-岩体结构与结构面性质
岩体力学性质-岩体结构
结构、II级结构和过渡型岩体结构；
精选课件
12
岩体结构
定义：不同类型的岩体结构单元在岩体内组合和排列形式.
岩体结构三要素
结构面 岩体结构单元
结构体 岩体结构单元组合
坚硬结构面 软弱结构面 块状结构体 板状结构体
精选课件
10
3.1 概述
岩体赋存环境对于岩体力学性质的影响
地应力的作用（地应力既是赋存条件，又在岩体之 内）
影响岩体的承载力、变形与破坏机制； 影响岩体中应力的传播
地下水的作用（岩体水力学）
因此，岩体力学性质的研究必须考虑岩性、结 构面、岩体结构、地应力以及地下水的影响；
精选课件
11
3.2 岩体结构的基本类型
构面较发育，一般在5组以上．
完整性：完整性破坏较大，整体强度很低．
水的影响：引起岩层软化、泥化及结构面失稳；
工程特性：受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质．稳
定性很差。易引起规模较大的岩体失稳、地下水加剧岩体失稳
精选课件
17
断续岩体结构
结构面发育情况：结构面不连续，对岩体切而不断，个别部分亦有
连续贯通结构。
影响岩体力学性质的因素有：结构体（岩石）的力
学性质、结构面的性质、岩体的结构力学效应和环境因
素；
精选课件
6
3.1 概述
岩体结构是研究岩体力学的基础
岩体
结构面 结构面切割成的结构体
岩体结构
控制岩体的变形、 破坏等力学效应
工程应用
分析岩体结构、结构面特征、对工程岩体稳定性评价
岩体的工程地质性质
岩体是在漫长的地质历史中形成与演变过来 的地质体，它被许许多多不同方向、不同规模的 断层面、节理面、裂隙面、层面、不整合面、接 触面等各种地质界面切割为形状不一、大小不等 的各种各样的块体。所以，岩体是指一定工程范 围内，一种或多种岩石中的各种结构面、结构体 的总体。因此，岩体不能以单块岩石为代表，单 块岩石强度较高，但被结构面切割破碎时，其构 成的岩体的强度却较小。所以岩体中结构面的发 育程度，性质及连通程度等，对岩体的工程地质 性质都有很大的影响。
岩体内结构面连通性
结构面的张开度和填充情况
结构面的张开度是指结构面的两壁隔开的距离。 以张开度的大小区分，主要分为：闭合的，微张开 的，张开的，宽张的。 闭合的结构面的力学性质取决于结构面两壁的 岩石性质和结构面粗糙程度。微张的结构面的剪切 强度比张开的结构面大。张开的和宽张的结构面， 其抗剪强度取决于填充物的成分和厚度。填充物为 黏土时比为砂质时强度低；为砂质时比砾质低。
块状结构岩体
层状结构岩体
碎裂结构岩体
散体结构岩体
谢~谢！
结构面的密度
它反映了节理的发育程度和岩体的完整性， 通常以线密度（条/m）或结构面的间距来表示. 节理发育程度分级
分级 节理间距（m） 节理发育程度 岩体完整性 Ⅰ ＞2 不发育 Ⅱ 0.5～2 较发育 Ⅲ 0.1～0.5 发育 Ⅳ ＜0.1 极发育
完整
块状
碎裂
破碎
结构面的连通性（贯通性、延展性） 在一定空间范围内的岩体中，结构面的走向、 倾向方向的连通程度。如图所示：
2.结构体类型 结构体是指岩体中被各类各级结构面切 割并包围的岩石块体及岩石集合体。根据其 外形特征结构体分为柱状、块状、板状、楔 形、菱形和锥形等六种基本形态。
第二章 岩体力学性质
无 充 填 有 充 填 充 填 物 性 粘 有 单节理 节理组 节理群 羽毛状 节理
充填 非充填
按 力 学 观 点 的 破 坏 面 和 破 坏 带 分 类
破碎带
三、各类岩体结构的地质分类 完整结构岩体 块裂结构岩体 板裂结构岩体 碎裂结构岩体 断续结构岩体 散体结构岩体
β1 ≤ β ≤ β 2
对岩体强度有影响的节理方位角： 对岩体强度有影响的节理方位角：
有关岩体破坏的几点讨论
当
β < β1或β > β2
岩体不会沿结构面破坏
当 β2 < β < β1 •若莫尔圆和岩石强度包络线相离，节理先 若莫尔圆和岩石强度包络线相离， 若莫尔圆和岩石强度包络线相离 破坏，岩体强度小于岩块强度; 破坏，岩体强度小于岩块强度 •若莫尔圆和岩石强度包络线相切，则岩体 若莫尔圆和岩石强度包络线相切， 若莫尔圆和岩石强度包络线相切 沿某一岩石截面破坏， 沿某一岩石截面破坏，破坏角 β = π + ϕ
