岩体结构面力学性质与岩体强度研究
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。
高等岩石力学-3结构面+岩体的力学特性
3.2 岩体空隙的结构类型 D 按岩体结构面的连续性 连续介质 等效连续介质 非连续介质
3.3 岩体的渗流问题
A.岩体的渗透性 B.岩体的渗透率 C.岩体的渗透系数 D.岩体的渗透张量和渗透张量场 E.渗透系数张量和渗透系数张量场
3.3 岩体的渗流问题 A.岩体的渗透性
B.岩体的渗透率
3.3 岩体的渗流问题
2.3 结构面的强度效应 b 岩体强度与结构面倾角的关系
岩石块体：
结构面：
2.3 结构面的强度效应
1
3
3 0
岩体强度受加载方 向与结构面夹角θ的控 制，因此，表现出岩 体强度的各向异性。
2.3 结构面的强度效应
1
3
2.3 结构面的强度效应 岩体强度的各向异性－－单一结构面：
B 化学作用
离子交换 溶解作用和溶蚀作用 水化作用 水解作用 氧化还原作用
2.3 剪切刚度
2.4 结构面剪切凸台力学模型
对于凹凸不平的结构面，可简化成下图所示的结构面剪切 凸台力学模型，其剪切结构面上有一凸台，模型上半部作用 有剪切力S和法向力N，模型下半部固定不动。在剪应力作用 下，模型上半部将沿凸台斜面滑动，除有切向运动外，还将 产生向上的移动．把这种剪切过程中产生的法向移动分量称 之为剪胀。在剪切变形过程中，由于剪应力与法向应力的复 合作用，可使凸台剪断或拉断，此时剪胀现象消失；当法向 应力较大或结构面 剪应力持续增加， 最终将使凸台沿 根部剪断或拉断。
3.2 Barton的结构面抗剪强度公式
JRC取值：
右 图 为 Barton 和 Choubey给出的10 种典型剖面及其 JRC取值
计算公式：
JRC p b
岩体力学结构面的变形与强度性质
各种结构面抗剪强度指标的变化范围
结构面剪切刚度直剪试验结果
五、粗糙起伏无充填的结构面的强度特征
充填粘土的断层，岩壁风化 15
5
33
0
充填粘土的断层，岩壁轻微 18
8
风化
新鲜花岗片麻岩不连续结构 20
10ห้องสมุดไป่ตู้
面
玄武岩与角砾岩接触面
20
8
37
0
40
0
45
0
致密玄武岩水平不连续结构 20
7
面
玄武岩张开节理面
20
8
38
0
45
0
玄武岩不连续面
12.7
4.5
0
结构面法向刚度直剪试验结果
岩 组
绢 英 岩
绢英 化花 岗岩
（一）规则锯齿形结构面
1. 当法向应力较低时 I 单个凸起体滑移面上的应力：
剪胀效应：结构面在剪切过程中,由 于起伏度的存在,结构面的摩擦角由 b 增大到( b + i ) 的现象。
剪胀：结构面在剪切过程中产生的 法向位移分量的现象。原因在于在 剪应力作用下,沿凸起的滑移,除产生 切向位移外,还产生沿向上的移动。
经验估算结构面特征法向刚度knmpacm剪切刚度ksmpacm抗剪强度参数摩擦角粘聚力cmpa充填粘土的断层岩壁风化15充填粘土的断层岩壁轻微风化18201040玄武岩与角砾岩接触面20玄武岩张开节理面20玄武岩不连续面12745结构类型未浸水抗剪强度浸水抗剪强度24mpa摩擦角cmpa摩擦角cmpa法向刚度kn1mpacm剪切刚度ks1mpacm平直粗糙有陡坎4041015020363801401643526290起伏不平粗糙有4244020027383901702334824199波状起伏粗糙3940012015363701101322544667平直粗糙3839007011353600800922462246平直粗糙有陡坎404202503538390260304213648108起伏大粗糙有陡坎43480350504041030043357867113波状起伏粗糙3940015023373801302738583863平直粗糙38400090153637008013211434558平直粗糙有陡坎404503004438410300341114772112起伏大粗糙有陡坎444803505540440360446116959120波状起伏粗糙4041025035384102103070844884平直粗糙3941015020374001501751904665结构面法向刚度直剪试验结果二剪切变形性质剪切应力剪切位移法向应力结构面剪切试验示意图结构面剪切位移剪切应力曲线峰值剪切强度残余剪切强度剪切位移一剪切变形特征二剪切变形本构方程卡尔哈韦kalhaway方程通过大量试验发现峰值前的剪应力剪位移曲线可用双曲线拟合三剪切刚度及其确定方法定义
