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1、第第5章章 岩体的工程特岩体的工程特性性第1页，本讲稿共89页5.15.1几个基本的概念述几个基本的概念述岩石岩石（RockRock）是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而成的自然结合体。而成的自然结合体。岩石是组成地壳的基本物质。岩石是组成地壳的基本物质。通常也把岩石称通常也把岩石称之为之为岩块岩块。岩体岩体（RockmassRockmass）是在漫长的自然历史过程中经受了各种是在漫长的自然历史过程中经受了各种地质作用地质作用,并在地营力的长期作用下形成的、内部并在地营力的长期作用下形成的、内部保留了各种各保留了各种各样的地质构造形迹的，具有一
2、定工程尺度的自然地质体。样的地质构造形迹的，具有一定工程尺度的自然地质体。它由岩石它由岩石和层面、节理、断层等和层面、节理、断层等各种性质的软弱面共同构成各种性质的软弱面共同构成。通常也把岩体称。通常也把岩体称之为之为多裂隙岩体多裂隙岩体。结构面结构面（Structural PlaneStructural Plane）指地质历史发展过程中，在岩体内指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。，厚度相对较小的地质界面或带。第2页，本讲稿共89页5.2 5.2 岩石的物理和水理性质岩石的物理和水理性质5.2.15.2.15
3、.2.15.2.1岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质岩石的基本物理性质 岩石的基本性质包括了岩石的密度、比重、重度、干重度、天然重岩石的基本性质包括了岩石的密度、比重、重度、干重度、天然重度、饱和重度、孔隙率、孔隙比等。度、饱和重度、孔隙率、孔隙比等。岩岩石石的的密密度度是是研研究究岩岩石石风风化化、岩岩体体稳稳定定性性、围围岩岩压压力力和和选选取取建建筑筑材料等必需的参数；材料等必需的参数；岩石密度又分为颗粒密度和块体密度。第3页，本讲稿共89页5.2 岩石的物理和水理性质岩石的物理和水理性质5.2.15.2.1岩石的水理性质岩石的水理性质岩石的水理性质岩石的水理性质 岩
4、石的水理性质岩石的水理性质是指岩石和水作用时所表现的性质，主要是指岩石和水作用时所表现的性质，主要是岩石的吸水性、渗透性、溶解性、软化性、抗冻性等。是岩石的吸水性、渗透性、溶解性、软化性、抗冻性等。1.1.岩石的吸水性岩石的吸水性岩石的吸水性岩石的吸水性岩石吸收水分的性能称为岩石的吸水性岩石的吸水性。常以。常以吸水率、饱和吸水吸水率、饱和吸水率和饱水系数率和饱水系数来表示。来表示。岩石的吸水率岩石的吸水率(w wa a)是指常压下岩石的吸水能力，以岩石所吸水分的质量与干燥岩石质量之比的百分数表示，即（5.2.1）式中wa岩石的吸水率（）；m0岩石在常压下吸水后的质量（kg）；ms干燥岩石的质量
5、（kg）。第4页，本讲稿共89页5.2 岩石的物理和水理性质岩石的物理和水理性质岩石的饱和吸水率岩石的饱和吸水率(w wsatsat)是指岩石在煮沸或真空条件下所吸水分的质量与干燥岩石质量之比的百分数表示，即（5.2.2）式中wsat岩石的饱和吸水率（）；mp岩石在煮沸或真空条件下吸水后的质量（kg）；ms干燥岩石的质量（kg）。岩石的吸水率与饱和吸水率的比值，岩石的吸水率与饱和吸水率的比值，称为称为岩石的饱水系数岩石的饱水系数。一般认为饱水系数小于0.8的岩石是抗冻的。第5页，本讲稿共89页2.2.岩石的透水性岩石的透水性岩石的透水性岩石的透水性 岩石的透水性岩石的透水性是指在一定压力作用下
6、是指在一定压力作用下,岩石允许水通过的能力。岩石允许水通过的能力。一般来说一般来说,岩石的孔隙、裂隙非常细小且贯通性差岩石的孔隙、裂隙非常细小且贯通性差,透水性也很差。透水性也很差。岩石的透水性用渗透系数（岩石的透水性用渗透系数（k k）来表示。）来表示。3.3.岩石的溶解性岩石的溶解性岩石的溶解性岩石的溶解性 岩石的溶解性岩石的溶解性是指岩石溶解于水的性质，常用溶解度或溶解速是指岩石溶解于水的性质，常用溶解度或溶解速度来表示。岩石的溶解性主要取决于岩石的化学成分。常见的可溶度来表示。岩石的溶解性主要取决于岩石的化学成分。常见的可溶性岩石有石灰岩、白支岩、石膏、岩盐等。性岩石有石灰岩、白支岩、
