4-1 岩体力学性质

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 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。
Ⅰ2
板裂结构
Ⅱ Ⅱ1 Ⅱ2 Ⅱ3
完整结构
断续结构
碎裂结构
层状碎裂结构
原生岩体结构呈层状
原生岩体结构特征已消失
过度 型
散体结构
软硬结构面混杂、 碎屑状散体结构 无序排列切 糜棱化散体结构 割
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；
整体强度较 高．结构面互 相牵制．岩基 本稳定，接近 弹性各向同性 体
不稳定结构体 的局部滑动或 坍塌．深埋洞 室的岩爆
岩体结构类型－3
岩 体 岩体 构 地质 类 类型 型 主 要 结 结构面发 构 育情况 体 形 状
岩土工 程特征
可能发 生的岩 上工程 问题
层 状 结 构
多韵 律的 薄层 及 中厚 层状 沉积 岩、 副变 质岩
整体性强 度高，岩 体稳定， 可视为均 质弹性各 向同性体
不稳定结 构体的局 部滑动或 坍．深埋 洞室的岩 爆
岩体结构类型－2
岩 体 构 类 型
主要 结构 结构面发育情况 体形 状
岩体地质 类型
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
只具有少量贯穿 性较好的节理裂 隙．裂隙结构面 块状 问距0.7～ 柱状 1.5m。一般为2～ 3组．有少量分离 体
层 状 板 状 透 镜 体
有层理、 片理、节 理带有层 间错动面
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
不稳定 结构体 可能产 生滑 塌．特 别是岩 层的弯 张破坏 及软弱 岩层的 塑性变 形
岩体结构类型－4
主 岩 要 体 结 岩体地 构 构 质类型 类 体 型 形 状
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，
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； 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。
岩体变形破坏主要受岩体结构的制约;
与此同时，国际上也提出了类似的概念。 从而把岩体裂隙性研究提高了一步，由 于岩体结构的力学效应与工程规模密切 有关，为认识岩体本质、分析岩体稳定 性创立了一个应用基础理论。
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：
散 体 状 结 构
构造 影响 剧烈 的 断层 破碎 带， 强风 化带 ，全 风化 带
碎 屑 状 颗 粒 状
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
易引起 规模较 大的岩 体失稳、 地下水 加剧岩 体失稳
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。
（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。
上表2-1中的岩体结构类型是比较典型 的类型，但在实际岩体中，岩体结构类 型是比较复杂的，我们这里不再做深究 和讨论。
矿山岩体力学
华北科技学院 安全工程学院
2014-7-9
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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。
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，
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。
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 结构面发 构 育情况 体 形 状
断层破碎 带交 叉．构造 及风化裂 隙密 集．结构 及组合错 综复杂， 并多充填 粘性 土．形成 许多大小 不一的分 离岩块
岩土工 程特征
可能发 生的岩 上工程 问题
结构面发育 情况
岩土工程 特征
可能发生 的岩上工 程问题
碎 裂 状 结 构
构造影 碎 严重的 块 破碎岩 状 层
断层、断层 破碎带、片 理、层理及 层间结构面 较发育，裂 隙结构面 间 距0.25— 0.5m，一般 在3组以 上．由许多 分离体形成
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
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 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。 影响岩体中的应力传播的法则，使不连续变形转化为连续变形。 赋存环境： 地下水：影响岩体的变形、破坏和稳定性。 地温
4.2.3 各类结构的地质特征 根据上述的分类，各岩体结构类型的地质特 征如下：
压力愈合 完整结构岩体：多半是碎裂结构岩体中结构面被后生作用愈合而成。 胶结愈合 块裂结构岩体：是多组或至少有一组软弱结构面切割及坚硬结构面参与切割的 岩体结构。 板裂结构岩体：主要发育于经过褶皱作用的层状岩体内，受一种软弱结构面切 岩体结构 割，结构体呈板状。 碎裂结构岩体：切割岩体的结构面是有规律的，主要为原生结构面及构造结构面。 其结构体块度较大且较均匀。 断续结构岩体：是显结构面不连续，对岩体切而不断，形不成独立的结构体。 构造型 散体结构岩体：其结构面无序分布，结构面既有软弱的也有坚硬的 风化型
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：
坚硬结构面 结构面 软弱结构面 岩体结构单元 结构体 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 ，j．楔、锥形结构体；i．板状结构体
4.2岩体结构的基本类型 4.2.1岩体结构分类依据 （1）第一依据规定结构级序：
软弱结构面 级岩体结构 结构面类型 坚硬结构面 级岩体结构 过渡性岩体结构
（2）第二依据规定岩体结构的基本类型:
块状结构体—块裂结构 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 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 过渡性岩体结构：软硬结构面混杂、结构面无序状排列—散体结构
岩体结构类型－1
岩 体 岩体 构 地质 类 类型 型 主 要 结 构 体 形 状 可能发生 岩土工程 的岩上工 特征 程问题
结构面发育 情况
整 体 状 结 构
均质， 巨块 状岩 浆岩、 变质 巨 岩． 块 状 巨厚 层沉 积岩、 正变 质岩
以原生构造 节理为 主．多呈闭 合型，裂隙 结构面间距 大于1.5m, 一般不超过 l～2组．无 危险结构面 组成的落石 掉块
（3）亚类划分依据：
块状的 层状的
4.2.2 岩体结构类型 根据上述分类依据，可将岩体进行如 下分类，如表2-1所示：
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 一组软弱结构面 切割，板状 结构体 无明显结构面切 割 显结构面断续切 割 坚硬结构面贯通 切割，结构 体为块状 亚类 块状块裂结构 层状块裂结构 块状板裂结构 层状板裂结构 块状完整结构 板状完整结构 块状断续结构 层状断续结构 块状碎裂结构 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
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。
并于20世纪60年代初建立了岩体结构的概念，
提出了结构面、结构体是岩体结构的基本单元，
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Байду номын сангаас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。
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。
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 （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。