岩石结构面、力学性质岩体力学.ppt

岩石力学岩石力学3.1 概述概述 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。岩石力学岩石力学 结构面（亦称弱面）：岩体内存在的各种地质界面，包括：不连续面和物质分异面，如裂隙、节理、层理、软弱夹层、断层及断裂破碎带等。结构体（亦称岩块）：岩体中的各种结构面依其本身的产状，彼此组合将岩体切割成形态不一、大小不等以及成分各异的岩石块体，称为结构体。岩石力学岩石力学 岩体的变形与强度，取决于构成岩体的岩块和结构面的力学性能。结构面弱化了岩体的力学性能，决定了岩体工程的稳定性，导致岩体的各向异性，成为岩体渗流的主要通道。大至地震、滑坡，小到地下工程的冒顶、片邦，一般都是沿结构面活动和发展的。岩石力学岩石力学3.2 岩体结构的基本类型岩体结构的基本类型 岩体结构是指岩体中结构面与结构体的空间排列组合特征。岩体结构包括两个基本要素或称结构单元，即结构面和结构体。3.2.1 结构体特征结构体特征 结构体的大小及形态主要取决于结构面的密度及其空间组合关系。结构体常见的形状有：块状、柱状、层状、板状、碎块状及碎屑状。岩石力学岩石力学3.2.2 岩体结构的类型岩体结构的类型 在在岩土工程勘察规范（岩土工程勘察规范（GB 50021-2001）中，将岩体中，将岩体结构划分为结构划分为5大类（见下表）。大类（见下表）。岩石力学岩石力学岩体岩体结结构构类类型型岩体地岩体地质质类类型型结结构体构体形状形状结结构面构面发发育情况育情况岩土工程特岩土工程特征征可能可能发发生的生的岩土工程岩土工程问问题题整体状整体状结结构构 巨巨块块状状岩岩浆浆岩和岩和变质变质岩岩巨巨块块状状 以以层层面和原生、面和原生、构造构造节节理理为为主，主，多呈多呈闭闭合型，合型，间间距大于距大于1.5m，一，一般般为为12组组，无，无危危险结险结构构 岩体岩体稳稳定，定，可可视为视为均均质质弹弹性各性各项项同同性体性体 局部滑局部滑动动或坍塌；深或坍塌；深埋洞室的岩埋洞室的岩爆爆 块块状状结结构构 厚厚层层状状沉沉积积岩，岩，块块状岩状岩浆浆岩和岩和变质变质岩岩块块 状状柱柱 状状 有少量有少量贯贯穿性穿性节节理裂隙，理裂隙，结结构面构面间间距距0.71.5m，一般一般为为23组组，有少量分离体有少量分离体 结结构面互相构面互相牵牵制，岩体制，岩体基本基本稳稳定，定，接近接近弹弹性各性各项项同性体同性体层层状状结结构构 多韵律多韵律薄薄层层、中、中厚厚层层状沉状沉积积岩，副岩，副变质变质岩岩层层 状状板板 状状 有有层层理、片理、理、片理、节节理，常有理，常有层间层间错动错动 变变形和形和强强度度受受层层面控制，面控制，可可视为视为各向各向异性异性弹弹塑性塑性体，体，稳稳定性定性极差极差 可沿可沿结结构构面滑塌；面滑塌；软软岩可岩可产产生塑生塑性性变变形形碎裂状碎裂状结结构构 构造影构造影响响严严重的重的破碎岩破碎岩层层碎碎块块状状 断断层层、节节理、片理、片理、理、层层理理发发育，育，结结构面构面间间距距0.250.5m，一般，一般为为3组组以上，有以上，有许许多分离体多分离体 整体整体强强度很度很低，并受低，并受较较弱弱结结构面控构面控制，呈制，呈弹弹塑塑性体，性体，稳稳定定性很差性很差 易易发发生生规规模模较较大的岩大的岩体失体失稳稳；地；地下水加下水加剧剧失失稳稳散体状散体状结结构构 断断层层破破碎碎带带，强强风风化及全化及全风风化化带带碎屑状碎屑状 构造和构造和风风化裂隙化裂隙密集，密集，结结构面构面错错综综复复杂杂，多充填，多充填粘性土，形成无粘性土，形成无序小序小块块和碎屑和碎屑 完整性遭极完整性遭极大破坏，大破坏，稳稳定性极差，定性极差，接近松散体接近松散体介介质质 易易发发生生规规模模较较大的岩大的岩体失体失稳稳；地；地下水加下水加剧剧失失稳稳岩石力学岩石力学3.3 结构面的特性结构面的特性3.3.1 结构面的几何特征结构面的几何特征3.3.1.1 结构面的产状结构面的产状 是指结构面在空间的分布状态，可由走向、倾向和倾角是指结构面在空间的分布状态，可由走向、倾向和倾角三要素来表示。三要素来表示。（1）走向：是指结构面与水平面相交的交线方向；）走向：是指结构面与水平面相交的交线方向；（2）倾向：是与走向成垂直的方向，它是结构面上倾斜）倾向：是与走向成垂直的方向，它是结构面上倾斜线最陡的方向；线最陡的方向；（3）倾角：是指水平面与结构面之间所夹的最大角度。）