5结构面的变形与强度性质
岩石力学---第二章 岩体的力学性质
①结构面的接触是点接触，接触点为边长为h的正方形，接触 点有n个； ②每个接触点所受的力是相等的； ③每个接触点的力学特性是相同的。
点接触荷载表面平均位移：
m1 Q 2 m d212
EA
nEh2
弹性位移， 作用于结构面上的均布载荷;
m与接触面形状有关的系数，当接触面为圆形，m0.96
3、充填结构面抗剪强度
当结构面中充填有某种软弱物质时，随着充填厚度的增大， 结构面的抗剪强度显著下降，一旦充填物厚度超过结构面表面 起伏幅值时，则结构面抗剪强度由充填物的厚度缩控制。
第四节 结构面的力学效应
一、单结构面力学效应
1 2121 213co 2 s
1213sin2
结构面抗剪强度符合库仑准则：
描述结构面密集程度的基本概念
裂隙度:沿测线方向单位长度所穿过的结构面数量。
Kn L
dL n
n：节理数；L：测线长度 d ：节理平均间距
当岩体中存在多组节理时，此时裂隙度K为各组节理裂隙度之
和
KK aK b K n
切割度:表示岩体被结构面切割的程度。
Xe
a A
a：结构面面积；A：假想断面面积
当岩体中存在多组结构面时，此时切割度为：
结构面抗剪强度与与结构面位置关系：
1
3
0 j 45 j 90
2
例2-1 某岩石边坡由闪长岩组成，其抗剪强度指标 C40k0g/cm2,
30 , 边坡内有一结构面。结构面强度性质 Cj 20k0 g /cm 2,j 20,
结构面倾角 45,为防止下滑，而采取加固措施，使边坡获得侧 向应力 310k0g/cm2。求边坡极限抗压强度；如果结构面倾角为30 度，求极限抗压强度是增大还是减小？
结构面的变形与强度性质
在实际工程中，需要综合考虑结构面的变形和强度性质，合 理设计工程结构以确保其安全性和稳定性。同时，还需要通 过试验和数值模拟等手段深入研究结构面变形与强度的相互 作用机理，为工程实践提供科学依据。
PART 04
结构面稳定性评价
稳定性评价方法
极限平衡法
通过计算结构面上的抗滑力与下滑力之比，即安全系数，来评价结构面的稳定性。该方法 简单易行，但忽略了结构面的变形和强度性质的非线性特征。
地质环境
描述工程所在地的地形地 貌、地层岩性、地质构造、 水文地质条件等。
结构面发育情况
阐述工程影响范围内结构 面的类型、规模、产状、 组合特征等。
结构面变形与强度性质分析
结构面变形性质
01
分析结构面在受力作用下的变形特征，如弹性变形、塑性变形、
蠕变等。
结构面强度性质
02
探讨结构面的抗剪强度、抗拉强度、抗压强度等力学性质。
影响因素
结构面的强度性质受多种因素影响，如岩性、结构面形态、充填物性质、含水状态、温度等。其中， 岩性和结构面形态是影响结构面强度的内在因素，而充填物性质、含水状态和温度等则是外在因素。 这些因素共同作用，导致结构面强度性质的复杂性和多变性。
PART 03法向刚度和 剪切刚度发生变化，从而影响其
分类
根据结构面的成因、形态和物质组成 等特征，可将其分为原生结构面、构 造结构面和次生结构面三类。不同类 别的结构面具有不同的强度性质。
强度测试方法
直接剪切试验
通过模拟结构面上的剪切作用，测定结 构面的抗剪强度。该方法简单易行，但 难以反映结构面的真实受力状态。
拉伸试验
通过拉伸作用测定结构面的抗拉强度。 由于拉伸试验难以实现，因此实际应 用较少。
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
岩体力学
0绪论1岩石力学：力学的一个分支学科，是研究岩体在各种应力场条件下的变形与破坏规律的理论及其应用的科学，是一门应用性基础学科。
2研究内容：●岩块岩体地质特征的研究●岩石的物理，水理，力学性质的研究●结构面的力学性质研究●岩体力学性质研究●天然应力分布及其量测的理论方法的研究●岩体分类及其方法的研究●岩体变性破坏机理及其本构方程与破坏判据的研究●边坡岩体，地基岩体，地下洞室围岩等工程岩体的稳定性研究3研究方法●工程地质研究法●实验法●数学力学分析法●综合分析法1岩体性质与结构特征1岩体：在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络形成的，具有一定结构并赋存在一定的天然应力状态和地下水等地质坏镜中的地质体，是岩体力学研究的对象。
2岩块：不含显著结构面的岩石块体，时构成岩体的最小岩石单元体3岩块结构：岩石内矿物颗粒的大小，性准过，排列方式和颗粒间的连接方式以及微结构面的发育情况等反映在岩块构成上的特征4联结方式●结晶联结结晶越细越均匀非晶质越少岩石强度越高●胶结联结胶结物成分硅质>钙质铁质>泥质胶结类型基底式>孔隙式>接触式5微结构面：存在与矿物颗粒内部或颗粒间的软弱面或缺陷6岩块的构造：矿物集合体之间及其与其他组分之间的排列组合方式7结构面：地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相随较小的地质界面或带7结构面分类●原生结构面沉积结构面⏹层理层面⏹软弱夹层⏹不整合面，假整合面⏹沉积间断面岩浆结构面⏹侵入体与围岩接触面⏹岩浆岩墙接触面⏹原声冷凝节理变质结构面⏹片理⏹片岩软弱夹层⏹片麻理⏹板理千枚理●构造结构面节理断层层间错动羽状裂隙，霹理●次生结构面卸荷裂隙风化裂隙风华夹层泥化夹层次生夹泥层8结构面规模与分级延伸：破碎带宽Ⅰ级公里至数十公里米至数十米乃至数百米Ⅱ级百米至数千米数十厘米至数米Ⅲ级十米至百米厘米至1米Ⅳ级数十厘米至20-30米0至数厘米Ⅴ级9结构面特征●产状（走向倾向倾角）●连续性线连续性系数（K1）：沿结构面延伸方向上，结构面各段长度之和与测线长度的比值迹长：结构面与露头面交线的长度面连续性系数●密度线密度(Kd)：结构面法线方向单位侧线长度上交切结构面的条数间距（d）：同一组结构面法线方向上相邻两结构面的平均距离●张开度：结构面两壁面间的垂直距离●形态侧壁起伏形态粗糙度（粗糙度系数JRC）●结构面组合关系10软弱结构面：岩体中具有一定厚度的软弱带（层），与两盘岩体相比具有高压缩性何地轻度的特征，在产状上多数缓倾角结构面11泥化夹层：含泥质的软弱夹层经一系列的地质作用演化而成的12泥化夹层特性●由超固结状态变成泥质散状结构或泥质定向结构●黏粒含量高●含水量接近宿限，密度比原岩小●强度低，压缩性高●抗冲刷能力差易产生渗透变形13结构体：由结构面网络所围成的岩石块体14岩体结构：岩体中结构体和结构面的排列组合特征15岩体结构类型划分●整体状结构●块状结构●层状结构●碎裂状结构●散体状结构2岩体的物理力学性质1研究岩块的意义●岩体性质接近岩块性质时，可通过岩块的力学性质外推岩体力学性质●岩块是岩体的组成部分研究岩体是不能忽略岩块性质的研究●评价石材性能时必须研究岩块的相关性质●评价岩体的可钻性和可破碎性时必须研究岩块的相关性质●工程岩体分类时岩块强度和变形模量作为分类目标必须研究岩块的相关性质2岩块的物理性质●岩石密度颗粒密度（ps）：岩石中固体相部分的质量与体积的比值块体密度：岩石单位体积内的质量⏹干密度（）⏹饱和密度⏹天然密度●岩石的空隙性总空隙率（n）总开空隙率(no)大开空隙率(nb)小开空隙率(na)闭空隙率（nc）3岩石的水理性质●吸水性：岩石在一定条件下吸收水分的能力吸水率*（Wa）：岩石试件在大气压力和室温下吸入水的质量和岩样干质量之比 