岩体结构面的变形与强度性质
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
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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，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L．Muller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、Hudson[4]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[5][6]。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，C．Bingham[7]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.Kulatilake[8][9]研究节理产状的双变量正态分布特征，并进行了不连续面产状的Fisher分布模型拟合。Gaziev和Tiden[10]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[12][13]，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 S．D，Hudson J．A[16]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[19]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[21][22]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。Elsworth[25]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
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
结构面
变形性质
强度性质 筛选资料 整合
理论研究
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：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.
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[3] 孙广忠.岩体结构力学[M].北京：科学出版社,1988.
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六、指导教师意见
指导教师签字：
岩块的变形与强度性质
岩块的力学属性： 1．弹性（elasticity）：在一定的应力范围内，物体受外力产生的全部变形当去除外力后能够立即恢复其原有的形状和大小的性质。 2．塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸荷）后不能完全恢复原状的性质。不能恢复的变形叫塑性变形或永久变形、残余变形。 3．粘性（viscosity）：物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质。应变速率随应力变化的变形叫流动变形。 4．脆性（brittle）：物质受力后，变形很小时就发生破裂的性质。 5．延性（ductile）：物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质。 第一节岩块的变形性质 一、单轴压缩条件下的岩块变形性质 1．连续加载下的变形性质 （1）加载方式： 单调加载（等加载速率加载和等应变速率加载） 循环加载（逐级循环加载和反复循环加载） （2）四个阶段： ①Ⅰ：OA段，孔隙裂隙压密阶段； ②Ⅱ：AC段，弹性变形至微破裂稳定发展阶段（AB段和BC段） 弹性极限→屈服极限 ③Ⅲ：CD段，非稳定破裂发展阶段（累进破裂阶段）→“扩容”现象发生 “扩容”：在岩石的单轴压缩试验中，当压力达到一定程度以后，岩石中的破裂（裂纹）继续发生和扩展，岩石的体积应变增量由压缩转为膨胀的力学过程。 —峰值强度或单轴抗压强度 ④Ⅳ：D点以后阶段，破坏后阶段（残余强度） 以上说明： 岩块在外荷作用下变形→破坏的全过程，具有明显的阶段性，总体上可分为两个阶段： 1）峰值前阶段（前区） 2）峰值后阶段（后区） （3）峰值前岩块的变形特征（Miller，1965） ①应力—应变曲线类型 米勒（Miller，1965）6类（σ—εL曲线），如图4.3所示： Ⅰ：近似直线型（坚硬、极坚硬岩石）：如玄武岩、石英岩等； Ⅱ：下凹型（较坚硬、少裂隙岩石）：如石灰岩、砂砾岩； Ⅲ：上凹型（坚硬有裂隙发育）：如花岗岩、砂岩； Ⅳ：陡“S”型（坚硬变质岩）：如大理岩、片麻岩； Ⅴ：缓“S”型（压缩性较高的岩石）：如片岩； Ⅵ：下凹型（极软岩）。 法默（Farmer，1968），根据峰前σ—ε曲线把岩石划分三类，如图4.4所示： 准弹性岩石：细粒致密块状岩石，如无气孔构造的喷出岩、浅成岩浆岩和变质岩等。 具弹脆性性质。 半弹性岩石：空隙率低且具有较大内聚力的粗粒岩浆岩和细粒致密的沉积岩。 非弹性岩石：内聚力低，空隙率大的软弱岩石，如泥岩、页岩、千枚岩等。
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=Vm 5）结构面的最大闭合量小于结构面的张开度（e）。 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。 1）古德曼（Goodman，1974）双曲线函数拟合结构面法向应力σn与闭合变形ΔVj（mm）间的本构关系： 或式中：σi为结构面所受的初始应力。 2）班迪斯等（Bandis等，1983） 当σn→∞时，ΔVj→ 由初始法向强度的定义得：
岩体力学重点
概念 岩石：是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而成的自然体。 岩石结构：是指岩石中矿物颗粒间的关系，包括颗粒大小、形状、排列、结构连结特点以及岩石中的微结构面。 岩石构造：岩石中不同矿物集合体之间及其与其他组成部分之间在空间的排列方式及充填方式。 岩石块体密度：单位体积岩石（包括岩石孔隙体积）的质量。 颗粒密度：岩石固相物质的质量与其体积的比值（不包括岩石孔隙体积）。 孔隙率：孔隙体积与总体积（包含孔隙）之比。 渗透系数：表征岩石透水性的重要标志，在数值上等于水力梯度为1时的渗流速度。 软化系数：岩石浸水后的饱和抗压强度与岩石干抗压强度之比。 膨胀性：岩石侵水后发生体积膨胀的性质。 岩石吸水性：岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力。 扩容：岩石在外力作用下，形变过程中发生的非弹性的体积增长（岩石破坏的前兆）。 弹性模量：单向压缩条件下，弹性变形范围为轴向应力与试件轴向应变之比。 变形模量：岩石在单轴压缩条件下，轴向应力与总应变（弹性应变与塑性应变之和）的比值。泊松比：横向应变与纵向应变之比，也叫横向变形系数。 脆性度：对脆性程度的一种度量，脆性度愈小，材料抗断裂的抗力愈高；反之愈大。 尺寸效应：岩石试件尺寸越大，则强度越低，反之越高，这一现象。 常规三轴试验：试件处于σ1 >σ2=σ3应力状态下。 真三轴试验：试件处于σ1 >σ2 >σ3应力状态下。 岩石三轴压缩强度：岩石在三轴压缩荷载作用下，试件破坏时所承受的最大轴向压应力。流变性：介质在外力不变的条件下，应力与应变随时间而变化的性质。 蠕变：介质在大小和方向均不改变的外力作用下，其变形随时间变化而增大的现象。 松弛：介质的变形（应变）保持不变时，内部应力随时间变化而降低的现象。 弹性后效：介质加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。它是一种延迟发生的弹性变形和弹性恢复，外力卸除后最终不留下永久变形。 岩石长期强度：岩石的强度是随外载作用时间的延长而降低，作用时间t趋向于正无穷的强度（最低值）。 强度准则：表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间的函数关系，通过它来判断岩石在什么样的应力应变条件下破坏。 岩石抗拉强度测定方法：直接拉伸法、抗弯法、劈裂法、点载荷法。 简答论述 1、岩石结构与岩石构造有什么区别？并举例加以说明。 岩石结构：是指岩石中矿物颗粒间的关系，包括颗粒大小、形状、排列、结构连结特点以及岩石中的微结构面。岩石构造：岩石中不同矿物集合体之间及其与其他组成部分之间在空间的排列方式及充填方式。如岩浆岩中的流线、流面、块状构造，沉积岩中的层理、叶片状构造，变质岩中的片理、片麻理和板状构造等。 2、岩石颗粒间的连接方式有哪几种？ 结晶连结：岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩以及部分沉积岩的结构连结。胶结连结：指颗粒与颗粒之间通过胶结物质连结在一起的连结。如沉积碎屑岩、部分粘土岩的结构连
