在漫长的地质历史时期内岩石经受了构造变动、风化作用和卸荷作用等各种内外力地质作用的破坏和改造，被各种地质界面（如层面、层理、节理、断层、软弱夹层）等切割，形成不连续的非均匀各向异性地质体，在工程建设中称为岩体。因此，岩体是指场地中经过变形和破坏后的岩石组合，是一种或多种岩石中的各种地质界面（结构面）和大小不同、形状不一的岩块（结构体）的总体。岩体与岩石是两个不同的概念，不能以小型完整的单块岩石来代表岩体，岩体中结构面的发育程度、性质、充填情况以及连通程度等对岩体的工程地质特性有很大的影响。
作为工业与民用建筑地基、道路与桥梁地基、地下洞室围岩、水工建筑地基的岩体，作为道路工程边坡、港口岸坡、桥梁岸坡、库岸边坡的岩体等都属于工程岩体。工程实践中遇到的岩体工程地质问题实质上就是岩（土）体的稳定问题。关于土体稳定问题，将在《土力学》课程中研究。
岩体稳定是指在一定的时间内，在一定的自然条件和人为因素的影响下，岩体不产生破坏性的剪切滑动、塑性变形或张裂破坏。岩体的稳定性，岩体的变形与破坏，主要取决于岩体内各种结构面的性质及其对岩体的切割程度。工程实践表明，边坡岩体的破坏，地基岩体的滑移，以及隧道岩体的塌落，大多数是沿着岩体中的软弱结构面发生的。岩体结构在岩体的变形与破坏中起到了主导作用。
岩体稳定分析有多种方法，但岩体结构分析是基础。通过对岩体结构的分析，可以为其他方法的分析提供边界条件。要从岩体结构的观点分析岩体的稳定性，首先要研究岩体的结构特征。
岩块的工程地质性质包括物理性质、水理性质和力学性质。影响岩块工程地质性质的因素，主要是组成岩块的矿物成分，岩块的结构、构造和岩块的风化程度。
岩块的物理性质是岩块的基本工程性质，主要是指岩块的重力性质和孔隙性。
1） 岩块的重力性质
（1） 岩块的相对密度（D）
岩块的相对密度是岩块固体部分(不含孔隙)的重力与同体积水在4℃时重力的比值，即
D=
（6-1）
式中：Ws——岩块固体颗粒重量（N)；
Vs——岩块固体颗粒体积（cm3)；
γw——4℃时水的密度(N/cm3)。
岩块相对密度的大小，取决于组成岩块的矿物相对密度及其在岩块中的相对含量。组成岩块的矿物相对密度大、含量多，则岩块的相对密度就大。一般岩块的相对密度在2.65左右，相对密度大的可达3.3。
（2） 岩块的重度(γ)
岩块的重度是指岩块单位体积的重力。在数值上，它等于岩块试件的总重力(含孔隙中水的重力)与其总体积(含孔隙体积)之比，即
γ=
（6-2）
式中：W——岩块样本总重量(N)；
V——岩块样本总体积(cm3)。
岩块之重度大小，取决于岩块中的矿物相对密度、岩块的孔隙性及其含水情况。岩块孔隙中完全没有水存在时的重度，称为干重度。岩块中的孔隙全部被水充满时的重度，称为岩块的饱和重度。组成岩块的矿物相对密度大，或岩块中的孔隙性小，则岩块的重度大。对于同一种岩块，若重度有差异，则重度大的结构致密、孔隙性小，强度和稳定性相对较高。
（3） 岩块的密度(ρ)
岩块单位体积的质量称为岩块的密度。
岩块孔隙中完全没有水存在时的密度，称为干密度。岩块中孔隙全部被水充满时的密度，称为岩块的饱和密度。常见岩块的密度为2.3～2.8g／cm3。
2） 岩块的孔隙性
岩块中的空隙包括孔隙和裂隙。岩块的空隙性是岩块的孔隙性和裂隙性的总称，可用空隙率、孔隙率、裂隙率来表示其发育程度。但人们已习惯用孔隙性来代替空隙性。即用岩块的孔隙性反映岩块中孔隙、裂隙的发育程度。
岩块的孔隙率(或称孔隙度)是指岩块中孔隙(含裂隙)的体积与岩块总体积之比值，常以百分数表示，即
n=
×100％
（6-3）
式中：n——岩块的孔隙率（％）；
Vn——岩块中空隙的体积（cm3）；
V——岩块的总体积（cm3）。
岩块孔隙率的大小主要取决于岩块的结构构造，同时也受风化作用、岩浆作用、构造运动及变质作用的影响。由于岩块中孔隙、裂隙发育程度变化很大，因此其孔隙率的变化也很大。例如，三叠纪砂岩的孔隙率为0.6％～27.7％。碎屑沉积岩的时代愈新，其胶结愈差，则孔隙率愈高。结晶岩类的孔隙率较低，很少高于3％。
常见岩块的物理性质指标见表6-1。
表6-1 常见岩块的物理性质
岩块的水理性质，是指岩块与水作用时所表现的性质，主要有岩块的吸水性、透水性、溶解性、软化性、抗冻性等。
1） 岩块的吸水性
岩块吸收水分的性能称为岩块的吸水性，常以吸水率、饱水率两个指标来表示。
（1） 岩块的吸水率(ω1)
岩块的吸水率是指在常压下岩块的吸水能力。以岩块所吸水分的重力与干燥岩块重力之比的百分数表示，即
ω1=
×100％
(6-4)
式中：ω1——岩块的吸水率（％）；
Wω1——岩块常压下所吸水分的重力（kN）；
Ws——干燥岩块的重力（kN）。
岩块的吸水率与岩块的孔隙数量、大小、开闭程度和空间分布等因素有关。岩块的吸水率愈大，则水对岩块的侵蚀、软化作用就愈强，岩块强度和稳定性受水作用的影响也就愈显著。
（2） 岩块的饱水率(ω2)
岩块的饱水率是指在高压(15MPa)或真空条件下岩块的吸水能力。仍以岩块所吸水分的重力与干燥岩块重力之比的百分数表示，即
ω2=
×100％
(6-5)
式中：ω2——岩块的饱水率（％）；
