岩石力学---第二章 岩体的力学性质
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工程地质学-第二章 岩石的工程地质性质-2-岩石的力学性质
试件两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm; 两端面垂直于轴线±0.25o
3.影响单轴抗压强度的主要因素
（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据） （2）试件的形状和尺寸
形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的10倍； φ50的依据 高径比：研究表明；h/d≥(2－3)较合理 （3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高(见图2－5) 我国规定加载速度为0.5 －1.0MPa/s （4）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明 显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2 －3倍。 温度度：180℃以下部明显：大于180℃，湿度 越高强度越小。
三、岩石的抗拉强度
1. 定义：岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时 的单位面积上所受的拉力。
2. 直接拉伸法
抗拉强度
Rt P / A
关键技术
①试件和夹具之间的连接
②加力P与试件同心
四、岩石的抗剪强度
1. 定义
指一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗
的最大剪应力常用 表示
2. 类型：
a.抗剪断试验
3、水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补 充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸引力将水分子 拉到自己周围，在颗粒接触处由于吸引力作用使水分子 向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入，这种现象称为水楔 作用。
根据破坏时的应力类型，岩石的破坏可有拉破坏、剪 破坏和流动破坏三种基本类型。由于受力状态和破坏形式 的不同，岩石的强度又可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强 度、抗剪强度和三轴压缩强度等。
一、岩石的变形性质
1.岩石在单轴压缩应力作用下的变形特性 1)普通试验机下 应力－应变曲线形状与 岩性有关。 (1)典型的岩石应力、应 变曲线特征为： Ⅰ.压密阶段 Ⅱ.弹性变形至微破裂稳 定发展阶段 Ⅲ.非稳定破裂发展阶段 （或称累进性破裂阶段） Ⅳ.破坏后阶段
3.影响单轴抗压强度的主要因素
（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据） （2）试件的形状和尺寸
形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的10倍； φ50的依据 高径比：研究表明；h/d≥(2－3)较合理 （3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高(见图2－5) 我国规定加载速度为0.5 －1.0MPa/s （4）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明 显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2 －3倍。 温度度：180℃以下部明显：大于180℃，湿度 越高强度越小。
三、岩石的抗拉强度
1. 定义：岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时 的单位面积上所受的拉力。
2. 直接拉伸法
抗拉强度
Rt P / A
关键技术
①试件和夹具之间的连接
②加力P与试件同心
四、岩石的抗剪强度
1. 定义
