岩石力学课本.docx

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1、第一章绪 论第一节岩体力学与工程实践岩体力学（rockmass mechanics）是力学的一个分支学科，是争论岩体在各种力场作用下变 形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。岩体力学的争论对象是各类岩体，而服务对象那么涉及到很多领域和学科。如水利水电工程、采 矿工程、道路交通工程、国防工程、海洋工程、重要工厂（如核电站、大型发电厂及大型钢铁厂 等）以及地震地质学、地球物理学和构造地质学等地学学科都应用到岩体力学的理论和方法。但 不同的领域和学科对岩体力学的要求和争论重点是不同的。概括起来，可分为三个方面：为 各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是争论工程活动引起的

2、岩体重分布应力以及 在这种应力场作用下工程岩体（如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等）的变形和稳定性。 为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是争论岩石的切割和裂开理论以及岩体动力学 特性。为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探究地壳深部岩体的变形 与断裂机理，为此需争论高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。 以上三方面的争论虽各有侧重点，但对岩石及岩体基本物理力学性质的争论却是共同的。本书 主要是以各类建筑工程和采矿工程为服务对象编写的，因此，也可称为工程岩体力学。在岩体外表或其内部进行任何工程活动，都必需符合平安、经济和正常运营的原那么。以露天采

3、矿边坡坡角选择为例，坡角选择过陡，会使边坡不稳定，无法正常采矿作业，坡角选择过缓， 又会加大其剥采量，增加其采矿本钱。然而，要使岩体工程既平安稳定又经济合理，必需通过 精确地猜想工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设计和良好的施工质量等来保证。其中，精确地猜想岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点动身，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计供应岩体力学依据，是工 程岩体力学争论的根本目的和任务。岩体力学的进展是和人类工程实践分不开的。起初，由于岩体工程数量少，规模也小，人 们多凭阅历来解决工程中遇到的岩体力学问题。因此，岩体力学的形成和进展要比土力学晚得 多。随

4、着生产力水平及工程建筑事业的快速进展，提出了大量的岩体力学问题。诸如高坝坝基 岩体及拱坝拱座岩体的变形和稳定性；大型露天采坑边坡、库岸边坡及船闸、溢洪道等边坡的 稳定性；地下洞室围岩变形及地表塌陷；高层建筑、重型厂房和核电站等地基岩体的变形和稳 定性；以及岩体性质的改善与加固技术等等。对这些问题能否做出正确的分析和评价，将会对 工程建设和生产的平安性与经济性产生显著的影响，甚至带来严峻的后果。在人类工程活动的历史中，由于岩体变形和失稳酿成事故的例子是很多的。例如，1928年美国 圣弗朗西斯重力坝失事，是由于坝基脆弱，岩层崩解，患病冲刷和滑动引起的；1959年法国 马尔帕塞薄拱坝溃决，那么是由于

5、过高的水压力使坝基岩体沿着一个倾斜的脆弱结构面滑动所致;物理力学性质简单化。由上述可知岩块的结构构造不同，其力学性质及其各向异性和不连续性程度也不同。因此, 在争论岩块的力学性质时也要留意其各向异性和不连续性。但是相对岩体而言，岩体的各向异 性和不连续性更为显著，因此，在岩体力学争论中，通常又把岩块近似地视为均质、各向同性 的连续介质。三、岩块的风化程度众所周知，风化作用可以转变岩石的矿物组成和结构构造，进而转变岩块的物理力学性质。 一般来说，随风化程度的深入，岩块的空隙率和变形随之增大，强度降低，渗透性加大。不同的岩石对风化作用的反响是不同的。如花岗岩类岩石，常先发生裂开，而后被渗入的 雨水

6、形成的碳酸所分解。碳酸与长石、云母、角闪石等矿物作用，析出Fe, Mg, K, Na等可溶 盐以及游离Si02,并被地下水带走，而岩屑、粘土物质和石英颗粒等残留在原地。基性岩浆岩 的风化过程，与中酸性岩浆岩类似，只是其风化残留物多为粘土；石灰岩的风化残留物为富含 杂质的粘土；砂砾岩的风化，常仅发生解体裂开，等等。因此，争论岩体风化时，应考虑到岩 石的风化程度及风化产物的类型。岩块的风化程度可通过定性指标和某些定量指标来表述。定性指标主要有：颜色、矿物蚀 变程度、裂开程度及开挖锤击技术特征等。定量指标主要有风化空隙率指标和波速指标等。风化空隙率指标(Iw)是汉罗尔(Hamral, 1961)提出