岩体的变形与破坏的本构关系
第三章岩体的变形与破坏 变形：不发生宏观连续性的变化，只发生形、体变化。 破坏：既发生形、体变化、也发生宏观连续性的变化。 1．岩体变形破坏的一般过程和特点 （1）岩体变形破坏的基本过程及发展阶段 ①压密阶段（OA段）： 非线性压缩变形—变形对应力的变化反应明显； 裂隙闭合、充填物压密。 应力-应变曲线呈减速型（下凹型）。 ②弹性变形阶段（AB段）： 经压缩变形后，岩体由不连续介质转变为连续介质； 应力-应变呈线性关系； 弹性极限B点。 ③稳定破裂发展阶段（BC段）： 超过弹性极限（屈服点）后，进入塑性变形阶段。 a．出现微破裂，随应力增长而发展，应力保持不变、破裂则停止发展； b.应变：侧向应变加速发展，轴向应变有所增高，体积压缩速率减缓（由于微破裂的出现）；
④不稳定破裂发展阶段（CD段）： 微破裂发展出现质的变化： a.破裂过程中的应力集中效应显著，即使是荷载应力保持不变，破裂仍会不断地累进性发展； b. 最薄弱部位首先破坏，应力重分布导致次薄弱部位破坏，直至整体破坏。“累进性破坏”。 c. 应变：体积应变转为膨胀，轴向及侧向应变速率加速增大； ※结构不均匀；起始点为“长期强度”； ⑤强度丧失、完全破坏阶段（DE段）： 破裂面发展为宏观贯通性破坏面，强度迅速降低， 岩体被分割成相互分离的块体—完全破坏。 （2）岩体破坏的基本形式 ①张性破坏（图示）； ②剪切破坏（图示）：剪断，剪切。 ③塑性破坏（图示）。 破坏形式取决于：荷载条件、岩体的岩性及结构特征； 二者的相互关系。 ①破坏形式与受力状态的关系： a.与围压σ3有关： 低围压或负围压—拉张破坏（图示）； 中等围压—剪切破坏（图示）； 高围压（150MN/m2=1500kg/cm2）—塑性破坏。 的关系： b.与σ 2 σ2/σ 3 <4（包括σ 2 =σ3），岩体剪断破坏，破坏角约θ=25°； σ2/σ 3 >8（包括σ 2 =σ1）：拉断破坏，破坏面∥σ1，破坏角0°; 4≤σ2/σ3≤8：张、剪性破坏，破坏角θ=15°。 ②破坏形式与岩体结构的关系： 完整块体状—张性破坏； 碎裂结构、碎块结构—塑性破坏； 裂隙岩体—取决于结构面与各主应力之间的方位关系。
岩体结构面的变形与强度性质
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，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]。
岩石的产状和岩石变形
岩层的产状和岩石变形 2007/12/13 14:49 岩层是指由两个平行的或近于平行的界面所限制的岩性相同或近似的层状岩石。岩层的上下界面叫层面，分别称为顶面和底面。岩层的顶面和底面的垂直距离称为岩层的厚度。任何岩层的厚度在横向上都有变化，有的厚度比较稳定，在较大范围内变化较小；有的则逐渐变薄，以至消失，称为尖灭；有的中间厚、两边薄并逐渐尖灭，称为透镜体。如果岩性基本均一的岩层，中间夹有其它岩性的岩层，称为夹层，如砂岩含页岩夹层，砂岩夹煤层等等；如果岩层由两种以上不同岩性的岩层交互组成，则称为互层，如砂、页岩互层，页岩、灰岩互层等等。夹层和互层反映构造运动或气候变化所导致的沉积环境的变化。 一、岩层的产状 （一）不同产状的岩层 岩层在地壳中的空间方位称为岩层的产状。由于岩层沉积环境和所受的构造运动不同，可以有不同的产状。一般可以分为水平岩层、倾斜岩层、直立岩层和倒转岩层： 1.水平岩层在广阔的海底、湖盆、盆地中沉积的岩层，其原始产状大都是水平或近于水平的。在水平岩层地区，如果未受侵蚀或侵蚀不深，在地表往往只能见到最上面较新的地层；只有在受切割很深的情况下，才能出露下面较老的岩层。例如华北平原，除非根据钻孔资料，否则不能知道地下都有什么岩层。 2.倾斜岩层指岩层层面与水平面有一定交角（0—90°）的岩层。有些是原始倾斜岩层，例如在沉积盆地的边缘形成的岩层，某些在山坡山口形成的残积、洪积层，某些风成、冰川形成的岩层，堆积在火山口周围的熔岩及火山碎屑层等，常常是原始堆积时就是倾斜的。但是，在大多数情况下，岩层受到构造运动发生变形变位，使之形成倾斜的产状。在一定范围内岩层的产状大体一致，称为单斜岩层。单斜岩层往往是褶皱构造的一部分。 3.直立岩层指岩层层面与水平面直交或近于直交的岩层，即直立起来的岩层。在强烈构造运动挤压下，常可形成直立岩层。 4.倒转岩层指岩层翻转、老岩层在上而新岩层在下的岩层（图7-12），这种岩层主要是在强烈挤压下岩层褶皱倒转过来形成的。 （二）岩层的产状要素 指确定岩层产状的三个数值，即走向、倾向和倾角。 1.走向岩层层面与任一假想水平面的交线称走向线，也就是同一层面上等高两点的连线；走向线两端延伸的方向称岩层的走向，岩层的走向也有两个方向，彼此相差180°。岩层的走向表示岩层在空间的水平延伸方向。
