山东科技大学~岩体力学~第四章

破碎带、糜 棱岩
4.2 岩体结构面与结构体分析
三、岩体破碎程度分类 （一）裂隙度K
裂隙度
沿某个取样线方向上，单位长度 上节理的数量
切割度 单位面积的岩体中结构面面积所
占的比例
1.单组结构面
设取样线长度为 ,在沿长度内出现节理的数量为n，则该
岩体的裂隙度 为
（4.1）
当取样线垂直节理的走向时，d为节理走向的垂直间距。
脆性剪切变形
塑性剪切变形表现：在前期阶段剪应力随着变形量增
加而一直呈非线性递增，最终剪应力将稳定于某一值，即
使变形继续发展下去，而剪应力也保持不变。

a—塑性剪切变形；
τf
τn
b
b—脆性剪切变形。
τm
a
O
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4.3 结构面力学性质
脆性剪切变形表现：剪应力达到剪切强度极限后，发
K=100~1000/m 糜棱节理
（4.3）
当岩体上有几组不同方向的节理时,
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（4.4）
4.2 岩体结构面与结构体分析
K a1
Ka2
K b1 Kb2
m1
1
d1
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m2
2
d2
4.2 岩体结构面与结构体分析
（二）切割度 节理并非在岩体内全部贯通，用“切割度”来描述节理贯通
(a)常刚度型曲线
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u/mm
0
0 u 0.5
1.0
(b)变刚度型曲线
u/mm
4.3 结构面力学性质
4.3.1.3 结构面抗剪强度 抗剪强度：岩体中结构面发生剪切变形达到破坏时的极限剪应力
抗剪断强度 τ=σntanφ+c 结构面抗剪强度 抗剪强度 τ=σntanφ
抗切强度 τ=c
一、结构面定量描述的基本参数
(1)产状
定义：结构面在空间的分布状态，由走向、倾向、倾角三要 素描述 作用：直接影响岩体的稳定性 (2)间距 定义：指同组相邻结构面的垂直距离，通常采用同组结构面的 平均距离。 作用：反映该组结构面的发育程度，即岩体的完整程度
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4.2 岩体结构面与结构体分析
轴向位移（cm） （a）
节理闭合（cm） （b）
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4.3 结构面力学性质
（3）结构面闭合变形的本构方程（数学表达式） 古德曼通过试验用如下的方法描述结构面的闭合变形 ①张开节理无抗拉强度
（1）基本假设 ②结构面在压应力下存在极限闭合量 ,且 ＜e（节理的厚度）
（2）状态方程
（4）散体结构：结构体为碎块、碎屑、碎片、岩粉夹泥等
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4.3 结构面力学性质
4.3.1 结构面力学性质基本特点
（1）结构面的法向变形特性
①结构面的法向弹性变形 结构面岩壁面有平滑与粗糙,当结构面两个岩壁面平滑时，两 侧岩壁接触为面接触;如果两个岩壁面是粗糙的，则结构面两 侧岩壁接触呈部分接触，是点接触。 基本假设： 接触面的接触是面接触，接触面是边长为h的正方形，且有n 个接触面；每个接触面所受的力是相等的；每个接触面的力 学特性是相同的。
沿取样线方向上结构面平均间距d为
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（4.2）
4.2 岩体结构面与结构体分析
按间距 分类
d>180cm 整体结构 d=30~180 块状结构 d<30 破裂结构 d<6.5 极破裂结构
2.多组节理
按裂隙 度分类
K=0~1/m
疏节理
K=1~10/m 密节理
K=10~100/m 很密节理
弱节理化
0.2～0.4
中等节理化
0.4～0.6
强节理化
0.6～0.8
完全节理化
0.8～1.0
切割度与裂隙度的关系:
（4.6）
式中: 为在岩体给定的体积内部由同组节理所产生的实
际切割程度，其单位为
。
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4.2 岩体结构面与结构体分析
（三）岩体破碎程度分类
裂隙度
表4.3 岩体破碎程度分类
（3）延展性（持续性）
定义：在一个岩体的露头上所见到的结构面迹线的长度。
作用：反映结构面规模大小。
可利用与倾向方向上的延展性的乘积推算结构面
的面积，评价结构面切割岩体的程度。
粗糙度
（4）粗糙度和起伏度
起伏度
定义：相对于结构面平均平面不平整度。
作用：粗糙度可增加结构面的抗剪强度。
起伏度较大可影响结构面的局部产状。
充填物：结构面缝隙中的物质，如水流中的物质残留， 结构面的面壁风化。
