岩体结构面的变形与强度性质

1、 本科毕业设计（论文）开 题 报 告 题 目 岩体结构面的变形与强度性质 指 导 教 师 院（系、部） 专 业 班 级 学 号 姓 名 日 期 2011年3月25日 教务处印制一、研究的目的、意义和现状研究目的和意义结构面及其工程性质的复杂性是造成岩体工程性质千差万别的最根本原因，结构面的研究是分析工程岩体性质的基础性工作。工程实践反复证明，自然岩体和工程岩体的失稳源于结构面，岩体的破坏机制在很大程度上受结构面控制，因结构面而造成失事的工程实例国内外已不鲜见。研究结构面的力学性质是评价岩体稳定性的关键问题，因此，本文对此进行研究。在岩体建造和改造过程中，经受了各种复杂的地质作用，因而在岩体中发

2、育有断层、节理和各种裂隙等结构面，实验题物理性质十分复杂。由于结构面的存在，特别是软弱夹层的存在，极大地削弱了岩体的力学性质及其稳定性。结构面的变形与强度性质往往对工程岩体的变形和稳定性起着控制性作用。在国内外已建和在建的岩体工程中普遍存在有软弱夹层问题。如黄河小浪底水库工程左坎肩砂岩中由薄层粘土岩泥化形成的泥化夹层；葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层，还有长江三峡自然岸坡中的各种软弱夹层等。都不同程度地影响和控制着所在工程岩体的稳定性。对岩体结构面力学性质的研究，是岩体力学和工程地质学中重要的研究课题之一，在工程实践中有以下意义： (1)大量的工程实践表明：在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，

3、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。如法国的马尔帕塞坝坝基岩体、意大利瓦依昂水库库岸滑坡、中国拓溪水库塘岩光滑坡等等，都是岩体沿某些软弱结构面滑移失稳而造成的。这时，结构面的强度性质是评价岩体稳定性的关键。 (2)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。 (3)结构面是岩体中渗透水流的主要通道。在工程荷载作用下，结构面的变形又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。 (4)工程荷载作用下，岩体中的应力分布也受结构面及其力学性质的影响。 由于岩体中的

4、结构面是在各种不同地质作用中形成和发展的。因此，结构面的变形和强度性质与其成因及发育特征密切相关1-2。研究现状结构面对工程岩体的完整性、渗透性、物理力学性质及应力传递等都有显著的影响，是造成岩体非均质、非连续、各向异性和非线弹性的本质原因之一。因此，全免深入细致地研究结构面的特征是岩体力学中的一个重要课题。岩体结构面对工程岩体的地质特性有着重要影响。岩体中结构面的分布位置、产状、规模、隙宽、充填物特征、结构面力学性质以及不同结构面之间的切割与组合关系等因素不同程度地控制着岩体的工程地质特性。岩体结构面是影响工程岩体稳定性的决定性因素。谷德振教授1，对岩体结构面与工程岩体稳定性的关系作了科学概

5、括，即岩体的完整性取决于结构面的数量多少和性质；岩体的稳固性取决于结构面的几何形态和软弱结构面的泥化程度即结构面的抗滑阻力。二十世纪五、六十年代法国玛尔帕塞薄拱坝和意大利瓦依昂薄拱坝失事，使得人们对工程岩体的结构特征、岩体的力学属性、岩体的变形破坏机制与过程愈来愈重视，各国学者通过许多大型工程实践和一系列灾害性的岩体失稳时间逐步总结和认识到了岩体中的各种结构面对岩体变形及稳定性所引起的重要作用。二十世纪世纪五十年代以来，人们对岩体结构面的地质特征、几何要素及力学特性进行了广泛且深入的研究。由于岩体结构面大多深埋于岩体内部，其分布又多是随机的，因此对结构面特征的研究受到很大的限制。通过大量的工程

6、实践表明，岩体结构面的几何要素具有较好的统计分布特征，可以用统计特征表征岩体的结构面各几何要素，如结构面的产状、分布、性质及规模。通过对揭露的结构面地质特征、工程特性、几何要素参数的研究，对工程区内的岩体结构面进行分组，求取优势产状，可以获得科学有效的结构面几何要素参数，认识、了解一般情况下难以观测、深埋岩体内部的结构面的组合特征，进而深入的研究岩体结构面的性质，有利于岩体破坏机理的分析及对工程区域内的岩体结构进行直观而有效的整体把握2。同时也有利于获得一系列重要的岩体物理、力学参数，用于评价岩体的质量、物理力学性质，有利于对岩体结构特征进据化管理、模拟及再现。由于岩体结构面对工程岩体的工程地

