4.2 结构面的变形特性
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。
岩体的基本力学性能
图4－5 节理面的起伏度与粗糙度
A↑和 ↓的节理表面起伏越急峻。
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第二节 结构面的变形特性 法向
切向 一、节理的法向变形 （一）节理弹性变形（齿状接触）
022m d n2(1 hE 2)
按弹性力学
式中:d-为块体的边长; n-为接触面的个数;
Boussinesq公式 计算齿状节理接 触面弹性变形引
A( V )t VmcV
－原位应力 V Vmc A，t－回归参数
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（3）状态方程的 几何表示
A(Vm c VV)t
当t=t A=1时，有
V VmcV MC
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最大闭 合V mc
(4)试验方法（VmC的确定） a.无节理 c.配称接触
步骤：
（1）备制试件；
（2）作σ-ε曲线（a）；
JRC arctan(n)b lg(JCSn)
JRC为节理粗糙系数 JCS为节理壁抗压强度
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3、转动摩擦
（1）基本假设
在张开节理中，经常有块状充填物，或 节理切割成碎块。当剪切时，可使充填物或 碎块发生转动。设转动的碎块为平行六面体， 其模型见图4-15。假设模型受法向力N；剪切 力T。
（2）稳定性分析
4、滚动摩擦
当碎块的翻倒角 减少时，其内摩擦角也将 减小。当碎块剖面为n个边的规则多角形时， 其翻倒角为：
1800
n
当碎块的边数不断增加，则碎块趋向球， 0
对于一个完全圆球质点，其抗翻倒阻力就是 它的滚动摩力，其摩擦系数为
fR
T N
tanR
钢圆柱滚动其摩擦系数为 fR [0 .00,0 .0 40 ]返2回
1 3 m 2 C in f 3 1 f 2 f
第三章 结构面
r
j
t
2) 结构面的卸荷刚度比岩块的加载刚度大。
卸载变形特征： 3)随着循环次数的增加, n j 曲线逐渐变陡， V 且整体向左移。
未 风 化 结 构 面
中 风 化 结 构 面
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。
循环荷载条件下结构面的 j 曲线 n V
结构面的法向加载变形特征
30
2) 初始压缩阶段,含结构面的岩块变形 20 主要由结构面闭合造成。试验表明,当 15 10 n 1MPa 时, t r 5 ~ 30,结构面的 ΔV ΔV V V 5 变形占很大部分。其大小还取决于结构 面的类型及其风化变质程度等因素。 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Vm j V
含结构面岩块 压缩试验求解
K ni Kn n 2 1 Vni + n K m
班迪斯经验方程求解：K ni ,Vm
JCS 岩壁 K ni 7.15 +1.75 JRC +0.02 强度 e D 结构面粗 JCS 糙度系数 Vm A +B( JRC ) +C e
A1
结构面 A2 3 锚固点 压力传感器 变形传感器 参考点
σn(MPa) 12 Δσ 10
多点位移计
An
8
6 4 2 0
A22
A11
Kn i +1 V Vi V
ni +1 ni n
500
ΔVi+1 ΔVi
1000
t
n
与试验曲线的比较:本曲线起点不 在原点,而试验曲线起点在原点。 σi 适用性：较适合于具有一定滑错 0 ΔVj Vm 位移的非嵌合性结构面的法向变 结构面法向变形曲线(Goodman方程 形特征。
岩体力学期末考试最新知识点
1.岩体力学：是研究岩体和岩体力学性能的一门学科，是探讨岩石和岩体在其周围物理环境（力场、温度场、地下水等）发生变化后，做出响应的一门力学分支。
2.岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体。
3.岩体：一定工程范围内的自然地质体。
4.岩石和岩体的不同之处：岩体是由岩石块和各种各样的结构面的综合体。
5.岩石的结构：组成岩石最主要的物质成分、颗粒大小和形状以及相互结合的情况。
6.岩石的构造：指组成岩石的成分在空间分布及其相互间的排列关系。
