岩石结构面的10个方面研究内容
第3章岩石结构面、力学性质岩体力学
岩石力学
3.3.1.2 结构面的连续性 结构面的连续性又称为结构面的延展性或贯通性，常用
迹长、线连续性系数和面连续性系数表示。 （1）迹长 结构面与勘测面交线的长度，称为迹长。 国际岩石力学学会(ISRM，1978年) 制订的分级标准(见
3.2.2 岩体结构的类型
在《岩土工程勘察规范（GB 50021-2001）》中，将岩体 结构划分为5大类（见下表）。
岩石力学
岩体结 构
类型 整体状
结构
块状结 构
层状结 构
岩体地质 类型
巨块状 岩浆岩和 变质岩
厚层状 沉积岩， 块状岩浆 岩和变质 岩 多韵律 薄层、中 厚层状沉 积岩，副
结构体 形状
岩石力学
3.1 概述
工程涉及的实际岩体与实验室内测试的岩石试件的力学 性能有着很大的差别，引起这种差别的主要因素有：
（1）岩体的非连续性； （2）岩体的非均质性； （3）岩体的各向异性； （4）岩体的含水性等。 其中最关键的因素是岩体的非连续性。
岩石力学
结构面（亦称弱面）：岩体内存在的各种地质界面，
巨块状
块状 柱状
层状 板状
结构面发育情况
以层面和原生、 构造节理为主， 多呈闭合型，间 距大于1.5m，一 般为1~2组，无 危险结构
有少量贯穿性节 理裂隙，结构面 间距0.7~1.5m， 一般为2~3组， 有少量分离体
有层理、片理、 节理，常有层间 错动
岩土工程特 征
岩体稳定， 可视为均质 弹性各项同 性体
岩石力学
当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应力有：
T A
P cos
第讲-岩体结构与结构面性质
§2-2 岩体结构面的几何与力学性质
一、结构面的几何性质
1、产状
结构面产状三要素：走向、倾向、倾角； 与主应力之间的关系：控制岩体的破坏机理与强度。
2、分布密度
结构面的分步密度反映结构面发育的密集程度，以裂隙度和切 割度表示。 ①裂隙度K ：沿取样线方向单位长度上的结构面数量。 设取样线长度为L,单位m,该长度内出现的结构面数量n，沿取 样线方向结构面平均间距为d′，则
延伸十米~数十米，无破碎 带，面内不含泥，仅在一个 地质年代的地层中分布
延展数厘米~数米，未错动，有 的呈弱结合状态，统计结构面
微米~毫米，细小或隐微裂 面，统计结构面
区域性深大断裂
影响区域稳定性；如通过 工程区，形成岩体力学作 用边界
大中型断层、不整合 面、层间错动带、软 弱夹层等
小断层、软弱夹层、 层间错动带等
（2）力学成因类型
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。
张性结构面是由拉应力形成 的，如粘土岩失水收缩节理、 岩浆岩中的冷凝节理等。
逆断层 正断层
平移断层
2、分级
级序
分级依据
地质类型
对岩体稳定影响
Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级 Ⅳ级 Ⅴ级
延伸数公里以上（最长达上 千公里），破碎带宽度数米 ~数十米 延伸数百米~数公里，破碎 带宽度几厘米~几米
1、法向变形与法向刚度
（1）法向变形特征 ①曲线形状，先凹，后陡；归结为接触 微凸体的弹性变形、压碎、间接拉裂隙 产生、新的接触点和面的增加。 ②初始阶段，结构面变形为主， 当σn=σc / 3时结构面变形基本完成 ③最大闭合量小于张开度。 ④卸除荷载后，有明显的迟滞和非弹性 效应。
《岩石力学》复习资料
《岩石力学》复习资料1.1 简述岩石与岩体的区别与联系。
答:岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体,力学性质可在实验室测得；岩体是指由背诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面切割的岩块组成的集合体，力学性质一般在野外现场进行测定，因此更接近岩体的实际情况，反映岩体的实际强度。
1.2 岩体的力学特征是什么？答：（1)不连续性：岩体受结构面的隔断,多为不连续介质，但岩块本身可作为连续介质看待；（2)各向异性：结构面有优先排列位向的趋势,随着受力岩体的结构趋向不同力学性质也各异；(3）不均匀性：结构面的方向、分布、密度及岩块的大小、形状和镶嵌状况等在各部位都很不一致，造成岩体的不均匀性；（4)岩块单元的可移动性：岩体的变形破坏往往取决于组成岩体的岩石块单元体的移动,这与岩石块本身的变形破坏共同组成岩体的变形破坏；（5）力学性质受赋存条件的影响：在一定的地质环境中，岩体赋存有不同于自重应力场的地应力场、水、气、温度以及地质历史遗留的形迹等。
1.3 岩石可分为哪三大类?它们各自的基本特点是什么?答：（1）岩浆岩：由岩浆冷凝形成的岩石，强度高、均匀性好；（2）沉积岩：由母岩在地表经风化剥蚀后产生，后经搬运、沉积和结硬成岩作用而形成的岩石,具有层理构造，强度不稳定，且具有各向异性；（3）变质岩：由岩浆岩、沉积岩或变质岩在地壳中受高温、高压及化学活动性流体的影响发生变质而形成的岩石.力学性质与变质作用的程度、性质以及原岩性质有关。
