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第三章 岩体结构与岩体力学性质

第一节 概述
成岩之初岩体是连续的，以后由于构造运动的影响，在岩体中形成各种地质界面，因此被各种结构面切割是岩体的主要特征。岩石是构成岩体的物质，岩体是由结构面和结构体(被结构面包围的岩块)两个基本单元组成。岩体的物理力学性质取决于结构面和结构体的力学性质，从总体上说，岩体具有以下几个主要特征：
(1)、岩体是预应力体，在进行开挖工程前，岩体中已存在初始应力场。开挖岩体形成的应力集中势必迭加到初始应力场上。
(2)、岩体是一种含有多种介质的裂体。有两个极端情况，一种是弱面极少或几乎没有的整体性质，可视为连续介质。另一种是弱面充分发育的松散体，在这两种情况之间有松散体—弱面体—连续体的一个系列。将这由连续到不连续的系列划分为几种力学介质，如连续介质、块体介质、松散介质等。
岩体中的结构面：断层、节理、裂隙、片理等不连续面；
假整合、不整合、充填物等物质分界面。
结构面有厚度、有充填物、结构面是弱面
岩体被结构面切割成岩块
岩体破坏可沿结构面发生成追踪开裂
结构体和结构面是构成岩体结构的要素
概念：岩体结构——不同类型的岩体结构单元在岩体内的排列、组合形式，称为岩体结构。
基本的岩体结构单元有两类四种
岩体结构单元
结构面
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
板状结构体(长厚比大于15)

岩体力学性质取决于岩体大小尺度和赋存条件(地质环境)。影响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(实际是结构形式)、地质环境(尤其是水和地应力)。
当岩体强度很高时，结构面的力学性质控制了岩体的力学性质；反之则岩块的力学性质控制了结构体的力学性质。
岩体结构的力学效应主要体现在：爬坡角、尺寸效应和各向异性
地壳中的岩体本身是受载体，周围岩体施于它的应力是地应力。
围压对岩体力学性能的影响主要有：
1、围压越大，承载能力或者强度越大；
2、低围压下呈脆性，高围压下呈塑性；
3、围压越大波传播的衰减越小。
地下水对岩体力学性质有明显影响
研究岩体力学性质要从岩性、结构面、岩体结构型式、应力环境和地下水几个方面参考。

第二节 结构面的类型与特征(从地质角度)

岩体中有三类结构面：原生结构面、次生结构面和构造结构面。
原生结构面
原生结构面有三种：沉积结构面、火成结构面、变质结构面
沉积结构面的地质特征
层面、层理、沉积间断面(不整合面、假整合面)、原生软夹层，沉积结构面产状与岩层一致，层面结合良好，风化后才沿层剥落。
火成结构面特征
岩浆侵入，冷凝形成，结构面产状受侵入岩体与围岩接触面控制，延伸较广，原生节理粗糙、柱状节理等。
变质结构面特征：
片理、片麻理、板理、软夹层、变质结构面中软夹层主要是云母等片状矿物。
各类岩体在构造运动作用下形成的各种结构面，如劈理、节理、断层、层间错动等。
构造结构面特征：

节理范围有限，张节理粗糙。剪节理平直，延展性好，有擦痕和泥质薄膜，易于滑动。断层可深切地壳几十公里，小到地表数十米。
对于工程而言，断层是延展性较好的结构面，结构面中的充填物多呈破碎状。
在地表条件下，由于外力[风化、地下水、卸荷、工程]等作用形成的各种界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、泥化夹层。

结构面的分类
按结构面发育程度和规模分级，分为五级
结构面分级

结构面分级
实际结构面
I级结构面
II级结构面
III级结构面
统计结构面
IV级结构面
V级结构面

I级：对区域起控制作用的断层，至少穿越一个构造层。
II级：延展性强，宽度有限的地质界面，不整合，假整合等。
III级：层部断裂延展数十米的小断层。
IV级：延展性差，无明显宽度、节理面。
V级：延展性甚差，无宽度差别、随机分布。

结构状态(即对结构面的地质描述)
1、贯通类型，非贯通、半贯通、贯通。

2、结构面延展度，相对工程尺度，延展面大的结构面控制了工程尺度。
3、结构面密度，以裂隙度K和切割度Xe表征K=n/L
L——取样长度，n——裂隙条数，d=1/K，d——平均间距
N组不同节理时，平均间距做法。一条直线上测量，直线长L