7.岩石按成因分：岩浆岩、沉积岩、变质岩8.岩体结构的两大要素：结构体和结构面9.岩体的力学特征：不连续性、各向异性、不均匀性、赋存地质因子特性、残余强度特性10.岩体力学的研究任务：1、基本原理方面2、实验方面3、实际工程应用方面4、监测方面11.岩石的质量指标：指描述岩石质量大小有关的参数，通常采用岩石单位体积质量的大小表示，包括岩石的密度和颗粒密度。
12.岩石的密度：指岩石试件的质量与岩石试件的体积之比13.岩石的颗粒密度P s：岩石固体物质的质量与固体的体积之比（P s=m s/V c）14.岩石的孔隙性：是反应了岩石中微裂隙发育程度的指标。
15.岩石的吸水率：指岩石吸入水的质量与试件固体的质量之比16.岩石的吸水率分为：自由吸水率3a和饱和吸水率3saasa17.软化系数：指岩石饱和单轴抗压强度的平均值与干燥状态下的单轴抗压强度平均值的比值18.岩石的膨胀特性：通常以岩石的自由膨胀率、岩石的侧向约束膨胀率、膨胀压力19.岩石的单轴抗压强度：指岩石试件在无侧限条件下，受轴向里作用破坏时，单位面积承受的最大荷载，即R c=P/A20.岩石的抗拉强度：指岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时单位面积所能承受的最大拉力21.岩石抗拉强度试验方法：1、直接拉伸法2、抗弯法3、劈裂法4、点荷载试验法22.岩石的剪切强度：指岩石在一定的应力条件下所能抵抗的最大剪应力23.岩石抗剪强度的试验方法：1、抗剪断试验2、抗切试验3、弱面抗剪切试验24. --------------------------------------------------------- 三向压缩应力作用下的破坏形式：低围压劈裂；中围压斜面剪切；高围压---塑性流动25.岩石模量有：初始模量、切线模量、割线模量26.脆性破坏：指应力超出了屈服应力后不表现出明显的塑形变形特性，这类破坏是脆性破坏27.扩容：指岩石受到外力作用后，发生非线性的体积膨胀，且这一体积膨胀是不可逆的28.岩石的流变性包括：1、岩石的蠕变2、岩石的应力松弛3、岩石的长期强度29.蠕变：是指岩石在恒定的外力作用下，应变随时间的增长而增长的特性，也称作徐变。
岩体力学
1.岩体力学的定义：岩体力学主要是研究岩石和岩体力学性能的一门学科。
是探讨岩石和岩体在其周围物理环境（力场、温度场、地下水等）发生变化后，作出响应的一门力学分支。
2.岩石的定义：岩石是矿物或岩屑地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体。
3.岩体的定义：在岩体力学中，通常将在一定工程范围内的自然地质体称为岩体。
4.结构面的定义：所谓结构面，是指具有极低的或没有抗体强度的不连续面5.岩石的力学特征：1.不连续性.2.各向异性.3.不均匀性.4.赋存地质因子的特性.6.学派：1.地质力学的岩石力学派。
2.工程岩石力学派。
第二章1.岩石的基本物理性质：1.岩石的密度指标。
2.岩石的孔隙性。
3.岩石的水理性质。
4.岩石的抗风化指标。
5.岩石的其他特性。
2.岩石的强度特性：所谓强度，是指材料在荷载作用下，所能承受的最大的单位面积上的力。
通常研究岩石的单轴抗压强度（无侧限压缩强度）、抗拉强度、剪切强度、三轴压缩强度等。
在单向压缩荷载作用下试件的破坏形态：1.圆锥形破坏。
2.柱状劈裂破坏。
3.四种强度特性：1.岩石的单轴抗压强度。
2.岩石的抗拉强度。
3.岩石的抗剪强度。
4.岩石在三向压缩应力作用下的强度。
4.岩石三向压缩强度的影响因素：1.侧向压力的影响。
2.试件尺寸与加载速率的影响。
3.加载路径对岩石三向压缩强度的影响。
4.孔隙压力对岩石三向压缩强度的影响。
5.岩石应力应变全过程曲线（略）6.岩石的流变性包含着三部分的内容：岩石的蠕变、岩石的应力松弛、岩石的长期强度。
7.所谓的蠕变是指岩石在恒定的外力作用下，应变随时间的增长而增长的特性，也称作徐变。
8.典型蠕变曲线（略）。
9.影响岩石蠕变的主要因素：1.应力水平对蠕变的影响。
（不能太大也不能太小，中等应力水平（60%-90%）峰值）2.温度、湿度对蠕变的影响。
10.岩石介质力学模型：1.基本力学介质模型：弹性介质模型、塑性介质模型、粘性介质模型。
2.常用的岩石介质模型：弹塑性介质模型、粘弹性介质模型：马克斯韦尔模型、凯尔文模型。
4.1~4.2 岩体的结构特征与主要力学特征
2、典型的蠕变曲线