倾角：是指水平面与结构面之间所夹的最大角度。由于走向可根据倾向来加以推算，故一般只用倾向、倾由于走向可根据倾向来加以推算，故一般只用倾向、倾角来表示。角来表示。岩石力学岩石力学 结构面产状由倾向角结构面产状由倾向角和和 倾角倾角确定。确定。表示结构面的外法线，设为表示结构面的外法线，设为单位矢量，则在坐标轴上的分量分别为：单位矢量，则在坐标轴上的分量分别为：sinsin，sincos ,con。这。这样，结构面的空间方位就可用单位矢量来表示，即样，结构面的空间方位就可用单位矢量来表示，即 =(sinsin,sincos,con)岩石力学岩石力学3.3.1.2 结构面的连续性结构面的连续性 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。迹长、线连续性系数和面连续性系数表示。（1）迹长）迹长 结构面与勘测面交线的长度，称为迹长。结构面与勘测面交线的长度，称为迹长。国际岩石力学学会国际岩石力学学会(ISRM，1978年年)制订的分级标准制订的分级标准(见见下表下表)。描描 述述很低很低连连续续性性低低连连续续性性中等中等连连续续性性高高连续连续性性很高很高连连续续性性迹迹长长/m20岩石力学岩石力学 （2）线连续性系数）线连续性系数 Kl 是指沿结构面延伸方向上，结构面各段长度之和与测线是指沿结构面延伸方向上，结构面各段长度之和与测线长度的比值长度的比值。岩石力学岩石力学（3）面连续性系数 Ka 是指结构面延伸方向，结构面面积之和与被测试岩体总面是指结构面延伸方向，结构面面积之和与被测试岩体总面积的比值，即积的比值，即 式中：式中：a结构面面积之和，结构面面积之和，m2；A被测试岩体总面积，被测试岩体总面积，m2；岩石力学岩石力学3.3.1.3 结构面的密度结构面的密度 是指结构面发育的密集程度，常用线密度、间距等指标是指结构面发育的密集程度，常用线密度、间距等指标表示。表示。（1）线密度）线密度 K：是指结构面法线方向单位测线长度上：是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数交切结构面的条数(条条m)；（2）间距）间距d：是指同一组结构面法线方向上两相邻结构：是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。面的平均距离。两者互为倒数关系，即两者互为倒数关系，即岩石力学岩石力学 当岩体上有组方向的结构面时，如下图所示，有两组结构面：则沿测线上的n组结构面间距为：,.,岩石力学岩石力学结构面的密度为：结构面的密度为：ISRM(1978年年)结构面密度分级标准（见下表）。结构面密度分级标准（见下表）。描述描述极密集极密集很密很密集集密集密集中等密中等密集集稀疏稀疏很稀疏很稀疏极稀极稀疏疏间间距距/mm6000岩石力学岩石力学3.3.1.4 结构面的张开度结构面的张开度 是指结构面两壁面间的垂直距离，分级见下表。是指结构面两壁面间的垂直距离，分级见下表。描描 述述结结构面构面张张开度开度/mm状状态态很很紧紧密密紧紧密密部分部分张张开开 10裂开裂开结结构面构面很很宽宽的的极极宽宽的的似洞穴的似洞穴的101001001000 1000 张张开开结结构面构面岩石力学岩石力学 注意：注意：一般张开结构面具有较大的张开度，往往成为一般张开结构面具有较大的张开度，往往成为地下水的通道。在漫长的地质年代作用下，水流中得一部分地下水的通道。在漫长的地质年代作用下，水流中得一部分物质残留或沉积在结构面中；结构面的面壁被风化后，也会物质残留或沉积在结构面中；结构面的面壁被风化后，也会有一部分物质遗留下来；另外，由于后期的地质作用，使得有一部分物质遗留下来；另外，由于后期的地质作用，使得张开的裂缝由一些矿物重新胶结在一起等。这些处在结构面张开的裂缝由一些矿物重新胶结在一起等。这些处在结构面裂缝中的物质被称作充填物，此时结构面的强度将主要由充裂缝中的物质被称作充填物，此时结构面的强度将主要由充填物决定。填物决定。岩石力学岩石力学3.3.1.5 结构面的形态结构面的形态 通常用结构面侧壁的粗糙度通常用结构面侧壁的粗糙度及起伏度来描述。及起伏度来描述。（1）结构面的粗糙度）结构面的粗糙度 可用粗糙度系数可用粗糙度系数JRC（Joint Roughness Cocfficient）来表示。）来表示。巴顿（巴顿（Barton，1977）提出）提出将结构面粗糙度分为将结构面粗糙度分为10级，分别级，分别给出了典型剖面及给出了典型剖面及JRC的值，见的值，见右图。