7、石膏、岩盐等。5.2 5.2 岩石的物理和水理性质岩石的物理和水理性质第6页，本讲稿共89页5.2 岩石的物理和水理性质岩石的物理和水理性质4.4.岩石的软化性岩石的软化性岩石的软化性岩石的软化性岩石的软化性岩石的软化性是指岩石在水的作用下，强度和稳定性降低的性质。岩石的软化性常用软化系数来表示。岩石的软化性常用软化系数来表示。软化系数软化系数为岩石饱水状态的抗压强度与岩石干燥状态的抗压强度之比，用小数表示，即（5.2.3）式中KR岩石的软化系数；RW岩石饱水状态的抗压强度，kPa Rd岩石干燥状态的抗压强度，kPa第7页，本讲稿共89页 岩石软化性的强弱主要与岩石的矿物成分、结构、构造等岩石
8、软化性的强弱主要与岩石的矿物成分、结构、构造等特征有关。特征有关。岩石中粘土矿物的含量越高、孔隙率越大、吸水率越高，岩石中粘土矿物的含量越高、孔隙率越大、吸水率越高，则遇水后越容易被软化，岩石浸水后的强度和稳定性损失越大，其软化则遇水后越容易被软化，岩石浸水后的强度和稳定性损失越大，其软化系数越小。系数越小。5.2 5.2 岩石的物理和水理性质岩石的物理和水理性质岩石软化系数常用来间接评价岩石的抗风化性的抗冻性。岩石软化系数常用来间接评价岩石的抗风化性的抗冻性。一一般地讲：般地讲：0.750.750.75软化性弱、抗水、抗风化和抗冻性强的岩石软化性弱、抗水、抗风化和抗冻性强的岩石KR第8页，本
9、讲稿共89页5.5.5.5.岩石的抗冻性岩石的抗冻性岩石的抗冻性岩石的抗冻性 岩石抵抗冰冻作用的能力，称为岩石抵抗冰冻作用的能力，称为岩石的抗冻性。岩石的抗冻性。抗冻性是评价抗冻性是评价高寒冰冻地区岩石工程地质性质的一个重要指标。高寒冰冻地区岩石工程地质性质的一个重要指标。岩石的抗冻性，有不同的表示方法，一般用岩石在岩石的抗冻性，有不同的表示方法，一般用岩石在抗冻试验前抗冻试验前后抗压强度的降低率后抗压强度的降低率表示。抗压强度降低率小于表示。抗压强度降低率小于 20202525的岩的岩石，认为是抗冻的；大于石，认为是抗冻的；大于 2525的岩石，认为是非抗冻的。的岩石，认为是非抗冻的。岩石的
10、抗冻性与岩石的饱水系数、软化系数和气候条件有关。岩石的抗冻性与岩石的饱水系数、软化系数和气候条件有关。一一般是饱水系数、软化系数愈小，岩石的抗冻性愈强。温度变化般是饱水系数、软化系数愈小，岩石的抗冻性愈强。温度变化剧烈，岩石反复冻融，会降低岩石的抗冻能力。剧烈，岩石反复冻融，会降低岩石的抗冻能力。5.2 5.2 岩石的物理和水理性质岩石的物理和水理性质第9页，本讲稿共89页5.4 结构面的特征结构面的特征5.4.15.4.1岩体中的结构面分类岩体中的结构面分类岩体中的结构面分类岩体中的结构面分类1.1.1.1.按结构面成因类型按结构面成因类型按结构面成因类型按结构面成因类型 (1)(1)(1)
11、(1)地质成因类型地质成因类型地质成因类型地质成因类型原生结构面原生结构面原生结构面原生结构面构造结构面构造结构面构造结构面构造结构面次生结构面次生结构面次生结构面次生结构面(2)(2)(2)(2)力学成因类型力学成因类型力学成因类型力学成因类型张性结构面张性结构面张性结构面张性结构面剪性结构面剪性结构面剪性结构面剪性结构面 第10页，本讲稿共89页(1)(1)地质成因类型地质成因类型原生结构面原生结构面 即在成岩过程中形成的结构面。可分为：即在成岩过程中形成的结构面。可分为：a.a.沉积结构面沉积结构面-如层理、层面、假整合面和不整合面等如层理、层面、假整合面和不整合面等 b.b.火成结构面
12、火成结构面-如岩浆岩的流层、流纹、冷却收缩而形成如岩浆岩的流层、流纹、冷却收缩而形成 的张裂隙、的张裂隙、火成岩体与围岩的接触面等火成岩体与围岩的接触面等 c.c.变质结构面变质结构面-如片理、板理等如片理、板理等构造结构面构造结构面 指在各种构造应力作用下所产生的结构面指在各种构造应力作用下所产生的结构面,如节理、断裂、劈理以如节理、断裂、劈理以及由层间错动引起的破碎带等。及由层间错动引起的破碎带等。生结构面生结构面 指在各种次生应力作用下形成的结构面，如风化裂隙、冰冻裂指在各种次生应力作用下形成的结构面，如风化裂隙、冰冻裂隙、卸荷裂隙等隙、卸荷裂隙等.5.4 5.4 结构面的特征结构面的特
13、征第11页，本讲稿共89页5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征岩体结构面的类型及其特征岩体结构面的类型及其特征岩体结构面的类型及其特征岩体结构面的类型及其特征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软弱夹层3不整合面、假整合面4沉积间断面一般与岩层产状一致，为层间结构面海相岩层中此类结构面分布稳定，陆相岩层中呈交错状，易尖灭层面、软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，且不平整国内外较大的坝基滑动及滑坡很多由此类结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、圣构面所造成的，如奥斯汀、圣弗朗西斯、弗朗西斯、马