图4－19 结构面的力学效应
所以，强度准则： 所以，强度准则：
τ m (sin 2β − tgφw cos 2β ) = cw +σntgφw
令
2Cw + 2 fσ3 (1− fctgβ )sin 2β
f = tgφw 则
w
σ1 −σ3 =
①当 β = φ ②当 β =
σ1 −σ3 →∞ （节理的存在不影响岩体的强度）
σ −ε
，分3 ，分3
第一段Ⅰ曲线上凹，——节理闭合——非线弹 第一段Ⅰ曲线上凹，——节理闭合——非线弹 性（很短） 第二段Ⅱ直线——线弹性（很短） 第二段Ⅱ直线——线弹性（很短） 第三段Ⅲ曲线下凹——塑性变形或破坏，至A3 第三段Ⅲ曲线下凹——塑性变形或破坏，至A3 点（较长）体积增大
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
-岩体的基本性质
2 岩体的基本性质通常把在地质历史过程中形成的，具有一定的岩石成分和一定结构，并赋存于一定地应力状态的地质环境中的地质体，称为岩体。
岩体在形成过程中，长期经受着建造和改造两大地质作用，生成了各种不同类型的结构面，如断层、节理、层理、片理等。
受其影响，岩体往往表现出明显的不连续、非均质和各向异性，具有一定的结构是岩体的显著特征之一，它决定了岩体的工程特性及其在外力作用下的变形破坏机理。
因此，从抽象的、典型化的概念来说，可以把岩体看作是由结构面和受它包围的结构体共同组成的。
所谓“结构面”，是指在地质发展历史中，尤其是地质构造变形过程中形成的，具有一定方向、延展较大、厚度较小的二维面状地质界面，它包括岩石物质的分界面和不连续面，如岩体中存在的层面、节理、断层、软弱夹层等，可统称为结构面。
结构面是岩体的重要组成单元，由于受结构面的切割，岩体的物理力学性质与岩石有很大的差别。
岩体的物理力学性质取决于结构面和结构体两部分的组合情况，尤其在工程上，岩体的工程力学稳定性质主要取决于岩体内结构面的数量、空间大小、空间组合情况、结构面特征以及充填介质的性质等。
所谓结构体是指由结构面切割而成的岩石块体。
结构体的四周都被结构面包围，常见的结构体大都是有棱角的多面体，如立方体、长方体、柱状体、板状体、菱形体、梯形体、楔形体、锥形体等。
结构体也是岩体的重要组成部分，它本身的物质组成和排列组合方式也影响到岩体的力学性质。
总之，岩体是由结构面和结构体两部分组成的，这也决定了其物理力学性质不是单纯取决定于某一方面的结果，而是二者共同作用和表现的结果，这在岩体力学分析和研究时是十分重要的。
在上一章开始时曾简单介绍过岩石和岩体二者之间的关系，指出工程上的岩石可视为岩体中的结构体（岩块），在无特殊说明的情况下，工程中的岩石均是指岩体中的结构体即岩块而言的。
从力学角度来看，岩体与岩石有许多区别，其中较明显的特征可归纳为以下几点：1）岩体的非均质性岩体可以由一种或几种岩石组成，而且以后者居多。
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 =。
工程地质学-第三章 岩体的工程地质性质与岩体分类-1-结构面特征与结构面类型
1）产状：结构面的产状常用走向、倾向和倾角三要素 表示。 2）连续性：结构面的连续性反映结构面的贯通程度， 常用线连续性系数、迹长和面连续性系数等表示。 3）密度：结构面的密度反映结构面发育的密集程度， 常用线密度、面密度和间距等指标表示Байду номын сангаас 4）张开度与填充胶结特征：结构面的张开度e是结构 面两壁面间的垂直距离（mm） 5）形态：结构面的形态对岩体的力学性质及水力学性 质存在明显的影响。 6）结构面的组合关系：控制着可能滑岩的岩体的几何 边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型， 它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。
1)原生结构面：是岩体在成岩过程中形成的结构面，其特征与 岩体成因密切相关。因此，又可将其分为沉积结构面、岩浆结 构面和变质结构面三类。原生结构面除部分经风化卸荷作用裂 开外，多具有不同程度的连接力和较高的强度。 (1)沉积结构面