右图。岩石力学岩石力学 在实际工作中，可用在实际工作中，可用结构面纵剖面仪结构面纵剖面仪测出待测结构面的实际粗糙剖测出待测结构面的实际粗糙剖面，然后与上图的标准剖面对比确定结构面的粗糙度系数。这种方法显面，然后与上图的标准剖面对比确定结构面的粗糙度系数。这种方法显然带有目测的主观性，误差较大。然带有目测的主观性，误差较大。比较准确的方法是采用巴顿提出的结构面抗剪强度公式，通过结构比较准确的方法是采用巴顿提出的结构面抗剪强度公式，通过结构面压剪试验，反算结构面粗糙度系数，即面压剪试验，反算结构面粗糙度系数，即式中：式中：结构面压剪试验峰值时的剪应力，结构面压剪试验峰值时的剪应力，MPa；结构面压剪试验峰值时的正应力，结构面压剪试验峰值时的正应力，MPa；基本摩擦角（未风化平滑结构面的摩擦角），基本摩擦角（未风化平滑结构面的摩擦角），；JCS结构面壁面抗压强度，结构面壁面抗压强度，MPa。岩石力学岩石力学 国际岩石力学学会（国际岩石力学学会（ISRM）建议采用施密特锤）建议采用施密特锤（Schmidt锤，即回弹仪）测试结构面壁面抗压强度。根据实锤，即回弹仪）测试结构面壁面抗压强度。根据实验测定的回弹值，按下式计算，即验测定的回弹值，按下式计算，即 式中：式中：岩石的重度，岩石的重度，kN/m3；R回弹值（无因次）。回弹值（无因次）。岩石力学岩石力学（2）结构面的起伏度）结构面的起伏度 可用起伏角来描述，见下图。可用起伏角来描述，见下图。岩石力学岩石力学3.3.2 结构面的分类结构面的分类按地质成因分类按地质成因分类 根据地质成因的不同，可将结构面划分为：根据地质成因的不同，可将结构面划分为：（1）原生结构面）原生结构面 沉积结构面；沉积结构面；岩浆结构面岩浆结构面；变质结构面变质结构面。（2）构造结构面）构造结构面 （3）次生结构面）次生结构面岩石力学岩石力学3.3.2.2 按结构面破坏属性分类按结构面破坏属性分类 缪勒缪勒(Mller)根据岩体结构面的破坏属性和分布密度两方根据岩体结构面的破坏属性和分布密度两方面的因素，将结构面分为面的因素，将结构面分为5大类型：大类型：（1）单个节理；）单个节理；（2）节理组；）节理组；（3）节理群；）节理群；（4）节理带；）节理带；（5）破坏带或糜棱岩。）破坏带或糜棱岩。再考虑按节理中的充填材料性质和充填程度，又将每种类再考虑按节理中的充填材料性质和充填程度，又将每种类型分成型分成3个细类。这样，共将结构面分为个细类。这样，共将结构面分为15个细类。个细类。岩石力学岩石力学1a-粗节理；粗节理；2a-粗节理粗节理组；组；3a-巨节理群；巨节理群；4a-带带有羽毛状节理的粗节理；有羽毛状节理的粗节理；5a-破裂带；破裂带；1b-充填风化充填风化物的粗节理；物的粗节理；2b-充填风充填风化物的粗节理组；化物的粗节理组；3b-带带有巨节理的破坏带；有巨节理的破坏带；4b-带有边缘粗节理的破坏带；带有边缘粗节理的破坏带；5b-近糜棱岩（构造角砾）近糜棱岩（构造角砾）带；带；1c-有粘土充填的粗有粘土充填的粗节理；节理；1-由粘土组成的破由粘土组成的破坏带的粗节理；坏带的粗节理；2c-充填充填粘土的粗节理群；粘土的粗节理群；3c-带带有糜棱岩的巨节理；有糜棱岩的巨节理；4c-带有粗节理的糜棱岩带；带有粗节理的糜棱岩带；5c-糜棱岩带糜棱岩带岩石力学岩石力学3.3.3 结构面的分级结构面的分级（见下表）（见下表）级级序序分布分布规规模模地地质类质类型型力学属性力学属性工程地工程地质评质评价价级级一般延伸一般延伸约约数数千米至数十千千米至数十千米以上，破碎米以上，破碎带宽约带宽约数米至数米至数十米乃至几数十米乃至几百米以上。百米以上。通常通常为为大大断断层层或区或区域性断域性断层层。属于属于软软弱弱结结构面，构面，通常通常处处理理为计为计算模算模型的型的边边界界区域性大断区域性大断层层往往具有往往具有现现代活代活动动性，性，给给工程建工程建设带设带来很大的来很大的危害，直接控制区域性岩体及危害，直接控制区域性岩体及其工程的整体其工程的整体稳稳定性。一般工定性。一般工程程应应尽量避开。尽量避开。级级贯贯穿整个工程穿整个工程岩体，岩体，长长度一度一般数百米至数般数百米至数千米，破碎千米，破碎带带宽宽数十厘米至数十厘米至数米。数米。多多为较为较大大的断的断层层、层间错动层间错动、不整合面不整合面及原生及原生软软弱弱夹层夹层等。等。