岩体力学岩体的力学性质

岩体力学岩体的力学性质第1页，共105页，2023年，2月20日，星期四在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，工程岩体常常是沿软弱结构面失稳破坏。第2页，共105页，2023年，2月20日，星期四工程实例第3页，共105页，2023年，2月20日，星期四在工程荷载作用下，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。结构面是岩体渗透水流的主要通道。在工程荷载作用下，结构面的变形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。工程荷载作用下，岩体中应力分布受结构面及其力学性质的影响。第4页，共105页，2023年，2月20日，星期四一、结构面

（一）结构面的成因类型1、地质成因类型原生结构面构造结构面次生结构面2、力学成因类型张性结构面剪性结构面5第5页，共105页，2023年，2月20日，星期四岩体结构面的成因类型及其特征成因类型地质类型主要特征工程地质评价产状分布性质原生结构面沉积结构面1层理层面2软弱夹层3不整合面、假整合面4沉积间断面一般与岩层产状一致，为层间结构面海相岩层中此类结构面分布稳定，陆相岩层中呈交错状，易尖灭层面、软弱夹层等结构面较为平整；不整合面及沉积间断面多由碎屑泥质物构成，且不平整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岩浆岩结构面1侵入体与围岩接触面2岩脉岩墙接触面3原生冷凝节理岩脉受构造结构面控制，而原生节理受岩体接触面控制接触面延伸较远，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变质结构面1片理2片岩软弱夹层产状与岩层或构造方向一致片理短小，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张性断裂较短小，剪切断裂延展较远，压性断裂规模巨大，但有时为横断层切割成不连续状张性断裂不平整，常具次生充填，呈锯齿状，剪切断裂较平直，具羽状裂隙，压性断层具多种构造岩，成带状分布，往往含断层泥、糜棱岩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

1卸荷裂隙2风化裂隙3风化夹层4泥化夹层5次生夹泥层受地形及原结构面控制分布上往往呈不连续状，透镜状，延展性差，且主要在地表风化带内发育一般为泥质物充填，水理性质很差在天然及人工边坡上造成危害，有时对坝基、坝肩及浅埋隧洞等工程亦有影响，但一般在施工中予以清基处理

