岩體

岩體是指在一定工程範圍內，由包含軟弱結構面的各類岩石所組成的具有不連續性、非均質性和各向異性的地質體。岩體是在漫長的地質歷史過程中形成的，具有一定的結構和構造，並與工程建築有關。

基本介紹

• 中文名：岩體
• 外文名：rock mass
• 性質：不連續性、非均質性和各向異性
• 所屬：土木工程術語

基本概念

岩體是指在一定工程範圍內，由包含軟弱結構面的各類岩石所組成的具有不連續性、非均質性和各向異性的地質體。

岩體是在漫長的地質歷史過程中形成的，具有一定的結構和構造，並與工程建築有關。岩體由各種各樣的岩石組成，並在其形成過程中經受了構造變動、風化作用和卸荷作用等各種內外力地質作用的破壞和改造，因此，岩體經常被各種結構面（如層面、節理、斷層、片理等）所切割，使岩體成為一種多裂隙的不連續介質。

岩體的多裂隙性特點決定了岩體與岩石（單一岩塊）的工程地質性質有明顯不同。兩者最根本的區別，就是岩體中的岩石被各種結構面所切割。這些結構面的強度與岩石相比要低得多，並且破壞了岩體的連續完整性。岩體的工程性質首先取決於這些結構面的性質，其次才是組成岩體的岩石性質。此外，在大自然中，多數岩石的強度都是很高的，對於一般工程建築物的要求來說，是能夠滿足的，而岩體的強度，特別是沿軟弱結構面方向的強度卻往往很低，不能滿足建築物的要求。因此，從工程實踐的客觀需要來看，研究岩體的特徵比研究岩石的特徵更為重要。

工業與民用建築地基、道路與橋樑地基、隧道與地下洞室圍岩、水工建築地基的岩體，道路工程邊坡、港口岸坡、橋樑岸坡、庫岸邊坡的岩體等，都屬於工程岩體。在工程施工過程中和在工程使用與運轉過程中，這些岩體自身的穩定性和承受工程建築及運轉過程傳來的荷載作用下的穩定性．直接關係著施工期間和運轉期間部分T程甚至整個工程的安全與穩定，關係著工程的成敗，故岩體穩定性分析與評價是工程建設中十分重要的問題。

岩體穩定是指在一定的時間內，一定的自然條件和人為因素的影響下，岩體不產生破壞性的剪下滑動、塑性變形或張裂破壞。岩體的穩定性、岩體的變形與破壞，主要取決於岩體內各種結構面的性質及其對岩體的切割程度。大量的工程實踐表明，邊坡岩體的破壞，地基岩體的滑移，以及隧道圍岩的塌落，大多數是沿著岩體中的軟弱結構面發生的。岩體結構在岩體的變形與破壞中起到了主導作用。因此，在岩體穩定性分析中，除了力學分析和對比分析外，對岩體的結構分析也具有重要意義。而要從岩體結構的觀點分析岩體的穩定性，首先就必須研究岩體的結構特徵。

岩體結構包括結構面和結構體兩個要素。結構面是指存在於岩體中的各種不同成因、不同特徵的地質界面，如斷層、節理、層理、軟弱夾層及不整合面等。結構體是指岩體被結構面切割後形成的岩石塊體。結構面和結構體的排列與組合特徵便形成了岩體結構。所謂岩體結構，就是指岩體中結構面和結構體兩個要素的組合特徵，它既表達岩體中結構面的發育程度及組合，又反映了結構體的大小、幾何形式及排列。

岩體結構面的成因類型

不同成因的結構面，具有不同的工程地質特性。按成因可把結構面分為原生結構面、構造結構面和次生結構面三類。各類結構面的主要特徵如表所示。

原生結構面

原生結構面是在岩石形成過程中形成的結構面．其特徵與岩石的成因密切相關，因此又可分為沉積結構面、岩漿結構面和變質結構面三類。

(1)沉積結構面。

沉積結構面是沉積岩在沉積和成岩的過程中形成的結構面，包括層理、層面、軟弱夾層、沉積間斷面及不整合面等。其共同特點是與沉積岩的成層性有關，一般延伸性強，常貫穿整個岩體，產狀隨岩層變化而變化。例如．在海相沉積岩中分布穩定而清晰；在陸相沉積岩中常呈透鏡體，還往往有沉積間斷及遺留風化殼，成為軟弱夾層。此外，無論是海相或陸相沉積岩，常夾有性質相對較差的夾層．如頁岩、泥岩及泥灰岩等。在後期構造運動及地下水的作用下，易成為泥化夾層，這些對工程岩體穩定性威脅很大，應予特別注意。