岩体力学特性及其参数确定
岩体的力学特性
岩石的力学特性是通过实验室的三轴压缩试验获得的，实验室三轴压缩 试验可分为常规试验和真三轴试验，其中常规三轴试验是在径向压力(围 压)σr(σr=σ2=σ3)不变的情况下，增加轴向压力σ1直到岩石试件破坏，得 到某一围压作用下的应力-应变曲线，通过改变围压大小，得到一组不同围 压作用下的全应力-应变曲线。而真三轴压缩试验是在不同的侧压作用下， 即σ2≠σ3时，获得的全应力一应变曲线。
岩体力学参数的合理确定
一、描述岩体力学特性的参数
根据库仑准则τ=C+σtan，τ是C和tan的线性函数，可以通过弱化C 和 tan 来描述岩石的峰后软化特性。根据实验室试验，假设C和tan服从软化 规律：
式中 rp——广义塑性应变偏量， εijp——塑性应变偏量。
令
，则上式变为：
岩体力学参数的合理确定
基于Hoek- Brown强度准则的岩体力学参数确定方法
基于Hoek- Brown强度准则的岩体力学参数确定方法
式中,σ1、σ3 分别为岩体破坏时的最大和最小主应力; σc i为岩石的单轴 抗压强度; mb 是完整岩石岩性系数mi 的消减值, 具体取值由式( 2)确定; s 和a 与岩体特性有关的材料常数, 取值为0~ 1, 对完整岩石, s= 1, s和a 的取值由式( 3)和式( 4)分别确定。
rc、r、bc、b均为围压的函数。
岩体力学参数的合理确定
二、确定岩体的体积模量K和剪切模量G 杨氏模量E和泊松比μ是表征材料力学属性的两个重要参数。但在一些情况下， E和μ并不能十分有效地反映材料的力学行为，如变形等。因此在一些数值模拟 软件中(如FLAC和UDEC)，一般采用体积模量K和剪切模量G。K和G均由杨氏 模量E和泊松比μ转化而来，它们的关系如下：
3- 结构面与岩体力学性质
岩石力学第3章结构面与岩体力学性质提纲3结构面与岩体力学性质结构面自然特征与参数采集1结构面力学性质2岩体强度特性3岩体变形特性4岩体水力学性质5结构面自然特征与参数采集概述结构面的自然特征第一部分结构面的参数采集1概述倾角和倾向结构面组结构面间距结构面张开度钻孔或测线结构面迹长粗糙结构面岩块结构面组充填物渗流岩桥结构面的自然特征示意图自然特征表征参数或描述空间分布特征产状走向、倾向、倾角密度线密度、体密度、间距连续性贯通程度、线连续性系数、面连续性系数、迹长形态起伏度、粗糙度、起伏差、起伏角张开度闭合、裂开、张开充填与胶结未充填或硅质、铁质、钙质、泥质充填等结构面的自然特征，是决定岩体强度和变形的重要因素，因此，准确识别结构面的自然特征并对其参数进行采集分析，是岩体力学特性分析的重要基础工作。
结构面的自然特征x AβAO vzy x y A z Aα(N)(E)αβ①定义：结构面产状是指结构面的空间方位，通常假设结构面为平面，用走向、倾向和倾角表示其产状，如右图所示。
结构面产状示意图②走向：结构面与水平面交线的方向。
③倾向线与倾向：结构面上与走向线垂直并指向结构面下方的直线称为倾向线，倾向线在水平面上投影的方向为倾向，通常以β指代。
④倾角：结构面与水平面的夹角，通常以α指代。
⑤结构面单位法向量：空间坐标系中，规定z 轴竖直向上，x 轴为正东，y 轴为正北，则结构面的单位法向量v 可表示为：(sin sin sin cos cos )αβαβα=，，v （1）产状。
