不均匀及不连续结构面抗剪强度模拟试验研究

《岩体力学》课后习题附答案一、绪论岩体力学：研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的科学。

.二、1．从工程的观点看，岩体力学的研究内容有哪几个方面？答：从工程观点出发，大致可归纳如下几方面的内容：1）岩体的地质特征及其工程分类。

2）岩体基本力学性质。

3）岩体力学的试验和测试技术。

4）岩体中的天然应力状态。

5）模型模拟试验和原型观测。

6）边坡岩体、岩基以及地下洞室围岩的变形和稳定性。

7）岩体工程性质的改善与加固。

2．岩体力学通常采用的研究方法有哪些？1）工程地质研究法。

2）试验法。

3）数学力学分析法。

4）综合分析法。

二、岩块和岩体的地质基础一、1、岩块：岩块是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。

有些学者把岩块称为结构体、岩石材料及完整岩石等。

2、波速比k v：波速比是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块的纵波速度之比。

3、风化系数k f：风化系数是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块饱和单轴抗压强度之比。

4、结构面：其是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、厚度相对较小的地质面或带。

它包括物质分异面和不连续面，如层面、不整合、节理面、断层、片理面等，国内外一些文献中又称为不连续面或节理。

5、节理密度：反映结构发育的密集程度，常用线密度表示，即单位长度内节理条数。

6、节理连续性：节理的连续性反映结构面贯通程度，常用线连续性系数表示，即单位长度内贯通部分的长度。

7、节理粗糙度系数JRC：表示结构面起伏和粗糙程度的指标，通常用纵刻面仪测出剖面轮廓线与标准曲线对比来获得。

8、节理壁抗压强度JCS：用施密特锤法（或回弹仪）测得的用来衡量节理壁抗压能力的指标。

9、节理张开度：指节理面两壁间的垂直距离。

10、岩体：岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构，赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。

岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验技术与系统研制
岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验技术与系统研制是指针对岩体结构面（如节理、裂隙等）的抗剪强度进行尺寸效应试验的技术与系统的开发工作。

岩体结构面的抗剪强度是指岩体结构面在受到剪切作用时能够承受的最大剪应力。

由于不同尺寸的结构面具有不同的力学性质，因此岩体结构面的抗剪强度会随着尺寸的变化而改变，即存在尺寸效应。

为了研究岩体结构面的抗剪强度尺寸效应，需要开发相应的试验技术与系统。

其中，试验技术包括确定试验方案、制作试样、测量试验数据等；而试验系统则包括试验设备、数据采集系统、数据处理与分析软件等。

研制岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验技术与系统需要结合岩石力学、土木工程、计算机科学等多个学科的知识，以保证试验结果的准确性和可靠性。

岩体结构面抗剪强度尺寸效应试验技术与系统的研制对于深入理解岩体结构面力学行为，提高岩体力学模型的可靠性和精度具有重要意义。

它可以为岩石力学研究、岩土工程设计、地质灾害预测与评估等领域提供有效的技术支持。

岩石：是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而形成的多种矿物颗粒的集合体，是组成地壳的基本物质。

岩体：是相对于岩块而言的，是指地面或地下工程中范围较大的、由岩块（结构体）和结构面组成的地质体。

岩石结构：是指岩石中矿物颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒相互关系、胶结类型特征等。

岩石构造：是指岩石中不同矿物集合体之间及其与其他组成部分之间在空间排列方式及充填形式。

岩石的密度：是指单位体积岩石的质量，单位为。

块体密度：是指单位体积岩石（包括岩石孔隙体积）的质量。

颗粒密度：是岩石固相物质的质量与其体积的比值。

孔隙性：把岩石所具有的孔隙和裂隙特性，统称为岩石的孔隙性。

孔隙率：岩石试件中孔隙体积与岩石试件体积之比渗透系数：岩石渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，渗透系数K在数值上等于水力梯度为1时的渗流速度，单位为cm/s或m/do软化系数：软化系数K为岩石试件的饱和抗压强度Q （MPa）与干抗压强度Q c （MPa）的比值。

