第3章岩石结构面、力学性质 岩体力学

包括：不连续面和物质分异面，如裂隙、节理、层理、软弱 夹层、断层及断裂破碎带等。
结构体（亦称岩块）：岩体中的各种结构面依其本
身的产状，彼此组合将岩体切割成形态不一、大小不等以及 成分各异的岩石块体，称为结构体。
岩石力学
岩体的变形与强度，取决于构成岩体的岩块和结构面的 力学性能。 结构面弱化了岩体的力学性能，决定了岩体工程的稳定 性，导致岩体的各向异性，成为岩体渗流的主要通道。大至 地震、滑坡，小到地下工程的冒顶、片邦，一般都是沿结构 面活动和发展的。
有一部分物质遗留下来；另外，由于后期的地质作用，使得
张开的裂缝由一些矿物重新胶结在一起等。这些处在结构面 裂缝中的物质被称作充填物，此时结构面的强度将主要由充 填物决定。
岩石力学
3.3.1.5 结构面的形态 通常用结构面侧壁的粗糙度
及起伏度来描述。
（1）结构面的粗糙度 可用粗糙度系数JRC（Joint Roughness Cocfficient）来表示 。
巴顿（Barton，1977）提出
将结构面粗糙度分为10级，分别 给出了典型剖面及JRC的值，见 右图。
岩石力学
在实际工作中，可用结构面纵剖面仪测出待测结构面的实际粗糙剖 面，然后与上图的标准剖面对比确定结构面的粗糙度系数。这种方法显 然带有目测的主观性，误差较大。 比较准确的方法是采用巴顿提出的结构面抗剪强度公式，通过结构 面压剪试验，反算结构面粗糙度系数，即
层 状 有层理、片理、 变形和强度 可沿结构 层状结 多韵律 构 薄层、中 板 状 节理，常有层间 受层面控制， 面滑塌；软 厚层状沉 错动 可视为各向 岩可产生塑 积岩，副 异性弹塑性 性变形
岩石力学
3.3 结构面的特性
3.3.1 结构面的几何特征
3.3.1.1 结构面的产状 是指结构面在空间的分布状态，可由走向、倾向和倾角 三要素来表示。 （1）走向：是指结构面与水平面相交的交线方向； （2）倾向：是与走向成垂直的方向，它是结构面上倾 斜线最陡的方向； （3）倾角：是指水平面与结构面之间所夹的最大角度 。 由于走向可根据倾向来加以推算，故一般只用倾向、倾 角来表示。
结构面的连续性又称为结构面的延展性或贯通性，常用 迹长、线连续性系数和面连续性系数表示。
（1）迹长
结构面与勘测面交线的长度，称为迹长。 国际岩石力学学会(ISRM，1978年) 制订的分级标准( 见下表)。
描 很低连 述 续性 迹长 <1 /m
低连 续性 1~3
中等连 高连续 很高连 续性 性 续性 3~10 10~20 >20
岩石力学
结构面力学性质的研究，同样可以通过试验的 方法。 结构面一般为软弱的地质界面，其破坏方式一
般为剪切破坏，所以研究结构面在剪应力作用下的
抗剪强度及其变形性质显得格外重要。
岩石力学
3.3.4.1 倾斜仪法 将带有弱面的岩块放在倾斜仪上，施加水平推力P，使
试件沿弱面发生剪切破坏，见下图。
岩石力学
tan / JRC lgJCS /
1
式中：τ ——结构面压剪试验峰值时的剪应力，MPa； σ——结构面压剪试验峰值时的正应力，MPa； φ——基本摩擦角（未风化平滑结构面的摩擦角），°； JCS——结构面壁面抗压强度，MPa。
岩石力学
国际岩石力学学会（ISRM）建议采用施密特锤（
3.2.2 岩体结构的类型
在《岩土工程勘察规范（GB 50021-2001）》中，将
岩体结构划分为5大类（见下表）。
岩石力学
岩体结 构 类型 岩体地质 结构体 类型 形状 结构面发育情况 岩土工程特 征 可能发生的 岩土工程问 题 局部滑动 或坍塌；深 埋洞室的岩 爆
整体状 巨块状 巨块状 以层面和原生、 岩体稳定， 结构 岩浆岩和 构造节理为主， 可视为均质 变质岩 多呈闭合型，间 弹性各项同 距大于1.5m，一 性体 般为1~2组，无 危险结构 块 状 有少量贯穿性节 块状结 厚层状 构 沉积岩， 柱 状 理裂隙，结构面 间距0.7~1.5m， 块状岩浆 一般为2~3组， 岩和变质 岩 有少量分离体 结构面互相 牵制，岩体 基本稳定， 接近弹性各 项同性体
T / A N / A
式中: T——试件沿弱面发生剪切破坏时所施加的最大切向力，MN； N——正压力，MN： A——剪切破坏面（即结构面）的面积，m2； τ——结构面的抗剪强度，MPa； σ——作用在结构面上的正应力，MPa。
岩石力学
试验时，取n个相同的岩石试件，并含有相同的结构面。
岩石力学
如变动倾角α，就可得到一组（σ，τ）数据，并在σ－τ坐标 系上画出结构面的抗剪强度曲线，见下图。
岩石力学
3.3.4.2 直剪仪法 利用直接剪切仪测定结构面的抗剪强度及其变形性质， 见下图。
一般压剪（容许剪胀）
刚性压剪（不容许剪胀）
岩石力学
首先施加正应力N，并保持其恒定不变。然后施加切向力 T，并按一定加载速度增大T值，直到试件沿结构面发生剪切 破坏为止。 当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应 力有：