Wω2——岩块在高压(15MPa)或真空条件下所吸水分的重力（kN）；
Ws——干燥岩块的重力（kN）。
岩块的吸水率与饱水率的比值，称为岩块的饱水因数（ks），其大小与岩块的抗冻性有关，一般认为饱水因数小于0.8的岩块是抗冻的。
2） 岩块的透水性
岩块的透水性，是指岩块允许水通过的能力。岩块的透水性大小，主要取决于岩块中孔隙、裂隙的大小和连通情况。岩块的透水性用渗透系数(K)来表示。
3） 岩块的溶解性
岩块的溶解性，是指岩块溶解于水的性质，常用溶解度或溶解速度来表示。常见的可溶性岩块有石灰岩、白云岩、石膏、岩盐等。岩块的溶解性，主要取决于岩块的化学成分，但和水的性质有密切关系，如富含CO2的水具有较大的溶解能力。
4） 岩块的软化性
岩块的软化性，是指岩块在水的作用下，强度和稳定性降低的性质。岩块的软化性主要取决于岩块的矿物成分和结构构造特征。岩块中黏土矿物含量高、孔隙率大、吸水率高，则易与水作用而软化，使其强度和稳定性大大降低甚至丧失。
岩块的软化性常以软化因数（Kd）来表示。软化因数等于岩块在饱水状态下的极限抗压强度与岩石风干状态下极限抗压强度的比值，用小数表示。其值愈小，表示岩块在水的作用下的强度和稳定性愈差。未受风化影响的岩浆岩和某些变质岩、沉积岩，软化因数接近于1，是弱软化或不软化的岩块，其抗水、抗风化和抗冻性强；软化因数小于0.75的岩块，认为是强软化的岩块，工程性质较差，如黏土岩类。
5） 岩块的抗冻性
岩块的孔隙、裂隙中有水存在时，水结成冰体积膨胀，则产生较大的压力，使岩块的构造等遭到破坏。岩块抵抗这种冰冻作用的能力，称为岩块的抗冻性。在高寒冰冻地区，抗冻性是评价岩块工程地质性质的一个重要指标。
岩块的抗冻性，与岩块的饱水因数、软化因数有着密切关系。一般是饱水因数愈小，岩块的抗冻性愈强；易于软化的岩块，其抗冻性也低。温度变化剧烈，岩块反复冻融，则降低岩块的抗冻能力。
岩块的抗冻性有不同的表示方法，一般用岩块在抗冻试验前后抗压强度的降低率表示。抗压强度降低率小于20％～25％的岩块，认为是抗冻的；大于25％的岩块，认为是非抗冻的。
常见岩块的水理性质的主要指标见表6-2、表6-3。
表6-2 常见岩块的吸水性
表6-3 常见岩块的渗透系数值
6） 岩块的膨胀性
岩块的膨胀性是指岩石遇水体积发生膨胀的性质，由岩石膨胀性试验按下列公式计算岩块自由膨胀率（VH）、侧向约束膨胀率(VD)、膨胀压力(PS),即
VH=
×100%
(6-6)
VD=
×100%
(6-7)
VHP=
×100%
(6-8)
PS=
(6-9)
式中：ΔH——试件轴向变形值（mm）；
H——试件高度（mm）；
ΔD——试件径向平均变形值（mm）；
D——试件直径或边长（mm）；
ΔH1——有侧向约束试件的轴向变形值（mm）；
F——轴向荷载（N）；
A——试件截面积（m2）。
1） 岩块的变形指标
岩块的变形指标主要有弹性模量、变形模量和泊松比。
（1） 弹性模量
弹性模量是应力与弹性应变的比值，即
E=
（6-10）
式中：E——弹性模量（kPa）；
σ——应力（kPa）；
εe——弹性应变。
（2） 变形模量
变形模量是应力与总应变的比值，即
E0=
（6-11）
式中：E0——变形模量（Pa）；
εp——塑性应变；
σ、εe意义同上。
（3） 泊松比
岩块在轴向压力的作用下，除产生纵向压缩外，还会产生横向膨胀，则由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值称为泊松比，即
μ=
(6-12)
式中：μ——泊松比；
ε1——横向应变；
ε——纵向应变。
泊松比越大，表示岩块受力作用后的横向变形越大。岩块的泊松比一般在0.2～0.4之间。
2） 岩块的强度指标
岩块受力作用破坏有压碎、拉断及剪断等形式，故岩块的强度可分为抗压、抗拉及抗剪强度。岩块的强度单位用Pa表示。
（1） 抗压强度
抗压强度是岩块在单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力，即
σn=
(6-13)
式中：σn——岩块抗压强度（Pa）；
P——岩块破坏时的压力（N）；
A——岩块受压面面积（m2）。
各种岩块抗压强度值差别很大，主要取决于岩块的结构和构造，同时受矿物成分和岩块生成条件的影响。《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）（2009年版）中按单轴饱和抗压强度将岩石分为坚硬岩（＞60MPa）、较坚硬岩(30～60MPa)、较软岩(15～30MPa)、软岩(5～15MPa)、极软岩(＜5MPa）等。
（2） 抗剪强度
抗剪强度是岩块抵抗剪切破坏的能力，以岩块被剪破时的极限应力表示。根据试验形式不同，岩块抗剪强度可分为：
① 抗剪断强度
抗剪断强度是指在垂直压力作用下的岩块剪断强度，即
τb=σtanφ+c
(6-14)
式中:τb——岩块抗剪断强度（Pa）;
σ——破裂面上的法向应力（Pa）;
φ——岩块的内摩擦角（°）;
tanφ——岩块摩擦因数;
c——岩块的内聚力（Pa）。
坚硬岩块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
