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图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。
岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。
岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。
其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。
第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。
按静力法得到静E ，动力法得到动E 。
⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。
μm—岩体的泊松比。
★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。
岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。
图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。
二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。
两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。
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 =。
岩体结构面力学性质与岩体强度研究综述摘要：根据野外工程地质调查对工程岩体质量进行评析，在此基础上，运用hoek–brown准则求解工程岩体强度。
并根据岩块的咬合状态及这些块体的表面特征，提出了节理岩体强度的确定方法，关键词: 岩体结构面；力学性质；岩体强度；中图分类号：k826.16 文献标识码：a 文章编号：岩体中存在着纵横交错的各类地质结构面，在力学上则表现为存在着不连续面、弱面或软弱夹层，这些结构面对岩体强度和岩体工程的稳定性起着重要的控制作用。
因此结构面的力学性质和岩体的强度是息息相关的。
1 结构面的力学性质岩体结构面(structural plane)是指岩体内开裂的和易开裂的面，如层理、节理、断层、片理等，又称不连续面。
岩体结构面力学特征的研究与岩石力学的发展息息相关。
因为工程岩体之所以失稳，影响因素很多，但最关键的问题在于岩体内存在着一些软弱结构面。
目前普遍采用统计分析的方法，找出其分布规律，并应用到工程稳定性分析中。
1.1 结构面抗剪强度结构面的抗剪强度是表征岩体的结构面力学性质的重要指标，作为表征结构面力学性质的重要指标之一，通常在现场或实验室内测定。
对于起伏较大的粗糙结构面，按barton公式计算时，jrc值往往是根据结构面产状与标准轮廓线(isrm轮廓线)对比来确定的，由于视觉上的判断易造成较大的误差，国内外学者经过大量的研究，采用各种测量仪表观测和计算机处理。
如barr等人使用粗糙位形标测仪和数字化坐标记录仪测定，得出标准曲线jrc值和分维值d的关系，应用分形理论从一个崭新的角度描述了节理粗糙系数jrc和jrc尺寸效应的特征。
1.2 结构面的变形关于岩体不连续结构面的变形分析问题，自20世纪60年代初期开始至今已经建立了许多不同层次上的离散模型和数值方法。
以有限单元法为基础，并引入能反映岩体结构不连续性特征的模型以弥补有限元关于不连续性处理的不足，如结合单元法，节理单元法，desai等提出的薄层单元法以及用于模拟多节理岩体的等效连续体模型和损伤模型等。
岩体结构面抗剪强度参数取值方法综述引言：岩体结构面的强度是岩体力学特性中的一个重要参数，它对于岩体的稳定性和工程施工具有重要影响。
岩体结构面抗剪强度参数的准确取值是岩体力学研究中的一个重要问题。
本文综述了近年来关于岩体结构面抗剪强度参数取值方法的研究进展和应用情况。
一、传统取值方法1.刚度比法：该方法是通过测量岩体结构面位移和正常应力的变化，计算结构面的刚度比值。
刚度比值的大小与抗剪强度参数有关。
2.负载试验法：该方法是通过进行室内或现场的岩石试验，测量不同应力下岩体结构面的位移和正应力，根据剪切位移与正应力的关系确定抗剪强度参数。
