第4章岩体基本力学性能
《岩体的基本力学质》课件
岩体作为地基：提 供稳定的支撑和承 载力
岩体作为挡土墙： 防止土体滑坡和坍 塌
岩体作为隧道：提 供交通和能源运输 通道
岩体作为水库：提 供水资源和防洪功 能
岩体在水利工程中的应用
岩体作为水库 大坝的基础， 具有很高的承
载能力
岩体可以作为 地下水储存和 输送的通道， 如地下水库、 地下输水隧道
等
岩体可以作为 水力发电站的 基础，如水电 站大坝、引水
岩体的强度性质
岩体的抗拉强度
岩体的抗拉强度是指岩体在受到拉应力作用下所能承受的最大应力值。 抗拉强度是衡量岩体稳定性的重要指标之一。 抗拉强度与岩体的矿物成分、结构、孔隙率等因素有关。 抗拉强度可以通过室内试验和现场测试来测定。
岩体的抗压强度
抗压强度是岩体最重要的力学性质 之一
抗压强度是评价岩体稳定性的重要 指标
岩体的变形性质
岩体的弹性变形
弹性变形：岩体在外力作用下产生 的可恢复变形
泊松比：衡量岩体横向变形与纵向 变形关系的指标
添加标题
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添加标题
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弹性模量：衡量岩体弹性变形能力 的指标
弹性变形的实验方法：单轴压缩试 验、三轴压缩试验等
岩体的塑性变形
岩体的塑性变形是指岩体在外力 作用下发生形变，但变形后仍能 保持其原有形状和强度的性质。
岩体的塑性变形可以分为弹性变 形和塑性变形两种类型。
弹性变形是指岩体在外力作用下 发生形变，但变形后能恢复其原 有形状和强度的性质。
塑性变形是指岩体在外力作用下 发生形变，但变形后不能恢复其 原有形状和强度的性质。
岩体的流变性
流变性：岩体在应力作用下的变形性质 流变类型：蠕变、松弛、应力松弛、应力松弛等 影响因素：温度、湿度、应力、时间等 流变规律：与时间、应力、温度等有关，具有非线性、非均匀性等特点 工程应用：岩体稳定性分析、隧道工程、边坡工程等
岩体的力学性质
完整性系数：<0.2
岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体 介质。
§4-2 岩体的强度
4.2.1 岩体强度特征
岩体的强度取决于结构面的强度和岩石的强度。
1、岩体的抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和岩石 强度包络线之间。
2、岩体强度的各向异性
岩体强度受加载方向与结构面夹角θ的控制，因此，表现出
评分值
15 10 7 4
>125
>0.5
0
（6）节理方位对RMR的修正值R6 方位对工程的影 响评价 很有利
隧道
0
地基
0
边坡
0
有利
一般 不利 很不利
－2
－5 －10 －12
－2
－7 －15 －25
－5
－25 －50
（7）节理走向与倾角对隧道掘进的影响
节理走向垂直于隧道轴线
顺倾向掘进
倾角
450～900
节理间距 （m） 评分值 >3 30 1~3 25 0.3~1 20 0.05~0.3 10 <0.05 5
（4）对于节理状态的岩体评分值R4 说明 尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁 略粗糙的表面、张开度<1mm，硬岩壁 评分值 25 20
略粗糙的表面、张开度<1mm，软岩壁
光滑表面；由断层泥充填厚度为1～5mm；张开度 1～5mm ，节理延伸超过数米
一、工程岩体分类的参考影响因素
1、岩石的质量。主要表现在岩石的强度和变形性质方面。
2、岩体的完整性。岩体完整性取决于不连续面的组数和密度。 可用结构面频率(裂隙度）、间距、岩心采取率、岩石质量指标 RQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。这些定量指标是 表征岩体工程性质的重要参数。
岩体力学第四章刘佑荣
三、岩体变形曲线类型及其特性
1、法向变形曲线
直线型 上凹形 上凸性 复合型
直 通过原点的直线，其方程为p=f(W)=KW
线 加压过程中W随p成正比增加
型
岩体岩性均今、结构面不发育或结构面分布均匀
陡
岩体刚度大，不易变形，岩体较坚硬、完整
直
、致密均匀、少裂隙，以弹性变形为主，接
线
近于均质弹性体。
型
岩体刚度低、易变形，由多组结构面切割且