抗剪强度是沿已有的破裂面发生剪切滑动时的指标，即
τc=σtanφ
(6-15)
显然，抗剪强度大大低于抗剪断强度。
③ 抗切强度
抗切强度是压应力等于零时的抗剪断强度，即
τy=C
(6-16)
（3） 抗拉强度
抗拉强度是岩块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。抗拉强度是岩块力学性质中的一个重要指标。岩块的抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。岩块越坚硬，其值相差越大，软弱的岩块差别较小。岩块的抗剪强度和抗压强度是评价岩块(岩体)稳定性的指标，是对岩块(岩体)的稳定性进行定量分析的依据。由于岩块的抗拉强度很小，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。
常见岩块的力学性质指标及部分强度对比值见表6-4。
表6-4 常见岩块力学性质的经验数据
续表6-4
影响岩块工程地质性质的因素主要有岩石的矿物成分、结构、构造及成因、水的作用及风化作用等。
1） 矿物成分
岩块是由矿物组成的，岩块的矿物成分对岩块的物理力学性质产生直接的影响，例如辉长岩的比重比花岗岩大，这是因为辉长岩的主要矿物成分辉石和角闪石的比重比石英和正长石大；又如石英岩的抗压强度比大理岩要高得多，这是因为石英的强度比方解石高。但也不能简单地认为含有高强度矿物的岩块其强度一定就高。因为岩块受力作用后，内部应力是通过矿物颗粒的直接接触来传递的，如果强度较高的矿物在岩块中互不接触，则应力的传递必然会受中间低强度矿物的影响，岩块不一定就能显示出高的强度。所以，在对岩块的工程地质性质进行分析和评价时，更应该注意那些可能降低岩块强度的因素，如花岗岩中的黑云母含量是否过高，石灰岩、砂岩中黏土类矿物的含量是否过高等。黑云母是硅酸盐类矿物中硬度低、解理最发育的矿物之一，它容易遭受风化而剥落，也易于发生次生变化，最后成为强度较低的铁的氧化物和黏土类矿物。石灰岩和砂岩，当黏土类矿物的含量大于20%时，就会直接降低岩块的强度和稳定性。
2） 结构
岩块的结构特征，是影响岩块物理力学性质的一个重要因素。根据岩块的结构特征，可将岩块分为两类：一类是结晶联结岩块，如大部分的岩浆岩、变质岩和一部分沉积岩；另一类是由胶结物联结的岩块，如沉积岩中的碎屑岩等。
结晶联结是由岩浆或溶液结晶或重结晶形成的。矿物的结晶颗粒靠直接接触产生的力牢固地联结在一起，结合力强，孔隙率小，比胶结联结的岩块具有较高的强度和稳定性。结晶联结的岩块，结晶颗粒的大小对岩块的强度有明显影响。如粗粒花岗岩的抗压强度一般在120～140MPa，而细粒花岗岩有的则可达200～250MPa。又如大理岩的抗压强度一般在100～120MPa，而最坚固的石灰岩则可达250MPa。这说明矿物成分和结构类型相同的岩块，其矿物结晶颗粒的大小对强度的影响是显著的。
胶结联结是矿物碎屑由胶结物联结在一起的。胶结联结的岩块，其强度和稳定性主要取决于胶结物的成分和胶结的形式，同时也受碎屑成分的影响，变化很大。就胶结物的成分来说，硅质胶结的强度和稳定性高，泥质胶结的强度和稳定性低，铁质和钙质胶结的介于两者之间。如泥质胶结的砂岩，其抗压强度一般只有60～80MPa，钙质胶结的可达120MPa，而硅质胶结的则可高达170MPa。
3） 构造
构造对岩块物理力学性质的影响，主要是由矿物成分在岩块中分布的不均匀性和岩块结构的不连续性所决定的。前者是指某些岩块所具有的片状构造、板状构造、千枚状构造、片麻构造以及流纹构造等。岩块的这些构造，往往使矿物成分在岩块中的分布极不均匀。一些强度低、易风化的矿物多沿一定方向富集，或呈条带状分布，或成局部的聚集体，从而使岩块的物理力学性质在局部发生很大变化。观察和实验证明，岩块受力破坏和岩块遭受风化，首先都是从岩块的这些缺陷中开始发生的。后者是指不同的矿物成分虽然在岩块中的分布是均匀的，但由于存在着层理、裂隙和各种成因的孔隙，致使岩块结构的连续性与整体性受到一定程度的影响，从而使岩块的强度和透水性在不同的方向上发生明显的差异。一般来说，垂直层面的抗压强度大于平行层面的抗压强度，平行层面的透水性大于垂直层面的透水性。假如上述两种情况同时存在，则岩块的强度和稳定性将会明显降低。
4） 水
岩块饱水后强度降低，已为大量的实验资料所证实。当岩块受到水的作用时，水就沿着岩块中可见和不可见的孔隙、裂隙侵入，浸湿岩块表面上的矿物颗粒，并继续沿着矿物颗粒间的接触面向深部侵入，削弱矿物颗粒间的联结，使岩块的强度受到影响。如石灰岩和砂岩被水饱和后，其极限抗压强度会降低25%～45%。即使花岗岩、闪长岩及石英岩等类的岩块，被水饱和后，其强度也均有一定程度的降低。降低程度在很大程度上取决于岩块的孔隙度。当其他条件相同时，孔隙度大的岩块，被水饱和后其强度降低的幅度也大。
5） 风化
风化作用促使岩块矿物颗粒间的联结松散和使矿物颗粒沿解理面崩解。风化作用的这种物理过程，能促使岩块的结构、构造和整体性遭到破坏，孔隙率增大，容重减小，吸水性和透水性显著增高，强度和稳定性大为降低。随着风化作用的加强，会引起岩块中的某些矿物发生次生变化，从根本上改变岩块原有的工程地质性质。