岩石的膨胀性：是指岩石浸水后发生体积膨胀的性质。

岩石的吸水性：岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性，其吸水量的大小取决于岩石孔隙体积的大小及其敞开或封闭的程度等。

扩容：是指岩石在外力作用下，形变过程中发生的非弹性的体积增长。

弹性模量：是指在单向压缩条件下，弹性变形范围内，轴向应力与试件轴向应变之比，即E =Q £。

变形模量：是指岩石在单轴压缩条件下，轴向应力与轴向总应变（为弹性应变£e和塑性应变£p之和）之比。

泊松比：在单向载荷作用下，横向应变（£x = £y ）与轴向应变（£z ）之比。

脆性度：通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度，n =尺寸效应：岩石试件的尺寸越大，则强度越低，反之越高，这一现象称为尺寸效应。

常规三轴试验：常规三轴试验的应力状态为a 1 > a 2 = a 3 > 0，即岩石试件受轴压和围压作用，试验主要研究围压（a 2 = a 3 ）对岩石变形、强度或破坏的影响。

结构面的抗剪强度••结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。

由于结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所以一般认为结构面是不能抗拉的。

因此，通常近考虑结构面的抗剪强度。

••在工程荷载作用下，岩体破坏常以沿某些软弱结构面的滑动破坏为主。

因此，在岩体力学中结构面的抗剪强度通常是研究的重点内容。

•条件不同、性质不同的结构面其发生剪切作用的机理不同，因此其抗剪强度的确定方法也不同，下面将分四种类型来介绍结构面的抗剪强度。

一、平直无充填的结构面•平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。

其•特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。

坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。

这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：各种结构面抗剪强度指标的变化范围结构面类型摩擦角(°)粘聚力(MPa)结构面类型摩擦角(°)粘聚力(MPa)泥化结构面10～200～0.05云母片岩片理面10～200～0.05粘土岩层面20～300.05～0.10页岩节理面(平直)18～290.10～0.19泥灰岩层面20～300.05～0.10砂岩节理面(平直)32～380.05～1.0凝灰岩层面20～300.05～0.10灰岩节理面(平直)350.2页岩层面20～300.05～0.10石英正长闪长岩节理面(平直)32～350.02～0.08砂岩层面30～400.05～0.10粗糙结构面40～480.08～0.30砾岩层面30～400.05～0.10辉长岩、花岗岩节理面30～380.20～0.40石灰岩层面30～400.05～0.10花岗岩节理面(粗糙)420.4千板岩千枚理面280.12石灰岩卸荷节理面(粗糙)370.04滑石片岩、片理面10～200～0.05(砂岩、花岗岩)岩石／混凝土接触面55～600～0.48二、粗糙起伏无充填的结构面•这种类型的结构面，其剪切特点是：（1）当法向应力σ较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了τ；（2）当σ较大时，将剪断凸起而运动，也增大了τ。

