岩石力学课件第二章 岩体力学性质

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1、岩石力学岩石力学岩岩 石石 力力 学学岩岩 石石 力力 学学辽宁科技大学辽宁科技大学Rock Rock MechanicsMechanics岩石力学岩石力学第二章岩体力学性质岩石力学岩石力学2.1 岩石与岩体岩石力学岩石力学一、岩石与岩体的概念一、岩石与岩体的概念构造构造: : 组成成分的空间分布及其相互间排列关系组成成分的空间分布及其相互间排列关系 矿物：矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性存在地壳中的具有一定化学成分和物理性 质的自然元素和化合物。质的自然元素和化合物。结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及 其相互结合的情况。其相互结

2、合的情况。 岩石：岩石：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。岩石力学岩石力学岩体岩体= =岩块岩块+ +结构面结构面 岩岩 体体结构面结构面岩块岩块结构面：断面、节理、层理、片理、不整合面等。岩石分类岩石分类变质岩：不稳定与变质程度和原变质岩：不稳定与变质程度和原 岩性质有关岩性质有关岩浆岩：强度高、均质性好岩浆岩：强度高、均质性好沉积岩：强度不稳定，各向异性沉积岩：强度不稳定，各向异性一、岩石与岩体的概念一、岩石与岩体的概念岩石力学岩石力学 岩体是地质体，它经历过多次反复地质作用，经受岩体是地质体，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

3、，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。赋存于一定的地质环境中。岩体力学性质：岩体力学性质：岩体抵抗外力作用的能力。包括岩岩体抵抗外力作用的能力。包括岩体的稳定性特征、强度特征和变形特征，由体的稳定性特征、强度特征和变形特征，由岩石、结岩石、结构面和赋存条件构面和赋存条件决定的。决定的。试件尺寸增大而降低试件尺寸增大而降低工程开挖与结构面空间组合工程开挖与结构面空间组合环境因素影响而变环境因素影响而变岩体力学性质岩体力学性质一、岩石与岩体的概念一、岩石与岩体的概念岩石力学岩石力学影响岩体力学性质的基本因素：影响岩体力学性质的基本因素： 1 1、结构体、结构体(

4、(岩石岩石) )力学性质；力学性质； 2 2、结构面力学性质；、结构面力学性质； 3 3、岩体结构力学效应和环境因素，、岩体结构力学效应和环境因素，特别是水和地应力的作用。特别是水和地应力的作用。一、岩石与岩体的概念一、岩石与岩体的概念岩石力学岩石力学岩体内存在各种地质界面，它包括岩体内存在各种地质界面，它包括物质分异面和不连续面，如断层、层物质分异面和不连续面，如断层、层理、节理、片理、假整合、不整合和理、节理、片理、假整合、不整合和褶皱等。褶皱等。 这些这些不同成因、不同特性的地质界不同成因、不同特性的地质界面统称为结构面面统称为结构面( (弱面弱面) )。一、岩石与岩体的概念一、岩石与岩

5、体的概念岩石力学岩石力学结构面结构面( (弱面弱面) ) 在横向延展上具有面的在横向延展上具有面的几何特性，常充填有一定物质、具有一定几何特性，常充填有一定物质、具有一定厚度。厚度。 节理和裂隙是由两个面及面间的水或气节理和裂隙是由两个面及面间的水或气组成；组成； 断层及层间错动面是由上下盘两个面及断层及层间错动面是由上下盘两个面及面间充填的断层泥和水构成的实体组成。面间充填的断层泥和水构成的实体组成。一、岩石与岩体的概念一、岩石与岩体的概念岩石力学岩石力学一、岩石与岩体的概念一、岩石与岩体的概念岩石力学岩石力学二、结构体二、结构体结构体结构体：结构面依其本身的产状，彼此组：结构面依其本身的产

6、状，彼此组合将岩体切割成形态不一、大小不等以及成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，分各异的岩石块体，被各种结构面切割而成被各种结构面切割而成的岩石块体称为结构体的岩石块体称为结构体。结构体有结构体有块状、柱状、板状及菱形、楔形块状、柱状、板状及菱形、楔形和锥形体和锥形体等，如果风化强烈或挤压破碎严重，等，如果风化强烈或挤压破碎严重，也可形成碎屑状、颗粒状和鳞片状等。也可形成碎屑状、颗粒状和鳞片状等。岩石力学岩石力学二、结构体二、结构体岩石力学岩石力学二、结构体二、结构体岩石力学岩石力学三、岩体结构单元三、岩体结构单元结构体和结构面称为结构体和结构面称为岩体结构单元或岩体岩

7、体结构单元或岩体结构要素结构要素。不同类型的岩体结构单元在岩体。不同类型的岩体结构单元在岩体内的组合、排列形式称为内的组合、排列形式称为岩体结构岩体结构。岩体结构单元可划分为岩体结构单元可划分为两类四种，两类四种，四种结四种结构单元在岩体内组合、排列形式不同，构成构单元在岩体内组合、排列形式不同，构成不同的岩体结构。不同的岩体结构。岩体结构单元岩体结构单元坚硬结构面坚硬结构面( (干净的干净的) )软弱结构面软弱结构面( (夹泥的夹层夹泥的夹层) )块状结构体块状结构体( (短轴的短轴的) )板状结构体板状结构体( (长厚比大于长厚比大于1515）结构面结构面结构体结构体岩石力学岩石力学四、结

8、构体的作用四、结构体的作用 结构体结构体( (岩石岩石) ) 对岩体力学性质的影响，对岩体力学性质的影响，通过结构体的力学性质来表征。通过结构体的力学性质来表征。在某种情况下结构体对岩体力学性质和力在某种情况下结构体对岩体力学性质和力学作用具有控制作用，在结构体强度很高时学作用具有控制作用，在结构体强度很高时主要是结构面的力学性质决定岩体的力学性主要是结构面的力学性质决定岩体的力学性质。质。岩石力学岩石力学五、岩体赋存环境五、岩体赋存环境 岩体的赋存环境：岩体的赋存环境：包括包括地应力地应力、地下水地下水和和地温地温三部分，对岩体的力学性质有重要的影三部分，对岩体的力学性质有重要的影响。响。地

9、应力具有双重性，一方面它是岩体的赋地应力具有双重性，一方面它是岩体的赋存条件，另一方面又赋存于岩体之内，和岩存条件，另一方面又赋存于岩体之内，和岩体组成成分一样左右着岩体的特性，是岩体体组成成分一样左右着岩体的特性，是岩体力学特性的组成成分。力学特性的组成成分。岩石力学岩石力学六、地应力的影响六、地应力的影响地应力对岩体力学性质的影响：地应力对岩体力学性质的影响：、地应力影响岩体的承载能力，对赋、地应力影响岩体的承载能力，对赋存于一定地应力环境中的岩体来说，地应存于一定地应力环境中的岩体来说，地应力对岩体形成的围压越大，其承载能力越力对岩体形成的围压越大，其承载能力越大。大。 、地应力影响岩体

10、的变形和破坏机制，、地应力影响岩体的变形和破坏机制，许多低围压下呈脆性破坏的岩石在高围压许多低围压下呈脆性破坏的岩石在高围压下呈剪塑性变形，这种变形和破坏机制的下呈剪塑性变形，这种变形和破坏机制的变化说明岩体赋存的条件不同，岩体的本变化说明岩体赋存的条件不同，岩体的本构关系也不同。构关系也不同。岩石力学岩石力学 、地应力影响岩体中的应力传播的法、地应力影响岩体中的应力传播的法则，严格来说岩体是非连续介质，但由于岩则，严格来说岩体是非连续介质，但由于岩块间存在摩擦作用，赋存于高应力地区的岩块间存在摩擦作用，赋存于高应力地区的岩体，在地应力围压的作用下则变为具有连续体，在地应力围压的作用下则变为具

11、有连续介质特征的岩体，即地应力可以使不连续变介质特征的岩体，即地应力可以使不连续变形的岩体转化为连续变形的岩体。形的岩体转化为连续变形的岩体。六、地应力的影响六、地应力的影响岩石力学岩石力学岩石力学岩石力学2.2 岩体结构基本类型岩石力学岩石力学一、岩体结构分类依据一、岩体结构分类依据第一依据第一依据结构面类型，它规定结构级序结构面类型，它规定结构级序软弱结构面软弱结构面 I I级岩体结构级岩体结构 坚硬结构面坚硬结构面级岩体结构级岩体结构 岩体结构单元有岩体结构单元有结构面和结构体结构面和结构体两种基本要两种基本要素，结构面分素，结构面分软弱结构面和坚硬结构面软弱结构面和坚硬结构面两类，两类

12、，结构体按力学作用可归并为结构体按力学作用可归并为块状结构体和板状块状结构体和板状结构体结构体两大类。两大类。它们在岩体内不同组合、排列它们在岩体内不同组合、排列构成不同类型的岩体结构构成不同类型的岩体结构。岩石力学岩石力学一、岩体结构分类依据一、岩体结构分类依据、第二依据、第二依据结构面切割程度及结构体类结构面切割程度及结构体类型，它规定岩体结构基本类型型，它规定岩体结构基本类型过渡型岩体结构：软硬结构面混杂、结构过渡型岩体结构：软硬结构面混杂、结构面无序状排列面无序状排列散体结构散体结构级岩体结构级岩体结构级岩体结构级岩体结构结构面贯通切割结构面贯通切割碎裂结构碎裂结构结构面断续切割结构面

13、断续切割断续结构断续结构无显结构面切割无显结构面切割完整结构完整结构块状结构体块状结构体块裂结构块裂结构板状结构体板状结构体板裂结构板裂结构岩石力学岩石力学一、岩体结构分类依据一、岩体结构分类依据块状的块状的块状碎裂结构块状碎裂结构层状的层状的层状碎裂结构层状碎裂结构 、亚类划分依据：亚类的划分主要是依据、亚类划分依据：亚类的划分主要是依据岩体的原生结构，例如碎裂结构可划分为：岩体的原生结构，例如碎裂结构可划分为：岩石力学岩石力学二、岩体结构二、岩体结构分类方案分类方案根据结构面对岩体力学性质的影响程度以根据结构面对岩体力学性质的影响程度以及分类依据，可以将岩体结构划分及分类依据，可以将岩体结

14、构划分I I级的块级的块裂结构、板裂结构，裂结构、板裂结构，级的完整结构、断续级的完整结构、断续结构、碎裂结构及过渡类型的散体结构结构、碎裂结构及过渡类型的散体结构。六种岩体结构类型是六种岩体结构类型是比较典型比较典型的，而实际的，而实际的岩体是比较复杂的，岩体结构划分时需要的岩体是比较复杂的，岩体结构划分时需要有一种模糊的观点，只能择其趋向性而定，有一种模糊的观点，只能择其趋向性而定，这也是岩体力学性质具有这也是岩体力学性质具有不确定性不确定性表现的一表现的一个方面。个方面。岩石力学岩石力学二、岩体结构分类方案二、岩体结构分类方案级序序结构构类型型划分依据划分依据亚类划分依据划分依据1块裂裂

15、结构构多多组软弱弱结构面切割，构面切割，块状状结构构体体块状状块裂裂结构构原生岩体原生岩体结构呈构呈块状状层状状块裂裂结构构原生岩体原生岩体结构呈构呈层状状2板裂板裂结构构一一组软弱弱结构面切割，板状构面切割，板状结构构体体块状板裂状板裂结构构原生岩体原生岩体结构呈构呈块状状层状板裂状板裂结构构原生岩体原生岩体结构呈构呈层状状1完整完整结构构无无显结构面切割构面切割块状完整状完整结构构原生岩体原生岩体结构呈构呈块状状板状完整板状完整结构构原生岩体原生岩体结构呈构呈层状状2断断续结构构显结构面断构面断续切割切割块状断状断续结构构原生岩体原生岩体结构呈构呈块状状层状断状断续结构构原生岩体原生岩体结

16、构呈构呈层状状3碎裂碎裂结构构坚硬硬结构面构面贯通切割，通切割，结构体构体为块状状块状碎裂状碎裂结构构原生岩体原生岩体结构呈构呈块状状层状碎裂状碎裂结构构原生岩体原生岩体结构呈构呈层状状过渡型渡型散体散体结构构软硬硬结构面混构面混杂结构面无序分布构面无序分布碎屑状散体碎屑状散体结构构结构体构体为角角砾，原生岩体，原生岩体结构构特征已消失特征已消失糜棱化散体糜棱化散体结构构结构体构体为糜棱糜棱质，原生岩体，原生岩体结构特征已消失构特征已消失岩体结构类型表岩体结构类型表岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征1 1、完整结构岩体、完整结构岩体完整结构岩体多半是碎完整结构岩体多半

17、是碎裂结构岩体中结构面被后裂结构岩体中结构面被后生作用愈合而成。后生愈生作用愈合而成。后生愈合有两种，其一为压力愈合有两种，其一为压力愈合，其二为胶结愈合，具合，其二为胶结愈合，具有粘性成分物质，如粘土有粘性成分物质，如粘土岩、长石质、石灰质矿物岩、长石质、石灰质矿物成分组成的岩体。成分组成的岩体。岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征中国科学研究院地质研究所岩体结构分类中国科学研究院地质研究所岩体结构分类名称名称结结构面构面间间距距cm完整性完整性系数系数I主要主要结结构面构面级级 别别主要主要结结构面构面类类型型主要主要结结构面摩构面摩擦系数擦系数f岩岩块块湿抗湿抗压

18、压强强度度MPa整体整体结结构构100O.75存在存在，V级级刚刚性性结结构面构面0.6060岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征2 2、块裂结构岩体、块裂结构岩体块裂结构岩体是多块裂结构岩体是多组或至少有组或至少有组软弱组软弱结构面切割及坚硬结结构面切割及坚硬结构面参与切割成构面参与切割成块状块状结构体结构体的高级序岩体的高级序岩体结构。结构。岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征中国科学研究院地质研究所岩体结构分类中国科学研究院地质研究所岩体结构分类名称名称结结构面构面间间距距cm完整性完整性系数系数I主要主要结结构面构面级级 别别主要主要结结

