岩体的基本力学性质
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。
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。
岩石的基本物理力学性质
岩石的基本物理力学性质岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩体力学中研究最早、最完善的力学性质。
岩石密度：天然密度、饱和密度、质量指标密度、重力密度岩石颗粒密度孔隙性孔隙比、孔隙率含水率、吸水率水理指标渗透系数抗风化指标软化系数、耐崩解性指数、膨胀率抗冻性抗冻性系数单轴抗压强度单轴抗拉强度抗剪强度三向压缩强度岩石的基本物理力学性质◆岩石的变形特性◆岩石的强度理论试验方法参照标准：《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266-99）。
第二章岩石的基本物理力学性质第一节岩石的基本物理性质第二节岩石的强度特性第三节岩石的变形特性第四节岩石的强度理论回顾----岩石的基本构成岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，一般而言，大部分新鲜岩石质地均坚硬致密，空隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。
岩石是构成岩体的基本组成单元。
相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。
岩石的基本构成：由组成岩石的物质成分和结构两大方面来决定的。
回顾----岩石的基本构成一、岩石的物质成分●岩石是自然界中各种矿物的集合体。
●岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石等。
●岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。
●岩石中矿物成分的相对稳定性对岩石抗风化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与化学成分、结晶特征及形成条件有关。
回顾----岩石的基本构成二、岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、性状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。
其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。
回顾----岩石的基本构成●岩石结构连结结晶连结和胶结连结。
结晶连结：岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。
这种连结结晶颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。
岩石力学ppt课件第三章 岩体力学性质
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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第四章岩体的基本力学性质
结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的产状、形 态、延展尺度、发育程度、密集程度。 结构面的产状：结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控 制作用。 结构面的形态：结构面的形态决定结构面抗滑力的大小，当结构 面的起伏程度较大，粗糙度高时，其抗滑力就大。 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， 完全控制岩体的强度。 结构面的密集程度：以岩体的裂隙度和切割度表征岩体结构面的 密集程度。
又A=h2，节理面的法向弹性变形量δ0=2δ，代入Boussnisq解，得 接触面为方形时，m=0.95，μ≅0.25，则上式变为
（二）节理的闭合变形 含啮合变形（配称实验）和压碎变形（非配称实验）。 下面介绍Goodman方法：
（1）结构面闭合试验（VmC的确定） 步骤： 1）备制试件； 2）作ζ-ε曲线（a）； 3）将试件切开，并配 称接触再作曲线（b）； 4）非配称接触，作曲线（c）; 5）两种节理的可压缩性法向 Nhomakorabea切向
（1）有n个点接触,每个接触 面边长为h
（2）每个接触面受力相同
（3）每个接触面力学特性 相同
2、计算公式 半无限体上作用一个集中力的布辛涅斯克（Boussnisq）解
δ－变形量；Q－荷载；A－荷载作用面积；E、μ－弹性模量、泊 松比；m－与荷载面积形状因素有关的系数，方形面积m=0.95 设节理面的边长为d，作用于节理面上的应力为ζ，则作用 在每一个接触面上的荷载
统计结构面 实测结构面
V 级结构面--细小的结构面
• Ⅰ级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳 定性，直接影响工程岩体稳定性；
• Ⅱ级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。 • Ⅲ级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较 好的层面及层间错动等。 Ⅱ、Ⅲ级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件 和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面 ，直接威胁工程安全稳定性
岩体力学第二章岩石的基本物理力学性质PPT课件
岩石的强度和破坏
强度
