1、重慶大學安全工程專業選修課程巖 石 力 學 主講人：許 江目目 錄錄 緒 論第1章 巖石物理力學性質第第2 2章章 巖體力學性質第第3 3章章 地應力及其測量第第4 4章章 巖石本構關系與強度理論第第2 2章章 巖體力學性質巖體力學性質概述巖體結構基本類型巖體結構面及其充填特征結構面的力學特性巖體的變形特性巖體的強度特性巖體的水力學性質1.巖體質量評價及其分類第第2 2章章 巖體力學性質巖體力學性質概述巖體結構基本類型巖體結構面及其充填特征結構面的力學特性巖體的變形特性巖體的強度特性巖體的水力學性質1.巖體質量評價及其分類1. 1. 概述概述1) 巖體中的結構面與結構體2) 巖體的賦存環境3)

2、 巖體力學性質4) 本章主要學習內容1) 1) 巖體中的結構面與結構體巖體中的結構面與結構體結構面結構面結構體結構體A.巖體結構單元巖體結構單元A.A.結構面結構面l定義：定義：所謂結構面是指巖體中存在著的各種不同成因和不同特性的地質界面地質界面（即不連續面），包括物質的分界面、不連續面如節理、片理、斷層、不整合面等，亦稱弱面。l基本屬性：基本屬性：具有一定厚度的面面的幾何屬性l變形機理：變形機理：上、下盤巖體的閉合或滑移某巖層斷面上的層理與節理三峽庫區長江邊某陡崖斷面的結構面分布情況B.B.結構體結構體l定義：定義：即被各種結構面切割而成的巖石塊體l基本形狀：基本形狀： 塊狀、柱狀、板狀 菱

3、形、楔形、錐形C.C.巖體結構單元巖體結構單元l巖體結構：巖體結構：即不同類型的巖體結構單 元在巖體內的組合、排列形式。l巖體結構單元：巖體結構單元：分為兩類四種，即： 2) 2) 巖體的賦存環境巖體的賦存環境地應力：影響巖體的承載能力、變形破壞機制和應力傳播法則等地下水：影響巖體的變形破壞及其穩定性等A. 地 溫：影響巖體的承載能力和變形破壞機制等3) 3) 巖體力學性質巖體力學性質巖體力學性質l變形特性l強度特征l工程巖體穩定性影響巖體力學性質的基本因素l結構體（巖石）力學性質l結構面力學效應A.環境因素4) 4) 本章主要學習內容本章主要學習內容 巖體結構類型 巖體結構面性態與力學性質

4、巖體的變形與強度特性 巖體的水力學性質（了解）A.巖體分類第第2 2章章 巖體力學性質巖體力學性質概述巖體結構基本類型巖體結構面及其充填特征結構面的力學特性巖體的變形特性巖體的強度特性巖體的水力學性質1.巖體質量評價及其分類2. 2. 巖體結構基本類型巖體結構基本類型 1) 巖體結構分類依據 2) 分類方案 3) 各類巖體結構的地質特征 4) 巖體結構的相對性及工程巖體結構的唯一性巖體結構分類依據巖體結構分類依據從以下三個層面對巖體結構進行分類：從以下三個層面對巖體結構進行分類：l 第一依據第一依據l 第二依據第二依據l 亞類劃分依據亞類劃分依據第一依據第一依據：結構面類型（結構級序）l 軟弱

5、結構面軟弱結構面 I級巖體結構（有充填物）l 堅硬結構面堅硬結構面 II級巖體結構（無充填物）第二依據第二依據：結構面切割程度及結構體類型（巖體結構基本類型） I級巖體結構級巖體結構：塊狀巖體結構塊裂結構 板狀巖體結構板裂結構 II級巖體結構：級巖體結構：結構面貫通切割碎裂結構 結構面斷續切割斷續結構 無顯結構面切割完整結構亞類劃分依據亞類劃分依據：巖體的原生結構 塊狀的塊狀的 塊狀碎裂結構 層狀的層狀的 層狀碎裂結構2) 2) 分類方案分類方案3) 各類巖體結構的地質特征各類巖體結構的地質特征l 完整結構巖體完整結構巖體l 塊裂結構巖體塊裂結構巖體l 板裂結構巖體板裂結構巖體l 碎裂結構巖體

6、碎裂結構巖體l 斷續結構巖體斷續結構巖體l 散體結構巖體散體結構巖體3) 各類巖體結構的地質特征完整結構巖體各類巖體結構的地質特征完整結構巖體 完整結構巖體多半是碎裂結構巖體中結構面被后生作用愈合而成，后生愈合后生愈合方式有兩種：l壓力愈合：具有粘性成分物質，如粘土巖、長石質、石灰質礦物成分組成的巖體，在高圍壓作用下，其結構面可以重新粘結到一起，形成完整結構。l膠結愈合：在硅質、鐵質、鈣質及后期侵入的巖漿等膠結物的膠結愈合作用下碎裂結構巖體可轉化為完整結構，但后期愈合面的強度仍低于原巖強度，故在后期振動、熱力脹縮作用下又可能開裂，開裂程度高者可恢復為碎裂結構巖體，低者可轉化為斷續結構巖體。3)