7、质特性有着重要影响，国内外关于岩体结构面地质特征及几何要素的许多方面都进行了较为深入的研究。在分析工程地区结构面的工程特性时，需要首先对岩体结构面进行科学合理的分组，近些年不少学者将聚类分析、模糊数学等理论运用到优势组划分的研究中。二十世纪五十年代，以LMuller为代表的奥地利学派最早认识到结构面对岩体力学特征和工程稳定性引起控制作用，并认为结构面是构成岩体和岩块力学与工程特性差异的根本原因，从此开辟了结构面研究的先河。六十年代谷德振、孙玉科提出了“岩体结构”概念和岩体结构控制岩体稳定的重要研究。随后孙广忠3进一步以“岩体结构控制论"为指导研究了岩体变形、岩体破坏及岩体力学性质的基

8、本规律，建立了完整的岩体结构力学体系，他认为结构面是由一定的地质实体抽象出来的概念，在横向延伸上具有面的几何特征，而在垂向上则与几何中的面不同，它常充填有一定的物质、具有一定的厚度。1978年，国际岩石力学学会实验室和野外试验标准化专门委员会提出了对岩体中结构面定量描述的推荐方法，其中规定了对结构面10个描述指标，包括结构面产状、间距(或密集程度)、延续性、粗糙程度、侧壁抗压强度、充填情况、2数和块体大小等。自二十世纪七十年代以来，范留明博士、Hudson4等人用概率统计方法对结构面的几何特征指标进行了定量描述。随后人们对结构面的产状、迹长及估算方法、大小、形态、间距、粗糙度及连通率进行了深入

9、的研究。从结构面的几何要素研究来看多侧重于统计方法从宏观上反映岩体结构面的空间展布的规律，对于整个岩体形成过程的力学机理以及岩体变形、破坏等规律认识有很好的指导作用。野外采集结构面样本数据的调查方法主要有：人工测量法、图像摄录分析法与立体相对摄录分析法三种。工程实际中常采用人工测量法，但用摄影照相及数字识别技术对岩体结构面进行识别，国内外关于这方面的研究也有不少，应用效果也较为理想56。关于节理样本产状分布特征方面的研究自20世纪60年代以来就备受人们关注，CBingham7提出著名的Bingham提出分布，并研究节理极点的球状分布特征。P.H.S.W.Kulatilake89研究节理产状的双

10、变量正态分布特征，并进行了不连续面产状的Fisher分布模型拟合。Gaziev和Tiden10通过统计方法研究发现，结构面的倾向和倾角服从正态分布。关于岩体结构面分布密度已经有不少学者进行了相关研究，如伍法权11，陈剑平1213，潘别桐、杜时贵等。陈剑平的研究给出了结构面线密度、面密度以及体密度之问的相互关系，但是对于基本的线密度求算却不够完善；杜时贵14介绍了国内外有关各种估值方法，但是未曾考虑到各种密度之间的相互关系：黄国明15分别就测线取样法提出了线密度的确定方法和就窗口取样法提出面密度估值方法，但是同样未能反映线、面密度之间的关系，而且认为线密度是各条测线所得密度的平均值，未能考虑测线

11、长度的影响。岩体结构面的迹长是指平面上看到的结构面的长度，是反映结构面大小的重要参数。结构面越长，对岩体的影响越大。由于岩体表面所揭露的结构面有限，因此往往只能看到其部分长度，所以对结构面迹长的估计和计算显得较为困难。Priest SD，Hudson JA16首先对结构面的空间分布及结构面迹长与取样测线的关系进行了研究。Ku1atilake P.H.S.W，Wu. T.H.17介绍了岩体结构面的迹长估算方法，1986年又研究了窗口内出露可见迹长与真实三维空间结构面大小的相互关系。黄国明、黄润秋18建立了结构面迹长与测量窗口尺度之间的关系，推导了裂隙中点服从均匀分布条件下的迹长估算公式。陈剑平1

12、9介绍了单测线法估算随机节理迹长的数值技术，取得了较好的应用效果。王贵宾，杨春和20等通过研究表明：当直径与测线法删节长度相等时，扩展测线法和圆形窗口法估计所得的岩体节理平均迹长比较接近，由此可确定研究区域的岩体节理平均迹长。不少研究表明，岩体结构面迹长多服从负指数分布2122或者对数正态分布23。目前进行结构面的隙宽、粗糙度等几何参数施测的方法主要有两大类：机械方法和光学方法24，还有投影法和电感应法等。机械方法常采用千分表、塞尺等精密仪器逐点量测裂隙面各点的高程然后进行统计分析获得裂隙的张开度、粗糙度等几何参数，这种方法虽然工作量较大，但由于其施测思路清晰、直观、简便、精度高，已被越来越多