饱和吸水率（Wp）:岩石试件在高压或真空条件下吸入水的质量和岩样干质量之比 饱水系数：岩石吸水率和饱和吸水率之比●软化性：岩石浸水饱和后强度降低的性质软化系数（KR）：岩石试件的饱和抗压强度和干抗压强度的比值●抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的能力抗冻系数（Rd）：岩石试件在反复冻融后的干抗压强度和冻融前的干抗压强度的比值质量损失率（Km）:冻融实验前后干质量的差值和冻融前干质量的比值●透水性：在一定水力梯度和压力差作用下，岩石被水透过的性质渗透系数（K）：表征岩石被水透过能力的重要指标●膨胀性：岩石浸水后体积增大的性质自由膨胀率（V）：岩石试件在无任何约束条件下进水后膨胀变形与原尺寸的比值 侧性约束膨胀率（VHp）具有侧向约束的岩石试件浸水后产生的轴向变形与原尺寸的比值膨胀压力：岩石试件浸水后使试件保持原有体积所施加的最大压力：●崩解性：岩石与水相互作用后失去黏性，并变成完全丧失强度的松散物质的性能4岩块的变形性质●单轴压缩条件下的变形性质连续加载下的变形性质⏹应力-应变全过程曲线✧孔隙裂隙压密阶段原有张开性结构面和微裂隙闭合✧弹性变形和微破裂稳定发展阶段弹性极限屈服极限✧非稳定破裂发展阶段峰值强度✧破坏后阶段残余轻度⏹变形参数✧变形模量（E）：单轴压缩条件下，轴向应力和轴向应变的比值✧弹性模量：当岩石应力应变曲线为直线时，变形模量为一常量，数值上等于直线斜率，由于其变形为弹性变形称为✧初始模量（Ei）：曲线原点出的切线斜率✧切线模量（Et）：曲线上任一点的切线斜率✧割线模量（Es）：曲线上某特定点和圆点连线的斜率，通常取一半的单轴抗压强度处的点✧泊松比（u）：单轴压缩条件下横向应变与轴向应变之比循环荷载下的变性特征⏹弹性后效（弹性滞后）：循环荷载作用下，多数岩石的大部分弹性变形能在卸载后很快恢复，而小部分须经一段时间后才能恢复，应变回复总是落后应力恢复的现象⏹岩石记忆：逐级一次循环加载条件下，应力应变曲线与连续加载条件下的曲线基本一致，说明加卸载过程并没改变岩快变形的基本习性，这种现象称⏹回滞环：在循环荷载条件下，每次的加卸载曲线都不重合，且围成一环型面积⏹疲劳强度：●三轴压缩条件下的岩块变形性质三轴实验真假围岩对岩块变性破坏的影响⏹破坏前岩块的应变随围压的增加而增加⏹随围压的增大，岩块的塑性增大，由脆性破坏转为延性破坏✧应变硬化现象：试件的承载力随围压的增长稳定增长的现象✧转化压力：岩石由脆性变化转化为延性的临界围压✧延性度：岩石破坏前的总应变，是区分脆性破坏和岩性破坏的指标●岩块的蠕变性质流变：在外部条件不变的情况下，岩石的变形或应力随时间变化的现象蠕变：岩石在恒定荷载作用下，变形随时间而逐渐增大的性质流变：岩石在变形不变的条件下，应力随时间二变化的现象弹性后效：蠕变曲线特征⏹初始蠕变阶段曲线下凹应变率随时间增大较快⏹等速蠕变阶段近直线⏹加速蠕变阶段曲线上凹应变率随时间迅速增加长期强度：影响蠕变的因素岩性应力温度湿度5岩块的强度性质●抗压强度单轴抗压强度：在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力三轴压缩强度：时间在三向压力作用下能抵抗的最大轴向应力●单轴抗拉强度：岩块试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力直接拉伸法间接拉伸法⏹劈裂法⏹点荷载试验⏹抗弯法●剪切强度：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力抗剪断强度：在一定法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力抗切强度：法向应力为零时沿预定剪切面剪断时的最大剪应力抗剪强度（摩擦强度）：在一定法向应力作用下，沿已有破裂面剪断时的最大剪应力方法⏹直剪试验⏹变角板剪切试验⏹三轴实验6影响岩块变形与强度的因素●实验条件加载方式与加载速率试件的形状和尺寸，断面条件●岩体本身性质●环境因素（温度，湿度，水）3结构面的变形与强度性质1研究意义●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●结构面及其填充物的变形是岩体变形的主要组分●结构面试岩体中渗透水流的主要通道●岩体中的应力分布也受结构面极其力学性质的影响2结构面的变形性质●法向变形性质开始时变形迅速增长当法向应力到一定值时雨岩块的变形曲线大致平行初始阶段的变形主要是结构面闭合大约在1/3 处以岩块的变形为主以为渐近线最大闭合量小于结构面的张开度●循环荷载下的变形性质仍以为渐近线卸载刚度比加载刚度大随循环次数增加变形曲线整体左移，且能显示滞后和非弹性变形每次循环载荷曲线形状相似●结构面法向刚度：在法向作用力下，结构面产生单位变形所需要的应力室内压缩试验现场压缩试验（中心孔承压板法）●结构面剪切变形性质剪切变形特征⏹均为非线性曲线塑性变形：无明显的峰值强度和应力降，且峰值强度和残余强度相差很小，曲线斜率连续变化脆性变形：有明显的峰值强度和应力降，开始时剪切变形随应力增加缓慢，峰值后剪切变形增加较快⏹结构面峰值位移受风化程度影响⏹同类结构面而言，风化的结构面剪切刚度比未风化的小⏹剪切刚度有明显尺寸效应⏹剪切刚度随法向应力增大而增大剪切刚度：室内剪切实验现场剪切试验4结构面的强度性质●平直无填充结构面●粗糙起伏无填充结构面规则锯齿形结构面不规则起伏结构面剪胀角：剪切位移的轨迹线与水平线的夹角非贯通断续结构面具有填充物的软弱结构面5结构面抗剪强度参数的确定●实验法●参数反演法●工程地质类比法4岩体力学性质1岩体的变形性质●岩体变形实验静力法⏹承压板法⏹钻孔变形法⏹狭缝法动力法声波法地震波法2影响岩体变形性质因素岩性结构面发育特征载荷条件，试验尺寸，试验方法温度湿度水6岩体天然应力1天然应力：人类活动之前存在于岩体中的应力2天然应力分布规律●主应力以压应力为主，方向基本垂直和水平●天然应力场是一个相对稳定的非稳定应力场●垂直天然应力随深度线性增长●水平天然应力分布复杂以压应力为主水平应力大于垂直应力两个水平应力不相等单薄山体，谷坡附近及未受构造变动的岩体中水平应力小于垂直应力●天然应力比值系数随深度减小●相对大的区域内最大主应力方向基本稳定●区域构造场常决定局部点的主应力●天然应力为三维状态3天然应力的测量●应力恢复法●套心法●水压致裂法4影响天然应力分布的因素：●地形起伏●地表剥蚀●结构面●岩体性质●地下水●地温5高地应力的特征●岩芯饼化现象●地下洞室施工过程中出现岩爆，剥离●边坡上出现错动台阶●原位变形曲线的变化●软弱夹层内物质被挤出，节理闭合7岩体本构关系与强度理论1岩体本构关系：岩体在外力作用下，应力或应力速率与其应变或应变速率的关系2岩体强度理论：研究岩石在一定假说条件下在各种应力状态下的强度准则的理论3岩体破坏机制：张破坏剪破坏结构体沿软弱结构面滑动结构体转动倾倒溃屈弯折。