7、 各類巖體結構的地質特征塊裂結構巖體各類巖體結構的地質特征塊裂結構巖體該類巖體是由至少一組軟弱結構面切割及堅硬結構面參與切割成塊狀結構體的高級序巖體結構，其結構體有的是由巖漿巖、變質巖及厚層大理巖、灰巖、砂巖等塊狀原生結構巖體構成，有的為薄至中厚層沉積巖，層狀淺變質巖及巖漿噴出巖等層狀原生結構巖體組成，其軟弱結構面主要為斷層、層間錯動等參與切割的堅硬結構面一般延展較長，亦多數為錯動過的堅硬結構面。 3) 各類巖體結構的地質特征板裂結構巖體各類巖體結構的地質特征板裂結構巖體 主要發育于經過褶皺作用的層狀巖體內受一組軟弱結構面切割，結構體呈板狀軟弱結構面主要為層間錯動面或塊狀原生結構巖體內的似層間

8、錯動面結構體多數為組合板狀結構體，有的亦為完整板狀結構體。3) 各類巖體結構的地質特征碎裂結構巖體各類巖體結構的地質特征碎裂結構巖體 碎裂結構巖體盡管可以劃分為塊狀碎裂結構巖體及層狀碎裂結構巖體兩亞類，但它們的共同點是切割巖體的結構面是有規律的，即主要為原生結構面及構造結構面塊狀碎裂結構主要形成于巖漿巖侵人體、深變質的片麻巖、混合巖、大理巖、石英巖及層理不明顯的巨厚層灰巖、砂巖等巖體內其特點是結構體塊度大，大多為1-2m，但塊度較均勻層狀碎裂結構的特點是塊度小，其塊度與巖層厚度有關，淺海相及海陸交互相沉積巖多數為這種結構有時還可分為一種鑲嵌狀碎裂結構，大多發育于強烈構造作用區內的硬脆性巖體內，

9、結構面組數多，結構面組數多于5組時可形成這種結構。 3) 各類巖體結構的地質特征斷續結構巖體各類巖體結構的地質特征斷續結構巖體 斷續結構巖體特點是顯結構面不連續，對巖體切而不斷，個別部分亦有連續貫通結構但這種部位很少，多數為不連續切割，形不成結構體在力學上來說，宏觀上具有連續介質特點；微觀上多數不連續，應力集中現象明顯，這種應力集中對巖體破壞具有特殊意義，斷裂力學判據對這種巖體也具有特殊意義。3) 各類巖體結構的地質特征散體結構巖體各類巖體結構的地質特征散體結構巖體 散體結構分為兩亞類：碎屑狀散體結構巖體糜棱化散體結構巖體 3) 各類巖體結構的地質特征散體結構巖體各類巖體結構的地質特征散體結構

10、巖體碎屑狀散體結構巖體碎屑狀散體結構巖體特點是結構面無序分布、結構面中有軟弱的，也有堅硬的結構體主要為角礫，角礫中常充填夾雜有泥質成分一般來說，以角礫成分為主，即所謂“塊夾泥”。也有的泥質成分局部集中，但角礫仍起主導作用，其成因有兩種類型，其一為構造型，其二為風化型。結構體塊度不等，形狀不一“雜亂無序”可以用來描述這類巖體的結構特征。 3) 各類巖體結構的地質特征散體結構巖體各類巖體結構的地質特征散體結構巖體糜棱化散體結構巖體糜棱化散體結構巖體主要指斷層泥而言，斷層泥主要是由糜棱巖風化而成，而糜棱巖主要為壓力愈臺連結當壓力卸去后，又轉化為糜棱巖粉，糜棱巖體風化后便轉化為斷層泥，這種現象在巖漿巖

11、體剖面內極為常見還有一種斷層泥是泥質沉積巖在構造錯動下直接形成的，如粘土巖中的斷層泥便屬于此類這種巖體中次生錯動面常極發育，易被誤視為均質體其實不然，在次生錯動作用下形成的擦痕面對其力學性質仍具有一定的控制作用但這種控制作用由于結構面強度與斷層泥強度相差不大，并不十分顯著。4)4)巖體結構的相對性及工程巖體結構的唯一性巖體結構的相對性及工程巖體結構的唯一性眾所周知，巖體結構分類的最終目的在于為巖石工程的建設服務，對于工程巖體而言，由于工程規模工程規模和工程尺寸工程尺寸的變化，巖體結構也發生相對變化。如下圖所示為一工程巖體，其中發育著近于正交的兩組節理對于該工程巖體，其巖體結構類型隨工程尺寸的變

12、化而不同。圖中1、2、3、4和5為待建的規模不同的峒室，由圖可以明顯地看出，相對于1號峒室，未切割任何結構面巖體可以視為整體結構；而對于2號硐室，僅切割1個結構面，可視為板裂結構；而相對于3、4和5號峒室，巖體結構應分別視為塊裂結構、斷續結構和碎裂結構。因此，巖體結構是相對的，只有在確定的地質條件和工程尺寸條件下，工程巖體結構才是惟一確定的工程巖體結構不同，巖體的力學機制和工程的穩定性分析方法是不一樣的。4) 4) 巖體結構的相對性及工程巖體結構的唯一性巖體結構的相對性及工程巖體結構的唯一性 對于工程巖體而言，由于工程規模和尺寸的變化，巖體結構也發生相對變化。因此，巖體結構是相對性，只有在確定

