岩体结构面力学性质与岩体强度研究

岩石力学第3章结构面与岩体力学性质提纲3结构面与岩体力学性质结构面自然特征与参数采集1结构面力学性质2岩体强度特性3岩体变形特性4岩体水力学性质5结构面自然特征与参数采集概述结构面的自然特征第一部分结构面的参数采集1概述倾角和倾向结构面组结构面间距结构面张开度钻孔或测线结构面迹长粗糙结构面岩块结构面组充填物渗流岩桥结构面的自然特征示意图自然特征表征参数或描述空间分布特征产状走向、倾向、倾角密度线密度、体密度、间距连续性贯通程度、线连续性系数、面连续性系数、迹长形态起伏度、粗糙度、起伏差、起伏角张开度闭合、裂开、张开充填与胶结未充填或硅质、铁质、钙质、泥质充填等结构面的自然特征，是决定岩体强度和变形的重要因素，因此，准确识别结构面的自然特征并对其参数进行采集分析，是岩体力学特性分析的重要基础工作。

结构面的自然特征x AβAO vzy x y A z Aα(N)(E)αβ①定义：结构面产状是指结构面的空间方位，通常假设结构面为平面，用走向、倾向和倾角表示其产状，如右图所示。

结构面产状示意图②走向：结构面与水平面交线的方向。

③倾向线与倾向：结构面上与走向线垂直并指向结构面下方的直线称为倾向线，倾向线在水平面上投影的方向为倾向，通常以β指代。

④倾角：结构面与水平面的夹角，通常以α指代。

⑤结构面单位法向量：空间坐标系中，规定z 轴竖直向上，x 轴为正东，y 轴为正北，则结构面的单位法向量v 可表示为：(sin sin sin cos cos )αβαβα=，，v （1）产状。

①定义：结构面密度是反映结构面发育密集程度的指标，常用线密度、体密度、间距等指标表征。

如右图所示。

结构面线密度计算示意图lLα1结构面迹线测线②线密度：结构面线密度K ，指同组结构面沿其迹线的垂直方向，单位长度上结构面的数目，其计算式为:注意：若岩体中存在数组结构面(a ,b , …)，则测线上的线密度为各组线密度之和：若测线不能沿结构面迹线的垂直方向布置，当测线与结构面迹线夹角为α1，实际测线长度为L 时，根据右图有:a b K K K =++⋅⋅⋅1/sin K n L α=（）（2）密度/K n l =。

岩体软弱结构面倾角对岩体强度的影响研究岩体当中经常会有软弱结构面存在，不同的软弱结构面倾角会对岩体的强度产生重要而直接的影响，进而影响工程结构的安全与稳定。

文章对常用研究方法进行了对比分析，通过模型试验的方法对岩体软弱结构面的不同倾角对岩体的强度进行了研究，根据试验结果总结规律，并对工程建设当中如何减少或者消除软弱结构面倾角对岩体强度的影响提出了建议。

标签：岩体；软弱结构面；倾角；模型试验一、前言工程建设中经常会遇到不同的岩体，这些岩体都可以视为由结构体和结构面组成。

结构体指岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体，结构面是指存在于岩体中的各种不同成因、不同特征的地质构造界面，比如层理、解理、节理、断层等，强度较低的结构面称为软弱结构面。

结构面对岩体的强度等工程性质有非常不利的影响，特别是软弱结构面的存在，将使岩体的强度显著降低，对岩体的不利影响尤其巨大，进而影响到工程结构的安全与稳定。

软弱结构面的组数、密度、长度、走向、倾向和倾角都会对岩体的强度产生重要影响，软弱结构面的倾角对岩体强度具有明显的影响。

对于边坡工程，当岩体软弱结构面的倾角大于边坡倾角时，边坡极易发生顺层滑坡，影响建设工程的安全与稳定。

因此，在国家标准《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）中对岩质边坡的破坏形式和岩质边坡岩体稳定性分类时，都特别考虑了软弱结构面对岩体强度的影响。

对于基础工程，软弱结构面倾角将直接影响岩体的强度和破坏形式，比如，当软弱结构面倾角成90°时，如果软弱结构面宽度较窄，其对地基岩体的不利影响将很小，而当软弱结构面倾角为45°时，岩质地基容易产生滑移剪切破坏。

