岩体力学性质
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岩体力学-第8章岩体的力学性质--贺虎
2
σ3=0
1m
3
2(C j 3tg j ) (1 tg jctg )sin 2
当β＝45°＋φj／2时，岩体强度取得最低值
1 3 min
2(C j 3tg j ) 1 tg 2 j tg j
耶格（Jaeger）单结构面理论
含多组结构面，且假定各组结构面具有相同的性质时，可分步运用单结构面 理论确定岩体强度包线及岩体强度。
二、岩体变形参数估算
一是在现场地质调查的基础上，建立适当的岩体地质力学模型 ，利用室内小试件试验资料来估算。
二是在岩体质量评价和大量试验资料的基础上，建立岩体分类 指标与变形参数之间的经验关系，并用于变形参数估算。
1、层状岩体变形参数估算
层状岩体的地质力学模型 假设各岩层厚度相等为S，且性质
D—圆(方)板直径(边长)。
定，裂隙越不均匀则要求面积 越大，一般0.25~1.00m2。
ω是与承压板形状与刚度有关的系数。
对于圆形板ω＝0.785；对于方形板ω＝0.886
2、钻孔变形法
优点：①对岩体扰动小；②可以在 地下水位以下和相当深的部位进行；
Hale Waihona Puke Emdp(1 Um )
③试验方向基本上不受限制，而且
第六章 岩体的力学性质
§6.1 岩体的变形性质 §6.2 岩体的强度性质 §6.3 岩体的动力学性质 §6.4 岩体的水力学性质
§6.1 岩体的变形性质
•在受力条件改变时岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和， 而结构变形通常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和 滑动等变形。从岩体的定义：岩块+结构面=>岩体 •岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形 •在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。
《岩体力学》第六章岩体的力学性质
图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。
岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。
岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。
其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。
第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。
按静力法得到静E ，动力法得到动E 。
⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。
μm—岩体的泊松比。
★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。
岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。
图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。
二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。
两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。
第二章 岩体力学性质
破坏面——大而粗的节理 4．按力学观点分类 破坏面——大而粗的节理 破坏带——小而密的节理 破坏带——小而密的节理 两者之间 l
无 充 填 有 充 填 充 填 物 性 粘 有 单节理 节理组 节理群 羽毛状 节理
充填 非充填
按 力 学 观 点 的 破 坏 面 和 破 坏 带 分 类
破碎带
三、各类岩体结构的地质分类 完整结构岩体 块裂结构岩体 板裂结构岩体 碎裂结构岩体 断续结构岩体 散体结构岩体
β1 ≤ β ≤ β 2
对岩体强度有影响的节理方位角： 对岩体强度有影响的节理方位角：
有关岩体破坏的几点讨论
当
β < β1或β > β2
岩体不会沿结构面破坏