第6页，共105页，2023年，2月20日，星期四1、地质成因类型1）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。岩浆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。变质结构面是在变质过程中形成，分为残留结构面和重结晶结构面。2）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。3）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。第7页，共105页，2023年，2月20日，星期四成因类型地质类型主要特征原生结构面沉积结构面层面、层理、沉积间断面（不整合面、假整合面）、原生软弱夹层1、产状与岩层一致，随岩层变化而变化，为层间结构面；2、一般呈层状分布，延展性强，海相沉积中分布稳定，陆相及滨海相沉积中易于尖灭，形成透镜体、扁豆体，原生层面具波浪起伏状；3、一般层面结合良好，层面新鲜时只能显示黯淡或黑白条纹，风化后才能剥开，若经后期构造运动常形成层间错动带；4、层面特征多样，一般平整，常见有典型的泥裂、波痕、交错层理、缝合线等，在沉积间断面中常有古风化残积物；5、层间软弱物质在构造及地下水作用下易软化、泥化，强度降低，对岩体稳定不利。火成结构面流层、流线、火山岩流接触面、蚀变带、挤压破碎带、原生节理1、产状受岩体与围岩接触面控制，随侵入岩体或岩脉的形态而异；2、流层、流线在新鲜岩体中不易剥开，但经风化后易剥离或脱落，接触面延伸较远，原生节理延续性不强，但往往密集；3、冷凝原生节理常常是平行或垂直接触面的，为平缓或高倾角张裂面，较不平整，且粗糙。在浅成岩体及火山岩岩体内常发育有特殊的节理及柱状节理；4、火山岩流间充填物松散，原生节理常被软弱物质充填，对稳定不利；5、蚀变带和挤压破碎带的形态、产状、规模及特性均受侵入岩体及围岩性质所控制。变质结构面片理、板理、剥理、软弱夹层1、产状语岩层一致，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。构造结构面劈理为短小、密集的剪切破裂面，影响局部地段岩体的完整性及强度。节理1、在走向延展及纵深发展上其范围有限；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。断层1、规模悬殊，有深切岩石圈几十千米，也有仅限于地表数十米，断层为延续性较强的结构面，对岩体稳定性的影响较大；2、大多数断层为剪切作用形成的，也有引张脆性破裂所形成的；3、一般断层带内都存在有构造岩，如断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩，构造岩后期被侵染、胶结，如方解石或石英脉网络的形成，对岩体稳定有利。层间破碎夹层1、在层状岩体中沿软弱夹层发育，产状与岩层一致；2、一般呈层状分布，延展性较强，有时也呈透镜状或尖灭；3、结构面物质破碎，呈鳞片状，含泥质物，呈条带状分布次生结构面卸荷裂隙1、产状与临空面有关，一般近水平，多为曲折不连续状；2、延续性不强，常在地表20-40m内发育；3、结构面粗糙不平，常张开，充填物有气、水、泥质碎屑，宽窄不一，变化多样。爆破裂隙1、在边坡岩体中最常见；2、产状与边坡走向近于平行，延展有一定范围，视爆破力大小而异；3、多为张开型，松散、破碎，其状态受上述各种结构面及岩性控制，但一般多呈弧状分布。风化裂隙及风化夹层1、一般沿原生夹层和原有结构面发育，短小密集，延续性弱，仅限于地表一定深度；2、风化夹层产状与岩层一致，在风化带内延展性强；3、充填物松散、破碎，含泥质物。泥化夹层1、产状与岩层一致，沿软弱岩层表部发育；2、延展性强，但各段泥化程度可能不一，视地下水作用条件而定；3、泥质物多呈塑性状态，甚至流态，强度低，是导致边坡岩体失稳破坏的常见因素。结构面类型及其主要特征：第8页，共105页，2023年，2月20日，星期四2、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。第9页，共105页，2023年，2月20日，星期四（二）结构面的规模按结构面延伸长度、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级结构面：对区域构造起控制作用的断裂带，包括大小构造单元接壤的深大断裂带。是地壳或区域内巨型的构造断裂面，走向延伸往往很远（一般在数十千米以上），破碎带宽度数米以上。沿纵深方向至少可以切穿一个构造层，规模巨大区域性大断层往往具有现代活动性，对工程建设有很大的危害，影响到区域稳定性，并影响山体稳定性和岩体稳定性。一般工程应尽量避开，如不能避开，则应进行研究并采取适当的处理措施。第10页，共105页，2023年，2月20日，星期四第11页，共105页，2023年，2月20日，星期四Ⅱ级结构面：延伸长而宽度有限的区域性地质界面，如较大的断层、层间错动、接触破碎带、不整合面、原生软弱夹层、风化夹层等。贯穿整个工程岩体，长度一般数百米~数千米，破碎带宽度数十厘米~数米。主要在一个构造层内分布，可能切穿几个地质时代的地层。与其他结构面组合，会形成较大规模的破坏。常控制工程区的山体稳定性或岩体稳定性，影响工程布局，具体建筑物应避开或采取必要的处理措施。第12页，共105页，2023年，2月20日，星期四Ⅲ级结构面：局部性的断裂构造，主要为小断层，延伸长度一般数十米~数百米，破碎带宽度小于1m。还包括宽度在数厘米的、走向和纵深延伸断续的原生软弱夹层、层间错动等以及区域性节理等。发育在同一地质时代的地层中，有时仅在某一种岩性中分布。主要影响或控制工程岩体，如地下洞室围岩及边坡岩体的稳定性。若与II级结构面相组合，会形成较大的块体运动；若是自身组合，则仅能形成局部的或小规模的破坏。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。第13页，共105页，2023年，2月20日，星期四Ⅳ级结构面：延伸性较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理等。长度一般数十厘米~二、三十米。破碎带宽度近于0~数厘米。是构成岩块的边界面。数量多，分布具随机性，破坏了岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态，是岩体分类和岩体结构研究的基础，也是结构面统计分析和模拟的对象。Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律具统计规律，需用统计方法进行研究。第14页，共105页，2023年，2月20日，星期四Ⅴ级结构面：又称微结构面，包括隐节理、微层面、微裂隙及不发育的片理、劈理等。规模小，连续性差，常包含在岩块中。主要影响岩块的物理力学性质。第15页，共105页，2023年，2月20日，星期四级序分级依据地质类型力学属性对岩体稳定性的作用I延伸数十千米，深度可切穿一个构造层，破碎带宽度在数米至数十米主要指区域性深大断裂或大断裂属于软弱结构面，构成独立的力学介质单元影响区域稳定性，山体稳定，如直接通过工程区，是岩体变形或破坏的控制体结，形成岩体力学作用边界II延伸数百米至数千米，破碎带宽度比较窄，数十厘米至数米主要包括补正河面、假整合面、原生软弱夹层、层见错东带、侵入接触带、风化夹层等属于软弱结构面，形成块裂边界控制山体稳定性，与I级结构面可形成大规模的块体破坏，即控制岩体变形和破坏方式III延伸数十米至数百米，破碎带数厘米至，面内不含泥，有的具泥膜，仅在一个地质时代的地层中分布，有时仅仅在某一岩性中分布各类型的断层、原生软弱夹层、层间错动带等多数属于坚硬结构面，少数属软弱结构面控制岩体的稳定性，与I、II级结构面组合可形成不同规模的块体破坏，划分II类岩体结构的重要依据IV延展数米，未错动，不夹泥，有的呈弱结合状态，统计结构面节理、劈理、片理、层理、卸荷裂隙、风化裂隙等坚硬结构面划分II类岩体结构的基本依据，是岩体力学性质、结构效应的基础。破坏岩体的完整性，与其他结构面形成不同类型的边坡破坏方式V连续性极差，刚性接触的细小或隐微裂面，统计结构面微小结构面，隐微裂隙和线理等硬性结构面分布随机，降低岩块强度，是岩块力学性质效应基础。若十分密集，又因风化，可形成松散介质（结构面内夹有软弱物质者属于软弱结构面，无充填物者则属于坚硬结构面）结构面分级及其特性第16页，共105页，2023年，2月20日，星期四走向、倾向、倾角结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度。（三）结构面产状据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极限强度与结构面倾角间的关系为：第17页，共105页，2023年，2月20日，星期四（四）结构面连续性结构面的连续性反映结构面的贯通程度，用切割度评价。切割度（又称面连续性系数）：指沿结构面延伸方向，结构面面积之和(a)与总面积(A)的比值，即有时候用线切割度（线连续性系数）评价：指沿结构面延伸方向，结构面各段长度之和(a)与测线长度的比值，即Xe变化在0～1之间，K1值愈大说明结构面的连续性愈好，当Xe＝1时，结构面完全贯通。第18页，共105页，2023年，2月20日，星期四岩体按结构面连续性的分级表描述Xe完整的0.0-0.2弱节理化的0.2-0.4中等节理化的0.4-0.6强节理化的0.6-0.8完全节理化的0.8-1.0第19页，共105页，2023年，2月20日，星期四（五）结构面密度结构面的密度反映结构面发育的密集程度。1、裂隙度(K)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、裂隙平均间距(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。K与d互为倒数关系如果测线水平布置，且与结构面法线的夹角为，结构面的倾角为β时:如果有多组结构面，则裂隙度等于各组结构面的裂隙度之和。第20页，共105页，2023年，2月20日，星期四结构面间距分级表名称疏节理密节理非常密节理压碎或糜棱化带K（m-1）0-11-1010-100100-1000第21页，共105页，2023年，2月20日，星期四用线密度来估算岩体质量指标RQD(rockqualitydesignation)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。第22页，共105页，2023年，2月20日，星期四（六）结构面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，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。如在层流条件下，平直而两壁平行的单个结构面的渗透系数(Kf)可表达为：第23页，共105页，2023年，2月20日，星期四结构面张开度分级表描述结构面张开度（mm）分类很紧密紧密部分张开<0.10.1~0.250.25~0.5闭合结构面张开中等宽的宽的0.5~2.52.5~10>10裂开结构面很宽的极宽的似洞穴的10~100100~1000>1000张开结构面第24页，共105页，2023年，2月20日，星期四