属于属于软软弱弱结结构面、构面、滑滑动块动块裂裂体的体的边边界界通常控制工程区的山体或工程通常控制工程区的山体或工程围围岩岩稳稳定性，构成滑定性，构成滑动动岩体岩体边边界，直接威界，直接威胁胁工程的安全工程的安全稳稳定定性。工程性。工程应应尽量避开或采取必尽量避开或采取必要的要的处处理措施。理措施。级级延伸延伸长长度度为为数数十米至数百米，十米至数百米，破碎破碎带宽带宽度度为为数厘米至数厘米至1m左左右。右。断断层层、节节理、理、发发育育好的好的层层面面及及层间错层间错动动，软软弱弱夹层夹层等。等。多数也属多数也属于于软软弱弱结结构面，或构面，或较坚较坚硬硬结结构面构面主要影响或控制工程岩体，如主要影响或控制工程岩体，如地下洞室地下洞室围围岩及岩及边边坡岩体的坡岩体的稳稳定性等。定性等。级级延伸延伸长长度度为为数数十厘米至十厘米至2030m，小者，小者仅仅数数厘米至十几厘厘米至十几厘米，米，宽宽度度为为零零至数厘米不等。至数厘米不等。节节理、理、层层面、次生面、次生裂隙、小裂隙、小断断层层及及较较发发育的片育的片理、劈理理、劈理面等。面等。多数多数为坚为坚硬硬结结构面；构面；构成岩构成岩块块的的边边界面界面该级结该级结构面数量多，分布有随构面数量多，分布有随机性，主要影响岩体的完整性机性，主要影响岩体的完整性和力学性和力学性质质，是岩体分，是岩体分类类及岩及岩体体结结构研究的基构研究的基础础，也是，也是结结构构面面统计统计分折和模分折和模拟拟的的对对象。象。级级规规模小，模小，连续连续性差，常包含性差，常包含在岩在岩块块内。内。隐节隐节理、理、微微层层面、面、微裂隙及微裂隙及不不发发育的育的片理、劈片理、劈理等。理等。属于硬属于硬结结构面构面主要影响或控制岩主要影响或控制岩块块的物理力的物理力学性学性质质。岩石力学岩石力学3.3.4 结构面的试验方法结构面的试验方法u 对于结构面，其尺寸从几厘米到数十千米。对于结构面，其尺寸从几厘米到数十千米。u在进行岩体的稳定性分析时，对于结构面的影响不可能不分在进行岩体的稳定性分析时，对于结构面的影响不可能不分巨细地一概单独考虑。巨细地一概单独考虑。u通常认为极细小的结构面，其影响包含在岩块的变形或强度通常认为极细小的结构面，其影响包含在岩块的变形或强度试验指标中；试验指标中；u较小的结构面，其影响则包含在岩体的变形或强度试验指标较小的结构面，其影响则包含在岩体的变形或强度试验指标中；中；u对于与工程尺度相当的较大型结构面，如隧道围岩中长度大对于与工程尺度相当的较大型结构面，如隧道围岩中长度大于于45m的结构面，其影响应该专门考虑，并进行必要的试验的结构面，其影响应该专门考虑，并进行必要的试验研究。如在有限元等数值计算方法中，一般将结构面划分为特研究。如在有限元等数值计算方法中，一般将结构面划分为特有的有的“节理单元节理单元”。岩石力学岩石力学 结构面力学性质的研究，同样可以通过试验的结构面力学性质的研究，同样可以通过试验的方法。方法。结构面一般为软弱的地质界面，其破坏方式一结构面一般为软弱的地质界面，其破坏方式一般为剪切破坏，所以研究结构面在剪应力作用下的般为剪切破坏，所以研究结构面在剪应力作用下的抗剪强度及其变形性质显得格外重要。抗剪强度及其变形性质显得格外重要。岩石力学岩石力学3.3.4.1 倾斜仪法倾斜仪法 将带有弱面的岩块放在倾斜仪上，施加水平推力将带有弱面的岩块放在倾斜仪上，施加水平推力P，使，使试件沿弱面发生剪切破坏，见下图。试件沿弱面发生剪切破坏，见下图。岩石力学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：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：式中：式中：P试件沿结构面发生剪切破坏时所施加的最大荷载，试件沿结构面发生剪切破坏时所施加的最大荷载，MN；A剪切破坏面（即结构面）的面积，剪切破坏面（即结构面）的面积，m2；倾角，倾角，；结构面的抗剪强度，结构面的抗剪强度，MPa；作用在结构面上的正应力，作用在结构面上的正应力，MPa。岩石力学岩石力学 如变动倾角如变动倾角，就可得到一组（，就可得到一组（，）数据，并在）数据，并在坐标坐标系上画出结构面的抗剪强度曲线，见下图。系上画出结构面的抗剪强度曲线，见下图。岩石力学岩石力学3.3.4.2 直剪仪法直剪仪法 利用直接剪切仪测定结构面的抗剪强度及其变形性质，见利用直接剪切仪测定结构面的抗剪强度及其变形性质，见下图。