13、的地質條件和工程尺寸條件下，工程巖體結構才是唯一確定的。第第2 2章章 巖體力學性質巖體力學性質概述巖體結構基本類型巖體結構面及其充填特征結構面的力學特性巖體的變形特性巖體的強度特性巖體的水力學性質1.巖體質量評價及其分類3. 3. 巖體結構面及其充填特征巖體結構面及其充填特征1) 結構面的類型及特征2) 結構面的分級3) 結構面狀態1) 1) 結構面的類型及特征結構面的類型及特征l原生結構面l構造結構面l次生結構面沉積結構面火成結構面變質結構面原生結構面：原生結構面：沉積結構面沉積結構面是沉積巖在成巖過程中形成的各種地質界面，是沉積巖在成巖過程中形成的各種地質界面，包括層面、層理、沉積間斷面

14、（不整合面、假整合面），及原包括層面、層理、沉積間斷面（不整合面、假整合面），及原生軟弱夾層等。生軟弱夾層等。火成結構面火成結構面為巖漿侵入、噴溢冷凝所形成的各種結構面，為巖漿侵入、噴溢冷凝所形成的各種結構面，如流層、流線、火山巖流接觸面、各種蝕變帶、擠壓破碎帶以如流層、流線、火山巖流接觸面、各種蝕變帶、擠壓破碎帶以及原生節理等。這些結構面的產狀受侵入巖體與圍巖接觸面所及原生節理等。這些結構面的產狀受侵入巖體與圍巖接觸面所控制。控制。變質結構面變質結構面為巖體在變質作用過程中所形成的結構面，為巖體在變質作用過程中所形成的結構面，如片理、片麻理、板理及軟弱夾層等。變質結構面的產狀與巖如片理、片麻

15、理、板理及軟弱夾層等。變質結構面的產狀與巖層基本一致，延展性較差，但它們一般分布密集。片理結構面層基本一致，延展性較差，但它們一般分布密集。片理結構面是變質結構面中最常見的，其面常常是光滑的，但形態呈波浪是變質結構面中最常見的，其面常常是光滑的，但形態呈波浪狀狀.片麻理面常呈凹凸不平狀，結構面也比較粗糙，變質巖中片麻理面常呈凹凸不平狀，結構面也比較粗糙，變質巖中的軟弱夾層主要是片狀礦物，如黑云母、綠泥石、滑石等的富的軟弱夾層主要是片狀礦物，如黑云母、綠泥石、滑石等的富集帶，其抗剪強度低，遇水后性質就更差。集帶，其抗剪強度低，遇水后性質就更差。構造結構面：構造結構面： 各類巖體在構造運動作用下形

16、成的各種結構面，如劈理、節各類巖體在構造運動作用下形成的各種結構面，如劈理、節理、斷層、層間錯動面等。理、斷層、層間錯動面等。 節理面節理面在走向延展及縱深發展上，其范圍都是有限的，大者在走向延展及縱深發展上，其范圍都是有限的，大者一般不過上百米，小者僅有幾厘米張節理面一般粗糙，參差一般不過上百米，小者僅有幾厘米張節理面一般粗糙，參差不齊，寬窄不一，延展性較差，剪節理面一般平直光滑，延展不齊，寬窄不一，延展性較差，剪節理面一般平直光滑，延展性相對較好，節理面上常見有擦痕和各種泥質薄膜，如高嶺石、性相對較好，節理面上常見有擦痕和各種泥質薄膜，如高嶺石、綠泥石、滑石等，因此，剪節理面盡管接觸緊密，

17、但卻易于滑綠泥石、滑石等，因此，剪節理面盡管接觸緊密，但卻易于滑動動 斷層面的規模相差比較懸殊，有的深切巖石圈幾十公里，有斷層面的規模相差比較懸殊，有的深切巖石圈幾十公里，有的僅限于地殼表層或只在地表數十米但是，相對工程而言，的僅限于地殼表層或只在地表數十米但是，相對工程而言，斷層面一般是延展性較好的結構面斷層面斷層面一般是延展性較好的結構面斷層面(或簾或簾)的物質成分主的物質成分主要是構造巖，如斷層泥、糜棱巖、角礫巖、壓碎巖等層間錯要是構造巖，如斷層泥、糜棱巖、角礫巖、壓碎巖等層間錯動帶是在層狀巖體中常見的一種構造結構面，其產狀一般與巖動帶是在層狀巖體中常見的一種構造結構面，其產狀一般與巖層