指一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗
的最大剪应力常用 表示
2. 类型：
a.抗剪断试验
3、水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补 充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸引力将水分子 拉到自己周围，在颗粒接触处由于吸引力作用使水分子 向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入，这种现象称为水楔 作用。
根据破坏时的应力类型，岩石的破坏可有拉破坏、剪 破坏和流动破坏三种基本类型。由于受力状态和破坏形式 的不同，岩石的强度又可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强 度、抗剪强度和三轴压缩强度等。
一、岩石的变形性质
1.岩石在单轴压缩应力作用下的变形特性 1)普通试验机下 应力－应变曲线形状与 岩性有关。 (1)典型的岩石应力、应 变曲线特征为： Ⅰ.压密阶段 Ⅱ.弹性变形至微破裂稳 定发展阶段 Ⅲ.非稳定破裂发展阶段 （或称累进性破裂阶段） Ⅳ.破坏后阶段
岩石力学重点提示
第一章绪论岩石和岩体都是岩体力学的直接研究对象。
但在岩体力学中，这是两个既有联系又有区别的两个基本概念。
所谓岩石就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；所谓岩体则是指在一定的地质条件下，含有诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面的复杂地质体。
岩石就是指岩块，在一般情况下，不含有地质结构面。
因此，岩石和岩体的力学性质也是不同的，前者可在实验室条件下进行试验，而后者一般在野外现场的实验场地完成实验。
从实验的精确度来看，后者更接近岩体的实际情况，反映了岩体的实际强度，前者则相差甚远。
第二章岩石的基本物理力学性质（一）岩石的基本物理性质这部分内容比较直观、容易掌握，但要注意各性质指标的定义和归类，避免引起混淆。
为便于记忆，列出基本物理力学性质的归类树，读者应将对应的公式（或注释）填充。
岩浆岩１．岩石（按地质成因）沉积岩变质岩２．岩体＝岩石（或岩块）＋结构面（二）岩石的强度特性1．强度试验基本内容单向抗压强度试验 抗剪强度2． 单向抗压强度试验（1）试件：直径D ＝50mm ±0.3mm ；高H=(2～2.5)D ±0.3mm ；两端法线与试件轴线偏差不大于025.0；端面不平整度不大于0.5mm 。
（2）单向抗压强度 AP=σ P －岩石试件无侧限条件下的破坏载荷 A －试件承载面积（3）试件破坏形态圆柱单向压缩有两种可能的破坏形态：圆锥形破坏和圆柱形劈裂破坏（见图２-1）（a ）圆锥形破坏 （b ）柱状劈裂破坏 图２-1 单轴压缩破坏形态破坏原因：①圆锥形破坏形状是由于试件两端与试验机承压板之间摩擦力增大造成的。
②柱状劈裂破坏，如图２-1b 所示。
若采用有效方法消除岩石试件两端面的摩擦力，则试件的破坏形态成为柱状劈裂破坏。
（4）试件单向抗压强度的主要影响因素①试验机铁板的刚度；②试件的形状；③试件的尺寸；③试件的高径比；④加载速度 3. 单向抗拉强度试验 （1）直接拉伸法对岩石试件直接施加拉力至破坏，抗拉强度为AP t =σ 式中：P －试件破坏时承受的最大压力；A －与拉力垂直的横截面积。
第二章 岩石的物理性质
qx---q沿x x方k 向ddhx水A 的流量；ddhhx—水----头-水高头变度化；率A—垂直x方向的截面
面积；k—渗透系数。 K现场或室内试验确定。野外用钻孔压水试验，测定单位吸 水量。岩石室内渗透（仪）试验，与土类似，但试验时的压 力差要大得多。 灰岩K=1-10-4cm/s，砂岩10-4-10-6 ，泥岩10-7-10-11 cm/s
坚硬结构面
节理、层面、次生裂 隙、小断层、片理、 劈理、卸荷裂隙、风 化裂隙等
W1,W2分别为冻融试验前后岩石试样的重量 岩石的冻融试验在实验室进行。冻融各4小时为1个循环， 一般要进行25次后计算Rd 和Km。 Rd≤25%。
Km ≤5%，岩石抗冻性较好。
4．透水性（permeability） 在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质。