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4.2 岩体结构面与结构体分析
（7）结构面的渗透性 定义：在单个结构面或整个岩体中所见到的水流和水量的状态 （8）结构面的组数和岩块的尺寸 作用：结构面的组数反映了结构面的发育程度，同时反映岩体 被结构面切割所形成的岩块的大小。 二、结构面的分类 按照工程的要求分类
4.3 结构面力学性质
（2）结构面的法向闭合变形 齿状接触，开始是齿顶的压缩→压碎→闭合。下面介绍
Goodman方法： 步骤：
（1）备制试件； （2）作σ-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
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次生节理-成岩后期因风化作用形成的结构面， 如风化节理。
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工程结构
平洞 小型基础
隧洞 斜坡
表4－1结构面的相对分类
尺寸 （m）
影响带直 径（m）
结构面的长度 （m）
L
D
细小
中等
大型
φ=3
10
0~0.2
0.2~2
＞2
b=3
10
φ=30 100
h=100 100
0~2
2~20
切
节理化程度
割
疏节理
节理岩体 密节理
非常密集节理
压碎或糜棱岩 体
度
0
1
10
100
1000（m-1)
完整的 弱节理化
节理化 强节理化 完全节理化
岩
0.2 体
似均质性 0.4
0.6
弱节理化
0.8 1.0
强 节理化
度
的 降
强节理化
临
完全节理化
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4.2 岩体结构面与结构体分析
4.2.2 岩体结构体分析 结构体：岩体被结构面切割出的各种分离块体或岩块。
生显著的应力下降直到稳定于某一值，曲线上的峰值剪应
力为结构面剪切强度极限。
剪切刚度Kτ
τ/MPa σn = 8MPa
4
6
结构面较坚硬时，
剪切变形曲线为常
4
刚度型如图a所示。 2
2
τ/MPa σn = 8MPa
10
张
6
夏
岗
灰
4
山
岩
灰
5
2
岩
结构面较软弱时，剪 0
切变形曲线为变刚度 0
0.5
1.0
型，如图b所示 。
整体结构：结构面间距≥100cm （1）整体块状结构
块状结构：50cm≤结构面间距<100cm （2）层状结构 层状结构: 30cm≤结构面间距<50cm
薄层状结构:结构面间距<30cm 镶嵌结构:结构体形态及大小不一，棱角分明 （3）碎裂结构 层状碎裂结构：结构体大小不等，形状各异岩块 碎裂结构：结构体大小不等，形状各异岩块或碎屑
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4.2 岩体结构面与结构体分析
细小结构面 L≤1m
（1）绝对分类 中等结构面 L ≤1～10m
巨大结构面 L ≥10m
（2）相对分类——相对工程而言的分类见表4-1。
按照结构面 成因分类
原生节理-成岩过程中所形成的结构面，如 岩层的层面。
构造节理-构造运动所形成的结构面，如断层。
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4.3 结构面力学性质
按弹性力学布辛涅斯克公式计算齿状节理接触面弹性变形引起的闭合变形：
（4.7）
结构面的法向弹性变形 结构面面壁的法向弹性变形
（4.8）
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式中:d-为块体的边长; n-为接触面的个数; -为每个接触面的面积; -为泊松比； E-为弹性模量。
岩体力学
宁建国 副教授
矿业与安全工程学院
第四章 岩体的基本力学性质
4.1 概述 4.2 岩体结构面与结构体分析 4.3 结构面力学性质 4.4 岩体强度 4.5 岩体变形特征 4.6 岩体力学性质的现场测试
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4.1 概述
岩体=岩块+结构面 节理：岩体在生成过程中往往具有明显的地质遗 迹，如不整合、褶皱、断层、劈理、解理、层 理、片理，在岩体力学中一般都称为节理 节理的界面称为结构面 岩块强度>岩体强度>节理强度
度，在岩体中取一平直断面，总截面积为A，其中被节理面切
割的面积为a；则切割度为 多处不连续切割叠加： Xe 1.0
0 X e 1.0
X e 1.0
（4.5）
平行节理断面
d3 d2 d1
A
a1
a2
a3
节理面
通过岩石断面
4.2 岩体结构面与结构体分析
表4-2 按切割度分类
名称 完整的
Xε 0.1～0.2
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σ