恒定荷载大小不同分为两 种类型：一类是在较小的 恒定荷载作用下（ σ<σ∞）， 变形随时间增长，变形速 率递减最后趋于稳定；另 一类恒定荷载超过某一极 限后（ σ〉σ∞），变形随 时间不断增长，最终导致 破坏。 典型蠕变曲线可分为以下 三个阶段： 初始蠕变阶段，OA段，变 形速率逐渐减少，又称阻 尼蠕变阶段。 等速蠕变阶段，AB段，变 形缓慢平稳，应变随时间 呈等速增长。 加速蠕变阶段。BC段，变 形速率加快直到破坏。 岩石长期强度：长期应力超过某一临界应力时，岩石才经蠕变破坏，这一 临界应力称为岩石长期强度。取决于岩石及结构面的性质和含水量等因素
软弱夹层
特点
厚度薄
多呈相互平行，延伸长度和宽度不一的多层状
结构松散
岩性、厚度、性状和延伸范围，常有很大变化
力学强度低，与其结构、矿物成分和颗粒组成有关
泥化夹层 特点
成分：粘粒含量明显增多
结构：由固结或超固结变成了泥质散状结构
物理状态：干容重减小,天然含水量增高,接近塑限
具有一定的膨胀性
4、动弹性模量（Ed） 岩体中的一点受动载荷冲击后将产生振动，这种振 动以弹性波的形式向外扩散。 在生产上用动力法测定岩体的动态变形参数。 5、岩体静弹性模量（Ee）与动弹性模量（Ed）关系。 E e = jE d
J是折减系数，与岩体完整性有关。
二、岩体的流变特性
1、定义
流变性：物体在外部条件不变的情况下，应力或变形 随时间而变化的性质。有蠕变和松弛。
岩体力学第三章PPt 刘佑荣 化学工业出版社1
ห้องสมุดไป่ตู้
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：
第二节 结构面的变形特性
d-复位式
四种典型的节理强度和位移关系曲线
（二）节理抗剪强度和扩容分析 二
基本理论： 基本理论：库仑准则 类型：面接触、 类型：面接触、齿状接触 1．面接触 滚动摩擦 转动摩擦
正好破坏时： 正好破坏时： ①破坏面与 ②剪应变 γ
σ3
=
的夹角=
u 2 b
( σ ∧ σ 1 ) = 45
o
+
ϕ
2
③内摩擦角（当 σ =常量，σ = σ 节理面最大主 应力） − σ σ tg ϕ = σ −σ 对边/ 对边 对边/ 对边/ sin ϕ = 2 σ σ σ +σ 邻边 极限： 斜边 ④静摩擦系数fs与静摩擦角 ϕ 令节理剪切破坏的剪应力和正应力为：
δ
= 180 n
当碎块的边数不断增加，则碎块趋向圆球，
δ → 0
。其抗翻倒阻力就是它的滚动摩力， T 其摩擦系数为 f = = tan ϕ
R
N
R
钢圆柱滚动其摩擦系数为
f R ∈ [ 0 . 0004 , 0 . 002 ]
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ξ －原位应力
∆ V < V mc
A，t－回归参数
（3）状态方程的 几何表示
σ − ξ = A( ξ V
∆V )t mc − ∆ V
最大 V 闭合
mc
当t=t A=1时，有∆源自V = V mcξ V MC − σ
(4)试验方法（ 的确定） (4)试验方法（VmC的确定） 试验方法
a.无节理
c.配称接触
b a
d.非配 称接触
图 4－ 7
一条张开裂缝的压缩变形曲线
抗剪强度
二、节理的切向变形
节理变形 扩容现象
《岩石力学》复习资料
《岩石力学》复习资料1.1 简述岩石与岩体的区别与联系。
答:岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体,力学性质可在实验室测得；岩体是指由背诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面切割的岩块组成的集合体，力学性质一般在野外现场进行测定，因此更接近岩体的实际情况，反映岩体的实际强度。
1.2 岩体的力学特征是什么？答：（1)不连续性：岩体受结构面的隔断,多为不连续介质，但岩块本身可作为连续介质看待；（2)各向异性：结构面有优先排列位向的趋势,随着受力岩体的结构趋向不同力学性质也各异；(3）不均匀性：结构面的方向、分布、密度及岩块的大小、形状和镶嵌状况等在各部位都很不一致，造成岩体的不均匀性；（4)岩块单元的可移动性：岩体的变形破坏往往取决于组成岩体的岩石块单元体的移动,这与岩石块本身的变形破坏共同组成岩体的变形破坏；（5）力学性质受赋存条件的影响：在一定的地质环境中，岩体赋存有不同于自重应力场的地应力场、水、气、温度以及地质历史遗留的形迹等。
1.3 岩石可分为哪三大类?它们各自的基本特点是什么?答：（1）岩浆岩：由岩浆冷凝形成的岩石，强度高、均匀性好；（2）沉积岩：由母岩在地表经风化剥蚀后产生，后经搬运、沉积和结硬成岩作用而形成的岩石,具有层理构造，强度不稳定，且具有各向异性；（3）变质岩：由岩浆岩、沉积岩或变质岩在地壳中受高温、高压及化学活动性流体的影响发生变质而形成的岩石.力学性质与变质作用的程度、性质以及原岩性质有关。
1.4 简述岩体力学的研究任务与研究内容。