反映了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达西 （Darcy）定律描述：
干密度ρd：ρd=ms/v
饱和ρsat：ρsat=msat/v
量积法和蜡封法测定块体密度ρ。
重度（γ）: γ =w/v=ρ.g KN/m3
岩石的重度γ=26.5-28.0KN/m3，土18-20，砼24，钢砼25
岩石的重度在一定程度上反映出岩石的力学性质情况，通常
岩石的重度越大，则它的性质就越好，反之越差。
软弱和硬性结构面：结构面内夹有软弱物质者属于软弱结构面， 无充填或充填物较上下岩层强度大者则属坚硬结构面。
2.结构面的规模及分级
（1）绝对分级:按结构面延伸长度，并考虑其宽度，可将结 构面分为I-V级。
级 序
分级依据
力学属性
地质构造特征
结构面延展长，贯通岩体，延伸数 1．软弱结构面 大断层
I 至数十公里以上，破碎带宽约数米 2．构造独立的力 区域性断层
面积；k—渗透系数。 K现场或室内试验确定。野外用钻孔压水试验，测定单位吸 水量。岩石室内渗透（仪）试验，与土类似，但试验时的压 力差要大得多。 灰岩K=1-10-4cm/s，砂岩10-4-10-6 ，泥岩10-7-10-11 cm/s
坚硬结构面
节理、层面、次生裂 隙、小断层、片理、 劈理、卸荷裂隙、风 化裂隙等
W1,W2分别为冻融试验前后岩石试样的重量 岩石的冻融试验在实验室进行。冻融各4小时为1个循环， 一般要进行25次后计算Rd 和Km。 Rd≤25%。
Km ≤5%，岩石抗冻性较好。
4．透水性（permeability） 在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质。
反映了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达西 （Darcy）定律描述：
干密度ρd：ρd=ms/v
饱和ρsat：ρsat=msat/v
量积法和蜡封法测定块体密度ρ。
重度（γ）: γ =w/v=ρ.g KN/m3
岩石的重度γ=26.5-28.0KN/m3，土18-20，砼24，钢砼25
岩石的重度在一定程度上反映出岩石的力学性质情况，通常
岩石的重度越大，则它的性质就越好，反之越差。
软弱和硬性结构面：结构面内夹有软弱物质者属于软弱结构面， 无充填或充填物较上下岩层强度大者则属坚硬结构面。
2.结构面的规模及分级
（1）绝对分级:按结构面延伸长度，并考虑其宽度，可将结 构面分为I-V级。
级 序
分级依据
力学属性
地质构造特征
结构面延展长，贯通岩体，延伸数 1．软弱结构面 大断层
I 至数十公里以上，破碎带宽约数米 2．构造独立的力 区域性断层
第2章岩石力学性质与分级
类别 钎刃磨钝宽度（mm）
磨蚀性
表2-6 岩石磨蚀性分级
1 ＜0.2
弱
2 0.3~0.6
中
3 ＞0.7
强
2.3.2 按点载荷强度进行可钻性分级
点载荷试验是国际岩石力学学会（ISRM）试验委员会推荐的一种便 携式测量方法。点载荷试验是将试样置于试验机的两个压头之间，逐渐 加载，使试样破坏，再用下式求得点载荷强度：
2
3
式中:V—岩石爆破漏斗体积，m3 ； K1—大块率（＞30 cm），% ； K2—平均合格率，%； K3—小块率（＜5 cm），% ； (ρ C)—岩体波阻抗，KPa ； e—自然对数之底。
表2-4 岩石爆破性分级表
级别 爆破性指数 N 爆破性程度
代表性岩石
Ⅰ Ⅰ1 Ⅰ2
<29 29.001~38
表2-2 几种岩石动、静载强度试验结果
2.2 岩石凿岩爆破性的判据和分级
岩石分级是按照岩石作业工艺，从量上分别对岩石进行分级，为设计、 生产、管理和研究部门提供科学依据。
2.2.1 普式岩石坚固性分级
早在1926年前，普氏提出了用岩石试块七项指标的平均值来表征岩石 的坚固性。发展到现在还有一个指标——岩石试块的静载极限抗压强度有意 义,但单位由原来的公斤米制变为牛米制，所以现在的普氏岩石坚固性分级 实质已经不是原来普氏的分级，而是岩石单轴抗压强度（牛米制单位）的换 算值，即普氏系数 f。根据 f值将岩石分为10级， f值大，则难钻岩、难爆 破、岩石稳定，反之， f值小，则易钻岩、易爆破、岩石不稳定。
图2-1 岩石凿测器 1-钎头；2-承击台；3-插销；4-导向杆；5-落锤；