14、尔帕塞坝的破坏，瓦依昂水库附近的巨大马尔帕塞坝的破坏，瓦依昂水库附近的巨大滑坡滑坡岩浆岩结构面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控制，而原生节理受岩体接触面控制接触面延伸较远，比较稳定，而原生节理往往短小密集与围岩接触面可具熔合及破碎两种不同的特征，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，但有时与构造断裂配合，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片岩软弱夹层产状与岩层或构造方向一致片理短小，分布极密，片岩软弱夹层延展较远，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蔽结构面，片岩软弱夹层具片状矿物，呈鳞片状在变质较
15、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、捩断层、横断层）3层间错动4羽状裂隙、劈理产状与构造线呈一定关系，层间错动与岩层一致张性断裂较短小，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，在上述许多岩体破坏过程中，大都有构造结构面的配合作用。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
16、结构面控制分布上往往呈不连续状，透镜状，延展性差，且主要在地表风化带内发育一般为泥质物充填，水理性质很差在天然及人工边坡上造成危害，有在天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亦有影响，但一般在施工中予以清基处理基处理 第12页，本讲稿共89页5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征(2)(2)力学成因类型力学成因类型 张性结构面张性结构面是由拉应力形成的，如羽毛状张裂面、纵张及横张是由拉应力形成的，如羽毛状张裂面、纵张及横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等 特点：张开度大、连续性差、形态不规
17、则、面粗糙，起伏度大及破碎带特点：张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎带较宽较宽,易被充填易被充填,常含水丰富，导水性强常含水丰富，导水性强 剪性结构面剪性结构面是剪应力形成的，破裂面两侧岩体产生相对滑移，如是剪应力形成的，破裂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。逆断层、平移断层以及多数正断层等。特点：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等。特点：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等。第13页，本讲稿共89页2.2.2.2.结构面按贯通性的分类结构面按贯通性的分类结构面按贯通性的分类结构面按贯通性的分类 按结构面贯通情况，可将结构面分按结构面
18、贯通情况，可将结构面分 非贯通性结构面、半贯通性结非贯通性结构面、半贯通性结构面和贯通性结构面三种类型（图构面和贯通性结构面三种类型（图5.4.15.4.1）.5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征图5.4.1岩体内结构面贯通类型(a)非贯通(b)半贯通(c)贯通第14页，本讲稿共89页(l)(l)(l)(l)非贯通性结构面非贯通性结构面非贯通性结构面非贯通性结构面 在岩块中零星分布的，彼此不能相通的细小结构面。非贯在岩块中零星分布的，彼此不能相通的细小结构面。非贯通性结构面通性结构面 存在使岩块及岩体的强度降低，变形增大。存在使岩块及岩体的强度降低，变形增大。(2)(2)(2)(2)半贯通
19、性结构面半贯通性结构面半贯通性结构面半贯通性结构面 较非贯通性结构面长，可以连通一个以上非贯通性结构面，较非贯通性结构面长，可以连通一个以上非贯通性结构面，但不能贯通整个岩块的结构面。半贯通性结构面的存在同样使但不能贯通整个岩块的结构面。半贯通性结构面的存在同样使岩块及岩体的强度降低，变形增大，且其影响较非贯通性结构岩块及岩体的强度降低，变形增大，且其影响较非贯通性结构面要大。面要大。(3)(3)(3)(3)贯通性结构面贯通性结构面贯通性结构面贯通性结构面 长度达到或超过单个岩块尺寸的结构面。贯通性结构面构成岩块长度达到或超过单个岩块尺寸的结构面。贯通性结构面构成岩块或岩体的边界或岩体的边界,
