岩体结构面力学性质与岩体强度研究
第3章岩石结构面、力学性质岩体力学
岩石力学
3.3.1.2 结构面的连续性 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
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 整体状
结构
块状结 构
层状结 构
岩体地质 类型
巨块状 岩浆岩和 变质岩
厚层状 沉积岩， 块状岩浆 岩和变质 岩 多韵律 薄层、中 厚层状沉 积岩，副
结构体 形状
岩石力学
3.1 概述
工程涉及的实际岩体与实验室内测试的岩石试件的力学 性能有着很大的差别，引起这种差别的主要因素有：
（1）岩体的非连续性； （2）岩体的非均质性； （3）岩体的各向异性； （4）岩体的含水性等。 其中最关键的因素是岩体的非连续性。
岩石力学
结构面（亦称弱面）：岩体内存在的各种地质界面，
巨块状
块状 柱状
层状 板状
结构面发育情况
以层面和原生、 构造节理为主， 多呈闭合型，间 距大于1.5m，一 般为1~2组，无 危险结构
有少量贯穿性节 理裂隙，结构面 间距0.7~1.5m， 一般为2~3组， 有少量分离体
有层理、片理、 节理，常有层间 错动
岩土工程特 征
岩体稳定， 可视为均质 弹性各项同 性体
岩石力学
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 A
P cos
第讲-岩体结构与结构面性质
§2-2 岩体结构面的几何与力学性质
一、结构面的几何性质
1、产状
结构面产状三要素：走向、倾向、倾角； 与主应力之间的关系：控制岩体的破坏机理与强度。
2、分布密度
结构面的分步密度反映结构面发育的密集程度，以裂隙度和切 割度表示。 ①裂隙度K ：沿取样线方向单位长度上的结构面数量。 设取样线长度为L,单位m,该长度内出现的结构面数量n，沿取 样线方向结构面平均间距为d′，则
延伸十米~数十米，无破碎 带，面内不含泥，仅在一个 地质年代的地层中分布
延展数厘米~数米，未错动，有 的呈弱结合状态，统计结构面
微米~毫米，细小或隐微裂 面，统计结构面
区域性深大断裂
影响区域稳定性；如通过 工程区，形成岩体力学作 用边界
大中型断层、不整合 面、层间错动带、软 弱夹层等
小断层、软弱夹层、 层间错动带等
（2）力学成因类型
剪性结构面是剪应力 形成的，破裂面两侧岩 体产生相对滑移，如逆 断层、平移断层以及多 数正断层等。
张性结构面是由拉应力形成 的，如粘土岩失水收缩节理、 岩浆岩中的冷凝节理等。
逆断层 正断层
平移断层
2、分级
级序
分级依据
地质类型
对岩体稳定影响
Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级 Ⅳ级 Ⅴ级
延伸数公里以上（最长达上 千公里），破碎带宽度数米 ~数十米 延伸数百米~数公里，破碎 带宽度几厘米~几米
1、法向变形与法向刚度
（1）法向变形特征 ①曲线形状，先凹，后陡；归结为接触 微凸体的弹性变形、压碎、间接拉裂隙 产生、新的接触点和面的增加。 ②初始阶段，结构面变形为主， 当σn=σc / 3时结构面变形基本完成 ③最大闭合量小于张开度。 ④卸除荷载后，有明显的迟滞和非弹性 效应。
高等岩石力学-3结构面+岩体的力学特性
3.2 岩体空隙的结构类型 D 按岩体结构面的连续性 连续介质 等效连续介质 非连续介质
3.3 岩体的渗流问题
A.岩体的渗透性 B.岩体的渗透率 C.岩体的渗透系数 D.岩体的渗透张量和渗透张量场 E.渗透系数张量和渗透系数张量场
3.3 岩体的渗流问题 A.岩体的渗透性
B.岩体的渗透率
3.3 岩体的渗流问题
2.3 结构面的强度效应 b 岩体强度与结构面倾角的关系
岩石块体：
结构面：
2.3 结构面的强度效应
1
3
3 0
岩体强度受加载方 向与结构面夹角θ的控 制，因此，表现出岩 体强度的各向异性。
2.3 结构面的强度效应
1
3
2.3 结构面的强度效应 岩体强度的各向异性－－单一结构面：
B 化学作用
离子交换 溶解作用和溶蚀作用 水化作用 水解作用 氧化还原作用
2.3 剪切刚度
2.4 结构面剪切凸台力学模型
对于凹凸不平的结构面，可简化成下图所示的结构面剪切 凸台力学模型，其剪切结构面上有一凸台，模型上半部作用 有剪切力S和法向力N，模型下半部固定不动。在剪应力作用 下，模型上半部将沿凸台斜面滑动，除有切向运动外，还将 产生向上的移动．把这种剪切过程中产生的法向移动分量称 之为剪胀。在剪切变形过程中，由于剪应力与法向应力的复 合作用，可使凸台剪断或拉断，此时剪胀现象消失；当法向 应力较大或结构面 剪应力持续增加， 最终将使凸台沿 根部剪断或拉断。
3.2 Barton的结构面抗剪强度公式
JRC取值：
右 图 为 Barton 和 Choubey给出的10 种典型剖面及其 JRC取值