6-△形环；7-操作绳；8-导杆顶；9-转动把手
（1）凿碎比功 凿碎比功是指凿碎单位体积岩石所消耗的功，其值按下式计算：
岩土所考博复习资料岩石力学(个人总结)第二章 岩石的基本物理力学性质
第二章岩石的基本物理力学性质第一节概述第二节岩石的基本物理性质一岩石的密度指标1 岩石的密度:岩石试件的质量与试件的体积之比，即单位体积内岩石的质量。
（1）天然密度：是指岩石在自然条件下，单位体积的质量，即（2）饱和密度：是指岩石中的孔隙全部被水充填时单位体积的质量，即（3）干密度：是指岩石孔隙中液体全部被蒸发，试件中只有固体和气体的状态下，单位体积的质量，即（4）重力密度：单位体积中岩石的重量，简称重度。
2 岩石的颗粒密度：是指岩石固体物质的质量与固体的体积之比值。
公式二岩石的孔隙性1 岩石的孔隙比：是指岩石的孔隙体积与固体体积之比，公式2 岩石的孔隙率：是指岩石的孔隙体积与试件总体积的比值，以百分率表示，公式孔隙比和孔隙率的关系式：三岩体的水理性质1 岩石的含水性质（1）岩石的含水率：是指岩石孔隙中含水的质量与固体质量之比的百分数，即（2）岩石的吸水率：是指岩石吸入水的质量与试件固体的质量之比。
2 岩石的渗透性：是指岩石在一定的水力梯度作用下，水穿透岩石的能力。
它间接地反映了岩石中裂隙间相互连通的程度。
四岩体的抗风化指标1 软化系数：是指岩石饱和单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度的比值。
它是岩石抗风化能力的一个指标，反映了岩石遇水强度降低的一个参数：2 岩石耐崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。
岩石耐崩解性指数：是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指数。
它直接反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力。
3 岩石的膨胀性：岩石浸水后体积增大的性质。
（1）岩石的自由膨胀率：是指岩石试件在无任何约束的条件下浸水后所产生膨胀变形与试件原尺寸的比值。
（2）岩石的侧向约束膨胀率：是将具有侧向约束的试件浸入水中，使岩石试件仅产生轴向膨胀变形而求得膨胀率。
（3）膨胀压力:岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。
五岩体的其他特性1 岩石的抗冻性:岩石抵抗冻融破坏的性能。
2-2岩石力学性质-强度性质
2.5 岩块强度
2.5.1 岩石的单轴抗压强度
所谓岩石的单轴抗压强度是指岩石在单轴压缩载 荷作用下，达到破坏前所能承受的最大压应力。 亦即岩石受轴向力作用破坏时单位面积上所承受 的荷载。即： P c （2-18）
c
式中：
A
c —单轴抗压强度；
P—只有轴向载荷时的破坏荷载； A—试件的截面面积。
图2-4 在刚性承压板之间压缩时岩石端面的应力分布 图2-5 粗面岩的抗压强度与h／d的关系
（4）加载速度 加载速度越大，表现强度越高) 我国规定加载速度为0.5～0.8MPa/s （5）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显， 对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度 的2－3倍。 温度：180℃以下不明显：大于180℃，温度越高 强度越小。
由于试件端面与承压板之间的摩擦力，使试件端 面部分形成了约束作用，而这一作用随远离承压 板而减弱，使其表现为拉应力。 在无侧限的条件下，由于侧向的部分岩石可自由 地向外变形、剥离，最终形成圆锥形破坏的形态。 因此，在试验时一般要求在试件的端面与承压板 之间加润滑剂，以减少试验时的端部效应。
c
c
c d 0.788 0.22 h
（2-19）
由图2—5可见，当 试验结果
h / d 2.0 3.0
时， 曲线趋于稳定，
c
c
值不随
h/d
的变化而明显变化。
国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员 会制定的《岩石力学试验建议方法》中，建议岩
石单轴抗压强度试验试件的高径比为2.5～3.0。