13、的研究工作者采用。光学方法中的云纹法，其精度较低，很少采用。天然岩体中的结构面表面粗糙，隙宽不均匀，通常采用等效隙宽进行处理。用放射性指示剂研究结构面形状，前苏联学者在这方面研究较多。该方法是根据指示剂的相对浓度与裂隙出水体积之间建立关系式，然后推算出裂隙的平均体积开度。切尔内绍夫将用机械方法测得的结果与指示剂方法推算的平均隙宽进行了比较，结果十分一致。Elsworth25应用压水试验确定结构面几何参数也有其独到之处。Witherspoon(1981)建议对典型裂隙结构面测得其最大隙宽及宽度频率分布函数，然后计算其等效隙宽。Moreno等(1988)采用立方倒数的方法对结构面隙宽进行平均，得出

14、结构面的等效隙宽；还可以用实测结构面隙宽的算术平均数作为结构面的等效隙宽。二、研究方案1、论文的主要内容 （1）结构面：结构面的成因类型、结构面的规模及分级、结构面特征及其对岩体性质的影响、软弱结构面（2）变形性质：结构面的法向变形性质与剪切变形性质（3）强度性质：平直无充填的结构面、粗糙起伏无充填的结构面、非贯通断续的结构面、具有充填物的软弱结构面四种结构面的强度性质2、研究方法与技术路线结构面理论研究变形性质筛选资料整合 强度性质 三、论文框架1 绪论1.1 选题的目的和意义1.2 国内外研究现状1.3 论文主要内容 2 结构面 2.1结构面的成因类型2.2 结构面的规模及分级2.3 结构

15、面特征及其对岩体性质的影响2.4 软弱结构面2.5 本章小结3 结构面的变形性质3.1 结构面的法向变形性质3.2结构面的剪切变形性质3.3 本章小结4 结构面的强度性质4.1 平直无充填的结构面4.2 粗糙起伏无充填的结构面4.3 非贯通断续的结构面4.4 具有充填物的软弱结构面4.5 结构面抗剪强度参数确定 4.6 本章小结5 结论 致谢 参考文献附录A 译文附录B 外文文献四、研究进度第5周：听取导师讲解论文题目；第6周：查阅和论文题目相关的资料；第7-10周：对查阅到的材料进行摘节；第11-12周：为论文定下整体框架；第13周：开始撰写论文初稿；第14周：查阅英文资料并翻译；第15周：

16、论文排版并完整化；第16周：校验；第17周以后：参加学士学位论文答辩。 五、主要参考文献1 谷德振.岩体工程地质力学基础M.北京：科学出版社,1979.2 张浩然.岩体结构面地质特征与几何要素研究D.河海大学，2008.6.3 孙广忠.岩体结构力学M.北京：科学出版社,1988.4 Priest S.D.,Hudson J. A . Discontinuity spaciIlg in rockJ.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.and Geomech,1976,(13)：135-148.5 D Deb, S. Hariharan, U.M. Rao, Chang-Ha Ryu.

17、 Automatic detection and analysis of discontinuity geometry of rock mass from digital imagesJ. Computers & Geosciences. 2007,3.6 李亚萍.甘肃北山花岗岩裂隙几何学特征研究D.中国地震局地质研究所硕士论文,2005.7 C.Bingham. Distributions on the sphere and on the projective planeD. New Haven,Connecticut, USA: Yale University, 1964.8 Ku

18、latilake P .H. S. W, Wu T. H. The density of discontinuity traces in sampling windowsJ. Int. J.Rock Mech. Min. Sci. and Geomech, 1984, 21(6):345-347.9 Kulatilake P.H.S.W, Chen J,Teng J. Discontinuity geometry characterization in a tunnel close to the proposed permanent shiplock area of the three gor

19、ges darn site in ChinaJ. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech, 1996, 33(3):255-277.10 E.G.Gaziev and E.N.Tiden. Probabilistie Approach to the study of jointing in Rock MassesJ,Bulletin of the Int.Assoe.of Engineering Geology, 1979,1 (20).11 伍法权.统计岩体力学原理M.武汉: 中国地质大学出版社,1993.12 陈剑平,肖树芳,王清.随即不连续面

20、三维网络计算机模拟原理M,长春:东北师范大学出版社,1995.13 陈剑平，王清，肖树芳.岩体裂隙网络分数维计算机模拟J.工程地质学报,1995, 3(5):80-85.14 潘别桐,杜时贵,徐光黎等,岩体结构模型与应用M.武汉:中国地质大学出版社,1993.15 黄国明,黄润秋.复杂岩体结构的几何描述J.成都理工大学学报,1998, 25(4):552-558.16 Priest S.D., Hudson J A. Estimation of Discontinuity Spacing and Trace Length Using Scanline SurveysJ. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech, 1981, (18):183-197.17 Kulatilake P. H .S .W, Wu T. H. Estimation of mean trace length of discontinuitiesJ. Rock Mech Rock Eng. 1984, 17:215-232.18 黄国明,黄润秋.基于交切条件的不连续面平均迹长估算法J.地质科技情报19