常用岩体结构面抗剪强度参数经验取值范围岩体结构面抗剪强度参数是指岩体结构面的抗剪强度的经验取值范围。

岩体结构面是岩石中存在的裂隙、节理、断层等。

了解和掌握岩体结构面抗剪强度参数的经验取值范围，对于工程建设中的岩体力学分析、岩体稳定性评价以及岩石工程设计具有重要意义。

常见的岩体结构面抗剪强度参数包括摩擦角、内聚力、弹性模量和刚度系数。

这些参数的取值范围是众多研究者通过岩体力学实验、野外观测和工程实践的总结得出的。

下面将分别介绍这些参数的经验取值范围。

1.摩擦角：摩擦角是指结构面内摩擦力和结构面法向力之间的夹角。

不同类型岩石的结构面摩擦角存在一定的差异，一般来说，从低到高依次为软岩、硬岩和饱和岩。

-软岩：摩擦角一般取值在15°～30°之间。

-硬岩：摩擦角一般取值在30°～45°之间。

-饱和岩：摩擦角一般取值在45°～60°之间。

2.内聚力：内聚力是指结构面上岩体的抗剪破裂能力。

其取值范围与摩擦角类似。

-软岩：内聚力一般取值在0.5MPa～2.5MPa之间。

-硬岩：内聚力一般取值在2.5MPa～10MPa之间。

-饱和岩：内聚力一般取值在10MPa～30MPa之间。

3.弹性模量：弹性模量是指岩体在受到外力作用时的形变能力。

不同类型岩石的弹性模量差别很大。

-软岩：弹性模量一般取值在2GPa～10GPa之间。

-硬岩：弹性模量一般取值在10GPa～40GPa之间。

-饱和岩：弹性模量一般取值在40GPa～100GPa之间。

4.刚度系数：刚度系数是指岩体结构面所表现出的刚度水平。

刚度系数与弹性模量有一定的关联。

-软岩：刚度系数一般取值在0.2MPa/m～2MPa/m之间。

-硬岩：刚度系数一般取值在2MPa/m～10MPa/m之间。

-饱和岩：刚度系数一般取值在10MPa/m～50MPa/m之间。

需要注意的是，这些取值范围只是经验总结，并不能适用于所有具体的岩体情况。

专业案例（水利水电）总分：【100分】考试时间：【90分钟】一、单项选择题（共50题，每题2分，共计100分）（）1、工程地质勘察野外测绘工作的基本步骤为( )。

A、观察描述、标测地质点和地质线路，测制地层柱状图，勾绘地质图，测制典型地质剖面图B、测制地层柱状图，观察描述、标测地质点和地质线路，勾绘地质图，测制典型地质剖面图C、测制地层柱状图，勾绘地质图，观察描述、标测地质点和地质线路，测制典型地质剖面图D、测制地层柱状图，测制典型地质剖面图，观察瞄述、标测地质点和地质线路，勾绘地质图【答案】B【解析】野外地质测绘工作的基本要求工程地质野外测绘工作应按下列基本步骤进行：测制地层柱状图，观察描述、标测地质点、地质线路，勾绘地质图，测制典型地质剖面图。

（）2、关于深切河谷自然边坡的应力分布特征，下列说法正确的是( )。

A、在剥蚀作用下，地下不太深处存在一个地应力集忙带，在接近地面处存在一个卸荷应力带，在深部才是正常应力带B、在剥蚀作用下，地下不太深处存在一个卸荷应力带，在接近地面处存在一个地应力集中带，在深部才是正常应力带C、在剥蚀作用下，地下深处存在一个地应力集中带，在不太深处存在一个卸荷应力带，在深部才是正常应力带D、在剥蚀作用下，地下不太深处存在一个地应力集中带，在接近地面处存在一个卸荷应力带，在深部也不是正常应力带【答案】A【解析】深切河谷边坡应力分布与构造作用和剥蚀作用有关。

在剥蚀作用下，地下不太深处存在一个地应力集忙带，在接近地面处存在一个卸荷应力带，在深部才是正常应力带。

（）3、钻孔降水头注水试验适用于( )地层。

A、地下水以下的粉土层、黏性土层或渗透系数较小的岩层B、地下水以上的粉土层、黏性土层或渗透系数较小的岩层C、地下水以下的砂砾石层或渗透系数较大的岩层D、地下水以上的砂砾石层或渗透系数较大的岩层【答案】A【解析】【解析】钻孔降水头注水试验适用于地下水以下的粉土层、黏性土层或渗透系数较小的岩层。

结构面的剪切刚度全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：结构面是地球内部岩石中的一种错动面，它是由地质构造运动造成的断裂面。