当 β2 < β < β1 •若莫尔圆和岩石强度包络线相离，节理先 若莫尔圆和岩石强度包络线相离， 若莫尔圆和岩石强度包络线相离 破坏，岩体强度小于岩块强度; 破坏，岩体强度小于岩块强度 •若莫尔圆和岩石强度包络线相切，则岩体 若莫尔圆和岩石强度包络线相切， 若莫尔圆和岩石强度包络线相切 沿某一岩石截面破坏， 沿某一岩石截面破坏，破坏角 β = π + ϕ
图4－19 结构面的力学效应
所以，强度准则： 所以，强度准则：
τ m (sin 2β − tgφw cos 2β ) = cw +σntgφw
令
2Cw + 2 fσ3 (1− fctgβ )sin 2β
f = tgφw 则
w
σ1 −σ3 =
①当 β = φ ②当 β =
σ1 −σ3 →∞ （节理的存在不影响岩体的强度）
σ −ε
，分3 ，分3
第一段Ⅰ曲线上凹，——节理闭合——非线弹 第一段Ⅰ曲线上凹，——节理闭合——非线弹 性（很短） 第二段Ⅱ直线——线弹性（很短） 第二段Ⅱ直线——线弹性（很短） 第三段Ⅲ曲线下凹——塑性变形或破坏，至A3 第三段Ⅲ曲线下凹——塑性变形或破坏，至A3 点（较长）体积增大
无 充 填 有 充 填 充 填 物 性 粘 有 单节理 节理组 节理群 羽毛状 节理
充填 非充填
按 力 学 观 点 的 破 坏 面 和 破 坏 带 分 类
破碎带
三、各类岩体结构的地质分类 完整结构岩体 块裂结构岩体 板裂结构岩体 碎裂结构岩体 断续结构岩体 散体结构岩体
β1 ≤ β ≤ β 2
对岩体强度有影响的节理方位角： 对岩体强度有影响的节理方位角：
有关岩体破坏的几点讨论
当
β < β1或β > β2
岩体不会沿结构面破坏
当 β2 < β < β1 •若莫尔圆和岩石强度包络线相离，节理先 若莫尔圆和岩石强度包络线相离， 若莫尔圆和岩石强度包络线相离 破坏，岩体强度小于岩块强度; 破坏，岩体强度小于岩块强度 •若莫尔圆和岩石强度包络线相切，则岩体 若莫尔圆和岩石强度包络线相切， 若莫尔圆和岩石强度包络线相切 沿某一岩石截面破坏， 沿某一岩石截面破坏，破坏角 β = π + ϕ
图4－19 结构面的力学效应
所以，强度准则： 所以，强度准则：
τ m (sin 2β − tgφw cos 2β ) = cw +σntgφw
令
2Cw + 2 fσ3 (1− fctgβ )sin 2β
f = tgφw 则
w
σ1 −σ3 =
①当 β = φ ②当 β =
σ1 −σ3 →∞ （节理的存在不影响岩体的强度）
σ −ε
，分3 ，分3
第一段Ⅰ曲线上凹，——节理闭合——非线弹 第一段Ⅰ曲线上凹，——节理闭合——非线弹 性（很短） 第二段Ⅱ直线——线弹性（很短） 第二段Ⅱ直线——线弹性（很短） 第三段Ⅲ曲线下凹——塑性变形或破坏，至A3 第三段Ⅲ曲线下凹——塑性变形或破坏，至A3 点（较长）体积增大
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。
岩体力学性质
强度性质
强度性质
岩体在各种压力状态下所能承受的最大应力，称为岩体的强度。它可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强度、三 轴抗压强度以及剪切强度等。单轴抗压强度是岩体在单向压缩时所能承受的最大压应力。岩体的单轴抗压强度总 是低于岩块的单轴抗压强度。二者的比值变化较大，通常为0.05～0.65。单轴抗拉强度是岩体或接近于零。岩体在三向受压状态下所能承 受的最大压应力，称为岩体三轴抗压强度。原位岩体三轴压缩试验的开展，有益于更好地评价岩体的各向异性。 岩体内任一方向切面在任一法向压应力下所能抵抗的最大剪应力，称为岩体该方向切面在该法向应力下的剪切强 度。它可分为剪断强度、重剪强度和抗切强度。剪断强度是岩体中先前没有破坏的面在任一法向应力下能抵抗的 最大剪应力。剪切面上法向应力等于零时的剪断强度，称为抗切强度。岩体中先前存在的破坏面在任一法向压应 力下能抵抗的最大剪应力，称为重剪强度。岩体剪切强度的大小，通常用库仑强度参数，即内聚力和内摩擦角的 大小来说明。岩体的剪切强度远小于岩块的剪切强度。岩体重剪强度的内聚力值一般在0～0.3兆帕，内摩擦角多 为10°～48°。岩体剪断强度的内聚力值一般在0.05～4兆帕,内摩擦角多为20°～55°。岩体剪切强度具有各向 异性。沉积岩体的各向异性最为显著，火成岩体的各向异性表现不明显，变质岩体的各向异性则介于沉积岩体和 火成岩体之间。
岩体力学性质
岩体在受力状态下抵抗变形和破坏的能力
01 变形表征
03 力学性质
目录
02 强度性质
基本信息
岩体力学性质是指岩体在受力状态下抵抗变形和破坏的能力。它包括变形性质和强度性质两个方面。岩体的 力学性质，是设计一切大型岩体工程的重要依据。
变形表征