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
结构面的力学性质
机械结构面包括轴承、齿轮、 连杆、曲轴等，需要具备足够 的强度、刚度和耐久性，以确 保机械设备的正常运行和使用 寿命。
机械结构面的材料选择和加工 精度对其力学性质有着重要影 响，需要根据实际需求进行选 择和加工。
交通工具结构面
交通工具结构面是交通工具中承受和传 递载荷的重要部位，其力学性质直接影 响到交通工具的安全性和可靠性。
感谢聆听
交通工具结构面的材料选择和构造方 式对其力学性质有着重要影响，需要 根据实际情况进行选择和优化。
交通工具结构面包括车架、车轮、机翼、机 身等，需要根据不同的受力特点和要求进行 合理的设计和制造，以确保交通工具的安全 可靠。
04
结构面力学性质的研究方法
实验研究
1
实验是研究结构面力学性质的重要手段，通过实 验可以获得结构面的抗剪强度、摩擦角、内聚力 等参数。
按物质组成分类
可分为软弱夹层、粘土层、砂 层、岩浆岩、沉积岩等。
02
结构面的力学性质
结构面的强度
结构面抗拉强度
结构面抗剪强度
结构面抗压强度
结构面抗弯强度
结构面在拉力作用下能 够承受的最大拉力。
结构面在剪切力作用下 能够承受的最大剪切力。
结构面在压力作用下能 够承受的最大压力。
结构面在弯曲力作用下 能够承受的最大弯矩。
通过数值模拟可以模拟不同工况下的结构面行 为，如应力分布、应变分布、位移变化等，从 而对结构面的稳定性进行评估。
数值模拟需要使用专业的数值分析软件，如 ANSYS、ABAQUS等，同时需要建立合适的数 值模型，以确保模拟结果的准确性和可靠性。
理论分析
01
理论分析是一种基于数学和物理原理的分析方法，可以对结 构面的力学行为进行理论推导和分析。
岩体力学
1）岩体力学：是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。
2）岩体力学的研究对象，不是一般的人工材料，而是在天然地质作用下形成的地质体。
3）研究方法：1工程地质研究法；2实验法；3数学力学分析法；4综合分析法.第二章1）岩块：指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。
2）岩石：是由具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集合体组成的。
3）岩石的粒间连结分结晶连结与胶结连结两类。
4）胶结类型：基底式胶结（强度最高）；空隙式胶结（次之）；接触式胶结（最低）5）国家<岩土工程勘察规范>提出用风化岩块的纵波速度，波速比和风化系数等指标来评价岩块的风化程度。
6）结构面：指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。
它包括物质分异面和不连续面，如层面，不整合面，节理面，断层，片理面等。
7）根据地质成因的不同，可将结构面划分为原生结构面，构造结构面和次生结构面三类。
8）结构面的规模大小不仅影响岩体的力学性质，而且影响工程岩体力学作用及其稳定性。
9）结构面可分为5级（P13）；1，2级结构面又称为软弱结构面；3级结构面多数也为软弱结构面；4，5级结构面为硬性结构面。
4级结构面主要控制着岩体的结构，完整性和物理力学性质，是岩体结构研究的重点。
10)结构面特征及其对岩体性质的影响：1产状；2连续性；3密度；4张开度；5形态；6冲天胶结特征；7结构面的组合关系。
11）岩体：是指在地质历史过程中形成的，由岩石单元体（或岩块）和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。
12）岩体是由结构网络及其所围限的岩石块体所组成。
岩石块体或岩石单元体被称为结构体，它的大小，形态及其活动性取决于结构面的密度，连续性及其组合关系。
13）迪尔和米勒提出以岩块的单轴抗压强度和模量比作为分类指标。
岩体力学第三章PPt 刘佑荣 化学工业出版社1
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法向刚度及其确定方法
（3）经验公式
JCS为结构面的壁岩强度,一般用L型回弹仪在野外测定,确定方法是用试验测得的回弹值R与岩石重度,查图3-9或用式(3-19)计算求得JCS(MPa)
3.2.2结构面的剪切变形性质
⚪大量的实验资料表明,一般结构面的基本摩擦角φu在25°-35°之间，。因此上式第二个式子右边第二项应当就是结构面的基本摩擦角，而第一项的系数取整数2。处理后变为： 再代入上式第一个式子得到巴顿不规则粗糙起伏结构面的抗剪强度公式：
壁岩强度
粗糙度系数
不规则起伏结构面
⚪莱旦依和阿彻姆包特：从理论和实验方法对结构面由剪胀到啃断过程进行全面研究提出经验方程：
古德曼提出双曲线拟合法向应力与闭合面变形间的本构方程：
Goodman方程所给曲线与实验曲线区别 Goodman方程所给曲线的起点不在原点而是在轴左边无穷远处。出现了一个所谓的初始应力σi适用范围：对于那些有一定滑错位移的非合性结构面,大致可以来描述其法向变形本构关系
法向变形本构方程
班迪斯在大量实验的基础上提出的本构方程：
一件含结构面的岩石试块（灰岩）
剪切仪上进行剪切试验。
得到应力应变曲线，如图(3-11）
剪切变形特征
卡尔哈韦方程
τ=△u/(m+n△u)式中，m，n为双曲线的形状系数，m=1/Ksi,n=1/τult,Ksi为初始剪切刚度 (定义为曲线 原点处的切线斜率)；τult为水平渐近线在τ轴上的截距。
剪切变形本构方程
将上式与库仑-纳维尔方程（τn =σntanφb）对比：
岩土力学总复习