岩石抵抗外力破坏的能力， 通常分为抗压、抗拉和抗 剪强度。
破裂准则
描述岩石在不同应力状态 下从弹性到破坏的过渡规 律。
破裂模式
岩石破坏时的形态和方式， 如脆性、延性、剪切等。
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岩石的物理力学性质与岩体力学应用
岩石的物理力学性质在岩体工程设计中的应用
岩石的物理性质在岩体工程设计中具有重要影响， 如密度、孔隙率、含水率等参数，决定了岩体的承 载能力和稳定性。
岩石的物理力学性质在岩体工程治理中的应用
在岩体工程治理中，需要根据岩石的 物理力学性质制定相应的治理方案。
在治理过程中，还需要根据岩石的变形和 破坏模式，采取相应的监测和预警措施， 以确保工程治理的有效性和安全性。
如对于软弱岩体，可以采用加固、注浆等措 施提高其承载能力和稳定性；对于破碎岩体 ，可以采用锚固、支撑等措施防止其崩塌和 滑移。
弹性波速
表示岩石中弹性波传播速度， 与岩石的密度和弹性模量等有 关。
岩石的塑性和流变
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塑性
当应力超过岩石的屈服点 时，岩石会发生塑性变形， 不再完全恢复到原始状态。
流变
在长期应力作用下，岩石 的变形不仅与当前应力状 态有关，还与应力历史有 关。
蠕变
在恒定应力作用下，岩石 变形随时间逐渐增加的现 象。
岩体力学第二章岩石的基本物 理力学性质ppt课件
目
CONTENCT
录
• 引言 • 岩石的物理性质 • 岩石的力学性质 • 岩石的物理力学性质与岩体力学应
用 • 结论
01
引言
岩石的基本物理力学性质在岩体力学中的重要性
岩石的基本物理力学性质是岩体力学研究的基础，对于理解岩体 的变形、破坏和稳定性至关重要。
岩石的岩石的力学性质
岩石的1岩石的力学性质－岩石的变形岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。
岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。
岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。
随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。
岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。
▪ 1.5岩石变形性质的几个基本概念▪1）弹性(elasticity)：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。
▪弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：▪线弹性体：应力－应变呈直线关系。
▪非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。
▪2）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。
▪不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。
▪在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。
▪理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线.▪3）黏性(viscosity):物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。
▪应变速率与时间有关，－>黏性与时间有关▪其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），▪4）脆性(brittle):物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。
▪5）延性(ductile):物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。
▪ 1.7岩石变形指标及其确定▪岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。
3）全应力－应变曲线的工程意义▪①揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。
▪②预测岩爆。
▪若A>B，会产生岩爆▪若B>A，不会产生岩爆▪③预测蠕变破坏。
▪当应力水平在H点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。
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重点: 1、岩体结构面的分析； 2、结构面的变形特征； 3、结构面的力学效应； 4、岩体的应力-应变分析；
难点： 1、结构面的变形特征； 2、结构面的力学效应；
第四章 岩体的基本力学性质
4.1 概述
岩体是地质体，它经历过多次反复地质作用，经受过变形，遭受 过破坏，形成一定的岩石成分和结构，赋存于一定的地质环境中。 结构面：断层、节理、褶皱……统称
2、相对分类——相对工程而言的分类见表4-1。
（三）按地质力学观点分类
破坏面 破坏带 两者之间
单节理 无 充 填
节理组
节理群
羽毛状 节理
破碎带
有 充 填
充有 填粘 物性
➢（四）结构面按贯通情况分
非贯通性的结构面 结构面按贯通情况分 半贯通性的结构面
贯通性的结构面
➢（五）结构面按尺度级别分
结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体 的形状、方位和大小，控制岩体稳定性的重要因素。尤以结 构面的规模是最重要的控制因素。按结构面发育程度和规模 可以划分为如下五级：