研究任务：①建模与参数辨别;②确定试验方法、仪器与信息处理；③现场测试；④实际应用；研究内容：①岩石与岩体的物理力学性质(岩石的物质组成和结构特征，岩石的物理、水理性质，岩块在不同应力状态作用下的变形和强度特征,结构面的变性特征和强度参数的确定等）;②岩石和岩体的本构关系(岩块的本构关系，岩体结构面分类和典型结构面本构关系,岩体的本构关系）；③工程岩体的应力、变形和强度理论（岩体初始应力测量及分布规律，岩体中应力、应变和位移计算，岩体破坏机理、强度理论和工程稳定性维护与评价）：④岩石(岩块）室内实验（室内实验是岩石力学研究的基本手段）;⑤岩体测试和工程稳定监测（岩体原位力学实验原理和方法，岩体结构面分布规律的统计测试,岩体的应力、应变、位移检测方法及测试数据的分析利用,工程稳定准则和安全预测理论与方法)。
结构面的基本性能
2(C j 3 tg j ) (1 tg j ctg ) sin 2
蔡路军 38
2015/10/26
武汉科技大学理学院工程力学系
WUST
Dip (面的倾角) and Strike (走向) The dip is the angle in degrees between a horizontal plane and the inclined plane, measured down from horizontal. The strike is the compass direction (North) of the horizontal line formed by the intersection of a horizontal plane and an inclined plane.
2015/10/26 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 29
WUST
(二)力学成因类型
1、张性结构面是由拉应力形成的，如羽毛状张裂面、纵张及 横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等 特点：张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏 度大及破碎带较宽,易被充填,常含水丰富，导水性强 2、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。 特点：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等。
在变质较浅的沉积岩，如千枚岩等路堑 边坡常见塌方。片岩夹层有时对工程及 地下洞体稳定也有影响
构造结构面
产状与构造线呈 一定关系，层间 错动与岩层一致
对岩体稳定影响很大，在上述许多岩体 破坏过程中，大都有构造结构面的配合 作用。此外常造成边坡及地下工程的塌 方、冒顶
次生结构面
受地形及原结构 面控制
第四章岩体的基本力学性质
结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的产状、形 态、延展尺度、发育程度、密集程度。 结构面的产状：结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控 制作用。 结构面的形态：结构面的形态决定结构面抗滑力的大小，当结构 面的起伏程度较大，粗糙度高时，其抗滑力就大。 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， 完全控制岩体的强度。 结构面的密集程度：以岩体的裂隙度和切割度表征岩体结构面的 密集程度。
又A=h2，节理面的法向弹性变形量δ0=2δ，代入Boussnisq解，得 接触面为方形时，m=0.95，μ≅0.25，则上式变为
（二）节理的闭合变形 含啮合变形（配称实验）和压碎变形（非配称实验）。 下面介绍Goodman方法：
（1）结构面闭合试验（VmC的确定） 步骤： 1）备制试件； 2）作ζ-ε曲线（a）； 3）将试件切开，并配 称接触再作曲线（b）； 4）非配称接触，作曲线（c）; 5）两种节理的可压缩性法向 Nhomakorabea切向
（1）有n个点接触,每个接触 面边长为h
（2）每个接触面受力相同
（3）每个接触面力学特性 相同
2、计算公式 半无限体上作用一个集中力的布辛涅斯克（Boussnisq）解
δ－变形量；Q－荷载；A－荷载作用面积；E、μ－弹性模量、泊 松比；m－与荷载面积形状因素有关的系数，方形面积m=0.95 设节理面的边长为d，作用于节理面上的应力为ζ，则作用 在每一个接触面上的荷载
统计结构面 实测结构面