计算公式：
JRC p b
岩体力学结构面的变形与强度性质
各种结构面抗剪强度指标的变化范围
结构面剪切刚度直剪试验结果
五、粗糙起伏无充填的结构面的强度特征
充填粘土的断层，岩壁风化 15
5
33
0
充填粘土的断层，岩壁轻微 18
8
风化
新鲜花岗片麻岩不连续结构 20
10ห้องสมุดไป่ตู้
面
玄武岩与角砾岩接触面
20
8
37
0
40
0
45
0
致密玄武岩水平不连续结构 20
7
面
玄武岩张开节理面
20
8
38
0
45
0
玄武岩不连续面
12.7
4.5
0
结构面法向刚度直剪试验结果
岩 组
绢 英 岩
绢英 化花 岗岩
（一）规则锯齿形结构面
1. 当法向应力较低时 I 单个凸起体滑移面上的应力：
剪胀效应：结构面在剪切过程中,由 于起伏度的存在,结构面的摩擦角由 b 增大到( b + i ) 的现象。
剪胀：结构面在剪切过程中产生的 法向位移分量的现象。原因在于在 剪应力作用下,沿凸起的滑移,除产生 切向位移外,还产生沿向上的移动。
经验估算结构面特征法向刚度knmpacm剪切刚度ksmpacm抗剪强度参数摩擦角粘聚力cmpa充填粘土的断层岩壁风化15充填粘土的断层岩壁轻微风化18201040玄武岩与角砾岩接触面20玄武岩张开节理面20玄武岩不连续面12745结构类型未浸水抗剪强度浸水抗剪强度24mpa摩擦角cmpa摩擦角cmpa法向刚度kn1mpacm剪切刚度ks1mpacm平直粗糙有陡坎4041015020363801401643526290起伏不平粗糙有4244020027383901702334824199波状起伏粗糙3940012015363701101322544667平直粗糙3839007011353600800922462246平直粗糙有陡坎404202503538390260304213648108起伏大粗糙有陡坎43480350504041030043357867113波状起伏粗糙3940015023373801302738583863平直粗糙38400090153637008013211434558平直粗糙有陡坎404503004438410300341114772112起伏大粗糙有陡坎444803505540440360446116959120波状起伏粗糙4041025035384102103070844884平直粗糙3941015020374001501751904665结构面法向刚度直剪试验结果二剪切变形性质剪切应力剪切位移法向应力结构面剪切试验示意图结构面剪切位移剪切应力曲线峰值剪切强度残余剪切强度剪切位移一剪切变形特征二剪切变形本构方程卡尔哈韦kalhaway方程通过大量试验发现峰值前的剪应力剪位移曲线可用双曲线拟合三剪切刚度及其确定方法定义
岩体力学特性及其参数确定
岩体的力学特性
岩石的力学特性是通过实验室的三轴压缩试验获得的，实验室三轴压缩 试验可分为常规试验和真三轴试验，其中常规三轴试验是在径向压力(围 压)σr(σr=σ2=σ3)不变的情况下，增加轴向压力σ1直到岩石试件破坏，得 到某一围压作用下的应力-应变曲线，通过改变围压大小，得到一组不同围 压作用下的全应力-应变曲线。而真三轴压缩试验是在不同的侧压作用下， 即σ2≠σ3时，获得的全应力一应变曲线。
岩体力学参数的合理确定
一、描述岩体力学特性的参数
根据库仑准则τ=C+σtan，τ是C和tan的线性函数，可以通过弱化C 和 tan 来描述岩石的峰后软化特性。根据实验室试验，假设C和tan服从软化 规律：
式中 rp——广义塑性应变偏量， εijp——塑性应变偏量。
令
，则上式变为：
岩体力学参数的合理确定
基于Hoek- Brown强度准则的岩体力学参数确定方法
基于Hoek- Brown强度准则的岩体力学参数确定方法
式中,σ1、σ3 分别为岩体破坏时的最大和最小主应力; σc i为岩石的单轴 抗压强度; mb 是完整岩石岩性系数mi 的消减值, 具体取值由式( 2)确定; s 和a 与岩体特性有关的材料常数, 取值为0~ 1, 对完整岩石, s= 1, s和a 的取值由式( 3)和式( 4)分别确定。
rc、r、bc、b均为围压的函数。
岩体力学参数的合理确定
二、确定岩体的体积模量K和剪切模量G 杨氏模量E和泊松比μ是表征材料力学属性的两个重要参数。但在一些情况下， E和μ并不能十分有效地反映材料的力学行为，如变形等。因此在一些数值模拟 软件中(如FLAC和UDEC)，一般采用体积模量K和剪切模量G。K和G均由杨氏 模量E和泊松比μ转化而来，它们的关系如下：
3- 结构面与岩体力学性质
