结构面的变形与强度性质

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岩块的力学属性：

1．弹性（elasticity）：在一定的应力范围内，物体受外力产生的全部变形当去除外力后能够立即恢复其原有的形状和大小的性质。

2．塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸荷）后不能完全恢复原状的性质。不能恢复的变形叫塑性变形或永久变形、残余变形。

3．粘性（viscosity）：物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质。应变速率随应力变化的变形叫流动变形。

4．脆性（brittle）：物质受力后，变形很小时就发生破裂的性质。

5．延性（ductile）：物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质。

第一节 岩块的变形性质

一、单轴压缩条件下的岩块变形性质

1．连续加载下的变形性质

（1）加载方式：

单调加载（等加载速率加载和等应变速率加载）

循环加载（逐级循环加载和反复循环加载）

（2）四个阶段：

①Ⅰ：OA段，孔隙裂隙压密阶段；

②Ⅱ：AC段，弹性变形至微破裂稳定发展阶段（AB段和BC段）

弹性极限→ 屈服极限

③Ⅲ：CD段，非稳定破裂发展阶段（累进破裂阶段）→“扩容”现象发生

“扩容”：在岩石的单轴压缩试验中，当压力达到一定程度以后，岩石中的破裂（裂纹）继续发生和扩展，岩石的体积应变增量由压缩转为膨胀的力学过程。

—峰值强度或单轴抗压强度

④Ⅳ：D点以后阶段，破坏后阶段（残余强度）

以上说明：

岩块在外荷作用下变形→破坏的全过程，具有明显的阶段性，总体上可分为两个阶段：

1）峰值前阶段（前区）

2）峰值后阶段（后区）

（3）峰值前岩块的变形特征（Miller，1965）

①应力—应变曲线类型

米勒（Miller，1965）6类（σ—εL曲线），如图4.3所示：

Ⅰ：近似直线型（坚硬、极坚硬岩石）：如玄武岩、石英岩等；

Ⅱ：下凹型（较坚硬、少裂隙岩石）：如石灰岩、砂砾岩；

Ⅲ：上凹型（坚硬有裂隙发育）：如花岗岩、砂岩；

2 岩体的基本性质通常把在地质历史过程中形成的，具有一定的岩石成分和一定结构，并赋存于一定地应力状态的地质环境中的地质体，称为岩体。岩体在形成过程中，长期经受着建造和改造两大地质作用，生成了各种不同类型的结构面，如断层、节理、层理、片理等。受其影响，岩体往往表现出明显的不连续、非均质和各向异性，具有一定的结构是岩体的显著特征之一，它决定了岩体的工程特性及其在外力作用下的变形破坏机理。因此，从抽象的、典型化的概念来说，可以把岩体看作是由结构面和受它包围的结构体共同组成的。

所谓“结构面”，是指在地质发展历史中，尤其是地质构造变形过程中形成的，具有一定方向、延展较大、厚度较小的二维面状地质界面，它包括岩石物质的分界面和不连续面，如岩体中存在的层面、节理、断层、软弱夹层等，可统称为结构面。结构面是岩体的重要组成单元，由于受结构面的切割，岩体的物理力学性质与岩石有很大的差别。岩体的物理力学性质取决于结构面和结构体两部分的组合情况，尤其在工程上，岩体的工程力学稳定性质主要取决于岩体内结构面的数量、空间大小、空间组合情况、结构面特征以及充填介质的性质等。所谓结构体是指由结构面切割而成的岩石块体。结构体的四周都被结构面包围，常见的结构体大都是有棱角的多面体，如立方体、长方体、柱状体、板状体、菱形体、梯形体、楔形体、锥形体等。结构体也是岩体的重要组成部分，它本身的物质组成和排列组合方式也影响到岩体的力学性质。总之，岩体是由结构面和结构体两部分组成的，这也决定了其物理力学性质不是单纯取决定于某一方面的结果，而是二者共同作用和表现的结果，这在岩体力学分析和研究时是十分重要的。

在上一章开始时曾简单介绍过岩石和岩体二者之间的关系，指出工程上的岩石可视为岩体中的结构体（岩块），在无特殊说明的情况下，工程中的岩石均是指岩体中的结构体即岩块而言的。从力学角度来看，岩体与岩石有许多区别，其中较明显的特征可归纳为以下几点：