V 级结构面--细小的结构面
• Ⅰ级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳 定性，直接影响工程岩体稳定性；
• Ⅱ级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。 • 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。 Ⅱ、Ⅲ级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件 和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面 ，直接威胁工程安全稳定性
4岩体的工程地质性质
天然密度 干密度ρd 含水量w（％） 重度γ（kN/m3） ：单位体积岩石受到的重力，与密度ρ的关 系为
4.2.1岩石的主要物理性质
2)
相对密度（比重）Gs 干试样质量m（g）与4℃时同体积纯水质量（岩石固体体积与 水的密度之积）的比值
4.2.1岩石的主要水理性质
3)
孔隙度（孔隙率）n 试样中孔隙（包括微裂隙）的体积Vv（cm3）与试样总体积V （cm3）的百分比 V n v V 孔隙比e
岩体完整程度与岩体结构类型的定性划分(《工程岩体分级标准》）
岩体完 结构面发育程度 主要结构面的结合 主要结构面类 岩体结构类型 型 整程度 组数 平均间距/m 程度 完整 1～2 >1.0 结合好或结合一般 节理、裂隙、 整体状或巨厚 层面 层状结构 较完整 1～2 >1.0 结合差 节理、裂隙、 块状或厚层状 层面 结构 结合好或结合一般 块状结构 2～3 1.0～0.4 节理、裂隙、裂隙块状或中 较破碎 2～3 1.0～0.4 结合差 层面、小断层 厚层状结构 结合好 镶嵌碎裂结构 ≥3 0.4～0.2 结合一般 中、薄层状结 构 破碎 ≥3 结合差 各种类型结构 裂隙块状结构 0.4～0.2 结合一般或结合差 面 碎裂状结构 ≤0.2 极破碎 无序 结合很差 散体结构
外动力成因型结构面（表生结构面）：如卸荷裂隙（长江链子
崖危岩体）、泥化夹层及表生夹泥。
结构面的特征
1978年ISRM实验室和野外试验标准委员会制定的《岩体不连 续面定量描述的建议方法》
方位：结构面的产状（走向、倾向、倾角）
间距：反映岩体完整程度和块体大小 延续性：反映结构面的连通率 粗糙度：反映结构面的起伏状况 结构面侧壁强度：反映结构面受风化影响的程度 张开度：又称隙宽，即裂隙的宽度 充填物：不同物质充填对力学特性有显著影响 渗流：反映地下水的活动状况 节理组数：反映岩体被切割的状况 块体大小：可用块度和体积节理数反映
岩石力学张永兴答案
岩石力学张永兴答案【篇一：《岩体力学》教学大纲】t> 撰写人：学院审批：审批时间：年月日一．课程基本信息开课单位：土木工程与建筑学院课程编号： 01z20044b英文名称： rock mass mechanics学时：总计 32 学时，其中理论授课32 学时，实验（含上机）0 学时学分： 2.０学分面向对象： 2008 级及以后年级的土木工程与工程管理本科专业学生先修课程：《高等数学》、《土木工程概论》、《材料力学》、《普通地质学》、《弹性力学》、《工程地质》、《计算机文化基础》等。
教材：《岩体力学》，沈明荣，陈建峰编著，上海：同济大学出版社， 2006 年 07 月，第三版。
主要教学参考书或资料：1.《岩体力学》，阳生权，阳军生编著，北京：机械工业出版社，2008 年 09 月，第一版。
2. 《岩石力学》，徐志英编著，北京：水利水电出版社，2007 年 07 月，第三版。
3. 《岩石力学》，张永兴编著，北京：中国建筑工业出版社，2008 年 03 月，第二版。
4.gb 50218 —94 工程岩体分级标准．5.gb 50021 —2001 岩土工程勘察规范．6.《岩土工程手册》，岩土工程手册编委会编著，北京：中国建筑工业出版社， 1999 。
二．教学目的和任务岩体力学是一门应用型基础学科，是属土木工程专业任选课。
本课程的教学目的是通过课堂教学，使学生掌握岩石、岩体的基本概念，掌握地下洞室、岩质边坡和地基工程的稳定性分析方法及其基本的设计方法，并了解岩体力学的新理论新方法，掌握常用试验、测试的原理与方法。
三．教学目标和要求通过本课程的学习，充分理解并掌握岩石基本参数的概念，影响因素，试验方法；掌握莫尔强度理论和格里菲斯强度理论；对工程中一般岩体力学问题具有一定的分析和计算能力，如洞室围岩稳定性分析、岩质边坡稳定性分析、坝基稳定性分析等．同时，学生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能力，具有分析试验数据和编写报告的能力。