①定义：结构面密度是反映结构面发育密集程度的指标，常用线密度、体密度、间距等指标表征。
如右图所示。
结构面线密度计算示意图lLα1结构面迹线测线②线密度：结构面线密度K ，指同组结构面沿其迹线的垂直方向，单位长度上结构面的数目，其计算式为:注意：若岩体中存在数组结构面(a ,b , …)，则测线上的线密度为各组线密度之和：若测线不能沿结构面迹线的垂直方向布置，当测线与结构面迹线夹角为α1，实际测线长度为L 时，根据右图有:a b K K K =++⋅⋅⋅1/sin K n L α=（）（2）密度/K n l =。
岩体软弱结构面倾角对岩体强度的影响研究
岩体软弱结构面倾角对岩体强度的影响研究岩体当中经常会有软弱结构面存在，不同的软弱结构面倾角会对岩体的强度产生重要而直接的影响，进而影响工程结构的安全与稳定。
文章对常用研究方法进行了对比分析，通过模型试验的方法对岩体软弱结构面的不同倾角对岩体的强度进行了研究，根据试验结果总结规律，并对工程建设当中如何减少或者消除软弱结构面倾角对岩体强度的影响提出了建议。
标签：岩体；软弱结构面；倾角；模型试验一、前言工程建设中经常会遇到不同的岩体，这些岩体都可以视为由结构体和结构面组成。
结构体指岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体，结构面是指存在于岩体中的各种不同成因、不同特征的地质构造界面，比如层理、解理、节理、断层等，强度较低的结构面称为软弱结构面。
结构面对岩体的强度等工程性质有非常不利的影响，特别是软弱结构面的存在，将使岩体的强度显著降低，对岩体的不利影响尤其巨大，进而影响到工程结构的安全与稳定。
软弱结构面的组数、密度、长度、走向、倾向和倾角都会对岩体的强度产生重要影响，软弱结构面的倾角对岩体强度具有明显的影响。
对于边坡工程，当岩体软弱结构面的倾角大于边坡倾角时，边坡极易发生顺层滑坡，影响建设工程的安全与稳定。
因此，在国家标准《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）中对岩质边坡的破坏形式和岩质边坡岩体稳定性分类时，都特别考虑了软弱结构面对岩体强度的影响。
对于基础工程，软弱结构面倾角将直接影响岩体的强度和破坏形式，比如，当软弱结构面倾角成90°时，如果软弱结构面宽度较窄，其对地基岩体的不利影响将很小，而当软弱结构面倾角为45°时，岩质地基容易产生滑移剪切破坏。
在地下工程中，由于洞室的开挖将增加地下岩体的临空面，进而改变软弱结构面的受力状态，洞室围岩很容易因为软弱结构面自身的软弱和倾角的不利影响而导致塌方。
从以上分析可以看出，软弱结构面倾角对岩体强度具有重要影响，进而对工程岩体的工程性质产生不利影响。
岩体力学第五章 结构面的变形与强度性质
Δ Ｖｔ
Δ Ｖｒ
Δ Ｖｊ
应力-变形关系曲线
A B
应力-变形关系曲线特征
• 开始时随着法向应力增加， 结构面闭合变形迅速增长。当σ ｎ增到一定值时，σ ｎΔ Ｖｔ曲线变陡，并与σ ｎ-Δ Ｖｒ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Δ Ｖｊ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Δ Ｖｔ主要由结构 面闭合造成。试验表明，当σ ｎ＝１ＭＰａ时， Δ Ｖｔ ／ Δ Ｖｒ可达５～３０，说明Δ Ｖj占了很大一部分。 • 法向应力σ ｎ大约从σ ｃ/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
（2）经验估算
由Bandis 方程估算
n
V j
K niVm V j Vm V j
K niVm n
nVm
Kn
n K ni ( V j ) (1 V j Vm ) 2
Kn
K ni n 1 K niVm n
n
当 n 时, V j Vm b a Vm
K ni n V j 1 a (1 b aV j ) 2 V j 0 1 a V j 0