沉积岩的层理、层面、沉积间断面及沉积软弱夹层等都属 于沉积结构面。 (2)火成结构面
在岩体的强度性质中，最重要的是抗剪强度。
它是影响工程安全和造价的重要因素，在岩基抗滑稳 定、边坡岩体稳定和地下硐室围岩稳定性分析与近似 中，岩体的抗剪强度参数是必不可少的。
二、岩体的流变特征
蠕变：指在应力一定的条件下,变形随时间的持续而逐 渐增长的现象； 松弛：变形保持一定时，应力随时间的增长而逐渐减 小的现象。 长期强度：出现蠕变破坏的最低应力值
2.结构面的规格和等级 按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其
力学效应，可将结构面划分为如下五级： Ⅰ级：指大断层或区域性断层。 Ⅱ级：指延伸长而宽度不大的区域性地质界面，如较 大的断层、层间错动、不整合面及原生软弱夹层等。 Ⅲ级：指长度为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。 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、剪理面等。其长度一般为数十米至 二三十米，宽度近于零至数厘米不等，是构成岩块的 边界面。 Ⅴ级：又称微结构面，指隐节理、微层面、微裂隙及 不发育的片理、劈理等，其规模小，连续性差，常包 括在岩块内，主要影响沿块的物理力学性质。
2-1岩体力学性质-岩体结构及结构面物理性质
2）构造结构面
成因类型 地质类型
主要特征
劈理
为短小、密集的剪切破裂面，影响局部地段岩体的完整性及强度
构造结构 面
节理
1.在走向延展及纵深发展上其范围是有限的； 2.一般分为张节理和剪节理，张节理延续性弱，剪节理延伸较长； 3.张节理一般具陡立或陡倾产状，常垂直岩层走向。剪节理斜交岩层走向，其倾角随岩层倾角变陡而变缓； 4.张节理面粗糙，参差不齐，宽窄不一。剪节理平直光滑，有的面见擦痕镜面，常有各种泥质薄膜，如高岭石、 绿泥石、滑石、石墨等，尽管接触面紧闭，但易于滑动。
块状碎 裂结构
碎裂介质
散体结 构
散体 结构
散体 结构
粗碎屑 散体结
构
2.2 岩体结构基本类型
4）岩体结构的相对性及工程 岩体结构的唯一性
①岩体结构的相对性 ②工程岩体结构的唯一性 ③工程岩体结构不同 岩体力
学机制不同 稳定性分析方 法也不同
2.3 岩体结构面及其充填特征
2.3.1 岩体结构面类型及特征 1) 原生结构面
1.产状与岩层一致，或受其控制； 2.片理面延展性较差，一般分布密集 3.片理结构面光滑，但形态是波浪起伏的。在新鲜岩体中片理面多呈闭合状，但一般能剥开，片理面常呈凹凸 不平状，面粗糙； 4.软弱夹层中主要是片状矿物，如黑云母、绿泥石、滑石等富集带，抗剪强度低，是岩体中的薄弱部位。
2.3 岩体结构面及其充填特征（类型及特征）
⑥散体结构岩体 a.散体结构 碎屑状散体结构岩体 构造型
风化型 糜棱化散体结构岩体 糜棱岩风化
泥质沉积岩构造错动 b.碎屑状：软硬结构面无序分布、结构体以角砾为主，夹杂有泥质成份 c.糜棱化：断层泥 压力愈合为糜棱岩 卸压 糜棱岩粉 风化 断层泥
岩体力学第二章 岩块、结构面及岩体的地质特征
第二章 岩块和岩体的地质特征
二、岩块的结构、构造特征
胶结方式：是指胶结物与碎屑颗粒之间的联结 方式，胶结方式主要有： 基底式胶结－在岩石中胶结物的数量多，颗粒 与颗粒之间互不接触，颗粒散布在胶结物之中。 孔隙式胶结－当胶结物不多时，碎屑颗粒相互 接触，胶结物充填在颗粒之间的孔隙中。 接触式胶结－胶结物不多，只在颗粒之间的接 触处才有，颗粒之间的孔隙仍是空洞。
2 断续充填（不连续，厚度小于h）.结构面的力学性质与充 填物性质、壁岩性质及结构面的形态有关。 3 连续充填(连续,厚度大于h)结构面力学性质取决充填物性质。 4 厚层充填（充填物厚度远大于h）结构面的力学性质很差，主
要取决于充填物性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。
五 密度
•结构面的密度反映结构面发育的密集程度。 •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。 Kd与d互为倒数关系 •如果测线是水平布置的，且与结构面法线的夹角 为α ，结构面的倾角为β 时:
RQD 100e
0.1kd
(0.1k d 1)
岩体质量指标RQD：长度大于10cm的岩心
长度之和与钻孔总进尺的百分比。
长度大于 cm的岩心长度之和 10 RQD 100% 钻孔总进尺
第二章 岩块、结构面和岩体的地质特征
六 张开度
结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。 结构面两壁面一般不是紧密接触，这就使结构面实际接触 面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。
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。控制工程岩体稳定
岩体力学
岩体：是位于一定地质环境中，在各种宏观地质界面分割下形成的有一定结构的地质体。
结构体：被结构面切割成的岩石块体。
结构面：是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。
岩体复杂性表现：一.不连续性，二.非均质性，三.各向异性，四.岩体中存在着不同于自重应力场的天然应力场，五.岩体赋存于一定地质环境中，对岩体影响较大。
岩石的变形性状：1.塑性。
2.弹性。
3.粘性。
弹性：指材料在外力作用下产生变形，而撤去外力后立即恢复到它原有的形状和尺寸的性质。
弹性变形：外力撤去后能够恢复的变形。
如应力—应变关系呈直线关系，称线弹性，不呈直线关系称非线弹性。
塑性：指材料受力后，在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂，撤去外力后变形又不能完全恢复的性质。
不能恢复的变形，称塑性变形。
应变硬化：在屈服点之后，应力—应变关系呈上升曲线，说明晶粒滑到新位置后，导致粒间相嵌、挤紧和晶粒增大，如使之继续滑动，要相应增大应力的现象。
粘性：指材料受力后变形不能在瞬间完成，且应变的速率随应力的大小而改变的性质。
流动变形：应变速率随应力而变化的变形。
峰值前变形机理：1.以裂纹行为为主导的变形。
2.以弹性变形为主的变形。
3.以塑性变形为主的变形。
轴向应力—应变曲线：直线型（弹），下凹型（弹—塑），上凹形（塑—弹），S型（塑—弹—塑）。
扩容：随着裂纹的继续发生和扩展，岩石体积应变增量由压缩专为膨胀的力学过程。
弹性模量：E是指单轴压缩条件下轴向压应力与轴向应变之比。
有效弹性模量：包含裂纹的弹性模量。
固有弹性模量：E未受裂纹的存在所影响的岩石弹性模量。
刚性压力机：用岩石试件的变形作为控制变量，并用着一信号的反噬来控制机器压板的位移速率或加速速率的压力机。
单调加载：岩石在峰值前承受的荷载一直增加。
它可分为等加载速率加载和等应变速率加载两种方式。
循环加载：逐级循环加载：指在试验过程中，当荷载加到一定值时，将荷载全部卸除，然后又加载至比原来卸载点高的压力值，再卸载，如此不断循环的加载方式。
第5讲-岩体结构与结构面性质
式中Kn0：结构面的初始刚度
Bandis (1984) 提出的非充填节理法向应力与法向变形的关系
n
n a b n
式中：a、b为常数
法向刚度Kn:
Kn
n n
1
(a bn )2
Bandis得出由初始法向刚度和最大
闭合量表达的经验公式：
Kn
Kn0 (1
n K n 0 max
n
)2
JCS Kn0 0.02( n0 ) 1.75JRC 7
第二章 岩体的力学性质
本章内容：
1 岩体结构 2 结构面的几何性质与力学性质 3 岩体的强度性质 4 岩体的变形性质 5 岩体质量评价及其分类
§2-1 岩体结构
结构面：是指岩体中存在着的各 种不同成因和不同特性的地质界 面，包括物质的分界面、不连续 面如节理、片理、断层、不整合 面等。 结构体：由结构面在岩体中切割 而成的几何体称为结构体（岩石 块体）。 岩体：结构面和结构体的地质统 一体。
按岩体I级结构被大规模结构面分割的形态特征可将岩体结构分为块 状结构和板层状结构。
按岩体II级结构被次级结构面切割的程度和形态特征，可将岩体结
构划分：
II级岩体结构
I级 岩体结构
块状结构