Ⅳ级及部分Ⅲ级结构面的产状、迹长、间距及张开度等几何特征参数，服从一定的随机分布规律。第25页，共105页，2023年，2月20日，星期四（七）结构面形态结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。结构面侧壁的起伏形态分为：平直的、台阶状的、锯齿状的、波状的和不规则状的。侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。第26页，共105页，2023年，2月20日，星期四结构面的粗糙度用粗糙度系JRC(jointroughnesscoefficient)表示。随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10级。第27页，共105页，2023年，2月20日，星期四（八）结构面充填胶结特征结构面胶结后力学性质有所增强，Fe质胶结的强度最高，泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。未胶结的结构面，力学性质取决于其充填情况，可分为：薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填4类：1）薄膜充填是结构面两壁附着一层极薄的矿物膜，厚度多小于1mm，多明显降低结构面的强度。2）断续充填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）连续充填结构面的力学性质主要取决于充填物性质。4）厚层充填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。第28页，共105页，2023年，2月20日，星期四（九）软弱结构面软弱结构面是岩体中具有一定厚度的软弱带(层)，与两盘岩体相比具有高压缩和低强度等特征，在产状上多属缓倾角结构面。主要包括原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其他夹泥层等。软弱结构面对岩体的变形、破坏及稳定性往往起控制作用。其中，泥化夹层的危害更大。泥化夹层是含泥质的软弱夹层经一系列的地质演化作用形成的(往往与水有关)，是含水量较大，处于塑性状态的含泥质的软弱夹层。多分布于上下相对坚硬而中间相对软弱、刚柔相间的岩层组合条件下。第29页，共105页，2023年，2月20日，星期四泥化夹层的形成：由于构造等原因，使原岩破碎，岩石颗粒分散，含水量增加，岩石处于塑性状态；水溶解岩石中可溶盐类，引起离子交换，改变岩石了的物理力学性质。泥化夹层特性：（1）由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构或泥质定向结构；（2）粘粒含量很高；（3）含水量接近或超过塑限；（4）密度比原岩小；（5）常具有一定的胀缩性；（6）力学性质比原岩差，表现为强度降低、压缩性增高；（7）易产生渗透变形。第30页，共105页，2023年，2月20日，星期四（十）结构面的组合关系结构面的组合关系控制着可能滑移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。任何坚硬岩体的块体滑移破坏，都必须具备一定的几何边界条件。因此，在研究岩体稳定性时，必须研究结构面之间及其与临空面之间的组合关系，确定可能失稳块体的形态、规模和可能滑移方向等。结构面组合关系的分析可用赤平投影、立体投影和三角几何计算法等进行。第31页，共105页，2023年，2月20日，星期四第32页，共105页，2023年，2月20日，星期四第33页，共105页，2023年，2月20日，星期四第34页，共105页，2023年，2月20日，星期四二、岩体的结构特征（一）岩体的组成岩体是由结构面网络及其所围限的岩块