结构面是指存在于岩体中的各种不同成因、不同特征的地质界面，包括各种破裂面（如劈理、断层面、节理等）、物质分异面（如层理、层面、不整合面、片理等）、软弱夹层及泥化夹层等。结构体是由结构面切割后形成的岩石块体。结构面和结构体的排列与组合特征便形成了岩体结构(图6-1)。
图6-1 野外岩体形态
岩体结构指岩体中不同成因、形态、规模、性质的结构面和结构体在空间的排列分布和组合状态，它既表达岩体中结构面的发育程度及组合，又反映了结构体的大小、几何形状及排列方式。
这个定义内有3个因素：第一个因素是“岩体结构单元”。结构面和结构体统称为结构单元或结构要素。结构单元在岩体内组合、排列的方式不同，就构成不同类型的岩体结构。第二个因素是“组合”。“组合”是指不同类型的岩体结构单元在岩体内的搭配，如坚硬结构面与块状结构体“组合”构成碎裂结构，软弱结构面与块状结构体“组合”构成块裂结构，而软弱结构面与板状结构体“组合”构成板裂结构。第三个因素是“排列”。岩体结构单元是有序的还是无序的，是贯通的还是断续的，都是排列的表现形式。这3个因素限定了岩体结构的差别。以此为依据，形成多种多样的岩体结构类型。
由于结构面是在建造和改造过程中形成的，其空间性状和界面特征与其成因和演变历史关系密切，因而其基本分类可按地质成因分为原生结构面、构造结构面和次生结构面三大类，其主要特征如表6-5所示。
1） 原生结构面
原生结构面是在成岩过程中形成的，分为沉积结构面、火成结构面和变质结构面3种类型。
（1） 沉积结构面
沉积结构面是指沉积岩层在沉积、成岩过程中形成的结构面，包括层理、层面、假整合面（沉积间断层）、不整合面、原生软弱夹层等。陆相沉积岩层在沉积过程中往往发生沉积间断，在沉积间断期，由于岩层遭受风化剥蚀，其后又为新的沉积物所覆盖，因而在不整合面上下两套岩层之间形成软弱夹层。在火山岩流或喷发间歇期，也会形成古风化夹层。它们一般含泥质物质较多，胶结松散，且多为地下水的通道，易软化或泥化，强度较低。原生软弱夹层，一般有碎屑岩类中的各类页岩夹层，碳酸盐岩体中的泥质灰岩、钙质页岩夹层，陆相碎屑岩及泻湖相岩层中的石膏等可溶盐类夹层以及火山碎屑岩系中的凝灰质页岩夹层等。它们当中多数强度较低、水稳性差。
表6-5 岩体结构面的类型及其特征
（2） 火成结构面
火成结构面是指岩浆侵入活动及冷凝过程中所形成的结构面，包括岩浆岩体与围岩的接触面、冷凝原生节理、流纹面、凝灰岩夹层及侵入挤压破碎结构面等。冷凝原生节理具张性破裂面的特征，一般粗糙不平。岩浆岩体与围岩接触面往往胶结不良，或形成小型破碎带。
（3） 变质结构面
变质结构面是指变质作用过程中矿物定向排列形成的结构面，包括片理、片麻理、片岩软弱夹层等。片理在岩体深部往往闭合成隐蔽结构面，沿片理面一般片状矿物富集，对岩体强度起控制作用，如薄层云母片岩、绿泥石片岩、滑石片岩等。由于片理极为发育，岩性软弱，矿物易受风化，所以也会形成相对的软弱夹层。
2） 构造结构面
构造结构面是指岩体中受构造应力作用所产生的破裂面、错动面或破碎带，包括构造节理、劈理、断层面及层间错动面等。构造结构面的特点是延展性较强，规模较大，分布有一定规律，对岩体稳定影响很大。其工程地质性质与力学成因、规模及次生变化等有密切关系。它们的产状和分布情况主要受当地构造应力场的控制。
3） 次生结构面
次生结构面是指岩体受卸荷、风化、地下水等次生作用所形成的结构面，包括卸荷节理、风化节理、风化夹层、泥化夹层、次生夹泥层等。次生结构面的产状及分布受地形影响较大，对河谷及岸坡岩体稳定的影响较为显著。卸荷节理在块状脆性岩体中较为常见。风化节理一般仅限于表层风化带内，产状无规律，短小密集。而风化夹层则可能延至岩体较深部位，如断层风化、岩脉风化、夹层风化等。地下水可以使原来的软弱夹层形成摩阻力很低的可塑性黏土，并可产生次生夹泥，泥化作用在黏土岩、黏土质页岩、泥质灰岩等隔水的软弱夹层顶部最为发育，其上覆岩层往往坚硬、断裂发育、地下水循环剧烈。次生夹泥是由地下水携带细粒黏土物质沿层面、节理、断层面重新沉积充填而成的，在地下水活动带内、河槽两侧常见。
各类结构面的规模、形态、连通性、充填物的性质、分布规律、发育密度以及它们的空间组合形式等对结构面的物理力学性质有很大影响。
1) 结构面的规模
实践证明，结构面对岩体力学性质及岩体稳定的影响程度，首先取决于结构面的延展性及其规模。中国科学院地质研究所将结构面的规模分为5级（表6-6）。
表6-6 结构面分级及其特征（据孙广忠，1988）
续表6-6
(1） Ⅰ级结构面
区域性的断裂破碎带，延展数十千米以上，破碎带的宽度从数米至数十米。它直接关系到工程所在区域的稳定性。
(2） Ⅱ级结构面
二级结构面一般指延展性较强，贯穿整个工程地区或在一定工程范围内切断整个岩体的结构面，其长度可从数百米至数千米，宽1m至数米。它控制了山体及工程岩体的破坏方式及滑动边界。
(3） Ⅲ级结构面
三级结构面一般在数十米至数百米范围内的小断层、大型节理、风化夹层和卸荷裂隙等。这些结构面控制着岩体的破坏和滑移机理，常常是工程岩体稳定的控制性因素及边界条件。