下图。一般压剪（容许剪胀）一般压剪（容许剪胀）刚性压剪（不容许剪胀）刚性压剪（不容许剪胀）岩石力学岩石力学 首先施加正应力首先施加正应力N，并保持其恒定不变。然后施加切向力，并保持其恒定不变。然后施加切向力T，并按一定加载速度增大，并按一定加载速度增大T值，直到试件沿结构面发生剪切破值，直到试件沿结构面发生剪切破坏为止。坏为止。当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应力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：有：式中式中:T试件沿弱面发生剪切破坏时所施加的最大切向力，试件沿弱面发生剪切破坏时所施加的最大切向力，MN；N正压力，正压力，MN：A剪切破坏面（即结构面）的面积，剪切破坏面（即结构面）的面积，m2；结构面的抗剪强度，结构面的抗剪强度，MPa；作用在结构面上的正应力，作用在结构面上的正应力，MPa。岩石力学岩石力学 试试验验时时，取取n个个相相同同的的岩岩石石试试件件，并并含含有有相相同同的的结结构构面面。每每次次试试验验时时所所施施加加的的N值值都都不不相相同同，这这样样便便得得到到n组组（，）数数据据，并并在在坐坐标标系系中中标标出出这这些些试试验验点点，同同样样可可获获得得结结构构面面的的抗抗剪剪强度曲线。强度曲线。岩石力学岩石力学3.3.4.3 三轴仪法三轴仪法 当结构面具有很大的倾角时，可采用三轴压缩试验的方法当结构面具有很大的倾角时，可采用三轴压缩试验的方法确定结构面的抗剪强度曲线。确定结构面的抗剪强度曲线。采用圆柱形试件，含有结构面，如下图所示。采用圆柱形试件，含有结构面，如下图所示。首先保持围压恒定不变，并按一定加载速度增加轴压直至首先保持围压恒定不变，并按一定加载速度增加轴压直至试件沿结构面发生剪切破坏，记录下试件沿结构面发生剪切破试件沿结构面发生剪切破坏，记录下试件沿结构面发生剪切破坏时的轴向应力和围压。坏时的轴向应力和围压。岩石力学岩石力学 试验时，取试验时，取n个相同的岩石试件，并含有相同的结构面。个相同的岩石试件，并含有相同的结构面。但每次施加的围压都不相同，这样便可得到但每次施加的围压都不相同，这样便可得到n组剪切破坏时的组剪切破坏时的（1，3）数据，从而可画出一组极限应力圆，如下图所示。）数据，从而可画出一组极限应力圆，如下图所示。在极限应力圆上找出代表弱面的点，连接这些点便得到结构面在极限应力圆上找出代表弱面的点，连接这些点便得到结构面的强度曲线。的强度曲线。岩石力学岩石力学3.3.4.4 现场试验法现场试验法(原位原位)在现场就地切割岩体，靠千斤顶或扁千斤顶施加正应力在现场就地切割岩体，靠千斤顶或扁千斤顶施加正应力和剪切力，从而测定结构面的抗剪强度。和剪切力，从而测定结构面的抗剪强度。1施加正压力的扁千斤顶；施加正压力的扁千斤顶；2施加剪切力的扁千斤顶；施加剪切力的扁千斤顶；3混凝土垫层；混凝土垫层；4石灰岩；石灰岩；5褐煤褐煤岩石力学岩石力学3.3.5 结构面的变形性质结构面的变形性质l结构面在受压时可能闭合，充填物被压密；结构面在受压时可能闭合，充填物被压密；l受拉时可能脱开；受拉时可能脱开；l受剪时其上下岩面可能沿弱面发生相对错动。受剪时其上下岩面可能沿弱面发生相对错动。3.3.5.1 结构面的压缩变形性质结构面的压缩变形性质（1）“-v”曲线曲线 在法向应力作用下结构面的法向变形特征通常用在法向应力作用下结构面的法向变形特征通常用“-v”曲线来表示（曲线来表示（为作用在结构面上的法向应力，为作用在结构面上的法向应力，v为结构面为结构面法向相对变形）。法向相对变形）。采用上述试验方法不施加剪应力，便可获得结构面的采用上述试验方法不施加剪应力，便可获得结构面的“-v”曲线。曲线。岩石力学岩石力学（a）具有抗拉能力的结构面；）具有抗拉能力的结构面；（b）无抗拉能力的结构面）无抗拉能力的结构面 。结构面在天然岩体中的初始应力；结构面在天然岩体中的初始应力；St 结构面的抗拉强度；结构面的抗拉强度；Vmc 结构面的极限压密量结构面的极限压密量岩石力学岩石力学p试验结果表明，试验结果表明，“-v”曲线不是线性的，因而其法向刚度曲线不是线性的，因而其法向刚度系数系数Kn（“-v”曲线的切线斜率）也不是常数。曲线的切线斜率）也不是常数。p当法向应力大于初始应力（当法向应力大于初始应力（。）时，结构面闭合。）时，结构面闭合。