整体结构 块状结构 碎裂结构 散体结构
块状碎裂结构 层状碎裂结构
板层状结构
岩体完整性系数 表征岩体结构特征的一个重要参数
控制工程岩体力学边界条 件和破坏方式，与Ⅲ级结 构面组合直接威胁工程稳 定
控制工程岩体力学边界条 件和破坏方式，直接威胁 工程稳定
节理、劈理、片理、层 理、卸荷裂隙、风化裂 隙
控制岩体的结构、完整性 和物理力学性质
微小节理、隐微裂隙。 控制岩块的力学性质 常包含在岩块内
岩石力学资料
一、岩石和岩体岩石⑴自然形成的产物；⑵由一种或几种矿物组成的具有一定结构构造的固体集合体。
岩体：地质历史过程中形成的，由岩块和结构面组成的，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。
岩体就是岩石和结构面的统一体。
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，厚度相对较小的地质界面或带。
（如节理、裂隙、褶皱等结构面。
）二、岩体的特征1、岩体是非均质各向异性的材料。
2、岩体内存在着原始应力场。
3、岩体内存在着一个裂隙系统4岩体既不是理想的弹性体，也不是典型的塑性体，既不是连续介质，又不是松散介质，而是一种特殊的复杂的地质体，这就造成了研究它的困难性和复杂性岩体力学研究的主要对象是岩体，研究岩体在力场作用下，所发生的变形、破坏和移动规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。
岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。
a.单向抗压强度b.单向抗拉强度c.剪切强度d.三轴抗压强度岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。
a.单向压缩变形b.反复加载变形c.三轴压缩变形d.剪切变形岩石单轴抗压强度1）定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度计算公式：σc=P/A5)水对单轴抗压强度的影响－软化系数：岩石的软化系数：饱和岩石抗压强度σb与干燥岩石抗压强度σc之比η=σb/ σc≤11.2岩石单轴抗拉强度定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度。
试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验两类抗剪切强度定义：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验和限制性剪切强度试验二类。
非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。
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
岩体力学--岩体结构面性质
③ 古德曼经验公式（4-7）式
法向应力与结构面闭合量的关系式。
n
n
σn
σn
t
n 0 0
s
m
ax
n
n
o (a)
图4-5 结构面法向变形
啮
非
合
啮
结
合
构
结
面
构
面
Kn 1
o
δm'ax
δmax
n
(a)
(b)
图4-5 结构面法向变形曲线
15/38
σn
σn
啮 合
结
构
面
δn
δn
σn
2
Kn
K n0
K n0 max n K n0 max
节理、泥化夹层和夹泥层
Ks
等软弱结构面。
1
o
δt
特点： (a)
(b)
曲线无明显的峰图值4强-6度结和构应面力的降剪。切变形曲线
峰值强度与残余强度相差很小。
曲线的斜率是连续变化的，且具流变性。
20/38
③结构面的剪切变形不可恢复
常伴随有微凸体的弹性变形、劈裂、磨粒的产生与迁 移、结构面的相对错动等多种力学过程。
n
(a)
(b)
图4-5 结构面法向变形曲线
2．结构面的剪切变形
结构面剪切变形与结构面表面形态、结构体与填充物
质特征密切相关。
τ
σn δt
τ
A
B Ks
1
o
δt
(a)
(b)
图4-6 结构面的剪切变形曲线
18/38
τ
①脆性变形型：σA n δt
无充填τ粗糙硬性结构面