18、一致。層一致。 延展性較好，結構面中的物質，因受構造錯動的影響，多呈延展性較好，結構面中的物質，因受構造錯動的影響，多呈破碎狀、鱗片狀，且含泥質物破碎狀、鱗片狀，且含泥質物次生結構面：次生結構面： 在地表條件下，由于外力在地表條件下，由于外力(如風化、地下水、卸荷、爆破等如風化、地下水、卸荷、爆破等)的的作用而形成的各種界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、風化裂隙、風作用而形成的各種界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、風化裂隙、風化夾層及泥化夾層等化夾層及泥化夾層等 卸荷裂隙卸荷裂隙一般發生在巖體有臨空面條件的地區，特別是在深切一般發生在巖體有臨空面條件的地區，特別是在深切河谷處，延展性不好，常在地表河谷處，

19、延展性不好，常在地表2040m內發育，裂隙面粗糙不內發育，裂隙面粗糙不平，常為張開型，充填物多為泥質碎屑平，常為張開型，充填物多為泥質碎屑 爆破裂隙爆破裂隙是礦山工程中常見的一種次生結構面，爆破裂隙的延是礦山工程中常見的一種次生結構面，爆破裂隙的延展與分布視所在地區巖體特性及爆破的大小而異一般爆破裂隙展與分布視所在地區巖體特性及爆破的大小而異一般爆破裂隙的延展范圍是有限的，且多呈一組相互平行的、弧狀的裂隙面分的延展范圍是有限的，且多呈一組相互平行的、弧狀的裂隙面分布布 風化裂隙及風化夾層風化裂隙及風化夾層一般是沿原生夾層和原有結構面發育，多一般是沿原生夾層和原有結構面發育，多是短小密集，延展性

20、差，僅限于地表一定深度是短小密集，延展性差，僅限于地表一定深度 泥化夾層泥化夾層是由于水的作用使夾層內的松軟物質泥化而成，其產是由于水的作用使夾層內的松軟物質泥化而成，其產狀與巖層基本一致，泥化程度視地下水作用條件而異泥化夾層狀與巖層基本一致，泥化程度視地下水作用條件而異泥化夾層一般都是強度很低的，它們是導致巖體失穩破壞的常見因素一般都是強度很低的，它們是導致巖體失穩破壞的常見因素按結構面按受力條件劃分：按結構面按受力條件劃分：壓性結構面：壓性結構面：由壓應力擠壓而成，其走向與最大主應力方向垂直。如片理面、褶皺軸面、壓性節理面等。張性結構面：張性結構面：在拉應力作用下產生的結構面，其走向與最大

21、主應力方向一致。結構面是張開的，結構面壁粗糙。如張斷裂面、張性節理面。扭性結構面：扭性結構面：由純剪或壓張應力引起的剪應力所形成的結構面，結構面壁較光滑，開口或閉口都有可能，往往成對出現。如x型斷層面，x型節理面。壓扭性結構面：壓扭性結構面：既有壓性結構面的特征，又有扭性結構面的特征，但常以其中一種為主。張扭性結構面：張扭性結構面：兼有張性和扭性結構面的雙重特征。往往成鋸齒狀。2) 2) 結構面的分級結構面的分級結構面的發育程度、規模大小、組合形式等是決定結構體的形狀、方位和大小，控制巖體穩定性的重要因素。尤以結構面的規模是最重要的控制因素。按結構面發育程度和規模可以劃分為I、II、III、I

22、V、V等五級。從工程地質測繪觀點來看，這5個級別的結構面又可進一步分為實測結構面與統計結構面兩大類：按力學觀點的破壞面和破壞帶分類按力學觀點的破壞面和破壞帶分類單節理單節理節理組節理組節理群節理群羽毛狀節理羽毛狀節理破碎帶破碎帶無充填有充填有粘性充填物3) 3) 結構面狀態結構面狀態產狀形態延展尺度貫通性密集程度A.充填物A.結構面產狀結構面產狀即指結構面的走向、傾向和傾角，即指結構面的走向、傾向和傾角，反映了結構面的空間位反映了結構面的空間位置置，對巖體是否沿某一結構面滑移起控制作用，對巖體是否沿某一結構面滑移起控制作用：l走走 向：向：結構面與水平面的交線方向，用方位角表示結構面與水平面的

23、交線方向，用方位角表示l傾傾 向：向：結構面的傾斜方向，用方位角表示結構面的傾斜方向，用方位角表示l傾傾 角：角：結構面的傾斜角度結構面的傾斜角度B.結構面形態結構面形態結構面形態反映了結構面結構面形態反映了結構面的的外貌外貌，決定著結構面抗滑力的大小，當結構面的起伏程度，決定著結構面抗滑力的大小，當結構面的起伏程度大，粗糙度高時，其抗滑力就大大，粗糙度高時，其抗滑力就大。衡量結構面形態的指標有。衡量結構面形態的指標有粗糙度和起伏度粗糙度和起伏度：粗糙度：粗糙度：即結構面表面的粗糙程度。即結構面表面的粗糙程度。起伏度：起伏度：包括起伏波的包括起伏波的幅度幅度和和長度長度。起伏波的幅度是指相。起