2020年常见岩石的强度性质
作者：非成败 作品编号：92032155GZ5702241547853215475102 时间：2020.12.13 当前位置：课程学习/第四章岩块的变形与强度性质/第三节岩块的强度性质 第三节岩块的强度性质 岩块的强度是指岩块抵抗外力破坏的能力。 根据受力状态不同，岩块的强度可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、剪切强度、三轴压缩强度等。 一、单轴抗压强度σ c 1、定义 在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，简称抗压强度（MPa）。 2、研究意义 （1）衡量岩块基本力学性质的重要指标。 （2）岩体工程分类、建立岩体破坏判据的重要指标。 （3）用来估算其他强度参数。 3、测定方法 抗压强度试验 点荷载试验 4、常见岩石的抗压强度 常见岩石的抗压强度 岩石名称抗压强度 （MPa） 岩石名称 抗压强度 （MPa） 岩石名称 抗压强度 （MPa） 辉长岩180~300辉绿岩200~350页岩10~100花岗岩100~250玄武岩150~300砂岩20~200流纹岩180~300石英岩150~350砾岩10~150闪长岩100~250大理岩100~250板岩60~200 安山岩100~250片麻岩50~200千枚岩、片 岩 10~100
二、单轴抗拉强度σt 1、定义 单向拉伸条件下，岩块能承受的最大拉应力，简称抗拉强度。 2、研究意义 （1）衡量岩体力学性质的重要指标 （2）用来建立岩石强度判据，确定强度包络线 （3）选择建筑石材不可缺少的参数 3、测定方法 直接拉伸法 间接法（劈裂法、点荷载法） 4、常见岩石的抗拉强度 常见岩石的抗拉强度 5、抗拉强度与抗压强度的比较 岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙，岩块抗拉强度受其影响很大，直接削弱了岩块的抗拉强度。相对而言，空隙对岩块抗压强度的影响就小得多，因此，岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度。 通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度，用以表征岩石的脆性程度。 岩块的几种强度与抗压强度比值
岩石力学习题 刘佑荣
岩体力学习题 1、何谓岩体力学? 谈谈你对岩体力学的认识和看法。 答：岩体力学（rock mass mechanics）是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。 岩体力学的应用范围涉及广泛，如水利水电工程、采矿工程、道路交通工程、国防工程、海洋工程、核电站等。岩体力学的发展与人类工程实践分不开，而今，由于矿产资源勘探开采、能源开发及地球动力学研究等的需要，工程规模越来越大，涉及的岩体力学问题越来越复杂，这对岩体力学提出了更高的要求。 2、何谓岩块、岩体? 试比较岩块与岩体,岩体与土有何异同点? 答：岩块（rock 或rock block）指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。 岩体（rockmass）指在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体，是岩体类型研究的对象。 岩块与岩体的异同点：岩块和岩体均为岩石物质和岩石材料。然而，岩体与岩块在性质上有本质的区别，其根本原因之一是岩体中存在有各种各样的结构面及不同于自重应力的天然应力场和地下水。相对岩块而言，岩体的各向异性和不连续性更为显著，研究中通常把岩块近似地视为均质、各向同性的连续介质。 岩体与土的异同点：岩石和土一样，是由固体、液体和气体三相组成的。岩石是有较多缺陷的多晶材料，具有相对较多的孔隙。同时，由于岩石经受过多种地质作用，还发育有各种成因的裂隙，如原生裂隙、风化裂隙及构造裂隙等。所以，岩石的空隙性比土复杂得多，即除了孔隙外，还有裂隙存在。另外，岩石中的空隙有些部分往往是互不连通的，而且与大气也不相通。 3、何谓岩体分类? RMR分类和Q分类各自用哪些指标表示? 怎样求得?