变形表征
岩体变形性质的物理量主要是变形模量、弹性模量和泊松比等。具有弹性和非弹性性能的岩体在加荷时应力 与应变的比值，称为变形模量。岩体在弹性变形阶段内，应力与应变的比值，称为弹性模量或杨氏模量。轴向加 荷的岩体试件的侧向应变与轴向应变的比的负值，称为泊松比。岩体的变形模量值普遍低于岩块的变形模量值， 两者的比值一般为0.2～0.6。岩体变形模量与其弹性模量的比值，也多为0.2～0.6。岩体的变形性质普遍具有各 向异性，不同方向的模量值不相同，在有些情况下，高达1∶10,通常为1∶2。此外，岩体变形模量与弹性模量的 比值，也常常随着方向不同而变化。
3岩体力学性质(张子兴)
地理环境
瓦依昂山谷独特的地理条件，成为实现上 述构想的最佳地点：山谷呈葫芦型，谷口 狭窄便于修建大坝；山谷内腹宽阔、深度 大，能最大程度地多蓄水。根据规划，瓦 依昂大坝的坝身高达230米。
刚 竣 工 时 的 瓦 依 昂 大 坝
地质环境
数千万年前这里是一片海洋，形成了 石灰岩和粘土相互层叠的结构，石灰岩层 间的粘土层在受水浸润时极易形成泥浆， 使岩层间的摩擦力降低，存在导致滑坡的 隐患。
建设中的瓦伊昂大坝
设计变更
50年代末正值世界核电开发的黄金时 代，核电具有更高、更稳定的发电量，这 无疑是比水电更大的诱惑。1957年4月，罗 马的政客们放了一个大卫星：大坝改成为 核电站配套服务的抽水蓄能电站，高度从 初始的230米增加到264. 6米，这样就使水 位上升到722.5米高程，不但在双曲拱坝中 首屈一指，而且成为世界第二高的大坝； 库容也增加到初始设计的三倍，达1.65亿 立方米。
灾难降临
从滑坡开始到灾难发生，整个过程不 超过7分钟，共有1900余人在这场灾难中丧 命，700余人受伤。巨大的空气冲击波使电 站地下厂房内的行车钢梁发生扭曲剪断， 将廊道内的钢门推出12米，正在厂房内值 班和住宿的60名技术人员除1人幸存外，其 余全部死亡；正在坝顶监视安全的设计者 、工程师和工人们无一幸免。
第三章 岩体力学性质
3.4 结构面的力学性质
3.5 岩体的变形特性
3.6 岩体的强度特性
3.7 岩体的水力学性质
3.4 结构面的力学性质
上次课内容：
主要讲了岩体结构类型、岩体结构面的类型及其 形态
这节课接着讲： 结构面的力学性质、岩体的变形强度特征。 结构面力学性质主要包括三个方面： ①法向变形与刚度； ②剪切变形与刚度； ③抗剪强度。
岩石力学ppt课件第三章 岩体力学性质
（2）上凹型（塑-弹性岩体）
含软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体 （3）上凸型（弹-塑性岩体）
结构面发育且有泥质充填的岩体。
（4）复合型：阶梯或“S”型（塑-弹-塑性岩体)
20结21/8构/17面发育不均或岩性不均匀的岩体。
23
（二）剪切变形特征：
(a)沿软弱结 构面剪切
(b)沿粗糙结构面、 软弱岩体及强风
化岩体剪切
(c)坚硬岩体 受剪切
峰前变形平均斜 率小，破坏位移 大；峰后强度损 失小。
2021/8/17
峰前变形平均斜 率较大，峰值强 度较高；峰后有 明显应力降。
峰前变形斜率大，
峰值强度高，破坏
位移小；峰后残余 强度较低。
24
（三）各向异性变形特征：（P101蔡）
岩石的全部或部分物理、力学特性随方向不同而 表现出差异的现象称为岩石的各向异性。
2021/8/17
2
§3.1 概述
岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体） 结构面：断层、褶皱、节理……统称
影响岩体力学性质的基本因素：
结构体(岩石)力学性质、结构面力学性质、岩体 结构力学效应和环境因素(特别是水和地应力的作用)
2021/8/17
3
§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
36
孔隙静水压力作用
（三）力学作用：
孔隙动水压力作用
当多孔连续介质岩土体中存在孔隙地下水时， 未充满孔隙的地下水使岩土体的有效应力增加：
p
σα有效应力，σ 总应力，p 孔隙静水水压力
当地下水充满多孔连续介质岩土体时，使有效 应力减小：
p
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σα，σ ，p ： 含义同上
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含软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体 （3）上凸型（弹-塑性岩体）