24、伏波的幅度是指相鄰兩波峰連線與其下波槽的最大距離鄰兩波峰連線與其下波槽的最大距離a a，起伏波的長度是指，起伏波的長度是指相鄰兩波峰之距離。相鄰兩波峰之距離。C.結構面延展尺度結構面延展尺度即結構面在地質體中延伸的范圍或規即結構面在地質體中延伸的范圍或規模，結構面延展尺度不同，其力學效應模，結構面延展尺度不同，其力學效應也不同。工程巖體范圍內，延展尺度大也不同。工程巖體范圍內，延展尺度大的結構面控制著巖體的強度。的結構面控制著巖體的強度。D. 貫通性貫通性 按考察范圍內結構面的貫通情況，可將結構面分為以下三類：按考察范圍內結構面的貫通情況，可將結構面分為以下三類：l非貫通性結構面：非貫通性結構

25、面：使巖體強度降低，變形增大。使巖體強度降低，變形增大。l半貫通性結構面：半貫通性結構面：對巖體力學性能的影響有兩種情況：當其對巖體力學性能的影響有兩種情況：當其相對延展尺度不大時，其作用與非貫通結構面類似；反之，相對延展尺度不大時，其作用與非貫通結構面類似；反之，與貫通性結構面類似。與貫通性結構面類似。l貫通性結構面：貫通性結構面：是構成是構成巖體、塊體的邊界，對巖體、塊體的邊界，對巖體的強度有較大的影巖體的強度有較大的影響，破壞常受這類結構響，破壞常受這類結構 面控制。面控制。E.結構面的密集程度結構面的密集程度所謂結構面的密集程度指巖體中結構面的所謂結構面的密集程度指巖體中結構面的發育發

26、育程度，衡量結構面密集度的指標有：程度，衡量結構面密集度的指標有：l裂隙度裂隙度K Kl切割度切割度X Xe el實際切割度實際切割度X Xr r裂隙度K：即沿取樣線方向單位長度結構面的數量：即沿取樣線方向單位長度結構面的數量：式中的式中的n n為為長度長度l l內結構面的數量，相應地，沿取樣方向結構面內結構面的數量，相應地，沿取樣方向結構面的的平均間距平均間距d d為：為： 當當取樣線取樣線垂直垂直結構面的走向時，結構面的走向時，d d即為結構面走向的垂直間距，即為結構面走向的垂直間距，按結構面的垂直間距按結構面的垂直間距的大小，可將巖體分為：的大小，可將巖體分為： d 80cm d 80c

27、m 整體結構整體結構d =30d =3080cm 80cm 塊狀結構塊狀結構d 30cm d 30cm 碎裂狀結構碎裂狀結構d 6.5cm d 6.5cm 極破碎結構極破碎結構lnK nlKd 1當巖體中有幾組不同方向的結構面時（右下圖給出了存在當巖體中有幾組不同方向的結構面時（右下圖給出了存在2 2組結構面情形）組結構面情形），則沿取樣線方向上結構面則沿取樣線方向上結構面的裂隙度的裂隙度K K為為各組各組結構面的裂隙度結構面的裂隙度K Ki i之和之和，即，即其中：其中：nbaKKKK ,1,1,1nxnbxbaxamKmKmK 顯然，顯然，K K越大，結構面越密集，另一方面，若不同測線上越

28、大，結構面越密集，另一方面，若不同測線上K K值的值的差別越大，則巖體的各向異性越明顯。差別越大，則巖體的各向異性越明顯。按按K值之大小，可進一步將結構面值之大小，可進一步將結構面(節理節理)分為：分為：l 疏節理（疏節理（K=01 m-1）l 密節理（密節理（K=110 m-1）l 非常密集節理（非常密集節理（K=10100 m-1）l 壓碎或糜棱化帶（壓碎或糜棱化帶（K=1001000 m-1）切割度Xe：即巖體被結構面分割的程度。假設巖體僅有一個結構面，巖體被結構面分割的程度。假設巖體僅有一個結構面，則可沿結構面在巖體中取一個貫通性的假想平直斷面，其結則可沿結構面在巖體中取一個貫通性的假

29、想平直斷面，其結構面面積構面面積a a與該斷面面積與該斷面面積A A之比即為該結構面對巖體的切割度：之比即為該結構面對巖體的切割度：AaXe 可見可見, ,當當: :lX Xe e0 0時時, , 巖體為完整連續體巖體為完整連續體l0 0 X Xe e11時時, , 巖體部分切割巖體部分切割lX Xe e1 1時時, , 巖體被整個切割巖體被整個切割 如果巖體沿某斷面上同時存在著面積分別為如果巖體沿某斷面上同時存在著面積分別為a a1 1、a a2 2a an n的的n n個結構面時，則巖體沿該斷面的切割度為：個結構面時，則巖體沿該斷面的切割度為：AaaaXne 21按切割度按切割度X Xe

30、e的取值大小，可將相應的取值大小，可將相應巖體分為：巖體分為：l XeXe0.10.10.2 0.2 完整完整巖體巖體l XeXe0.20.20.4 0.4 弱節理化弱節理化巖體巖體l XeXe0.40.40.6 0.6 中等節理化巖體中等節理化巖體l XeXe0.60.60.8 0.8 強強節理化巖體節理化巖體l XeXe0.80.81.0 1.0 完全完全節理化巖體節理化巖體實際切割度Xr： 即巖體被某組結構面切割的程度即巖體被某組結構面切割的程度X Xv v，其大，其大小為該小為該巖體的裂隙度與其巖體的裂隙度與其切割度的乘積：切割度的乘積：eXKXv式中：式中：K K為巖體的裂隙度為巖體