岩土力学总复习内容与要求第一部分土体力学绪论第1章土体中的应力第2章地基变形计算第3章土压力理论第4章土的抗剪强度与地基承载力第5章土坡稳定性分析第二部分岩体力学绪论第1章岩块、结构面、岩体的地质特性简介第2章岩石(块)的物理、水理与热学性质第3章岩块(石)的变形与强度第4章结构面的变形与强度第5章岩体的力学性质第6章岩体中的天然应力第7章地下洞室围岩稳定性分析第8章岩体边坡稳定性分析符号说明：◆掌握(含记住)▲理解△了解第一部分土体力学绪论◆土力学的研究对象、研究内容、研究任务及土体的工程特性(与一般连续体相比)▲土体在工程建筑中的三种用途第1章土体中的应力§1.1 概述▲地基附加应力σz是引起地基变形破坏的根源§1.2 土体的自重应力(σcz)◆σcz的概念◆σcz的计算方法(含有地下水与不透水层的情况)§1.3 基底压力(p)与基底附加压力(p 0)◆p 、p 0的概念◆影响p 的因素有哪些？◆计算、的已知斜向偏心荷载竖向偏心荷载竖向中心荷载0p p e ⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎭⎬⎫，P13式1-14要求记住。
§1.4 地基中的附加应力(σz )◆布氏解的假设前提及其适用范围◆局部荷载下σz 的影响因素◆矩形基础在⎪⎩⎪⎨⎧竖向梯形荷载竖向三角形荷载竖向均布荷载下σz 的计算其中注意B 边的取法与角点法、等效均布荷载法的应用◆条基均布荷载与三角形荷载下σz 的计算◆圆形基础均布荷载与三角形荷载下σz 的计算(前者r 范围，后者基底投影内)说明：σz 计算中，地基附加应力系数可查表！若遇到，会给出表。
◆非均质地基中的附加应力集中现象与附加应力扩散现象及其概念第2章 地基变形计算§2.1 概述◆地基变形按成因的分类◆地基变形按计算原理的主要方法§2.2 分层总与法(应力比法)◆计算原理与主要计算步骤▲具体计算方法§2.3 规范法◆计算原理与计算步骤▲具体计算方法▲平均附加应力系数的含义△规范法的优点§2.4 相邻荷载对地基变形的影响▲采用分区后叠加法§2.5 e-lg σ法(考虑应力历史法)◆正常固结土、超固结土、欠固结土变形计算中的压缩、再压缩与压缩指数(Cc)、回弹指数(Ce)的应用(公式不需死记)§2.6 弹性力学公式法(三向变形效应法)△一般了解§2.7 饱与粘性土的渗透固结▲渗透固结的影响因素及研究意义▲一维渗透固结理论的基本假设△固结方程的推导过程◆固结度的概念及其应用、固结层厚度(H)的取法第3章土压力理论§3.1 挡土墙上的土压力◆土压力的概念及其影响因素◆土压力的类型p0、p a、p p◆静止土压力的计算§3.2 朗肯土压力理论◆朗肯土压力理论的前提假设◆无粘性土、粘性土的主动土压力与被动土压力的计算方法◆填土分层、有地下水与表面有均布荷载情况下朗肯土压力的计算§3.3 库仑土压力理论◆基本假设◆无粘性土的库仑土压力计算原理△粘性土的库仑土压力计算原理◆坦墙的概念第4章土的抗剪强度与地基承载力§4.1 土的抗剪强度◆土的抗剪强度概念及剪切破坏本质与破坏条件△测定抗剪强度的常用方法◆掌握库仑公式的总应力法与有效应力法的表示方法◆莫尔-库仑强度理论的公式法与图解法◆直剪试验条件对实际排水条件的模拟△孔隙水压力系数A、B的确定方法◆应力路径的概念及正常固结土与超固结土应力路径的不同§4.2 (浅基础)地基承载力概述◆地基破坏的基本模式、阶段与界限荷载◆地基承载力与地基承载力特征值的概念§4.3 地基承载力的理论公式法◆临塑荷载公式法与临界荷载公式法的基本原理◆通过极限承载力通式分析地基承载力的组成及其影响因素§4.4 地基承载力的原位试验法与§4.5 地基承载力的经验法△一般了解第5章土坡稳定性分析§5.1 概述◆影响土坡稳定性的因素§5.2 无粘性土坡稳定性分析◆无粘性土坡稳定性分析方法§5.3 粘性土坡稳定性分析◆(瑞典)圆弧法的计算原理及确定滑弧圆心的技巧△毕肖普(圆弧)条分法的计算原理及设定圆心与分条的技巧◆掌握费伦纽斯法、毕肖普法与简化毕肖普法在计算原理上的区别△不平衡推力传递法与复合型滑面的土坡稳定性计算原理§5.4 土坡稳定性分析中的若干问题△一般了解第二部分岩体力学绪论◆岩体力学的研究对象与任务◆(工程)岩体的概念及其工程特性第1章岩块、结构面、岩体的地质特性简介§1.1 岩块的地质特性◆岩块及其结构的概念§1.2 结构面的地质特性◆结构面、软弱结构面与泥化夹层的概念▲结构面在岩体工程稳定性中的重要作用§1.3 岩体的地质特性◆岩体结构的概念及其分类方案§1.4 岩体的工程分类简介◆岩块的力学强度分类、RQD概念▲巴顿岩体质量(Q)分类中三项指标的含义第2章岩石(块)的物理、水理与热学性质§2.1 岩石的物理性质◆岩石空隙性中的n=n o+n c=(n a+ n b)+n c§2.2 岩石的水理性质◆岩石的吸水率、饱与吸水率、饱水系数、软化系数与抗冻系数的定义及其与空隙性指标的关系§2.3 岩石的热学性质(不作要求)第3章岩块(石)的变形与强度§3.1 概述△岩块力学属性的基本类型§3.2 岩石(块)的变形性质一、单轴压缩下的变形◆岩块的变形阶段、机理及特征指标◆动荷载、蠕变荷载、弹性滞后、应变强化、回滞环、岩石的“记忆”、疲劳破坏与疲劳强度等概念▲荷载条件对岩石变形的影响二、三轴压缩下的变形△一般了解三、岩石的蠕变性◆岩石的蠕变、流动、长期强度、极限长期强度的概念◆蠕变类型、蠕变阶段的划分▲M、K、Bu蠕变模型及其本构方程、本构曲线§3.3 岩石(块)的力学强度◆岩块单轴抗压强度(σc)概念及其影响因素◆岩块三轴抗压强度(σ1m)概念及其影响因素◆岩块单轴抗拉强度(σt)概念◆岩块抗剪强度(τf)概念及其按试验方法的分类§3.4 岩石(块)的破坏判据◆岩石破坏判据与强度理论的概念◆库仑—纳维尔判据与莫尔判据的基本原理◆格列菲斯判据与修正格列菲斯判据的本质及其区别第4章结构面的变形与强度§4.1 结构面的变形性◆结构面的法向刚度与剪切刚度的概念§4.2 结构面的力学强度(τf或c j、φj)△平直无充填结构面、粗糙起伏结构面、非贯通的断续结构面、具有软弱物充填的结构面4类结构面力学强度的主要特征第5章岩体的力学性质◆控制岩体力学性质的主要因素§5.1岩体的变形性质△岩体变形的主要试验△岩体变形参数(E m、E me)的静力载荷试验法的确定原理△岩体变形的组成、类型及其特征◆岩体变形结构效应的概念§5.2 岩体的强度性质◆岩体剪切强度的概念及其分类与主要影响因素◆岩体抗压强度的结构面产状效应：公式法与摩尔图解法▲约翰图解法第6章岩体中的天然应力§6.1 概述◆天然应力与重分布应力的概念▲研究岩体天然应力的意义§6.2 岩体中天然应力的分布特征△一般了解§6.3 岩体天然应力的量测▲量测原理§6.4 岩体中天然应力的估算不作要求第7章地下洞室围岩稳定性分析§7.1 