(结构体)所组成。具有一定的结构是岩体的显著特征之一。岩体中存在着复杂的天然应力状态和地下水，这是岩体与其他材料的根本区别之一。第35页，共105页，2023年，2月20日，星期四（二）岩体的结构岩体结构(rockmassstructure)指岩体中结构面与结构体的排列组合关系。1、结构体特征结构体(structuralelement)指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。它不同于岩块的概念。结构体的规模取决于结构面的密度，密度愈小，结构体的规模愈大,与结构面对应,划分为五级。常用块度模数（单位体积内的Ⅳ级结构体数)或结构体体积来表示结构体规模。第36页，共105页，2023年，2月20日，星期四结构体的形状示意图结构体常见的形状:柱状、板状、楔形、菱形形状不同，稳定性不同。不稳定稳定第37页，共105页，2023年，2月20日，星期四2、岩体的结构类型岩体结构类型划分的依据：（1）第一依据——结构面类型，它规定结构级序：软弱结构面——I级岩体结构；坚硬结构面——II级岩体结构。（2）第二依据——结构面切割程度或结构体类型，它规定岩体结构基本类型：I级岩体结构面——块状结构体—快裂结构；板状结构体—板裂结构。II级结构面——结构面贯通切割—碎裂结构；结构面断续切割—断续结构；无显结构面切割—完整结构。过渡型岩体结构——软硬结构混杂、结构面无序状排列—散体结构。（3）亚类划分依据——亚类的划分主要是依据岩体的原生结构。如碎裂结构可划分为：块状的——块状碎裂结构；层状的——层状碎裂结构