20、对岩体的力学性质有较大的影响对岩体的力学性质有较大的影响,岩体破坏常受这岩体破坏常受这类结构面控制类结构面控制.5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征第15页，本讲稿共89页3.3.3.3.结构面按规模分类结构面按规模分类结构面按规模分类结构面按规模分类l级级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳定性，指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳定性；直接影响工程岩体稳定性；l 级级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。l级级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延
21、伸较好的层面及层间错动等。面及层间错动等。、级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，级结构面控制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的边界面，直接威胁工程安全稳它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性定性.5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征第16页，本讲稿共89页5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征l级级 指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影片理、劈理面等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响
22、岩体的物理力学性质及应力分布状态。响岩体的物理力学性质及应力分布状态。级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律具统计规律，需用量多且具随机性，其分布规律具统计规律，需用统计方法统计方法进行研究。进行研究。l级级 又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。性质，控制岩块的力学性质。第17页，本讲稿共89页4.4.4.4.结构面按表面几何形态分类结构面按表面几何形态分类结构面按表面几何形态分类结构面按表面几何形态分类
23、结构面的表面几何形态特征是结构面的表面几何形态特征是结构面表面空间展布的几何属性结构面表面空间展布的几何属性,按其规模大小可分为按其规模大小可分为起伏度和粗糙度两类起伏度和粗糙度两类(图图5.4.25.4.2.粗糙度粗糙度表征小规模的不规则凹凸点。表征小规模的不规则凹凸点。起伏度起伏度表征大规模的起伏。在发生剪切位移时，起伏度不致被剪坏，表征大规模的起伏。在发生剪切位移时，起伏度不致被剪坏，结构面就要产生结构面就要产生剪胀剪胀。图5.4.2结构面的起伏度与粗糙度5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征第19页，本讲稿共89页 起伏度包括起伏波的起伏度包括起伏波的幅度及长度幅度及长度两个要素：两
24、个要素：起伏波的幅度起伏波的幅度是指相邻两波峰是指相邻两波峰连线与其下波槽的最大距离连线与其下波槽的最大距离,见图见图5.4.2 5.4.2 中的中的 a a；起伏波的长度起伏波的长度是指两相邻波峰是指两相邻波峰之距离之距离,见图见图5.4.25.4.2中的中的l l.根据国际岩石力学学会的建议，结构根据国际岩石力学学会的建议，结构面的起伏度可分为面的起伏度可分为平面形的、波浪形的平面形的、波浪形的和台阶形和台阶形的三种，粗糙度也可分为的三种，粗糙度也可分为粗糙粗糙的、平坦的和光滑的的、平坦的和光滑的三级，从而三种起伏三级，从而三种起伏度与三级粗糙度可组合成的度与三级粗糙度可组合成的9 9类不
25、同的结类不同的结构面表面形态（图构面表面形态（图5.4.35.4.3）。）。结构面的表面形态对其剪切强度等力其剪切强度等力学性质有极其重要的影响。学性质有极其重要的影响。图5.4.3国际岩石力学学会建议的节理表面形态类型5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征第20页，本讲稿共89页5.5.5.5.密集程度分类密集程度分类密集程度分类密集程度分类 岩体中结构面的密集程度将直接决定岩体破碎程度岩体中结构面的密集程度将直接决定岩体破碎程度岩体中结构面的密集程度将直接决定岩体破碎程度岩体中结构面的密集程度将直接决定岩体破碎程度,从而对岩体的从而对岩体的从而对岩体的从而对岩体的强度产生较大影响强度产生