阅读理解-尤明庆《岩石试样的强度及变形破坏过程》
阅读拾零 尤明庆《岩石试样的强度及变形破坏过程》 岩石内部都有缺陷，若研究的尺度与这些缺陷分布相当，则必定要认为岩石是非均质的。当然，在考虑范围较大、使用更大的尺度时，岩石又可以被认为是具有均匀缺陷的材料。最为显著的事实是，岩样尺度越大，强度的离散程度越小。P7 随着岩样棱数减少，抗压强度降低，说明边缘的棱角容易损坏，不能用来作为有效的承载面积。P8 在进行岩石力学性质试验研究时，必须始终明确岩石材料的非均质性，试验结果的差异并不完全是由围压、加载速度、应力路径等可控参数引起的，岩样也是试验过程中的一个变化参数。P8 显然杨氏模量表示了岩样的弹性变形特征，是材料参数，与岩样的形状尺度无关；而峰值之后的软化曲线只是材料的特性在具体岩样的宏观表现，并非真正意义上的材料本构关系。P12岩样单轴压缩破坏形式复杂多变，通常认为，最终的破坏多数是轴向近乎平行的劈裂破坏，或称岩样单轴抗压强度的降低是由于岩样内部的拉伸破坏造成的。P13 剪切滑移作用还会产生垂直于轴向的拉力，其大小随该滑移面积的增大而增大。P14 如果最初的剪切滑移面出现在岩样内部，那么剪切滑移引起的沿轴向拉张劈裂面可能使岩样侧面的材料脱离主体，成为一个压杆。细长压杆通常产生失稳而折断，完全失去承载能力。原来储存的弹性形变恢复，使其长度大于岩样而弯曲。这种破坏情形会在应力-应变全程曲线上反映出来，即在应变几乎不变时出现一个应力小幅度跌落。这种应力跌落多出现在峰值附近，但并不会显著影响岩样的整体形变过程。P14 只有材料的剪切破坏才能引起承载能力的降低。P15 Coulomb准则，即轴向最大承载能力T与围压呈线性关系：。参数Q的力学含义是：岩样在完全剪切破坏时的单轴抗压强度，可以作为岩样的材料强度来看待。实际单轴压缩过程中由于岩样沿轴向的张拉破坏，岩样无缺陷时的理想强度通常也是小于Q的。这就意味着，作为材料强度特性的参数Q，是不可能从单一试验中得到的，必须通过不同围压下的岩样强度进行回归分析才能得到。P43 试验所得的峰值应力只是岩石材料的强度在该试样的宏观表现。σ2不是很大时，其增加可能使沿该方向屈服的微元体需要更高的轴向应力，也可能使该微元体改变滑移方向，即不是沿最弱承载面屈服，从而导致微元体承载力的提高；当σ2较大时，试样在σ2-σ3方向也会产生屈服破坏，中间主应力的增加可能造成岩样强度的降低。P66 岩样三轴压缩破坏之后，即使断裂为两个完全独立的部分，还可以通过剪切破坏面之间的摩擦力承载轴向应力，即通常所说的参与强度。P86 承载能力由岩石的粘聚力和内摩擦力共同构成，两者在屈服过程中都是变化的。在以主应力表示时，可以认为岩样的轴向承载能力由其材料强度和围压共同确定，是结构的力学特性。当岩样的轴向应力增大到其承载能力（轴向压缩），或者其承载能力降低到轴向应力（卸围压）时，岩样的材料强度就会降低，即屈服。轴向应力不超过其承载能力，但承载能力在变形过程中可能增大也可能减小。某些岩石在材料强度降低的过程中内摩擦力系数增大，从而即使围压恒定轴向承载能力也会增加，即屈服强化。P87 岩石的强度、变形和承载的应力，三者是密切联系的；而这种联系的具体形式我们还很不清楚。P100 残余强度是真实岩样破坏之后由摩擦力所维持的承载能力。P103 在围压较低时，也就是正应力较低时内摩擦力的增加量小于材料强度的降低，屈服过程中承
岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第五章 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 第一节概述 在岩体稳定性和地下水渗流分析中，通常把岩体视为岩块(结构体)与结构面组成的割裂体。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。因此，岩体结构面力学和水力学性质的研究，是岩体力学和工程地质学中重要的研究课题之一，其中结构面变形与强度性质的研究，在工程实践中具有十分重要的实际意义，这主要有以下几方面的原因。 (1)大量的工程实践表明：在工程荷载(一般小于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。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。结构面的成因类型及其特征在第二章第二节中已有详细介绍，本章主要讨论结构面的变形与强度性质。结构面的变形与强度性质主要通过室内外岩体力学试 第二节结构面的变形性质 一、结构面的法向变形性质 (一)法向变形特征 在同一种岩体中分别取一件不含结构面的完整岩块试件和一件含结构面的岩块试件。然后，分别对这两种试件施加连续法向压应力，可得到如图5-1 果设不含结构面岩块的变形为ΔVr，含结构面岩块的变形为ΔVt，则结构面的法向闭合变形Δ