p当法向应力小于初始应力（当法向应力小于初始应力（t 时，剪切滑移时齿被剪断，产生切齿效应，从而表现出似粘结力时，剪切滑移时齿被剪断，产生切齿效应，从而表现出似粘结力 Cr，结构面的内摩擦角降低至，结构面的内摩擦角降低至r，则，则 式中：式中：Cr 因齿被剪断而呈现出的似（等效）粘结力，因齿被剪断而呈现出的似（等效）粘结力，MPa；r 齿剪断后结构面的内摩擦角，齿剪断后结构面的内摩擦角，。岩石力学岩石力学 （3）莱旦尼（）莱旦尼（Ladanyi）与阿彻姆包特（）与阿彻姆包特（Archambault）准）准则（简称则（简称L&A准则）准则）莱旦尼与阿彻姆包特认为，结构面的总剪切破坏力是由四莱旦尼与阿彻姆包特认为，结构面的总剪切破坏力是由四部分组成的，即：部分组成的，即：u克服平直结构面摩擦力所需要的剪切力；克服平直结构面摩擦力所需要的剪切力；u使倾斜结构面上块滑升所需要的剪切力；使倾斜结构面上块滑升所需要的剪切力；u克服结构面斜齿面在垂直投影面上摩擦力所需要的剪切力；克服结构面斜齿面在垂直投影面上摩擦力所需要的剪切力；u使一部分齿被剪断所需要的剪切力。使一部分齿被剪断所需要的剪切力。岩石力学岩石力学准则方程为：准则方程为：式中：式中：s 比例系数（即齿被剪断部位总面积与结构面总剪切面积之比例系数（即齿被剪断部位总面积与结构面总剪切面积之比），比），其值为其值为0s 1；Kv剪胀率（结构面的垂直位移与水平位移之比，即剪胀率（结构面的垂直位移与水平位移之比，即 ）；）；C0 结构面两侧岩石的粘结力，结构面两侧岩石的粘结力，MPa；0结构面两侧岩石的内摩擦角，结构面两侧岩石的内摩擦角，；岩石力学岩石力学 s和和Kv 的经验公式：的经验公式：式中式中：L,K 经验系数，对粗糙岩面经验系数，对粗糙岩面K=4；L=1.5。岩石力学岩石力学几点讨论几点讨论：1）L&A准则准则图形如下图所示，为一连续的弯转曲线。试图形如下图所示，为一连续的弯转曲线。试验结果表明，该准则方程及其曲线能很好地拟合一些齿状结验结果表明，该准则方程及其曲线能很好地拟合一些齿状结构面的试验结果。构面的试验结果。岩石力学岩石力学 2）当结构面上的正应力较低时，不会出现切齿现象，则）当结构面上的正应力较低时，不会出现切齿现象，则s=0,可得可得Kv=tan i，=tan(+i)与佩顿双线性强度准则相同；与佩顿双线性强度准则相同；3）当结构面的正应力达到了结构面的壁面抗压强度，即）当结构面的正应力达到了结构面的壁面抗压强度，即=JRS时，可得时，可得s=1，Kv=0，=C0+tan0，转化为岩块强度的，转化为岩块强度的库仑准则；库仑准则；4）当无剪胀时，）当无剪胀时，Kv=0，可得：，可得：岩石力学岩石力学 L&A准则同时考虑了齿被部分剪断和剪胀现象，是比较准则同时考虑了齿被部分剪断和剪胀现象，是比较完善的结构面强度理论。但由于比例系数完善的结构面强度理论。但由于比例系数s与结构面的接触与结构面的接触类型、结构面所受正应力、节理的啮合情况等许多因素有关，类型、结构面所受正应力、节理的啮合情况等许多因素有关，其值较难精确确定，故在一定程度上限制了该理论的实际应其值较难精确确定，故在一定程度上限制了该理论的实际应用。而对于双线性强度准则，由于概念清晰，参数少，在工用。而对于双线性强度准则，由于概念清晰，参数少，在工程中应用较为广泛。程中应用较为广泛。岩石力学岩石力学3.3.6.3 结构面剪切破坏的判断方法及影响区间结构面剪切破坏的判断方法及影响区间 在实际工程中，往往可以通过测试手段测出主应力的大在实际工程中，往往可以通过测试手段测出主应力的大小及作用方向，也可探明结构面与主应力方向相交的角度，如小及作用方向，也可探明结构面与主应力方向相交的角度，如下图所示。下图所示。在这种条件下，怎样判断作用在结构面上在这种条件下，怎样判断作用在结构面上的剪应力是否达到或超过其抗剪强度而使结的剪应力是否达到或超过其抗剪强度而使结构面发生剪切破坏呢？构面发生剪切破坏呢？岩石力学岩石力学p首先在首先在坐标系统绘制拟判断结构面的强度曲线。然后在同一图上，根坐标系统绘制拟判断结构面的强度曲线。然后在同一图上，根据岩体中的最大主应力据岩体中的最大主应力1和最小主应力和最小主应力3绘制应力圆，并在应力圆上定出代绘制应力圆，并在应力圆上定出代表结构面应力状态的点。因为结构面与最小主应力表结构面应力状态的点。因为结构面与最小主应力3的夹角为的夹角为，所以应当从，所以应当从3做一直线做一直线AB与与轴呈轴呈角。直线角。