1.4 简述岩体力学的研究任务与研究内容。
研究任务：①建模与参数辨别;②确定试验方法、仪器与信息处理；③现场测试；④实际应用；研究内容：①岩石与岩体的物理力学性质(岩石的物质组成和结构特征，岩石的物理、水理性质，岩块在不同应力状态作用下的变形和强度特征,结构面的变性特征和强度参数的确定等）;②岩石和岩体的本构关系(岩块的本构关系，岩体结构面分类和典型结构面本构关系,岩体的本构关系）；③工程岩体的应力、变形和强度理论（岩体初始应力测量及分布规律，岩体中应力、应变和位移计算，岩体破坏机理、强度理论和工程稳定性维护与评价）：④岩石(岩块）室内实验（室内实验是岩石力学研究的基本手段）;⑤岩体测试和工程稳定监测（岩体原位力学实验原理和方法，岩体结构面分布规律的统计测试,岩体的应力、应变、位移检测方法及测试数据的分析利用,工程稳定准则和安全预测理论与方法)。
确定岩石结构面产状方法的研究
确定岩石结构面产状方法的研究作者：石思来源：《商情》2013年第44期阐述了确定岩石结构面产状的重要性；指出了确定岩石结构面产状的分类方法：钻探取芯测斜法、机械标记法、古地磁法和图像法。
简要介绍了四种方法，分析了它们的特点、适用条件，有利于合理选用确定岩石结构面产状的方法。
岩石结构面产状研究1确定岩石结构面产状的意义在固体矿产勘查，石油、天然气、地热和可溶性矿产的勘探与开发方面，要求确定岩石结构面产状。
结构面产状数据对正确认识地质构造，查明矿体形态与延伸情况，弄清矿体和围岩的空间关系，准确计算矿产储量，指导勘探工程和开采坑道布置等有重大意义。
结构面产状对研究石油、天然气、地热水的分布、储聚、迁移和开采有重大价值，另外还是确定油田开发水平定向井、可溶性矿产水力开采溶腔对接孔方向的依据。
在水电工程地质勘察中，为了确保高坝安全，合理设计水工建筑物，防止水库渗漏，有效治理库岸滑坡等地质灾害，要求查明地下岩层层面和构造面的产状，特别是裂隙、节理、断层等断裂面以及软弱夹层的产状，另外还要求了解坝区和库区的地应力场特征，地应力分布规律，主应力的方向和大小。
因此，确定岩石结构面产状，是一项重要的而又经常性的工作。
通过收集、整理和分析研究确定岩石结构面产状方法，在地表无露头或露头不清楚的地区，确定岩石结构面产状的方法可分为钻探取芯测斜法、机械标记法、古地磁法和图像法。
2钻探取芯测斜法取芯测斜法是采用常规钻探方法，获得岩芯及测斜资料，确定岩石结构面产状。
由于是常规方法钻探及测斜，钻具和钻进工艺不需要变化，故成本低。
该方法分为平面计算方法和空间计算方法。
平面计算方法即要打三个孔，利用相近的三个钻孔穿过同一层面或断裂面的测斜数据，确定三点坐标值，计算出层面或断裂面产状要素。
本项目完成了此法的编程计算。
该法要求岩石标志面明显，适用于确定岩石分层层面、断层层面、软弱夹层层面的产状。
平面计算方法是假定层面或断裂面为平面的，因此它不可能反映钻孔之间层面或断裂面产状的变化；当标志层不明显时往往难以判断三个钻孔穿过的同一层面，此时会产生一些误差。
岩石力学特性研究 – 试验和模型分析
•
•
1951年，在奥地利创建了地质力学研究组，并形成了独具一格的奥地
利学派（Muller和Stini）。
同年，国际大坝会议设立了岩石力学分会。
1956年，美国召开了第一次岩石力学讨论会。
1957年，第一本《岩石力学》专著出版（J.Talobre,法国）。
1959年，法国马尔帕塞坝溃决，引起岩体力学工作者的关注和研究。
•稳定性计算与评价
围岩
有压隧洞
岩基
岩坡
13
岩
石
力
学
二、研究内容与研究方法
1.研究内容
❖ 以边坡为例
14
工
程
地
质
研
究
方
法
（地层、岩性、结构面
岩块、结构面力 应力条件（建筑物
学性质（室内试验： 作用力、天然应力、
特征及分布、地下水等）
求变形、强度参数）
边坡岩体地质特征
地质模型建立
综合
评价
法
岩体力学性质，力学参数
四个特征：
具有一定工程地质岩组
以不连续为特征的岩体结构
赋存于一定的地质物理环境
（地应力、地下水、地温）
作为工程作用对象的地质体
3
一、岩石和其物理性质
四个特性(DIANE)：
Discontinuous
Inhomogeneous
Anisotropic
Non-elastic
基本物理指标
1. 容重和密度
容重：岩石单位体积（包括岩石孔隙体积）的重力。可分为：干容重、湿容重
和饱和容重。一般未说明含水状态时是指湿容重。
W
V
▪ 岩石的容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙大小以及含水的多少；
岩石力学复习资料
9． 结构面的剪切变形、法向变形与结构面的哪些因素有关？答：结构面的剪切变形、法向变形与岩石强度、结构面粗糙性和法向力有关。
10.结构面力学性质的尺寸效应体现在哪几个方面？答：结构面试块长度增加，平均峰值摩擦角降低，试块面积增加，剪切应力呈现出减小趋势。