7、的。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。借此可近似地反映风化岩块空隙率的大小。我国标准岩土工程勘察法律规范GB50021-94中提出用风化岩块的纵波速度(vcp)、波 速比(kv)和风化系数(kf)等指标来评价岩块的风化程度，其中kv、kf的定义为：V(2-1)v rpkf =4(2-2)式中：vcp,分别为风化岩块和新奇岩块的纵波速度(m / s) ； o cw,。cw分别为风化岩块和新奇岩块的饱和单轴抗压强度(MPa) o按岩块的vcp, kv和kf将硬质岩石的风化分级划分如表2-1 o表27硬质岩石按波速指标的风化分级表(据岩土工程勘察法律规范，1995)风化程度全

8、风化500-1 0000- 204强风化1 0002 0000.4。.65 0000.91.00.91.0第三节结构面结构面(structuraLplane)是指地质历史进展过程中，在岩体内形成的具有肯定的延长方向 和长度，厚度相对较小的地质界面或带。它包括物质分异面和不连续面，如层面、不整合面、 节理面、断层、片理面等。国内外一些文献中又称为不连续面(discontinuities)或节理(joint)。 在结构面中，那些规模较大、强度低、易变形的结构面又称为脆弱结构面。结构面对工程岩体的完整性、渗透性、物理力学性质及应力传递等都有显著的影响，是造 成岩体非均质、非连续、各向异性和非线弹性的

9、本质缘由之一。因此，全面深化细致地争论结 构面的特征是岩体力学中的一个重要课题。一、结构面的成因类型(一)地质成因类型依据地质成因的不同，可将结构面划分为原生结构面、构造结构面和次生结构面三类，各 类结构面的主要特征如表2-2o表2-2岩体结构面的类型及其特征(据张咸恭，1979)成因类型地质类型主 要 特 征工程地质评价产状分布性质原 生 结 构 面沉 积 结 构 面1层理层面2脆弱夹层3不整合面、假整合面4沉积间断面一般与岩层产状全都，为层间结构面海相岩层中此类结 构面分布稳定，陆 相岩层中呈交叉 状，易尖灭层面、脆弱夹层等 结构面较为平整； 不整合面及沉积间 断面多由碎屑泥质 物构成，且

10、不平整国内外较大的坝基滑动及滑 坡很多由此类结构面所造成 的，如奥斯汀、圣弗朗西斯、 马尔帕塞坝的破坏，瓦依昂水 库四周的巨大滑坡岩浆结 构面侵入体与围岩接触面3 石浆石 结 构 一面1侵入体与围岩接触面2岩脉岩墙接触面3原生冷凝节理岩脉受构造结构面 掌握，而原生节理 受岩体接触面掌握接触面延长较远，比拟稳定，而原生节理往往短小密集与围岩接触面可具 熔合及裂开两种不 同的特征，原生节 理一般为张裂面，较粗糙不平一般不造成大规模的岩体破 坏，但有时与构造断裂协作， 也可形成岩体的滑移，如有的坝肩局部滑移变 质 结 构 面1片理2片岩脆弱夹层产状与岩层或构造 方向全都片理短小，分布极 密，片岩脆弱

11、夹层 延展较远，具固定 层次结构面光滑平直， 片理在岩层深部往 往闭合成隐藏结构 面，片岩脆弱夹层 具片状矿物，呈鳞片状在变质较浅的沉积岩，如千枚 岩等路堑边坡常见塌方。片岩 夹层有时对工程及地下洞体 稳定也有影响构造结 构面1节理（X型节理、 张节理）2断层（冲 断层、摭断层、横断层）3层间错动4羽状裂隙、劈理产状与构造线呈肯 定关系，层间错动 与岩层全都张性断裂较短小， 剪切断裂延展较远，压性断裂规模 巨大，但有时为横 断层切割成不连续状张性断裂不平整，常具次生充填，呈 锯齿状，剪切断裂较平直，具 羽状裂隙，压性断 层具多种构造岩， 成带状分布，往往含断层泥、糜棱岩对岩体稳定影响很大，在上

12、述 很多岩体破坏过程中，大都有 构造结构面的协作作用。此外 常造成边坡及地下工程的塌 方、冒顶次生结 构面1卸荷裂隙2风化裂隙3风化夹层4泥化夹层5次生夹泥层受地形及原结构面 掌握分布上往往呈不连 续状，透镜状，延 展性差，旦主要在 地表风化带内 发育一般为泥质物充填，水理性质很差在自然及人工边坡上造成 危害，有时对坝基、坝肩及浅 埋隧洞等工程亦 有影响，但一般在施工中予以 清基处理1 .原生结构面这类结构面是岩体在成岩过程中形成的结构面，其特征与岩体成因亲密相关，因此又可分 为沉积结构面、岩浆结构面和变质结构面三类。沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，包括层理面、脆弱夹层、沉积间断面