结构面发育且有泥质充填的岩体。
（4）复合型：阶梯或“S”型（塑-弹-塑性岩体)
20结21/8构/17面发育不均或岩性不均匀的岩体。
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（二）剪切变形特征：
(a)沿软弱结 构面剪切
(b)沿粗糙结构面、 软弱岩体及强风
化岩体剪切
(c)坚硬岩体 受剪切
峰前变形平均斜 率小，破坏位移 大；峰后强度损 失小。
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峰前变形平均斜 率较大，峰值强 度较高；峰后有 明显应力降。
峰前变形斜率大，
峰值强度高，破坏
位移小；峰后残余 强度较低。
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（三）各向异性变形特征：（P101蔡）
岩石的全部或部分物理、力学特性随方向不同而 表现出差异的现象称为岩石的各向异性。
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§3.1 概述
岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体） 结构面：断层、褶皱、节理……统称
影响岩体力学性质的基本因素：
结构体(岩石)力学性质、结构面力学性质、岩体 结构力学效应和环境因素(特别是水和地应力的作用)
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§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
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孔隙静水压力作用
（三）力学作用：
孔隙动水压力作用
当多孔连续介质岩土体中存在孔隙地下水时， 未充满孔隙的地下水使岩土体的有效应力增加：
p
σα有效应力，σ 总应力，p 孔隙静水水压力
当地下水充满多孔连续介质岩土体时，使有效 应力减小：
p
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σα，σ ，p ： 含义同上
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岩石力学与工程岩体力学性质
岩石力学与工程岩体力学性质
2021/3/6
8
四、结构面对岩体强度的影响
结构面是通过结构面的产状、形态、延展尺度 等几何特征参数和密集度与充填物等状态，来 描述对岩体强度和工程稳定性影响的。
1.结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动 起控制作用。
2.结构面形态决定结构面抗滑力的大小，当结 构面的粗糙度越高，其抗滑力就越大。
3.结构面的延展尺度在工程岩体范围内，延展 尺度大的结构面程岩体力学性质
2021/3/6
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三、岩体破碎程度的指标(补充)
1.裂隙度
（1）定义 裂隙度K是指沿着取样线方向，单位长度上节理 的数量。
（2）计算
1）设某节理取样线长度为L，沿L内出现节理的数 量为n，则 Kn L
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岩石力学与工程岩体力学性质
划分依据 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构特征已消失 原生岩体结构特征已消失
7
2）沿取样方向节理的平均间距d为
d 1 L Kn
岩石力学与工程岩体力学性质
2021/3/6
10
2.切割度
（1）切割度
是指岩体被节理割裂、分离的程度。
（2）计算
1）仅含一个节理面的平直断面，节理面面积 a，平
直断面面积A，其切割度 X e 为
Xe
a A
2）当岩体被完全切割时，Xe 1 ；未被切割时，
级 序 结构类型
划分依据
Ⅰ Ⅰ1 块裂结构 多数软弱结构面切割，块 状结构体
Ⅰ2 板裂结构 一组软弱结构面切割，板 状结构体
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▪ 因此，岩体结构是相对的，只有在确定的地 质条件和工程尺寸条件下，工程岩体结构才 是唯一确定的。
▪ 工程岩体结构不同，岩体的力学机制和工程 的稳定性分析方法是不一样的。