第38页，共105页，2023年，2月20日，星期四2、岩体的结构类型级序结构类型划分依据亚类划分依据II1块裂结构多组软弱结构面切割，块状结构体块状块裂结构原生岩体结构呈块状层状块裂结构原生岩体结构呈层状I2板裂结构一组软弱结构面切割，板状结构体块状板裂结构原生岩体结构呈块状层状板裂结构原生岩体结构呈层状IIII1完整结构无显结构面切割块状完整结构原生岩体结构呈块状板状完整结构原生岩体结构呈层状II2断续结构显著结构面断续切割块状断续结构原生岩体结构呈块状层状断续结构原生岩体结构呈层状II3碎裂结构坚硬结构面贯通切割，结构体为块状块状碎裂结构原生岩体结构呈块状层状碎裂结构原生岩体结构呈层状过渡型散体结构软、硬结构面混杂，结构面无序分布碎屑状散体结构结构体为角砾，原生岩体结构特征已消失糜棱化散体结构结构体为糜棱质，原生岩体结构特征已消失第39页，共105页，2023年，2月20日，星期四2、岩体的结构类型(a)(b)(c)(d)(e)a—完整结构；b—块裂结构；c—板裂结构；d—碎裂结构；e—散体结构散体结构是指断层破碎带及强化风带中存在的一种结构类型。其特点是：①结构面和结构体呈无序状排列；②结构面有的为软弱结构面，有的为坚硬结构面，有的为软、硬混杂。这种结构类型既不属于I级结构，也不属于II级结构。其规模一般不大，常呈夹层或带状存在。在工程中常存在于应力消散、地下水畅通、岩体失稳的关键地段。第40页，共105页，2023年，2月20日，星期四岩体的结构类型及其主要特征：岩体结构类型岩体地质类型主要结构形状结构面发育情况岩土工程特征可能发生的岩土工程问题整体状结构均质，巨块状岩浆岩、变质岩，巨厚层沉积岩、正变质岩巨块状以原生构造节理为主，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于15m，一般不超过1～2组，无危险结构面组成的落石掉块整体性强度高，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体不稳定结构体的局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆块状结构厚层状沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩块状、柱状只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，裂隙结构面间距0.7～1.5m。一般为2～3组，有少量分离体整体强度较高，结构面互相牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体层状结构多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩层状、板状、透镜体有层理、片理、节理，常有层间错动面接近均一的各向异性体，其变形及强度特征受层面及岩层组合控制，可视为弹塑性体，稳定性较差不稳定结构体可能产生滑塌，特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形碎裂状结构构造影响严重的破碎岩层块状断层、断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育，裂隙结构面间距0.25~0.5m，一般在3组以上，由许多分离体形成完整性破坏较大，整体强度很低，并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散体状结构构造影响剧烈的断层破碎带，强风化带，全风化带碎屑状颗粒状断层破碎带交叉，构造及风化裂隙密集，结构面及组合错综复杂，并多充填粘性土，形成许多大小不一的分离岩块完整性遭到极大破坏，稳定性极差，岩体属性接近松散体介质易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳第41页，共105页，2023年，2月20日，星期四

（三）岩体成因与岩体特征1、岩浆岩体无层理，产状复杂。根据岩浆活动方式，岩浆岩可分为深成岩、浅成岩和喷出岩三类。2、沉积岩体具有层理构造，岩体呈层状结构。沉积岩包括他生沉积岩和自生沉积岩两大类。3、变质岩体多数岩石变质后都经历了不同程度的重结晶作用，结构较致密，抗水性增强，孔隙率较低，透水性弱，抗变形性能好，强度高。因此与沉积岩相比，变质岩的性质一般要好些。第42页，共105页，2023年，2月20日，星期四第三章岩体力学性质§3.1岩体结构的概念及岩体结构分类§3.2结构面的力学性质§3.3岩体的变形特性§3.4岩体的强度特性§3.5岩体质量评价及其分类第43页，共105页，2023年，2月20日，星期四一、结构面的变形性质(一)结构面的法向变形性质1、法向变形特征ΔVｊΔVｔΔVｒΔVｊ＝ΔVｔ－ΔVｒ结构面变形量=岩体变形量-岩块变形量法向变形是在法向荷载作用下，结构面的闭合（压缩荷载）与张开位移（拉伸荷载）。通常法向荷载以压缩荷载为主，因此法向变形也以结构面法向压缩变形为主。第44页，共105页，2023年，2月20日，星期四应力-变形关系曲线：

ABC第45页，共105页，2023年，2月20日，星期四开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长，σn-ΔV及σn-ΔVｊ曲线均呈上凹型。当σn增到一定值时，σn-ΔVｔ曲线变陡，并与σn-ΔVｒ曲线大致平行。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的。这时ΔVｊ则趋于结构面最大闭合量Vｍ。初始压缩阶段，含结构面的岩块变形ΔVｔ主要是由结构面的闭合造成的。试验表明，当σn＝１MPa时，ΔVｔ/ΔVｒ可达5~30，说明ΔVｔ占了很大一部分。法向应力σn大约从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。应力-变形关系曲线特征：第46页，共105页，2023年，2月20日，星期四结构面的σn-ΔVｊ曲线大致为以ΔVｊ＝Vｍ为渐近线的非线性曲线（大体为指数曲线）。与结构面的类型及壁岩性质无关。结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（ｅ）。这是因为结构面是凹凸不平的，两壁面间无论如何也不可能达到100％的接触。上述的非线性力学行为归结于接触微凸体弹性变形、压碎和间接拉裂隙的产生，以及新的接触点、接触面积的增加。当荷载去除后，会存在明显的后滞和非弹性效应。第47页，共105页，2023年，2月20日，星期四法向刚度Ｋn是指在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力，在数值上等于σn-Vｊ曲线上一点的切线斜率。确定方法试验法2、法向刚度室内变形试验现场变形试验本构方程和经验估算第48页，共105页，2023年，2月20日，星期四几种结构面的法向刚度：第49页，共105页，2023年，2月20日，星期四（二）结构面的剪切变形性质