a 1 K ni
n
K niVm V j 较适合于未经滑错位移的嵌 Vm V j
第五章 结构面的变形与强度性质
岩体中存在大量断层、节理等结构面，它是工程岩体区别 于深部岩体和其它工程材料的显著标志之一。在工程实践 中，我们发现工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿着松 软结构面破坏的，因此，结构面的存在不仅影响岩体的变 形与强度性质，而且还控制着岩体的变形与破坏机理。所 以，结构面力学性质的研究是岩体力学研究中的重要内容 之一。
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岩体结构面力学性质与岩体强度研究综述摘要：根据野外工程地质调查对工程岩体质量进行评析，在此基础上，运用hoek–brown准则求解工程岩体强度。
并根据岩块的咬合状态及这些块体的表面特征，提出了节理岩体强度的确定方法，
关键词: 岩体结构面；力学性质；岩体强度；
中图分类号：k826.16 文献标识码：a 文章编号：
岩体中存在着纵横交错的各类地质结构面，在力学上则表现为存在着不连续面、弱面或软弱夹层，这些结构面对岩体强度和岩体工程的稳定性起着重要的控制作用。
因此结构面的力学性质和岩体的强度是息息相关的。
1 结构面的力学性质
岩体结构面(structural plane)是指岩体内开裂的和易开裂的面，如层理、节理、断层、片理等，又称不连续面。
岩体结构面力学特征的研究与岩石力学的发展息息相关。
因为工程岩体之所以失稳，影响因素很多，但最关键的问题在于岩体内存在着一些软弱结构面。
目前普遍采用统计分析的方法，找出其分布规律，并应用到工程稳定性分析中。
1.1 结构面抗剪强度
结构面的抗剪强度是表征岩体的结构面力学性质的重要指标，作为表征结构面力学性质的重要指标之一，通常在现场或实验室内
测定。
对于起伏较大的粗糙结构面，按barton公式计算时，jrc值往往是根据结构面产状与标准轮廓线(isrm轮廓线)对比来确定的，由于视觉上的判断易造成较大的误差，国内外学者经过大量的研究，采用各种测量仪表观测和计算机处理。
如barr等人使用粗糙位形标测仪和数字化坐标记录仪测定，得出标准曲线jrc值和分维值d的关系，应用分形理论从一个崭新的角度描述了节理粗糙系数jrc和jrc尺寸效应的特征。
1.2 结构面的变形
关于岩体不连续结构面的变形分析问题，自20世纪60年代初期开始至今已经建立了许多不同层次上的离散模型和数值方法。
以有限单元法为基础，并引入能反映岩体结构不连续性特征的模型以弥补有限元关于不连续性处理的不足，如结合单元法，节理单元法，desai等提出的薄层单元法以及用于模拟多节理岩体的等效连续体模型和损伤模型等。
结合单元法、节理单元法和薄层单元法都是在连续介质的有限元法框架内，引入特殊的界面单元或简单的力学元件以试图反映不连续性．三种方法作为解决不连续变形问题的第一步突破，且便于实施，在工程中得到了较为广泛的应用．
为了突破连续介质计算模型的框架，第二类模型近年来获得了快速发展，并已在固体力学、岩土力学、散体运输、材料、矿冶等多学科中引起广泛关注，其中比较有代表性的方法有离散单元法、刚体一弹簧元模型、非连续变形分析模型等。
2 岩体强度特性的研究
2.1 岩体的强度准则
岩体强度准则的研究已有数十年的历史，到目前为止提出过各种各样的岩体强度准则，但它们大都有一定的适用范围。
强度准则可分为：一类是以力学为基础,通过严谨的数学方法推导得出,称之为“理论强度准则”；一类是以试验为主要研究手段,近似描述岩体的破坏机理,称之为“经验强度准则”。
2.1.1理论强度准则
目前应用于岩石的理论强度准则比较多,如mohr - coulomb 准则、drucker - prager 准则等。
mohr—coulomb强度准则虽然表达式简单、便于工程应用，但却不能描述其中的中间主应力效应和区间效应问题。
