岩体结构面的变形与强度性质

本科毕业设计（论文）开题报告

题目岩体结构面的变形与强度性质指导教师

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日期2011年3月25日

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一、研究的目的、意义和现状

研究目的和意义

结构面及其工程性质的复杂性是造成岩体工程性质千差万别的最根本原因，结构面的研究是分析工程岩体性质的基础性工作。工程实践反复证明，自然岩体和工程岩体的失稳源于结构面，岩体的破坏机制在很大程度上受结构面控制，因结构面而造成失事的工程实例国内外已不鲜见。研究结构面的力学性质是评价岩体稳定性的关键问题，因此，本文对此进行研究。

在岩体建造和改造过程中，经受了各种复杂的地质作用，因而在岩体中发育有断层、节理和各种裂隙等结构面，实验题物理性质十分复杂。由于结构面的存在，特别是软弱夹层的存在，极大地削弱了岩体的力学性质及其稳定性。结构面的变形与强度性质往往对工程岩体的变形和稳定性起着控制性作用。在国内外已建和在建的岩体工程中普遍存在有软弱夹层问题。如黄河小浪底水库工程左坎肩砂岩中由薄层粘土岩泥化形成的泥化夹层；葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层，还有长江三峡自然岸坡中的各种软弱夹层等。都不同程度地影响和控制着所在工程岩体的稳定性。对岩体结构面力学性质的研究，是岩体力学和工程地质学中重要的研究课题之一，在工程实践中有以下意义：

(1)大量的工程实践表明：在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。如法国的马尔帕塞坝坝基岩体、意大利瓦依昂水库库岸滑坡、中国拓溪水库塘岩光滑坡等等，都是岩体沿某些软弱结构面滑移失稳而造成的。这时，结构面的强度性质是评价岩体稳定性的关键。

(2)在工程荷载作用下，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组分，控制着工程岩体的变形特性。

(3)结构面是岩体中渗透水流的主要通道。在工程荷载作用下，结构面的变形又将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。因此，预测工程荷载作用下岩体渗透性的变化，必须研究结构面的变形性质及其本构关系。

(4)工程荷载作用下，岩体中的应力分布也受结构面及其力学性质的影响。

由于岩体中的结构面是在各种不同地质作用中形成和发展的。因此，结构面的变形和强度性质与其成因及发育特征密切相关[1-2]。

研究现状

结构面对工程岩体的完整性、渗透性、物理力学性质及应力传递等都有显著的影响，是造成岩体非均质、非连续、各向异性和非线弹性的本质原因之一。因此，全免深入细致地研究结构面的特征是岩体力学中的一个重要课题。岩体结构面对工程岩体的地质特性有着重要影响。岩体中结构面的分布位置、产状、规模、隙宽、充填物特征、结构面力学性质以及不同结构面之间的切割与组合关系等因素不同程度地控制着岩体的工程地质特性。岩体结构面是影响工程岩体稳定性的决定性因素。谷德振教授[1]，对岩体结构面与工程岩体稳定性的关系作了科学概括，即岩体的完整性取决于结构面的数量多少和性质；岩体的稳固性取决于结构面的几何形态和软弱结构面的泥化程度即结构面的抗滑阻力。

二十世纪五、六十年代法国玛尔帕塞薄拱坝和意大利瓦依昂薄拱坝失事，使得人们对工程岩体的结构特征、岩体的力学属性、岩体的变形破坏机制与过程愈来愈重视，各国学者通过许多大型工程实践和一系列灾害性的岩体失稳时间逐步总结和认识到了岩