· 在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。 一、岩体变形试验及其变形参数确定 二、岩体变形参数估算 三、岩体变形曲线类型及其特征上 四、影响岩体变形性质的因素3
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。
第i组结构面的断面平均流速矢量为
mj为水力梯度矢量J在第i组结构面上的单位矢量。 联立得
设裂隙面法线方向的单位矢量为ni，则
令ni的方向余弦a1i，a2i，a3i，并将4-61代入4-60得岩体得渗透张量
岩石渗透系数测试
压水实验
应力对岩体渗透性能的影响
片麻岩的渗透系数和与应力关系试验
孔隙水压力的变化，明显的改变了结构面 的张开度，以及流速和流体压力在结构面 中的分布
渗透水流所产生的力学性能
渗流对岩体的作用
水对岩体的物理化学作用
水对岩体的物理化学作用
（1）软化和泥化作用 （2）润滑作用 （3）溶蚀作用 （4）水化，水解作用
渗透水流所产生的力学效应
渗透应力 地下水的存在首先是减少了作用在岩体固相上的有效应力，从而降低了岩体的抗 剪强度 ，即
空隙水u增大，岩体的抗剪强度不断降低，如果u很大会出现
岩体的基本力学性能
从岩体的力学属性来看，可认为：
1）完整的岩体——连续介质力学范畴；
2）碎屑岩体或糜棱岩体——土力学范畴； 3）裂隙体或破裂体(节理岩体)——非连续性介质力学的范畴。
岩体不连续性，各向异性 结构面影响
反映区域性地质构造
降低岩体强度
岩体强度=岩块强度+节理强度
2 岩体结构面的分类
（1）按照工程的要求分类 （2）按照结构面的成因类型分类 （3）按照结构面的规模分类
Bandis 方法
1983在研究了大量试验曲线的基础上，提出如下的本构方程
n
V j a bV j
（3）
式中， a , b 为系数，为求 a , b 改写上式为
n
1 a V j b
（4）
1
n
，所以有
a b V j
b a Vm
（5）
当 n 时，则
V j Vm a b
(4) 岩体中的应力分布也受结构面及其力学性质的影响。
1、结构面的弹性变形
A 法向变形: 垂直于结构 面方向 结构面的变形 2、结构面的闭合变形
B 切向变形:平行于结构面方向
1、结构面的弹性变形
A. 当节理面为平滑时，则节理受力后，两侧壁接触吻合，这时呈面接触。 B. 当节理面为粗糙时，节理面两侧岩壁接触是部分接触，当受到外荷载 时，只在接触部分传荷载，同时，每一个接触面会产生压缩变形。 节理中接触面积的表面的弹性变形值为
d<6.5cm 按裂隙度分类
极破裂结构
疏节理 密节理 很密节理
K=0~1/m K=1~10/m K=10~100/m
ห้องสมุดไป่ตู้
K=100~1000/m 糜棱节理
岩体的力学性质
结构面：指地质过程中在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。
又称不连续面.结构面包括物质分异面和不连续面。
软弱结构面：结构面中规模较大，强度低，易变性的结构面。
结构体：被结构面切割成的岩石块体。
裂隙度K：是指沿取样线方向单位长度上的节理数量。
切割度Xe：指岩体被节理割裂分离的程度。
剪胀现象：规则齿状结构面在正应力很小的时将沿着齿面滑动，结构面张开，发生剪胀现象岩体的强度：指岩体抵抗外力破坏的能力，包括抗压强度和抗剪强度。
抗剪断强度：指正应力作用下岩体发生剪断破坏时的最大切应力。
摩擦强度：着正应力下岩体沿着既有破裂面发生剪切破坏时的最大切应力。
抗切强度：指剪切破坏面上的法向应力为零时的最大切应力。
岩体完整性系数：岩体与岩石中纵波传播速度的比值的平方。
岩体的动力学性质：指动荷载下岩体表现出的性质。
张节理：是岩体在张应力作用下形成的一系列裂隙的组合，一般粗糙，宽窄不一且延展性较差剪节理：指岩体在切应力作用下形成的一系列裂隙的组合，一般平直光滑，延展性相对比较好张性断层：由张应力或与张断层平行的压应力形成的断层。
压性断层：主要是指压性逆断层，逆掩断层，断层面上常有与走向大致垂直的逆冲擦痕，大致平行集中出现的一系列压性断层构成挤压断层带。
剪性断层：主要指平移断层以及部分正断层，剪裂面产状稳定，断面平整光滑。
劈理：指在地应力作用下，岩石沿着一定方向产生大致平行的破裂面。
泥化夹层：是由于水的作用时夹层内的松软物质泥化而成，其产状与岩层基本一致。