▪ 结构面和结构体组合形式，尤其是结构面性状， 可将岩体划分如下结构类型：
▪ ①整体块状结构，包括整体（断续）结构、块状 结构和菱块状结构；
▪ 4.3 岩体结构面及其充填特征 ▪ 结构面是具有一定方向、延展较大而厚度较
小的二维面状地质界面， ▪ 它的存在，使岩体显示构造上的不连续性和
不均质性， ▪ 岩体力学性质与结构面的特性密切相关。
▪ 4.3 岩体结构面及其充填特征 ▪ 4.3.1 结构面类型及特征 ▪ 根据结构面的形成原因，通常将其分为三种
，j．楔、锥形结构体；i．板状结构体
▪ ⑤岩体结构：由不同类型的岩体结构单元在 岩体内的各种组合、排列形式的总称。
▪ ⑥岩体力学性质：是岩体抵抗外力作用的能 力，它包括岩体稳定性特征、强度特征和变 性特征，它是由组成岩体的岩石、结构面、 和赋存条件决定的。
▪ 由于岩体结构的原因，岩体的强度随试件尺 寸增大而降低，
▪ 因此，影响岩体力学性质的基本因素有：结 构体力学性质、结构面力学性质、岩体结构 力学效应和环境因素，即：
结构体 岩石：通过结构体的力学性质来表征，在某种情况下，
它具有控制作用。
结构面：当结构体强度很高时，主要由结构面的力学性质决定。
岩体结构效应：主要表现在岩体的爬坡角效应、尺寸效应及
，全
风化
带
断层破碎 带交 叉．构造 及风化裂 碎 隙密 屑 集．结构 状 及组合错 颗 综复杂， 粒 并多充填 状 粘性 土．形成 许多大小 不一的分 离岩块
完整性 遭到极 大破 坏．稳 定性极 差．岩 体属性 接近松 散体介 质
可能发 生的岩 上工程 问题
易引起 规模较 大的岩 体失稳、 地下水 加剧岩 体失稳
表2-1 岩体结构类型
级序 Ⅰ Ⅰ1
结构类型 块裂结构
划分依据
多数软弱结构面 切割，块状 结构体
亚类 块状块裂结构 层状块裂结构
Ⅰ2 板裂结构 一组软弱结构面 块状板裂结构
切割，板状 结构体
层状板裂结构
Ⅱ Ⅱ1 完整结构 无明显结构面切 块状完整结构
割
板状完整结构
Ⅱ2 断续结构 显结构面断续切 块状断续结构
▪ 4.2.4 岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯 一性
▪ 岩体结构分类的最终目的在于为岩石工程的 建设服务。
▪ 对于工程岩体而言，由于工程规模和尺寸的 变化，岩体结构也发生相对变化。
▪ 也就是岩体结构类型随着所考察岩体的范围 和尺寸不同而不同。
▪ 4.2.4 岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯 一性
▪ 岩体由于温度作用产生的应力也是很可观的，这 种温度应力实际上也是地应力的一部分。
▪ 地下水的力学效应表现在两个方面,即孔隙-裂隙 水的压力作用和软化作用。
▪ 在地下水的作用下，岩体的力学强度将降低，对 于软弱岩体，这一效应尤为明显。
▪ 整体结构岩体的力学效应规律基本上与节理 化岩体相近。
▪ 以单轴抗压强度为例，
完整性破 坏较大， 整体强度 很低．并 受断裂等 软弱结构 面控制， 多呈弹塑 性介．稳 定性很差
易引起规 模较大的 岩体失稳、 地下水加 剧岩体失 稳
岩体结构类型－5
岩 体 岩体 构 地质 类 类型 型
主
要
结 构 体
结构面发 育情况
形
状
岩土工 程特征
构造
影响
剧烈
散 体 状 结 构
的 断层 破碎 带， 强风 化带
▪ 而且工程开挖方向与岩体内结构面产状间的 关系不同，其变形和破坏特征也不一样，
▪ 同时它随着环境因素（水与地应力等）的变 化而变化。
▪ 中国工程地质学家谷德振教授在20世纪50年 代就重视断裂对工程的危害，认识到岩体特性 主要取决于岩体的内在结构，可作为岩体质量 评价、岩体力学模型和力学介质类型划分、岩 体力学测试方案制定、测试成果分析和力学分 析计算的基础。
原生岩体结构特征已消失 原生岩体结构特征已消失
▪ 断层破碎带及强风化带内存在有另一种结构类型， 他们具有两个特点：
▪ （1）结构面和结构体呈无序状排列；
▪ （2）结构面既有软弱结构面也有坚硬结构面，因 此，这种岩体结构既不是Ⅰ级结构也不是Ⅱ级结构， 属于一种过度型，被称为散体结构。
▪ （3）具有这种结构的岩体，规模一般不大，常呈 夹层或带状，比较常见，是一种不可忽视的结构类 型，它经常是应力消散、地下水和气体的通道，也 是岩体失稳的关键地段。
矿山岩体力学
华北科技学院 安全工程学院
2020/3/3
1
4 岩体力学性质
▪ 4.1 概念 ▪ 宏观上讲，天然岩体是由各种结构面和分割形成岩
石块体的组合体。