（1）单轴抗压强度的试验方法 在岩石力学中，岩石的单轴抗压强度是研究 最早、最完善的特性之一。按中华人民共 和国岩石试验方法标准的要求，单轴抗压 强度的试验是在带有上、下块承压板的试 验机上进行，按一定的加载速度单向加压 直至试件破坏。
岩体力学02-岩石的物理力学性质
3
密度和重度在进行 岩体工程稳定性计 算评价、自重应力 计算时是常用的参 数
g—重力加速度，工程计算时一般取10m/s2。
3、岩石的颗粒密度 岩石的颗粒密度（ s）是指岩石固体物质的质量与固体
的体积之比，即
s
ms Vs
g / cm
3
岩石颗粒密度只 取决于矿物成分。
Vs—颗粒体积； ms—颗粒质量
（一）岩石的质量与重量指标——密度与重度
1、天然密度（） 岩石在天然条件下单位体积的质量，即
岩石天然密度越大， 其工程性质越好。影 响因素是矿物成分、 孔隙与微裂隙发育程 度以及含水量。
V—岩石试件的总体积； m—岩石试件的总质量
m V
g / cm
3
测定方法有量积法、水中称重法、蜡封法等，试件数量不少于5个 2、饱和密度（ sat） 岩石中空隙全部被水充填时单位体积的质量，即
量(mw1)与岩样干质量(ms)之比，即
Wa
大开空隙 率与吸水 率的关系
mw 1 100 % ms
VVb dWa nb 100% dWa V w
2、饱和吸水率(Wsat) 岩石试件在煮沸、高压(一般压力为15MPa)或真空条 件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，即
kv
0.2~0.4 0.4~0.6 0.6~0.8 0.8~0.9
kf
<0.4 0.4~0.8 0.8~0.9
未风化
>5000
0.9~1.0
0.9~1.0
《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）
硬质岩石风化风化程度野外描述
硬质岩石风化风化程度野外描述
四、岩块的工程分类
密度和重度在进行 岩体工程稳定性计 算评价、自重应力 计算时是常用的参 数
g—重力加速度，工程计算时一般取10m/s2。
3、岩石的颗粒密度 岩石的颗粒密度（ s）是指岩石固体物质的质量与固体
的体积之比，即
s
ms Vs
g / cm
3
岩石颗粒密度只 取决于矿物成分。
Vs—颗粒体积； ms—颗粒质量
（一）岩石的质量与重量指标——密度与重度
1、天然密度（） 岩石在天然条件下单位体积的质量，即
岩石天然密度越大， 其工程性质越好。影 响因素是矿物成分、 孔隙与微裂隙发育程 度以及含水量。
V—岩石试件的总体积； m—岩石试件的总质量
m V
g / cm
3
测定方法有量积法、水中称重法、蜡封法等，试件数量不少于5个 2、饱和密度（ sat） 岩石中空隙全部被水充填时单位体积的质量，即
量(mw1)与岩样干质量(ms)之比，即
Wa
大开空隙 率与吸水 率的关系
mw 1 100 % ms
VVb dWa nb 100% dWa V w
2、饱和吸水率(Wsat) 岩石试件在煮沸、高压(一般压力为15MPa)或真空条 件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，即
kv
0.2~0.4 0.4~0.6 0.6~0.8 0.8~0.9
kf
<0.4 0.4~0.8 0.8~0.9
未风化
>5000
0.9~1.0
0.9~1.0
《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）
硬质岩石风化风化程度野外描述
硬质岩石风化风化程度野外描述
四、岩块的工程分类
岩石的物理力学性质讲解
4、岩石的崩解性
式中：
Id2
mr md
W2 W0 100% W1 W0
Id2 ——两次循环试验求得的耐崩解指数，在0～100% 之间变化；
md——试验前试块的烘干质量； mr——残留在圆筒内试块的烘干质量； W1 ——试验前试件和圆筒的烘干重量； W2——第二次循环后试件和圆筒的烘干重量； W0——试验结束冲洗干净后圆筒的烘干重量。
2、干密度（ρ d）和干重度(γ d )
干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积 岩石的质量，相应的重度即为干重度。
d
Ws V
d d g
（g/cm3） (kN /m3)
式中：Ws——岩石试件烘干后的质量(g)； V——岩石试件的体积(cm3)；
g——重力加速度。