影响结构面力学性质的因素：答：1.结构面两侧结构体的力学性质2.结构面的几何特征3.结构面的尺寸效应4.填充物的力学性质5.水对泥夹层的软化作用6.后期加载过程7.泥化夹层的时效性8. 前期变形历史●影响岩体中结构体特征的因素：答：1.切割岩体的结构面组数2.岩石的类型3.区域构造运动的强度4.工程岩体的破坏方式●影响岩体变形性质与试验结果的因素：答：1.岩体性质2.岩体中结构面发育特征3.岩体试验加载速率，加载过快，岩石变形不充分，导致变形模量较大4.温度，一般来说，温度增高，岩体延性加大，屈服点随之降低。
岩体的基本力学性能
图4－5 节理面的起伏度与粗糙度
A↑和 ↓的节理表面起伏越急峻。
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第二节 结构面的变形特性 法向
切向 一、节理的法向变形 （一）节理弹性变形（齿状接触）
022m d n2(1 hE 2)
按弹性力学
式中:d-为块体的边长; n-为接触面的个数;
Boussinesq公式 计算齿状节理接 触面弹性变形引
A( V )t VmcV
－原位应力 V Vmc A，t－回归参数
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（3）状态方程的 几何表示
A(Vm c VV)t
当t=t A=1时，有
V VmcV MC
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最大闭 合V mc
(4)试验方法（VmC的确定） a.无节理 c.配称接触
步骤：
（1）备制试件；
（2）作σ-ε曲线（a）；
JRC arctan(n)b lg(JCSn)
JRC为节理粗糙系数 JCS为节理壁抗压强度
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3、转动摩擦
（1）基本假设
在张开节理中，经常有块状充填物，或 节理切割成碎块。当剪切时，可使充填物或 碎块发生转动。设转动的碎块为平行六面体， 其模型见图4-15。假设模型受法向力N；剪切 力T。
（2）稳定性分析
4、滚动摩擦
当碎块的翻倒角 减少时，其内摩擦角也将 减小。当碎块剖面为n个边的规则多角形时， 其翻倒角为：
1800
n
当碎块的边数不断增加，则碎块趋向球， 0
对于一个完全圆球质点，其抗翻倒阻力就是 它的滚动摩力，其摩擦系数为
fR
T N
tanR
钢圆柱滚动其摩擦系数为 fR [0 .00,0 .0 40 ]返2回
1 3 m 2 C in f 3 1 f 2 f
岩体力学课后习题解答(同济大学版)
第二章 岩体的基本物理力学性质10、一个5510cm cm cm ⨯⨯试样，其质量为678g ，用球磨机磨成岩粉并进行风干，天平秤称得其质量为650g ，取其中岩粉60g 作颗粒密度试验，岩粉装入李氏瓶前，煤油的度数为0.53cm ，装入岩粉后静置半小时，得读数为20.33cm ，求：该岩石的天然密度、干密度、颗粒密度、岩石天然空隙率。
解：天然密度3678 2.71/5510m g cm V ρ===⨯⨯ 干密度36502.6/5510s d m g cm V ρ===⨯⨯颗粒密度360 3.03/20.30.5s s s m g cm V ρ===- 天然孔隙率 2.6110.143.03V d s V n V ρρ==-=-=12、已知岩石单元体A —E 的应力状态如图所示，并已知岩石的4c MPa =,35ϕ=︒,试求：（1）各单元的主应力的大小、方向，并作出莫尔应力图。
（2）判断在此应力下，岩石单元体按莫尔-库伦理论是否会破坏？ 解：（1）A 单元：主应力大小：135.00 5.0022x yMPa σσσσ++===方向：与x σ的夹角20tan 200 5.0xyx yτθσσ===--，0θ=︒ 莫尔应力图：圆心：135.002.522σσ++==半径：13 5.002.522σσ--==B单元：主应力大小：1222234.00000()() 4.04.02222x y x yxyMPa σσσσστσ+-+-=±+=±+=-方向：与xσ的夹角2 4.0tan2xyx yτθσσ===∞-，45θ=︒莫尔应力图：圆心：134.0 4.022σσ+-==半径：134.0( 4.0)4.022σσ---==C单元：主应力大小：1222235.705.00 5.00()() 2.00.702222x y x yxyMPa