3.断裂力学法：该方法是基于断裂力学理论，通过对岩体结构面断裂机理的研究，推导出抗剪强度参数的计算模型。
以上三种传统的取值方法都存在一定的局限性，例如需要大量的试验数据和经验参数，且结果的准确性受人为因素影响较大。
二、现代取值方法1.数值模拟法：该方法利用计算机仿真的技术手段，建立岩体结构面抗剪强度参数的数值模型，通过不同工况下的数值模拟计算，得到抗剪强度参数。
2.获取实测数据：该方法通过在实际工程中对岩体结构面进行监测，测量结构面的位移和应力等参数，从而直接获取抗剪强度参数。
3.统计学方法：该方法利用大量的岩体结构面力学试验数据，通过统计学方法对数据进行处理，得到抗剪强度参数的统计特征，并进行参数估计。
现代取值方法相较于传统方法具有更高的精度和准确性。
数值模拟法可以通过模拟不同的工程情况，得到更具代表性的抗剪强度参数。
获取实测数据的方法能够真实反映结构面的实际工况和力学特性。
统计学方法则可以通过大量的数据分析，得到更加可靠的参数估计结果。
与此同时，近年来还出现了一些基于机器学习和深度学习的方法，通过利用大量的数据训练模型，得到更精准的抗剪强度参数预测结果。
这些方法在理论和实际应用中都取得了一定的成功。
结论：岩体结构面抗剪强度参数取值方法多种多样，传统方法和现代方法各有特点。
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。
岩体结构面力学性质与岩体强度研究综述
摘要：根据野外工程地质调查对工程岩体质量进行评析，在此基础上，运用Hoek–Brown准则求解工程岩体强度。
并根据岩块的咬合状态及这些块体的表面特征，提出了节理岩体强度的确定方法，
关键词: 岩体结构面；力学性质；岩体强度；
岩体中存在着纵横交错的各类地质结构面，在力学上则表现为存在着不连续面、弱面或软弱夹层，这些结构面对岩体强度和岩体工程的稳定性起着重要的控制作用。
因此结构面的力学性质和岩体的强度是息息相关的。
1 结构面的力学性质
岩体结构面(Structural Plane)是指岩体内开裂的和易开裂的面，如层理、节理、断层、片理等，又称不连续面。
岩体结构面力学特征的研究与岩石力学的发展息息相关。
因为工程岩体之所以失稳，影响因素很多，但最关键的问题在于岩体内存在着一些软弱结构面。
目前普遍采用统计分析的方法，找出其分布规律，并应用到工程稳定性分析中。
1.1 结构面抗剪强度
结构面的抗剪强度是表征岩体的结构面力学性质的重要指标，作为表征结构面力学性质的重要指标之一，通常在现场或实验室内测定。
对于起伏较大的粗糙结构面，按Barton公式计算时，JRC值往往是根据结构面产状与标准轮廓线(ISRM 轮廓线)对比来确定的，由于视觉上的判断易造成较大的误差，国内外学者经过大量的研究，采用各种测量仪表观测和计算机处理。
如Barr等人使用粗糙位形标测仪和数字化坐标记录仪测定，得出标准曲线JRC值和分维值D的关系，应用分形理论从一个崭新的角度描述了节理粗糙系数JRC和JRC尺寸效应的特征。
1.2 结构面的变形
关于岩体不连续结构面的变形分析问题，自20世纪60年代初期开始至今已经建立了许多不同层次上的离散模型和数值方法。
以有限单元法为基础，并引入能反映岩体结构不连续性特征的模型以弥补有限元关于不连续性处理的不足，如结合单元法，节理单元法，Desai等提出的薄层单元法以及用于模拟多节理岩体的等效连续体模型和损伤模型等。
结合单元法、节理单元法和薄层单元法都是在连续介质的有限元法框架内，
引入特殊的界面单元或简单的力学元件以试图反映不连续性．三种方法作为解决不连续变形问题的第一步突破，且便于实施，在工程中得到了较为广泛的应用．
为了突破连续介质计算模型的框架，第二类模型近年来获得了快速发展，并已在固体力学、岩土力学、散体运输、材料、矿冶等多学科中引起广泛关注，其中比较有代表性的方法有离散单元法、刚体一弹簧元模型、非连续变形分析模型等。
2 岩体强度特性的研究
2.1 岩体的强度准则
岩体强度准则的研究已有数十年的历史，到目前为止提出过各种各样的岩体强度准则，但它们大都有一定的适用范围。
强度准则可分为：一类是以力学为基础,通过严谨的数学方法推导得出,称之为―理论强度准则‖；一类是以试验为主要研究手段,近似描述岩体的破坏机理,称之为―经验强度准则‖。
2.1.1理论强度准则
目前应用于岩石的理论强度准则比较多,如Mohr - Coulomb 准则、Drucker - Prager 准则等。