概述◆围岩与围岩应力的概念§7.2 围岩应力的计算◆无压圆形洞室弹性围岩洞壁处应力计算及λ的影响◆无压圆形洞室弹性围岩λ=1.0时围岩应力计算及其分布规律△(其它洞形洞壁处的σθ计算一般了解)◆无压圆形洞室塑性围岩的应力分带及求塑性圈半径的修正芬纳-塔罗勃公式的应用◆掌握有压圆形洞室弹性围岩的应力计算§7.3 围岩的变形与破坏分析△围岩变形破坏的结构效应△弹性围岩与塑性围岩的位移计算▲围岩破坏区范围圈定的原理§7.4 围岩压力计算◆围岩压力的概念及其按形成机理的分类◆形变围岩压力、松动围岩压力、冲击围岩压力的概念◆形变围岩压力的修正芬纳-塔罗勃公式的应用◆岩爆的产生条件§7.5 围岩抗力与围岩极限承载力◆掌握围岩抗力、抗力系数、单位抗力系数与围岩极限承载力的概念第8章岩体边坡稳定性分析§8.1 概述△一般了解§8.2 岩体边坡的应力分布特征◆应力分布特征△影响因素§8.3 边坡岩体的变形与破坏分析简介(定性)▲掌握边坡岩体的变形类型与破坏类型△影响因素§8.4岩体边坡稳定性分析步骤△一般了解§8.5 平面滑动型岩体边坡稳定性计算(平面问题)◆考虑地下水与地震荷载的单滑面岩坡稳定性计算原理与方法▲同向双平面滑动稳定性计算原理(含滑体内有与无结构面的情况)§8.6 楔形体滑动型岩体边坡稳定性计算(空间问题)▲楔形体滑动的稳定性计算原理。
结构面的力学性质课件
结构面的分类
01
02
03
04
按成因分类
可分为原生结构面、次生结构 面和构造结构面等。
按规模分类
可分为大、中、小三个级别， 其中大型结构面影响区域稳定 ，中型结构面影响工程岩体稳 定性，小型结构面影响岩体的 强度和稳定性。
按产状分类
可分为走向、倾向和斜向结构 面等。
03 影响因素
04 试验方法
05 工程应用
结构面的弹性模量是指结 构面在弹性变形阶段，所 受应力与应变之比。
结构面的泊松比是指结构 面在单向受拉或受压时， 横向应变与纵向应变之比 。
结构面的弹性模量和泊松 比主要受岩性、胶结物性 质、胶结程度等因素的影 响。
通过室内试验和现场试验 ，可以测定结构面的弹性 模量和泊松比。室内试验 常用的方法有单轴压缩试 验和三轴压缩试验，现场 试验常用的方法有岩石压 缩试验和大型压缩试验。
结构面的弯曲变形
弯曲变形是指结构面在垂直于 其平面的方向上产生的弯曲， 通常由重力、温度变化等外部 因素引起。
弯曲变形会导致结构面中间部 位凸起或凹陷，从而影响结构 的承载能力和稳定性。
弯曲变形的程度可以通过挠度 计进行测量，并根据测量结果 对结构进行相应的加固或调整 。
结构面的拉伸与压缩
拉伸与压缩是指结构面在平行于其平面的方向上产生的伸长或缩短，通常由地震、 车辆荷载等外部因素引起。
结构面的产状、形态、粗糙度、充填情况等特征对岩体工程地质灾害的发生和发 展有重要影响，例如：陡倾角结构面、张开度较大的结构面、粗糙的结构面等都 可能引发岩体工程地质灾害。
05
结构面研究的意义与展望
结构面研究的意义
岩体力学课后思考题
绪论1、何谓岩体力学？它的研究对象是什么？是力学的一个分支学科,是研究岩体在各种力场作用下的变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学,是一门应用型基础学科。
研究对象是各类岩体。
2、岩体力学的研究内容和研究方法是什么？内容:○1岩块、岩体地质特征。
○2岩石的物理、水理与热学性质。
○3岩块的基本力学性质。
○4结构面力学性质。
○5岩体力学性质。
○6岩体中天然应力分布规律及其测量的理论与方法。
○7边坡岩体、地基岩体及地下洞室围岩等工程岩体的稳定性。
○8岩体性质的改善与加固技术。
○9各种新技术、新方法与新理论在岩体力学中的应用。
○10工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术。
方法：○1工程地质研究法。
○2试验法。
○3数学力学分析法。
○4综合分析法。
一、岩体地质与结构特征1、何谓岩块、岩体？试比较岩块与岩体，岩体与土有何异同点？岩块是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。
岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩石单元体和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。
岩块岩体都是由岩石组成，但岩体包含若干不连续结构面，岩块不含显著结构面。
岩块是岩体的组成物质，岩体是岩块和结构面的统一体。
岩石露在地表部分被风化和淋滤后形成的不溶于水的物质，残留在原地的形成土。
矿物，岩石，岩体都可以形成土。
组成岩体的岩石的矿物颗粒间具有牢固的连接而土没有。
2、岩石的矿物组成是怎样影响岩块的力学性质的？岩石是天然产出的具稳定外型的矿物或玻璃集合体，按照一定的方式结合而成。
力学性质主要取决于组成岩块的矿物成分及其相对含量。
矿物硬度大则强度大，反之则小。
3、何谓岩块的结构？它是怎样影响岩块的力学性质的？岩块的结构是指岩石内矿物颗粒的大小、形式和排列方式及微结构面发育情况与粒间连接方式等反应在岩块构成上的特征。
力学性质主要取决于矿物颗粒连接及微结构面的发育特征。
4、为什么说基性岩和超基性岩最容易风化？可能与其二氧化硅的含量有关。
3.3 结构面的强度特性
§3.3 结构面的强度性质•结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。
•结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所以一般认为结构面是不能抗拉的。
•在工程荷载作用下，岩体破坏常沿某些软弱结构面的滑动破坏。
•在岩体力学中，重点研究结构面的抗剪强度。
•一、平直无充填的结构面 •二、粗糙起伏无充填的结构面•三、非贯通断续的结构面 •四、碎块岩体结构面强度•五、具有充填物的软弱结构面一、平直无充填的结构面•平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。
•特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。
坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。
•这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：jj C tg +=φστ二、粗糙起伏无充填结构面的强度σττ自然界中，大多数结构面的表面波状起伏，与平直结构面相比错动时具有剪胀作用，产生一个附加强度，称作楔效应。