31、的裂隙度 X Xe e為沿某一平面的切割度為沿某一平面的切割度F.F.結構面的膠結與充填結構面的膠結與充填根據結構面上、下盤巖石塊體之間的根據結構面上、下盤巖石塊體之間的是否膠結是否膠結，可將結構面分為：，可將結構面分為：l 膠結結構面膠結結構面l 非膠結結構面非膠結結構面膠結結構面膠結結構面：l 泥質膠結：泥質膠結：強度最低，在脫水情況下有一定的強度，遇強度最低，在脫水情況下有一定的強度，遇水發生泥化、軟化，強度明顯降低。水發生泥化、軟化，強度明顯降低。l 可溶鹽類膠結：可溶鹽類膠結：干燥時有一定的強度，遇水發生溶解，干燥時有一定的強度，遇水發生溶解，強度降低。強度降低。l 鈣質膠結：鈣質膠

32、結：強度較高，且不受水的影響，但遇酸性水強強度較高，且不受水的影響，但遇酸性水強度降低。度降低。l 鐵質膠結：鐵質膠結：強度較高，但易風化，力學性能不穩定。強度較高，但易風化，力學性能不穩定。l 硅質膠結：硅質膠結：強度高，力學性能穩定。強度高，力學性能穩定。 可見，膠結結構面隨膠結物的成分不同，其力學效應有很可見，膠結結構面隨膠結物的成分不同，其力學效應有很大差別。大差別。非膠結結構面：非膠結結構面：l無充填物的結構面：即堅硬結構面，其即堅硬結構面，其強度主要取決于結構面兩側巖石塊體的強度主要取決于結構面兩側巖石塊體的力學性質及結構面粗糙度。力學性質及結構面粗糙度。l有充填物的結構面：即軟弱

33、結構面，其即軟弱結構面，其強度除與充填物、結構面兩側巖壁接觸強度除與充填物、結構面兩側巖壁接觸面的力學特性有關外，主要取決于充填面的力學特性有關外，主要取決于充填物的成分和厚度。物的成分和厚度。非膠結結構面有充填物的結構面：l充填物成分：充填物成分： 泥質粘土泥質粘土 砂質砂質 角礫質角礫質l充填物厚度：充填物厚度： 薄膜充填：充填物厚度多在充填物厚度多在1 1mmmm以下，多系次生蝕變礦物與風化以下，多系次生蝕變礦物與風化礦物構成，如滑石、粘土礦物等；礦物構成，如滑石、粘土礦物等； 斷續充填：充填物不連續，厚度多小于結構面的起伏差，使結充填物不連續，厚度多小于結構面的起伏差，使結構面強度降低

34、。構面強度降低。 連續充填：充填物厚度一般大于起伏差，結構面強度主要受充充填物厚度一般大于起伏差，結構面強度主要受充填物強度控制，因此，常構成巖體的主要滑動面。填物強度控制，因此，常構成巖體的主要滑動面。 厚層充填：充填厚度較大，一般幾十厘米至數米，構成軟弱帶，充填厚度較大，一般幾十厘米至數米，構成軟弱帶，如斷層泥。有時表現為巖體沿接觸面滑移，有時為軟弱充填物本如斷層泥。有時表現為巖體沿接觸面滑移，有時為軟弱充填物本身塑性身塑性 流動，常導致重大工程事故。流動，常導致重大工程事故。第第2 2章章 巖體力學性質巖體力學性質概述巖體結構基本類型巖體結構面及其充填特征結構面的力學特性結構面的力學特性

35、巖體的變形特性巖體的強度特性巖體的水力學性質1.巖體質量評價及其分類4.4.結構面的力學性質結構面的力學性質1) 法向變形2) 剪切變形3) 抗剪強度4) 影響結構面力學特性的主要因素1) 1) 法向變形法向變形l 法向變形曲線法向變形曲線l Goodman法向應力與結構面閉合法向應力與結構面閉合量間的關系式量間的關系式l Bandis法向應力與結構面法向變法向應力與結構面法向變形間的關系式形間的關系式法向變形曲線法向變形曲線:GoodmanGoodman法向應力與結構面閉合量間的關系式：法向應力與結構面閉合量間的關系式：基本關系式：基本關系式： 其中：法向變形剛度：法向變形剛度：基本關系式：

36、法向剛度表達式：初始法向剛度與最大變形量表達式：BandisBandis法向應力與結構面法向變形間的關系式：法向應力與結構面法向變形間的關系式：2) 2) 剪切變形剪切變形l 結構面剪切變形曲線l 結構面剪切變形曲線的分區l 剪切剛度l 結構面剪切凸臺力學模型結構面剪切變形曲線：在一定的法向應力作用下，結構面在剪切力作用下將產生切向變形，且通常有以下兩種基本形式：l對非充填粗糙結構面非充填粗糙結構面，隨剪切變形發生，剪切應力相對上升較快，當達到剪應力峰值后，結構面抗剪能力出現較大的下降，并產生不規則的峰后變形或滯滑現象；l對于平坦平坦(或有充填物或有充填物)的結構面，的結構面，初始階段的剪切變