隧道围岩类别划分与判定(试题学习)
隧道围岩级别划分与判定隧道围岩分级就是评定围岩性质、判断隧道围岩稳定性，作为选择隧道位置、支护类型的依据和指导安全施工。
国内外现在的围岩分级方法有定性、定量、定性与定量相结合3种方法，且多以前两种方法为主。
定性分级的做法是，在现场对影响岩体质量的诸因素进行定性描述、鉴别、判断，或对主要因素作出评判、打分，有的还引入分量化指标进行综合分级。
以定性为主的分级方法，如现行的公路、铁路隧道围岩分级等方法经验的成分较大，有一定人为因素和不确定性，在使用中，往往存在不一致，随勘察人员的认识和经验的差别，对同一围岩作出级别不同的判断。
采用定性分级的围岩级别，常常出现与实际差别1～2级的情况。
定量分级的做法是根据对岩体性质进行测试的数据或对各参数打分，经计算获得岩体质量指标，并以该指标值进行分级。
如国外N.Barton 的Q分级，Z.T.Bieniawsks 的地质力学（MRM）分级、Dree的RQD值分级等方法。
但由于岩体性质和赋存条件十分复杂，分级时仅用少数参数和某个数学公式难以全面准确地概括所有情况，而且参数测试数量有限，数据的代表性和抽样的代表性均存在一定的局限，实施时难度较大。
影响围岩稳定的因素多种多样，主要是岩石的物理力学性质、构造发育情况、承受的荷载（工程荷载和初始应力）、应力变形状态、几何边界条件、水的赋存状态等。
这些因素中，岩体的物理力学性质和构造发育情况是独立于各种工作类型的，反映出了岩体的基本特性，在岩体的各项物理力学性质中，对稳定性关系最大的是岩石坚硬程度，岩体的构造发育状态、岩体的不连续性、节理化程度所反映的岩体完整性是地质体的又一基本属性。
国内外多数围岩分级都将岩石坚硬程度和岩体的完整程度作为岩体基本质量分级的两个基本因素。
1 国标《锚杆喷射混凝土支护技术规范》围岩分级1.1围岩分级围岩级别的划分应根据岩石坚硬性岩体完整性结构面特征地下水和地应力状况等因素综合确定并应符合表1.1规定。
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1、岩体稳定性分析和地下水渗流分析通常把岩体视为由岩块（结构体）与结构面组成的地质体。
2、岩体工程中的软弱夹层问题：如黄河小浪底水库工程左坝肩的泥化夹层；葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层；黑河水库左坝肩单薄山梁的断层引发的渗漏问题；长江三峡自然坡中的软弱夹层等。
这些软弱结构面在不同程度上影响和控制着工程岩体的稳定性。
因此，结构面变形与强度性质的研究，在工程实践中具十分重要的实际意义：1）大量工程实践表明：在工程荷载（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。
因此，结构面的强度性质的研究是评价岩体稳定性的关键。
2）在工程荷载作用，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组成部分，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。
4）工程荷载作用下，岩体中的应力分布受结构面及其力学性质的影响。
第一节结构面的变形性质（特性）结构面的变形包括法向变形和剪切变形两个方面。
一、结构面的法向变形1．法向变形特征（Normal deformation）设不含结构面岩块的变形为ΔVr，含结构面岩块的变形为ΔVt，那么结构面的法向闭合变形ΔVj为：ΔVj=ΔVt－ΔVr由结构面法向应力σn与变形的关系曲线可得如下特征：1）σn↑，ΔVj↑↑，曲线呈上凹型；σn→σ0，σn－ΔVt变陡，与σn－ΔVr大致变形；2）初始压缩阶段，ΔVt主要由结构面闭合造成的；3）试验研究表明，当开始，含结构面岩块的变形由以结构面的闭合→岩块的弹性变形；4）σn－ΔVj曲线的渐近线大致为：ΔVj=Vm5）结构面的最大闭合量小于结构面的张开度（e）。
图5.1 典型岩块和结构面法向变形曲线含结构面的岩块和不含结构面的岩块在法向上加荷、卸荷后的应力—变形曲线，见教材P76-77（Bandis等，1983）。
2．法向变形本构方程（法向应力与变形之间的关系）这方面的研究目前仍处于探索阶段，已提出的本构方程都在试验的基础上总结出来的经验方程，如Goodman，Bandis及孙广忠等人。
结构面的变形与强度性质
第三章 结构面的变形与强度性质
• §3.1 概述 • §3.2 结构面的变形性质
§ 3.2 结构面的变形性质
一、法向变形性质