26、较大影响强度产生较大影响强度产生较大影响,所以所以所以所以,它是岩体的重要特征指标。结构面的它是岩体的重要特征指标。结构面的它是岩体的重要特征指标。结构面的它是岩体的重要特征指标。结构面的密集程度可以用裂隙度（密集程度可以用裂隙度（密集程度可以用裂隙度（密集程度可以用裂隙度（K K K K）、切割度（）、切割度（）、切割度（）、切割度（X X X Xe e e e）表示。它们的物理意）表示。它们的物理意）表示。它们的物理意）表示。它们的物理意义如下。义如下。义如下。义如下。（1 1 1 1）裂隙度）裂隙度）裂隙度）裂隙度 裂隙度裂隙度裂隙度裂隙度是沿取样线方向单位长度上结构面的数量。是沿取样线
27、方向单位长度上结构面的数量。是沿取样线方向单位长度上结构面的数量。是沿取样线方向单位长度上结构面的数量。结构面的结构面的结构面的结构面的垂直间距可用作岩体结构类型的判别指标。垂直间距可用作岩体结构类型的判别指标。垂直间距可用作岩体结构类型的判别指标。垂直间距可用作岩体结构类型的判别指标。按裂隙度按裂隙度K K的大小的大小,可将可将结构面的密集程度分为结构面的密集程度分为疏结构面、密结构面、非常密集结构面、以疏结构面、密结构面、非常密集结构面、以及压碎或糜棱化及压碎或糜棱化四类四类.5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征第21页，本讲稿共89页结构面密集程度裂隙度K（m-1）疏结构面0l密结构
28、面110非常密集结构面10100压碎或糜棱化1001000表5.4.3结构面的密集程度分类5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征第22页，本讲稿共89页（2 2）切割度）切割度）切割度）切割度 切割度切割度是指岩体被结构面割裂分离的程度。名称切割度Xe完整的弱节理化中等节理化强节理化完全节理化0.l0.20.20.40.40.60.60.80.81.0表5.4.4岩体按切割度分类5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征第23页，本讲稿共89页6 6 6 6结合程度分类结合程度分类结合程度分类结合程度分类 结构面的结合程度是指结构面的张开和充填情况，它对岩结构面的结合程度是指结构面的张开和充填
29、情况，它对岩体的变形和破坏有很大影响，因而也是判别岩体质量的重要指体的变形和破坏有很大影响，因而也是判别岩体质量的重要指标之一，在岩体工程应对其进行测量和分析。根据标之一，在岩体工程应对其进行测量和分析。根据工程岩体工程岩体分级标准分级标准(GB 50218-94)(GB 50218-94)中的规定，结构面的结合程度可分结合好、中的规定，结构面的结合程度可分结合好、结合一般、结合差和结合很差结合一般、结合差和结合很差4 4级，具体划分标准见表级，具体划分标准见表5.4.65.4.6。5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征第24页，本讲稿共89页名 称 结 构 面 特 征 结 合 好 张开度小
30、于1mm，无充填物；结合较好张开度13mm，为硅质或铁质胶结；张开度大于3mm，结构面粗糙，为硅质胶结结合一般 张开度13mm，为钙质或泥质胶结；张开度大于3mm，结构面粗糙，为铁质或钙质胶结结 合 差 张开度13mm，结构面平直，为泥质或泥质和钙质胶结；张开度大于3mm，多为泥质或岩屑充填结合很差 泥质充填或泥夹岩屑充填，充填物厚度大于起伏差表5.4.5结构面结合程度的划分5.4 结构面的物理力学性质结构面的物理力学性质第25页，本讲稿共89页5.4.2 5.4.2 5.4.2 5.4.2 结构面强度指标结构面强度指标结构面强度指标结构面强度指标1.1.1.1.结构面强度的定义结构面强度的定
31、义结构面强度的定义结构面强度的定义 由由于于结结构构面面的的破破坏坏多多为为剪剪切切破破坏坏，故故一一般般以以结结构构面面的的抗抗剪剪强强度度和和剪剪切切破破坏坏后后的的抗抗摩摩擦擦强强度度作作为为结结构构面面的的强强度度指指标标。结结构构面面的的抗抗剪剪强强度度j j是是指指在在垂垂直直结结构构面面方方向向恒恒定定荷荷载载的的作作用用下下,结结构构面面方方向向施施加加水水平平推推力力使使结结构构面面发发生生滑滑移移时时，结结构构面面所所能能承受的剪应力承受的剪应力图5.4.5结构面的抗剪强度测定5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征第26页，本讲稿共89页式中结构面的抗剪强度，式中结构面的