37、形曲線呈下凹型，隨著剪切變形的持續發展，剪切應力逐漸升高但沒有明顯的峰值出現，最終達到恒定值，有時也出現剪切硬化。非充填粗糙結構面平坦或有充填物結構面結構面剪切變形曲線結構面剪切變形曲線的分區結構面剪切變形曲線的分區:l彈性區：峰值應力上升區l剪應力峰值區：l塑性區：峰后應力降低區或恒應力區彈性區彈性區塑性區塑性區剪應力峰值區特別強調：剪切變形曲線從形式上可劃分成“彈性區” (即峰前應力上升區)、剪應力峰值區和“塑性區”(即峰后應力降低區或恒應力區。但在結構面剪切過程中，由于伴隨有微凸體的彈性變形、劈裂、磨粒的產生與遷移、結構面的相對錯動等多種力學過程，因此，剪切變形一般是不可恢復的，即便在“

38、彈性區”，剪切變形也不可能完全恢復。剪切剛度剪切剛度:結構面剪切凸臺力學模型：結構面剪切凸臺力學模型：對于凹凸不平的結構面，可簡化成下圖所示的對于凹凸不平的結構面，可簡化成下圖所示的結構面剪切結構面剪切凸臺力學模型凸臺力學模型，其剪切結構面上有一凸臺，模型上半部作用，其剪切結構面上有一凸臺，模型上半部作用有剪切力有剪切力S和法向力和法向力N，模型下半部固定不動。在剪應力作用，模型下半部固定不動。在剪應力作用下，模型上半部將沿凸臺斜面滑動，除有切向運動外，還將下，模型上半部將沿凸臺斜面滑動，除有切向運動外，還將產生向上的移動把這種剪切過程中產生的法向移動分量稱產生向上的移動把這種剪切過程中產生的

39、法向移動分量稱之為之為剪脹剪脹。在剪切變形過程中，由于剪應力與法向應力的復。在剪切變形過程中，由于剪應力與法向應力的復合作用，可使凸臺剪斷或拉斷，此時剪脹現象消失；當法向合作用，可使凸臺剪斷或拉斷，此時剪脹現象消失；當法向應力較大或結構面應力較大或結構面剪應力持續增加，剪應力持續增加，最終將使凸臺沿最終將使凸臺沿根部根部剪斷或拉斷。剪斷或拉斷。因此，結構面的剪切變形與巖石巖石強度強度、結構面粗糙度結構面粗糙度（凸臺角i）和法向力法向力密切有關。3)3)抗剪強度抗剪強度l抗剪強度與法向力間的關系lBarton結構面的抗剪強度公式l結構面抗剪強度的尺寸效應l結構面抗剪強度與其變形歷史相關l充填物厚

40、度與成分對結構面抗剪強度的影響根據結構面剪切凸臺力學模型，結構面抗剪強度與法向應力間的關系曲線（其中b為巖石平坦表面基本摩擦角，i為結構面凸臺斜坡角）為：抗剪強度與法向力間的關系：抗剪強度與法向力間的關系：抗剪強度與法向力間的關系：抗剪強度與法向力間的關系： 大量試驗結果表明，結構面抗剪強度與法向力間的關系一般也可表述為線性關系，即可用庫侖準則表述為：式中：c和分別是結構面上的粘結力和摩擦角是作用在結構面上的法向應力tanncnBartonBarton的結構面抗剪強度公式：的結構面抗剪強度公式：結構面的抗剪強度公式：結構面的抗剪強度公式：式中：JCS是結構面壁巖石的單軸抗壓強度是巖石表面的基本

41、摩擦角JRC為結構面的粗糙性系數bnnJCSJRClgtanbl右圖為Barton和Choubey給出的10種 典 型 剖 面 及 其JRC取值l計算公式：JRC取值：取值：nbpJCSJRClog結構面抗剪強度的尺寸效應：結構面抗剪強度與其變形歷史相關：充填物對結構面抗剪強度的影響：第第2 2章章 巖體力學性質巖體力學性質概述巖體結構基本類型巖體結構面及其充填特征結構面的力學特性巖體的變形特性巖體的變形特性巖體的強度特性巖體的水力學性質1.巖體質量評價及其分類5. 5. 巖體的變形特性巖體的變形特性1) 巖體的單軸或三軸壓縮變形特征2) 巖體剪切變形特征3) 巖體各向異性變形特征4) 特別提

42、醒1) 巖體的單軸或三軸壓縮變形特征巖體的單軸或三軸壓縮變形特征l現場巖體循環壓縮應力應變全過程曲線l彈性變形量與殘余變形量l變形模量 現場巖體循環壓縮應力應變全過程曲線：彈性變形量與殘余變形量：變形模量：baE2) 巖體剪切變形特征3) 巖體各向異性變形特征l構成巖體變形各向異性的兩個基本要素l不同結構面方位對巖體力學性質的影響l三維模型試驗構成巖體變形各向異性的兩個基本要素：l物質成分和物質結構的方向性l結構面的方向性不同結構面方位對巖體力學性質的影響：巖體峰值強度變形模量三維模型試驗：4) 特別提醒l巖體力學性質均具有方向性方向性l工程布置中如何考慮揚長避短揚長避短第第2 2章章 巖體力