直线AB与应力圆相交于与应力圆相交于M点，该点就是代表结构点，该点就是代表结构面应力状态的点，面应力状态的点，M点的坐标（点的坐标（，）即为作用于结构面上的应力值。）即为作用于结构面上的应力值。p根据根据M点是落在强度曲线上方或下方，来判断结构面是否发生破坏。当点是落在强度曲线上方或下方，来判断结构面是否发生破坏。当M点落在点落在AF弧（不包括弧（不包括F点）或点）或DE弧（不包括弧（不包括D点）上时，点）上时，(为结构面为结构面抗剪强度抗剪强度)，表示，表示M点代表的结构面不会发生剪切破坏；当点代表的结构面不会发生剪切破坏；当M点落在点落在F、D两点两点上时，上时，表示刚好沿结构面发生剪切破坏，表示刚好沿结构面发生剪切破坏(或称之为极限平衡状态或称之为极限平衡状态)；当；当M点落在点落在FD弧（不包括弧（不包括F、D点）上时，点）上时，表示岩体早已沿结构面发生，表示岩体早已沿结构面发生剪切破坏，这种状态事实上不可能存在。剪切破坏，这种状态事实上不可能存在。岩石力学岩石力学 从上述分析可以看出，当结构面与最小主应力从上述分析可以看出，当结构面与最小主应力3作用作用方向的夹角方向的夹角在在1与与2区间内时，岩体才会沿结构面破坏。区间内时，岩体才会沿结构面破坏。如果结构面不是位于这两个角度范围内，它就不能对岩体如果结构面不是位于这两个角度范围内，它就不能对岩体强度起控制作用，岩体将沿新的某个剪切面破坏。则强度起控制作用，岩体将沿新的某个剪切面破坏。则1，2定义为结构面的影响区间。定义为结构面的影响区间。岩石力学岩石力学3.3.7 影响结构面力学性质的因素影响结构面力学性质的因素结构面是岩体中的薄弱环节，其力学性质的影响因素包括：结构面是岩体中的薄弱环节，其力学性质的影响因素包括：l结构面两侧岩石的力学性质（已讲）；结构面两侧岩石的力学性质（已讲）；l结构面几何特征（已讲）；结构面几何特征（已讲）；l充填物的性质（已讲）；充填物的性质（已讲）；l结构面的尺寸大小；结构面的尺寸大小；l前期变形历史；前期变形历史；l含水量；含水量；l后期加载过程等。后期加载过程等。岩石力学岩石力学3.3.7.1 尺寸效应（表现规律）尺寸效应（表现规律）（1）随着结构面面积的增加，峰值剪应力（峰值强度）随着结构面面积的增加，峰值剪应力（峰值强度）呈现减小趋势；呈现减小趋势；（2）随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度的位移量增）随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度的位移量增大；大；（3）随着尺寸的增大，剪切破坏形式由脆性变形型向塑）随着尺寸的增大，剪切破坏形式由脆性变形型向塑性变形型转化；性变形型转化；（4）尺寸加大，峰值剪胀率减小；）尺寸加大，峰值剪胀率减小；（5）随结构面粗糙度减小，尺寸效应也减小。）随结构面粗糙度减小，尺寸效应也减小。岩石力学岩石力学3.3.7.2 前期变形历史前期变形历史l天然岩体中的结构面在形成过程中和形成之后，大多经历过天然岩体中的结构面在形成过程中和形成之后，大多经历过位移或变形。位移或变形。l新鲜结构面的抗剪强度明显高于受过剪切作用结构面的抗剪新鲜结构面的抗剪强度明显高于受过剪切作用结构面的抗剪强度，即结构面的抗剪强度与变形历史密切相关。强度，即结构面的抗剪强度与变形历史密切相关。l耶格（耶格（）通过试验发现，当第）通过试验发现，当第1次进行新鲜结构面剪切试验次进行新鲜结构面剪切试验时，试样具有很高的抗剪强度。沿同一方向重复进行到第时，试样具有很高的抗剪强度。沿同一方向重复进行到第7次次剪切试验时，试验还保留峰值与残余值的区别，当进行到第剪切试验时，试验还保留峰值与残余值的区别，当进行到第15次时，峰值与残余值已非常接近。次时，峰值与残余值已非常接近。岩石力学岩石力学3.3.7.3 含水量含水量n水对泥夹层有软化作用，含水量的增加使泥质矿物粘结水对泥夹层有软化作用，含水量的增加使泥质矿物粘结力和结构面内摩擦角急剧下降，使结构面的抗剪强度大幅力和结构面内摩擦角急剧下降，使结构面的抗剪强度大幅度下降。度下降。n暴雨引发岩体沿结构面发生滑坡事故，正是由于结构面暴雨引发岩体沿结构面发生滑坡事故，正是由于结构面含水量增加的缘故。含水量增加的缘故。n水对岩体稳定性的影响是不可忽视的。水对岩体稳定性的影响是不可忽视的。岩石力学岩石力学3.3.7.4 时效性（监测的重要性）时效性（监测的重要性）u有些结构面具有时效性，在恒定荷载下会产生蠕变变形。