岩石力学第3章结构面与岩体力学性质提纲3结构面与岩体力学性质结构面自然特征与参数采集1结构面力学性质2岩体强度特性3岩体变形特性4岩体水力学性质5结构面自然特征与参数采集概述结构面的自然特征第一部分结构面的参数采集1概述倾角和倾向结构面组结构面间距结构面张开度钻孔或测线结构面迹长粗糙结构面岩块结构面组充填物渗流岩桥结构面的自然特征示意图自然特征表征参数或描述空间分布特征产状走向、倾向、倾角密度线密度、体密度、间距连续性贯通程度、线连续性系数、面连续性系数、迹长形态起伏度、粗糙度、起伏差、起伏角张开度闭合、裂开、张开充填与胶结未充填或硅质、铁质、钙质、泥质充填等结构面的自然特征，是决定岩体强度和变形的重要因素，因此，准确识别结构面的自然特征并对其参数进行采集分析，是岩体力学特性分析的重要基础工作。
结构面的自然特征x AβAO vzy x y A z Aα(N)(E)αβ①定义：结构面产状是指结构面的空间方位，通常假设结构面为平面，用走向、倾向和倾角表示其产状，如右图所示。
结构面产状示意图②走向：结构面与水平面交线的方向。
③倾向线与倾向：结构面上与走向线垂直并指向结构面下方的直线称为倾向线，倾向线在水平面上投影的方向为倾向，通常以β指代。
④倾角：结构面与水平面的夹角，通常以α指代。
⑤结构面单位法向量：空间坐标系中，规定z 轴竖直向上，x 轴为正东，y 轴为正北，则结构面的单位法向量v 可表示为：(sin sin sin cos cos )αβαβα=，，v （1）产状。
①定义：结构面密度是反映结构面发育密集程度的指标，常用线密度、体密度、间距等指标表征。
如右图所示。
结构面线密度计算示意图lLα1结构面迹线测线②线密度：结构面线密度K ，指同组结构面沿其迹线的垂直方向，单位长度上结构面的数目，其计算式为:注意：若岩体中存在数组结构面(a ,b , …)，则测线上的线密度为各组线密度之和：若测线不能沿结构面迹线的垂直方向布置，当测线与结构面迹线夹角为α1，实际测线长度为L 时，根据右图有:a b K K K =++⋅⋅⋅1/sin K n L α=（）（2）密度/K n l =。
岩体软弱结构面倾角对岩体强度的影响研究
岩体软弱结构面倾角对岩体强度的影响研究岩体当中经常会有软弱结构面存在，不同的软弱结构面倾角会对岩体的强度产生重要而直接的影响，进而影响工程结构的安全与稳定。
文章对常用研究方法进行了对比分析，通过模型试验的方法对岩体软弱结构面的不同倾角对岩体的强度进行了研究，根据试验结果总结规律，并对工程建设当中如何减少或者消除软弱结构面倾角对岩体强度的影响提出了建议。
标签：岩体；软弱结构面；倾角；模型试验一、前言工程建设中经常会遇到不同的岩体，这些岩体都可以视为由结构体和结构面组成。
结构体指岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体，结构面是指存在于岩体中的各种不同成因、不同特征的地质构造界面，比如层理、解理、节理、断层等，强度较低的结构面称为软弱结构面。
结构面对岩体的强度等工程性质有非常不利的影响，特别是软弱结构面的存在，将使岩体的强度显著降低，对岩体的不利影响尤其巨大，进而影响到工程结构的安全与稳定。
软弱结构面的组数、密度、长度、走向、倾向和倾角都会对岩体的强度产生重要影响，软弱结构面的倾角对岩体强度具有明显的影响。
对于边坡工程，当岩体软弱结构面的倾角大于边坡倾角时，边坡极易发生顺层滑坡，影响建设工程的安全与稳定。
因此，在国家标准《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）中对岩质边坡的破坏形式和岩质边坡岩体稳定性分类时，都特别考虑了软弱结构面对岩体强度的影响。
对于基础工程，软弱结构面倾角将直接影响岩体的强度和破坏形式，比如，当软弱结构面倾角成90°时，如果软弱结构面宽度较窄，其对地基岩体的不利影响将很小，而当软弱结构面倾角为45°时，岩质地基容易产生滑移剪切破坏。
在地下工程中，由于洞室的开挖将增加地下岩体的临空面，进而改变软弱结构面的受力状态，洞室围岩很容易因为软弱结构面自身的软弱和倾角的不利影响而导致塌方。
从以上分析可以看出，软弱结构面倾角对岩体强度具有重要影响，进而对工程岩体的工程性质产生不利影响。
岩体力学第五章 结构面的变形与强度性质
Δ Ｖｔ
Δ Ｖｒ
Δ Ｖｊ
应力-变形关系曲线
A B
应力-变形关系曲线特征
• 开始时随着法向应力增加， 结构面闭合变形迅速增长。当σ ｎ增到一定值时，σ ｎΔ Ｖｔ曲线变陡，并与σ ｎ-Δ Ｖｒ曲线大致平行。说明 结构面已基本上完全闭合，其变形主要是岩块变形贡献 的。这时Δ Ｖｊ则趋于结构面最大闭合量Ｖｍ。
• 初始压缩阶段，含结构面的岩块变形Δ Ｖｔ主要由结构 面闭合造成。试验表明，当σ ｎ＝１ＭＰａ时， Δ Ｖｔ ／ Δ Ｖｒ可达５～３０，说明Δ Ｖj占了很大一部分。 • 法向应力σ ｎ大约从σ ｃ/3处开始，含结构面的岩块变 形由以结构面的闭合为主转为以岩块的弹性变形为主。
应力-变形关系曲线特征
（2）经验估算
由Bandis 方程估算
n
V j
K niVm V j Vm V j
K niVm n
nVm
Kn