32、抗剪强度，a;a;T T 试样剪坏时能承受最大水平推力，；试样剪坏时能承受最大水平推力，；断裂面面积，断裂面面积，m m2 2结构面的抗剪强度可以通过结构面的抗剪强度试验测定，结构面的抗剪强度可以通过结构面的抗剪强度试验测定，即采用相同尺寸的同种岩石中的同一结构面或同一组结构面的即采用相同尺寸的同种岩石中的同一结构面或同一组结构面的不同试件，在结构面的法线方向分别施加不同大小正应力分别不同试件，在结构面的法线方向分别施加不同大小正应力分别测出沿着结构面破坏时的剪应力，再根据莫尔测出沿着结构面破坏时的剪应力，再根据莫尔库伦定律便可库伦定律便可获得结构面的抗摩擦强度指标获得结构面的抗摩擦强度指标C
33、 Cj j和和j j。5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征（5.4.11）第27页，本讲稿共89页根据试验时的根据试验时的结构面的状态及施加正应力情况，结构面的状态及施加正应力情况，结构面的抗剪结构面的抗剪强度试验可获得强度试验可获得表表5.4.5.4.所示的三种结果。所示的三种结果。结构面状态结构面状态试验条件试验条件试验名称试验名称测定指标测定指标原始结构面原始结构面0抗剪断试验抗剪断试验Cj、j=0抗切试验抗切试验Cj剪断后结构面剪断后结构面0摩擦试验摩擦试验j表5.4.结构面抗剪强度试验分类5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征第28页，本讲稿共89页无试验指标时无试验指标时,结
34、构面的抗剪强度可根据结构面的抗剪强度可根据建筑边坡工程技术规建筑边坡工程技术规范范(GB 50330-2002)(GB 50330-2002)中的经验确定中的经验确定,详见表详见表5.4.75.4.7。结构面类型结构面结合程度内摩擦角（）粘聚力c（MPa）硬性结构面l结合好350.132结合一般35270.130.093结合差27180.090.05软弱结构面4结合很差18120.050.025结合极差（泥化层）根据地区经验确定表5.4.8结构面抗剪强度指标的划分注:无经验时取表中的低值；极软岩、软岩取表中较低值；岩体结构面连通性差取表中的高值；岩体结构面浸水时取表中较低值；临时性边坡可取表中
35、高值；表中数值已考虑结构面的时间效应。岩体结构面的结合程度可按表5.4.6确定5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征第29页，本讲稿共89页2.2.2.2.结构面力学性质的影响因素结构面力学性质的影响因素结构面力学性质的影响因素结构面力学性质的影响因素（）结构面的表面形态（）结构面的表面形态（）结构面的表面形态（）结构面的表面形态它决定着结构体沿结构面滑动时的抗滑力的大小。当结构面的起它决定着结构体沿结构面滑动时的抗滑力的大小。当结构面的起伏度大，粗糙度高时，其抗滑力就大。这可以通过对图伏度大，粗糙度高时，其抗滑力就大。这可以通过对图5.4.65.4.6中的结中的结构面的破坏过程的分析进行论
36、证。构面的破坏过程的分析进行论证。图5.4.6粗糙度对结构面抗剪强度的影响分析5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征第30页，本讲稿共89页（2 2 2 2）结构面的填充及胶结物）结构面的填充及胶结物）结构面的填充及胶结物）结构面的填充及胶结物 当结构面内有填充物或胶结物时，结构面的力学性质将会发生改当结构面内有填充物或胶结物时，结构面的力学性质将会发生改变。这种影响主要取决于填充及胶结物的成分和厚度。变。这种影响主要取决于填充及胶结物的成分和厚度。原结构面的强度将随着胶结物的成分不同而表现出很大差异性，原结构面的强度将随着胶结物的成分不同而表现出很大差异性，其中其中硅质胶结的结构面的强度最
37、高，钙质胶结的结构面的强度次之，硅质胶结的结构面的强度最高，钙质胶结的结构面的强度次之，泥质胶结的的结构面的强度最差泥质胶结的的结构面的强度最差。结构面中的填充物包括结构面形成过程中或进一步风化而产结构面中的填充物包括结构面形成过程中或进一步风化而产生岩石碎屑、岩粉、夹泥，以及结构面形成后被水流、风带入的生岩石碎屑、岩粉、夹泥，以及结构面形成后被水流、风带入的物质，物质，一般以泥质为主一般以泥质为主。泥质成分常常会造成结构面的内摩擦角的。泥质成分常常会造成结构面的内摩擦角的降低，特别是填充物的厚度较大，形成软弱夹层后，结构面的破坏降低，特别是填充物的厚度较大，形成软弱夹层后，结构面的破坏将演变