19、构面构面类类型型主要主要结结构面摩构面摩擦系数擦系数f岩岩块块湿抗湿抗压压强强度度MPa块状块状结构结构 10010050 50 0.750.750.35 0.35 以以、V V级为主级为主 刚性结构面刚性结构面局部为破碎局部为破碎结构面结构面 0.40.40.6 0.6 3030般般大于大于6060岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征块裂结构岩体的结构体块裂结构岩体的结构体：（1 1）、）、由岩浆由岩浆岩、变质岩及厚层大理岩、灰岩、砂岩等岩、变质岩及厚层大理岩、灰岩、砂岩等块状原生结构岩体块状原生结构岩体构成；（构成；（2 2）、由薄至中）、由薄至中厚层沉积岩，层状浅

20、变质岩及岩浆喷出岩厚层沉积岩，层状浅变质岩及岩浆喷出岩等等层状原生结构岩体层状原生结构岩体组成；组成；块裂结构岩体的软弱结构面块裂结构岩体的软弱结构面主要为断层，主要为断层，层间错动也是重要的软弱结构面之一，参层间错动也是重要的软弱结构面之一，参与切割的坚硬结构面一般延展较长，多数与切割的坚硬结构面一般延展较长，多数为错动过的坚硬结构面。为错动过的坚硬结构面。岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征3 3、板裂结构岩体、板裂结构岩体主要发育于经过褶皱作主要发育于经过褶皱作用的层状岩体内，受用的层状岩体内，受一组一组软弱结构面软弱结构面切割，结构体切割，结构体呈板状。软弱结构

21、面主要呈板状。软弱结构面主要为为层间错动面层间错动面或块状原生或块状原生结构岩体内的似层间错动结构岩体内的似层间错动面，结构体多数为组合板面，结构体多数为组合板状结构体，有的亦为完整状结构体，有的亦为完整板状结构体。板状结构体。岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征中国科学研究院地质研究所岩体结构分类中国科学研究院地质研究所岩体结构分类名称名称结结构面构面间间距距cm完整性完整性系数系数I主要主要结结构面构面级级 别别主要主要结结构面构面类类型型主要主要结结构面摩构面摩擦系数擦系数f岩岩块块湿抗湿抗压压强强度度MPa层层状状结结构构50300.60.3以以，级为级为主主刚

22、刚性性结结构构面面柔性柔性结结构构面面0.30.530岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征4 4、碎裂结构岩体、碎裂结构岩体碎裂结构岩体尽管可碎裂结构岩体尽管可以划分为块状碎裂结构以划分为块状碎裂结构岩体及层状碎裂结构岩岩体及层状碎裂结构岩体两种亚类，但它们的体两种亚类，但它们的共同点是切割岩体的结共同点是切割岩体的结构面是有规律的，即主构面是有规律的，即主要为原生结构面及构造要为原生结构面及构造结构面。结构面。岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征中国科学研究院地质研究所岩体结构分类中国科学研究院地质研究所岩体结构分类名称名称结结构面构面间间距距

23、cm完整性完整性系数系数I主要主要结结构面构面级级 别别主要主要结结构面构面类类型型主要主要结结构面摩构面摩擦系数擦系数f岩岩块块湿抗湿抗压压强强度度MPa碎裂碎裂结结构构500.30破碎破碎结结构构面面0.160.4030岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征碎裂结构主要形成于岩浆岩侵入体、深变碎裂结构主要形成于岩浆岩侵入体、深变质的片麻岩、混合岩、大理岩、石英岩及层质的片麻岩、混合岩、大理岩、石英岩及层理不明显的巨厚层灰岩、砂岩等岩体内。理不明显的巨厚层灰岩、砂岩等岩体内。特点是特点是结构体块度大结构体块度大，大多为，大多为1 12m2m，但，但块度较均匀，层状碎裂结

24、构的特点是块度小，块度较均匀，层状碎裂结构的特点是块度小，其块度与岩层厚度有关，浅海相及海陆交互其块度与岩层厚度有关，浅海相及海陆交互相沉积岩多数为这种结构，有时还可分为一相沉积岩多数为这种结构，有时还可分为一种镶嵌状碎裂结构，多发育于强烈构造作用种镶嵌状碎裂结构，多发育于强烈构造作用区内的硬脆性岩体内，结构面组数多，结构区内的硬脆性岩体内，结构面组数多，结构面组数多于面组数多于5 5组时可形成这种结构。组时可形成这种结构。岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征5 5、断续结构岩体、断续结构岩体断续结构岩体特点是显结构面不连续，对断续结构岩体特点是显结构面不连续，对岩体切

25、而不断，个别部分亦有连续贯通结构，岩体切而不断，个别部分亦有连续贯通结构，但这种部位很少，多数为不连续切割，形不但这种部位很少，多数为不连续切割，形不成结构体。在力学上来说，宏观上具有连续成结构体。在力学上来说，宏观上具有连续介质特点，微观上多数不连续，应力集中现介质特点，微观上多数不连续，应力集中现象明显，这种应力集中对岩体破坏具有特殊象明显，这种应力集中对岩体破坏具有特殊意义，断裂力学判据对这种岩体也具有特殊意义，断裂力学判据对这种岩体也具有特殊意义。意义。岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征6 6、散体结构、散体结构散体结构有两种亚类：散体结构有两种亚类：碎屑状散

26、体结碎屑状散体结构岩体；构岩体；糜棱化散体结构岩体。糜棱化散体结构岩体。碎屑状散体结构岩体的碎屑状散体结构岩体的特点是结构面无序分布，特点是结构面无序分布，结构面中有软弱的、也有结构面中有软弱的、也有坚硬的。结构体主要为角坚硬的。结构体主要为角砾，角砾中常充填夹杂有砾，角砾中常充填夹杂有泥质成分。泥质成分。岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征糜棱化散体结构岩体主要指断层泥而言。糜棱化散体结构岩体主要指断层泥而言。断层泥主要是由糜棱岩风化而成，而糜棱岩断层泥主要是由糜棱岩风化而成，而糜棱岩主要为压力愈合连结，当压力卸去后，又转主要为压力愈合连结，当压力卸去后，又转化为糜棱

27、岩粉，糜棱岩体风化后便转化为断化为糜棱岩粉，糜棱岩体风化后便转化为断层泥。层泥。岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征中国科学研究院地质研究所岩体结构分类中国科学研究院地质研究所岩体结构分类名称名称结结构面构面间间距距cm完整性完整性系数系数I主要主要结结构面构面级级 别别主要主要结结构面构面类类型型主要主要结结构面摩构面摩擦系数擦系数f岩岩块块湿抗湿抗压压强强度度MPa散体散体结结构构0.20节节理密集呈无理密集呈无序状分布，表序状分布，表现为现为泥包泥包块块或或块夹块夹泥泥1000.75存在存在，V级级刚刚性性结结构面构面0.606002块块状状结结构构100500.

28、750.35以以、V级为级为主主刚刚性性结结构面局部构面局部为为破碎破碎结结构面构面0.40.6300，般大于般大于600层层状状结结构构1层层状状结结构构50300.60.3以以，级为级为主主刚刚性性结结构面构面柔性柔性结结构面构面0.30.53002薄薄层层状状结结构构300.40以以，级显级显著著柔柔软结软结构面构面0.30O.40300100碎裂碎裂结结构构1镶镶嵌嵌结结构构506002层层状碎裂状碎裂结结构构50（骨（骨架岩架岩层层中中较较大大)0.40，级级均均发发育育泥化泥化结结构面构面0.200.40300，骨架岩，骨架岩层层在在300上下上下3碎裂碎裂结结构构500.30破碎

29、破碎结结构面构面0.160.40300 散体散体结结构构0.20节节理密集呈无序理密集呈无序状分布，表状分布，表现为现为泥包泥包块块或或块夹块夹泥泥1000.75存在存在，V级级刚刚性性结结构面构面0.606002块块状状结结构构100500.750.35以以、V级为级为主主刚刚性性结结构面局部构面局部为为破碎破碎结结构面构面0.40.6300，般大于般大于600层层状状结结构构1层层状状结结构构50300.60.3以以，级为级为主主刚刚性性结结构面构面柔性柔性结结构面构面0.30.53002薄薄层层状状结结构构300.40以以，级显级显著著柔柔软结软结构面构面0.30O.40300100碎裂

30、碎裂结结构构1镶镶嵌嵌结结构构506002层层状碎裂状碎裂结结构构50（骨（骨架岩架岩层层中中较较大大)0.40，级级均均发发育育泥化泥化结结构面构面0.200.40300，骨架岩，骨架岩层层在在300上下上下3碎裂碎裂结结构构500.30破碎破碎结结构面构面0.160.40300 散体散体结结构构0.20节节理密集呈无序理密集呈无序状分布，表状分布，表现为现为泥包泥包块块或或块夹块夹泥泥0.20无无实际实际意意义义岩石力学岩石力学四、岩体结构的相对性工程岩体结构的唯一性四、岩体结构的相对性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

31、岩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，具化，岩体结构也发生相对变化，具有相对性。有相对性。岩石力学岩石力学三、岩体结构的地质特征三、岩体结构的地质特征岩石力学岩石力学四、岩体结构的相对性工程岩体结构的唯一性四、岩体结构的相对性工程岩体结构的唯一性岩体结构是相对的，只有在确岩体结构是相对的，只有在确定的地质条件和工程尺寸条件下，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，工程岩体结构才是唯一确定的，工程岩体结构不同，岩体的力学工程岩体结构不同，岩体的力学机制和工程的稳定性分析方法是机制和工程的稳定性分

32、析方法是不一样的。不一样的。岩石力学岩石力学岩石力学岩石力学2.3 岩体结构面及充填特征岩石力学岩石力学结构面是具有一定方向、延展较大而厚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。主要包括度较小的二维面状地质界面。主要包括断断层、节理、层理、片理、软弱夹层、岩层层、节理、层理、片理、软弱夹层、岩层界面、不整合面等界面、不整合面等。结构面在岩体中的变。结构面在岩体中的变化非常复杂，结构面的存在使岩体显示构化非常复杂，结构面的存在使岩体显示构造上的不连续性和不均质性。造上的不连续性和不均质性。一、岩体结构面一、岩体结构面岩石受力发生变形达到一定程度，使岩石的连岩石受力发生变形达到

33、一定程度，使岩石的连续完整性受到破坏，产生各种大小不一的破裂续完整性受到破坏，产生各种大小不一的破裂面，称为面，称为断裂构造断裂构造断裂构造断裂构造。节理：节理：岩石发生断裂时，沿断裂面没有显岩石发生断裂时，沿断裂面没有显 著位移的断裂称为节理（裂隙）著位移的断裂称为节理（裂隙） 断层：断层：岩石发生断裂时，沿断裂面岩石发生断裂时，沿断裂面 有显著位移的称为断层。有显著位移的称为断层。 断裂构造岩石力学岩石力学3一、岩体结构面一、岩体结构面岩石力学岩石力学3一、岩体结构面一、岩体结构面岩石力学岩石力学3一、岩体结构面一、岩体结构面岩石力学岩石力学3一、岩体结构面一、岩体结构面岩石力学岩石力学二

34、、结构面的类型及特征二、结构面的类型及特征根据结构面的根据结构面的形成原因形成原因，通常分为三种类型：，通常分为三种类型：原生结构面、构造结构面和次生结构面原生结构面、构造结构面和次生结构面。1 1、原生结构面、原生结构面包括所有在成岩阶段所形成的结构面。包括所有在成岩阶段所形成的结构面。根据岩石成因不同，可分为沉积结构面、根据岩石成因不同，可分为沉积结构面、火成结构面及变质结构面三类。火成结构面及变质结构面三类。原生节理原生节理原生节理原生节理：岩石形成过程中产生的节理。由于岩浆岩岩石形成过程中产生的节理。由于岩浆岩冷凝收缩或沉积岩在形成时由于脱水形成的。如玄武冷凝收缩或沉积岩在形成时由于脱

35、水形成的。如玄武岩的柱状节理岩的柱状节理 岩石力学岩石力学二、结构面的类型及特征二、结构面的类型及特征（1 1）沉积结构面）沉积结构面沉积结构面是沉积岩在成岩作用过程中形沉积结构面是沉积岩在成岩作用过程中形成的各种地质界面。成的各种地质界面。成因成因地地质类型型主要特征主要特征原原生生结构构面面沉沉积结构构面面层面、面、层理、沉理、沉积间断面断面（不整合（不整合面、假整面、假整合面）、合面）、原生原生软弱弱夹层1.产状与岩状与岩层一致，随岩一致，随岩层变化而化而变化，化，为层间结构面；构面；2.一般呈一般呈层状分布，延展性状分布，延展性强强，海相沉，海相沉积中分布中分布稳定，定，陆相及相及滨海

36、海相沉相沉积中易于尖中易于尖灭，形成透，形成透镜体、扁豆体，原生体、扁豆体，原生层面具波浪起伏状；面具波浪起伏状；3.一般一般层面面结合良好，合良好，层面新面新鲜时只能只能显示黯淡或者黑白条示黯淡或者黑白条纹，风化后才能剥开，若化后才能剥开，若经后期构造运后期构造运动常形成常形成层间错动带；4.层面特征多面特征多样，一般平整，常，一般平整，常见有典型的泥裂、波痕、交有典型的泥裂、波痕、交错层理、理、缝合合线等，在沉等，在沉积间断面中常有古断面中常有古风化残化残积物物5.层间软弱物弱物质在构造及地下水作用下易在构造及地下水作用下易软化，泥化，化，泥化，强强度降低，度降低，对岩体岩体稳定不利。定不

37、利。岩石力学岩石力学二、结构面的类型及特征二、结构面的类型及特征（2 2）火成结构面）火成结构面火成结构面为岩浆侵入、喷溢冷凝所形成的火成结构面为岩浆侵入、喷溢冷凝所形成的各种结构面。各种结构面。成因成因地地质类型型主要特征主要特征原原生生结构构面面火火成成结构构面面流流层、流、流线、火山、火山岩流接触岩流接触面、面、蚀变带、挤压破碎破碎带、原生原生节理理1.产状受岩体羽状受岩体羽围岩接触面控制，随侵入岩体或岩脉的形岩接触面控制，随侵入岩体或岩脉的形态而异；而异；2.流流层、流、流线在新在新鲜岩体中不易剥开，但岩体中不易剥开，但经风化后易剥离或脱落，化后易剥离或脱落，接触面延伸接触面延伸较远，