第3章岩石结构面、力学性质 岩体力学
面的平均距离。
两者互为倒数关系，即
1 K d
当岩体上有组方向的结构面时，如下图所示，有两组结 构面：
则沿测线上的n组结构面间距为：
, , ……. , max
da cos a
mbx
db cos b
mnx
dn cos n
结构面的密度为：
Kcdo a ascdo bbscdo n ns
ISRM (1978年)结构面密度分级标准（见下表）。
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。
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
积的比值，即Ka来自a A式中：a——结构面面积之和，m2； A——被测试岩体总面积，m2；
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
的强度曲线。
3.3.4.4 现场试验法(原位) 在现场就地切割岩体，靠千斤顶或扁千斤顶施加正应力
8 岩体的力学性质
式中：d — 钻孔孔径 ，р— 计算压力，等于实验压力与初 始压力之差，Mpa；V — 径向位移，cm。
(3) 岩体变形曲线类型 由于岩体中结构面的发育情况及岩石坚硬程度等的差异， 岩体变形试验求得的压力P — 变形W曲线是复杂多变的。总括 起来，可归纳为如图所示的三类。 1.直线型：如图P—W曲线呈近似直线关系，反映岩体坚硬、致 密，裂隙不发育，或只有分布均匀的细小裂隙，岩体变形模量 较大，塑性变形小。 2.上凹型：P—W曲线在载荷低时斜率小，塑性变形大，随着载 荷的加大，曲线斜率逐渐增大，塑性变形趋于稳定；反映岩体 的岩性坚硬，裂隙发育，且多呈张开而无充填；在载荷作用下， 裂隙逐渐闭合或发生镶嵌作用而被挤紧。 3.下凹型：P—W曲线在低载荷下近似直线，表现为弹性变形； 当载荷增大时呈曲线，表现为塑性变形；反映岩体的岩性较软 弱，或岩体的较深部位埋藏有软弱夹层，或岩体裂隙发育，且 有泥质充填。
（2）构造结构面
各类岩体在构造运动作用下形成的各种结构面，如劈理、节理、 断层、层间错动面等。 节理面在走向延展及纵深发展上，其范围都是有限的，大者 一般不过上百米，小者仅有几厘米．张节理面一般粗糙，参差 不齐，宽窄不一，延展性较差，剪节理面一般平直光滑，延展 性相对较好，节理面上常见有擦痕和各种泥质薄膜，如高岭石、 绿泥石、滑石等，因此，剪节理面尽管接触紧密，但却易于滑 动。 断层面的规模相差比较悬殊，有的深切岩石圈几十公里，有 的仅限于地壳表层或只在地表数十米．但是，相对工程而言， 断层面一般是延展性较好的结构面．断层面(或帘)的物质成分 主要是构造岩，如断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等．层间 错动带是在层状岩体中常见的一种构造结构面，其产状一般与 岩层一致。 延展性较好，结构面中的物质，因受构造错动的影响，多呈 破碎状、鳞片状，且含泥质物。
岩体力学第四章岩体的基本力学性质
•
•
•
(2) 间距
结构面的间距是指同组相邻结构面的垂直距离 。 通常采用同组结构面的平均间距。间距的大小直接 反映了该组结构面的发育程度，也就是反映了岩体 的完整程度。
(3) 延展性
在一个岩休的露头上，所见到的结构面迹线的长 度。该参数反映了该组结构面的规模大小。
•
(4) 粗糙度和起伏度
相对于结构面平均平面的表面不平整度，通常用 结构面的粗糙度和起伏度表示。这是增加结构面抗 剪强度的一个几何参数。
1．绝对分类——结构面延展长度
细小结构面 延长 ≤1m 中等结构面 延长 1～10m 巨大结构面 延长 ≥10m
2．相对分类——相对工程而言的分类见表4-1。
•
•
(3) 按地质力学观点分类
a 破坏面
大面积破坏
缓慢地质作用
b 破坏带
小面积密集破坏 快速地质作用
c 两者之间 过渡类型
•
•单节 理
•节理 组
•
•
•上述Xe，仅是某一平面上节理面所占面积的比 率。有时为了研究岩体空间内部某组节理的切割 程度Xr，可由裂隙度K与平面切割度Xe建立如下 关系式：
•式中：
－岩体体积内部被某组节理切割
的程度，单位m2/m3.