σσσσστσ+-+-=±+=±+=-方向：与xσ的夹角22 2.0tan20.85.00xyx yτθσσ⨯===--莫尔应力图：圆心：135.70.72.522σσ+-==半径：135.7(0.7)3.222σσ---==D单元：主应力大小：1222236.06.0 6.0 6.0 6.0()()06.02222x y x yxyMPa σσσσστσ+-+-=+=±+=方向：与xσ的夹角20tan206.0 6.0xyx yτθσσ===--，0θ=︒莫尔应力图：圆心：136.0 6.06.022σσ++==半径：136.0 6.022σσ--==E单元：主应力大小：12222310.9110.0 1.010.0 1.0()() 3.00.092222x y x yxyMPa σσσσστσ+-+-=±+=±+=方向：与xσ的夹角22 3.0tan20.6710.0 1.0xyx yτθσσ⨯===--莫尔应力图：圆心：1310.910.095.522σσ++==半径：1310.910.095.4122σσ--==（2）A单元：21335tan(45)2tan(45)24tan(45)15.37 5.0222c MPa MPaϕϕσσ︒=︒++︒+=⨯︒+=>不破坏； B 单元：2135354.0tan (45)24tan(45)0.61 4.022MPa MPa σ︒︒=-⨯︒++⨯︒+=< 破坏； C 单元：2135350.7tan (45)24tan(45)12.78 5.722MPa MPa σ︒︒=-⨯︒++⨯︒+=> 不破坏； D 单元：2135356.0tan (45)24tan(45)37.51 6.022MPa MPa σ︒︒=⨯︒++⨯︒+=> 不破坏； E 单元：2135350.09tan (45)24tan(45)15.7010.9122MPa MPa σ︒︒=⨯︒++⨯︒+=> 不破坏；13、对某种砂岩做一组三轴压缩实验得到的如表所示峰值应力。
岩体力学复习参考资料完整版
名词解释：红色，加粗，楷体。
简答的题：蓝色，宋体，加粗。
填空的题：粉色，黑体，加粗。
选择的题：绿色，行楷，加粗。
第 0 章绪论一、地质体： 是指由岩石组成的块体及在结垢面切割下具有一定的结构和构造、 占据地球 上一定空间的实体，称为地质体。
（名-1） 二、勘察专业所研究的岩体力学问题为： 与工程活动有关的地壳浅表层岩体变形及稳定性问题：岩石边坡、岩石地 基及硐室围岩等。
第 1 章 岩体地质与结构特征1.1 概述一、岩体 1、概念： 岩体是指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。
是岩体力 学研究的对象。
（名-2） 2、岩体的组成由结构面网络及其所围限的岩石块体组成。
3、岩体的物理力学性质特征：非均匀、非连续、各向异性和多相性。
1.2 岩块及其特征一、概念：岩块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。
（名-3） 二、物质组成： 岩石是由具有一定结构构造的矿物集合体组成， 因此岩块的力学性质主要取 决于岩块的矿物成分及其相对含量。
三、岩块的结构与构造： 岩块的结构是指岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情 况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。
四、风化程度： 1、岩块的风化程度可用定性指标和某些定量指标表述。
2、判断岩块风化程度的定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程度 及开挖锤击技术特征等。
3、判断岩块风化程度的定量指标主要有风化空隙率指标和波速指标等。
4、风化空隙率指标(Iw)是快速浸水后风化岩块吸入水的质量与干燥岩块质 量之比。
5、波速指标： （1）风化岩块纵波速度 （2）波速比：风化岩块与新鲜岩块的纵波速度比值； （3）风化系数：风化岩块与新鲜岩块的饱和单轴抗压强度比值。
1.3结构面特征一、概念：结构面（Structural Plane） 指地质历史发展过程中，在岩体 内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。
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非常密集节理 （每米10～