38、原生，原生节理延理延续性不性不强强，但往往密集；，但往往密集；3.冷凝原生冷凝原生节理常常是平行或垂直接触面的，理常常是平行或垂直接触面的，为平平缓或高或高倾角角张裂裂面，面，较不平整，且粗糙。在浅成岩体及火山岩岩体内常不平整，且粗糙。在浅成岩体及火山岩岩体内常发育有特殊育有特殊的的节理及柱状理及柱状节理；理；4.火山岩流火山岩流间充填物松散，原生充填物松散，原生节理常被理常被软弱物弱物质填充，填充，对稳定不定不利；利；5.蚀变带和和挤压破碎破碎带的形的形态、产状、状、规模及特性均受侵入岩体及模及特性均受侵入岩体及围岩性岩性质所控制。所控制。岩石力学岩石力学二、结构面的类型及特征二、结构面的类

39、型及特征（3 3）变质结构面）变质结构面岩体在变质作用过程中所形成的结构面。岩体在变质作用过程中所形成的结构面。成因成因地地质类型型主要特征主要特征原原生生结构构面面变质结构构面面片理、板片理、板理、剥理、理、剥理、软弱弱夹层1.产状与岩状与岩层一致，或受其控制；一致，或受其控制；2.片理面延展性片理面延展性较差，一般分布密集差，一般分布密集3.片理片理结构面光滑，但形构面光滑，但形态是波浪起伏的。在新是波浪起伏的。在新鲜岩体中片岩体中片理面多呈理面多呈闭合状，但一般能剥开，片理面常呈凹凸不平状，合状，但一般能剥开，片理面常呈凹凸不平状，面粗糙；面粗糙；4.软弱弱夹层中主要是片状中主要是片状矿

40、物，如黑云母、物，如黑云母、绿泥石、滑石等泥石、滑石等富集富集带，抗剪，抗剪强强度低，是岩体中的薄弱部位。度低，是岩体中的薄弱部位。岩石力学岩石力学二、结构面的类型及特征二、结构面的类型及特征2 2、构造结构面、构造结构面各类岩体在构造运动作用下形成的各种结构面各类岩体在构造运动作用下形成的各种结构面，如，如节理、断层、劈理、层间错动面节理、断层、劈理、层间错动面等。等。成因成因类型型地地质类型型主要特征主要特征构构造造结构构面面劈理劈理为短小、密集的剪切破裂面，影响局部地段岩体的完整性短小、密集的剪切破裂面，影响局部地段岩体的完整性及及强强度度层间破碎破碎层1.在在层状岩体中沿状岩体中沿软弱

41、弱夹层发育，育，产状与岩状与岩层一致；一致；2.一般呈一般呈层状分布，延展性状分布，延展性较强强，有，有时也呈透也呈透镜状或尖状或尖灭3.结构面物构面物质破碎，呈破碎，呈鳞片状，含泥片状，含泥质物，呈条物，呈条带状分布状分布构造节理：构造节理：构造节理：构造节理：地壳运动过程中受构造作用力而产生，是在自然地壳运动过程中受构造作用力而产生，是在自然界最广泛存在的一种节理。按其力学成因又分成两类，即：界最广泛存在的一种节理。按其力学成因又分成两类，即：张节理张节理和和剪节理剪节理。剪节理剪节理：当岩石中所受的最大剪应力达到并超过岩石的抗剪强度时 就会产生剪节理。方向与最大剪应力方向一致。 剪节理的

42、特点：剪节理的特点： 常是闭合的 节理面平直光滑 节理面上常有小擦痕或小的磨光面 节理面常切穿粗砂和砾石 沿走向和倾向延伸较远， 产状比较稳定张节理张节理：由张应力作用形成，节理大致垂直最大张应力方向。 张节理的特点：张节理的特点：常是张开的节理面凹凸不平没有擦痕和擦光面等.穿过粗碎屑岩时常绕过粗砂和砾石沿走向、倾向延伸不远沿其尖灭方向追索会断续再现常被脉体充填断层要素：断层要素：断层面断层面：把岩石分成两个断块，且沿该面两边断块发生了显著位移。 其产状用产状三要素产状三要素表示。断层面可以是平面，也可以是 曲面，有时是破碎带断层线断层线：断层面与地表的交线。即断层在地表的出露线。 可以是直线

43、，也可以是曲线。断盘断盘：被断层面分开的两侧岩块。 对倾斜的断层面，断层面上面的称上盘上盘，下面的称下盘下盘。 断层面直立时：可根据断层的运动方向分为上升盘上升盘和下降盘下降盘。上盘上盘下盘下盘断层面断层面断层断层断层断层 断层是一种有明显位移的断层是一种有明显位移的 断裂构造断裂构造岩石力学岩石力学二、结构面的类型及特征二、结构面的类型及特征成因成因类型型地地质类型型主要特征主要特征构构造造结构构面面断断层1.规模模悬殊，有的深切岩石圈几十公里，有的殊，有的深切岩石圈几十公里，有的仅限于地表数十米，断限于地表数十米，断层为延延续性性较强强的的结构面，构面，对岩体岩体稳定性的影响定性的影响较大

44、；大；2.大多数断大多数断层为剪切作用所形成，也有剪切作用所形成，也有为引引张脆脆性破裂所形成；性破裂所形成；3. 一般断一般断层带内都存在有构造岩，如断内都存在有构造岩，如断层岩、糜岩、糜棱岩、角棱岩、角砾岩、岩、压碎岩，构造岩后期被侵染、胶碎岩，构造岩后期被侵染、胶结，如方解石或石英脉网，如方解石或石英脉网络的形成，的形成，对岩体岩体稳定定有利。有利。岩石力学岩石力学二、结构面的类型及特征二、结构面的类型及特征3 3、次生结构面、次生结构面在地表条件下由于外力在地表条件下由于外力( (如风化、地下水、如风化、地下水、卸荷、爆破等卸荷、爆破等) )的作用而形成的各种界面，如的作用而形成的各种

45、界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、风化夹层及卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、风化夹层及泥化夹层等。泥化夹层等。风化节理：风化节理：风化节理：风化节理：岩石受风化作用产生的节理或裂隙岩石受风化作用产生的节理或裂隙岩石力学岩石力学二、结构面的类型及特征二、结构面的类型及特征成因成因类型型地地质类型型主要特征主要特征次生次生结构面构面卸荷裂隙卸荷裂隙1.产状与状与临空面有关，一般近水平，多空面有关，一般近水平，多为曲折不曲折不连续状状态；2.延延续性不性不强强，常在地表，常在地表2040m内内发育；育；3.结构面粗糙不平，常构面粗糙不平，常张开，充填物有气、水、泥开，充填物有气、水、泥质碎屑，碎屑

46、，宽窄不一，窄不一，变化多化多样。爆破裂隙爆破裂隙1.这种裂隙在种裂隙在边坡岩体中最坡岩体中最为常常见；2.产状与状与边坡走向近于平行，延展有一定范坡走向近于平行，延展有一定范围，视爆破力大小而异；爆破力大小而异；3.多多为张开型，松散、破碎，其状开型，松散、破碎，其状态受上述各种受上述各种结构面及岩性控制，但构面及岩性控制，但一般多呈弧状分布。一般多呈弧状分布。风化裂隙化裂隙风化化夹层1.一般沿原生一般沿原生夹层和原有和原有结构面构面发育，短小密集，延育，短小密集，延续性弱，性弱，仅限于地限于地表一定深度；表一定深度；2.风化化夹层产状与岩状与岩层一致，在一致，在风化化带内延展性内延展性强强

47、；3.充填物充填物质松散、破碎，含泥松散、破碎，含泥质物。物。泥化泥化夹层1.产状与岩状与岩层一致，沿一致，沿软弱岩弱岩层表部表部发育；育；2.延展性延展性强强，但各段泥化程度可能不一，但各段泥化程度可能不一，视地下水作用条件而异；地下水作用条件而异；3.泥泥质物多呈塑性状物多呈塑性状态，甚至流，甚至流态，强强度低，是度低，是导致致边坡岩体失坡岩体失稳破坏破坏的常的常见因素。因素。岩石力学岩石力学三、结构面的分级三、结构面的分级结构面的结构面的发育程度、规模大小、组合发育程度、规模大小、组合形式形式等是决定结构体的形状、方位、大等是决定结构体的形状、方位、大小和控制岩体稳定性的重要因素。而结小

48、和控制岩体稳定性的重要因素。而结构面的构面的规模规模是最重要的控制因素，结构是最重要的控制因素，结构面发育程度和规模一般划分为五级。面发育程度和规模一般划分为五级。岩石力学岩石力学三、结构面的分级三、结构面的分级 1 1、I I级结构面级结构面一般泛指对区域构造起控制作用的断裂带。一般泛指对区域构造起控制作用的断裂带。级序序分分级依据依据地地质分分类力学属性力学属性对岩体岩体稳定性的作用定性的作用级延伸数十公里，深延伸数十公里，深度可切穿一个构造度可切穿一个构造层，破碎，破碎带宽度在度在数米至数十米以上。数米至数十米以上。主要指区域性深主要指区域性深大断裂或大断裂。大断裂或大断裂。属于属于软弱

49、弱结构构面，构面，构成独立成独立的力学的力学介介质单元。元。影响区域影响区域稳定性，山体定性，山体稳定性，如直接通定性，如直接通过工工程区，是岩体程区，是岩体变形或破形或破坏的控制条件，形成岩坏的控制条件，形成岩体力学作用体力学作用边界。界。岩石力学岩石力学岩石力学岩石力学三、结构面的分级三、结构面的分级2 2、级结构面级结构面一般指延展性强而宽度有限的地质界面。一般指延展性强而宽度有限的地质界面。级序序分分级依据依据地地质分分类力学属性力学属性对岩体岩体稳定性的作用定性的作用级延伸数百米至数延伸数百米至数公里，破碎公里，破碎带宽度比度比较窄，几厘窄，几厘米至数米。米至数米。主要包括不整主要包

50、括不整合面、假整合合面、假整合面、原生面、原生软弱弱夹层、层间错动带、断、断层侵侵入接触入接触带、风化化夹层等。等。属于属于软弱弱结构构面，面，形成形成块裂裂边界。界。控制山体控制山体稳定性，与定性，与级结构面可形成大构面可形成大规模的模的块体破坏，即体破坏，即控制岩体控制岩体变形和破坏形和破坏方式。方式。岩石力学岩石力学三、结构面的分级三、结构面的分级岩石力学岩石力学三、结构面的分级三、结构面的分级3 3、级结构面级结构面一般为局部性断裂构造，主要指小断层。一般为局部性断裂构造，主要指小断层。级序序分分级依据依据地地质分分类力学属性力学属性对岩体岩体稳定性的作用定性的作用级延展十米或数米，延

51、展十米或数米，无破碎无破碎带，面内，面内不含泥，有的具不含泥，有的具泥膜。泥膜。仅在一个在一个地地质时代的地代的地层中分布，有中分布，有时仅仅在某一种岩性在某一种岩性中分布。中分布。各种各种类型的型的断断层、原生、原生软弱弱夹层、层间错动带等。等。多数属多数属于于坚硬硬结构面，构面，少数属少数属软弱弱结构面。构面。控制岩体的控制岩体的稳定性，定性，与与，级结构面构面组合可形成不同合可形成不同规模的模的块体破坏。划分体破坏。划分类岩体岩体结构的重要依据。构的重要依据。岩石力学岩石力学三、结构面的分级三、结构面的分级 4 4、级结构面级结构面一般延展性较差，无明显的宽度，主要指的一般延展性较差，无

52、明显的宽度，主要指的是节理面。是节理面。级序序分分级依据依据地地质分分类力学属性力学属性对岩体岩体稳定性的作用定性的作用级延展数米，未延展数米，未错动，不，不夹泥，有泥，有的呈弱的呈弱结合状合状态，统计结构面。构面。节理、劈理、理、劈理、片理、片理、层理、理、卸荷裂隙、卸荷裂隙、风化裂隙等。化裂隙等。坚硬硬结构构面面岩体力学性岩体力学性质、结构构效效应的基的基础。破坏岩。破坏岩体的完整性，与其他体的完整性，与其他结构面构面结合形成不同合形成不同类型的型的边坡破坏方式。坡破坏方式。岩石力学岩石力学三、结构面的分级三、结构面的分级5 5、V V级结构面级结构面延展性甚差，无宽度之别，分布随机，延展

53、性甚差，无宽度之别，分布随机，是为数甚多的细小的结构面。是为数甚多的细小的结构面。级序序分分级依据依据地地质分分类力学属性力学属性对岩体岩体稳定性的作用定性的作用级连续性极差，性极差，刚性接触的性接触的细小或小或隐微裂面，微裂面，统计结构面构面微小微小节理，理，隐微裂隙和微裂隙和线理理等。等。硬性硬性结构构面面分布随机，降低岩分布随机，降低岩块的的强强度，是岩度，是岩块力学力学性性质效效应基基础。若十。若十分密集，又因分密集，又因风化，化，可形成松散介可形成松散介质。岩石力学岩石力学三、结构面的分级三、结构面的分级从工程地质测绘观点，五个等级的结构面可从工程地质测绘观点，五个等级的结构面可分为

54、分为实测结构面和统计结构面实测结构面和统计结构面两大类。两大类。 实测结构面是经过野外地质测绘工作，按其实测结构面是经过野外地质测绘工作，按其结构面的产状及其具体位置，直接表示在结构面的产状及其具体位置，直接表示在不同不同比例尺的工程地质图比例尺的工程地质图上。上。统计结构面，只能在野外有明显的统计结构面，只能在野外有明显的岩层露头岩层露头地点进行统计，经过室内作结构面密度统计图，地点进行统计，经过室内作结构面密度统计图，认识其统计规律，它们不能直接反映在工程地认识其统计规律，它们不能直接反映在工程地质图上，但可转化为结构面的组合模型，反映质图上，但可转化为结构面的组合模型，反映在在岩体结构图