13、和 不整合面等。沉积结构面的特征与沉积岩的成层性有关，一般延长性较强，常贯穿整个岩体， 产状随岩层产状而变化。如在海相沉积岩中分布稳定而清晰；在陆相岩层中常呈透镜状。岩浆结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括岩浆岩体与围岩的接触面、各期 岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等。变质结构面可分为残留结构面和重结晶结构面。残留结构面主要是沉积岩经变质后，在层 面上绢云母、绿泥石等鳞片状矿物富集并呈定向排列而形成的结构面，如千枚岩的千枚理面和 板岩的板理面等。重结晶结构面主要有片理面和片麻理面等，它是岩石发生深度变质和重结晶 作用下，片状矿物和柱状矿物富集并呈定向排列形成的结构面，它转变了原岩的

14、面貌，对岩体的物理力学性质常起掌握性作用。原生结构面中，除局部经风化卸荷作用裂开者外，多具有不同程度的连结力和较高的强度。2 .构造结构面这类结构面是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种裂开面，包括断层、节理、劈理和 层间错动面等。构造结构面除被胶结者外，绝大局部都是脱开的。规模大者如断层、层间错动 等，多数有厚度不等、性质各异的充填物，并发育有由构造岩组成的构造裂开带，具多期活动 特征。在地下水的作用下，有的已泥化或者已变成脆弱夹层。因此这局部构造结构面（带）的工 程地质性质很差，其强度接近于岩体的剩余强度，常导致工程岩体的滑动破坏。规模小者如节 理、劈理等，多数短小而密集，一般无充填或只具

15、薄层充填，主要影响岩体的完整性和力学性 质。3 .次生结构面这类结构面是岩体形成后在外营力作用下产生的结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生 夹泥层和泥化夹层等。卸荷裂隙面是因表部被剥蚀卸荷造成应力释放和调整而产生的，产状与临空面近于平行， 并具张性特征。如河谷岸坡内的顺坡向裂隙及谷底的近水平裂隙等，其发育深度一般达基岩面 以下510m,局部可达数十米，甚至更大。谷底的卸荷裂隙对水工建筑物危害很大，应特殊留 后、O风化裂隙一般仅限于地表风化带内，常沿原生结构面和构造结构面叠加发育，使其性质进 一步恶化。新生成的风化裂隙，延长短，方向紊乱，连续性差。泥化夹层是原生脆弱夹层在构造及地下水共同作用下形

16、成的；次生夹泥层那么是地下水携带 的细颗粒物质及溶解物沉淀在裂隙中形成的。它们的性质一般都很差，属脆弱结构面。（二）力学成因类型从大量的野外观看、试验资料及莫尔强度理论分析可知，在较低围限应力（相对岩体强度而 言）下，岩体的破坏方式有剪切破坏和拉张破坏两种基本类型。因此，相应地按裂开面的力学成 因可分为剪性结构面和张性结构面两类。张性结构面是由拉应力形成的，如羽毛状张裂面、纵张及横张裂开面，岩浆岩中的冷凝节 理等等。羽毛状张裂面是剪性断裂在形成过程中派生力偶所形成的，它的张开度在邻近主干断 裂一端较大，且沿延长方向快速变窄，乃至尖灭。纵张裂开面常发生在背斜轴部，走向与背斜 轴近于平行，呈上宽下

17、窄。横张裂开面走向与褶皱轴近于垂直，它的形成机理与单向压缩条件 下沿轴向进展的劈裂相像。一般来说，张性结构面具有张开度大、连续性差、形态不规章、面 粗糙，起伏度大及裂开带较宽等特征。其构造岩多为角砾岩，易被充填。因此，张性结构面常 含水丰富，导水性强等。剪性结构面是剪应力形成的，裂开面两侧岩体产生相对滑移，如逆断层、平移断层以及多 数正断层等。剪性结构面的特点是连续性好，面较平直，延长较长并有擦痕镜面等现象发育。二结构面的规模与分级结构面的规模大小不仅影响岩体的力学性质，而且影响工程岩体力学作用及其稳定性。按 结构面延长长度、切割深度、裂开带宽度及其力学效应，可将结构面分为如下5级。I级指大断