1、剪切变形特征剪切变形是在一定法向压力作用下，结构面在剪切力作用下产生切向（沿结构面）的变形。1）变形形式（1）对于非充填粗糙结构面随着剪切变形的产生，剪应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面抗剪强度出现较大的下降，并产生不规则的峰后变形(图中线A)或滞滑现象。第50页，共105页，2023年，2月20日，星期四（2）对于平坦或有充填物的结构面当低围压时，初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型，随着剪切变形的持续发展，剪应力逐渐升高，但没有明显的峰值，最终达到恒定值或继续上升（及应变硬化）(图中线B)。第51页，共105页，2023年，2月20日，星期四当围压较高时，在剪切过程中，可呈现一种特殊的运动方式——粘滑震荡（下图）。粘滑振荡可以用弹簧牵引块体在刚性平面上的滑动模型来说明。对弹簧一端施加力的作用使其以较低的速度运动，当弹簧上施加的力逐渐增加到足以克服块体与刚性平面间的静摩擦时，块体将在弹簧的牵引下发生滑动。由于动摩擦小于静摩擦，一旦块体与平面发生相对运动，摩擦力即突然下降，块体在弹簧牵引下以大于弹簧原来伸长的速度突然向前运动，弹簧中的力则将降低直至小于保持滑动所需的力时，滑块运动停止。而弹簧施力的一端仍继续以原有的速度运动，当弹簧中的力足以克服静摩擦时，又重复上述过程，形成这种张弛、跳跃式的运动。研究表明，粘滑不仅发生于磨光面上，在较粗糙的裂隙面也较普遍发生。对于粗糙面上的粘滑，一种解释认为是面沿面上的突起发生剪胀变形和突起被剪断后的快速变形的交替——粘滑脆性破坏机制。另外一种解释是剪切停止时，由于蠕动而使突起嵌入到相对的结构面中，使接触面积增加，当继续加力使滑动时，随着滑动的开始，接触面积减小，导致摩擦阻力突然降低而产生粘滑——突起体蠕动机制。粘滑机制研究的研究具有十分现实的意义。地壳中早已存在的断层常呈这种运动形式。断层面在稳定剪切位移中突然发生快速滑动，产生地震。然后应力被释放，断层面又被锁固在一起，直到某一时间再次发生突然滑动。第52页，共105页，2023年，2月20日，星期四根据剪切变形曲线的形态，一般将剪切变形曲线分为两个区域，峰前应力上升区为弹性区，峰值前后的区域为塑性区。由于在剪切变形的过程中，伴随有微凸体的弹性变形、劈裂、磨粒的产生与位移、结构面的相对错动等多种力学过程，因此，剪切变形一般是不可恢复的变形，即使在弹性区，剪切变形一般也不能完全恢复。对于凹凸不平的结构面，可简化为下图a的力学模型。受剪结构面上有突起，突起物坡角为i，模型上半部作用剪切力和法向力，模型下半部固定不动。在法向应力较小的情况下，在剪切力作用下，具有明显的剪胀（剪切变形过程中的法向变形），即结构面相对滑动时，由于结构面上突起体的影响，结构面沿突起体的斜面上升，结构面张开，发生膨胀（下图b）；当法向应力较大时，将限制结构面沿突起体斜面的向上滑动，突起体在剪切力的作用下被剪断，此时就不存在剪胀性（下图c）。因此，结构的剪切变形与岩石的强度、结构面的粗糙性和法向力有关。第53页，共105页，2023年，2月20日，星期四剪切刚度KS是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前τ-u曲线上任一点的切线斜率。2、剪切刚度及其确定方法确定方法试验法室内试验现场试验经验估算法（Barton方程）第54页，共105页，2023年，2月20日，星期四几种结构面的剪切刚度及抗剪参数：第55页，共105页，2023年，2月20日，星期四岩体结构面直剪试验结果表

第56页，共105页，2023年，2月20日，星期四二、结构面的强度性质结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所以一般认为结构面是不能抗拉的。在工程荷载作用下，岩体破坏常沿某些软弱结构面的滑动破坏。在岩体力学中，重点研究结构面的抗剪强度。第57页，共105页，2023年，2月20日，星期四第58页，共105页，2023年，2月20日，星期四（一）平直无充填的结构面平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：第59页，共105页，2023年，2月20日，星期四第60页，共105页，2023年，2月20日，星期四（二）粗糙起伏无充填的结构面