(4） Ⅳ级结构面
四级结构面延展性差，一般在数米至数十米范围内的节理、片理等，它们仅在小范围内将岩体切割成块状。这些结构面的不同组合，可以将岩体切割成各种形状和大小的结构体，它是岩体结构研究的重点问题之一。
(5） Ⅴ级结构面
五级结构面是延展性极差的一些微小裂隙，它主要影响岩块的力学性质。岩块的破坏由于微裂隙的存在而具有随机性。
2) 结构面形态
图6-2 结构面起伏度
结构面的几何形状非常复杂，大体上可分为4种类型：①平直形，包括大多数层理、层面、片理和剪切破裂面等；②波状起伏形，如波痕的层面、轻度揉曲的片理、呈舒缓波状的压性及压扭性结构面等；③锯齿状形，如多数张性和张扭性结构面；④不规则形，其结构面曲折不平，如沉积间断面、交错层理及沿原有裂隙发育的次生结构面等。结构面的形态对结构面抗剪强度有很大的影响，一般平直光滑的结构面抗剪强度较低，粗糙起伏的结构面则有较高的抗剪强度。
结构面的形态特征一般用起伏差(h)及起伏角(i)表示(图6-2)。起伏差的力学效应常与充填度相联系。起伏角i是指迎着受力方向结构面的仰角，又称为爬坡角。结构面具有爬坡角为i的起伏时，其抗剪强度中的摩擦角φi将增加i，即
φi=φj+I
（6-17）
式中:φj——平直结构面的基本摩擦角。
3) 结构面物质构成
有些结构面上物质软弱松散，含泥质物及水理性质不良的黏土矿物，抗剪强度很低，对岩体稳定性的影响较大。如黏土岩或页岩夹层，假整合面（包括古风化夹层）及不整合面，断层夹泥、层间破碎夹层、风化夹层、泥化夹层及次生夹泥层等。对于这些结构面，除进行一般物理力学性质的试验研究外，还应对其矿物成分及微观结构进行分析，预测结构面可能发生的变化（如泥化作用是否会发展等），比较可靠地确定抗剪强度参数。
4) 结构面的延展性
结构面的延展性也称连续性。有些结构面延展性较强，在一定工程范围内切割整个岩体，对稳定性影响较大。但也有一些结构面比较短小或不连续，岩体强度一部分仍为岩石（岩块）强度所控制，稳定性较好。因此，在研究结构面时，应注意调查研究其延展长度及规模。结构面的延展性可用线连续性系数及面连续性系数表示。
5) 结构面的密集程度
结构面的密集程度反映了岩体的完整性，它决定岩体变形和破坏的力学机制。有时在岩体中，虽然结构面的规模和延展长度均较小，但却平行密集，或是互相交织切割，使岩体稳定性大为降低，且不易处理。试验表明，岩体内结构面愈密集，岩体变形愈大，强度愈低，而渗透性愈高。通常用结构面间距和线密度（k=1/M1+1/M2或k=n/L，单位为条/m）来表示结构面的密集程度（图6-3）。
图6-3 结构面线密度的确定
6) 结构面的连通性
结构面的连通性是指一定范围的岩体中各结构面的连通程度，如图6-4。结构面的抗剪强度与其连通性有关，连通的结构面其抗剪强度低；非连通的短小结构面，抗剪强度大，岩体强度仍受岩块强度控制。
7) 结构面的张开度和填充胶结特征
结构面的张开度是指结构面的两壁离开的距离，分为密闭（＜0.2mm）、微张（0.2～1mm）、张开（1～5mm）和宽张（＞5mm）4级。有些张性断裂面为次生充填和地下水活动提供了条件，不仅显著降低其抗剪强度，而且会产生静、动水压力，大量涌水和增加山岩压力，对斜坡岩体稳定性和隧道围岩稳定性影响很大。
图6-4 岩体内结构面连通性
充填物质及其胶结情况对岩体稳定性的影响也很显著。结构面经胶结后力学性质有所改善，改善的程度因胶结物成分不同而异，以硅质胶结的强度最高，往往与岩块强度差别不大，甚至超过岩块强度；钙质、铁质次之；泥质及易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。
未胶结且具有一定张开度的结构面往往被外来物质所充填，其力学性质取决于充填物成分、厚度、含水性及壁岩性质等。充填物成分以砂质、角砾质的性质最好，黏土质、易溶盐类性质最差。按充填物厚度和连续性可分为薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填几类，不同的充填类型，结构面的变形与强度性质不同。
8） 软弱夹层
软弱夹层是具有一定厚度的特殊的岩体软弱结构面。它与周围岩体相比，具有显著的低强度和显著的高压缩性，或具有一些特有的软弱特性。它是岩体中最薄弱的部位，常构成工程中的隐患，应予以特别注意。从成因上，软弱夹层可划分为原生的、构造的和次生的软弱夹层。
原生软弱夹层是与周围岩体同期形成，但性质是软弱的夹层。构造软弱夹层主要是沿原有的软弱面或软弱夹层经构造错动而形成的，也有的是沿断裂面错动或多次错动而成，如断裂破碎带等。次生软弱夹层是沿薄层状岩石、岩体间接触面、原有软弱面或软弱夹层，由次生作用（主要是风化作用和地下水作用）参与形成的。各种软弱夹层的成因类型及其基本特征如表6-7所示。
软弱夹层危害很大，常是工程的关键部位。研究软弱夹层最为重要的是那些粘粒和黏土矿物含量较高，或浸水后黏性土特性表现较强的岩层、裂隙充填、泥化夹层等。这些泥质的软弱夹层分为松软的，如次生充填的夹泥层、泥化夹层、风化夹层；固结的，如页岩、黏土岩、泥灰岩；浅变质的，如泥质板岩、千枚岩等。岩石的状态不同，其软弱的程度也不同，这主要取决于它们与水作用的程度，这是黏性土最突出的特征。