在地质学领域中，结构面的剪切刚度是其在地球运动中承受剪切力时的物理性质。

剪切刚度是指单位面积上的切变力与切变变形速率之比的物理量，它反映了结构面对剪切应力的抵抗能力。

研究结构面的剪切刚度对于地质灾害的预测和地下工程的安全至关重要。

结构面的剪切刚度与破裂、断裂和滑动等相关。

在地质构造运动中，地壳内部岩石发生运动产生应力，当受力超过结构面的剪切刚度时，就会发生破裂和滑动，导致地壳内部岩石的变形。

了解结构面的剪切刚度有助于预测地质灾害，如地震、滑坡和地面沉陷等。

结构面的剪切刚度还直接影响地下工程的安全。

在地下隧道、矿山等工程中，结构面是一个潜在的风险因素。

若结构面的剪切刚度较高，地下工程会受到较大的剪切力，增加施工难度和安全风险；若结构面的剪切刚度较低，地下工程易受到破裂和滑动的影响，难以稳定施工。

合理评估结构面的剪切刚度对地下工程的设计和施工至关重要。

如何研究结构面的剪切刚度呢？通常可以通过实验室测试和地质勘察分析来获取结构面的力学参数。

实验室测试包括剪切试验、抗拉试验等，通过对结构面进行物理性质分析，获得其剪切刚度和强度等数据；地质勘察分析则是通过大地勘探、地质构造观察等方法，识别结构面的类型、分布和力学特性。

综合实验室测试和地质勘察分析的数据，可以较准确地评估结构面的剪切刚度。

结构面的剪切刚度受多种因素影响，如结构面的厚度、岩性、水平和垂直应力等。

一般来说，结构面的厚度越大，其剪切刚度越高；岩性越硬，剪切刚度也会越高；水平和垂直应力越大，结构面的剪切刚度越大。

在研究结构面的剪切刚度时，需要考虑这些因素的影响，并采取相应的措施来降低地质灾害风险和地下工程安全隐患。

结构面的剪切刚度是地球内部岩石的重要物理性质，它直接关系到地震、滑坡等地质灾害的发生和地下工程的安全。

研究结构面的剪切刚度有助于预测地质灾害、提高地下工程的安全性，对于保障人们的生命财产安全和推动地质科学的发展都具有重要意义。

岩石结构面剪切强度研究现状及实验的研究◎符其山陈辉刘诗桐一、岩体构成及其强度影响因素天然存在的岩体经过多次的地质作用，岩体遭受变形和破坏，形成一定的成分和结构。

岩体内部又有着各式各样的地质界面，它包括物质分异面和不连续面，例如：假整合、不整合、褶皱和断层等。

由于它们形成的成因和特性不同，导致其物理性质也有所差异，我们把这些不同的地质界面统称为结构面（弱面）。

有的岩体通过被结构面切割形成岩块，又被称为结构体。

结构体（岩块）是岩体基本组成部分。

岩石就是由结构面和结构体（岩块）共同组成的。

结构面对岩体的力学性质起着非常关键的控制作用，由于结构面影响着岩体的力学性质以及连续性，大自然中各种自然灾害与结构面有关。

例如：山体崩塌、滑坡、岩爆等。

开展结构面的力学性质研究是评价岩体稳定性的重要因素。

山体的滑坡以及岩爆对人们的生产和生活存在这非常重大的影响，而发生诸多事故的影响因素主要为岩体结构面对岩体强度的影响，所以研究岩石结构面的抗剪切强度以及抗拉强度存在着重要的意义。

在工程中，岩体结构面的破坏主要为剪切破坏，而结构面的抗拉强度几乎可以被忽略，故研究岩体结构面的抗剪特性具有重大意义。

而岩石结构面剪切强度的影响因素也有很多，例如：JRC（岩石结构面粗糙度）、JCS（壁面强度）、法向应力以及结构面充填物等影响因素，而其中较为关键的JRC（结构面的粗糙度），其具有许多性质，二、国内外对岩石结构面剪切强度的研究现状早在1966年国外学者Bardon就提出齿状节理直剪实验，1977年又提出JRC 的概念，归纳了十条标准JRC曲线，从而建立了岩石剪切强度与粗糙度之间的关系。

在此模型基础上，B.I ndraratna在不同法向正应力下，对规则结构面岩体进行直剪实验，证明了法向应力与抗剪切强度的关系。

G.G rasselli（2003）为了力求更真实的结构面粗糙度，通过3D扫描、研究采样方向、采样精度、采样尺寸等评价结果的影响，提出了三维岩体结构面粗糙度评价方法。