38、为填充物的剪切破坏，结构面的抗剪强度将完全取决于填充将演变为填充物的剪切破坏，结构面的抗剪强度将完全取决于填充物的强度。因此，物的强度。因此，填充物对结构面的物理力学性质的影响主要取决填充物对结构面的物理力学性质的影响主要取决于填充物的厚度。于填充物的厚度。5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征第31页，本讲稿共89页(3)(3)(3)(3)地下水地下水地下水地下水 地下水会导致结构面两侧的岩石及其内部填充物或胶结物地下水会导致结构面两侧的岩石及其内部填充物或胶结物软化，从而使结构面的强度降低。软化，从而使结构面的强度降低。(4)(4)(4)(4)结构面的开度结构面的开度结构面的开度结构面的
39、开度 即结构面的张开程度。张开的结构面一方面会增加岩体受即结构面的张开程度。张开的结构面一方面会增加岩体受外力作用时的变形量，另一方面也使地下水、填充物的进入更外力作用时的变形量，另一方面也使地下水、填充物的进入更加容易，从而加速结构面及岩体的强度弱化。加容易，从而加速结构面及岩体的强度弱化。(5)(5)(5)(5)气候等环境因素气候等环境因素气候等环境因素气候等环境因素 当结构面的前述条件一定时，其强度弱化的速度将主要取决于周当结构面的前述条件一定时，其强度弱化的速度将主要取决于周围的环境因素。围的环境因素。5.4 5.4 结构面的特征结构面的特征第32页，本讲稿共89页5.5 岩体的力学性
40、质岩体的力学性质5.5.15.5.15.5.15.5.1岩体的结构岩体的结构岩体的结构岩体的结构 结构体与结构面的相互组合关系称为结构体与结构面的相互组合关系称为岩体的结构岩体的结构。岩体。岩体是结构体和结构面的综合体，岩体的力学性质是由其中所包含的是结构体和结构面的综合体，岩体的力学性质是由其中所包含的结构体和结构面的力学性质及结构体与结构面的相互组合关系所结构体和结构面的力学性质及结构体与结构面的相互组合关系所共同决定的。因此，共同决定的。因此，要研究岩体的力学性质首先应研究岩体的结要研究岩体的力学性质首先应研究岩体的结构特征。构特征。由于岩体是在漫长的地质历史过程中形成的由于岩体是在漫长
41、的地质历史过程中形成的,一般都经历一般都经历了多次构造运动的改造了多次构造运动的改造,因此因此,对岩体的结构特征进行深入研究，并进行对岩体的结构特征进行深入研究，并进行合理分类无疑会对发现和掌握其中的规律性大有益处。所以，岩土工程合理分类无疑会对发现和掌握其中的规律性大有益处。所以，岩土工程界历来对岩体结构的分类研究比较重视，目前已形成了多种分类方法，界历来对岩体结构的分类研究比较重视，目前已形成了多种分类方法，其中以其中以岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范(GB 50021-2001)(GB 50021-2001)分类最具代表性，分类最具代表性，其结果见表其结果见表5.5.15.5.1。第33
42、页，本讲稿共89页5.5 岩体的力学性质岩体的力学性质岩体结构类型岩体地质类型结构体形 状结构面发育情况岩土工程特征可能发生的岩土工程问题整体状结构巨块状岩浆岩和变质岩，巨厚层沉积岩巨块状以层面和原生、构造节理为主，多呈闭合型，间距大于1.5m，一般为12组，无危险结构面岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆块 状结 构厚层状沉积岩，块状岩浆岩和变质岩块 状柱 状有少量贯穿性节理裂隙，结构面间距0.71.5m。一般为23组，有少量分离体结构面互相牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体表5.5.1岩体按结构类型划分第34页，本讲稿共89页岩体结构类型岩体地质类型结构体形
43、 状结构面发育情况岩土工程特征可能发生的岩土工程问题层 状结 构多韵律薄层、中厚层状沉积岩，副变质岩层 状板 状有层理、片理、节理，常有层间错动变形和强度受层面控制，可视为各向异性弹塑性 体，稳定性较差可沿结构面滑塌，软岩可产生塑性变形碎裂状结构构造影响严重的破碎岩层碎块状断层、节理、片理、层理发育，结构面间距0.250.50m，一般3组以上，有许多分离体整体强度很低，并受软弱结构面控制，呈弹塑性体，稳定性很差易发生规模较大的岩体失稳，地下水加剧失稳散体状结构断层破碎带，强风化及全风化带碎屑状构造和风化裂隙密集，结构面错综复杂，多充填粘性土，形成无序小块和碎屑完整性遭极大破坏，稳定性极 差，接