3、饱和密度（ρ ）和饱和重度(γw)
E切＝
a a
2 2
a1 a1
割线模量：
是曲线上某一点与坐 标原点连线的斜率。
E割
工程上常用E50 ：
E50
50 50
初始模量反映了岩石中微裂隙的多少。 切线模量反映了岩石的弹性变形特征 割线模量反映了岩石的总体变形特征。
c 具有粘性的弹性岩石
由于应变恢复 有滞后现象，即加 载和卸载曲线不重 合，加载曲线弹模 和卸载弹模也不一 样。P点加载弹模 取过P点的加载曲 线的切线斜率，P 点卸载弹模取过P 点的卸载曲线的切 线斜率。
nb
Vnb V
Ws V
Vnb Ws
Ws Vnb1 d1
V W1
w
式中：W s为干燥岩石的重量；γ d,γ w分别为干燥岩石和水的重度。
（2）岩石的饱水率（ω2）
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一、结构面的法向变形 1、结构面弹性变形
①结构面的接触是点接触，接触点为边长为h的正方形，接触 点有n个； ②每个接触点所受的力是相等的； ③每个接触点的力学特性是相同的。
点接触荷载表面平均位移：
m1 Q 2 m d212
EA
nEh2
弹性位移， 作用于结构面上的均布载荷;
m与接触面形状有关的系数，当接触面为圆形，m0.96
3、充填结构面抗剪强度
当结构面中充填有某种软弱物质时，随着充填厚度的增大， 结构面的抗剪强度显著下降，一旦充填物厚度超过结构面表面 起伏幅值时，则结构面抗剪强度由充填物的厚度缩控制。
第四节 结构面的力学效应
一、单结构面力学效应
1 2121 213co 2 s
1213sin2
结构面抗剪强度符合库仑准则：
描述结构面密集程度的基本概念
裂隙度:沿测线方向单位长度所穿过的结构面数量。
Kn L
dL n
n：节理数；L：测线长度 d ：节理平均间距
当岩体中存在多组节理时，此时裂隙度K为各组节理裂隙度之
和
KK aK b K n
切割度:表示岩体被结构面切割的程度。
Xe
a A
a：结构面面积；A：假想断面面积
当岩体中存在多组结构面时，此时切割度为：
结构面抗剪强度与与结构面位置关系：
1
3
0 j 45 j 90
2
例2-1 某岩石边坡由闪长岩组成，其抗剪强度指标 C40k0g/cm2,
30 , 边坡内有一结构面。结构面强度性质 Cj 20k0 g /cm 2,j 20,
结构面倾角 45,为防止下滑，而采取加固措施，使边坡获得侧 向应力 310k0g/cm2。求边坡极限抗压强度；如果结构面倾角为30 度，求极限抗压强度是增大还是减小？
岩石力学---第二章 岩体的力学性质
二、结构面的分类
①按工程尺寸的分类
结构面的绝对分类
结构面的相对分类
②按力学观点的分类
三、结构面的状态
结构面的产状、形态、延展尺度、密集程度以及结构面的 接触类型、胶结、充填情况是影响岩体强度和稳定性的重要因 素。
①结构面的产状：对岩体是否沿着某一结构面滑动其控制作用。 ②结构面的形态：决定岩体沿结构面滑动时抗滑力的大小。 ③结构面的延展尺度：决定岩体的强度。 ④结构面的密集程度：决定了岩体的被切割程度，极大影响着 岩体的强度。 ⑤结构面的胶结与充填情况：对岩体的强度有很大影响。
二、多结构面力学效应
D
A
C
c j1
j2
j1
c j2
0
B
3
O1 1
三、内聚力为零时的结构面力学效应
1 31 2 tC gjj c t g t jg s3i2 n 1 tg
3 tg j
作业：某岩块强度符合库仑准则，C=5MPa，Φ=30°， 如果围压为10MPa，求极限抗压强度。若此时岩块内 有一节理面，该节理C=0，Φ=30°，当该节理面与水 平面的夹角为30°和75°时，问岩块和节理面是否破坏？ 若破坏，求破坏面位置。
当接触面为方形，m0.95, m随长宽比的增大而减小。
d 结构面边长，h 接触点边长; n接触点个数;
通常认为，当结构面闭合时，其弹性变形量为： 0 2
0
2md212
nEh
沃尔多夫认为，m 120.9,
故有： 0
1.8d 2
nEh
2、结构面的闭合变形
古德曼假定： ①结构面是张开的，张开的结构面没有强度； ②结构面间的压缩量有限。
胶结物厚度对岩体对强度的影响：
薄膜充填：充填物为极薄的一层矿物薄膜，强度较低。 断续充填：充填物不连续，厚度小于结构面起伏度。结构面强 度受两侧岩性及结构面形态控制。 连续充填：充填物连续，厚度略大于结构面起伏度。结构面强 度受充填物强度控制。 厚层充填：充填物厚度大，在岩体中形成软弱带。