▪ 与岩石相比，岩体显示出不连续性、不均质性和各 向异性等特点。
▪ 岩体的力学性质是岩石和结构面力学性质的综合反 映。除了必须研究岩石的力学性质之外，还必须研 究结构面的力学性质。
▪ ②层状结构，包括层状结构和薄层(板状)结构； ▪ ③碎裂结构，包括镶嵌结构、层状碎裂结构和碎
裂结构；
▪ ④散体结构，包括块夹泥结构和泥夹块结构等。
岩体结构类型－1
主
岩
要
体 岩体 结
构 地质 构
类 类型 体
型形ຫໍສະໝຸດ 状均质， 巨块 状岩 整 浆岩、 体 变质 巨 状 岩． 块 结 巨厚 状 构 层沉 积岩、 正变 质岩
岩体结构类型－3
岩 体 岩体 构 地质 类 类型 型
主
要
结 构 体
结构面发 育情况
形
状
岩土工 程特征
多韵 律的 薄层 层及 状 中厚 结 层状 构 沉积 岩、 副变 质岩
层
状 板 状 透 镜
有层理、 片理、节 理带有层 间错动面
体
接近均 一的各 向异性 体．其 变形及 强度特 征受层 面及岩 层组合 控．可 视为弹 塑性 体．稳 定性较 差
岩 体 构 类 型
岩体地质 类型
主要 结构 体形 状
结构面发育情况
岩土工程特征
可能发生的岩 上工程问题
块 状 结 构
厚层状机 积岩、正 变质岩、 块状岩浆 岩、变质 岩
块状 柱状
只具有少量贯穿 性较好的节理裂 隙．裂隙结构面 问距0.7～
1.5m。一般为2～ 3组．有少量分离 体
整体强度较 高．结构面互 不稳定结构体 相牵制．岩基 的局部滑动或 本稳定，接近 坍塌．深埋洞 弹性各向同性 室的岩爆 体
▪ ③结构体：由结构面彼此组合将岩体切割而 成的形态不一，大小不等和成分各异的岩石 块体。
▪ ④岩体结构单元或要素包括结构体和结构面。
即：
岩体结构单元
结构面 结构体
坚硬结构面 软弱结构面 块状结构体 板状结构体
图 结构体形状典型类型示意图(据孙广忠，1983) a，b．柱状结构体；d，e．菱形或板状结构体；c，f，g，h
割
层状断续结构
Ⅱ3 碎裂结构 坚硬结构面贯通 块状碎裂结构
切割，结构 体为块状
层状碎裂结构
过度 散体结构 软硬结构面混杂、 碎屑状散体结构
型
无序排列切 割
糜棱化散体结构
划分依据 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状
原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状
原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状
各向异性效应。
影响因素
影响岩体的承载能力，围压越大，其承载能力越高。
地应力影响岩体的变形和破坏机制，岩石由脆性破坏变为塑性破坏。
赋存环境：地下水：影影响响岩岩体体中的的变应形力、传破播坏的和法稳则定，性使。不连续变形转化为连续变形。
地温
▪ 结构面力学性质的尺寸效应体现在：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
▪ 节理化岩体仅相当于岩块抗压强度的1/3至
1/10,
▪ 而整体结构岩体的单轴抗压强度可相当于岩 块的1/2至1/3。
▪ 4.2岩体结构的基本类型 ▪ 4.2.1岩体结构分类依据 ▪ 第一个依据是按结构面类型分类； ▪ 第二个依据是按结构面切割程度或结构体类
型分类；
▪ 第三个依据是按岩体的原生结构分类， ▪ 于是有：
▪ （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，峰值剪胀角减少，结构面粗糙度 减小，尺寸效应也减小。
▪ 起伏角α 为迎着受力方向结构面的仰角，又 称为爬坡角。
▪ 结构面具有爬坡角为α 的起伏时，其抗剪强 度中的摩擦角φa将增加α ，即
▪ φa=φj+α ▪ φj为平直结构面的基本摩擦角。
▪ 岩体环境因素力学效应主要是指岩体中应力 和地下水对岩体力学性质的影响。
▪ 无论是块裂介质、碎裂介质还是连续介质岩 体，其破坏机理及力学强度都随环境因素的 不同而变化(见岩体破坏)。
▪ 随着地应力的增高，其破坏机理由脆性向塑 性转化,破坏强度由低逐渐增高,岩体结构面的 力学效应由显著逐渐向消失转化。
▪ ①地质界面：是岩体中存在的各种物质分异 面和不连续面，如假整合、不整合、褶皱、 断层、层理、节理、片理等界面。
▪ ②结构面：是由不同成因、不同特征的地质 界面的统称。它在横向延展上具有面的几何 特征，常充填有一定的物质，具有一定的厚 度，它的变形机理是两盘闭合或滑移，在破 坏上，或是沿着结构面滑移，或是沿着它追 踪开裂。
▪ 工程岩体结构不同，岩体的力学机制和工程 的稳定性分析方法是不一样的。