地下水对于泥质软弱夹层的作用主要表现在泥化和软化两个方面。软化是指泥岩夹层在水的作用下失去干黏土坚硬的状态而成为软黏土状态。泥化是软化的继续，使软弱夹层的含水量增大到大于塑限的程度，表现为塑态，原生结构发生改变，强度很低，c、φ值很小，摩擦系数f值一般在0.3以下。
表6-7 软弱夹层类型及其特征（李宗惕）
软弱夹层的泥化是有条件的，泥化成因是：黏土质岩石是物质基础，构造作用使其破坏形成透水通道，水的活动使其泥化，三者必不可少。
泥化夹层的力学强度比原岩大为降低，特别是抗剪强度降低很多，压缩性增大。压缩系数约为0.5～1.0MPa-1,属高压缩性。根据研究，泥化夹层的抗剪指标可按下述情况参考确定：受层间错动有连续光滑面，以蒙脱石为主时，c=50kPa，f=0.17；以伊利石为主时，c=50kPa，f=0.20，具微层理，粘粒含量最高，f=0.17；其他局部泥化的f=0.25。
9） 结构面的力学性质
（1） 结构面的变形特性
结构面的变形分为法向变形和切向变形，根据弹性力学观点，结构面在压应力作用下发生弹性压缩变形（图6-5），造成接触面齿顶接触并被压碎乃至闭合；结构面在剪应力作用下发生剪切变形（图6-6）和剪胀（扩容）现象（图6-7）。
图6-5 结构面弹性压缩变形曲线
图6-6 结构面剪切变形曲线
图6-7 结构面剪胀（扩容）曲线
（2） 结构面的强度特征
结构面的抗拉强度很低，没有充填物的结构面可认为没有抗拉强度，主要表现为抗剪强度。结构面的抗剪强度取决于结构面的表面形态和附着物。张性结构面抗剪强度较高，扭性结构面抗剪强度低；表面粗糙强度高，表面光滑或呈镜面强度低。闭合结构面的力学性质取决于结构面两侧的岩块性质和结构面的粗糙程度，微张的结构面两壁岩块多有点接触，抗剪强度比张开的结构面大。张开和宽张的结构面抗剪强度则取决于充填物的成分和厚度。泥质充填物厚度变化对抗剪强度影响极大，厚度薄强度较高，厚度增加强度迅速降低，厚度达到一定值后充填物强度则起控制作用，强度趋于稳定。
结构体特征可以用结构体形状、块度及产状描述。结构体与结构面是相互依存的，表现在三方面：①结构体形状与结构面组数密切相关，岩体内结构面组数越多，结构体形状越复杂；②结构体块度或尺寸与结构面间距密切相关，结构面间距越大，结构体块度或尺寸越大；③结构体级序与结构面级序亦具有相互依存关系。
1） 结构体的类型
岩体受结构面切割而产生的单元块体的几何形状，称为结构体的类型。常见的结构体类型有柱状、块状、板状、楔形、菱形、锥形6种形态（图6-8）。当岩体强烈变形破碎时，还可形成片状、鳞片状、碎块状及碎屑状等形态的结构体。
图6-8 结构体的类型
结构体形状在岩体稳定性评价中关系很大，形状不同，其稳定程度各不相同。仅考虑结构体的形式，板状结构体较块状、柱状的稳定性差，楔形的比菱形及锥形的差；在地基岩体中，竖立的结构体比平卧的稳定性高，而在边坡岩体中，平卧或竖立的比倾斜的稳定性高。
结构体的形态与岩层产状有一定关系，如平缓的层状岩体中层面与平面“X”形断裂组合，将岩体切割成三角形柱体和立方体；陡峭岩层中层面与剖面“X”形断裂组合，将岩体切割成块体、锥形体和各种柱体。
2） 结构体块度
结构面密度控制结构体块度，结构面密度越小，结构体块度越大。一般在轻微构造作用区节理密度小，形成的结构体块度大；在剧烈构造运动地区，结构面密度大，结构体块度小。除了构造作用外，结构体块度与岩相特征有关。深海相的灰岩岩层厚度大，形成的结构体块度也大。浅海相和海陆交互相的沉积岩层薄，形成的结构体块度也小。结构体块度可以用1m3内含有的总裂隙数（体积裂隙数Jv）表示，亦可用单个结构体尺寸表示，这对研究岩体结构的力学效应很有用。根据Jv值可将结构体的块度分为5类，见表6-8。
表6-8 结构体块度分类
续表6-8
3） 结构体的产状
结构体产状可以用结构体表面上最大结构面的长轴方向表示，它对岩体稳定性的影响需结合临空面及工程荷载来分析。
不同形式的结构体的组合方式决定着岩体结构类型。常见的岩体结构类型可划分为整体块状结构、层状结构、碎裂结构及散体结构等，详见图6-9及表6-9。
不同结构类型岩体的工程地质性质差异很大。
1) 整体块状结构岩体
结构面稀疏、延展性差、结构体块度大且常为硬质岩石，故整体强度高，变形特征接近于各向同性的均质弹性体，变形模量、承载能力与抗滑能力均较高，抗风化能力一般也较强，故这类岩体具有良好的工程地质性质，是较理想的各类工程建筑地基、边坡岩体及洞室围岩。
图6-9 岩体结构类型分析图解
表6-9 岩体结构的基本类型（谷德振）
2） 层状结构岩体
结构面以层面与不密集的节理为主，结构面多闭合～微张状，一般风化微弱，结合力一般不强，结构体块度较大且保持着母岩岩块性质，故这类岩体总体变形模量和承载能力均较高，可作为工程建筑地基，但应注意结构面结合力不强的情况。
3） 碎裂结构岩体
节理、裂隙发育，常有泥质充填物质，结合力不强，其中层状岩体常有平行层面的软弱结构面发育，结构体块度不大，岩体完整性破坏较大，其中镶嵌结构岩体因其结构体为硬质岩石，尚具较高的变形模量和承载能力，工程地质性能尚好；而层状碎裂结构和碎裂结构岩体则变形模量、承载能力均不高，工程地质性质较差。