n K ni ( V j ) (1 V j Vm ) 2
Kn
K ni n 1 K niVm n
n
当 n 时, V j Vm b a Vm
K ni n V j 1 a (1 b aV j ) 2 V j 0 1 a V j 0
a 1 K ni
n
K niVm V j 较适合于未经滑错位移的嵌 Vm V j
第五章 结构面的变形与强度性质
岩体中存在大量断层、节理等结构面，它是工程岩体区别 于深部岩体和其它工程材料的显著标志之一。在工程实践 中，我们发现工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿着松 软结构面破坏的，因此，结构面的存在不仅影响岩体的变 形与强度性质，而且还控制着岩体的变形与破坏机理。所 以，结构面力学性质的研究是岩体力学研究中的重要内容 之一。
岩体力学岩体结构面性质
岩体力学岩体结构面性质岩体力学是研究岩石和地壳构造中岩石体的力学性质以及其变形、破裂和破碎特性的一门学科。
岩体结构面是岩石中天然的或由于应力作用而形成的裂隙或断裂面。
通过对岩体结构面性质的研究，可以更好地了解和预测岩体的力学行为，对岩石工程和地质灾害等领域具有重要的实际应用价值。
岩体结构面性质可以分为以下几个方面来进行描述和研究：1.结构面的存在形式：岩体中的结构面有多种形式，如裂隙、节理、层理等。
裂隙是岩石中的一种空隙或线裂缝，不同类型的裂隙对岩体的力学性质有不同的影响。
节理是岩层中的一种局部平行于岩层面的裂隙，节理的存在对岩石体的强度和变形特性有重要影响。
而层理则是沉积岩中分层承载着特定的结构面，影响岩石体的力学行为。
2.结构面的排列方式：结构面通常有一定的排列方式，包括平行、正交、斜交等。
不同排列方式下的结构面对岩体的强度和变形特性会有不同的影响。
比如，平行结构面会导致相对容易的岩层剥离，而正交结构面则会使岩体更容易发生坍塌。
3.结构面的纹理特征：结构面通常会具有一定的纹理特征，如面状、短柱状、笔直等。
不同的纹理特征会影响结构面的强度和破裂特性。
比如，面状结构面相对较脆弱，容易发生破裂和断裂。
4.结构面的物理性质：结构面的物理性质包括强度、硬度、粗糙度等。
强度是结构面所能承受的最大应力，硬度则是结构面的抗切割能力。
粗糙度则是指结构面表面的粗糙程度，对岩体的摩擦力和稳定性有重要影响。
5.结构面的扩展性和连通性：结构面的扩展性指的是结构面在空间上的延伸范围，连通性指的是结构面之间的连通程度。
结构面的扩展性决定了岩体的整体稳定性，连通性则影响了结构面的水和气体的扩散性。
综上所述，岩体结构面性质对于岩体力学行为的研究有着重要的作用。
了解岩体结构面性质的特点，可以帮助我们更好地预测和控制岩体的力学行为，为岩石工程和地质灾害防治提供科学的依据。
因此，对于岩体结构面性质的研究是岩体力学领域的重要研究方向之一。
岩石结构面剪切强度研究现状及实验的研究
岩石结构面剪切强度研究现状及实验的研究◎符其山陈辉刘诗桐一、岩体构成及其强度影响因素天然存在的岩体经过多次的地质作用，岩体遭受变形和破坏，形成一定的成分和结构。
岩体内部又有着各式各样的地质界面，它包括物质分异面和不连续面，例如：假整合、不整合、褶皱和断层等。
由于它们形成的成因和特性不同，导致其物理性质也有所差异，我们把这些不同的地质界面统称为结构面（弱面）。
有的岩体通过被结构面切割形成岩块，又被称为结构体。
结构体（岩块）是岩体基本组成部分。
岩石就是由结构面和结构体（岩块）共同组成的。
结构面对岩体的力学性质起着非常关键的控制作用，由于结构面影响着岩体的力学性质以及连续性，大自然中各种自然灾害与结构面有关。
例如：山体崩塌、滑坡、岩爆等。
开展结构面的力学性质研究是评价岩体稳定性的重要因素。
山体的滑坡以及岩爆对人们的生产和生活存在这非常重大的影响，而发生诸多事故的影响因素主要为岩体结构面对岩体强度的影响，所以研究岩石结构面的抗剪切强度以及抗拉强度存在着重要的意义。
在工程中，岩体结构面的破坏主要为剪切破坏，而结构面的抗拉强度几乎可以被忽略，故研究岩体结构面的抗剪特性具有重大意义。
而岩石结构面剪切强度的影响因素也有很多，例如：JRC（岩石结构面粗糙度）、JCS（壁面强度）、法向应力以及结构面充填物等影响因素，而其中较为关键的JRC（结构面的粗糙度），其具有许多性质，二、国内外对岩石结构面剪切强度的研究现状早在1966年国外学者Bardon就提出齿状节理直剪实验，1977年又提出JRC 的概念，归纳了十条标准JRC曲线，从而建立了岩石剪切强度与粗糙度之间的关系。
在此模型基础上，B.I ndraratna在不同法向正应力下，对规则结构面岩体进行直剪实验，证明了法向应力与抗剪切强度的关系。
G.G rasselli（2003）为了力求更真实的结构面粗糙度，通过3D扫描、研究采样方向、采样精度、采样尺寸等评价结果的影响，提出了三维岩体结构面粗糙度评价方法。