第二节 结构面的变形特征
Xe
a1a2an A
不同切割度对应岩体的贯通类型：
⑤结构面的接触类型、胶结与充填情况对岩体对强度的影响：
胶结物成分对岩体对强度的影响：
泥质胶结：强度最低，在脱水情况具有一定强度，遇水发生泥 化和软化，强度显著降低。 可溶盐类胶结：干燥时具有一定强度，遇水溶解，强度降低。 钙质胶结：强度较高，且不受水的影响，但在酸性水作用下， 强度降低。 铁质胶结：强度较高，但易风化，力学性能不稳定。 硅质胶结：强度高，力学性能稳定。
tgj Cj
沿结构面破坏力学条件：
1 31 2 tC gjj c t g t jg s3i2 n
当：
2
j
1
j
2
13 2
Cjctgj
13
2
sinj
sin21j
Cj
1
2
2
j
j
0
P
3
Q
2 2
O1
2 1
1
12 j 1 2 ar c1 s3 i n 2 1 C jc 3tjg sijn
第五节 岩体的变形
一、岩体的应力应变曲线
r 残余内摩擦角
若结构面间有水存在：
C u t g
u 结构面间水压
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
内摩擦角p（ 或r）
C内聚力C（ p或0）
二、粗糙结构面的抗剪强度
抗剪强度
N
T
T
t g bi
N
b 基本摩擦角， i 结构面爬坡角
粗糙结构面抗剪强度理想曲线
B
A
视内聚力 C
i b
0
T
C T tg b i tg b
2 9 0 2 j 1 2 ar c 1 s3 i2 1 n C jc 3t js g ij n
当结构面与结构面抗剪强度曲线相切时：
tg2ctgj
j
42
Cj
j 0 3
2
O1 1
111ssiinnjj 321Cjscionjsj
或
13
2Cj 3tgj 1tg2j tgj
3、结构面剪切变形理想化模型
A抗剪强度
BC
残余抗剪强度
0
u
①起始弹性段 ②应力降低段 ③残余变形段（塑性段）
高
高
低
0
u
恒刚度抗剪强度曲线
低
0
u
恒位移抗剪强度曲线
第三节 结构面的抗剪强度
一、平直结构面的抗剪强度 峰值抗剪强度
Cptgp 残余抗剪强度
C p 峰值内聚力， p 峰值内摩擦角
r tgr
1
Vmc V
V
当：At 1
AVmcVVt
VVmc
VVmc Vmc 1
结构面的配称与非配称试验：
二、结构面的剪切变形 1、结构面粗糙、无充填物的剪切变形(a)： 2、结构面含有较厚充填物的剪切变形(b)：
a
b
0
u
充填物湿度对结构面抗剪强度曲线影响很大。当充填物干燥时， 曲线b会向曲线a过渡。
①结构面的接触是点接触，接触点为边长为h的正方形，接触 点有n个； ②每个接触点所受的力是相等的； ③每个接触点的力学特性是相同的。
点接触荷载表面平均位移：
m1 Q 2 m d212
EA
nEh2
弹性位移， 作用于结构面上的均布载荷;
m与接触面形状有关的系数，当接触面为圆形，m0.96
3、充填结构面抗剪强度
当结构面中充填有某种软弱物质时，随着充填厚度的增大， 结构面的抗剪强度显著下降，一旦充填物厚度超过结构面表面 起伏幅值时，则结构面抗剪强度由充填物的厚度缩控制。
第四节 结构面的力学效应
一、单结构面力学效应
1 2121 213co 2 s
1213sin2
结构面抗剪强度符合库仑准则：
描述结构面密集程度的基本概念
裂隙度:沿测线方向单位长度所穿过的结构面数量。
Kn L
dL n
n：节理数；L：测线长度 d ：节理平均间距
当岩体中存在多组节理时，此时裂隙度K为各组节理裂隙度之
和
KK aK b K n
切割度:表示岩体被结构面切割的程度。
Xe
a A
a：结构面面积；A：假想断面面积
当岩体中存在多组结构面时，此时切割度为：
结构面抗剪强度与与结构面位置关系：
1
3
0 j 45 j 90
2
例2-1 某岩石边坡由闪长岩组成，其抗剪强度指标 C40k0g/cm2,
30 , 边坡内有一结构面。结构面强度性质 Cj 20k0 g /cm 2,j 20,
结构面倾角 45,为防止下滑，而采取加固措施，使边坡获得侧 向应力 310k0g/cm2。求边坡极限抗压强度；如果结构面倾角为30 度，求极限抗压强度是增大还是减小？
岩石力学---第二章 岩体的力学性质
二、结构面的分类
①按工程尺寸的分类
结构面的绝对分类