剪切特点：①当σ较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了τ；②当σ较大时，将剪断凸起而运动，也增大了τ。σττ第61页，共105页，2023年，2月20日，星期四1、规则锯齿形结构面1）σ较小，剪胀作用Patton公式b——岩石平坦表面基本摩擦角，与光滑程度有关，结构面越光滑，其值越小。第62页，共105页，2023年，2月20日，星期四2）σ较大，啃断效用上式为法向应力σ≥σt时，结构面的抗剪强度。剪断凸起的条件为：第63页，共105页，2023年，2月20日，星期四2、不规则起伏结构面自然界岩体中绝大多数结构面的粗糙起伏形态是不规则的，起伏角也不是常数。其强度包络线不是折线，而是曲线形式。第64页，共105页，2023年，2月20日，星期四巴顿（Ｂarton，1973）对８种不同粗糙起伏的结构面进行了试验研究，提出了剪胀角的概念并用以代替起伏角，剪胀角αｄ（angleofdilatancy）的定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角，即：第65页，共105页，2023年，2月20日，星期四Barton抗剪强度经验方程：大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角u＝25°～35°。因此，上式右边的第二项应当就是结构面的基本摩擦角u

，而第一项的系数取整数2。第66页，共105页，2023年，2月20日，星期四（三）非贯通断续的结构面假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面的线连续性系数为Ｋ1裂面岩桥裂面岩桥Ctgφ裂面岩桥第67页，共105页，2023年，2月20日，星期四裂面岩桥裂面岩桥Ctgφ第68页，共105页，2023年，2月20日，星期四四、具有充填物的软弱结构面具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层，其形成多与水的作用和各类滑错作用有关。这类结构面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度和厚度等因素密切相关。第69页，共105页，2023年，2月20日，星期四第70页，共105页，2023年，2月20日，星期四第三章岩体力学性质§3.1岩体结构的概念及岩体结构分类§3.2结构面的力学性质§3.3岩体的变形特性§3.4岩体的强度特性§3.5岩体质量评价及其分类第71页，共105页，2023年，2月20日，星期四在受力条件改变时岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和，而结构变形通常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和滑动等变形。从岩体的定义表明：岩块+结构面=>岩体岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。第72页，共105页，2023年，2月20日，星期四一、岩体变形试验及其变形参数确定承压板法狭缝法钻孔变形法水压洞室法单(双)轴压缩试验法声波法地震波法原位岩体变形试验静力法动力法第73页，共105页，2023年，2月20日，星期四静力法的基本原理：在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测定其岩体的变形值；然后绘制出压力-变形关系曲线，计算出岩体的变形参数。动力法的基本原理：用人工方法对岩体发射(或激发)弹性波(声波或地震波)，并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。第74页，共105页，2023年，2月20日，星期四1、承压板法

第75页，共105页，2023年，2月20日，星期四ω是与承压板形状与刚度有关的系数。对于圆形板ω＝0.785；对于方形板ω＝0.886

第76页，共105页，2023年，2月20日，星期四2、钻孔变形法

优点：①对岩体扰动小；②可以在地下水位以下和相当深的部位进行；③试验方向基本上不受限制，而且试验压力可以达到很大；④在一次试验中可以同时量测几个方向的变形，便于研究岩体的各向异性。缺点：试验涉及的岩体体积小，代表性受到局限。第77页，共105页，2023年，2月20日，星期四3、狭缝法

第78页，共105页，2023年，2月20日，星期四常见岩体的弹性模量和变形模量

第79页，共105页，2023年，2月20日，星期四几种岩体用不同试验方法测定的弹性模量岩体的变形模量比岩块的小，而且受结构面发育程度及风化程度等因素影响十分明显。不同地质条件下的同一岩体，其变形模量相差较大。试验方法不同、压力大小不同，岩体变形模量不同。第80页，共105页，2023年，2月20日，星期四二、岩体变形参数估算一是在现场地质调查的基础上，建立适当的岩体地质力学模型，利用室内小试件试验资料来估算。二是在岩体质量评价和大量试验资料的基础上，建立岩体分类指标与变形参数之间的经验关系，并用于变形参数估算。第81页，共105页，2023年，2月20日，星期四1、层状岩体变形参数估算