岩石力学与工程岩体力学性质
岩石力学与工程岩体力学性质
2021/3/6
8
四、结构面对岩体强度的影响
结构面是通过结构面的产状、形态、延展尺度 等几何特征参数和密集度与充填物等状态，来 描述对岩体强度和工程稳定性影响的。
1.结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动 起控制作用。
2.结构面形态决定结构面抗滑力的大小，当结 构面的粗糙度越高，其抗滑力就越大。
3.结构面的延展尺度在工程岩体范围内，延展 尺度大的结构面程岩体力学性质
2021/3/6
9
三、岩体破碎程度的指标(补充)
1.裂隙度
（1）定义 裂隙度K是指沿着取样线方向，单位长度上节理 的数量。
（2）计算
1）设某节理取样线长度为L，沿L内出现节理的数 量为n，则 Kn L
2021/3/6
岩石力学与工程岩体力学性质
划分依据 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构特征已消失 原生岩体结构特征已消失
7
2）沿取样方向节理的平均间距d为
d 1 L Kn
岩石力学与工程岩体力学性质
2021/3/6
10
2.切割度
（1）切割度
是指岩体被节理割裂、分离的程度。
（2）计算
1）仅含一个节理面的平直断面，节理面面积 a，平
直断面面积A，其切割度 X e 为
Xe
a A
2）当岩体被完全切割时，Xe 1 ；未被切割时，
级 序 结构类型
划分依据
Ⅰ Ⅰ1 块裂结构 多数软弱结构面切割，块 状结构体
Ⅰ2 板裂结构 一组软弱结构面切割，板 状结构体
岩体强度和力学参数.ppt
mb , S, a
--岩体力学参数
GSI根据岩体所处的地质环境、岩体结构特性和表面特性来确 定。但以往在岩体结构的描述或岩体结构的形态描述中缺乏 定量化, 难以准确确定岩体的 GSI 值。为使其描述定量化 , 引入岩体质量 RMR 分级法定量确定岩体质量等级。根据 Z. T. Bieniawski研究认为 , 修正后的 RMR 指标值与 GSI 值 具有等效关系, 确定修正后的 RMR 指标值, 即得出 GSI值。 RMR 分级方法是采用多因素得分, 然后求其代数和 (RMR 值 ) 来评价岩体质量。参与评分的 6 因素 : 岩石单轴抗压强度 ; 岩石质量指标 RQD; 节理间距; 节理性状; 地下水状态; 节 理产状与巷道轴线的关系。在 1989年的修正版中, 不但对评 分标准进行了修正 , 而且对第 4项因素进行了详细分解 , 即 节理性状包括 : 节理长度 ; 间隙 ; 粗糙度 ; 充填物性质和 厚度; 风化程度。 实际应用中应在现场工程地质调查的基 础上, 进行岩体质量指标 RMR 的分析与评价 , 需结合矿区 实际, 在确定优势结构面组后 , 再根据结构面产状与巷道轴 线的关系来确定岩体 RMR 分级节理方向的修正值, 得出岩体 RMR 评分值 , 确定岩体质量等级。（ 参 考 盛 佳 和 李 向 东 基 于 Hoek- Brown强度准则的岩体力学参数确定方法）
岩体强度估算的经验办法
基于岩体弹性波传播速度的经验公式 1)1970 年，日本 Ikeda 提出岩体单轴抗压强度与岩体纵波波速 2 及岩石纵波波速的关系 m
m i , V , , V cm p ci P -- 分别为岩体和岩石的单轴抗压强度与纵波波
cm V p Vi ci p
GSI指标定量化第二种确定方法
【完整版毕业论文】岩石的基本物理力学性质及其试验方法
第一讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一)一、内容提要：本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法，岩石的强度特性。
二、重点、难点：岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。
一、概述岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。
所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。
由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。
岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。
通常认为岩体是由岩石和结构面组成。
所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。
这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。
从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。