4） 散体结构岩体
节理、裂隙很发育，岩体十分破碎，岩石手捏即碎，属于碎石土类，可按碎石土类研究。
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。因此，在工程实践中，研究岩体的特征比研究单一岩石的特征更为重要。从工程地质观点出发，可以把岩体的主要特征概括为以下几点：
（1） 由于岩体是地质体的一部分，因此，岩石、地质构造、地下水及岩体中的天然应力状态对岩体稳定有很大的影响。研究岩体时不仅要研究它的现状，还要研究它的历史。
（2） 岩体中的结构面通常是岩体力学强度相对薄弱的部位，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。岩体中的软弱结构面常常成为岩体稳定性的控制面。
（3） 岩体在工程荷载作用下的变形与破坏，主要受各种结构面的性质及其组合形式的控制。岩体结构特征不同，岩体的变形与破坏机制也不同。
（4） 岩体中存在着复杂的天然应力场。在多数情况下，岩体中不仅存在自重应力，而且还有构造应力。由于这些应力的存在，使岩体的工程地质性质复杂化。
结构面和软弱夹层的存在影响了岩体的工程性质，使岩体显著的不均匀、各向异性和不连续，岩体强度明显低于岩块强度，导致应力集中、应力集中轨迹转折、弯曲和应力分布的不连续现象。
岩体变形是岩块变形和结构面变形叠加的结果（图6-10）。在长期静荷载作用下岩体应力（应变）随时间发生变化，表现出流变特性。当应力一定时，岩体变形随时间持续而增长称为蠕变，如图6-11所示。初始蠕变阶段岩体变形逐渐减小，平缓变形阶段变形速度接近常量，加速变形阶段变形速度加快直至岩体破坏。岩体发生蠕变破坏时的最低应力值成为长期强度。当岩体变形一定时，岩体应力随时间持续而减小，称为松弛。
图6-10 岩体变形与结构面变形、结构体
图6-11 岩体蠕变变形关系
岩体的破坏方式受岩体结构类型控制（图6-12），块状岩体主要发生脆性破裂和块体滑移，属于重剪破坏；碎裂岩体发生追踪破裂，属于复合剪切破坏；层状岩体发生弯折，散体结构岩体破坏以塑性流动为主，属于剪断破坏。
图6-12 岩体破坏方式
如图6-13所示，按剪切破坏类型划分，坚硬完整岩体发生脆性破坏，峰值破坏前剪切位移小，破坏后应力下降显著；半坚硬或软弱破碎岩体发生塑性破坏，峰值破坏前剪切位移大，破坏后剪应力不变，岩体沿剪切面发生滑移。图中点0～1间应力应变成正比，点2处为岩体屈服极限，点3处为破坏极限，点4处为残余强度。
图6-13 岩体破坏类型
岩体的工程分类是以岩体稳定性或岩体质量评价为基础的分类，主要考虑岩体力学性质指标、岩体后期改造有关的指标(岩体结构)和岩体赋存条件方面的指标（地下水或地应力）等。
1) 单因素指标分类
（1） 岩体质量指标（RQD）分类
用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩层中钻进，连续取芯（图6-14），将长度不小于10cm的完整岩芯段长度之和与统计段钻孔总进尺的比值定义为RQD(Rock Quality Designation)，以去掉百分号的百分比值来表示。《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）（2009版）根据RQD值将岩体分为好（90～100）、较好（75～95）、较差（50～75）、差（25～50）和极差（0～25）5类。
图6-14 岩芯样品
（2） 岩体弹性波速（vp）分类
根据弹性波在坚硬完整岩体中传播速度快、在软弱破碎岩体中传播速度慢的特点对工程岩体进行分类，如表6-10。
表6-10 隧道围岩分类
（3） 岩体完整性系数（kv）分类
岩体完整性系数（kv）定义为岩体纵波波速与同类完整岩块纵波波速的比值的平方。根据kv值对岩体进行分类，如表6-11。当岩体中不止一个岩性组时，应选择有代表性的点、段分别评价。当无法实测岩体完整性系数时可用单位体积内岩体的节理数（Jv）与kv对照取值，已被硅质、钙质、铁质胶结的节理不应统计在内。
表6-11 岩体完整性系数分类（据铁道部科学研究院西南分院）
2） 多因素综合指标分类
国内外岩体分类方法有数十种之多，其中应用最广、最具代表性的是岩体结构质量分类（RSR）、节理化岩体地质力学分类(RMR)、岩体质量Q值系统分类和岩体质量系数Z分类法，详见表6-12。
表6-12 多因素综合分类代表性方法
1） 岩体稳定性的影响因素
岩体的稳定性主要受到地质环境、岩体特征、地下水作用、初始应力状态、工程荷载、施工及运营管理水平的影响。
地貌条件决定了边坡形态，坡度越陡、坡高越大则稳定性越差，平面呈凹形的边坡较呈凸形的边坡稳定。岩性是影响边坡稳定的基本因素，不同的岩层组合有不同的变形破坏形式。例如，坚硬完整的块状或厚层状岩组，易形成高达数百米的陡立斜坡；而在软弱地层的岩石中形成的边坡在坡高一定时其坡度较缓。泥岩、页岩等一经水浸强度就大大降低。
