4.1.岩体结构面的几何特征

第四章 岩体的基本力学性质
岩体是由岩块和结构面组合的天然地质体，其变形与强度不仅取决于它的受力状态，而且取决于岩体本身特征及赋存环境。

影响岩体基本力学性质的主要因素可概括为：（1）组成岩体的岩石材料性质；（2）组成岩体的结构面力学性质；（3）岩体中结构面的发育组合状态；（4）赋存环境，包括地下水、气和地应力的作用等等。

正是由于这些复杂因素的影响，使得岩体的力学性质与岩块有显著的差别，造成岩体变形增加，强度降低，显示出非均质、非连续、各向异性和非弹性等非线性性质。

本章首先讨论主要影响因素的特征，进而讨论岩体的变形性质和强度性质。

4.1.结构面的几何特征
结构面对岩体力学性质的影响因素主要表现在结构面自身的力学性质和及其几何特征两方面。

其中几何特征通常包括：结构面的空间方位、连续性、密度、张开度、形态等；进一步研究还包括这些表述结构面几何特征指标的分布概率和结构面的空间组合关系对岩体力学性质或岩体工程稳定性的影响。

本节仅含前者。

4.1.1.结构面的空间方位
结构面的空间方位，地质学中称为结构的产状，由走向、倾向和倾角表示。

其中：走向是指结构面与水平面相交的交线方向；倾向是与走向成垂直的方向，它是结构面上倾斜线最陡的方向；倾角度是指水平面与结构面之间所夹的最大角度。

可见结构面走向和倾向可以互相转换，所以，结构面产状有时又用倾向和倾角来表示。

为了便于结构面的数学表达，建立如图4.1(a)所示的坐标系，结构面就视为该坐标系中的一个空间平面。

并约定：向上为z 轴正向，向东为x 轴正向，向北为y 轴正向；结构面产状由倾向角β和倾角α确定。

由图4.1（a ）的几何关系可见，结构面的倾向角则为空间平面倾向与y 轴(正北向)的夹
角；结构面倾角则为空间平面外法线与z 轴的夹角，如图4.1(b)所示，图中，ˆn
表示结构面（空间平面）外法线。

设为单位矢量ˆn
，则ˆn 在坐标轴,,x y z 上的分量分别为：sin sin αβ，sin cos αβ，cos α。

这样，结构面的空间方位就可用单位矢量表示：
ˆn
=（sin sin αβ，sin cos αβ，cos α） （4.1）
(a) 结构面与空间坐标系 (b)结构面的倾向和倾角的坐标轴关系
图4.1 结构面的空间方位表示方法 4.1.2.结构面的连续性
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（结构面与勘测面交线的长度，简称为迹长）和面连续性系数表示。

研究结构面的连续性对岩体的变形特性、破坏机理及渗透程度等都有十分的重要意义。

（1）线连续性系数(l K ) 指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(图4.2)，即：
i l i
i
a K a b
=
+∑
∑∑ （4.2）
图4.2 结构面线连续性测试
其中，
1
2
3
(i)
a a a a =+++∑表示测线内结构（迹长）面总长度；1
2
3
...i
b b b b =+++∑表示测线内完整岩石（岩桥）长度；
i
i
a b +∑∑为测线总长度。

显然，01l K ≤≤，l K 值愈大说明结构面的连续性愈好，当l K ＝1时，结构面完全贯 通；当0l K =时，则岩体是完整的。

（2）结构面连续性的迹长表示 国际岩石力学学会(ISRM ，1978)建议用结构面的迹长来描述和评价结构面的连续性，并制订了相应的分级标准(表4.1)。

表4.1 结构面连续性分级表 (3) 面连续性系数 指被测试岩体断面的总面积与其中被结构面切割的面积之比。

从平面上描述了结构面连续扩展的状态，也表示了岩体被结构面切割分离的程度，所以又称之为切割度。

为了讨论某结构面的连续性，取一与该结构面平行的截平面，设截平面的面积为A ，如果截平面A 被结构面切割的面积为a ，则该结构面的面连续性系数为：
a a
K A
=
（4.3）
当1a K =时，说明该岩体结构面贯通率为100％（岩体全部被结构面切断），当0.5a K =时，则结构面贯通率为50％。

当截平面内被多个平行结构面切割时，式（4.3）的分子为多个切割面积之和，即
i a a =∑，如图4.3所示。

()a 1a K = ()b 01a K ≤≤ ()c 0a K =
图4.3 面连续性系数的确定 4.1.3.结构面的密度
结构面的密度（又称为裂隙度）反映结构面发育的密集程度，常用线密度K ρ表示、间距d 等指标表示。

线密度K ρ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)；间距d 是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离，两者互为倒数关系，即
1
K d
ρ=
（4.4） 当岩体上有n 组方向的结构面时，如图4.4所示，有两组结构面1212,,,a a b b K K K K 。

则沿取样线x 上的n 结构面平均间距为：
cos a ax a d m ξ=
， c o s b
bx b
d m ξ=， ， cos n
nx n
d m ξ=
（4.5） 将式（4.5）代入式（4.4）得各分组结构面的密度，n 个分组密度叠加后得该取样线x 上结构面的密度：
cos cos cos a b
n
a b
n
K d d d ρξξξ=
+++
（4.6） ISRM (1978)建议的结构面密度分级标准，见表4.2
图4.4两组结构面密度计算图
4.1.4.结构面的张开度
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的，而是呈点接触或局部接触，接触点大部分位于起伏或锯齿状的凸起点。

这种情况下，由于结构面实际接触面积减少，必然导致其粘聚力降低。

当结构面张开且被外来物质充填时，则其
强度将主要由充填物决定。

4.1.
5.结构面的形态
结构面的形态通常用结构面侧壁的起伏形态及粗糙度两个指标来描述。

其中：
jo roughness cocfficient表示，随粗糙结构面的粗糙度可用粗糙度系数JRC(int)
度增大，结构面的摩擦角也增大。

据巴顿(Barton，1977)的研究可将结构面的组糙度系数划分为如图4.5的10级。

在实际工作中，可用结构面纵剖面仪测出测试结构面的粗糙剖面，然后与图4.5的标准剖面对比确定结构面的粗糙系数JRC。

起伏度可用起伏角来描述：
2arctan(
)a
l
λ= （4.7）
图4.5 结构面标准粗糙度JRC
式中，a 为结构面起伏波的幅度，也就是相邻两波峰连线与其中波谷的最大距离；l 为起伏波的长度，也就是两相邻波峰之距离，如图4.6所示。

当幅度越大、波长越小，则表示结构面起伏越陡峭，岩体滑移时的爬坡或顺坡的能力就越强。

图4.6结构面的起伏度。