51 第五章 结构面的变形与强度性质

1、岩体稳定性分析和地下水渗流分析通常把岩体视为由岩块（结构体）与结构面组成的地质体。

2、岩体工程中的软弱夹层问题：

如黄河小浪底水库工程左坝肩的泥化夹层；

葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层；

黑河水库左坝肩单薄山梁的断层引发的渗漏问题；

长江三峡自然坡中的软弱夹层等。

这些软弱结构面在不同程度上影响和控制着工程岩体的稳定性。因此，结构面变形与强度性质的研究，在工程实践中具十分重要的实际意义：

1）大量工程实践表明：在工程荷载（小于10Mpa）范围内，工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。因此，结构面的强度性质的研究是评价岩体稳定性的关键。

2）在工程荷载作用，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组成部分，控制着工程岩体的变形特性。

3）结构面是岩体中渗透水流的主要通道。

4）工程荷载作用下，岩体中的应力分布受结构面及其力学性质的影响。

第一节 结构面的变形性质（特性）

结构面的变形包括法向变形和剪切变形两个方面。

一、结构面的法向变形

1．法向变形特征（Normal deformation）

设不含结构面岩块的变形为ΔVr，含结构面岩块的变形为ΔVt，那么结构面的法向闭合变形

ΔVj为：

ΔVj=ΔVt－ΔVr

由结构面法向应力σn与变形的关系曲线可得如下特征：

1）σn↑，ΔVj↑↑，曲线呈上凹型；

σn→σ0，σn－ΔVt变陡，与σn－ΔVr大致变形； 52 2）初始压缩阶段，ΔVt主要由结构面闭合造成的；

3）试验研究表明，当cn31开始，含结构面岩块的变形由以结构面的闭合→岩块的弹性变形；

4）σn－ΔVj曲线的渐近线大致为：

ΔVj=Vm

5）结构面的最大闭合量小于结构面的张开度（e）。

含结构面的岩块和不含结构面的岩块在法向上加荷、卸荷后的应力—变形曲线，见教材P76-77（Bandis等，1983）。

2．法向变形本构方程（法向应力与变形之间的关系）

9． 结构面的剪切变形、法向变形与结构面的哪些因素有关？

答：结构面的剪切变形、法向变形与岩石强度、结构面粗糙性和法向力有关。

10.结构面力学性质的尺寸效应体现在哪几个方面？

答：结构面试块长度增加，平均峰值摩擦角降低，试块面积增加，剪切应力呈现出减小趋势。此外，还体现在以下几个方面：（1）随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度时的位移量增大；（2）试块尺寸增加， 剪切破坏形式由脆性破坏向延伸破坏转化；（3）尺寸增加，峰值剪胀角减小，结构面粗糙度减小，尺寸效应也减小。

12.具有单结构面的岩体其强度如何确定？

答：具有单结构面的岩体强度为结构面强度与岩体强度二者之间的最低值。结构面强度为：

1  3

 2  (Cj3tgj )

(1 tgjctg )  sin 2

岩体强度为：

  1  sin

   2 C cos

1  sin

 3 1  sin  1

18.岩体质量分类有和意义？

答：为了在工程设计与施工中能区分岩体质量的好坏和表现在稳定性上的差别，需要对岩体做出合理分类，作为选择工程结构参数、科学管理生产以及评价经济效益的依据之一，也是岩石力学与工程应用方面的基础性工作。

19.CSIR 分类法和 Q 分类法各考虑的是岩体的哪些因素？

答: 岩体地质力学分类是由岩体强度、RQD 值、节理间距、单位长度的节理条数及地下水５种指标分别记分，然后累加各项指标的记分，得出该岩体的总分来评价该岩体的质量。

CSIR=A+B+C+D+E＋F

A——岩体强度（最高15分）；

B——RQD 值（最高分 20

分）；

C——节理间距（最高分

20 分）

D——单位长度的节理条数（最高分 30 分）

E——地下水条件（最高分15 分）。

F——节理方向修正分（最低－60，见表 2-17b）

巴顿岩体质量（Q）分类