因此，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。
【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。
A. 火成岩、沉积岩、变质岩B. 花岗岩、砂页岩、片麻岩C. 火成岩、深成岩、浅成岩D. 坚硬岩、硬岩、软岩答案：A【例题2】片麻岩属于( )。
A. 火成岩B. 沉积岩C. 变质岩答案：C【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是( )。
A. 岩石的种类B. 岩石的矿物组成C. 结构面的力学特性D. 岩石的体积大小答案：C二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法(一)岩石的质量指标与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。
1 岩石的颗粒密度(原称为比重)岩石的颗粒密度是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。
岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。
其试验方法见相关的国家标准。
岩石颗粒密度可按下式计算2 岩石的块体密度岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。
按照岩块含水率的不同，可分成干密度、饱和密度和湿密度。
6、岩体强度试验(岩体结构面直剪试验、岩体直剪试验、混凝土与岩体胶结面直剪试验、荷载试验)
岩体强度试验包括：岩体结构面直剪试验、岩体直剪试验、混凝土与岩体胶结面直剪试验、荷载试验岩体强度试验主要包括岩体抗剪强度试验和岩体现场载荷试验。
岩体抗剪强度是指岩体（结构面、混凝土与岩体）在外力作用下所具有的抵抗剪切破坏的能力。
剪切破坏是工程事故发生的最重要原因之一，测试、研究岩体的抗剪强度特性，用以计算、校核工程抗滑稳定对水电建设工程具有十分重要的意义。
岩体抗剪强度试验包括岩体沿软弱结构面直剪试验、岩体本身直剪试验和混凝土与岩体直剪试验。
现场测定岩体抗剪强度的方法很多，如：直剪试验、三轴试验、扭转试验等，但国内外最常用的是直剪试验。
直剪试验的剪力施加一般又有平推法和斜推法两种。
试验尺寸，国内外不同行业、不同单位也千差万别，但认识是基本一致的，认为试体尺寸决定于岩体中单个岩块的大小和试验精度。
为了充分反映岩体受力后的应力状态和裂隙分布的不均一性，现场应考虑用较大尺寸的试体进行试验。
试体尺寸一般不宜小于 2500cm2。
（一）岩体结构面直剪试验岩体结构面的抗剪强度，是指在外力作用下，结构面所具有抵抗剪切破坏的能力。
岩体结构面直剪试验适用于岩体中的各类结构面，目的是测定岩体沿结构面的抗剪强度、变形特征和破坏规律，为校核坝基、坝肩、地下结构围岩、岩质边坡等沿软弱结构面的抗滑稳定提供抗剪强度参数和应力–应变关系曲线。
试验地段开挖、试体加工应减少对岩体结构面产生扰动和破坏。
试体可在天然含水状态或人工浸水条件下剪切。
每组试验试体数量不宜少于 5 个。
1、试体加工的主要要求试体宜采用方试体，剪切面积不宜小于 2500cm2，最小边长不宜小于 50cm。
试体间距宜大于最小边长，推力方向应与预定剪切方向一致。
试体表面应平行预定剪切面，对加压过程中可能出现破裂或松动的试体，应浇筑混凝土保护套或采取其他保护措施。
对结构面倾斜或有夹泥层的试体，加工时应采取保护措施。
试验前后应对试体及剪切面进行详细描述。
试体描述主要包括：试体制备及出现的情况，岩性，结构面类型、性状、充填物性质，试段岩体完整程度、风化情况等；剪切面描述重点：准确量测剪切面面积，记述剪切面破坏情况、起伏差、擦痕分布、方向等，当结构面内有充填物时，应准确判断剪切面位置，并记述其组成成分、性质、厚度、构造。
岩体结构特征和岩体力学特征
平推断层是由于岩体受水平扭应力作用，使两盘沿断层面发生相对水平位移的断层。 由于多系受剪(扭)应力形成，因此大多数与褶皱轴斜交，与“x”节理平行或沿该节理形成，其 倾角一般是近于直立的。这种断层的破碎带一般较窄，沿断层面常有近水平的擦痕。
隙的总体积与岩石总体积的比，以百分数计。 未受风化或构造作用的侵入岩和某些变质岩，其孔隙度一般是很小的，而砾岩、砂岩等一些
沉积岩类的岩石，则经常具有较大的孔隙度。
3）吸水性 岩石的吸水性一般用吸水率表示，反映岩石在一定条件下(在通常大气压下)的吸水能力。在
数值上等于岩石的吸水重量与同体积干燥岩石重量的比，也以百分数计。岩石的吸水率与岩石 孔隙度的大小、孔隙张开程度等因素有关。岩石的吸水率大，则水对岩石颗粒间结合物的浸润、 软化作用就强，岩石强度和稳定性受水作用的影响也就显著。