此外，还体现在以下几个方面：（1）随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度时的位移量增大；（2）试块尺寸增加， 剪切破坏形式由脆性破坏向延伸破坏转化；（3）尺寸增加，峰值剪胀角减小，结构面粗糙度减小，尺寸效应也减小。
12.具有单结构面的岩体其强度如何确定？答：具有单结构面的岩体强度为结构面强度与岩体强度二者之间的最低值。
结构面强度为：σ1 = σ3+2 ⋅ (C j +σ3⋅tg φj )(1 -tg φj ctg β ) ⋅ sin 2β岩体强度为：σ=1 + sin φσ +2 ⋅C ⋅ cos φ 1- sinφ3 1 - sin φ118.岩体质量分类有和意义？答：为了在工程设计与施工中能区分岩体质量的好坏和表现在稳定性上的差别，需要对岩体做出合理分类，作为选择工程结构参数、科学管理生产以及评价经济效益的依据之一，也是岩石力学与工程应用方面的基础性工作。
19.CSIR 分类法和Q 分类法各考虑的是岩体的哪些因素？答: 岩体地质力学分类是由岩体强度、RQD 值、节理间距、单位长度的节理条数及地下水５种指标分别记分，然后累加各项指标的记分，得出该岩体的总分来评价该岩体的质量。
CSIR=A+B+C+D+E＋FA——岩体强度（最高15分）；B——RQD 值（最高分20分）；C——节理间距（最高分20 分）D——单位长度的节理条数（最高分30 分）E——地下水条件（最高分15 分）。
F——节理方向修正分（最低－60，见表2-17b）巴顿岩体质量（Q）分类由Barton 等人提出的分类方法：Q ＝RQD⋅J r⋅Jw J n J aSRF考虑因素: RQD——岩石质量指标；J n——节理组数；J r——节理粗糙系数；J a——节理蚀变系数；J w——节理水折减系数；SRF——应力折减系数。
岩体结构及其完整性
散体结构
岩性：复杂，呈松散状态； 结构面发育情况：有的为块夹泥，有的泥夹块； 结构面强度：岩体的tanφ<0.2； 水的影响：地下水作用强烈，可引起泥化、软化、崩解、膨胀，甚至化学
反应；
工程特性：
此类岩体具有明显的塑性或流变特征，变形破坏严重，持续时间长，应予 以特别关注。
2.2 结构面的表观
引子：结构面的形态有闭合度、粗糙度、贯通性等，统称为结构面的表
断层较大
延展数百米至数公里， 1. 形成块裂体边界；
II级 破碎带宽度比较窄，几 2. 控制岩体变形和破坏方式；
厘米至数米
3. 构成次级地应力场边界
属于软弱结构面
小断层，层间错 动面
III级
延展十几米至几十米， 1. 参与块裂岩体切割；
无破碎带，面内不夹泥， 2. 划分II级岩体结构类型的重要依据；
结合性
定义：是岩体结构面形态、坚固程度的综合表现，取决于结构面的闭合
度、粗糙度、贯通性、充填物的性质和厚度等因素。
分类：
若结构面闭合、干净且无充填物，结构面粗糙，结构体之间刚性接触， 则结合性好，结构面抗剪强度高；相反，结构面贯通性好且多为张开的， 结构面中为岩屑、岩粉、泥质物所充填，则结构面结合性差，抗剪强度 低。
岩性：单一且构造变形轻微的巨厚层沉积岩、变质岩和火成岩体； 结构面发育情况：不发育，延展性差，组数一般不超过2组； 结构面强度：结构面摩擦系数tanφ≥0.6，结构体间结合力强； 完整性：岩体呈完整或基本完整状态，结构面间距dp>1.0m; 水的影响：地下水作用不明显，渗流对岩体特性影响不大； 工程特性：
相同粗糙程度的强度由台阶形到平坦形到平面形依次降低 如：I > IV > VII ，II > V > VIII，III > IX，VI > IX。
岩石结构面粗糙度尺寸效应分析
岩石结构面粗糙度尺寸效应分析陈世江;王创业;王超;郑文翔;郭灵飞【摘要】在实验室内用石膏粉人工制作类岩石试件,剪切后形成结构面,采用数字图像灰度信息表示结构面的粗糙度.将该类岩石结构面按照5种不同划分方案由小尺度到大尺度划分为10个等级(100像素×100像素,200像素×200像素,…,1 000像素×1 000像素).采用变异函数表征结构面粗糙度的方法,即SRv表征法,分别计算各个方案不同尺度下结构面各个方向上的SRv值.结果表明各方案:①在同一方向上,尺度较小时,SRv值较大,随着尺度增大,SRv值逐渐减小,达到一定尺度时,SRv值趋于稳定;不同方向上,SRv收敛尺度不尽相同.②结构面尺寸范围不同,其各向异性特征均有差别.由此,只有充分认识结构面在不同尺度下的各向异性特征,才能准确把握其尺寸效应特征;只有在准确把握其尺寸效应的前提下,才能有效地掌握其各向异性特征.这一认识为准确把握结构面力学性质提供一种新思路.