18、层或区域性断层，一般延长约数公里至数十公里以上，裂开带宽约数米至数 十米乃至几百米以上。有些区域性大断层往往具有现代活动性，给工程建设带来很大的危害， 直接关系着建设地区的地壳稳定性，影响山体稳定性及岩体稳定性。所以，一般的工程应尽量 避开，如不能避开时，也应仔细进行争论，实行适当的处理措施。n级 指延长长而宽度不大的区域性地质界面，如较大的断层、层间错动、不整合面及原 生脆弱夹层等。其规模贯穿整个工程岩体，长度一般数百米至数千米，裂开带宽数十厘米至数 米。常掌握工程区的山体稳定性或岩体稳定性，影响工程布局，具体建筑物应避开或实行必要 的处理措施。iii级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节

19、理、延长较好的层面及层间错动等。宽度 一般数厘米至1m左右。它主要影响或掌握工程岩体,如地下洞室围岩及边坡岩体的稳定性等等。w级 指延长较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。长度一 般数十厘米至2030m,小者仅数厘米至十几厘米，宽度为零至数厘米不等。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。该级结构面数量多，分 布具随机性，主要影响岩体的完整性和力学性质，是岩体分类及岩体结构争论的基础，也是结 构面统计分析和模拟的对象。V级 又称微结构面。指隐节理、微层面、微裂隙及不发育的片理、劈理等，其规模小， 连续性差，常包含在岩块内，主要影响岩

20、块的物理力学性质。上述5级结构面中，I、II级结构面又称为脆弱结构面，III级结构面多数也为脆弱结构面, IV、V级结构面为硬性结构面。不同级别的结构面，对岩体力学性质的影响及在工程岩体稳定 性中所起的作用不同。如I级结构面掌握工程建设地区的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳定 性；n、in级结构面掌握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（如滑坡、倒塌等）的边界面，直接威逼工程的平安稳定性；w级结构面主要掌握着 岩体的结构、完整性和物理力学性质，是岩体结构争论的重点，也是难点，由于相对于工程岩 体来说III级以上结构面分布数量少，甚至没有，且规律性强，简洁搞清晰

21、，而w级结构面数量 多且具随机性，其分布规律不太简洁搞清晰，需用统计方法进行争论；v级结构面掌握岩块的 力学性质，等等。但各级结构面是相互制约、相互影响，并非孤立的。这些特点在实际工作中 应予留意。三、结构面特征及其对岩体性质的影响j blr1rrnu(*!图2-1x /人q工心）rmTl支结构面产状对破坏机理的影响示意图结构面对岩体力学性质的影响是不言而喻的，但其影响程度那么主要取决于结构面的发育状 况。如岩性完全相同的两种岩体，由于结构面的空间方位、连续性、密度、形态、张开度及其 组合关系等的不同，在外力作用下，这两种岩体将呈现出完全不同的力学反响。因此争论结构 面特征及其力学效应是特别必

22、要的。下面主要就IV级结构面进行争论。产状结构面的产状常用走向、倾向和倾角表示。结构面与最大主应力间的关系掌握着岩体的破 坏机理与强度。如图2-1所示，当结构面与最大主平面的夹角B为锐角时，岩体将沿结构面滑 移破坏（图2-1（a）；当6=0时，表现为横切结构面产生剪断岩体破坏（图2-1（b）；当8 = 90时，那么表现为平行结构面的劈裂拉张破坏（图2T（c）。随破坏方式不同，岩体强度也发生 变化。据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极限强度。与结构面倾角B间的关 系为：(2-3)_ 2(。/+6氏为)6 Q tg,jCtgB) sin 20式中：Cj, 6 j分别为结构面的粘聚力和摩

23、擦角。图2-2结构面的线连续性系数计算图由（2-3）式可知：当围压。3不变时，岩体强 度（。L。3）随结构面倾角B变化而变化。（二）连续性结构面的连续性反映结构面的贯穿程度，常 用线连续性系数、迹长和面连续性系数表示。线连续性系数（KJ是指沿结构面延长方向 上，结构面各段长度之和（2a）与测线长度的比值 （图 2-2）,即：Ki(2-4)式中：Ea, 2b分别为结构面及完整岩石长度之和。M变化在01之间，M值愈大说明结构面的连续性愈好，当& = 1时，结构面完全贯穿。止匕外，国际岩石力学学会(1978)主见用结构面的迹长来描述和评价结构面的连续性，并制 订了相应的分级标准(表2-3) o结构面