(joint roughness coefficient) • 随粗糙度的增大，结构面的摩
擦角也增大。 • 根据标准粗糙度剖面将结构面
的粗糙度系数划分为10级。
在实际工作中可用结构面纵 剖面仪测出所研究结构面的粗糙 剖面后与图所示的标准剖面进行 对比得到。
二、结构面的分类
➢ （一）按照成因分类：原生、次生、构造
Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性 质，数量多且具随机性，其分布规律不太容易搞清楚，需用 统计方法进行研究。
• Ⅴ级 又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理 力学性质。控制岩块的力学性质。
结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的产状、形 态、延展尺度、发育程度、密集程度。
II级岩体结构 结构面断续切割——断续结构
无显结构面切割——完整结构
过渡型岩体结构：软弱结构面混杂、结构面无序排列— —散体结构
块状的——块状碎裂结构
层状的——层状碎裂结构
分类方案
各类岩体结构的地质特征 断续结构岩体
块裂结构岩体 散体结构岩体
碎裂结构岩体 碎裂结构岩体
岩体结构的唯一性及工程岩体结构的相对性
I 级结构面--区域构造起控制作用的断裂带
Ⅱ 级结构面--延展性强而宽度有限的地质界面 实测结构面
Ⅲ 级结构面--局部性的断裂构造
Ⅳ 级结构面--节理面 V 级结构面--细小的结构面
统计结构面
• Ⅰ级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳 定性，直接影响工程岩体稳定性；
• Ⅱ级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。
岩体
完整性很好——连续介质力学方法 非常破碎——土力学方法 两者之间——裂隙体力学方法
结构面影响
岩体不连续性，各向异性 反映区域性地质构造 降低岩体强度
岩体强度=岩块强度+结构面强度
结构面 岩体结构单元
结构体
坚硬结构面（干净的）
软弱结构面（夹泥的，夹层） 块状结构体（短轴的） 板状结构体（长厚比大于15的）
5、结构面面壁强度 ➢ 反映结构面表面的风化特征。 6、结构面的开度和充填物 7、结构面的渗透性 8、结构面的组数和岩块的尺寸
• 结构面侧壁的起伏形态分为：平直的a、波状的b、锯齿状的c 、台阶状的d和不规则状的e。
侧壁的起伏程度可用起伏角 (i)表示：
i arctg( 2h ) L
• 结构面的粗糙度用粗糙度系 JRC表示
三、岩体破碎程度分类
裂隙度 切割度
（一）裂隙度K 1、单组节理
单组结构面 多组结构面
设勘测线长度为 ，在 上出现
的节理的个数为n，则 ：
岩体抵抗外力作用的能力称为岩体的力学性质。包括岩体 的稳定性特征、强度特征、变形特征。
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。
岩体的赋存环境对岩体的力学性质有重要的影响。其赋存环 境包括地应力、地下水、地温三部分。
地应力对岩体力学性质的影响主要体现在： (1)地应力影响岩体的承载能力； (2)地应力影响岩体的变形和破坏机制； (3)地应力影响岩体中的应力传播的法则。
岩体结构分类依据
将软弱结构面切割成的岩体结构定为I级结构，坚硬结构面切 割成的岩体结构可定义为II级结构。
分类依据 第一个依据是结构面类型，第二个依据是结构面切割程度或 结构体类型
软弱结构面——I级岩体结构
坚硬结构面——II级岩体结构
块状结构体——块裂结构
I级岩体结构
板状结构体——板裂结构 结构面贯通切割——碎裂结构
• 1. 按成因分类 (1)原生结构面 沉积结构面：层面、层理、夹 层等 火成结构面：原生节理、流纹 面 变质结构面：片理
(2)构造结构面 断裂面 破碎带
(3)次生结构面 风化裂隙 泥化夹层
➢ （二）按照工程的要求分类
1、绝对分类
细小结构面 延长
中等结构面 巨大结构面
≤1m ≤1～10m ≥10m
结构面的产状：结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控 制作用。
结构面的形态：结构面的形态决定结构面抗滑力的大小，当结构 面的起伏程度较大，粗糙度高时，其抗滑力就大。
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， 完全控制岩体的强度。
结构面的密集程度：以岩体的裂隙度和切割度表征岩体结构面的 密集程度。
• Ⅲ级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较 好的层面及层间错动等。 Ⅱ、Ⅲ级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破 坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直 接威胁工程安全稳定性
• Ⅳ级 指延伸较差的节理、层面、次生裂隙小断层及较发育 的片理、劈理面等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整 性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。
4.2 岩体结构面分析
一、结构面定量描述的基本参数
结构面：没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，包括一切地 质分离面。
1、产状：走向、倾向、倾角，例如：N30oE 2、间距：同组相邻结构面的垂直距离，平均间距 3、延展性（持续性）：结构面迹线长度 4、粗糙度和起伏度： ➢起伏度：较大一级的起伏程度，如波浪、锯齿、台阶等。 ➢粗糙度：较小一级的凹凸不平的程度。