1. 法向变形特征
Δ Vｔ
Δ Vｒ
Δ Vｊ
Δ Vｊ＝Δ Vｔ－Δ Vｒ
应力-变形关系曲线
A B C
应力-变形关系曲线特征
• 1)σn增加，结构面闭合变 形迅速增长，σn-ΔV、σnΔVｊ曲线上凹。 增到一定值， σ n-ΔV ｔ 变 陡，与 σ n-ΔV ｒ 近平行。 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。这时， ΔV ｊ 趋于结构面最大闭 合量Vｍ。
D
壁岩强度JCS
lg(JCS ) 0.00088 R 1.01
岩石重度；
R 回弹值。
几种结构面的抗剪参数表
岩体结构面直剪试验结果表
便携式直剪仪
二、结构面的剪切变形性质 1、剪切变形特征 • 脆性变形型 • 塑性变形型 • 结构面变形与风化程 度有关 • 结构面的剪切刚度， 随法向应力增大而增 大，随结构面规模增 大而降低。
A B C
应力-变形关系曲线特征
2)初始压缩阶段，ΔVｔ主要 由结构面闭合造成。 σn＝１MPa时， ΔVｔ/ΔVｒ达５~３０， 即ΔVｊ占很大一部分。 • σn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。 A B C
4.2_结构面的变形特性shi
1 a
1/a
d 1 2 1 a d b
d d 1 b
初始切线斜率
0
2. 结构面法向闭合变形
闭合变形=弹性变形+塑性变形+（或）压 碎变形
一. 结构面的法向变形
配称 非配称 配称节理 非配称节理
岩石
节理岩石 节理岩石
u
Goodman结构面闭合试验
节理闭合
一. 结构面的法向变形
3. 结构面法向闭合变形本构方程 (1)Goodman公式
V A V V max
t
V－ 闭合变形量 V max－可能产生的最大闭合变形量 － 原位应力，即V＝0时的应力
A、t－ 试验常数
Vmax
V
一. 结构面的法向变形
若A、t=1，上式即为双曲 线方程，可写成
V
V Vmax Vmax
>
1
1/
一 . 结构面的法向变形
(2)指数形式
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第四章 岩体的基本力学性能
第一节 岩体结构面的分析
第二节 结构面的变形特性
第三节 结构面的力学效应
第四节 碎块岩体的破坏 第五节 岩体的应力—应变分析 第六节 岩体力学性能的现场测试
第二节 结构面的变形特性
V Vmax 1 e K 0
K 0 ln 1
V Vmax
Kn
K0 V Vmax V
结构面的力学性质ppt
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五、结构面的状态
结构面的产状、形态、延展尺度、密集程度以及胶结 与充填情况等是影响岩体强度和稳定性的重要因素。
1、结构面产状：指结构面的走向、倾向和倾角，对岩体
是否沿某一结构面滑移起控制作用。
2、结构面形态：决定结构面抗滑力的大小，当结构面的
起伏程度大，粗糙度高时，其抗滑力就大。
当岩体中有几组不同方向的节理时，
结构面的力学性质
§1 结构面的类型及其特征 §2 结构面的变形特性 §3 结构面的抗剪强度 §4 结构面的力学效应
2021/6/16
1
§1 结构面的类型及其特征
一、结构面的概念
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。 结构面具有一定的方向、延展较大、厚度小的二 维面状地质界面。
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
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．
3、结构面的延展尺度：在工程岩体范围力，延展度大的
结构面的基本性能
降低岩体强度
岩体结构要素 结 结 （构 构 单 坚 面 软 板 体 块 元硬 弱 状 状 ）结 结 结 结干 构 夹 构 构 构净 面 泥 面 体 体 的 的 （ （ 于 ， 长 1短 5的 夹 厚 轴） 层 比 的大 ）
岩体强度=岩块强度+节理强度
WUST
图1 节理岩体的强度特征与岩石强度的区别 Ⅰ－岩石；Ⅱ－节理化岩体：Ⅲ－节理
2、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。
❖ 特点：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等。
WUST
二、结构面的规模