间距，，，
，……
以上K、d是在一条直线上计算与测量的Xe=a/A。
3、切割度Xe，节理面积与岩体面积之比0<Xe<1。Xe=1，完全切割，Xe=0，无切割，以上是在岩体的等断面上统计，显然与岩体大小有关。若某断面上有多个节理，则
，
a—节理面积，A—岩体面积。
4、结构面充填物
按强度结构面充填物依次为，硅质>钙质>泥质

第三节 岩体结构的基本类型

岩体结构分类依据
1、结构面性质或类型；2、结构面切割程度或结构体类型。
按结构面力学性质，分为两类：
软弱结构面——I级，坚硬结构面——II级。
按结构体力学作用分为块状和板状。
按结构面切割程度，亦可分为两类，分为两类：
软弱结构面——I级岩体结构，坚硬结构面——II级岩体结构。
I级岩体结构
块状—块裂结构
板状—板裂
II级岩体结构
结构面贯通—碎裂
结构面断续切割—断续
无明显结构面—完整结构
过度型岩体结构：软硬结构面混合。结构面无序—散体结构

块状的——块状碎裂
板状的——板状碎裂

亚类的划分：依据原生结构面，如对碎裂结构有

分类方案
1、依软弱结构面、坚硬结构面和过渡型分为三大类。
2、按结构面切割再细分。

岩体结构的地质特征
1、完整结构，碎裂结构经愈合而成，其作用为压力和胶结。
2、块裂结构一组软或硬的结构面切割，结构体为薄至中厚沉积岩、喷出岩、层状变质岩。
3、板裂结构，经褶皱作用的层状岩体，受一组结构面控制。
4、碎裂、块度小、块的大小与厚度相关。
5、断裂结构，对岩体切而不断。
6、散体，碎屑状和糜棱化。
岩体结构相对性与工程岩体结构唯一性

第四节 结构面力学性质

结构面力学性质包括，法向变形，剪切变形、抗剪强度
1、法向变形

基本特点：法向应力σ与法向变形Sn成指数关系，
(2~6)
原因：微凸体弹性变形，压缩，新接触点及面积的增加。
(2—7)(Goodman, 1974)
(2—8)(Bandis等, 1984)
(2—9)
(2—10)(Bandis等, 1983)

(2—11)
JCS——结构面抗压强度，JCR——结构面粗糙度，法向刚度A、B、C是常数，取决于结构面性质。
2、剪切变形
在恒定法向力作用下的剪切变形。

两种基本类型a——粗糙无填充物，粘滑振荡；b——平坦有充填物。
剪切变形曲线可以形式区分为“弹性区”和“非弹性区”。弹性区内单位变形内的应力梯度称为剪切刚度Kt
(2-12)
Kt还可以由下式表达
(Goodman, 1974) (2-13)
结构面剪切过程中产生的法向位移分量，称为剪胀。其原因在于在剪应力作用下，沿凸台的滑移，除产生切向位移外，还产生沿向上的移动。
结构面的剪切变形与岩石强度、结构面粗糙度和法向力有关。

3、抗剪强度是结构面最重要的力学性能
结构面的抗剪强度：
库仑准则
(2-14)
——内聚力；——内摩擦角；——剪应力；——正应力
τ
o
C‘
φ
B
τ0=σ tanφ
σ
粗糙面剪切强度与正应力关系
T
T
P
P
膨胀
P
P
T
T
C
剪切
τ0=σ tan(i+φ)
τ0=C’+σ tanφ
A
P
T
T
P

剪胀，剪断凸台，完全接触
爬坡角，纯摩擦
低应力时，剪切、剪胀；高应力凸台剪断；最后残余强度
(2—14)理论公式
(2—15)
(2—15)实用方法，——结构面基本摩擦角，JCS——结构面抗压强度

——峰值剪切角；
1、随着试块面积增加，平均峰值剪应力呈减小趋势，平均摩擦角下降；
2、随着结构面面积增大，峰值强度时的位移量增大；
3、随着尺度增加，剪切破坏由脆性向延性转化；
4、尺寸加大，峰值剪胀角减小；
5、随结构面粗糙度减小，尺寸效应减小。