55、岩体结构图上。上。岩石力学岩石力学三、结构面的分级三、结构面的分级结构面分级结构面分级实测结构面实测结构面I I级结构面级结构面级结构面级结构面级结构面级结构面级结构面级结构面V V级结构面级结构面统计结构面统计结构面岩石力学岩石力学四、结构面状态四、结构面状态1 1、结构面的贯通性、结构面的贯通性在在工程岩体范围工程岩体范围内，结构面按贯通性可分为内，结构面按贯通性可分为非贯通性的、半贯通性的和贯通性的三种类型非贯通性的、半贯通性的和贯通性的三种类型（1 1）非贯通性结构面：）非贯通性结构面：即结构面较短，不能贯通即结构面较短，不能贯通岩体或岩块，但它的存在岩体或岩块，但它的存在使岩体或岩块

56、强度降低，使岩体或岩块强度降低，变形增大。变形增大。岩石力学岩石力学四、结构面状态四、结构面状态（2 2）半贯通性结构面：）半贯通性结构面：结构面有一定的长度，但结构面有一定的长度，但尚不能贯通整个岩体或岩尚不能贯通整个岩体或岩块。块。（3 3）贯通性结构面：）贯通性结构面：结构面连续长度贯通整个结构面连续长度贯通整个岩体，是构成岩体、岩块岩体，是构成岩体、岩块的边界，它对岩体有较大的边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结的影响，破坏常受这种结构面控制。构面控制。岩石力学岩石力学四、结构面状态四、结构面状态2 2、结构面状态的指标与影响、结构面状态的指标与影响结构面的状态对岩体的工程性质的

57、影响是结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的指结构面的产状、形态、延展尺度、发育程产状、形态、延展尺度、发育程度和密集程度度和密集程度等对岩体强度和工程稳定性的等对岩体强度和工程稳定性的影响。影响。（1 1）、产状：）、产状：结构面产状对岩体是否沿某结构面产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控制作用（一结构面滑动起控制作用（倾向、倾角倾向、倾角）。）。岩石力学岩石力学三、结构面的分级三、结构面的分级水水水水平平平平岩岩岩岩层层层层：沉积物固结成岩石后，未受到强烈的水平运动，只是升降运动，因此，岩石仍保持水平状态。岩层近于与水平面平行。倾倾倾倾斜斜斜斜岩岩岩岩层层层层：由于地壳运动，主要是水

58、平运动的结果使岩层改变了原始的状态。岩层与水平面呈一定的角度斜交。直直直直立立立立岩岩岩岩层层层层：由于地壳运动的影响使地层直立。岩层与水平面垂直。产状三要素：产状三要素： 走向走向走向走向：岩层面与水平面之间的交线（走向线走向线走向线走向线）所指的方向 倾向：倾向：倾向：倾向：垂直于岩层的走向线做垂线（倾斜线），其在水平面上的投影叫倾向线倾向线倾向线倾向线，倾向线从高向低所指的方向叫倾向 倾角：倾角：倾角：倾角：倾向线与倾斜线之间的夹角叫倾角。倾角5度时叫水平岩层水平岩层水平岩层水平岩层倾角在5-90度之间时叫倾斜岩层倾斜岩层倾斜岩层倾斜岩层倾角为90度时叫直立岩层直立岩层直立岩层直立岩层岩

59、层产状的测定岩层产状的测定 罗盘的构造和使用节理的观测与统计节理的观测与统计 节理观测和统计的步骤节理观测和统计的步骤节理观测和统计的步骤节理观测和统计的步骤1）观测点的选择 露头良好，出露面积在几个平方米以上，如采石场等。2）节理性质的研究 根据节理面的特点等，研究节理的性质，如是张性的还是剪性的。3）确定节理的性质和共轭关系依据节理的交切和错动关系，确定节理形成的相互顺序，找出同属于一期的一组节理，最好是一组共轭节理并测量其夹角，由此确定应变椭球体的方向。在测量之前首先要对节理进行分期分期和配和配套。套。节理的测量和登记节理的测量和登记节理的测量和登记节理的测量和登记对测点内节理进行测量和

60、登记，内容包括：测点编号，岩石特征，岩层产状，节理面的产状特征，节理面特征，节理的性质，节理中的充填物，节理的交切关系，裂缝宽度等。 节理的分期：节理的分期：判断节理形成的时间关系。 （据不同节理的交切关系）错开（先后）限制（先后）互切（同时）节理的配套：节理的配套：把成因相同而又相互平行的一组节理构成一个节理组节理组节理组节理组，几个有成因联系的节理组构成一个节理系节理系节理系节理系。 后后后后同期同期同期同期后后后后节理观测结果的室内整理和节理统计图节理观测结果的室内整理和节理统计图节理玫瑰花图节理玫瑰花图走走走走向向向向玫玫玫玫瑰瑰瑰瑰花花花花图图图图：每5或10 分组，统计每组的节理数

61、和平均走向.在任一半径的半圆上，射线方向代表节理平均走向，长度代表节理数（或百分数），连接各端点即得走向玫瑰花图。倾倾倾倾向向向向玫玫玫玫瑰瑰瑰瑰花花花花图图图图：与走向玫瑰花图类似，只是用一个整圆来做，射线方向代表平均倾向。132435437节理玫瑰花图的作图方法节理玫瑰花图的作图方法倾向玫瑰花图倾向玫瑰花图倾向玫瑰花图倾向玫瑰花图：用一个整圆，射线方向代表节理平均倾向，长度代表节理数（或百分数）。20条条20条条走向玫瑰花图走向玫瑰花图走向玫瑰花图走向玫瑰花图：用一个半圆，射线方向代表节理平均走向，长度代表节理数（或百分数）。节理等密度图节理等密度图：一般是在施密特网上（等面积网）上先做极

62、点图，然后中心密度计和边缘密度计统计节理极点数（或百分数）并标于网格交叉点上，把相同数字的点用线连接起来即为等密度线。节节理理等等密密度度图图的的作作图图方方法法岩石力学岩石力学三、结构面的分级三、结构面的分级岩石力学岩石力学四、结构面状态四、结构面状态 （2 2）、形态：）、形态： 决定结构面抗滑力决定结构面抗滑力的大小，结构面的起的大小，结构面的起伏程度大、粗糙度高伏程度大、粗糙度高时，抗滑力就大时，抗滑力就大（宽（宽度、起伏度、粗糙度、度、起伏度、粗糙度、充填物）。充填物）。 岩石力学岩石力学四、结构面状态四、结构面状态 结构面的充填物：结构面的充填物： 硬性结构面硬性结构面：硅质胶结的

63、强度最高，钙质胶结较：硅质胶结的强度最高，钙质胶结较差，泥质胶结的最差。差，泥质胶结的最差。软弱结构面，其充填物质和含水量不同，力学性软弱结构面，其充填物质和含水量不同，力学性质差别很大。质差别很大。泥质矿物：泥质矿物：低湿度压密状态下的断层泥低湿度压密状态下的断层泥:C=50:C=50100KPa100KPa，=17=172020；浸水后；浸水后C C5 520KPa20KPa，角角随矿物成分变化很大；随矿物成分变化很大；蚀变矿物：蚀变矿物：在含水情况下在含水情况下可低至可低至3 3 5 5，粘，粘土矿物土矿物可低至可低至8 81212。蒙脱土为主的粘土：蒙脱土为主的粘土：含水量含水量808

64、0时，时，接近零。接近零。岩石力学岩石力学四、结构面状态四、结构面状态 （3 3）、延展尺度：工程岩体范围内，延展）、延展尺度：工程岩体范围内，延展尺度大的结构面，完全控制了岩体的强度尺度大的结构面，完全控制了岩体的强度（迹长）（迹长）（4 4）、密集程度：以岩体裂隙度）、密集程度：以岩体裂隙度K K和切割和切割度度XeXe表征岩体结构面的密集程度。表征岩体结构面的密集程度。( (目前多以线密度、面密度、体积密度、间目前多以线密度、面密度、体积密度、间距表示）距表示）岩石力学岩石力学四、结构面状态四、结构面状态 （3 3）、延展尺度：工程岩体范围内，延展）、延展尺度：工程岩体范围内，延展尺度大

65、的结构面，完全控制了岩体的强度尺度大的结构面，完全控制了岩体的强度（迹长）（迹长）（4 4）、密集程度：以岩体裂隙度）、密集程度：以岩体裂隙度K K和切割和切割度度XeXe表征岩体结构面的密集程度。表征岩体结构面的密集程度。( (目前多以线密度、面密度、体积密度、间目前多以线密度、面密度、体积密度、间距表示）距表示）LD裂裂隙隙间间距距与与迹迹长长定定义义测线测线间距间距迹长迹长岩石力学岩石力学四、结构面状态四、结构面状态岩体裂隙度岩体裂隙度K K是指是指沿取样线方向沿取样线方向单位长度单位长度上的节理数量。（上的节理数量。（线密度线密度）设取样线长度为设取样线长度为L L，沿该长度内出现的节

66、，沿该长度内出现的节理数量为理数量为n n，则：，则：沿取样线方向沿取样线方向节理的平均间距节理的平均间距d d为：为：岩石力学岩石力学四、结构面状态四、结构面状态按裂隙度按裂隙度K K的节理分类的节理分类疏节理疏节理(0(01 1条条/ /米）；米）；密节理密节理(1(11010条条/ /米米）；）；非常密集节理非常密集节理(10(10100 100 条条/ /米米) )；压碎或糜棱化压碎或糜棱化(100(10010001000条条/ /米米) )。岩石力学岩石力学四、结构面状态四、结构面状态切割度切割度XeXe是指岩体被节理割裂分离的程度。是指岩体被节理割裂分离的程度。岩体仅含岩体仅含个节

67、理时，沿节理面在岩体中取个节理时，沿节理面在岩体中取一个贯通整体的假想平直断面，则节理面积一个贯通整体的假想平直断面，则节理面积a a与断面积与断面积A A之比即为岩体的切割度。之比即为岩体的切割度。 岩石力学岩石力学四、结构面状态四、结构面状态如果沿岩体某断面上同时存在面积为如果沿岩体某断面上同时存在面积为a ai i的的n n个个节理面，则岩体沿断面的切割度为：节理面，则岩体沿断面的切割度为：ADAD1AD3AD2连通率连通率K：岩石力学岩石力学四、结构面状态四、结构面状态岩体按切割度分类岩体按切割度分类名称名称Xe完整的完整的0.10.2弱节理化弱节理化0.20.4中等节理化中等节理化0

68、.40.6强节理化强节理化0.60.8完全节理化完全节理化0.81.0岩石力学岩石力学岩石力学岩石力学2.4 结构面的力学性质岩石力学岩石力学结构面的力学性质主要包括三个方面：结构面的力学性质主要包括三个方面：1 1、法向压缩变形；、法向压缩变形；2 2、切向剪切变形；、切向剪切变形；3 3、抗剪强度。、抗剪强度。岩石力学岩石力学一、法向变形一、法向变形在法向荷载作用在法向荷载作用下，岩石粗糙结构下，岩石粗糙结构面的接触面积和接面的接触面积和接触点数随荷载增大触点数随荷载增大而增加，结构面间而增加，结构面间隙呈非线性减小，隙呈非线性减小，应力与法向变形之应力与法向变形之间呈指数关系。间呈指数关

69、系。岩石力学岩石力学一、法向变形一、法向变形Goodman(1974)Goodman(1974)通过试验，得出法向应力通过试验，得出法向应力n n与与结构面闭合量结构面闭合量n n有如下关系：有如下关系：式中，式中，称为原位压力，由测量结构面称为原位压力，由测量结构面法向变形的初始条件决定；法向变形的初始条件决定；maxmax是最大可是最大可能闭合量；能闭合量；s s、t t是与结构面几何待征、岩是与结构面几何待征、岩石力学性质有关的两个参数。石力学性质有关的两个参数。岩石力学岩石力学一、法向变形一、法向变形 法向变形刚度法向变形刚度KnKn，反映，反映结构面产生单位法向变形的法结构面产生单位

70、法向变形的法向应力梯度向应力梯度，它不仅取决于，它不仅取决于岩石本身的力学性质，更岩石本身的力学性质，更主要取决于粗糙结构面接主要取决于粗糙结构面接触点数、接触面积和结构触点数、接触面积和结构面两侧微凸体相互啮合程面两侧微凸体相互啮合程度。通常情况下，法向变度。通常情况下，法向变形刚度不是一个常数形刚度不是一个常数, ,与应与应力水平有关。力水平有关。岩石力学岩石力学一、法向变形一、法向变形Goodman(1974)Goodman(1974)的研究结果：的研究结果：式中：式中：K Kn0n0为结构面初始刚度。为结构面初始刚度。岩石力学岩石力学一、法向变形一、法向变形BandisBandis等人

71、等人(1984)(1984)通过对大量的天然、不同通过对大量的天然、不同风化程度和表面粗糙程度的非充填结构面的风化程度和表面粗糙程度的非充填结构面的试验研究，提出双曲线型关系式：试验研究，提出双曲线型关系式：岩石力学岩石力学一、法向变形一、法向变形式中：式中：JCSJCS为单轴抗压强度；为单轴抗压强度；JRCJRC为结构面为结构面的粗糙系数；的粗糙系数；A A、B B、C C、D D为常数，取决于结为常数，取决于结构面的受载历史。构面的受载历史。岩石力学岩石力学二、剪切变形二、剪切变形 1 1、对、对非充填粗糙结构非充填粗糙结构面面，随剪切变形发生，剪，随剪切变形发生，剪切应力相对上升较快，当

72、切应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构达到剪应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后降，并产生不规则的峰后变形变形( (曲线曲线A)A)或滞滑现象或滞滑现象. .在一定的法向应力作用下，结构面在剪切作在一定的法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形。通常有两种基本形式：用下产生切向变形。通常有两种基本形式：岩石力学岩石力学2 2、对于、对于平坦平坦( (或有充或有充填物填物) )的结构面的结构面，初始阶，初始阶段的剪切变形曲线呈现段的剪切变形曲线呈现下凹型，随着剪切变形下凹型，随着剪切变形的持续发展，剪切应力的持续发展，剪切应力逐渐升高但没