✓K=100～1000m-1 1000条）
压碎、摩擦带 （每米100～
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第4章岩体基本力学性能
16
（二）切割度Xe
评价节理分割岩体的一个参数。有些节理属贯通性节 理，切割整个岩体。单位面积的岩体中结构面面积 所占的比例。
（1）单量节理的切割度
✓ 设一平直断面，与单一节理重叠，断面模量所考
➢ 岩体和完整岩石的差别很大。
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第4章岩体基本力学性能
3
➢ 岩体的力学属性
完整的岩体－连续介质属性。 碎屑岩体和糜棱岩体－土力学属性。 破裂岩体或节理岩体－地质力学的属性，部分
属于非连续力学的范畴。
➢ 力学强度－和岩块的强度差别很大，以岩 块的强度为上限，以节理的强度为下限。
➢ 节理岩体的强度要考虑３个方面：非节理 岩体，节理和节理岩体。
第四章 岩体的基本力学性能
➢ 第一节 概述 ➢ 第二节 岩体结构面的分析 ➢ 第三节 结构面的变形特性 ➢ 第四节 结构面的剪切强度特性 ➢ 第五节 结构面的力学效应 ➢ 第六节 碎块岩体的破坏 ➢ 第七节 岩体的应力— ➢ 第八节 岩体力学性质的现场测试
➢ 教学要求：了解岩体中结构面的基本特性及 其对岩体力学性能影响。
第4章岩体基本力学性能
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６．结构面的开度和充填物
结构面２个面壁之间的垂直距离叫开度。处在结构 面裂隙中的物质叫充填物。
7.结构面的渗透性
结构面或岩体见到水流的状态。
8.结构面的组数和岩块的尺寸
岩体的完整性描述的主要参数。 上述参数可以采用现场调查的方法，进行统计分析。
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第4章岩体基本力学性能
虑的岩面，断面积A，节理面面积a。见图4-4
✓
切割度
Xe
a A
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第4章岩体基本力学性能
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（2）成组节理
✓ 同一平直断面上出现节理面积 a1、a2 a3……an
（3）Xe分5类见表4-2
表 4-2 岩体按切割度 Xc 分类
名称
Xc
完整的
0.1~0.2
弱节理化
0.2~0.4
中等节理化
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第4章岩体基本力学性能
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表 4-1 结构面的相对分类
工程结构
尺寸（m） 影响带直径（m）
L
D
结构面的长度（m）
细小
中等
大型
平洞
φ=3
小型基础
b=3
10
0~0.2
0.2~0
>210隧洞φ=30100斜坡
h =100
0`2
2~20
>20
100
洞穴
h =40
小型水坝
h =40
>100
0~2.5
6
３．延展性：在岩体的露头上，所见的结构面迹 线的长度。反映结构面的规模大小。
4．粗糙度和起伏度（图4-5）
相对于结构面平均平面的不平整度，通常用结构面的 粗糙度和起伏度表示。起伏度是相对较大一级的表面 不平整状态。粗糙度大，抗剪切强度大。
５．结构面面壁强度
２个表面，与母岩相比较。
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➢ 二、结构面分类
（一）结构面成因分类
工程地质学角度分类
1.原生节理：成岩过程中形成的结构面。例如层面。 2.构造节理：构造运动形成的节理。例如断层和共轭节理。 3.次生节理：成岩后期形成的节理。例如风化节理。
（二）结构面的相对分类和绝对分类
1．绝对分类：结构面延长长度。（表4-1） 2．相对分类：相对工程尺寸而言，结构面长度 。
0.4~0.6
强节理化
0.6~0.8
完全节理化
0.8~1.0
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第4章岩体基本力学性能