这种楔效应可分为规则齿状结构面摩擦和不规则齿状结构面摩擦。
（一）规则齿状结构面的楔效应摩擦强度对规则齿状结构面的强度，帕顿（Patton）和勒单尼（Ladanyi）研究得出的强度公式最为经典。
1.帕顿提出的结构面强度公式当作用在结构面上的正应力较小时岩体具有剪胀现象。
如下图所示，取一齿面分析，见下面右图。
ββββcos sin sin cos T N T T N N '+'='-'=ββββTcon N T T N N +-='+='sin sin cos 改变函数形式，则齿状结构面法向力N ，切向力T 为：若齿状结构面水平，作用在齿状结构面法向力为N ，切向力为T ；齿面倾角为β，则齿面上的法向力和剪力为：（3－a ）（3－b ）设齿面上的摩擦角为φj ，沿齿面剪切达到极限平衡时有：j j tg N T N T tg ϕϕ⋅'='''=,设齿状结构面内摩擦系数为tg υ，试件若要产生剪切破坏，则作用在试件有的法向力和剪力必须满足以下条件：（3－c ）（3－d ）ββββϕsin cos cos sin T N T N N T tg '-''+'==将式（3－d ）代如（3－c ）则得：)cos()sin(sin sin cos cos cos sin sin cos sin cos cos sin βϕβϕβϕβϕβϕβϕβϕββϕβϕ++=-+='-''+'==j j j j j j j j tg N N tg N N N T tg βϕϕβϕϕ+=+=j j tg tg ,)(即：结论：具有齿面倾角为β角的规则齿状结构面，在较低的正应力作用下，结构面表现出爬坡效应的破坏特征。
岩体力学各章内容要点及重点
第七章 岩体中的天然应力
? 本章将主要介绍如下一些内容： 一、概述 二、岩体天然应力的分布特征 三、岩体天然应力的确定
? 其中，应重点掌握天然应力和重分布应力的基本概念；
掌握岩体天然应力的分布特征；掌握天然应力的测试
与计算方法。
第十八页，编辑于星期一：十点 三十三分。
第七页，编辑于星期一：十点 三十三分。
? 在这一章中，岩石的 水理性质是本章的重点 。 通过这一章学习，应掌握 岩石的物理、水理性
质的定义及其指标，各种指标的定义、确定方
法。
第八页，编辑于星期一：十点 三十三分。
第四章 岩块的变形与强度性质
? 从岩体的定义，我们知道岩体是由岩块和结构面两个
基本要素组成的，因此，我们研究力学性质时，总是
第十页，编辑于星期一：十点 三十三分。
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
先研究岩块和结构面的力学性质，然后再研究岩体的 力学性质，我们学习时也遵循这一思路。所以，这一
章我们首先学习岩块的力学性质，主要内容如下：
一、岩块的变形 性质 二、岩块的 强度 性质 三、岩石的 破坏判据
? 以上内容是岩石力学的基本研究内容，也是岩体力学
研究的基础。希望大家重点掌握。
第九页，编辑于星期一：十点 三十三分。
? 本章将主要学习如下内容： 一、岩体的 变形性质
二、岩体的 剪切强度 三、岩体的 动力学性质 四、岩体的水力学性质
《岩体力学》
《岩体力学》课程名称：岩体力学课程编号：0106091b学时/学分：48/3开课学期：5适用专业：土木工程专业（岩土与地下工程方向）课程类别/性质：专业基础课/必修一、课程的目的和任务岩体力学是一门研究岩石力学性能的理论和应用科学。
通过本课程的学习，使学生掌握岩石变形、强度、初始应力特性以及岩石工程分类等方面的基本理论和分析方法，在此基础上，使学生对岩基、岩石边坡、地下洞室围岩稳定及加固等问题具有一定的分析问题和解决问题的能力，为从事专业工作和进行科学研究打下基础。
二、课程的基本要求1．通过学习，充分理解并掌握岩石基本参数的概念，以及变形和强度参数的影响因素和试验方法。
2．掌握岩石的变形特征，以及莫尔强度理论和格里菲斯强度理论。
3．对工程中的一般岩石力学问题具有一定的分析和计算的能力，如洞室围岩稳定分析，边坡稳定分析，坝基稳定分析等。
4．具有正确进行数字计算的能力，掌握测量岩石主要参数的操作技能，具有分析实验数据和编写报告的能力。
三、课程基本内容和学时安排第一章绪论（2学时）向。
掌握岩体力学的研究内容、任务和研究方法。
第二章岩体的地质特征（4学时）岩体工程分类。
充分理解岩块、结构面和岩体的基本概念，在此基础上掌握影响岩体力学性质的主要地质因素及结构面对岩体力学性质和工程稳定性的影响，结构面的分类、几何特征及指标的含义与确定方法；常见岩体工程分类方法。
第三章岩块的物理、水理及热学性质（4学时）介绍岩块的物理性质，包括岩块的密度、空隙性等；岩块的水理性质，包括岩块的软化性、渗透性、抗冻融性等；岩块的热学性质。
掌握岩体物理、水理性质指标的含义与确定方法、影响因素及常见值。
第四章岩块的变形与强度性质（6学时）介绍岩块的变形性质，包括岩块的单轴与三轴下的变形特征及变形参数；岩块的强度性质，包括各类强度（抗压强度、抗拉强度和抗剪强度等）的确定、性质与应用；岩块的蠕变性质；岩块的几种强度判据。
充分理解岩块变形与强度性质的基本概念和研究意义，在此基础上掌握表示岩块力学性质的各种指标的含义与确定方法、影响因素及常见值。
5结构面的变形与强度性质
第五章结构面的变形与强度性质第五章结构面的变形与强度性质•§5.1 概述•§5.2 结构面的变形性质一、法向变形性质二、剪切变形性质•§5.3 结构面的强度性质一、平直无充填的结构面二、粗糙起伏无充填的结构面三、非贯通断续的结构面四、具有充填物的软弱结构面§5.1 概述•在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，工程岩体常常是沿软弱结构面失稳破坏。
工程实例•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。
•结构面是岩体渗透水流的主要通道。
在工程荷载作用下，结构面的变形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。
•工程荷载作用下，岩体中应力分布受结构面及其力学性质的影响。
应力-变形关系曲线A B C•开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长，σn -ΔV 及σn -ΔV ｊ曲线均呈上凹型。
当σn 增到一定值时，σn -ΔV ｔ曲线变陡，并与σn -ΔV ｒ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ΔV ｊ则趋于结构面最大闭合量V ｍ。