73、有明显的逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达恒定峰值出现，最终达恒定值，有时也出现剪切硬值，有时也出现剪切硬化化( (曲线曲线B B）。）。二、剪切变形二、剪切变形岩石力学岩石力学 剪切变形曲线从形式上可划分成：剪切变形曲线从形式上可划分成： 弹性区弹性区 -峰前应力上升区；峰前应力上升区； 剪应力峰值区；剪应力峰值区； 塑性区塑性区-峰后应力降低区或恒应力区。峰后应力降低区或恒应力区。 (Goodman(Goodman，1974)1974)。在结构面剪切过程中，伴随有在结构面剪切过程中，伴随有微凸体的弹微凸体的弹性变形、劈裂、磨粒的产生与迁移、结构面性变形、劈裂、磨粒的产生与迁移、结构面的相

74、对错动的相对错动等多种力学过程。因此，剪切变等多种力学过程。因此，剪切变形一般是不可恢复的，即便在形一般是不可恢复的，即便在“弹性区弹性区”，剪切变形也不可能完全恢复。剪切变形也不可能完全恢复。二、剪切变形二、剪切变形岩石力学岩石力学二、剪切变形二、剪切变形 剪切刚度剪切刚度K Kt t: :通常将通常将弹性区内单位变形的应弹性区内单位变形的应力梯度力梯度称为剪切刚度。称为剪切刚度。根据根据Goodman(1974) Goodman(1974) 研究结果研究结果式中，式中，K Kt0t0是初始剪切刚度，是初始剪切刚度，ss是产生较大剪是产生较大剪切位移时的剪应力渐近值。试验结果表明，较切位移时

75、的剪应力渐近值。试验结果表明，较坚硬的结构面，剪切刚度一般是常数；松软结坚硬的结构面，剪切刚度一般是常数；松软结构面，剪切刚度随法向应力的大小而改变。构面，剪切刚度随法向应力的大小而改变。岩石力学岩石力学二、剪切变形二、剪切变形结构面简化分析模型结构面简化分析模型岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度1 1、库仑准则、库仑准则从结构面的变形分析可以看出，结构面在剪从结构面的变形分析可以看出，结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗切过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗剪强度的因素是多方面的，大量试验结果表明，剪强度的因素是多方面的，大量试验结果表明，结构面抗剪强度一般可以用库仑准

76、则表述：结构面抗剪强度一般可以用库仑准则表述：岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度凸台模型的抗强度曲线凸台模型的抗强度曲线岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度2 2、巴顿（、巴顿（Barton)Barton)模型：模型：试验表明，试验表明，低法向应力低法向应力时的剪切，结构面有时的剪切，结构面有剪切位移和剪胀剪切位移和剪胀；高法向应力时，凸台剪断高法向应力时，凸台剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。度对结构面的抗剪强度起着重

77、要作用。BartonBarton经试验研究提出了考虑三个基本因经试验研究提出了考虑三个基本因素素( (法向力法向力nn、粗糙度、粗糙度JRCJRC、结构面强度、结构面强度JCSJCS) )的结构面抗剪强度公式。的结构面抗剪强度公式。岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度式中，式中，JCSJCS是结构面是结构面的抗压强度，的抗压强度，b b是是岩石表面的基本摩岩石表面的基本摩擦角，擦角，JRCJRC为结构面为结构面粗糙性系数。粗糙性系数。岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度JRCJRC值根据结构值根据结构面的粗糙性在面的粗糙性在0 02020间变化，间变化，平坦近平滑结平坦近平滑结构面为构

78、面为5 5，平坦，平坦起伏结构面为起伏结构面为1010。粗糙起伏。粗糙起伏结构面为结构面为2020岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度3 3、结构面力学性质的尺寸效应、结构面力学性质的尺寸效应BartonBarton等等(1982)(1982)用不同尺寸的结构面的试验用不同尺寸的结构面的试验结果表明，当结构面的试块长度从结果表明，当结构面的试块长度从5 56cm6cm增加增加到到363640cm40cm时，平均峰值摩擦角降低时，平均峰值摩擦角降低8 81212。随试块面积增加，平均峰值剪切应力呈减少趋随试块面积增加，平均峰值剪切应力呈减少趋势。尺寸效应还体现在以下几个方面：势。尺寸效应还体

79、现在以下几个方面：随结随结构面尺寸增大，达到峰值强度时的位移量增大构面尺寸增大，达到峰值强度时的位移量增大由于尺寸增加，剪切破坏形式由脆性破坏向由于尺寸增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性转化；延性转化；随尺寸加大，峰值剪胀角减小；随尺寸加大，峰值剪胀角减小；随结构面粗糙度减小，尺寸效应也在减小。随结构面粗糙度减小，尺寸效应也在减小。岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度4 4、变形历史的影响、变形历史的影响第一次进行新鲜结构面剪切试验时，试样具第一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有很高的抗剪强度，沿同一方向重复进行到第7 7次剪切试验时，试样还保留峰

80、值与残余值的区次剪切试验时，试样还保留峰值与残余值的区别，当进行到第别，当进行到第1515次时，已看不出峰值与残余次时，已看不出峰值与残余值的区别，说明在重复剪切过程中结构面上凸值的区别，说明在重复剪切过程中结构面上凸台被剪断、磨损，岩粒、碎屑的产生与迁移，台被剪断、磨损，岩粒、碎屑的产生与迁移，使结构面的抗剪力学行为逐渐由凸台粗糙度和使结构面的抗剪力学行为逐渐由凸台粗糙度和起伏度控制转化为由结构面上碎岩屑的力学性起伏度控制转化为由结构面上碎岩屑的力学性质所控制。质所控制。岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度5 5、结构面充填物的影响、结构面充填物的影响结构面内充填物的结构面内充填物的厚度

81、小于主力凸台高度厚度小于主力凸台高度时，结构面的抗剪性能与非充填时的力学特时，结构面的抗剪性能与非充填时的力学特性相类似；性相类似； 结构面结构面充填充填厚度大于主力凸台高度厚度大于主力凸台高度时，结时，结构面的抗剪强度取决于充填材料，充填物的构面的抗剪强度取决于充填材料，充填物的厚度、颗粒大小与级配、矿物组分和含水程厚度、颗粒大小与级配、矿物组分和含水程度都会对充填结构面的力学性质有不同程度度都会对充填结构面的力学性质有不同程度的影响。的影响。岩石力学岩石力学岩石力学岩石力学2.5 岩体的强度特性岩石力学岩石力学一、岩石的强度一、岩石的强度假设岩石服从莫尔假设岩石服从莫尔-库仑直线型强度准则

82、库仑直线型强度准则1、 坐标下坐标下 c破坏角：破坏角：岩石力学岩石力学一、岩石的强度一、岩石的强度2、 在 坐标下 令 则31c岩石力学岩石力学二、结构面强度二、结构面强度假设节理面服从莫尔假设节理面服从莫尔- -库仑直线型强度准则库仑直线型强度准则岩石力学岩石力学二、结构面强度二、结构面强度设节理的方向角为设节理的方向角为。节理面上的应力：节理面上的应力：满足库仑破坏准则时沿节理面破坏满足库仑破坏准则时沿节理面破坏岩石力学岩石力学三、单结构面强度效应三、单结构面强度效应1 1、分析模型、分析模型岩体中发育一组结构面，假定岩体中发育一组结构面，假定ABAB面面( (指法线指法线方向）与最大主

83、应力方向夹角为方向）与最大主应力方向夹角为。岩石强度。岩石强度为为C C0 0、0 0；结构面强度为；结构面强度为C CJ J、J J。13岩石力学岩石力学三、单结构面强度效应三、单结构面强度效应三种可能破坏形式：三种可能破坏形式：（1 1）结构面破坏；结构面破坏；（2 2）岩块破坏；）岩块破坏；（3 3）岩块与结构面同时破坏。）岩块与结构面同时破坏。结构面的产状结构面的产状对岩体的强度产对岩体的强度产生影响。生影响。 2、破坏方式的图解判断、破坏方式的图解判断（1）、）、 无论无论 多少，岩体不破坏。多少，岩体不破坏。 = ntg j+cj = ntg +c3113三、单结构面强度效应三、单

84、结构面强度效应（2） 12时时 沿结构面破坏；沿结构面破坏；（3） 2时，既不沿时，既不沿结构面破坏，也结构面破坏，也不切岩石破坏。不切岩石破坏。13311221 = ntg j+cj = ntg +c三、单结构面强度效应三、单结构面强度效应311221 = ntg j+cj = ntg +c311221 = ntg j+cj = ntg +c（4）、）、 2时剪切岩石时剪切岩石破坏。破坏。 （5） 1或或 2时沿结构时沿结构面与岩石同时破面与岩石同时破坏；坏；31311221 = ntg j+cj = ntg +c三、单结构面强度效应三、单结构面强度效应岩石力学岩石力学三、单结构面强度效应三

85、、单结构面强度效应3 3、岩体破坏的解析法确定、岩体破坏的解析法确定（1 1）、沿结构面破坏：对岩体强度有影响的、沿结构面破坏：对岩体强度有影响的节理方位：节理方位：1 1 2 2 岩石力学岩石力学三、单结构面强度效应三、单结构面强度效应对岩体强度有影响的节理方位角：对岩体强度有影响的节理方位角：1 1 2 2 1 1、2 2可以直接在图上量取，也可以由可以直接在图上量取，也可以由正弦定律推求：正弦定律推求：岩石力学岩石力学三、单结构面强度效应三、单结构面强度效应（2 2）、）、岩石（岩块）破坏岩石（岩块）破坏：对岩体强度无影响的节理方位：对岩体强度无影响的节理方位： 1 1或或 2 2 岩石

86、力学岩石力学三、单结构面强度效应三、单结构面强度效应（3）、岩体强度、岩体强度当当1 1或或2 2时，岩石结构面同时时，岩石结构面同时破坏，岩体强度等于岩块强度破坏，岩体强度等于岩块强度当当1 1或或2 2时，岩块先破坏，岩体时，岩块先破坏，岩体强度等于岩块强度：强度等于岩块强度：当当1 12 2结结构构面面先先破破坏坏时时，岩岩体体强强度小于岩块强度度小于岩块强度岩石力学岩石力学三、单结构面强度效应三、单结构面强度效应（3）单结构面岩体强度单结构面岩体强度强度取完整岩石强度和结构面强度的小值（两者的强度都按强度取完整岩石强度和结构面强度的小值（两者的强度都按直线型考虑）直线型考虑）岩体单轴抗

87、压强度：岩体单轴抗压强度：岩石力学岩石力学三、单结构面强度效应三、单结构面强度效应根据单结构面根据单结构面强度效应可以强度效应可以看出看出岩体强度岩体强度的各向异性的各向异性，岩体单轴或三岩体单轴或三轴受压强度轴受压强度受受加载方向与结加载方向与结构面夹角的控构面夹角的控制。制。岩石力学岩石力学四、多结构面强度效应四、多结构面强度效应多结构面的岩体强度：分步运用单结构多结构面的岩体强度：分步运用单结构面理论，分别绘出每一组结构面单独存在面理论，分别绘出每一组结构面单独存在时的强度包络线和应力莫尔圆，岩体到底时的强度包络线和应力莫尔圆，岩体到底沿哪组结构面破坏，由沿哪组结构面破坏，由1 1与各组

88、结构面的与各组结构面的夹角所决定。夹角所决定。 根据叠加原理根据叠加原理多结构面的组合使得受多结构面的组合使得受力状态极其复杂，若不计力状态极其复杂，若不计受力后沿结构面滑动对应受力后沿结构面滑动对应力分布的影响，则可将多力分布的影响，则可将多组结构面分别按单一结构组结构面分别按单一结构面考虑确定其强度，最后面考虑确定其强度，最后综合考虑岩石和各组结构综合考虑岩石和各组结构面的强度，取其最小值。面的强度，取其最小值。四、多结构面强度效应四、多结构面强度效应岩石力学岩石力学四、多结构面岩体强度四、多结构面岩体强度试验表明，随着岩体内结构面数量的增加，试验表明，随着岩体内结构面数量的增加，岩体强度

89、特性越来越趋于岩体强度特性越来越趋于各向同性各向同性，而岩体的，而岩体的整体强度却大大削弱了。整体强度却大大削弱了。HoekHoek和和BownBown认为，含四组以上性质相近结构认为，含四组以上性质相近结构面的岩体，在地下开挖工程设计中按面的岩体，在地下开挖工程设计中按各向同性各向同性岩体岩体来处理是合理的。来处理是合理的。另外，随着围压另外，随着围压3 3增大，岩体由各向异性增大，岩体由各向异性向各向同性转化，一般认为当向各向同性转化，一般认为当3 3接近岩体单接近岩体单轴抗压强度时，可视为轴抗压强度时，可视为各向同性体各向同性体。岩石力学岩石力学五、岩体强度估算五、岩体强度估算（一）准岩

90、体强度（一）准岩体强度（岩体完整系数修正法岩体完整系数修正法）这种方法实质是用某种简单的试验指标来修这种方法实质是用某种简单的试验指标来修正岩块强度，做为岩体强度的估算值。正岩块强度，做为岩体强度的估算值。节理、裂隙等结构面是影响岩体的主要因素，节理、裂隙等结构面是影响岩体的主要因素，其分布情况可通过弹性波传播来查明，弹性波其分布情况可通过弹性波传播来查明，弹性波穿过岩体时，遇到裂隙便发生绕射或被吸收，穿过岩体时，遇到裂隙便发生绕射或被吸收，传播速度将有所降低，裂隙越多，波速降低越传播速度将有所降低，裂隙越多，波速降低越大，小尺寸试件含裂隙少，传播速度大。大，小尺寸试件含裂隙少，传播速度大。岩

91、石力学岩石力学五、岩体强度估算五、岩体强度估算根据弹性波在岩石试块和岩体中的传播速根据弹性波在岩石试块和岩体中的传播速度比，可判断岩体中裂隙发育程度，称此比度比，可判断岩体中裂隙发育程度，称此比值的平方为岩体完整性系数或龟裂系数。值的平方为岩体完整性系数或龟裂系数。式中，式中，V Vmlml为岩体中弹性波纵波传播速度为岩体中弹性波纵波传播速度 V Vclcl为岩块中弹性波纵波传播速度为岩块中弹性波纵波传播速度岩石力学岩石力学五、岩体强度估算五、岩体强度估算岩体种类岩体种类岩体完整性系数岩体完整性系数K完整完整0.75块状块状0.450.75碎裂状碎裂状0.45准岩体抗压强度：准岩体抗压强度：m