•
岩体破碎程度分类（表4-3）
•
2.2 结构面的定量描述
(1) 产状 产状是指结构面在空间的分相状态。它是由
d= L/ n=1/K
•
•实例： K=4/10=0.4/m •d=1/K=2.5m
•10 m
•
当取样线垂直节理的走向时，则d为节理 走向的垂直间距。
•按垂直间距分类
d>180cm d=30~180 d<30 d<6.5
岩体结构
3）结构面产状： ①要素：走向、倾向、倾角
②与主应力之间的关系：控制岩体的破坏机理与强度。
22
4）结构面形态：
①要素：起伏形态、起伏角、粗糙度。 ②对岩体的力学性质和剪切强度有影响。 ③起伏角:i=arctan(2h/L)
23
④粗糙度系数：
JRC（joint roughness coefficent)
④后层充填：厚度远大于起伏、强度取决于充填物、易滑移。
26
3.1.5 岩体结构类型－1
岩 体 构 类 型 主要 结构 结构面发育情况 体形 状 可能发生的 岩上工程问 题
岩体地质 类型
岩土工程特 征
整 体 状 结 构
以原生构造节理 均质，巨 为主．多呈闭合 块状岩浆 型，裂隙结构面 岩、变质 巨块 间距大于1.5m,一 岩．巨厚 状 般不超过l～2 层沉积岩、 组．无危险结构 正变质岩 面组成的落石掉 块
K=n/L ， d′ =1/K=L/n
线密度Kd：若取样线垂直结构面，则裂隙度被称为线密度。 间距d：同一组结构面法线方向上结构面平均距离。
Kd=n/L ， d =1/Kd=L/n
18
按结构面间距d的分级表 描 述 极密集的间距 很密的间距 密集的间距 中等的间距 宽的间距 削 距(mm) <20 20～60 60～200 200～600 600～2000
劈理 构 造 结 构 面 节理
断层
层间破碎夹层
6
3.1.2 结构面（Structural plane)类型－3 成因类型 地质类型
卸 荷 裂 隙 次 生 结 构 面 爆 破 裂 隙 风 化 裂 隙 风 化 夹 层
泥 化 夹 层
7
3.1.3 结构面分级及其特性－1 级 分级依据 序 延伸数十公 里 I 级 深度可切穿 一个构造层 破碎带宽度 在数米、数 十米以上 力学属 地质类型 性 属于软 弱结构 区域性深 面， 大断裂 构成独 或大断裂 立的力 学介质 单元 对岩体稳定性影 响 影响区域稳定性 是岩体变形或破 坏的控制条件， 形成岩体力学作 用边界。
- 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)。
2、块状结构
完整性系数 0.35～0.75 结构面间距 0.7～1.5 m 节理发育，有若干贯通微张裂隙将岩体切割成柱状、块状 或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上节理明显发育， 构成影响工程稳定性的危险岩块，其尺寸小于工程几何尺寸。 岩土工程特征：整体性强度高，结构面相互牵制，岩体基 本稳定，接近弹性各向同性体。
3、板层状结构
完整性系数：层状 0.3～0.6; 薄层状<0.4 结构面间距：层状 0.25～0.5 m ；薄层状<0.25 m 由中厚（0.25～0.5 m）及薄层（<0.25m）的均一、坚硬、软 弱或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成的岩体。结构面以层 理、片理、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状 互相紧密叠合。 岩土工程特征：工程范围内，一组节理明显发育，在层内具 有均一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连续 介质。其变形和强度特征受层面及岩层组合控制，岩体稳定性 较差。
§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
按岩体I级结构被大规模结构面分割的形态特征可将岩体结构分为块 状结构和板层状结构。
按岩体II级结构被次级结构面切割的程度和形态特征，可将岩体结
构划分：
II级岩体结构
I级 岩体结构
块状结构
整体结构 块状结构 碎裂结构 散体结构
块状碎裂结构 层状碎裂结构
板层状结构
岩体完整性系数 表征岩体结构特征的一个重要参数
图2-1 岩体结构示意
一、结构面
1、成因类型
（1）地质成因类型
原生结构面：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、