%The artificial rocks specimen are made of gypsum powder in the laboratory and the surface structure is formed after the cutting.Then,the surface roughness of the structure is described by the digital gray images method.Secondly,the surface structure is divided into ten sampling windows according to five different programs with ranges from 100 Pixel× 100 Pixel,200 Pixel×200 Pixel to 1 000 Pixel× 1 000 Pixel.Finally,the values of SRv in all directions of the surface structure under different size are calculated by the SRv characteristics method,that is,the surface roughness is characterized by variogram.The results by each scheme show that (1) in the same direction,the smaller size is,the larger SRv value is.As the size increases,the SRv value decreases and then reaches a stable value.But in differentdirections,the threshold values of SRv are not the same.(2) In addition,the anisotropic characteristics are different among the different scale structural planes.Only by fully understanding the anisotropic characteristics of structure surface under different scales can accurately grasp the characteristics of size effect;Only accurate grasp of the size effect can effectively grasp the anisotropic characteristics.This understanding provides a new way to accurately grasp the mechanical properties of discontinuity.【期刊名称】《金属矿山》【年(卷),期】2016(000)012【总页数】6页(P138-143)【关键词】结构面;尺寸效应;各向异性;粗糙度【作者】陈世江;王创业;王超;郑文翔;郭灵飞【作者单位】内蒙古科技大学矿业研究院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学矿业研究院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学矿业研究院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学矿业研究院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学矿业研究院,内蒙古包头014010【正文语种】中文【中图分类】TD313研究[1-5]表明，岩石结构面的剪切力学性质存在尺寸效应特征，而这一特征主要源于结构面的表面几何形态。
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国际岩石力学学会推荐结构面的10个方面研究内容
方位（产状）。
间距
相邻结构面的垂直距离，通常指一个节理组的平均或常见的间距。
分为极窄的﹤20mm；很窄的20～60mm；窄的60～200mm；中等的200～600mm；宽的600～2000mm；很宽的2000～6000mm；极宽的﹥6000mm。
线裂隙率（Ks）（乘/m）
面裂隙率（Ka）
Ka=各裂隙面积（长×宽度）之和/所测量的岩体面积×100﹪
体积裂隙率（Kv）
Kv＝各裂隙体积（长×宽度×厚度）之和/所测量的岩体体积×100﹪
3．延续性
分为延续性很差的﹤m；差的1~3m；中等的3～10m；好的10～30m；很好的﹥30m。
4．粗糙度
用起伏度与起伏差表征。
初步的可用三类九型。
详细的要求：起伏度用起伏角i表示，波状的用波峰与波谷之间的距离表示起伏差h（cm）。
5．侧壁强度
6．张开度
7．充填物
典型的充填物有：砂、粉土、粘土、角砾、断层泥、糜棱岩、方解石、石英、石膏等。
8．渗流
9．节理组数
10．体积大小
（1）巨块状；（2）块状；（3）不规则状；（4）板状；（5）柱状；（6）碎裂状
体积裂隙数Jv=1/S1+1/S2+1/S3+……1/SN
ROD=115-3.3Jv。