层状岩体的地质力学模型假设各岩层厚度相等为S，且性质相同。层面的张开度可忽略不计假设岩块的变形参数为E、μ和G，层面的变形参数为Kn、Ks。取n-t坐标系，n垂直层面，t平行层面。由岩块和层面组成单元体。第82页，共105页，2023年，2月20日，星期四1）法向应力σn作用下的岩体变形参数

(1)沿n方向加荷(2)沿t方向加荷第83页，共105页，2023年，2月20日，星期四2)剪应力作用下的岩体变形参数

第84页，共105页，2023年，2月20日，星期四2、裂隙岩体变形参数的估算

1）用RMR值估算岩体变形模量2）用Q值估算纵波速度和岩体平均变形模量第85页，共105页，2023年，2月20日，星期四三、岩体变形曲线类型及其特征

1、法向变形曲线直线型上凹型上凸型复合型第86页，共105页，2023年，2月20日，星期四直线型通过原点的直线，其方程为p＝f(W)＝KW加压过程中W随p成正比增加岩体岩性均匀、结构面不发育或结构面分布均匀岩体刚度大，不易变形，岩体较坚硬、完整、致密均匀、少裂隙，以弹性变形为主，接近于均质弹性体。岩体刚度低、易变形，由多组结构面切割且分布较均匀或岩性较软弱且均质或平行层面加压。有明显的塑性变形和回滞环，非弹性变形。

陡直线型缓直线型第87页，共105页，2023年，2月20日，星期四上凹型曲线方程为p＝f(W)，dp/dW随p增大而递增，dp/dW＞0层状及节理岩体多呈这类曲线

岩体刚度随循环次数增加而增大，弹性变形成分较大。多为垂直层面加压的较坚硬层状岩体。卸压曲线较陡，变形大部分为塑性变形。多为存在软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体或垂直层面加压的层状岩体。第二种情况第一种情况第88页，共105页，2023年，2月20日，星期四上凸型曲线方程为p＝f(W)，dp/dW随p增加而递减，d2p/dW2＜0。结构面发育且有泥质充填的岩体、较深处埋藏有软弱夹层或岩性软弱的岩体常呈这类曲线。复合型p-W曲线呈阶梯或“S”型。结构面发育不均或岩性不均匀的岩体，常呈此类曲线。第89页，共105页，2023年，2月20日，星期四2、剪切变形曲线峰值前曲线平均斜率小，破坏位移大；峰值后应力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。峰值前曲线平均斜率较大，峰值强度较高。峰值后应力降较大。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及剧风化岩体剪切。峰值前曲线斜率大，线性段和非线性段明显，峰值强度高，破坏位移小。峰值后应力降大，残余强度较低。多为剪断坚硬岩体。第90页，共105页，2023年，2月20日，星期四

四、影响岩体变形性质的因素

影响因素：岩性、结构面特征、风化程度、试验方法、试件尺寸、加荷条件、温度、湿度等。这里仅介绍结构面对岩体变形的影响：1、结构面密度右图分别表示了RQD、波速比(Vm/Vr)2与模量降低系数（岩体Em/岩块E）之间的统计关系。RQD、波速比是反映裂隙发育程度的指标。可以看出，当波速比由近于1降至0.65时，模量比迅速下降。由0.65继续下降时，模量比变化不大。相应于波速比=0.65的模量降低值为0.14，也即当岩体中结构发育至一定程度时（波速比=0.65），岩体变形可达岩块变形的1/0.14=7.14倍。此后，若结构面密度再增加，对岩体变形的影响就不大了。第91页，共105页，2023年，2月20日，星期四2、结构面的张开度及充填特征结构面对岩体变形特性的影响与结构面本身的特性(张开程度、充填程度、充填物性质等)有密切关系。下图为具裂隙和片麻理的片麻岩硐室径向变形图。图中，线1为垂直片麻理的方向。由图可见，对于不同的应力水平，岩体最大变形方向会改变。在应力较低时(0.4-0.9MPa)最大变形为水平方向(线2)，而在应力增高后(1.9-2.4MPa)，则垂直于片麻理的方向变形最大。由灌浆前后的变形对比可见，灌浆消除了2方向上结构面的影响，但对1方向影响甚微。由此可见，结构面性质不同，对岩体变形的影响程度也不同。在2方向，压力垂直于一组无充填的张开裂隙。因此，在较低压力下，田裂隙闭合而产生很大变形，加之裂隙张开后又无充填，灌浆时浆液易进入，故灌浆后这组结构面的影响大为减弱。由硬矿物和软矿物交替组成的具片麻理岩体，