结构面的相对分类
②按力学观点的分类
三、结构面的状态
结构面的产状、形态、延展尺度、密集程度以及结构面的 接触类型、胶结、充填情况是影响岩体强度和稳定性的重要因 素。
①结构面的产状：对岩体是否沿着某一结构面滑动其控制作用。 ②结构面的形态：决定岩体沿结构面滑动时抗滑力的大小。 ③结构面的延展尺度：决定岩体的强度。 ④结构面的密集程度：决定了岩体的被切割程度，极大影响着 岩体的强度。 ⑤结构面的胶结与充填情况：对岩体的强度有很大影响。
二、多结构面力学效应
D
A
C
c j1
j2
j1
c j2
0
B
3
O1 1
三、内聚力为零时的结构面力学效应
1 31 2 tC gjj c t g t jg s3i2 n 1 tg
3 tg j
作业：某岩块强度符合库仑准则，C=5MPa，Φ=30°， 如果围压为10MPa，求极限抗压强度。若此时岩块内 有一节理面，该节理C=0，Φ=30°，当该节理面与水 平面的夹角为30°和75°时，问岩块和节理面是否破坏？ 若破坏，求破坏面位置。
当接触面为方形，m0.95, m随长宽比的增大而减小。
d 结构面边长，h 接触点边长; n接触点个数;
通常认为，当结构面闭合时，其弹性变形量为： 0 2
0
2md212
nEh
沃尔多夫认为，m 120.9,
故有： 0
1.8d 2
nEh
2、结构面的闭合变形
古德曼假定： ①结构面是张开的，张开的结构面没有强度； ②结构面间的压缩量有限。
胶结物厚度对岩体对强度的影响：
薄膜充填：充填物为极薄的一层矿物薄膜，强度较低。 断续充填：充填物不连续，厚度小于结构面起伏度。结构面强 度受两侧岩性及结构面形态控制。 连续充填：充填物连续，厚度略大于结构面起伏度。结构面强 度受充填物强度控制。 厚层充填：充填物厚度大，在岩体中形成软弱带。
第二节 结构面的变形特征
Xe
a1a2an A
不同切割度对应岩体的贯通类型：
⑤结构面的接触类型、胶结与充填情况对岩体对强度的影响：
胶结物成分对岩体对强度的影响：
泥质胶结：强度最低，在脱水情况具有一定强度，遇水发生泥 化和软化，强度显著降低。 可溶盐类胶结：干燥时具有一定强度，遇水溶解，强度降低。 钙质胶结：强度较高，且不受水的影响，但在酸性水作用下， 强度降低。 铁质胶结：强度较高，但易风化，力学性能不稳定。 硅质胶结：强度高，力学性能稳定。
tgj Cj
沿结构面破坏力学条件：
1 31 2 tC gjj c t g t jg s3i2 n
当：
2
j
1
j
2
13 2
Cjctgj
13
2
sinj
sin21j
Cj
1
2
2
j
j
0
P
3
Q
2 2
O1
2 1
1
12 j 1 2 ar c1 s3 i n 2 1 C jc 3tjg sijn
第五节 岩体的变形
一、岩体的应力应变曲线
r 残余内摩擦角
若结构面间有水存在：
C u t g
u 结构面间水压
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
内摩擦角p（ 或r）
C内聚力C（ p或0）
二、粗糙结构面的抗剪强度
抗剪强度
N
T
T
t g bi
N
b 基本摩擦角， i 结构面爬坡角
粗糙结构面抗剪强度理想曲线
B
A
视内聚力 C
i b
0
T
C T tg b i tg b
2 9 0 2 j 1 2 ar c 1 s3 i2 1 n C jc 3t js g ij n
当结构面与结构面抗剪强度曲线相切时：
tg2ctgj
j
42
Cj
j 0 3
2
O1 1
111ssiinnjj 321Cjscionjsj
或
13
2Cj 3tgj 1tg2j tgj
3、结构面剪切变形理想化模型
A抗剪强度
BC
残余抗剪强度
0
u
①起始弹性段 ②应力降低段 ③残余变形段（塑性段）
高
高
低
0
u
恒刚度抗剪强度曲线
低
0
u
恒位移抗剪强度曲线
第三节 结构面的抗剪强度
一、平直结构面的抗剪强度 峰值抗剪强度
Cptgp 残余抗剪强度
C p 峰值内聚力， p 峰值内摩擦角
r tgr
1
Vmc V
V
当：At 1
AVmcVVt
VVmc
VVmc Vmc 1
结构面的配称与非配称试验：
二、结构面的剪切变形 1、结构面粗糙、无充填物的剪切变形(a)： 2、结构面含有较厚充填物的剪切变形(b)：
a
b
0
u
充填物湿度对结构面抗剪强度曲线影响很大。当充填物干燥时， 曲线b会向曲线a过渡。