在地下工程中，由于洞室的开挖将增加地下岩体的临空面，进而改变软弱结构面的受力状态，洞室围岩很容易因为软弱结构面自身的软弱和倾角的不利影响而导致塌方。

从以上分析可以看出，软弱结构面倾角对岩体强度具有重要影响，进而对工程岩体的工程性质产生不利影响。

岩体力学岩体结构面性质岩体力学是研究岩石和地壳构造中岩石体的力学性质以及其变形、破裂和破碎特性的一门学科。

岩体结构面是岩石中天然的或由于应力作用而形成的裂隙或断裂面。

通过对岩体结构面性质的研究，可以更好地了解和预测岩体的力学行为，对岩石工程和地质灾害等领域具有重要的实际应用价值。

岩体结构面性质可以分为以下几个方面来进行描述和研究：1.结构面的存在形式：岩体中的结构面有多种形式，如裂隙、节理、层理等。

裂隙是岩石中的一种空隙或线裂缝，不同类型的裂隙对岩体的力学性质有不同的影响。

节理是岩层中的一种局部平行于岩层面的裂隙，节理的存在对岩石体的强度和变形特性有重要影响。

而层理则是沉积岩中分层承载着特定的结构面，影响岩石体的力学行为。

2.结构面的排列方式：结构面通常有一定的排列方式，包括平行、正交、斜交等。

不同排列方式下的结构面对岩体的强度和变形特性会有不同的影响。

比如，平行结构面会导致相对容易的岩层剥离，而正交结构面则会使岩体更容易发生坍塌。

3.结构面的纹理特征：结构面通常会具有一定的纹理特征，如面状、短柱状、笔直等。

不同的纹理特征会影响结构面的强度和破裂特性。

比如，面状结构面相对较脆弱，容易发生破裂和断裂。

4.结构面的物理性质：结构面的物理性质包括强度、硬度、粗糙度等。

强度是结构面所能承受的最大应力，硬度则是结构面的抗切割能力。

粗糙度则是指结构面表面的粗糙程度，对岩体的摩擦力和稳定性有重要影响。

5.结构面的扩展性和连通性：结构面的扩展性指的是结构面在空间上的延伸范围，连通性指的是结构面之间的连通程度。

结构面的扩展性决定了岩体的整体稳定性，连通性则影响了结构面的水和气体的扩散性。

综上所述，岩体结构面性质对于岩体力学行为的研究有着重要的作用。

了解岩体结构面性质的特点，可以帮助我们更好地预测和控制岩体的力学行为，为岩石工程和地质灾害防治提供科学的依据。

因此，对于岩体结构面性质的研究是岩体力学领域的重要研究方向之一。

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。

第一讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一)一、内容提要：本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法，岩石的强度特性。

二、重点、难点：岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。

一、概述岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。

所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。

由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。

岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。

通常认为岩体是由岩石和结构面组成。

所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。

这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。

从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。

因此，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。

【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。

A. 火成岩、沉积岩、变质岩B. 花岗岩、砂页岩、片麻岩C. 火成岩、深成岩、浅成岩D. 坚硬岩、硬岩、软岩答案：A【例题2】片麻岩属于( )。

A. 火成岩B. 沉积岩C. 变质岩答案：C【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是( )。

A. 岩石的种类B. 岩石的矿物组成C. 结构面的力学特性D. 岩石的体积大小答案：C二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法(一)岩石的质量指标与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。

1 岩石的颗粒密度(原称为比重)岩石的颗粒密度是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。

岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。

其试验方法见相关的国家标准。

岩石颗粒密度可按下式计算2 岩石的块体密度岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。

按照岩块含水率的不同，可分成干密度、饱和密度和湿密度。

岩体强度试验包括：岩体结构面直剪试验、岩体直剪试验、混凝土与岩体胶结面直剪试验、荷载试验岩体强度试验主要包括岩体抗剪强度试验和岩体现场载荷试验。

岩体抗剪强度是指岩体（结构面、混凝土与岩体）在外力作用下所具有的抵抗剪切破坏的能力。

剪切破坏是工程事故发生的最重要原因之一，测试、研究岩体的抗剪强度特性，用以计算、校核工程抗滑稳定对水电建设工程具有十分重要的意义。

岩体抗剪强度试验包括岩体沿软弱结构面直剪试验、岩体本身直剪试验和混凝土与岩体直剪试验。

现场测定岩体抗剪强度的方法很多，如：直剪试验、三轴试验、扭转试验等，但国内外最常用的是直剪试验。

直剪试验的剪力施加一般又有平推法和斜推法两种。

试验尺寸，国内外不同行业、不同单位也千差万别，但认识是基本一致的，认为试体尺寸决定于岩体中单个岩块的大小和试验精度。

为了充分反映岩体受力后的应力状态和裂隙分布的不均一性，现场应考虑用较大尺寸的试体进行试验。

试体尺寸一般不宜小于 2500cm2。

（一）岩体结构面直剪试验岩体结构面的抗剪强度，是指在外力作用下，结构面所具有抵抗剪切破坏的能力。

岩体结构面直剪试验适用于岩体中的各类结构面，目的是测定岩体沿结构面的抗剪强度、变形特征和破坏规律，为校核坝基、坝肩、地下结构围岩、岩质边坡等沿软弱结构面的抗滑稳定提供抗剪强度参数和应力–应变关系曲线。

试验地段开挖、试体加工应减少对岩体结构面产生扰动和破坏。

试体可在天然含水状态或人工浸水条件下剪切。

每组试验试体数量不宜少于 5 个。

1、试体加工的主要要求试体宜采用方试体，剪切面积不宜小于 2500cm2，最小边长不宜小于 50cm。

试体间距宜大于最小边长，推力方向应与预定剪切方向一致。

试体表面应平行预定剪切面，对加压过程中可能出现破裂或松动的试体，应浇筑混凝土保护套或采取其他保护措施。

对结构面倾斜或有夹泥层的试体，加工时应采取保护措施。

试验前后应对试体及剪切面进行详细描述。

试体描述主要包括：试体制备及出现的情况，岩性，结构面类型、性状、充填物性质，试段岩体完整程度、风化情况等；剪切面描述重点：准确量测剪切面面积，记述剪切面破坏情况、起伏差、擦痕分布、方向等，当结构面内有充填物时，应准确判断剪切面位置，并记述其组成成分、性质、厚度、构造。