▪ 结构面和结构体组合形式，尤其是结构面性状， 可将岩体划分如下结构类型：
▪ ①整体块状结构，包括整体（断续）结构、块状 结构和菱块状结构；
▪ 4.3 岩体结构面及其充填特征 ▪ 结构面是具有一定方向、延展较大而厚度较
小的二维面状地质界面， ▪ 它的存在，使岩体显示构造上的不连续性和
不均质性， ▪ 岩体力学性质与结构面的特性密切相关。
▪ 4.3 岩体结构面及其充填特征 ▪ 4.3.1 结构面类型及特征 ▪ 根据结构面的形成原因，通常将其分为三种
，j．楔、锥形结构体；i．板状结构体
▪ ⑤岩体结构：由不同类型的岩体结构单元在 岩体内的各种组合、排列形式的总称。
▪ ⑥岩体力学性质：是岩体抵抗外力作用的能 力，它包括岩体稳定性特征、强度特征和变 性特征，它是由组成岩体的岩石、结构面、 和赋存条件决定的。
▪ 由于岩体结构的原因，岩体的强度随试件尺 寸增大而降低，
▪ 因此，影响岩体力学性质的基本因素有：结 构体力学性质、结构面力学性质、岩体结构 力学效应和环境因素，即：
结构体 岩石：通过结构体的力学性质来表征，在某种情况下，
它具有控制作用。
结构面：当结构体强度很高时，主要由结构面的力学性质决定。
岩体结构效应：主要表现在岩体的爬坡角效应、尺寸效应及
，全
风化
带
断层破碎 带交 叉．构造 及风化裂 碎 隙密 屑 集．结构 状 及组合错 颗 综复杂， 粒 并多充填 状 粘性 土．形成 许多大小 不一的分 离岩块
完整性 遭到极 大破 坏．稳 定性极 差．岩 体属性 接近松 散体介 质
可能发 生的岩 上工程 问题
易引起 规模较 大的岩 体失稳、 地下水 加剧岩 体失稳
表2-1 岩体结构类型
级序 Ⅰ Ⅰ1
结构类型 块裂结构
划分依据
多数软弱结构面 切割，块状 结构体
亚类 块状块裂结构 层状块裂结构
Ⅰ2 板裂结构 一组软弱结构面 块状板裂结构
切割，板状 结构体
层状板裂结构
Ⅱ Ⅱ1 完整结构 无明显结构面切 块状完整结构
割
板状完整结构
Ⅱ2 断续结构 显结构面断续切 块状断续结构
▪ 4.2.4 岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯 一性
▪ 岩体结构分类的最终目的在于为岩石工程的 建设服务。
▪ 对于工程岩体而言，由于工程规模和尺寸的 变化，岩体结构也发生相对变化。
▪ 也就是岩体结构类型随着所考察岩体的范围 和尺寸不同而不同。
▪ 4.2.4 岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯 一性
▪ 岩体由于温度作用产生的应力也是很可观的，这 种温度应力实际上也是地应力的一部分。
▪ 地下水的力学效应表现在两个方面,即孔隙-裂隙 水的压力作用和软化作用。
▪ 在地下水的作用下，岩体的力学强度将降低，对 于软弱岩体，这一效应尤为明显。
▪ 整体结构岩体的力学效应规律基本上与节理 化岩体相近。
▪ 以单轴抗压强度为例，
完整性破 坏较大， 整体强度 很低．并 受断裂等 软弱结构 面控制， 多呈弹塑 性介．稳 定性很差
易引起规 模较大的 岩体失稳、 地下水加 剧岩体失 稳
岩体结构类型－5
岩 体 岩体 构 地质 类 类型 型
主
要
结 构 体
结构面发 育情况
形
状
岩土工 程特征
构造
影响
剧烈
散 体 状 结 构
的 断层 破碎 带， 强风 化带
▪ 而且工程开挖方向与岩体内结构面产状间的 关系不同，其变形和破坏特征也不一样，
▪ 同时它随着环境因素（水与地应力等）的变 化而变化。
▪ 中国工程地质学家谷德振教授在20世纪50年 代就重视断裂对工程的危害，认识到岩体特性 主要取决于岩体的内在结构，可作为岩体质量 评价、岩体力学模型和力学介质类型划分、岩 体力学测试方案制定、测试成果分析和力学分 析计算的基础。
原生岩体结构特征已消失 原生岩体结构特征已消失
▪ 断层破碎带及强风化带内存在有另一种结构类型， 他们具有两个特点：
▪ （1）结构面和结构体呈无序状排列；
▪ （2）结构面既有软弱结构面也有坚硬结构面，因 此，这种岩体结构既不是Ⅰ级结构也不是Ⅱ级结构， 属于一种过度型，被称为散体结构。
▪ （3）具有这种结构的岩体，规模一般不大，常呈 夹层或带状，比较常见，是一种不可忽视的结构类 型，它经常是应力消散、地下水和气体的通道，也 是岩体失稳的关键地段。
矿山岩体力学
华北科技学院 安全工程学院
2020/3/3
1
4 岩体力学性质
▪ 4.1 概念 ▪ 宏观上讲，天然岩体是由各种结构面和分割形成岩
石块体的组合体。