软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。
火成结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括岩浆岩 体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等 （如：流层、流线、火山岩流接触面、蚀变带、原生节理等）。
（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
延伸数公里以上（最长达上 区域性深大断裂
Ⅲ级 带，面内不含泥，仅在一个 层间错动带等
件和破坏方式，直接威胁
地质年代的地层中分布
工程稳定
延展数厘米~数米，未错动，有 节理、劈理、片理、层 控制岩体的结构、完整性
Ⅳ级 的呈弱结合状态，统计结构面 理、卸荷裂隙、风化裂 和物理力学性质
隙
Ⅴ级
微米~毫米，细小或隐微裂 面，统计结构面
微小节理、隐微裂隙。 控制岩块的力学性质 常包含在岩块内
Kv
V (
pm
)2
V pr
Vpm—岩体弹性波纵波速度（m/s) Vpr —岩石弹性波纵波速度（m/s)
1、整体结构
完整性系数 > 0.75 结构面间距 > 1.5 m 岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥，层面结 合良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺寸大于工程 尺寸。 岩土工程特征：整体强度高，岩体稳定，可视为均质、1 岩体结构 2 结构面的几何性质与力学性质 3 岩体的强度性质 4 岩体的变形性质 5 岩体质量评价及其分类
§2-1 岩体结构
结构面：是指岩体中存在着的各 种不同成因和不同特性的地质界 面，包括物质的分界面、不连续 面如节理、片理、断层、不整合 面等。 结构体：由结构面在岩体中切割 而成的几何体称为结构体（岩石 块体）。 岩体：结构面和结构体的地质统 一体。
变质结构面在变质过程中形成（分为残留结构面和重结晶结构 面），如：片理、片麻理、板理、软弱夹层等。
构造结构面 是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面， 包括断层、节理、劈理和层间错动面等。
次生结构面 是岩体形成 后在外营力作用下产生的结 构面，包括卸荷裂隙、风化 裂隙、次生夹泥层和泥化夹 层等。
Ⅰ级 千公里），破碎带宽度数米
~数十米
影响区域稳定性；如通过 工程区，形成岩体力学作 用边界
延伸数百米~数公里，破碎
Ⅱ级 带宽度几厘米~几米
大中型断层、不整合 面、层间错动带、软 弱夹层等
控制工程岩体力学边界条 件和破坏方式，与Ⅲ级结 构面组合直接威胁工程稳 定
延伸十米~数十米，无破碎 小断层、软弱夹层、 控制工程岩体力学边界条
4、碎裂结构
岩体 块状碎裂结构 层状碎裂结构
完整性系数 结构面间距
<0.36
<0.5m
<0.4
<0.5m
构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充 填。岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条 块状岩石，属不均一的不连续介质，稳定性很差。
5、散体结构
完整性系数：<0.2 主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结构面 相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层泥，呈松 散堆积或压密堆积。 岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体介质。
二、结构体
1、结构体分级
I级结构体：由I级结构面切割成的结构体(地质体)。 II级结构体：由I级结构体经II级结构面切割而成的结构体 (山体)。 III级结构体：II级结构体再经III级结构面切割而成的结构 体。 IV级结构体：III级结构体再经IV级结构面切割而成的结构 体（完整岩石或岩块）。
2、结构体的块度
结构体的块度通常指最小结构体的尺寸。在岩体工 程稳定性分析中，结构体的块度决定了工程围岩的破 坏方式，从而决定了支护和加固方法。在开挖过程中 结构体的块度影响施工及临时支护。
三、岩体结构类型
将大规模结构面切割成的岩体结构定义为I级结构；在I级结构基础 上，次级结构面切割成的岩体结构定义为II级结构。