92、cmc= =K Kc c准岩体抗拉强度：准岩体抗拉强度：mtmt= =K Kt t岩石力学岩石力学五、岩体强度估算五、岩体强度估算（二）（二）HokeHokeBrownBrown经验方程经验方程HokeHoke和和BrownBrown根据岩体性质的理论与实践经根据岩体性质的理论与实践经验，用试验法导出了岩块和岩体破坏时主应力验，用试验法导出了岩块和岩体破坏时主应力之间的关系：之间的关系：式中：式中：m m、s s为与岩性及结构面情况有关的常为与岩性及结构面情况有关的常数，可查表或根据岩体分类数，可查表或根据岩体分类RMRRMR值计算。值计算。岩石力学岩石力学五、岩体强度估算五、岩体强度估算剪应

93、力正应力表达式：剪应力正应力表达式：式中，式中，为岩体的剪切强度；为岩体的剪切强度；为岩体法向应力；为岩体法向应力； A A、B B为常数，查表。为常数，查表。岩石力学岩石力学五、岩体强度估算五、岩体强度估算由由HokeHokeBrownBrown经验方程估算岩体抗压强度经验方程估算岩体抗压强度由由HokeHokeBrownBrown经验方程估算岩体抗拉强度经验方程估算岩体抗拉强度岩石力学岩石力学五、岩体强度估算五、岩体强度估算岩体材料参数岩体材料参数m m、s s的的RMRRMR分类系统评分确定：分类系统评分确定：对于扰动岩体：对于扰动岩体：对于未扰动岩体对于未扰动岩体 式中：式中：m mi

94、 i完整岩石的完整岩石的m m值，可由三轴试验值，可由三轴试验的结果确定。的结果确定。 岩石力学岩石力学五、岩体强度估算五、岩体强度估算根据已知的岩体材料参数根据已知的岩体材料参数m m、s s，便可较方便，便可较方便地确定摩尔库仑准则中的岩体强度参数。地确定摩尔库仑准则中的岩体强度参数。首先假定滑动面上的正应力首先假定滑动面上的正应力n n，然后按下，然后按下式计算：式计算： 岩石力学岩石力学五、岩体强度估算五、岩体强度估算 HoekHoek曾指出，曾指出，m m与库伦与库伦莫尔判据中的内莫尔判据中的内摩擦角摩擦角非常类似，而非常类似，而s s则相当于内聚力则相当于内聚力C C值。如果这样，

95、根据值。如果这样，根据HoekHoekBrownBrown提供的常提供的常数，数，m m最大为最大为2525，显然这时估算的岩体强度，显然这时估算的岩体强度偏低，特别是在低围压下及较坚硬完整的偏低，特别是在低围压下及较坚硬完整的岩体条件下，估算的三轴强度明显偏低。岩体条件下，估算的三轴强度明显偏低。但对于受构造扰动及结构面较发育的裂隙但对于受构造扰动及结构面较发育的裂隙化岩体，化岩体，Hoek(1987)Hoek(1987)认为用这一方法估算认为用这一方法估算是合理的。是合理的。岩石力学岩石力学五、岩体强度估算五、岩体强度估算（三）岩体粘聚力（三）岩体粘聚力C Cm m的的SimpsonSim

96、pson法估算法法估算法辛普森（辛普森（SimpsonSimpson）经验方法认为，岩体）经验方法认为，岩体粘聚力粘聚力C Cm m与完整岩块粘聚力与完整岩块粘聚力C CI I和裂隙密度和裂隙密度i i之之间有如下关系间有如下关系：岩石力学岩石力学五、岩体强度估算五、岩体强度估算( (四）岩体粘聚力四）岩体粘聚力CmCm的费辛柯法估算的费辛柯法估算费辛柯（费辛柯（）经验方法的）经验方法的岩体粘聚力岩体粘聚力CmCm计算公式为：计算公式为：式中：式中：H H边坡高度（边坡高度（m m）；）； L L裂隙间距（裂隙间距（m m）；）； a a由岩块强度和结构面分布特征所由岩块强度和结构面分布特征所

97、决定的系数。决定的系数。岩石力学岩石力学五、岩体强度估算五、岩体强度估算（五）内摩擦角经验折减法（五）内摩擦角经验折减法岩体内摩擦角应介于完整岩块内摩擦岩体内摩擦角应介于完整岩块内摩擦角与不连续面内摩擦角之间，一些经验丰角与不连续面内摩擦角之间，一些经验丰富的岩石力学专家总结大量的试验数据认富的岩石力学专家总结大量的试验数据认为完整岩石内摩擦系数是裂隙岩体的为完整岩石内摩擦系数是裂隙岩体的1.101.101.201.20倍。倍。岩石力学岩石力学五、岩体强度估算五、岩体强度估算（六）粘聚力经验折减法（六）粘聚力经验折减法国内相关院校及科研设计部门，根据国内相关院校及科研设计部门，根据多年从事边坡

98、工程的经验，提出将岩石粘多年从事边坡工程的经验，提出将岩石粘聚力折减聚力折减10102020倍做为岩体的粘聚力。倍做为岩体的粘聚力。岩石力学岩石力学岩石力学岩石力学2.6 岩体力学性能的现场测试岩石力学岩石力学室内试验的缺点室内试验的缺点：岩样体积小、脱离：岩样体积小、脱离岩体的地质环境、不能充分反映岩体的力学岩体的地质环境、不能充分反映岩体的力学性能。性能。岩体的野外现场测试：岩体的野外现场测试：相对来讲能较相对来讲能较为全面的反映岩体力学性能的全貌，这是室为全面的反映岩体力学性能的全貌，这是室内试验所不及的。内试验所不及的。岩石力学岩石力学一、岩体现场变形试验一、岩体现场变形试验 岩体的变

99、形试验有静力法和动力法两种。岩体的变形试验有静力法和动力法两种。 静力法静力法是指岩体现场变形试验时以静力荷载是指岩体现场变形试验时以静力荷载进行加载。进行加载。动力法动力法是指施加于岩体上的荷载为是指施加于岩体上的荷载为动力荷载。动力荷载。常用的静力法有常用的静力法有承压板荷载试验法承压板荷载试验法（或称平（或称平板荷载法）和板荷载法）和径向荷载试验法径向荷载试验法。 通常测求岩体的弹性模量通常测求岩体的弹性模量EeEe及变形模量及变形模量EdEd用用承压板荷载试验，测求岩石的弹性抗力系数采承压板荷载试验，测求岩石的弹性抗力系数采用径向荷载试验。用径向荷载试验。岩石力学岩石力学一、岩体现场变

100、形试验一、岩体现场变形试验（一）承压板荷载试验（一）承压板荷载试验1.1.定义：用千斤顶加荷于垫板上，使荷载传到岩体定义：用千斤顶加荷于垫板上，使荷载传到岩体中，称承压板荷载试验法。中，称承压板荷载试验法。2.2.设备装置的主要组成：设备装置的主要组成： （1 1）垫板（承压板）垫板（承压板) )：一般为方形或圆形，面积为：一般为方形或圆形，面积为0.25-1.20m0.25-1.20m2 2，材料弹性或刚性。，材料弹性或刚性。 （2 2）加荷装置（千斤顶或压力枕）加荷装置（千斤顶或压力枕） （3 3）传力装置（传力支柱、传力柱垫板）；）传力装置（传力支柱、传力柱垫板）； （4 4）变形量测装

101、置（测微计）；）变形量测装置（测微计）； 岩石力学岩石力学一、岩体现场变形试验一、岩体现场变形试验岩石力学岩石力学岩石力学岩石力学堆载试验堆载试验岩石力学岩石力学单次小循环单次小循环大循环大循环多次小循环多次小循环P-P-压力压力T-T-时间时间岩体现场变形试验加荷过程岩体现场变形试验加荷过程示意图示意图一、岩体现场变形试验一、岩体现场变形试验（5 5）加荷方法有小循环和）加荷方法有小循环和大循环两种。小循环分为多大循环两种。小循环分为多次循环和单次循环。多次小次循环和单次循环。多次小循环加载比相同荷载下常规循环加载比相同荷载下常规加载岩体产生的总变形大加载岩体产生的总变形大( (蠕变现象蠕变

102、现象) )3. 3. 量测压力和位移，绘制量测压力和位移，绘制P PS S曲线曲线 岩石力学岩石力学4.4.算式算式 ( (测出压力和位移，计算岩体的变形模量测出压力和位移，计算岩体的变形模量E) E) 把岩体看作一个弹性半无限空间，用布把岩体看作一个弹性半无限空间，用布辛涅斯克方程求得岩体表面的垂直向位移。辛涅斯克方程求得岩体表面的垂直向位移。(1)(1)垫板为柔性垫板垫板为柔性垫板(3(3种位移种位移) )a.a.岩体表面上垫板的中点处垂直位移岩体表面上垫板的中点处垂直位移式中：式中：p-p-荷载荷载; r-; r-垫板的半径垫板的半径; -; -岩体的岩体的泊松比泊松比; E; E岩体的

103、弹性模量岩体的弹性模量一、岩体现场变形试验一、岩体现场变形试验岩石力学岩石力学b.b.垫板的平均位移垫板的平均位移 式中，式中，A-A-受荷表面的面积；受荷表面的面积；m-m-系数，它取系数，它取决于垫板的形状、刚度以及荷载分布等情况，决于垫板的形状、刚度以及荷载分布等情况，其其m m值可查表值可查表c.c.带孔柔性垫板带孔柔性垫板( (中心有孔的压力枕中心有孔的压力枕) )中心点中心点的垂直的垂直位移位移一、岩体现场变形试验一、岩体现场变形试验岩石力学岩石力学（2 2）垫板为刚性垫板时）垫板为刚性垫板时式中：式中：a a和和b b为为垫板的边长垫板的边长一、岩体现场变形试验一、岩体现场变形试

104、验岩石力学岩石力学（二）径向荷载试验（二）径向荷载试验要点：在岩体中开挖一个圆形洞室，要点：在岩体中开挖一个圆形洞室，然后在这个洞室的某一段长度上施加垂然后在这个洞室的某一段长度上施加垂直于岩体表面的均匀压力直于岩体表面的均匀压力, , 测求岩体抗测求岩体抗力系数力系数K K和弹性模量和弹性模量E E 。 用水施加压力称为水压法；用压力枕用水施加压力称为水压法；用压力枕施加压称为压力枕法施加压称为压力枕法( (又称奥地利荷载又称奥地利荷载试验试验) )一、岩体现场变形试验一、岩体现场变形试验岩石力学岩石力学试验对岩体施加荷载，造成洞中一定试验对岩体施加荷载，造成洞中一定长度内的岩体产生径向压缩

105、，岩体变形长度内的岩体产生径向压缩，岩体变形控制在弹性阶段。变形模量可按弹性厚控制在弹性阶段。变形模量可按弹性厚壁圆筒理论求得：壁圆筒理论求得：式式中中 u1 - 半径为半径为r岩体岩体内的径向位移内的径向位移 一、岩体现场变形试验一、岩体现场变形试验岩石力学岩石力学推算弹性抗力系数推算弹性抗力系数K K定义：洞室表面产生单位位移的应力定义：洞室表面产生单位位移的应力利用弹性厚壁圆筒理论推出：利用弹性厚壁圆筒理论推出：K K愈大岩体弹性抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定。愈大岩体弹性抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定。既既一、岩体现场变形试验一、岩体现场变形试验岩石力学岩石力学（三）狭缝压力枕荷载试验（三

106、）狭缝压力枕荷载试验(2(2种种) ) 方法方法1 1要点：将岩体切割成槽，把压力枕埋于要点：将岩体切割成槽，把压力枕埋于槽内，并用水泥砂浆浇注，使压力枕的两个面槽内，并用水泥砂浆浇注，使压力枕的两个面都能很好地与槽两侧岩面接触。都能很好地与槽两侧岩面接触。变形模量变形模量式中：式中：p-p-压力枕给岩面的总荷载压力枕给岩面的总荷载 ；A-A-加载面的面积；加载面的面积；V Vs s- -岩面的平均位移岩面的平均位移一、岩体现场变形试验一、岩体现场变形试验岩石力学岩石力学方法方法2 2要点：要点：在垂直岩壁上刻槽布置，则岩体的变在垂直岩壁上刻槽布置，则岩体的变形模量形模量E E可按布辛涅斯克的

107、弹性理论求得。当实测可按布辛涅斯克的弹性理论求得。当实测位移已知时，变形模量为位移已知时，变形模量为：式中：式中：p-p-压力枕施加的单位压力压力枕施加的单位压力（MPaMPa）l直槽宽度（近似用压力枕的宽直槽宽度（近似用压力枕的宽度代替）度代替）(cm) (cm) yx轴到测点的距离（轴到测点的距离（cm)cm)uR测点的位移（测点的位移（cmcm） 一、岩体现场变形试验一、岩体现场变形试验岩石力学岩石力学1.要点：要点：可按施加的推力与剪切面之间的夹角的大小可按施加的推力与剪切面之间的夹角的大小来决定采用不同的加荷方法。双千斤顶试验中，一来决定采用不同的加荷方法。双千斤顶试验中，一组试验不

108、少于五块试件。组试验不少于五块试件。（一）双千斤顶法（一）双千斤顶法二、现场岩体直剪试验二、现场岩体直剪试验岩石力学岩石力学式中：式中： p p垂直千斤顶压力表读数（垂直千斤顶压力表读数（MPaMPa） t t 横向千斤顶压力表读数（横向千斤顶压力表读数（MPaMPa） F F1 1垂直千斤顶活塞面积（垂直千斤顶活塞面积（cmcm2 2） F F2 2- -横向千斤顶活塞面积（横向千斤顶活塞面积（cmcm2 2） F-F-试件剪切面面积（试件剪切面面积（cmcm2 2） 横向推力与剪切面的夹角（通常取横向推力与剪切面的夹角（通常取1515) )2.2.在不同在不同p p力作用力作用下剪切面上的