24、的连续性对岩体的变形、变形破坏机理、强度及渗透性都有很大的影响。(三)密度结构面的密度反映结构面发育的密集程度，常用线密度、间距等指标表示。线密度(Kd)是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数(条/ m)；间距(d)那么是 指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离；两者互为倒数关系，即Kd =-(2-5)d按以上定义，那么要求测线沿结构面法线方向布置，但在实际结构面量测中，由于露头条件 的限制，往往达不到这一要求。假如测线是水平布置的，且与结构面法线的夹角为a ,结构面 的倾角为B时，那么Kd可用下式计算：(2-6)R 二 KdL sin cos asin cos a式中：L为

25、测线长度，一般应为2050m； Kd为测线方向某组结构面的线密度，n为结构面条 数。当岩体中包含有多组结构面时，可用叠加方法求得水平测线方向上的结构面线密度。结构面的密度掌握着岩体的完整性和岩块的块度。一般来说，结构面发育愈密集，岩体的 完整性愈差，岩块的块度愈小，进而导致岩体的力学性质变差，渗透性增加。普里斯特等人 (Priest等，1976)提出用线密度(Kd)来估算岩体质量指标RQD (rock quality designation)为:(2-7)RQD = 100e()Akd (0Akd +1)为了统一描述结构面密度的术语，ISRM规定了分级标准如表2-4o表2-3结构面连续性分级表

26、表2-3结构面连续性分级表表2-4结构面间距分级表;ffi 述逐长Gn)描 述间 距(mm)极密集的间距20很低连线性20极宽的间距6 000(四)张开度结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。结构面两壁面一般不是紧密接触的，而 是呈点接触或局部接触，接触点大局部位于起伏或锯齿状的凸起点。这种状况下，由于结构面 实际接触面积削减，必定导致其粘聚力降低。当结构面张开且被外来物质充填时，那么其强度将 主要由充填物打算。此外，结构面的张开度对岩体的渗透性有很大的影响。如在层流条件下， 平直而两壁平行的单个结构面的渗透系数(Kf)可表达为：(2-8)式中：e为结构面张开度(mm),它的描述术语和分

27、级标准如表2-5所示；u为水的运动粘滞系 数(cm/s)； g为重力加速度。表2-5结构面张开度分级表描逑钠啾用K(mm)很乘密 紧 密 局部张开10_裂开结构面很宽的 极宽的 似洞穴的10100 1001 0001 000依据大量的野外实测统计说明，w级及局部in级结构面的产状、迹长、间距及张开度等几 何特征参数，听从于某种随机分布规律，而非定值。表2 6列出了结构面几何要素常见的概 率分布规律，同时还给出了这些分布函数的表达式，供使用时参考。这些分布规律对结构面网 络及连通网络模拟、争论结构面的空间分布、岩体质量评价及岩体力学性质参数确定等都是很 有用的。表2-6结构面几何要素阅历概率分布

28、形式表(五)形态要案常见分布形式提 出 人几种常见分布的表达式向 正态,均匀Call Fisher 等均匀占正态tf Q) -丁三*，一+(宁/对败正态,qa嗔力2负指数融注e为均值.Q十为方整.M角正态，对数正态Hedt、潜别桐等潭长负指数，正态对敷正态Robertson、潘别桐等间距负指数,对数正态Borton、潘别桐等张开良负指数时数正态Snow、潘别相等用v/7/，7777，/么 Y7T7T77AfTTlTHTr 777777777 b7rrfTrTrTrrrfnrrrfrfTrn77111TTrrrrrfrmT dfTThiTn77TTyyrrr7Tlt图2-3结构面的起伏形态示意图

29、平直的；b.台阶状的；c.锯齿状的；d.波状的；结构面的形态对岩体的力学性质及水力学 性质存在明显的影响，结构面的形态可以从侧壁的 起伏形态及粗糙度两方面进行争论。据统计，结构面侧壁的起伏形态可分为：平直 的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规章状的几 种(图2-3)。而侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示 如下(图2-4)：2/?i = arctg()(2-9)式中：h为平均起伏差；L为平均基线长度。结构面的粗糙度可用粗糙度系JRC(joint roughness coefficient)表示，随粗糙度的增大， 结构面的摩擦角也增大。据巴顿(Barton, 1977)的 争论可将结构面的粗糙度系