有些结构面具有时效性，在恒定荷载下会产生蠕变变形。u一般认为，充填结构面长期抗剪强度比瞬时抗剪强度低一般认为，充填结构面长期抗剪强度比瞬时抗剪强度低15%20%。u对于泥化夹层，抗剪强度的时效性主要表现在对于泥化夹层，抗剪强度的时效性主要表现在c值的降低，值的降低，而对内摩擦角影响较小。而对内摩擦角影响较小。u由于结构面抗剪强度表现出时效性，必须注意岩体长期抗由于结构面抗剪强度表现出时效性，必须注意岩体长期抗剪强度的变化与预测，保证岩体的长期稳定性。剪强度的变化与预测，保证岩体的长期稳定性。岩石力学岩石力学3.4 岩体的力学性质岩体的力学性质3.4.1 一般概念一般概念3.4.1.1 岩体与岩块（岩石）的区别岩体与岩块（岩石）的区别岩体是整个地质母体中的一部分，在岩体内部有着许多岩体是整个地质母体中的一部分，在岩体内部有着许多结构面。结构面。这些结构面把岩体分割成各种类型和尺寸的岩石块体，这些结构面把岩体分割成各种类型和尺寸的岩石块体，从而把岩体变成既连续又不连续的裂隙体。从而把岩体变成既连续又不连续的裂隙体。岩体是由结构面和岩块（又叫岩石）两个基本单元构成岩体是由结构面和岩块（又叫岩石）两个基本单元构成的自然地质体。的自然地质体。岩石力学岩石力学岩体与岩块的区别主要体现在以下几个方面：岩体与岩块的区别主要体现在以下几个方面：（1）组构方面）组构方面1）岩块含岩石材料及微小裂隙；）岩块含岩石材料及微小裂隙；2）岩体含岩石及较大的多组结构面。）岩体含岩石及较大的多组结构面。岩石力学岩石力学（2）力学性质方面）力学性质方面 1）岩体的力学性质不仅取决于岩块，而且更重要地取决于）岩体的力学性质不仅取决于岩块，而且更重要地取决于结构面的力学性质，是二者的综合反映。结构面的力学性质，是二者的综合反映。2）由于结构面的存在，岩体与岩块相比：弹性模量小、峰）由于结构面的存在，岩体与岩块相比：弹性模量小、峰值强度低、残余强度低、变形大、泊松比大，且各向异性。值强度低、残余强度低、变形大、泊松比大，且各向异性。1岩石的应力应变曲线；岩石的应力应变曲线；2岩体的应力应变曲线岩体的应力应变曲线岩石力学岩石力学 3）岩体是一种多介质的裂隙体。在自然界中岩体有时）岩体是一种多介质的裂隙体。在自然界中岩体有时表现为散体状，有时表现为碎裂状或整体状，因而形成表现为散体状，有时表现为碎裂状或整体状，因而形成“松松散体散体 弱面体弱面体 连续体连续体”的一个系列。的一个系列。弱面体存在有两种极端状态：一种是岩体中弱面（结构弱面体存在有两种极端状态：一种是岩体中弱面（结构面）很少或几乎没有，则基本上可看做是均质连续体。此时面）很少或几乎没有，则基本上可看做是均质连续体。此时,岩体的力学性质与岩石相差无几；另一种是岩体中弱面充分岩体的力学性质与岩石相差无几；另一种是岩体中弱面充分发育，将岩体切割成碎块状，可视为松散体。此时，岩体的发育，将岩体切割成碎块状，可视为松散体。此时，岩体的力学性质与岩块相差较大，如其强度仅为岩石强度的几分之力学性质与岩块相差较大，如其强度仅为岩石强度的几分之一至几十分之一。一至几十分之一。岩石力学岩石力学 4）岩体是地质体的一部分，它的边界条件就是周围的）岩体是地质体的一部分，它的边界条件就是周围的地质体。这说明岩体位于一定的地质物理环境中，如水、空地质体。这说明岩体位于一定的地质物理环境中，如水、空气、地温等。它们不仅对岩体的力学性质有很大影响，而且气、地温等。它们不仅对岩体的力学性质有很大影响，而且本身往往是使工程岩体不稳定的重要因素，在评价岩体稳定本身往往是使工程岩体不稳定的重要因素，在评价岩体稳定性时不容忽视。性时不容忽视。岩石力学岩石力学3.4.1.2 尺寸效应尺寸效应 取不同尺寸的岩体试件（试体）进行试验，其强度将随取不同尺寸的岩体试件（试体）进行试验，其强度将随尺寸的加大而减小，如下图所示。这种岩体的力学性质因试尺寸的加大而减小，如下图所示。这种岩体的力学性质因试体的尺寸不同而变化的现象称为尺寸效应。体的尺寸不同而变化的现象称为尺寸效应。A为试体的横截面积，为试体的横截面积，Sc为为岩体的单轴抗压强度。可见，岩体的单轴抗压强度。可见，大部分岩石在大部分岩石在 m时，时，曲线平缓，即性状稳定。故曲线平缓，即性状稳定。故该尺寸可作为岩体与岩石的该尺寸可作为岩体与岩石的尺寸界限。尺寸界限。岩石力学岩石力学3.4.2 岩体试验方法岩体试验方法 岩体试验原则上与岩块试验无本质区别，一般也要进行单轴岩体试验原则上与岩块试验无本质