44、近松散体介质易发生规模较大的岩体失稳，地下水加剧失稳续表5.5.1岩体按结构类型划分5.5 5.5 岩体的力学性质岩体的力学性质第35页，本讲稿共89页5.5.25.5.25.5.25.5.2岩体的变形岩体的变形岩体的变形岩体的变形与岩石的破坏相类似与岩石的破坏相类似,完整的岩体的破坏过程为完整的岩体的破坏过程为裂隙压密阶段裂隙压密阶段弹性变形阶段弹性变形阶段塑性变形阶段塑性变形阶段破坏阶段破坏阶段破坏后的残余强度破坏后的残余强度阶段阶段,因此因此,岩体的应力岩体的应力-应变曲线在形状上与岩石的应力应变曲线在形状上与岩石的应力-应变曲线应变曲线相似相似,只是由于结构面的切割作用只是由于结构面的
45、切割作用,使应力使应力-应变关系曲线中的压密应变关系曲线中的压密阶段更加常见和明显阶段更加常见和明显,绝对的应变量大大增加绝对的应变量大大增加,因而与岩石相比因而与岩石相比,岩体的弹性模量、峰值强度和残余强度有所降低岩体的弹性模量、峰值强度和残余强度有所降低,泊松比则有所提泊松比则有所提高高,各向异性将更加显著各向异性将更加显著.图5.5.1岩体的应力一应变曲线5.5 岩体的力学性质岩体的力学性质第36页，本讲稿共89页5.5.35.5.35.5.35.5.3岩体强度岩体强度岩体强度岩体强度岩体的强度特征可用图岩体的强度特征可用图5.5.25.5.2作概括说明。作概括说明。5.5 岩体的力学性
46、质岩体的力学性质图5.5.2岩体强度的各向异性及其与岩石强度的关系第37页，本讲稿共89页 当岩体中含有一个结构面，岩体受到外力作用时，当岩体中含有一个结构面，岩体受到外力作用时，结构面上将出现正应力结构面上将出现正应力及剪应力及剪应力，和和值的大小将随主应值的大小将随主应力最大主平面与岩体内的斜面的交角而变化，如图力最大主平面与岩体内的斜面的交角而变化，如图5.5.15.5.1岩体受到岩体受到主应力主应力c c及及3 3的作用，的作用，P P点所代表岩体内的任一斜面，其与最点所代表岩体内的任一斜面，其与最大主平面的交角为大主平面的交角为，则莫尔圆周上，则莫尔圆周上P P点的坐标表示结构面面的
47、应点的坐标表示结构面面的应力状态，即力状态，即 根据莫尔根据莫尔库仑准则可得结构面强度曲线为库仑准则可得结构面强度曲线为:式中式中C Cj j，j j分别为结构面的粘聚力及内摩擦角分别为结构面的粘聚力及内摩擦角.5.5 岩体的力学性质岩体的力学性质（5.5.1）（5.5.2）第38页，本讲稿共89页 设结构面与最大主平面的交角为设结构面与最大主平面的交角为j j,则随着则随着P P点在莫尔圆点在莫尔圆周上的移动，岩体的破坏将会出现以下几种情况：周上的移动，岩体的破坏将会出现以下几种情况：(1)(1)当当1 12 2时时，P P点在结构面强度曲线之上，此时结构面点在结构面强度曲线之上，此时结构面
48、面上出现的剪应力将大于结构面的抗剪强度，此时若岩体内恰好存面上出现的剪应力将大于结构面的抗剪强度，此时若岩体内恰好存在在1 1j j2 2的结构面岩体沿结构面产生滑动，即岩体将发的结构面岩体沿结构面产生滑动，即岩体将发生沿结构面的剪切破坏。生沿结构面的剪切破坏。(2)(2)当当=1 1或或=2 2时时，P P点与结构面强度曲线相交，此时若岩体点与结构面强度曲线相交，此时若岩体内恰好存在内恰好存在j j=1 1或或j j=2 2的结构面的结构面,结构面上的应力状态正好处于结构面上的应力状态正好处于极限平衡状态，岩体将开始沿结构面产生滑移极限平衡状态，岩体将开始沿结构面产生滑移,即岩体将开始发生即
49、岩体将开始发生沿结构面的剪切破坏。沿结构面的剪切破坏。(3)(3)当当角减小至角减小至1 1，或当，或当角增大至角增大至2 2时时，P P点同时位点同时位于结构面的强度曲线和岩石的强度曲线之下，岩体不会发生沿结构于结构面的强度曲线和岩石的强度曲线之下，岩体不会发生沿结构面的破坏。面的破坏。5.5 岩体的力学性质岩体的力学性质第39页，本讲稿共89页 (4)(4)当当j j1 1或或j j2 2时，若时，若3 34 4时时，P P点虽然在结构点虽然在结构面的强度曲线之下，但位于岩石的强度曲线之上，此时岩体内将出面的强度曲线之下，但位于岩石的强度曲线之上，此时岩体内将出现的剪应力将大于岩石的抗剪强
50、度的破坏面，岩体将发生破坏，此现的剪应力将大于岩石的抗剪强度的破坏面，岩体将发生破坏，此破坏与结构面无关；破坏与结构面无关；若若=3 3或或=4 4时时，P P点与岩石的强度曲线相交，点与岩石的强度曲线相交，岩体内将出现的剪应力将等于岩石的抗剪强度的潜在破坏面，岩体将开岩体内将出现的剪应力将等于岩石的抗剪强度的潜在破坏面，岩体将开始发生沿此潜在破坏面破坏的滑即岩体将开始发生沿岩石内新产生的破始发生沿此潜在破坏面破坏的滑即岩体将开始发生沿岩石内新产生的破坏面的剪切破坏，此破坏也与结构面无关。坏面的剪切破坏，此破坏也与结构面无关。综上所述，岩体的强度取决于结构面、岩石的强度以及受综上所述，岩体的强