30、数划分为如图2-5的10 级。在实际工作中，可用结构面纵剖面仪测出所争 论结构面的粗糙剖面，然后与图2-5所示的标准剖 面进行比照，即可求得结构面的粗糙度系数JRC。(六)充填胶结特征图2-4结构面的起伏角计算图图2-4结构面的起伏角计算图图2-5标准粗糙程度剖面及其JRC值(据 Barton, 1977)结构面经胶结后，总的来说，力学性质有所改善。改善的程度因胶结物成分不同而异。以 铁硅质胶结的强度最高，往往与岩石强度差异不大，甚至超过岩石强度，这类结构面一般不予 争论。而泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。未胶结具肯定张开度的结构面往往被外来物质所充填，其力学性质取决于充填物成

31、分、厚 度、含水性及壁岩的性质等。就充填物成分来说，以砂质、砾质等粗粒充填的结构面性质最好, 粘土质（如高岭石、绿泥石、水云母、蒙脱石等）和易溶盐类充填的结构面性质最差。按充填物厚度和连续性，结构面的充填可分为：薄膜充填、断续充填、连续充填及厚层充 填4类。薄膜充填是结构面两壁附着一层极薄的矿物膜，厚度多小于1mm,多为应力矿物和蚀 变矿物等。这种充填厚度虽薄，但因多是性质不良矿物，因而明显地降低了结构面的强度。断 续充填的充填物不连续且厚度小于结构面的起伏差，结构面的力学性质与充填物性质、壁岩性 质及结构面的形态有关。连续充填的充填物分布连续，且厚度大于结构面的起伏差，结构面的 力学性质主要

32、取决于充填物性质。厚层充填的充填物厚度远大于结构面的起伏差，大者可达数 十厘米以上，结构面的力学性质很差，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。（七）结构面的组合关系结构面的组合关系掌握着可能滑移岩体的几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破 坏类型，它是工程岩体稳定性猜想与评价的基础。任何坚硬岩体的块体滑移破坏，都必需具备肯定的几何边界条件。因此，在争论岩体稳定 性时，必需争论结构面之间及其与临空面之间的组合关系，确定可能失稳块体的形态、规模和 可能滑移方向等。结构面组合关系的分析可用赤平投影、立体投影和三角几何计算法等进行。四、脆弱结构面以上争论的主要是W级及局部ffl级结构面（硬性结构面

33、）的特征及其力学影响。这里再简要 地争论一下脆弱结构面的特征及其力学影响。脆弱结构面就其物质组成及微观结构而言，主要 包括原生脆弱夹层、构造及挤压裂开带、泥化夹层及其他夹泥层等。它们实际上是岩体中具有 肯定厚度的脆弱带（层），与两盘岩体相比具有高压缩和低强度等特征，在产状上多属缓倾角结 构面。因此，脆弱结构面在工程岩体稳定性中具有很重要的意义，往往掌握着岩体的变形破坏 机理及稳定性，如我们我国葛洲坝电站坝基及小浪底水库坝肩岩体中都存在着泥化夹层问题， 极大地影响着水库大坝的平安，需特殊处理。其中最常见危害较大的是泥化夹层，故作重点争 论。泥化夹层是含泥质的脆弱夹层经一系列地质作用演化而成的。它

34、多分布在上下相对坚硬而 中间相对脆弱刚柔相间的岩层组合条件下。在构造运动作用下产生层间错动、岩层裂开、结构 改组，并为地下水渗流供应了良好的通道。水的作用使裂开岩石中的颗粒分散、含水量增大， 进而使岩石处于塑性状态（泥化），强度大为降低，水还使夹层中的可溶盐类溶解，引起离子交 换，转变了泥化夹层的物理化学性质。泥化夹层具有以下特性：由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构或泥质定向结 构；粘粒含量很高；含水量接近或超过塑限，密度比原岩小；常具有肯定的胀缩性；力 学性质比原岩差，强度低，压缩性高；由于其结构疏松，抗冲刷力量差，因而在渗透水流的 作用下，易产生渗透变形。以上这些特性对工程建设，特

35、殊是对水工建筑物的危害很大。对泥化夹层的争论，应着重于争论其成因类型、存在形态、分布、所夹物质的成分和物理 力学性质以及这些性质在条件转变时的变化趋势等。1963年意大利瓦依昂水库左岸的大滑坡，更是举世震动,2.5义10审的滑动岩体以28m/s的速 度下滑，激起250nl高的巨大涌浪，溢过坝顶冲向下游，造成2 500多人丧生。类似的例子在国 内也不少，例如，1961年湖南拓溪水电站近坝库岸发生的滑坡；1980年湖北远安盐池河磷矿的 山崩，是由于采矿引起岩体变形，使上部岩体中顺坡向节理被拉开，约1义10甯的岩体急速崩 落，摧毁了矿务局和坑口全部建筑物，死亡280人。又如盘古山鸽矿一次大规模的地压