4.1 概述
岩体
完整性很好——连续介质力学方法 非常破碎——土力学方法 两者之间——岩体力学、断裂力学、
损伤力学等方法
结构面
岩体不连续性，各向异性 反映区域性地质构造 降低岩体强度
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4.2 岩体结构面与结构体分析
4.2.1 岩体结构面分析
破坏面—大面积的破坏，大而粗
的节理
地质 破坏带—小面积的密集的破坏，
破坏
以细节理、局部机理、
风化节理为代表
两者之间的过渡类型—具有破坏
面和破坏带的力学特点
单个节理
节理组
结
节理群
构
面
节理带
破坏带
糜棱岩
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单节理
无 充 填
有 充 填
充有 填粘 物性
节理组
节理群
羽毛状节理 破坏带
四面体状结构体：由四组以上结构面切割形成。
结构体产状：
用长轴方位表示。 l
l
如l、m、p、g、r等（a） 柱状结构（体b）
l （c）
m m
（短d）柱状或板状（结e）构体
p
p
g
p
r
（楔f）形或锥形结（g）构体 （h） 山东科技大学资源与环境工程学院
板（i）状结构体 （j）
4.2 岩体结构面与结构体分析
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4.2 岩体结构面与结构体分析
（5）结构面面壁强度
作用：在岩体中由于长期的地质作用，该表面发生不同
程度的风化，进而影响其表面的力学特性。 结构面的面壁风化程度>母岩（原岩）
充填物Hale Waihona Puke Baidu
结构面的面壁强度<母岩强度（强度较小）
d
（6）结构面的开度与充填物
开度
开度：结构面两个面壁之间的垂直距离。
＞20
洞穴 小型水坝
h=40 h=40
＞100
＞100
0~2.5
2.5~25
＞25
大井水坝 h=100
300
高斜坡
h=300
300
0~6
6~60
＞60
Φ—洞径；b—基础高度；h—工程结构体高度
4.2 岩体结构面与结构体分析
按照地质力学观点进行的结构面分类
由于自然地质体内存在有各种各样的结构面：稀松、密集、 充填、未充填、有规律地相互排列或贯通。
式中 σn—作用于结构面上的法向应力；φ和c—结构面的内摩擦角及黏聚力。
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4.3 结构面力学性质
岩体中结构面破坏的控制量是变形。据此，可以采用结构面极 限变形建立其破坏判据，即
式中 —结构面剪切刚度。
10
[μ] × 0.01mm
（4.9）
8
结构面极限变形与 6
法向应力的关系如下：
4
2
0 u0
0
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张夏灰岩
fu
σn /MPa 2 4 6 8 10 12 14
4.3 结构面力学性质
配称节理的压缩量： 非配称节理的压缩量：
30.0
（A） （B）
岩石
配称节 理岩石
20.0
（C）—（A）
P
非配称岩石
10.0
（C） 非配称
配称 节理 Vmc
Vmc
岩石
0
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
结构面组数越多，结构体形状越复杂
结构体与结构 结构面间距越大，结构体块度越大 面的依存关系
结构体等级划分依据结构面类型或等级
结构体典型形状： 板状结构体：较为发育的一组结构面切割形成。 柱状结构体：两组以上陡倾斜或竖直结构面切割形成。
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4.2 岩体结构面与结构体分析
六面体状结构体：轻微构造变形地区的岩体被棋盘格式节理 切割形成。
4.2.3 岩体结构类型 根据结构面的等级及组合型式对岩体结构进行分类：由I、 Ⅱ级结构面切割的岩体定义为整体块状结构岩体，把由Ⅲ、 Ⅳ级结构面切割的岩体定义为层状结构及破碎结构岩体， 而存在于断层破碎带（未胶结）及风化破裂带中的破碎岩 体则被定义为散体结构岩体。
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4.2 岩体结构面与结构体分析
应力变化率
变形变化率
A，t－回归参数
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（4.8）
状态方程的几何表示: 当t=1 A=1时，有
（a） 压缩
e
V Vmc
（ >） Vmc

V
O （b）
=Vmc =f（e）
O
（c）
1
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4.3 结构面力学性质
塑性剪切变形
4.3.1.2 结构面剪切变形