3.3.2 结构面的分类
3.3.2.1按地质成因分类 根据地质成因的不同，可将结构面划分为： （1）原生结构面 ①沉积结构面； ②岩浆结构面； ③变质结构面。 （2）构造结构面
（3）次生结构面
岩石力学
3.3.2.2 按结构面破坏属性分类 缪勒(Müller)根据岩体结构面的破坏属性和分布密度两 方面的因素，将结构面分为5大类型： （1）单个节理； （2）节理组； （3）节理群； （4）节理带； （5）破坏带或糜棱岩。 再考虑按节理中的充填材料性质和充填程度，又将每种 类型分成3个细类。这样，共将结构面分为15个细类。
当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应力有：
T P cos A A N P sin A A
式中：P——试件沿结构面发生剪切破坏时所施加的最大荷载，MN； A——剪切破坏面（即结构面）的面积，m2； α——倾角，°； τ——结构面的抗剪强度，MPa； σ——作用在结构面上的正应力，MPa。
断层、节 延伸长度为数 理、发育 十米至数百米， Ⅲ 好的层面 破碎带宽度为 级 及层间错
多数也属 于软弱结 主要影响或控制工程岩体，如 构面，或 地下洞室围岩及边坡岩体的稳
岩石力学 3.3.4 结构面的试验方法
对于结构面，其尺寸从几厘米到数十千米。 在进行岩体的稳定性分析时，对于结构面的影响不可能不 分巨细地一概单独考虑。 通常认为极细小的结构面，其影响包含在岩块的变形或强 度试验指标中； 较小的结构面，其影响则包含在岩体的变形或强度试验指 标中； 对于与工程尺度相当的较大型结构面，如隧道围岩中长度 大于4～5m的结构面，其影响应该专门考虑，并进行必要的 试验研究。如在有限元等数值计算方法中，一般将结构面划 分为特有的“节理单元”。
岩石力学
3.3.1.3 结构面的密度
是指结构面发育的密集程度，常用线密度、间距等指 标表示。 （1）线密度 Kρ ：是指结构面法线方向单位测线长度 上交切结构面的条数(条／m)；
（2）间距d ：是指同一组结构面法线方向上两相邻结
构面的平均距离。 两者互为倒数关系，即
1 K d
岩石力学
当岩体上有组方向的结构面时，如下图所示，有两组结 构面：
Schmidt锤，即回弹仪）测试结构面壁面抗压强度。根据实 验测定的回弹值，按下式计算，即
JCS 10
0.00088R 1.01
式中：γ ——岩石的重度，kN/m3；
R——回弹值（无因次）。
岩石力学
（2）结构面的起伏度 可用起伏角来描述，见下图。
2a arctan( ) l
岩石力学
岩石力学

ˆ 表示结构面的外法线，设 结构面产状由倾向角β和 倾角α确定。 n
为单位矢量，则在坐标轴上的分量分别为：sinαsinβ，sinαcosβ ,
conα。这样，结构面的空间方位就可用单位矢量来表示，即
ˆ n
=(sinαsinβ , sinαcosβ , conα )
岩石力学
3.3.1.2 结构面的连续性
每次试验时所施加的N值都不相同，这样便得到n组（σ，τ）数
据，并在坐标系σ－τ中标出这些试验点，同样可获得结构面的 抗剪强度曲线。
岩石力学
3.3.4.3 三轴仪法 当结构面具有很大的倾角时，可采用三轴压缩试验的方 法确定结构面的抗剪强度曲线。 采用圆柱形试件，含有结构面，如下图所示。
首先保持围压恒定不变，并按一定加载速度增加轴压直 至试件沿结构面发生剪切破坏，记录下试件沿结构面发生剪 切破坏时的轴向应力和围压。
岩石力学
1a-粗节理；2a-粗节 理组；3a-巨节理群； 4a-带有羽毛状节理的粗 节理；5a-破裂带；1b充填风化物的粗节理； 2b-充填风化物的粗节理 组；3b-带有巨节理的破 坏带；4b-带有边缘粗节 理的破坏带；5b-近糜棱 岩（构造角砾）带；1c有粘土充填的粗节理； 1-由粘土组成的破坏带 的粗节理；2c-充填粘土 的粗节理群；3c-带有糜 棱岩的巨节理；4c-带有 粗节理的糜棱岩带；5c糜棱岩带
岩石力学 3.3.3 结构面的分级（见下表）
级 序 分布规模 地质类型 力学属性 工程地质评价 区域性大断层往往具有现代活 动性，给工程建设带来很大的 危害，直接控制区域性岩体及 其工程的整体稳定性。一般工 程应尽量避开。
一般延伸约数 千米至数十千 Ⅰ 米以上，破碎 级 带宽约数米至 数十米乃至几 百米以上。
贯穿整个工程 岩体，长度一 Ⅱ 般数百米至数 级 千米，破碎带 宽数十厘米至 数米。
属于软弱 通常为大 结构面， 断层或区 通常处理 域性断层。 为计算模 型的边界 多为较大 的断层、 层间错动、 不整合面 及原生软 弱夹层等。
通常控制工程区的山体或工程 属于软弱 围岩稳定性，构成滑动岩体边 结构面、 界，直接威胁工程的安全稳定 滑动块裂 性。工程应尽量避开或采取必 体的边界 要的处理措施。