鉴于上述原因，又有许多其他类型的强度准则相继被提出，如双剪类准则、三剪类准则等，其中，俞茂宏提出的双剪统一系列强度准则无论在对岩士类介质的强度特征和本构关系的描述上，还是在强度理论体系的完备性上均有较大突破，目前已形成了较为完整和系统的双剪强度理论体系。
节理裂隙岩体的强度研究很早就引起了国内外岩石力学界的普遍重视,jaeger (1960) 对含一组结构面的各向异性岩体,假定岩块与结构面的破坏都满足经典的线性mohr - coulomb 准则,得到含单一结构面岩体的破坏特征是受结构面的方位控制的结论,并推导出相应的理论公式,提出了著名的“单弱面理论”。
2.1.2 经验强度理论
节理岩体是一个复杂系统,其强度的确定需综合考虑岩体结构、岩块强度、节理状况及赋存环境等诸多因素。
因此,应用理论强度准则去揭示复杂节理岩体的强度特性有时变得不现实,那么如何正确预测岩体的强度成为岩石工程建设中必须面临的一个关键问题。
kalamaras提出了一个依据rmr 岩体分类指标,估算折减系数的经验公式；arildpalmstrom 指出节理岩体的强度主要受岩体中结构面的蚀变程度、粗糙度、连续性好坏以及岩块平均体积大小的影响,并用一个节理状态参数(jp) 定量地表示这种影响程度；1980年e·hoek和e·t-brown提出了国际著名的狭义的hoek—brown经验强度准则，1992年e-hoek针对1980年提出的强度准则的不足，提出了狭义hoek—brown经验强度准则的修改式—广义hoek—brown 经验强度准则，并且给出了各类岩体经验参数值。
hoek—brown经验强度准则在提出后短短的20年内，通过弥补mohr—coulomb 强度准则的不足，正视岩体的固有特点和非线性破坏特征，而成为岩体力学中重要的强度理论。
目前，hoek—brown经验强度准则已在国内外地质工程和岩土工程领域得到广泛应用。
2.2 工程岩体强度确定方法
2.2.1 经验类比法
该方法主要是根据现场工程地质条件和室内力学实验结果，结合大量相关已建工程实例综合确定岩体强度的一种方法。
2.2.2 岩体质量评分体系方法
该方法是根据野外工程地质调查对工程岩体质量进行评分，在
此基础上，运用hoek–brown 准则求解工程岩体强度的一种方法。
对于地面开挖工程，几乎所有的分析方法都离不开对岩体强度和变形进行可靠的评价。
hoek-brown根据岩块的咬合状态及这些块体的表面特征，提出了节理岩体强度的确定方法，1973 年bieniawski 在考虑影响岩体质量的5 个因素的基础上提出岩体质量分类的
rmr[1]体系，1988年hoek 和brown 给出了岩石材料系数与rmr 指标之间的修正关系，并提出反算岩体综合抗剪强度的经验公式。
hoek 和brown 认为，当岩体具有4 组或更多组节理面时，可根据对岩体质量综合、定量的评分来确定岩体的抗剪强度指标。
2.2.3 连通率方法
存在于自然界中的岩体，通常都包含有大量呈随机分布的节理面。
当岩体受剪破坏时，滑裂面一部分通过这些节理面，一部分通过这些节理面之间的完整岩石通称“岩桥”，确定由节理和岩桥共同提供的岩体综合抗剪强度，始终是工程界广泛关注的问题。
与这个问题密切相关的，就是确定节理岩体连通率的问题。
由于岩体中节理面的分布情况极为复杂，早期的研究认为确定连通率几乎是不可能的。
现阶段，工程界普遍采用的方法是根据平洞露头面上节理的出露状况或编录资料，采用简单的几何投影方法来确定，没有真正考虑节理岩体复杂的结构形态以及岩桥和节理组合破坏的内在
机制。
近年来，随着计算机科学的发展，在岩石力学领域内，逐渐形成了一门应用蒙特卡洛法产生节理岩体的模拟网络图像，进而在此模拟网络上研究其力学特性的学科，为合理的确定节理岩体的连
通率以及估算节理岩体的综合抗剪强度提供了有力的工具，将逐步逼近该信息的真实值。
参考文献
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