原理，建立了一套岩体的破碎程度的评价方法，该方法是一个定性与定量相结合的评价岩体破碎程度的方法。

岩体破碎程度的分类组成部分包括裂隙度和切割度两部分。

(1)裂隙度K

裂隙度K是指沿着某个取样方向，单位长度上节理的数量。设有一取样直线，其长度为l，在沿l长度内出现节理的数量为n，则该岩体的裂隙度K为

(2)切割度X

切割度是评价节理分隔岩体程度的一个参数。将整个岩体完全切割的节理，属于贯通性节理；节理在岩体中出现断续形态，具有非贯通性，且伸延不长，只能切割部分岩体，没有将整个岩体分离。

切割度是指单位面积岩体中结构面的面积所占的比例。切割度X一般以百分数表示。

(3)岩体破碎程度分类

根据岩体的裂隙度K和切割度X的关系，可将岩体的破碎程度划分为若干等级。由于裂隙度K与切割度X可以得出不同组合，继而得出岩体的不同破碎程度。因此，岩体可分为五种不同破碎程度：似均质性、弱节理化、节理化、强节理化及完全节理化。