Mohr—Coulomb强度准则虽然表达式简单、便于工程应用，但却不能描述其中的中间主应力效应和区间效应问题。
鉴于上述原因，又有许多其他类型的强度准则相继被提出，如双剪类准则、三剪类准则等，其中，俞茂宏提出的双剪统一系列强度准则无论在对岩士类介质的强度特征和本构关系的描述上，还是在强度理论体系的完备性上均有较大突破，目前已形成了较为完整和系统的双剪强度理论体系。
节理裂隙岩体的强度研究很早就引起了国内外岩石力学界的普遍重视,Jaeger (1960) 对含一组结构面的各向异性岩体,假定岩块与结构面的破坏都满足经典的线性Mohr - Coulomb 准则,得到含单一结构面岩体的破坏特征是受结构面的方位控制的结论,并推导出相应的理论公式,提出了著名的―单弱面理论‖。
2.1.2 经验强度理论
节理岩体是一个复杂系统,其强度的确定需综合考虑岩体结构、岩块强度、节理状况及赋存环境等诸多因素。
因此,应用理论强度准则去揭示复杂节理岩体的强度特性有时变得不现实,那么如何正确预测岩体的强度成为岩石工程建设中必须面临的一个关键问题。
Kalamaras提出了一个依据RMR 岩体分类指标,估算折减系数的经验公式；ArildPalmstrom 指出节理岩体的强度主要受岩体中结构面的蚀变程度、粗糙度、连续性好坏以及岩块平均体积大小的影响,并用一个节理状态参数(JP) 定量地表示这种影响程度；1980年E·Hoek和E·T-Brown提出了国际著名的狭义的Hoek—Brown经验强度准则，1992年E-Hoek针对1980年提出的强度准则的不足，提出了狭义Hoek—Brown经验强度准则的修改式—广义Hoek—Brown经验强度准则，并且给出了各类岩体经验参数值。
Hoek—Brown
经验强度准则在提出后短短的20年内，通过弥补Mohr—Coulomb 强度准则的不足，正视岩体的固有特点和非线性破坏特征，而成为岩体力学中重要的强度理论。
目前，Hoek—Brown经验强度准则已在国内外地质工程和岩土工程领域得到广泛应用。
2.2 工程岩体强度确定方法
2.2.1 经验类比法
该方法主要是根据现场工程地质条件和室内力学实验结果，结合大量相关已建工程实例综合确定岩体强度的一种方法。
2.2.2 岩体质量评分体系方法
该方法是根据野外工程地质调查对工程岩体质量进行评分，在此基础上，运用Hoek–Brown 准则求解工程岩体强度的一种方法。
对于地面开挖工程，几乎所有的分析方法都离不开对岩体强度和变形进行可靠的评价。
Hoek-Brown根据岩块的咬合状态及这些块体的表面特征，提出了节理岩体强度的确定方法，1973 年Bieniawski 在考虑影响岩体质量的 5 个因素的基础上提出岩体质量分类的RMR[1]体系，1988年Hoek 和Brown 给出了岩石材料系数与RMR 指标之间的修正关系，并提出反算岩体综合抗剪强度的经验公式。
Hoek 和Brown 认为，当岩体具有 4 组或更多组节理面时，可根据对岩体质量综合、定量的评分来确定岩体的抗剪强度指标。
2.2.3 连通率方法
存在于自然界中的岩体，通常都包含有大量呈随机分布的节理面。
当岩体受剪破坏时，滑裂面一部分通过这些节理面，一部分通过这些节理面之间的完整岩石通称―岩桥‖，确定由节理和岩桥共同提供的岩体综合抗剪强度，始终是工程界广泛关注的问题。
与这个问题密切相关的，就是确定节理岩体连通率的问题。
由于岩体中节理面的分布情况极为复杂，早期的研究认为确定连通率几乎是不可能的。
现阶段，工程界普遍采用的方法是根据平洞露头面上节理的出露状况或编录资料，采用简单的几何投影方法来确定，没有真正考虑节理岩体复杂的结构形态以及岩桥和节理组合破坏的内在机制。
近年来，随着计算机科学的发展，在岩石力学领域内，逐渐形成了一门应用蒙特卡洛法产生节理岩体的模拟网络图像，进而在此模拟网络上研究其力学特性的学科，为合理的确定节理岩体的连通率以及估算节理岩体的综合抗剪强度提供了有力的工具，将逐步逼近该信息的真实值。
参考文献
[1]蒋建平，章杨松，罗国煜等.优势结构面理论在岩土工程中的应用.[J].水利学报.2001.8.
[2]李铁峰，潘懋，刘瑞珣.基岩斜坡变形与破坏的岩体结构模式分析.[J].北京
大学学报（自然科学版）.2002.38.2.
[3]杜时贵，潘别桐. 岩石节理粗糙度系数的分形特征.水文地质工程地质，1993(3):36-39.。