36、活动引 起的塌方就埋掉价值约200万元的生产设施，并造成停产三年。再如，解放前湖南锡矿山北区 洪记矿井大陷落，一次就使200多名矿工丧失了生命，等等。以上重大事故的消失，多是由于 对工程地区岩体的力学特性争论不够，对岩体的变形和稳定性估量缺乏引起的。与此相反，假 如对工程岩体的变形和稳定问题估量得过分严峻，或者由于争论人员心中很多，不得不从“平 安”角度动身，在工程设计中采纳过大的平安系数，致使工程投资大大增加，工期延长，造成 不应有的铺张。今日，由于矿产资源勘探开采、能源开发及地球动力学争论等的需要，工程规模越来越大, 所涉及的岩体力学问题也越来越简单。这对岩体力学提出了更高的要求。例如，在

37、水电建设中, 大坝高度达335nl（前苏联的Rogun坝）；地下厂房边墙高达6070m,跨度已超过30m；露天采 矿边坡高度可达300500m,最高可达1 000m（新西兰）；地下采矿深度已超过1 000m以上。此 外，当前世界上正在建设或已经建成的一些超巨型工程，如中国的三峡水电站（装机容量达 17680MW,列世界第一），英吉利海峡隧道（长50km）和日本的青函跨海隧道（长53. 85km）等。这 些都使岩体力学面临很多前所未有的问题和挑战，急需要进展和提高岩体力学理论和方法的争 论水平，以适应工程实践的需要。第二节岩体力学的争论内容和争论方法如前所述，岩体力学服务的对象特别广泛，它涉及到

38、国民经济的很多领域（如水利水电、采 矿、能源开发、交通、国防和工业与民用建筑等）及地学基础理论争论领域（如地球动力学、构 造地质学等）。不同的服务对象，对岩体力学的要求不尽相同，其争论的内容也不同。例如， 重力坝和拱坝，对坝基和拱座岩体不匀称变形和水平位移限制比拟严格；而路堑边坡、露天矿 坑边坡等岩体边坡，在保证岩体不致产生滑动失稳的条件下，往往允许发生肯定的变形；很多 国防工程对岩体动态性能争论要求比拟高；而非地震区的一般工程，却常常只需要争论岩体的 静态性能等。岩体力学的争论对象，不是一般的人工材料，而是在自然地质作用下形成的地质体。由 于岩体中具有自然应力、地下水等，并发育有各种结构面，

39、所以它不仅具有弹性、脆性、塑 性和流变性，而且还具有非线弹性、非连续性，以及非均质和各向异性等特征。对于这样一种 简单的介质，不仅争论内容特别简单，而且其争论方法和手段也应与连续介质力学有所不同。一争论内容由于岩体力学服务对象的广泛性和争论对象的简单性，打算了岩体力学争论的内容也必定 是广泛而简单的。从工程观点动身，大致可归纳为如下几方面的内容。第四节岩体一、岩体的定义与组成岩体（rockmass）是指在地质历史过程中形成的，由岩石单元体（或称岩块）和结构面网络组 成的，具有肯定的结构并赋存于肯定的自然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。国内 外一些文献中也有称为岩石的。岩体是由结构面网络及

40、其所围限的岩石块体所组成。这种岩石块体（或称岩石单元体）被称 为结构体，它的大小、形态及其活动性取决于结构面的密度、连续性及其组合关系。岩体的组 成对岩体的力学性质以及稳定性具有重要的影响。具有肯定的结构是岩体的显著特征之一。岩体在其形成与存在过程中，长期经受着简单的 建筑和改造两大地质作用，生成了各种不同类型和规模的结构面，如断层、节理、层理、片理、 裂隙等。受这些结构面的交切，使岩体形成一种独特的割裂结构。因此，岩体的力学性质及其 力学作用不仅受岩体的岩石类型掌握，更主要的是受岩体中结构面以及由此形成的岩体结构所 掌握。岩体中存在着简单的自然应力状态和地下水，这是岩体与其他材料的根本区分之

41、一。因 此争论岩体在外力作用下的力学习性及其稳定性时，必需充分考虑自然 应力，特殊是构造应 力和水的影响。二、岩体的结构特征岩体结构（rockmass structure）是指岩体中结构面与结构体的排列组合特征，因此，岩体 结构应包括两个要素或称结构单元，即结构面和结构体。也就是说不同的结构面与结构体之间, 以不同方式排列组合形成了不同的岩体结构。大量的工程失稳实例说明：工程岩体的失稳破坏, 往往主要不是岩石材料本身的破坏，而是岩体结构失稳引起的。所以，不同结构类型的岩体， 其物理力学性质、力学效应及其稳定性都是不同的。在第三节中我们对结构面的特征作了具体 争论，不予重复。这里仅就结构体特征及