（3）碎裂结构。其中镶嵌结构岩体结构体为硬质岩石，具有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。
二、岩体的力学特性 （一）岩体的变形特征
谢 谢！
岩石的抗压强度和抗剪强度，是评价岩石(岩体)稳定性的指标，是对岩石(岩体)的稳定性进 行定量分析的依据。
（2009）某岩石的抗压强度是 200MPa，其抗剪强度和抗拉强度可能约为（ ）。 A. 100MPa 和 40MPa B. 60MPa 和 20MPa C. 10MPa 和 2MPa D. 5MPa 和 1MPa 答案：B 解析：抗剪强度约为抗压强度的 10%～40%，题中抗剪强度为 20～80MPa，抗拉强度仅是抗 压强度的 2%～16%，题中抗拉强度为 4～32MPa，故 B 正确。
结构面的力学效应
结构面的力学效应
图解法，利用正玄定理 (见图）
结构面的力学效应
结构面的力学效应
由图可见，当β1<β<β2时，岩体沿弱面
滑动破坏，而且当
450 s
2
时，岩体的
强度最低，单轴压力强度等于σs1时，
岩体就破坏，弱面的抗剪强度为τs1。
如果β增大或减小，岩体的强度都提高。
当β1>β或β >β2时，岩体就不沿弱面
1
3
=ntg+c
=ntgj+cj
3
1
三、单结构面强度效应
（2） 12时 沿结构面破坏；
（3）<1或>2 时，既不沿结构 面破坏，也不切 岩石破坏。
1 3
=ntg+c
=ntgj+cj
2 1 21
3
1
三、单结构面强度效应
（4）、<1或
>2时剪切岩石
破坏。
（5）＝ 1或 ＝2时沿结构面 与岩石同时破坏；
岩体单轴抗压强度：
m cm in((1f0ctg 2 C 0 0 )sin2 0， 1fJct2 g C Jsin2 )
29
岩石力学
若沿结构面破坏，应满足下列条件：
则有，
由上式可知：
（1）岩体的强度(σ1-σ3)随结构面倾角β的变
化而变化，见图。
结构面的力学效应
（2）当β→φj或β→90°时，岩体不可能沿结构面破
独存在时的强度包络线和应力莫尔圆，
岩体到底沿哪组结构面破坏，由σ1与 各组结构面的夹角所决定。
2
0
Hale Waihona Puke (0=4
+
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
岩体结构面力学性质与岩体强度研究综述摘要：根据野外工程地质调查对工程岩体质量进行评析，在此基础上，运用hoek–brown准则求解工程岩体强度。
并根据岩块的咬合状态及这些块体的表面特征，提出了节理岩体强度的确定方法，
关键词: 岩体结构面；力学性质；岩体强度；
中图分类号：k826.16 文献标识码：a 文章编号：
岩体中存在着纵横交错的各类地质结构面，在力学上则表现为存在着不连续面、弱面或软弱夹层，这些结构面对岩体强度和岩体工程的稳定性起着重要的控制作用。
因此结构面的力学性质和岩体的强度是息息相关的。
1 结构面的力学性质
岩体结构面(structural plane)是指岩体内开裂的和易开裂的面，如层理、节理、断层、片理等，又称不连续面。
岩体结构面力学特征的研究与岩石力学的发展息息相关。
因为工程岩体之所以失稳，影响因素很多，但最关键的问题在于岩体内存在着一些软弱结构面。
目前普遍采用统计分析的方法，找出其分布规律，并应用到工程稳定性分析中。
1.1 结构面抗剪强度
结构面的抗剪强度是表征岩体的结构面力学性质的重要指标，作为表征结构面力学性质的重要指标之一，通常在现场或实验室内
测定。
对于起伏较大的粗糙结构面，按barton公式计算时，jrc值往往是根据结构面产状与标准轮廓线(isrm轮廓线)对比来确定的，由于视觉上的判断易造成较大的误差，国内外学者经过大量的研究，采用各种测量仪表观测和计算机处理。
如barr等人使用粗糙位形标测仪和数字化坐标记录仪测定，得出标准曲线jrc值和分维值d的关系，应用分形理论从一个崭新的角度描述了节理粗糙系数jrc和jrc尺寸效应的特征。
1.2 结构面的变形
关于岩体不连续结构面的变形分析问题，自20世纪60年代初期开始至今已经建立了许多不同层次上的离散模型和数值方法。
以有限单元法为基础，并引入能反映岩体结构不连续性特征的模型以弥补有限元关于不连续性处理的不足，如结合单元法，节理单元法，desai等提出的薄层单元法以及用于模拟多节理岩体的等效连续体模型和损伤模型等。
结合单元法、节理单元法和薄层单元法都是在连续介质的有限元法框架内，引入特殊的界面单元或简单的力学元件以试图反映不连续性．三种方法作为解决不连续变形问题的第一步突破，且便于实施，在工程中得到了较为广泛的应用．
为了突破连续介质计算模型的框架，第二类模型近年来获得了快速发展，并已在固体力学、岩土力学、散体运输、材料、矿冶等多学科中引起广泛关注，其中比较有代表性的方法有离散单元法、刚体一弹簧元模型、非连续变形分析模型等。