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第三节 结构面的变形特性
结构面的变形是岩体的变形分析的基础，分为 法向变形和剪切变形。
➢ 学时分配： 6 学时。
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第4章岩体基本力学性能
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第一节 概述
➢ 天然岩体：多个岩块和多个节理 岩块互 相咬合和排列
岩体中含有明显的地质遗迹：不整合，褶皱， 断层，节理，劈理，解理，层理和片理等。统 称节理。
节理的存在，导致岩体介质的不连续，节理面 又叫不连续面。节理造成岩体的不连续性和各 向异性。
ｄ＝l／ｎ＝1／ｋ
（3）节理走向垂直距离 足取样线垂直节理。
l d n
，要求满
（4）单位节理的分类 （4类）
✓
d 18c0m
岩体为整体结构
✓
3c0m d18 c0 m
块状结构
✓
d 30cm
碎裂结构
✓
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d 6.5cm
第4章岩体基本力学性能
极碎裂结构
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（5）多组节理的分类
组别a、b、c取样方向x，x与a、b夹角（锐角） a 见图4-3
岩体破碎程度的分类，是表达结构面对岩体完 整性影响的一种评价。
缪勒的半定量和半定性的评价方法。
（一）裂隙度K
（1）裂隙度K是沿着取样线方向，单位长度上 节理的数量。
✓设有一取样线，其长度为l，在沿l长度内出现节
理数n， 则 ｋ＝ｎ／l
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第4章岩体基本力学性能
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（2）节理平均距离 ｄ
例如 N30°E。
倾斜：倾斜角度——水平面与节理面最大夹角，垂 直节理面走向的倾角。
✓ 倾斜方向——与走向成垂直的方向，是节理面上倾斜 最陡的方位，也是节理。
✓ 节理面的走向加上或减去90°而得。
２．间距：指同组相邻结构面的垂直距离。间 距反映结构面的发育和岩体的完整程度。
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第4章岩体基本力学性能
2.5~25
>25
>100
大型水坝
h =100
高斜坡
h =300
300
0~6
6~60
>60
300
注：φ—洞径；b—基础宽度；h—工程结构体高度
（三）力学分类：
破坏面——大而粗的节理。 破坏带——小而密的节理。 破坏面+破坏带过度类。
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第4章岩体基本力学性能
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➢ 三、岩体破碎程度分类
则x方向平均间距
max da mbx db
cosa
cosb
Kcoascobs cons
da
db
dn ……
取样线上的裂隙度K=Ka+Kb+……
、 b
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第4章岩体基本力学性能
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按K分（4类）
✓K=0～1m-1
疏节理 （每米0～1条）
✓K=1～10m-1
密节理 （每米1～10条）
✓K=10～100m-1 100条）
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第4章岩体基本力学性能
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➢ 一、结构面定量描述的基本参数
结构面是没有或有极低抗拉强度的力学不连续面， 包括一切地质分离面。
结构面的８个描述参数： 1．产状：结构面的空间分布状态。由走向，倾向和
倾角所组成得三要素描述。一般只用倾向和倾角来 描述。
走向：节理面与水平面相交的交线方向，用方位角表示。