42、岩体结构类型作一简洁的争论。（一）结构体特征结构体（structural element）是指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。有的文献上把结 构体称为岩块，但岩块和结构体应是两个不同的概念。由于不同级别的结构面所切割围限的岩 石块体（结构体）的规模是不同的。如I级结构面所切割的I级结构体，其规模可达数平方公里, 甚至更大，称为地块或断块；n、in级结构面切割的n、in级结构体规模又相应减小；只有w 级结构面切割的W级结构体，才被称为岩块，它是组成岩体最基本的单元体。所以，结构体和 结构面一样也是有级序的，一般将结构体划分为4级。其中以IV级结构体规模最小，其内部还 包含有微裂隙、隐节理等V级

43、结构面。较大级别的结构体是由许很多多较小级别的结构体所组 成，并存在于更大级别的结构体之中。结构体的特征常用其规模、形态及产状等进行描述。结 构体的规模取决于结构面的密度，密度愈小，结构体的规模愈大。常用单位体积内的IV级结构 体数（块度模数）来表示，也可用结构体的体积表示。结构体的规模不同，在工程岩体稳定性中 所起的作用也不同。结构体的形态极为简单，常见的外形有：柱状、板状、楔形及菱形等（图2-6） 0在猛烈裂 开的部位，还有片状、鳞片状、碎块状及碎屑状等外形。结构体的外形不同，其稳定性也不同。 一般来说，板状结构体比柱状、菱外形的更简洁滑动，而楔形结构体比锥形结构体稳定性差。但是，结构体的

44、稳定性往往还需结合其产状及其与工程作用力方向和临空面间的关系作具体分 析。结构体的产状一般用结构体的长轴方向表示。它对工程岩体稳定性的影响需结合临空面及 工程作用力方始终分析。比方，一般来说，平卧的板状结构体与竖直的板状结构体的稳定性不 同，前者简洁产生滑动，后者简洁产生折断或倾倒破坏；又如，在地下洞室中，楔形结构体尖 端指向临空方向时，稳定性好于其他指向；其他外形的结构体也可作类似的分析。图2-6结构体外形典型类型示意图（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（二）岩体的结构类型划分由于组成岩体的岩性，

45、患病的构造变动及次生变化的不均一性，导致了岩体结构的简单性。 为了概括地反映岩体中结构面和结构体的成因、特征及其排列组合关系，将岩体结构划分为5 大类。各类结构岩体的基本特征列于表2-7o由表可知：不同结构类型的岩体，其岩石类型、 结构体和结构面的特征不同，岩体的工程地质性质与变形破坏机理也都不同。但其根本的区分 还在于结构面的性质及发育程度，如层状结构岩体中发育的结构面主要是层面、层间错动；整表2-7岩体结构类型划分表（引自岩土工程勘察法律规范GB50021-94, 1995）体状结构岩体中的结构面呈断续分布，规模小且稀疏；碎裂结构岩体中的结构面常为贯穿的且 发育密集，组数多；而散体状结构岩

46、体中发育有大量的随机分布的裂隙，结构体呈碎块状或碎 屑状等。因此，我们在进行岩体力学争论之前，首先要弄清岩体中结构面的状况与岩体结构类 型及其力学属性和岩体力学模型，使岩体稳定性分析建立在牢靠的基础上。岩体 结构 类型岩体地质类型主要结 构外形结构面发育状况岩土工程特征可能发生的岩 土工程问题整体状结构均质，巨块状岩浆岩、 变质岩，巨厚层沉积岩、 正变质岩巨块状以原生构造节理为 主，多呈闭合型，裂 隙结构面间距大于15m, 一般不超过 12组，无危急结构 面组成的落石掉块整体性强度 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 坍塌，深埋洞 室的岩爆块状 结构厚层状沉积岩、正变质 岩、块状岩浆岩、变质U_i石块状 柱状只具有少量贯穿性较 好的节理裂隙，裂隙 结构面间距0.7 1.5m。一般为23组， 有少量分别体整体强度较 高，结构面相 互牵制，岩体 基本稳定，接 近弹性各向同 性体层状 结构多韵律的薄层及中厚层 状沉积岩、副变质岩层,犬 板状 透镜体有层理、片理、节理， 常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