(2)岩漿結構面。

岩漿結構面是岩漿侵入及冷凝過程中形成的結構面，包括與圍岩的接觸面及原生節理等。岩漿岩體與同岩的接觸面通常延伸較遠且較穩定，原生節理往往短小而密集，且具有張性破裂面特徵。

(3)變質結構面。

變質結構面可分為殘留結構面和重結晶結構面。殘留結構面主要為沉積岩經淺變質後所具有，層理、層面仍保留，只在層面上有絹雲母、綠泥石等磷片狀礦物富集並呈定向排列，如板岩中的板理面。重結晶結構面主要有片理和片麻理面等，是由於岩石發生深度變質和重結晶作用，使片狀或柱狀礦物富集並呈定向排列形成的結構面，它改變了原岩的面貌，對岩體特性起控制性作用。

構造結構面

構造結構面是構造運動過程中形成的破裂面，包括斷層、節理和層間錯動面等，除已膠結者外，絕大部分是脫開的。規模較大者．如斷層、層間錯動等．多數充填有厚度不等。性質和連續性各不相同的充填物．其中部分已泥化．或者已變成軟弱夾層。因此，其工程地質性質很差，強度多接近於岩體的殘餘強度，往往導致工程岩體的滑動破壞。規模小的構造結構面，如節理等，多發育短小而密集．一般無充填或薄的充填，主要影響岩體的完整性及力學性質。另外，構造結構面的力學性質還取決於它的力學成岡、應力作用歷史及次生變化等。

次生結構面

這類結構面是岩體形成以後，在外營力作用下產生的，包括卸荷裂隙、風化裂隙、次生夾泥層及泥化夾層等。

卸荷裂隙是因岩體表部被剝蝕卸荷而成的，產狀與臨空面近於平行，具張性特徵。如在河谷斜坡上見到的順坡向裂隙及谷底的近水平裂隙等，其發育深度一般達基岩以下5~10m，局部可達十餘米，受斷層影響大的部位則更深，對邊坡危害很大。風化裂隙一般僅限於地表風化帶內，常沿原生結構面及構造結構面發育，使其性質進一步惡化。新生成的風化裂隙，延伸短。方向紊亂，連續性差，降低了岩體的強度和變形模量。

泥化夾層是原生軟弱夾層在構造及地下水的作用下形成的。次生夾層則是地下水攜帶的細顆粒物質及溶解物質沉澱在裂隙中形成的。它們的性質都比較差，屬軟弱結構面。

岩體結構面的基本特徵

結構面的特徵包括結構面的規模、形態、物質組成、延展性、密集程度、張開度和充填膠結特徵等。它們對結構面的物理力學性質有很大的影響。

結構面的規模

實踐證明，結構面對岩體力學性質及岩體穩定的影響程度，首先取決於結構面的延展性及其規模。中國科學院地質研究所將結構面的規模分為五級。

(1)一級結構面。區域性的斷裂破碎帶，延展數十公里以上，破碎帶的寬度從數米至數十米。它直接關係到工程所在區域的穩定性，一般在規劃選點時應儘量避開。

(2)二級結構面。二級結構面一般指延展性較強，貫穿整個工程地區或在一定工程範圍內切斷整個岩體的結構面，其長度可由數百米至數千米，寬由一米至數米，主要包括斷層、層間錯動帶、軟弱夾層、沉積間斷面及大型接觸破碎帶等。它們的分布和組合控制了山體及工程岩體的破壞方式及滑動邊界。

(3)三級結構面。三級結構面包括在走向和傾向方向延展有限，一般在數十米至數百米範圍內的小斷層、大型節理、風化夾層和卸荷裂隙等。這些結構面控制著岩體的破壞和滑移機理，常常是工程岩體穩定的控制性因素及邊界條件。

(4)四級結構面。四級結構面延展性差，一般在數米至數十米範圍內的節理、片理等，它們僅在小範圍內將岩體切割成塊狀。這些結構面的不同組合，可以將岩體切割成各種形狀和大小的結構體，它是岩體結構研究的重點問題之一。