❖ Ⅰ级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳定 性，直接影响工程岩体稳定性；
❖ Ⅱ级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。
变质结 1片理 构面 2片岩软弱夹层
产状与岩层或构 造方向一致
构造结构面
1节理（X型节理、张节 理） 2断层（冲断层、捩断 层、横断层） 3层间错动 4羽状裂隙、劈理
产状与构造线呈 一定关系，层间 错动与岩层一致
片理短小，分布极密， 片岩软弱夹层延展较 远，具固定层次
结构面光滑平直，片理在岩层深部 往往闭合成隐蔽结构面，片岩软弱 夹层具片状矿物，呈鳞片状
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
接触面延伸较远，比 较稳定，而原生节理 往往短小密集
与围岩接触面可具熔合及破碎两种 不同的特征，原生节理一般为张裂 面，较粗糙不平
一般不造成大规模的岩体破坏，但有时 与构造断裂配合，也可形成岩体的滑移， 如有的坝肩局部滑移
在变质较浅的沉积岩，如千枚岩等路堑 边坡常见塌方。片岩夹层有时对工程及 地下洞体稳定也有影响
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一 . 结构面的法向变形
设节理面的边长为d，作用于节理面上的应 力为σ，则作用在每一个接触面上的荷载
Q=
σd 2
n
又A=h2，节理面的法向弹性变形量δ0=2δ， 代入Boussnisq解，得
A、t－ 试验常数
播放动画
一. 结构面的法向变形
若A、t=1，上式即为双曲 线方程，可写成
σ
ΔV = ΔVmax − (ξΔVmax )
1
σ
ξ
ΔVmax
ΔV
一 . 结构面的法向变形
(2)指数形式
σ − ⎛ ΔV = ΔVmax ⎜1 − e K 0 ⎜ ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
σ
σ = − K 0 ln⎜1 − ⎜
⎝
⎛
ΔV ⎞ ⎟ ΔVmax ⎟ ⎠
Kn =
K0 ∂σ = ∂ΔV ΔVmax − ΔV
ΔVmax
K0 ΔV
K0: 初始法向刚度
二 . 结构面的切向变形特性
1. 剪切位移曲线 1)剪切刚度Ks
τ
τ = f (δ )
∂τ = K s = f ' (δ ) ∂δ
σn τ δ
二 . 结构面的切向变形特性
一 结构面的法向变形 1. 结构面法向弹性变形 1）假设条件 （1）有n个点接触,每个接触面边长为h （2）每个接触面受力相同 （3）每个接触面力学特性相同
一 结构面的法向变形
一 . 结构面的法向变形
2）计算公式 半无限体上作用一个集中力的Boussnisq解
(1 − μ )mQ (δ )
二 . 结构面的切向变形特性
τ
τ
δ
常刚度模拟曲线 变刚度模拟曲线
δ
二 . 结构面的切向变形特性
2）软弱型的本构方程
δ τ= aδ + b
τ=
1 a+ b 1 = a
δ →∞
τ
1/b 1/a
δ
dτ 1 2 = (1 − aτ ) dδ b
dτ dδ 1 = b
δ
τ =0
2 1 − μ 2 mσd 2 δ0 = nEh
(
)
一 . 结构面的法向变形
接触面为方形时，m=0.95，μ≅0.25，则上 式变为
1.8σd 2 δ0 = nEh
一. 结构面的法向变形
3）限制条件
作用在每个接触面上的应力应低于接触面 强度[σc]
σd
nh
2 2
≤ [σ c ]
一. 结构面的法向变形
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第四章 岩体的基本力学性能
第一节 岩体结构面的分析 第二节 结构面的变形特性 第三节 结构面的力学效应 第四节 碎块岩体的破坏 第五节 岩体的应力—应变分析 第六节 岩体力学性能的现场测试
第二节 结构面的变形特性
2. 结构面法向闭合变形 闭合变形=弹性变形+塑性变形+（或）压 碎变形
一. 结构面的法向变形
3. 结构面法向闭合变形本构方程 (1)Goodman公式
⎛ ⎞ σ −ξ ΔV = A⎜ ⎜ ΔV − ΔV ⎟ ⎟ ξ ⎝ max ⎠
t
ΔV－ 闭合变形量 ΔV max－可能产生的最大闭合变形量 ξ－ 原位应力，即ΔV＝0时的应力
2）影响因素 (1)正应力 (2)表面形态 (3)填充厚度
二. 结构面的切向变形特性
3）曲线类型 (a)脆断型 (b)切齿型 (c)间断起伏型 (d)软弱型
二 . 结构面的切向变形特性
2. 剪切位移曲线的本构方程 1）常用的计算模型 (1)变刚度模型 (2)常刚度模型 ∂τ = K s = f ' (δ ) ∂δ