109、正应下剪切面上的正应力和剪应力力和剪应力: :二、现场岩体直剪试验二、现场岩体直剪试验岩石力学岩石力学注注1： 当剪切面上存在节理裂隙时，抗剪面当剪切面上存在节理裂隙时，抗剪面积将分为剪断破坏和滑动破坏两部分，而积将分为剪断破坏和滑动破坏两部分，而把剪断破坏当作有效抗剪面积把剪断破坏当作有效抗剪面积F Fa a，滑动破滑动破坏时的滑动面积为坏时的滑动面积为F Fb b。3.3.绘制应力与位移特性曲线和剪应力与正应绘制应力与位移特性曲线和剪应力与正应 力强度曲线力强度曲线有效抗有效抗剪面积剪面积正正压力仍压力仍由全部面由全部面积承担积承担二、现场岩体直剪试验二、现场岩体直剪试验岩石力学岩石力学（

110、二）单千斤顶法（二）单千斤顶法1 1、要点：单千斤顶法是现场无法施加垂直应力、要点：单千斤顶法是现场无法施加垂直应力的情况下采用的。在山坡上或平洞内的预定剪的情况下采用的。在山坡上或平洞内的预定剪切面上挖成各种主应力方向与固定剪切面成不切面上挖成各种主应力方向与固定剪切面成不同倾角的试件（通常剪切面倾角为同倾角的试件（通常剪切面倾角为15-3515-35）注注2 2 施加于试件剪切面上的压力应该包括千施加于试件剪切面上的压力应该包括千斤顶施加的荷重、设备和试件的重量。斤顶施加的荷重、设备和试件的重量。 注注3 3 在计算剪应力时，应扣除由于垂直压力在计算剪应力时，应扣除由于垂直压力而产生的滚轴

111、滚动摩擦力。而产生的滚轴滚动摩擦力。二、现场岩体直剪试验二、现场岩体直剪试验岩石力学岩石力学2.2.破坏面上的正、剪应力计算破坏面上的正、剪应力计算 3.3.绘制岩体正绘制岩体正- -剪应力强度曲线，确定强度参数剪应力强度曲线，确定强度参数二、现场岩体直剪试验二、现场岩体直剪试验岩石力学岩石力学 1.1.试件：试件：矩形块体，在试洞底板或洞壁的试验矩形块体，在试洞底板或洞壁的试验位置上，经过仔细凿刻和整平而成的，此矩位置上，经过仔细凿刻和整平而成的，此矩形试件三边脱离原地岩体，而仅一边与岩体形试件三边脱离原地岩体，而仅一边与岩体相连。试件的大小可达相连。试件的大小可达2.801.402.80m

112、2.801.402.80m, ,试件的基底与岩体相连的面积为试件的基底与岩体相连的面积为2.801.40m2.801.40m三、现场三轴强度试验三、现场三轴强度试验岩石力学岩石力学2.2.加载与测试：加载与测试：试件制好后，把压力试件制好后，把压力枕埋置在刻槽内，以便施加枕埋置在刻槽内，以便施加2 2和和3 3，而而1 1是通过垂直千斤顶或压力枕施加的。是通过垂直千斤顶或压力枕施加的。在试验中量测和记录试件的位移。在试验中量测和记录试件的位移。三、现场三轴强度试验三、现场三轴强度试验岩石力学岩石力学3. 测定测定绘制绘制岩体岩体应力位移关系曲线、应力位移关系曲线、应力圆包络应力圆包络线、抗剪强

113、度曲线线、抗剪强度曲线。确定岩体的峰值强度、残余强。确定岩体的峰值强度、残余强度及变形参数等度及变形参数等三、现场三轴强度试验三、现场三轴强度试验岩石力学岩石力学岩石力学岩石力学2.7 岩体的水力学性质岩石力学岩石力学岩体的水力学性质岩体的水力学性质：岩体的渗透：岩体的渗透特性及在渗流作用下所表现出的力特性及在渗流作用下所表现出的力学性质。学性质。基本概念基本概念一、岩土体渗流的区别一、岩土体渗流的区别岩石力学岩石力学一、岩土体渗流的区别一、岩土体渗流的区别1 1、土体的特点：、土体的特点：土体的结构比较疏松，以孔隙为主，孔土体的结构比较疏松，以孔隙为主，孔隙的大小取决于土的物质组成和颗粒堆积

114、隙的大小取决于土的物质组成和颗粒堆积方式。方式。 一般来说，粘土的孔隙度最大，但孔径一般来说，粘土的孔隙度最大，但孔径小，透水能力差；砂土随颗粒增大，孔隙小，透水能力差；砂土随颗粒增大，孔隙度大，渗透性好。度大，渗透性好。岩石力学岩石力学一、岩土体渗流的区别一、岩土体渗流的区别2 2、土体的渗流特点：、土体的渗流特点：、土体渗透性大小取决于土的物质组、土体渗透性大小取决于土的物质组成和堆积方式，土体中颗粒愈细，渗透性成和堆积方式，土体中颗粒愈细，渗透性愈差；愈差；、土体可看作多孔连续介质；、土体可看作多孔连续介质；、土体的渗透性一般具有均质各向同、土体的渗透性一般具有均质各向同性特点；性特点；

115、、土体渗流符合达西渗流定律。、土体渗流符合达西渗流定律。岩石力学岩石力学一、岩土体渗流的区别一、岩土体渗流的区别3 3、岩体渗流特点：、岩体渗流特点：、岩体渗透性大小取决于岩体中结构面、岩体渗透性大小取决于岩体中结构面的性质及岩块的岩性，的性质及岩块的岩性，以裂隙渗流为主以裂隙渗流为主；、岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和岩石、岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和岩石孔隙储水为其特色；孔隙储水为其特色；、岩体裂隙网络渗流具有定向性；、岩体裂隙网络渗流具有定向性；、岩体一般看作非连续介质、岩体一般看作非连续介质( (对密集裂隙对密集裂隙可看作等效连续介质可看作等效连续介质) )；岩石力学岩石力学一、岩土体渗流

116、的区别一、岩土体渗流的区别、岩体的渗流具有高度的非均质性和各向、岩体的渗流具有高度的非均质性和各向异性；异性；、一般岩体中的渗流符合达西渗流定律；、一般岩体中的渗流符合达西渗流定律；、岩体渗流受应力场影响明显；、岩体渗流受应力场影响明显；、复杂裂隙系统中的渗流，在裂隙交叉处、复杂裂隙系统中的渗流，在裂隙交叉处具有具有“偏流效应偏流效应”，即裂隙水流经大小不等裂，即裂隙水流经大小不等裂隙交叉处时，水流偏向宽大裂隙一侧流动。隙交叉处时，水流偏向宽大裂隙一侧流动。岩石力学岩石力学二、岩体空隙的结构类型二、岩体空隙的结构类型1 1、多孔连续介质：、多孔连续介质：由连续分布的多孔介质质点组成的介质称由连

117、续分布的多孔介质质点组成的介质称为多孔连续介质为多孔连续介质。在研究岩体水力学时，若。在研究岩体水力学时，若表征体元内有充分多的孔隙和流体质点，而表征体元内有充分多的孔隙和流体质点，而这个表征体元相对所研究的工程区域这个表征体元相对所研究的工程区域充分小充分小，此时可按此时可按连续介质方法连续介质方法研究工程岩体的力学研究工程岩体的力学及水力学问题。否则用非连续介质方法研究。及水力学问题。否则用非连续介质方法研究。岩石力学岩石力学二、岩体空隙的结构类型二、岩体空隙的结构类型2 2、裂隙网络介质：、裂隙网络介质：裂隙个体在空间上相互交叉形成的网络状裂隙个体在空间上相互交叉形成的网络状空隙结构，这

118、种含水介质称为裂隙网络介质。空隙结构，这种含水介质称为裂隙网络介质。 由相互贯通且裂隙中的水流为连续分布的由相互贯通且裂隙中的水流为连续分布的裂隙构成的网络，称为裂隙构成的网络，称为连通裂隙网络连通裂隙网络； 由互不连通或存在阻水裂隙且裂隙中的水由互不连通或存在阻水裂隙且裂隙中的水流为断续分布的裂隙构成的网络，称为流为断续分布的裂隙构成的网络，称为非连非连通裂隙网络通裂隙网络。岩石力学岩石力学二、岩体空隙的结构类型二、岩体空隙的结构类型 3 3、狭义双重介质：狭义双重介质：由由裂隙和孔隙岩块裂隙和孔隙岩块构成的空隙结构，裂隙构成的空隙结构，裂隙导水，孔隙岩块储水，这种含水介质称为狭导水，孔隙岩

119、块储水，这种含水介质称为狭义双重介质。义双重介质。岩石力学岩石力学二、岩体空隙的结构类型二、岩体空隙的结构类型4 4、广义双重介质：、广义双重介质：由稀疏大裂隙和其间的密集裂隙岩块构成由稀疏大裂隙和其间的密集裂隙岩块构成的空隙结构，大裂隙导水的空隙结构，大裂隙导水( (渗流具有定向性，渗流具有定向性，控制区域渗流控制区域渗流) )，密集裂隙岩块储水及导水，密集裂隙岩块储水及导水( (渗流具有非均质各向异性，控制局部渗流渗流具有非均质各向异性，控制局部渗流) )，这种含水介质称为广义双重介质。，这种含水介质称为广义双重介质。岩石力学岩石力学二、岩体空隙的结构类型二、岩体空隙的结构类型5 5、溶隙

120、、溶隙管道介质：管道介质：由稀疏大岩溶管道由稀疏大岩溶管道( (或暗河或暗河) )和溶蚀网络构和溶蚀网络构成的空隙结构，岩溶管道成的空隙结构，岩溶管道( (或暗河或暗河) )中水流为中水流为紊流紊流( (具有定向性，控制区域流具有定向性，控制区域流) )，溶隙网络，溶隙网络中水流符合层流条件中水流符合层流条件( (渗流具有非均质各向渗流具有非均质各向异性，控制局部渗流异性，控制局部渗流) )，这种含水介质称为，这种含水介质称为溶隙溶隙管道介质。管道介质。岩石力学岩石力学三、岩体的渗流问题三、岩体的渗流问题岩体的渗透性：是指岩体允许透过流岩体的渗透性：是指岩体允许透过流体体( (气体和液体气体和

121、液体) )的能力。的能力。定量指标可用渗透率、渗透系数、渗定量指标可用渗透率、渗透系数、渗透率张量和渗透系数张量描述。透率张量和渗透系数张量描述。裂隙岩体的渗流问题目前仍是岩石力裂隙岩体的渗流问题目前仍是岩石力学研究领域的前沿问题。学研究领域的前沿问题。工程上目前多沿用连续介质渗流理论工程上目前多沿用连续介质渗流理论计算岩土体的渗流场。计算岩土体的渗流场。岩石力学岩石力学四、岩土中的水及其运动四、岩土中的水及其运动岩石力学岩石力学 岩岩土中水势能土中水势能水总是从能量高的状态流向能量低的状水总是从能量高的状态流向能量低的状态。土中水的渗流速度一般较慢，动能部态。土中水的渗流速度一般较慢，动能部

122、分可以忽略，决定土中水运动的主要是势分可以忽略，决定土中水运动的主要是势能。能。土中水的势能可以分为土中水的势能可以分为重力势、压力势、重力势、压力势、基质势和溶质势基质势和溶质势。势能的单位是焦耳，即势能的单位是焦耳，即kNm。四、岩土中的水及其运动四、岩土中的水及其运动岩石力学岩石力学土中水的总势能可表示为：土中水的总势能可表示为：但实际上以上各项并不一定会同时存在，一般对但实际上以上各项并不一定会同时存在，一般对于饱和土主要是重力势于饱和土主要是重力势 g与压力势与压力势 p ； 对于一对于一般非饱和土则主要有重力势和基质势；对于高饱和般非饱和土则主要有重力势和基质势；对于高饱和度的非饱

123、和土也可存在压力势（超静水压）。度的非饱和土也可存在压力势（超静水压）。四、岩土中的水及其运动四、岩土中的水及其运动岩石力学岩石力学达西定律：达西定律：渗透速度渗透速度V 与水头坡降与水头坡降i 成正比，比例常数为渗透系数成正比，比例常数为渗透系数k。 V=ki四、岩土中的水及其运动四、岩土中的水及其运动岩石力学岩石力学五、五、 二维渗流的基本微分方程二维渗流的基本微分方程根据根据不可压缩流体不可压缩流体的假设和水流连续条件，在的假设和水流连续条件，在体体积不变积不变及及岩土体饱和岩土体饱和条件下，流入微单元的水量必条件下，流入微单元的水量必须等于流出的水量。须等于流出的水量。岩石力学岩石力学

124、根据达西定律：根据达西定律：其中，其中， k x ， k z分别为分别为x 与与z 方向土的渗透系方向土的渗透系数，数， h 为某一点的水头，为某一点的水头，一般等于重力势加压一般等于重力势加压力势。力势。五、五、 二维渗流的基本微分方程二维渗流的基本微分方程岩石力学岩石力学对于各向同性的土，对于各向同性的土， k x = kz ，则：，则：饱和各向同性土中二维渗流的基本微分方程。饱和各向同性土中二维渗流的基本微分方程。五、五、 二维渗流的基本微分方程二维渗流的基本微分方程岩石力学岩石力学简单的一维渗流简单的一维渗流(通过两种土体）问题，可直接进通过两种土体）问题，可直接进行积分，从边界条件求

125、解。水流通过两种土体，将行积分，从边界条件求解。水流通过两种土体，将渗流方向取为渗流方向取为x 轴正方向：轴正方向：五、五、 二维渗流的基本微分方程二维渗流的基本微分方程岩石力学岩石力学微分方程的通解为：微分方程的通解为：h = c1 x + c 2 对土体对土体1 而言，边界条件为，而言，边界条件为， x =0 ， h = h0 ； x = L1 ， h = h1 。可确定可确定 c 1和和 c 2 。 c1=(h1-h0)/L1 ， c2=h0根据连续性原理根据连续性原理五、五、 二维渗流的基本微分方程二维渗流的基本微分方程岩石力学岩石力学微分方程在土体微分方程在土体1 中的定解为：中的定