2 岩体强度特性的研究
2.1 岩体的强度准则
岩体强度准则的研究已有数十年的历史，到目前为止提出过各种各样的岩体强度准则，但它们大都有一定的适用范围。
强度准则可分为：一类是以力学为基础,通过严谨的数学方法推导得出,称之为“理论强度准则”；一类是以试验为主要研究手段,近似描述岩体的破坏机理,称之为“经验强度准则”。
2.1.1理论强度准则
目前应用于岩石的理论强度准则比较多,如mohr - coulomb 准则、drucker - prager 准则等。
mohr—coulomb强度准则虽然表达式简单、便于工程应用，但却不能描述其中的中间主应力效应和区间效应问题。
鉴于上述原因，又有许多其他类型的强度准则相继被提出，如双剪类准则、三剪类准则等，其中，俞茂宏提出的双剪统一系列强度准则无论在对岩士类介质的强度特征和本构关系的描述上，还是在强度理论体系的完备性上均有较大突破，目前已形成了较为完整和系统的双剪强度理论体系。
节理裂隙岩体的强度研究很早就引起了国内外岩石力学界的普遍重视,jaeger (1960) 对含一组结构面的各向异性岩体,假定岩块与结构面的破坏都满足经典的线性mohr - coulomb 准则,得到含单一结构面岩体的破坏特征是受结构面的方位控制的结论,并推导出相应的理论公式,提出了著名的“单弱面理论”。
2.1.2 经验强度理论
节理岩体是一个复杂系统,其强度的确定需综合考虑岩体结构、岩块强度、节理状况及赋存环境等诸多因素。
因此,应用理论强度准则去揭示复杂节理岩体的强度特性有时变得不现实,那么如何正确预测岩体的强度成为岩石工程建设中必须面临的一个关键问题。
kalamaras提出了一个依据rmr 岩体分类指标,估算折减系数的经验公式；arildpalmstrom 指出节理岩体的强度主要受岩体中结构面的蚀变程度、粗糙度、连续性好坏以及岩块平均体积大小的影响,并用一个节理状态参数(jp) 定量地表示这种影响程度；1980年e·hoek和e·t-brown提出了国际著名的狭义的hoek—brown经验强度准则，1992年e-hoek针对1980年提出的强度准则的不足，提出了狭义hoek—brown经验强度准则的修改式—广义hoek—brown 经验强度准则，并且给出了各类岩体经验参数值。
hoek—brown经验强度准则在提出后短短的20年内，通过弥补mohr—coulomb 强度准则的不足，正视岩体的固有特点和非线性破坏特征，而成为岩体力学中重要的强度理论。
目前，hoek—brown经验强度准则已在国内外地质工程和岩土工程领域得到广泛应用。
2.2 工程岩体强度确定方法
2.2.1 经验类比法
该方法主要是根据现场工程地质条件和室内力学实验结果，结合大量相关已建工程实例综合确定岩体强度的一种方法。
2.2.2 岩体质量评分体系方法
该方法是根据野外工程地质调查对工程岩体质量进行评分，在
此基础上，运用hoek–brown 准则求解工程岩体强度的一种方法。
对于地面开挖工程，几乎所有的分析方法都离不开对岩体强度和变形进行可靠的评价。
hoek-brown根据岩块的咬合状态及这些块体的表面特征，提出了节理岩体强度的确定方法，1973 年bieniawski 在考虑影响岩体质量的5 个因素的基础上提出岩体质量分类的
rmr[1]体系，1988年hoek 和brown 给出了岩石材料系数与rmr 指标之间的修正关系，并提出反算岩体综合抗剪强度的经验公式。
hoek 和brown 认为，当岩体具有4 组或更多组节理面时，可根据对岩体质量综合、定量的评分来确定岩体的抗剪强度指标。
2.2.3 连通率方法
存在于自然界中的岩体，通常都包含有大量呈随机分布的节理面。
当岩体受剪破坏时，滑裂面一部分通过这些节理面，一部分通过这些节理面之间的完整岩石通称“岩桥”，确定由节理和岩桥共同提供的岩体综合抗剪强度，始终是工程界广泛关注的问题。
与这个问题密切相关的，就是确定节理岩体连通率的问题。
由于岩体中节理面的分布情况极为复杂，早期的研究认为确定连通率几乎是不可能的。
现阶段，工程界普遍采用的方法是根据平洞露头面上节理的出露状况或编录资料，采用简单的几何投影方法来确定，没有真正考虑节理岩体复杂的结构形态以及岩桥和节理组合破坏的内在
机制。
近年来，随着计算机科学的发展，在岩石力学领域内，逐渐形成了一门应用蒙特卡洛法产生节理岩体的模拟网络图像，进而在此模拟网络上研究其力学特性的学科，为合理的确定节理岩体的连
通率以及估算节理岩体的综合抗剪强度提供了有力的工具，将逐步逼近该信息的真实值。
参考文献
[1]蒋建平，章杨松，罗国煜等.优势结构面理论在岩土工程中的应用.[j].水利学报.2001.8.
[2]李铁峰，潘懋，刘瑞珣.基岩斜坡变形与破坏的岩体结构模式分析.[j].北京大学学报（自然科学版）.2002.38.2.
[3]杜时贵，潘别桐. 岩石节理粗糙度系数的分形特征.水文地质工程地质，1993(3):36-39.。