岩体结构类型、结构面性状及其与坡面的关系是岩体稳定的控制因素。同向缓倾边坡的稳定性较反向坡要差；同向缓倾坡中，结构面的倾角越陡，稳定性越好；水平岩层组成的边坡稳定性亦较好。结构面走向与坡面走向之间的关系，决定了失稳边坡岩体运动的临空程度。当倾向不利的结构面走向和坡面平行时，整个坡面都具有临空自由滑动的条件。岩体受多组结构面切割时，切割面、临空面和滑动面就多些，整个边坡变形破坏的自由度就大些，组成滑动块体的机会较大。
地质构造是影响岩质边坡稳定性的重要因素，这包括区域构造特点、斜坡地段的褶皱形态、岩层产状、断层与节理裂隙的发育程度及分布规律、区域新构造运动等。在区域构造较复杂、褶皱较强烈、新构造运动较活跃区域，斜坡岩体的稳定性较差。斜坡地段的褶皱形态、岩层产状、断层及节理等本身就是软弱结构面，经常构成滑动面或滑坡周界，直接控制斜坡岩体变形破坏的形式和规模。
地下水对岩体稳定性的影响是十分显著的，大多数岩体的变形和破坏与地下水活动有关。一般情况下，地下水位线以下的透水岩层受到浮力的作用，而不透水岩层的坡面受到静水压力的作用；充水的张开裂隙承受裂隙水静水压力的作用；地下水的运动，对岩坡产生动水压力。另外，地下水对岩体还具有软化、冻胀、溶解作用，地表水对斜坡坡面具有冲刷作用等等。
地震作用、爆破震动、气候条件、岩石的风化程度、工程荷载作用以及施工程序和方法等都会起到重要作用。
2） 岩体稳定性分析方法
岩体稳定性分析方法可分为定性分析、定量分析和实验分析等，其中定性分析主要是工程地质类比法和工程地质分析法，定量分析主要是极限平衡法、力学解析法和数值计算法。
（1） 工程地质类比法
工程地质类比法是生产实践中最常用、最实用的岩体稳定性分析方法。它主要是应用自然历史分析法认识和了解已有边坡岩体的工程地质条件，并与将要设计的边坡岩体工程地质条件相对比；把已有边坡的研究或设计经验，用到条件相似的新边坡的研究或设计中去。一般情况下，在工程地质比拟所要考虑的因素中，岩石性质、地质构造、岩体结构、水的作用和风化作用是主要的，其他如坡面方位、气候条件等是次要的。
（2） 工程地质分析法
地质分析主要是通过岩体结构分析，对岩体抗滑稳定性的定性分析。岩体的破坏，往往是一部分不稳定的结构体沿着某些结构面拉开，并沿着另一些结构面向着一定的临空面滑移的结果。这就揭示了岩体稳定性破坏所必须具备的边界条件（切割面、滑动面和临空面）。所以，通过对岩体结构要素（结构面和结构体）的分析，明确岩体滑移的边界条件是否具备，就可以对岩体的稳定性作出判断。其分析步骤：①对岩体结构面的类型、产状及其特征进行调整、统计、研究；②对各种结构面及其空间组合关系、结构体的立体形式采用赤平极射投影并结合实体比例投影来进行分析；③对岩体的稳定性作出评价。
（3） 极限平衡法
极限平衡理论一般都遵循一些基本假设：将滑体作为均质刚性体，不考虑其本身变形；遵循库仑—摩尔定律准则；认为下滑力等于抗滑力时边坡处于极限（临界）稳定状态。岩体稳定性分析步骤如下：
① 根据边坡的地质条件，分析边坡破坏的类型与特点，确定可能失稳的边界条件（切割面、滑动面、临空面），以圈定失稳体（滑体）的形态、规模和范围。
② 进行失稳体的受力分析。除自重外，应根据失稳体的具体工程地质条件和工程荷载特点，确定失稳体各部分受力状态和大小。
③ 根据可能构成滑移的结构面特性、边坡工程地质条件及有关的试验资料，选择结构面的内摩擦角（φ）和内聚力（c）、岩体的重度（γ）、地下水位标高及失稳体几何形态等参数。
④ 稳定性判别，一般常用剩余下滑力（亦称推力）或安全系数两种指标。剩余下滑力是指沿滑移面的下滑力与抗滑力的代数和。当剩余下滑力为正值时，说明岩体处于不稳定状态；沿最危险滑动面上的总抗滑力与该面上的实际下滑力的比值，称为安全系数（K）。若计算得到的K等于1时，岩体处于极限状态；K大于1，则岩体稳定。
（4） 其他方法
块体力学分析是假定岩体的滑移体都是刚性体的前提条件下，用刚体极限平衡法计算岩体抗滑稳定系数的一种方法。该法简单实用，便于工程上应用。但它不能完全反映岩体滑移的机制、岩体内和滑移面上应力和变形的真正分布情况，因而所得的稳定性指标不可能完全反映实际情况。
数值计算法是将岩体地质模型概化为数学模型计算分析结构内力和岩体中不同部位的应力状态和变形情况。由于地质体是一种复杂的介质，参数和边界条件确定等问题都有待进一步研究。
模型试验法可以直接观察滑移面的破坏过程，并对其他计算方法提供参考。它的基本要求是模型与原型的线性尺寸成比例，材料、荷载条件和边界条件都相似。如何准确地反映和模拟岩体复杂的地质条件及其力学特征，提高模型精度和确定应用范围，有待进一步研究。
思考题
1. 岩石和岩体有何区别与联系？
2. 岩块的物理力学水理指标有哪些？其含义是什么？
3. 什么是岩体结构？有哪些类型？
4. 何谓结构面？有哪些成因类型？
5. 结构面的特征指标有哪些？
6. 说明结构面对岩体力学性质的影响。
7. 岩体强度有什么特点？
8. 岩体蠕变可分为哪几个阶段？各有何特征？
9. 岩体稳定性受哪些因素影响？
10. 何谓工程岩体？工程岩体有哪些分类方法？
11. 解释RQD的含义。
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