126、解为：对土体对土体2 而言，边界条件为：而言，边界条件为： x =L1， h = h1 ； x = L1L2 ， h = h2 。微分方程在土体微分方程在土体2 中的定解为：中的定解为：五、五、 二维渗流的基本微分方程二维渗流的基本微分方程岩石力学岩石力学流网的绘制流网的绘制五、五、 二维渗流的基本微分方程二维渗流的基本微分方程岩石力学岩石力学1. 渗流场的离散与插值函数渗流场的离散与插值函数 首先对渗流场作首先对渗流场作网格划分，将渗流网格划分，将渗流场划分为有限个小场划分为有限个小区域（单元）。区域（单元）。六、六、 二维渗流的有限元分析二维渗流的有限元分析岩石力学岩石力学单元的划分基本上

127、是任意的，但以根据需要，在渗单元的划分基本上是任意的，但以根据需要，在渗流坡降较大或要求详细研究的部分，将单元划分得流坡降较大或要求详细研究的部分，将单元划分得密些。密些。六、六、 二维渗流的有限元分析二维渗流的有限元分析岩石力学岩石力学单元划分后对单元和单元结点编号，对每个单元划分后对单元和单元结点编号，对每个划分的单元，其结点按逆时针编号为划分的单元，其结点按逆时针编号为1、2、3，相应坐标为，相应坐标为(x1 , z1) 、(x2, z2 )、 (x3, z3) 。有限元法不是直接求解整个区域的水头函有限元法不是直接求解整个区域的水头函数，而是采用离散化的办法，把所求水头函数，而是采用离

128、散化的办法，把所求水头函数数h 近似为单元内连续可导、整个区域连续近似为单元内连续可导、整个区域连续的分区水头函数，从而求出整体水头函数的的分区水头函数，从而求出整体水头函数的近似分布。近似分布。六、六、 二维渗流的有限元分析二维渗流的有限元分析岩石力学岩石力学假设单元假设单元e 的水头函数值在的水头函数值在1、2、3 结点上的结点上的值分别为值分别为 h1 、 h2 、 h3 ，在单元内部的值可用，在单元内部的值可用线性插值求得：线性插值求得：式中式中 a 1, a 2, a 3为系数，显然在为系数，显然在e 单元上的三单元上的三个结点上有：个结点上有：六、六、 二维渗流的有限元分析二维渗流

129、的有限元分析岩石力学岩石力学三角形单元三结点上水头函数值三角形单元三结点上水头函数值 h 1, h 2, h 3为基为基础的线性插值函数矩阵表达式：础的线性插值函数矩阵表达式：单元形函数：单元形函数：六、六、 二维渗流的有限元分析二维渗流的有限元分析岩石力学岩石力学六、六、 二维渗流的有限元分析二维渗流的有限元分析岩石力学岩石力学由流速由流速 vx=kix , vz= kiz得：得：对于非稳定渗流：对于非稳定渗流：六、六、 二维渗流的有限元分析二维渗流的有限元分析岩石力学岩石力学2. 单元渗流矩阵单元渗流矩阵对泛函对泛函 I I( (h h) ) 变分求最小值：变分求最小值： h 为在自由水面

130、边界上的水头。右侧的后一项反为在自由水面边界上的水头。右侧的后一项反映第二类边界条件中自由水面变化。映第二类边界条件中自由水面变化。六、六、 二维渗流的有限元分析二维渗流的有限元分析岩石力学岩石力学3. 整体平衡方程整体平衡方程 前式是前式是e 单元的泛函的微分方程确定极小值，将所单元的泛函的微分方程确定极小值，将所有单元泛函的微分叠加，并等于零，即可得到由节有单元泛函的微分叠加，并等于零，即可得到由节点水头组成的方程组，即整体平衡方程：点水头组成的方程组，即整体平衡方程： F 为从已知结点得到的常数项，相当于结构有为从已知结点得到的常数项，相当于结构有限元中的荷载项。限元中的荷载项。 联立方

131、程组用不同的数学方法求解，得到各单元联立方程组用不同的数学方法求解，得到各单元结点水头结点水头 hi ，然后求单元域内任一点水头值，从而，然后求单元域内任一点水头值，从而得到有限元数值分析的解。得到有限元数值分析的解。六、六、 二维渗流的有限元分析二维渗流的有限元分析岩石力学岩石力学土坝、边坡等的渗流分析中，最困难的问土坝、边坡等的渗流分析中，最困难的问题之一便是渗流自由面的确定。渗流自由面题之一便是渗流自由面的确定。渗流自由面属于混合边界问题，必须同时满足水头边界属于混合边界问题，必须同时满足水头边界条件（第一类边界条条件（第一类边界条件）和流量边界条件件）和流量边界条件（第二类边界条件），

132、（第二类边界条件），渗流自由面的位置事渗流自由面的位置事先是未知的，必须迭先是未知的，必须迭代求解。代求解。六、六、 二维渗流的有限元分析二维渗流的有限元分析岩石力学岩石力学岩石力学岩石力学2.8 岩体质量评价与分类岩石力学岩石力学一、岩体分类的目的与原则一、岩体分类的目的与原则（一）、分类的目的（一）、分类的目的1 1、分析、评价工程岩体稳定性的需要。、分析、评价工程岩体稳定性的需要。2 2、为岩石工程建设的勘察、设计、施工和、为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。编制定额提供必要的基本依据。3 3、便于施工方法的总结、交流与推广。、便于施工方法的总结、交流与推广。4

133、 4、便于行业内技术改革和管理。、便于行业内技术改革和管理。体现：体现：安全、经济、发展安全、经济、发展的思想，岩体分类是岩石的思想，岩体分类是岩石力学研究领域的力学研究领域的重要基础性课题重要基础性课题。岩石力学岩石力学一、岩体分类的目的与原则一、岩体分类的目的与原则（二）、分类原则（二）、分类原则 1 1、有明确的分类级别和适用对象。、有明确的分类级别和适用对象。2 2、有定量的指标。、有定量的指标。3 3、分类级别一般以五级为宜。、分类级别一般以五级为宜。4 4、分类方法简单明了、数字便于记忆和、分类方法简单明了、数字便于记忆和应用。应用。5 5、根据适用对象，选择考虑因素。、根据适用对

134、象，选择考虑因素。发展趋势：发展趋势：“多因素、综合特征值多因素、综合特征值”分类法分类法 岩石力学岩石力学一、岩体分类的目的与原则一、岩体分类的目的与原则（三）、分类的独立因素（三）、分类的独立因素1 1、岩石材料的质量（强度指标）。、岩石材料的质量（强度指标）。2 2、岩体的完整性、结构面产状、密度、波速等。、岩体的完整性、结构面产状、密度、波速等。3 3、岩体结构面产状与岩体工程的相对空间位置关、岩体结构面产状与岩体工程的相对空间位置关系等。系等。4 4、水文状态（软化、冲蚀、弱化）、水文状态（软化、冲蚀、弱化）5 5、地应力影响、地应力影响6 6、其它因素（巷道自稳时间、位移率）、其它

135、因素（巷道自稳时间、位移率）岩石力学岩石力学二、岩石质量指标二、岩石质量指标RQD分类分类岩石质量指标岩石质量指标(RQD) (RQD) (Rock Quality Designation)(Rock Quality Designation) 钻孔岩芯长度在钻孔岩芯长度在10cm(10cm(含含10 10 cm)cm)以上的累计长度占钻孔总长以上的累计长度占钻孔总长度百分比，称为岩石质量指标度百分比，称为岩石质量指标(RQD)(RQD)岩石力学岩石力学二、岩石质量指标二、岩石质量指标RQD分类分类 岩石质量指标（岩石质量指标（RQDRQD）分类是笛尔于）分类是笛尔于19641964年提出，即根

136、据钻探时的岩芯完好程度来判年提出，即根据钻探时的岩芯完好程度来判断岩体的质量，对岩体进行分类（断岩体的质量，对岩体进行分类（5 5类类）。）。分类分类很差很差差差一般一般好好很好很好RQD(%)90岩石质量指标岩石质量指标岩石力学岩石力学二、岩石质量指标二、岩石质量指标RQD分类分类RQDRQD分类方法简单易行，是一种快速、分类方法简单易行，是一种快速、经济而实用的岩体质量评价方法，在一经济而实用的岩体质量评价方法，在一些国家得到广泛应用，但它没有反映出些国家得到广泛应用，但它没有反映出节理的方位、充填物的影响等，因此在节理的方位、充填物的影响等，因此在更完善的岩体分类中，仅把更完善的岩体分类

137、中，仅把RQDRQD作为一个作为一个参数加以使用。参数加以使用。岩石力学岩石力学三、岩体结构类型分类三、岩体结构类型分类中国科学院地质研究所谷德振教授根据岩中国科学院地质研究所谷德振教授根据岩体结构划分岩体类别。体结构划分岩体类别。 特点特点: :考虑到各类结构的地质成因，突出了考虑到各类结构的地质成因，突出了岩体的工程地质特性。岩体的工程地质特性。 岩体结构分为四类岩体结构分为四类: :整体块状结构、层状结整体块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构。构、碎裂结构和散体结构。岩石力学岩石力学三、岩体结构类型分类三、岩体结构类型分类岩体岩体结结构构类类型型岩体完整性岩体完整性主要主要结结构面及其

138、抗剪特性构面及其抗剪特性岩岩块块湿抗湿抗压压强强度度10Pa 类类 亚类亚类结结构面构面间间距距cm完整性完整性系数系数I级级 别别*类类 型型主要主要结结构面构面摩擦系数摩擦系数f代号代号名称名称代号代号名称名称整体整体块块状状结结构构1整体整体结结构构1000.75存在存在，V级级刚刚性性结结构面构面0.606002块块状状结结构构100500.750.35以以、V级为级为主主刚刚性性结结构面局部构面局部为为破碎破碎结结构面构面0.40.6300，般大于般大于600层层状状结结构构1层层状状结结构构50300.60.3以以，级为级为主主刚刚性性结结构面构面柔性柔性结结构面构面0.30.53

139、002薄薄层层状状结结构构300.40以以，级显级显著著柔柔软结软结构面构面0.30O.40300100碎裂碎裂结结构构1镶镶嵌嵌结结构构506002层层状碎裂状碎裂结结构构50（骨（骨架岩架岩层层中中较较大大)0.40，级级均均发发育育泥化泥化结结构面构面0.200.40300，骨架岩，骨架岩层层在在300上下上下3碎裂碎裂结结构构500.30破碎破碎结结构面构面0.160.40300 散体散体结结构构0.20节节理密集呈无序理密集呈无序状分布，表状分布，表现为现为泥包泥包块块或或块夹块夹泥泥60603030151550.750.750.550.550.350.350.1590Kv+3090

140、Kv+30时，应以时，应以cwcw=90Kv+30=90Kv+30和和KvKv代入计算代入计算 BQ BQ 值。值。 (2) (2) 当当KvKv0.040.04cwcw+0.4+0.4时，应以时，应以KvKv=0.04=0.04cwcw+0.4+0.4和和cwcw代入计算代入计算 BQ BQ 值。值。3 3、岩体基本质量指标、岩体基本质量指标BQBQ值以值以103103个典型工程个典型工程为抽样总体，采用多元逐步回归和判别分析为抽样总体，采用多元逐步回归和判别分析法建立了岩体基本质量指标表达式：法建立了岩体基本质量指标表达式：岩石力学岩石力学六、岩体质量分级六、岩体质量分级 (GB50218

141、-94)GB50218-94)4 4、按、按BQBQ值和岩体质量定性特征将岩体分为值和岩体质量定性特征将岩体分为5 5级级质量量级别 岩体岩体质量的定性特征量的定性特征岩体基本岩体基本质量指量指标(BQ) 坚硬岩，岩体完整硬岩，岩体完整 550 坚硬岩，岩体硬岩，岩体较完整；完整；较坚硬岩，岩体完整硬岩，岩体完整 550-451 坚硬岩，岩体硬岩，岩体较破碎；破碎；较坚硬岩或硬岩或软、硬岩互、硬岩互层，岩体，岩体较完整；完整；较软岩，岩体完整岩，岩体完整 450-351 坚硬岩，岩体破碎；硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体硬岩，岩体较破碎或破碎；破碎或破碎；较软岩或岩或较硬岩互硬岩互层，且以，且以

142、软岩岩为主，岩体主，岩体较完完整或整或较破碎；破碎；软岩，岩体完整或岩，岩体完整或较完整完整 350-251 V较软岩，岩体破碎；岩，岩体破碎；软岩，岩体岩，岩体较破碎或破碎；破碎或破碎；全部极全部极软岩及全部极破碎岩岩及全部极破碎岩 250岩石力学岩石力学七、岩体质量评价与分类七、岩体质量评价与分类发展趋势发展趋势为了全面地考虑各种影响因素，又使分类为了全面地考虑各种影响因素，又使分类形式简单、使用方便、岩体质量评价及其分形式简单、使用方便、岩体质量评价及其分类将向以下方向发展：类将向以下方向发展： 、采用多因素综合指标的岩体分类采用多因素综合指标的岩体分类。在分类中，力求充分考虑各种因素的

143、影响和在分类中，力求充分考虑各种因素的影响和相互关系，许多分类都很重视岩体的不连续相互关系，许多分类都很重视岩体的不连续性，把岩体的结构和岩石质量因素作为影响性，把岩体的结构和岩石质量因素作为影响岩体质量的主要因素和指标；岩体质量的主要因素和指标；岩石力学岩石力学七、岩体质量评价与分类七、岩体质量评价与分类发展趋势发展趋势 、向、向定性和定量相结合定性和定量相结合的方向发展；的方向发展； 、利用、利用简易岩体力学测试简易岩体力学测试研究岩体特性，研究岩体特性，初步判别岩类，减少费用昂贵的大型试验，使初步判别岩类，减少费用昂贵的大型试验，使岩体分类简单易行岩体分类简单易行( (如钻孔岩芯如钻孔岩芯RQDRQD，波速测试，波速测试，点荷载试验等点荷载试验等) )。 、重视、重视新理论、新方法新理论、新方法在岩体分类中的在岩体分类中的应用（如专家系统、模糊评价等应用（如专家系统、模糊评价等) )。岩石力学岩石力学七、岩体质量评价与分类七、岩体质量评价与分类发展趋势发展趋势、强调岩体工程分类与岩体力学参数估、强调岩体工程分类与岩体力学参数估算的定量关系的建立，与工程岩体处理方法算的定量关系的建立，与工程岩体处理方法与施工方法相结合。与施工方法相结合。岩石力学岩石力学