•初始压缩阶段，含结构面的岩块变形ΔV ｔ主要是由结构面的闭合造成的。
试验表明，当σn ＝１MPa 时，ΔV ｔ/ΔV ｒ可达５~３０，说明ΔV ｔ占了很大一部分。
•法向应力σn 大约从σｃ/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-变形关系曲线特征结构面在循环荷载下的变形特征:(1)结构面的卸荷变形曲线(σn-ΔVj)仍为一以ΔVj＝Vm为渐近线的非线性曲线。
(2)对比岩块和结构面的卸荷曲线可知，结构面的卸荷刚度比岩块的加荷刚度大(3)随着循环次数的增加，σn-ΔVj曲线逐渐变陡，且整体向左移，每次循环下的结构面变形均显示出滞后和非弹性变形(4)每次循环荷载所得的曲线形状十分相似，且其特征与加荷方式及其受力历史无关。
岩体力学复习重点资料..
第一章绪论岩体复杂性表现在以下几个方面：（1）不连续性（2）非均质性（3）各向异性（4）岩体中存在不同于自重应力场的天然应力场（5）岩体赋存于一定地质环境之中，岩体中的水、温度、应力场，对岩体性质有较大的影响。
第二章：岩石和岩体的地质特征岩石：矿物，岩屑的集合体。
是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。
结构面：是指地质发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度厚度相对较小的地质界面或带。
岩体：指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。
岩石风化指标：定性指标：颜色，矿物蚀变程度，破碎程度及开挖锤击技术特征等。
定量指标：风化孔隙率指标和波速指标等。
风化系数;结构面规模：（1）Ⅰ级指大断层或区域性断层，一般延伸约数公里至数十公里以上，破碎带宽约数米至数十米乃至几百米以上。
（2）Ⅱ级指延伸长而宽度不大的区域性地质界面，百米至千米单位。
（3）Ⅲ级指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。
（4）Ⅳ级指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。
是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。
(数十厘米-米)（5）Ⅴ级又称微结构面。
常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。
结构面线密度和间距： 1、线密度(Kd)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)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。
RQD:岩体质量指标RQD：是长度大于10cm的岩心累计长度与回次进尺的比值。
RQD与方向有关，按地质分层计算RQD值大于20厘米为长柱状；10—20厘米为短柱状；小于1厘米为扁柱状；大于5厘米为块状；2---5厘米为碎块状；小于2厘米为碎屑状、粉末状。
岩体5种结构类型：1.整体状结构 2.块状结构 3.层状结构 4.碎裂状结构 5.散体状结构岩体工程分类的目的：通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题，为工程设计，支护衬砌，建筑物选型和施工方法选择提供参数和依据。
结构面的基本性能
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三、产状
走向、倾向、倾角
结构面与最大主应力 间的关系控制着岩体 的破坏机理与强度。
据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极 限强度与结构面倾角间的关系为：
1
3
2(C j 3tg j ) (1 tg j ctg ) sin 2
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(一)地质成因类型
1.
岩体在成岩过程中形成的结构面。
沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理面、
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基本内容
1
结构面概述
2
结构面的变形特性
3
结构面的强度特性
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1 结构面概述
工程地质评价
海相岩层中此类结构 面分布稳定，陆相岩 层中呈交错状，易尖 灭
层面、软弱夹层等结构面较为平整； 不整合面及沉积间断面多由碎屑泥 质物构成，且不平整
国内外较大的坝基滑动及滑坡很多由此 类结构面所造成的，如奥斯汀、圣·弗 朗西斯、马尔帕塞坝的破坏，瓦依昂水 库附近的巨大滑坡
结构面的力学性质全解
Xr K Xe
式中：K为岩体的裂隙度； Xe 为沿某一平面的切割度。
五、结构面的状态
5、结构面的胶结情况及充填情况
(1)胶结结构面 泥质胶结：强度最低，在脱水情况下有一定的强度， 遇水发生泥化、软化，强度明显降低。 可溶盐类胶结：干燥时有一定的强度，遇水发生溶解， 强度降低。 钙质胶结：强度较高，且不受水的影响，但遇酸性水 强度降低。 铁质胶结：强度较高，但易风化，力学性能不稳定。 硅质胶结：强度高，力学性能稳定。 可见，胶结结构面随胶结物的成分不同，其力学效 应有很大差别。
(1)非贯通性结构面 (2)半贯通性结构面 (3)贯通性结构面
五、结构面的状态
4、结构面的密集程度：指岩体中各种结构面的发育程度。 衡量密集度的指标为岩体裂隙度K和切割度Xe。 （1）岩体裂隙度K——沿取样方 向单位长度上的节理数量
K n l d 1 l K n
式中：n为长度l内的节理数量. 当取样线垂直节理的走向时，d为节理走向 的垂直间距。按节理的垂直间距d将岩体分为： d > 180cm 整体结构； d =30～80cm 块状结构 d < 30cm 碎裂状结构； d < 6.5cm 极破碎结构 当岩体中有几组不同方向的节理时， d d d 如图所示两组节理Ka、Kb，则沿取样方 max a , mbx b ,m nx n , cos a cos b cos n 向x上的节理平均间距max和mbx为
（3）次生结构面