▪ 与岩石相比，岩体显示出不连续性、不均质性和各 向异性等特点。
▪ 岩体的力学性质是岩石和结构面力学性质的综合反 映。除了必须研究岩石的力学性质之外，还必须研 究结构面的力学性质。
▪ ②层状结构，包括层状结构和薄层(板状)结构； ▪ ③碎裂结构，包括镶嵌结构、层状碎裂结构和碎
裂结构；
▪ ④散体结构，包括块夹泥结构和泥夹块结构等。
岩体结构类型－1
主
岩
要
体 岩体 结
构 地质 构
类 类型 体
型形ຫໍສະໝຸດ 状均质， 巨块 状岩 整 浆岩、 体 变质 巨 状 岩． 块 结 巨厚 状 构 层沉 积岩、 正变 质岩
岩体结构类型－3
岩 体 岩体 构 地质 类 类型 型
主
要
结 构 体
结构面发 育情况
形
状
岩土工 程特征
多韵 律的 薄层 层及 状 中厚 结 层状 构 沉积 岩、 副变 质岩
层
状 板 状 透 镜
有层理、 片理、节 理带有层 间错动面
体
接近均 一的各 向异性 体．其 变形及 强度特 征受层 面及岩 层组合 控．可 视为弹 塑性 体．稳 定性较 差
岩 体 构 类 型
岩体地质 类型
主要 结构 体形 状
结构面发育情况
岩土工程特征
可能发生的岩 上工程问题
块 状 结 构
厚层状机 积岩、正 变质岩、 块状岩浆 岩、变质 岩
块状 柱状
只具有少量贯穿 性较好的节理裂 隙．裂隙结构面 问距0.7～
1.5m。一般为2～ 3组．有少量分离 体
整体强度较 高．结构面互 不稳定结构体 相牵制．岩基 的局部滑动或 本稳定，接近 坍塌．深埋洞 弹性各向同性 室的岩爆 体
▪ ③结构体：由结构面彼此组合将岩体切割而 成的形态不一，大小不等和成分各异的岩石 块体。
▪ ④岩体结构单元或要素包括结构体和结构面。
即：
岩体结构单元
结构面 结构体
坚硬结构面 软弱结构面 块状结构体 板状结构体
图 结构体形状典型类型示意图(据孙广忠，1983) a，b．柱状结构体；d，e．菱形或板状结构体；c，f，g，h
割
层状断续结构
Ⅱ3 碎裂结构 坚硬结构面贯通 块状碎裂结构
切割，结构 体为块状
层状碎裂结构
过度 散体结构 软硬结构面混杂、 碎屑状散体结构
型
无序排列切 割
糜棱化散体结构
划分依据 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状
原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状
原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状 原生岩体结构呈块状 原生岩体结构呈层状
各向异性效应。
影响因素
影响岩体的承载能力，围压越大，其承载能力越高。
地应力影响岩体的变形和破坏机制，岩石由脆性破坏变为塑性破坏。
赋存环境：地下水：影影响响岩岩体体中的的变应形力、传破播坏的和法稳则定，性使。不连续变形转化为连续变形。
地温
▪ 结构面力学性质的尺寸效应体现在：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
▪ 节理化岩体仅相当于岩块抗压强度的1/3至
1/10,
▪ 而整体结构岩体的单轴抗压强度可相当于岩 块的1/2至1/3。
▪ 4.2岩体结构的基本类型 ▪ 4.2.1岩体结构分类依据 ▪ 第一个依据是按结构面类型分类； ▪ 第二个依据是按结构面切割程度或结构体类
型分类；
▪ 第三个依据是按岩体的原生结构分类， ▪ 于是有：
▪ （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，峰值剪胀角减少，结构面粗糙度 减小，尺寸效应也减小。
▪ 起伏角α 为迎着受力方向结构面的仰角，又 称为爬坡角。
▪ 结构面具有爬坡角为α 的起伏时，其抗剪强 度中的摩擦角φa将增加α ，即
▪ φa=φj+α ▪ φj为平直结构面的基本摩擦角。
▪ 岩体环境因素力学效应主要是指岩体中应力 和地下水对岩体力学性质的影响。
▪ 无论是块裂介质、碎裂介质还是连续介质岩 体，其破坏机理及力学强度都随环境因素的 不同而变化(见岩体破坏)。
▪ 随着地应力的增高，其破坏机理由脆性向塑 性转化,破坏强度由低逐渐增高,岩体结构面的 力学效应由显著逐渐向消失转化。
▪ ①地质界面：是岩体中存在的各种物质分异 面和不连续面，如假整合、不整合、褶皱、 断层、层理、节理、片理等界面。
▪ ②结构面：是由不同成因、不同特征的地质 界面的统称。它在横向延展上具有面的几何 特征，常充填有一定的物质，具有一定的厚 度，它的变形机理是两盘闭合或滑移，在破 坏上，或是沿着结构面滑移，或是沿着它追 踪开裂。