(5)五級結構面。五級結構面是延展性極差的一些微小裂隙，它主要影響岩塊的力學性質。岩塊的破壞由於微裂隙的存在具有隨機性。

結構面的形態

結構面的平整、光滑和粗糙程度對結構面的抗剪性能有很大的影響。自然界中結構面的幾何形狀非常複雜，大體上可分為四種類型。

第一種，平直的，包括大多數層面、片理和剪下破裂面等。

第二種，波狀起伏的，如具有波痕的層面、輕度揉曲的片理、舒緩波狀的壓性及壓扭性結構面等。

第三種，鋸齒狀的，如多數張性和張扭性結構面。

第四種，不規則的，其結構面曲折不平，如沉積間斷面、交錯層理及沿原有裂隙發育的次生結構面等。

一般用起伏度和粗糙度表徵結構面的形態特徵。

結構面的形態對結構面抗剪強度有很大的影響。一般平直光滑的結構面有較低的摩擦角，粗糙起伏的結構面則有較高的抗剪強度。

結構面物質構成

有些結構面上物質軟弱鬆散，含泥質物及水理性質不良的黏土礦物，抗剪強度很低，對岩體穩定的影響較大。如黏土岩或頁岩夾層，假整合面（包括古風化夾層）及不整合面，斷層夾泥、層間破碎夾層、風化夾層、泥化夾層及次生夾泥層等。對於這些結構面，除進行一般物理力學性質的試驗研究外，還應對其礦物成分及微觀結構進行分析，預測結構面可能發生的變化，如泥化作用是否會發展等，比較可靠地確定抗剪強度參數。

結構面的延展性

結構面的延展性也稱連續性，有些結構面延展性較強，在一定工程範圍內切割整個岩體，對穩定性影響較大，但也有一些結構面比較短小或不連續，岩體強度一部分仍為岩石強度所控制，穩定性較好。因此，在研究結構面時，應注意調查研究其延展長度及規模。結構面的延展性可用線連續性係數及面連續性係數表示。

結構面的密集程度

結構面的密集程度反映了岩體的完整性，它決定岩體變形和破壞的力學機制。有時在岩體中，雖然結構面的規模和延展長度均較小，但卻平行密集，或是互相交織切割，使岩體穩定性大為降低，且不易處理。試驗表明，岩體內結構面愈密集，岩體變形愈大，強度愈低，而滲透性愈高。通常用結構面間距和線密度來表示結構面的密集程度。

結構面的張開度和充填情況

結構面的張開度是指結構面的兩壁離開的距離，可分為4級：

閉合的：張開度小於0.2 mm者；微張的：張開度在0.2~1.0 mm者；

張開的：張開度在1.0~5.0 mm者；寬張的：張開度大於5.0 mm者。

閉合的結構面的力學性質取決於結構面兩壁的岩石性質和結構面粗糙程度。微張的結構面，因其兩壁岩石之間常常多處保持點接觸，抗剪強度比張開的結構面大。張開的和寬張的結構面，抗剪強度則主要取決於充填物的成分和厚度；一般充填物為黏土時，強度要比充填物為砂質時的更低；而充填物為砂質者，強度又比充填物為礫質者更低。

岩體結構類型

岩體中結構面和結構體的組合關係叫岩體結構，其組合形式叫岩體結構類型。見下表不同結構類型的岩體，其力學性質有明顯差別。

岩體穩定性分析方法簡述

由於不同類型工程的岩體對穩定性要求的不同，不同結構特徵及邊界條件的岩體的變形與失穩機制的不同，因此，岩體穩定性分析的方法亦不盡相同。歸納起來，國內外套用於岩體穩定性分析的方法有：地質分析類比法、岩體結構分析與計算法、岩體穩定性分類法、數值模擬計算法、地質模擬試驗法等。

(1)地質分析類比法。

以待建工程地區的工程地質條件與具有類似工程地質條件相鄰地區的已建工程，進行比較分析而獲得對待建工程岩體穩定性程度的認識。

(2)岩體結構分析與計算法。

從分析岩體的結構特徵和岩體的邊界條件與受力狀態入手，通過必要的室內外試驗，獲取岩體穩定性計算的參數，進行穩定性計算。

(3)岩體穩定性分類法。

以大量岩體質量與性質的實踐性數據為基礎，從岩體穩定性角度出發，對岩體的質量進行單指標的分類或多指標綜合評判分類，以評價岩體的穩定性。

(4)數值模擬計算法。

從研究岩體的應力與應變的結構方程和獲取岩體變形參數入手，建立岩體在承受工程荷載條件下的數學力學模型，計算與評價岩體的穩定性。

(5)地質模擬試驗法。在岩體結構特徵、岩體邊界條件分析和室內外力學試驗所得參數的基礎上，以相似材料製作按比例縮小的地質試驗模型，施加按比例縮小的荷載，觀測其變形、破壞過程及所需計算參數，進而通過反饋分析，定量和定性地計算分析岩體的穩定性和破壞規律。

以上五種方法，有時是互相配合的，但對中小工程則常用地質類比法和簡單的分析、計算。

對於岩體的穩定分析，最重要的是確定被結構面分割的滑動割離體、其受力條件以及計算的參數。