在地表条件下，由于外力(如风化、地下水、卸荷、爆破 等)的作用而形成的各种界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、风 化裂隙、风化夹层及泥化夹层等． 卸荷裂隙一般发生在岩体有临空面条件的地区，特别是 在深切河谷处，延展性不好，常在地表20～40m内发育，裂 隙面粗糙不平，常为张开型，充填物多为泥质碎屑． 爆破裂隙是矿山工程中常见的一种次生结构面，爆破裂 隙的延展与分布视所在地区岩体特性及爆破的大小而异．一 般爆破裂隙的延展范围是有限的，且多呈一组相互平行的、 弧状的裂隙面分布． 风化裂隙及风化夹层一般是沿原生夹层和原有结构面发 育，多是短小密集，延展性差，仅限于地表一定深度． 泥化夹层是由于水的作用使夹层内的松软物质泥化而成， 其产状与岩层基本一致，泥化程度视地下水作用条件而 异．泥化夹层一般都是强度很低的，它们是导致岩体失稳破 坏的常见因素．
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第五章结构面的变形与强度性质
第五章结构面的变形与强度性质•§5.1 概述
•§5.2 结构面的变形性质
一、法向变形性质
二、剪切变形性质
•§5.3 结构面的强度性质
一、平直无充填的结构面
二、粗糙起伏无充填的结构面
三、非贯通断续的结构面
四、具有充填物的软弱结构面
§5.1 概述
•在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，工程岩体常常是沿软弱结构面失稳破坏。
工程实例
•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。
•结构面是岩体渗透水流的主要通道。
在工程荷载作用下，结构面的变形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。
•工程荷载作用下，岩体中应力分布受结构面及其力学性质的影响。
应力-变形关系曲线
A B C
•开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长，σn -ΔV 及σn -ΔV ｊ曲线均呈上凹型。
当σn 增到一定值时，σn -ΔV ｔ曲线变陡，并与σn -ΔV ｒ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ΔV ｊ则趋于结构面最大闭合量V ｍ。
•初始压缩阶段，含结构面的岩块变形ΔV ｔ主要是由结构面的闭合造成的。
试验表明，当σn ＝１MPa 时，ΔV ｔ/ΔV ｒ可达５~３０，说明ΔV ｔ占了很大一部分。
•法向应力σn 大约从σｃ/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
结构面在循环荷载下的变形特征:
(1)结构面的卸荷变形曲线(σn-ΔVj)仍为一以ΔVj＝Vm为渐近线的非线性曲线。
(2)对比岩块和结构面的卸荷曲线可知，结构面的卸荷刚度比岩块的加荷刚度大
(3)随着循环次数的增加，σn-ΔVj曲线逐渐变陡，且整体向左移，每次循环下的结构面变形均显示出滞后和非弹性变形
(4)每次循环荷载所得的曲线形状十分相似，且其特征与加荷方式及其受力历史无关。
松胀变形
孙广忠(1988)提出了如下的指数方程：
几种结构面的法向刚度经验值
壁岩强度JCS
回弹值。
岩石重度；
----+=R R JCS g g 01
.100088.0)lg(
回弹仪
•脆性变形型
无充填且较粗糙的硬
性结构面。
特点：开始剪切变形
增加慢，曲线陡，
峰值后剪切变形增
加快，有明显峰值
强度和应力降。
残
余强度明显低于峰
值且稳定。
1、剪切变形特征（1）曲线均为非线性曲线。
二、结构面的剪切变形性质
脆塑
有一定宽度的构造破碎带、挤压带、软弱夹层以及含有较厚充填物的裂隙、节理、泥化夹层和夹泥层等。
特点：无明显峰值强度和应力降，峰值强度与残余强度相差小，曲线斜率连续变化，具流
变性。
（3）同类结构面，风化的结构面剪切刚度比未风化的小1/2~1/4。
（4）结构面的剪切刚度有尺寸效应。
结构面规模越大刚度越低。
（5）结构面的剪切刚度，
随法向应力的增大而增大。
§5.3 结构面的强度性质
•结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。
•结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所以一般认为结构面是不能抗拉的。
•在工程荷载作用下，岩体破坏常沿某些软弱结构面的滑动破坏。
•在岩体力学中，重点研究结构面的抗剪强度。
影响结构面抗剪强度的因素主要包括：
结构面的形态、连续性、胶结充填特征及壁岩性质、次生变化和受力历史(反复剪切次数)等等
•一、平直无充填的结构面•二、粗糙起伏无充填的结构面•三、非贯通断续的结构面•四、具有充填物的软弱结构面
一、平直无充填的结构面
•平直无充填的结构面包括剪应力作
用下形成的剪性破裂面，如剪节理、
剪裂隙等，发育较好的层理面与片
理面。
•特点是面平直、光滑，只具微弱的
风化蚀变。
坚硬岩体中的剪破裂面
还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄
膜等。
•这类结构面的抗剪强度大致与人工
磨制面的摩擦强度接近，即：j
j C tg +=f s t
结构面的抗剪强度主要来源于：结构面的微咬合作用和胶粘作用，且与结构面的壁岩性质及其平直光滑程度密切相关。
若壁岩中含有大量片状或鳞片状矿物时，其摩擦强度较低。
摩擦角一般在10°～30°之间，粘聚力在0～0.1MPa之间。
而壁岩为硬质岩石时，其摩擦角可达30°～40°，粘聚力一般在0.05～0.1MPa之间。
结构面愈平直，擦痕愈细腻，其抗剪强度愈接近于下限，粘聚力可降低至0.05MPa以下，甚至趋于零。
反之，其抗剪强度就接近于上限值。
（空化现象）
以上两种是在两种极端的情况下得出的。
因为即使在极低的法向应力下，结构面的凸起也不可能完全不遭受破坏；而在较高的法向应力下，凸起也不可能全都被剪断。
因此，上图所示的折线强度包络线，在实际中是极其少见的，而绝大多数是一条连续光滑的曲线。
2、不规则起伏结构面
•自然界岩体中绝大多数结构面的粗糙起伏形态是不规则的，起伏角也不是常数。
其强度包络线不是折线，而是曲线形式。
结构面的基本摩擦角φu ，一般认为等于结构面壁岩平直表面的摩擦角，可用倾斜试验求得。
方法是取结构面壁岩试块，将试块锯成两半，去除岩粉并风干后合在一起，使试块缓缓地加大其倾角直到上盘岩块开始下滑为止，此时的试块倾角即为φu 。
对每种岩石，进行试验的试块数需10块以上。
在没有试验资料时，常取φu ＝30°，或用结构面的残余摩擦角代替。