1、大尺寸结构面接触点少，每个点接触面积大；
2、小尺寸结构面接触点数多，每个点接触面积小；
3、大尺寸结构面仅将最大凸台剪断；
4、结构面强度JRC与试件尺寸成反比，结构面强度与峰值剪胀角是引起尺寸效应的基本因素。小尺寸结构面凸台破坏与峰值剪胀角所占比例均高于大尺寸结构面；
5、法向应力增大时，结构面尺寸效应减小。
新鲜结构面与已受剪结构面。
充填物的影响
1、随夹层厚度增大，强度迅速降低；
2、随夹层颗粒增大，强度增大，但超过30mm以后变化不大；
3、随含水量增加，强度下降；
4、泥化夹层的影响。

第五节 岩体的变形特性

岩体的性质，不仅仅取决于岩石的性质，很大程度上取决于结构面的性质及结构面的空间组合。
单轴和三轴变形
应力—应变曲线上凹；卸载有滞后和不可逆变形；破坏后变形呈柔性特征，岩体越破碎，破坏后柔性越大；循环加载，滞后减小，原因结构面压密。
原因结构面剪切变形不可恢复。
岩体剪切变形特征
图2—13，屈服值以下与抗压类似，屈服以后出现多次应力降与不同结构面的先后剪坏相关。破碎到一定程度，出现一次大的应力降，以后达到残余变形。
变形的各向异性(略)

第六节 岩体的强度特性

抗压、抗拉、抗剪强度。
抗拉很小，几乎不考虑和研究。
岩体强度不等于岩块强度，也不等于结构面强度，介于岩块和岩体之间。
1、岩体强度测定
(图2—16)单向抗压
(图2—17)岩体抗剪，要求不产生力矩，合力通过剪切面中心，一般
；
三轴抗压(图2—18)
结构面的强度效应(跳过，下一次讲)
利用实验室岩块试验的强度，按一定的方法修正后得到的岩体强度。
；
岩块强度
声波法

——岩体中的波速，——岩块中的波速。

第七节 结构面重剪破坏条件

沿着岩体中原有的结构面破坏，称结构面重剪破坏。
结构面重剪破坏条件
(3-15)
式中—结构面的似内聚力；—结构面的内摩擦角。

作用在结构面上的正应力和剪应力
，
式中是结构面与最大主应力的夹角，是已知值。
破坏沿结构面发生时，(3-15)式中，，因此

从上式可以得到

整理上式，得出

由于
；
因此
(3-16)
若破坏沿结构面发生，必有

因此

式中。由于
，；
因此要求

作辅助三角形

从辅助三角形可以得到
；；

将它们代入(3—17)式，得到
(3-17)
讨论：
1、增大，增大，增大，破坏时的最小的增大；
2、由(3-16)，时，，因此时，；
3、由(3-16)，，，因此时，；
结论：
1、仅当，沿结构面的重剪切破坏才可能发生；
2、重剪切破坏强度还与结构面产状和有关。

结构面重剪破坏强度与结构面产状角的关系
如果，则最有利于结构面重剪破坏的结构面产状角为

或者

显然当时上式得到满足，因此最有利于结构面重剪破坏的角为

重剪破坏强度与结构面产状角的关系。
在不变的情况下，按(3-16)式可得到下图。

该图是理论曲线
讨论：
1、在曲线 ABCDE之下，无论结构面还是完整岩体都不可能发生破裂；
2、在和之间
(1) 和，岩体不破坏；
(2) ，沿结构面破坏。
3、
(1) ，不破坏；
(1) ，不破坏。
4、在曲线 ABCDE之上，破坏可能沿结构面发生，也可能沿完整岩体发生。

结构重剪破坏理论的实验验证
1、实验验证的必要性
库仑准则是破坏的唯象理论，来自于经验的合理假设，尽管具有一定的合理性，毕竟缺少严格的理论基础，因此其合理性还需要实验的证实。
2、实验验证的困难
重剪破坏理论基于理想的层状岩体，自然界中并不存在；
由于晶体材料的晶面产状基本不变，晶面之间的间距基本恒定，因此晶体材料是验证结构面重剪理论(3-16)式的理想材料。
3、晶体材料的破裂试验
多组晶体材料的破坏结果见下图。下图表明，多晶体的破坏与由(3-16)式得到的理论预计吻合的非常好，因此重剪破坏条件(3-16)可以用于判断裂隙岩体的重剪破坏与破坏。

推论：当岩体中存在多组结构面时，沿着实体剪断岩体的可能性几乎没有。
碎裂岩体结构被当作散体材料进行分析是合理的。
自然界中岩体结构面的组数有限。
岩体强度各向异性的其它研究方法还有：walsh和Brace,hock基于Griffith理论的研究