体中的各种结构面对岩体变形及稳定性所引起的重要作用。二十世纪世纪五十年代以来，人们对岩体结构面的地质特征、几何要素及力学特性进行了广泛且深入的研究。由于岩体结构面大多深埋于岩体内部，其分布又多是随机的，因此对结构面特征的研究受到很大的限制。通过大量的工程实践表明，岩体结构面的几何要素具有较好的统计分布特征，可以用统计特征表征岩体的结构面各几何要素，如结构面的产状、分布、性质及规模。通过对揭露的结构面地质特征、工程特性、几何要素参数的研究，对工程区内的岩体结构面进行分组，求取优势产状，可以获得科学有效的结构面几何要素参数，认识、了解一般情况下难以观测、深埋岩体内部的结构面的组合特征，进而深入的研究岩体结构面的性质，有利于岩体破坏机理的分析及对工程区域内的岩体结构进行直观而有效的整体把握[2]。同时也有利于获得一系列重要的岩体物理、力学参数，用于评价岩体的质量、物理力学性质，有利于对岩体结构特征进据化管理、模拟及再现。

由于岩体结构面对工程岩体的工程地质特性有着重要影响，国内外关于岩体结构面地质特征及几何要素的许多方面都进行了较为深入的研究。在分析工程地区结构面的工程特性时，需要首先对岩体结构面进行科学合理的分组，近些年不少学者将聚类分析、模糊数学等理论运用到优势组划分的研究中。

二十世纪五十年代，以L．Muller为代表的奥地利学派最早认识到结构面对岩体力学特征和工程稳定性引起控制作用，并认为结构面是构成岩体和岩块力学与工程特性差

异的根本原因，从此开辟了结构面研究的先河。六十年代谷德振、孙玉科提出了“岩体结构”概念和岩体结构控制岩体稳定的重要研究。随后孙广忠[3]进一步以“岩体结构控制论"为指导研究了岩体变形．、岩体破坏及岩体力学性质的基本规律，建立了完整的岩体结构力学体系，他认为结构面是由一定的地质实体抽象出来的概念，在横向延伸上具有面的几何特征，而在垂向上则与几何中的面不同，它常充填有一定的物质、具有一定的厚度。

1978年，国际岩石力学学会实验室和野外试验标准化专门委员会提出了《对岩体中结构面定量描述的推荐方法》，其中规定了对结构面10个描述指标，包括结构面产状、间距(或密集程度)、延续性、粗糙程度、侧壁抗压强度、充填情况、2数和块体大小等。自二十世纪七十年代以来，范留明博士、Hudson[4]等人用概率统计方法对结构面的几何特征指标进行了定量描述。随后人们对结构面的产状、迹长及估算方法、大小、形态、间距、粗糙度及连通率进行了深入的研究。从结构面的几何要素研究来看多侧重于统计方法从宏观上反映岩体结构面的空间展布的规律，对于整个岩体形成过程的力学机理以及岩体变形、破坏等规律认识有很好的指导作用。

野外采集结构面样本数据的调查方法主要有：人工测量法、图像摄录分析法与立体相对摄录分析法三种。工程实际中常采用人工测量法，但用摄影照相及数字识别技术对岩体结构面进行识别，国内外关于这方面的研究也有不少，应用效果也较为理想[5][6]。关于节理样本产状分布特征方面的研究自20世纪60年代以来就备受人们关注，C．Bingham[7]提出著名的Bingham提出分布，并研究节理极点的球状分布特征。

P.H.S.W.Kulatilake[8][9]研究节理产状的双变量正态分布特征，并进行了不连续面产状的Fisher分布模型拟合。Gaziev和Tiden[10]通过统计方法研究发现，结构面的倾向和倾角服从正态分布。

关于岩体结构面分布密度已经有不少学者进行了相关研究，如伍法权[11]，陈剑平[12][13]，潘别桐、杜时贵等。陈剑平的研究给出了结构面线密度、面密度以及体密度之问的相互关系，但是对于基本的线密度求算却不够完善；杜时贵[14]介绍了国内外有关各种估值方法，但是未曾考虑到各种密度之间的相互关系：黄国明[15]分别就测线取样法提出了线密度的确定方法和就窗口取样法提出面密度估值方法，但是同样未能反映线、面密度之间的关系，而且认为线密度是各条测线所得密度的平均值，未能考虑测线长度的影响。

岩体结构面的迹长是指平面上看到的结构面的长度，是反映结构面大小的重要参