43、學性質巖體力學性質概述巖體結構基本類型巖體結構面及其充填特征結構面的力學特性巖體的變形特性巖體的強度特性巖體的強度特性巖體的水力學性質1.巖體質量評價及其分類6.6.巖體的強度特性巖體的強度特性1) 概述2) 巖體強度的現場測定3) 結構面的強度效應4) 巖體強度的估算1)1)概述概述l巖體強度：巖體抵抗外力破壞的能力巖體抵抗外力破壞的能力l巖體強度的分類：抗壓抗壓(單軸、三軸單軸、三軸)、抗拉和抗剪、抗拉和抗剪l控制裂隙巖體強度的因素：巖石材料巖石材料結構面特征：數量、方向、間距和性質等結構面特征：數量、方向、間距和性質等賦存條件：地應力、地下水和地溫等賦存條件：地應力、地下水和地溫等2)2

44、)巖體強度的現場測定巖體強度的現場測定l巖體單軸抗壓強度的測定l巖體抗剪強度的測定l原位巖體三軸壓縮強度試驗巖體單軸抗壓強度的測定：巖體抗剪強度的測定：原位巖體三軸壓縮強度試驗原位巖體三軸壓縮強度試驗原位巖體三軸壓縮強度試驗3)3)結構面的強度效應結構面的強度效應 單一結構面強度效應A.多結構面巖體強度A 單一結構面強度效應巖體破壞的條件a.巖體強度與結構面傾角的關系a 巖體破壞的條件l巖體產生破壞的兩種可能性l巖體破壞的條件巖體產生破壞的兩種可能性：沿結構面產生滑移失穩巖石塊體自身破壞巖體破壞的條件：沿結構面產生滑移失穩的條件： 巖石塊體自身破壞的條件：b 巖體強度與結構面傾角的關系巖石塊體

45、：巖石塊體：結構面：結構面：b 巖體強度與結構面傾角的關系l莫爾圓在結構面抗剪強度曲線之下：穩定l莫爾圓與結構面抗剪強度曲線相切：沿某特殊方向的結構面破壞l莫爾圓介于巖石材料抗剪強度曲線與結構面抗剪強度曲線之間：沿某方向范圍結構面破壞l莫爾圓與巖石材料抗剪強度曲線相切：沿某方向范圍結構面破壞或巖石材料破壞b 巖體強度與結構面傾角的關系巖石塊體：巖石塊體：結構面：結構面：03 1 3 巖體強度受加載方向巖體強度受加載方向與結構面夾角與結構面夾角的控制，的控制，因此，表現出巖體強度因此，表現出巖體強度的各向異性。的各向異性。 1 3 巖體強度的各向異性單一結構面：巖體強度的各向異性單一結構面：(1

46、)(1)當當1 1與結構面垂直，巖體強度與結構面無與結構面垂直，巖體強度與結構面無關，為巖石塊體強度；關，為巖石塊體強度；(2)(2)當當45450 0j j/2/2，巖巖 體將沿結構面破壞體將沿結構面破壞, ,其其 強度為結構面強度；強度為結構面強度；(3)(3)當當1 1與結構面平行，與結構面平行， 結構面的抗拉強度小，結構面的抗拉強度小， 巖體將因結構面的橫向擴展而破壞。巖體將因結構面的橫向擴展而破壞。B 多結構面巖體強度 1 3 多結構面強度效應：巖體強度的各向異性多結構面： 巖體的強度圖像將為各單組結構面巖體強度巖體的強度圖像將為各單組結構面巖體強度圖像的疊加，如圖中陰影部分。如果結

47、構面分圖像的疊加，如圖中陰影部分。如果結構面分布均勻、且強度布均勻、且強度大體相同時，大體相同時，則巖體表現出則巖體表現出各向同性的特各向同性的特性，但強度卻性，但強度卻大大削弱了。大大削弱了。4) 巖體強度的估算 準巖體強度A.Hoek-Brown經驗方程A 準巖體強度l龜裂（完整性）系數： 式中：Vml為巖體中彈性縱波傳播速度 Vcl為巖塊中彈性縱波傳播速度l準巖體強抗壓（拉）強度：B Hoek-Brown經驗方程l巖塊三軸抗壓強度：l巖體單軸抗壓強度：l巖體單軸抗拉強度：l巖體抗剪強度：第第2 2章章 巖體力學性質巖體力學性質概述巖體結構基本類型巖體結構面及其充填特征結構面的力學特性巖體的變形特性巖體的強度特性巖體的水力學性質巖體的水力學性質1.巖體質量評價及其分類7.巖體的水力學性質巖體的水力學性質1) 巖體與土體滲流的區別2) 巖體空隙的結構類型3) 巖體的滲流問題4) 地下水滲流對巖體力學性質的影響