岩体力学-结构面剪切强度特性

岩体结构面强度特性及地下水影响肖桃李;艾明;路亚妮【摘要】结构面强度是岩体重要的力学特征之一,它控制着岩体的强度及变形;通过对结构面强度理论的分析和总结,从理论上验证了压应力状态下节理岩体的2种破坏形式,即结构面的剪切破坏和岩石的剪切破坏;考虑地下水的影响,引入有效应力原理,建立了饱和岩体结构面剪切破坏的强度准则.该准则对于深部岩体强度的研究具有重要的理论意义.【期刊名称】《河北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(033)006【总页数】6页(P572-577)【关键词】岩体结构面;抗剪强度;地下水;强度准则;有效应力原理【作者】肖桃李;艾明;路亚妮【作者单位】长江大学城市建设学院,湖北荆州 434023;武汉理工大学道路桥梁与结构工程重点实验室,湖北武汉430070;长江大学城市建设学院,湖北荆州 434023;武汉理工大学道路桥梁与结构工程重点实验室,湖北武汉430070【正文语种】中文【中图分类】TU45近10年来，随着国民经济的迅猛发展，基本建设的规模日益扩大，基础建设在向空间发展的同时，地下资源的开发和利用也在不断走向深部.越来越多的水利、交通、军事和能源工程都不可避免地建设在含结构面的岩体地区.岩体中包含有从微观、细观到宏观缺陷的各种结构面，大量的研究及实践表明，岩体的失稳与破坏总是伴随着原生结构面的起裂、扩展和贯通，且与原生结构面的裂隙形态、分布形式及地下水因素紧密相关.结构面强度特性的研究是结构面研究领域的重要课题之一，国外Lemaitre［1］、Swoboda［2］和Kyoya［3］等学者把岩体中的结构面看作岩体自身的损伤，用损伤力学的观点、理论和方法获得岩体及结构面的力学特性；国内学者周维恒［4］、李新平［5］等学者亦从损伤断裂角度出发研究结构面岩体取得了丰硕成果；在地下水对结构面岩体影响研究方面，渗流理论与有效应力原理是研究的切入点，国外Witherspoon［6］、Louis［7］和国内朱珍德［8］、翟淑花［9］等学者在这方面进行了深入研究.近几年频发的矿难、围岩塌陷、地质滑坡等灾害性事故，大多与结构面有关，因此，对岩体结构面强度特性进行系统分析与研究具有重要的理论价值及现实指导意义.1 岩体结构面分类岩体结构面的分类方法众多.从工程地质学的角度而言，结构面可以划分为：原生节理、构造节理和次生节理；按地质力学观点，结构面分为：单节理、节理组、节理群、节理带和破坏带；按结构面的充填状态，可以将其划分为：平直无充填的结构面、粗糙起伏无充填的结构面、非贯通断续结构面及有充填的软弱结构面；从地质构造学的角度，结构面又可以分为：压性结构面、张性结构面、扭性结构面、压扭性结构面及张扭性结构面［10］；同时，很多学者在进行结构面的实验研究中，对结构面的众多特性进行了简化，而重点探求某一特性对结构面的影响，结构面也被分为了满足研究需要的多种类型，如光滑结构面、规则齿状结构面、硬性结构面、软弱结构面等.2 结构面的抗剪强度特性2.1 结构面的抗剪强度不同地质构造下的结构面实际上是凹凸不平、不规则的，不连续和起伏性是实际结构面的主要特点.2.1.1 平直光滑无充填结构面限于研究手段及理论落后等原因，在研究岩体结构面时，一些专家和学者把其假设为表面平整、规则，充填物单一的理想结构面.该类结构面的抗剪强度主要以结构面的微咬合和胶结作用为主，同时也与结构面表面的岩性及其平直、光滑度相关.其抗剪强度参照人工磨制面的强度计算，即式中，τ为平直光滑无充填结构面的抗剪强度；σ为结构面的法向应力；φj，cj分别为结构面摩擦角与黏聚力.对于光滑面的岩体结构面，日本学者吉中龙之庆和Barton等人的研究表明，湿润时的峰值抗剪强度比干燥时大且发生了剧烈的黏滑；1995年，贺建明选取泥岩和灰岩为岩样，用80＃金刚砂对岩样表面进行打磨制作成光滑的结构面，研究结果则正好与日本学者的结论相反［11］.2.1.2 规则齿形结构面1966年，Patton［12］引入结构面起伏角i来描述结构面的表面形态，并假设结构面沿齿面滑动时的黏聚力Cb为0，当法向应力较低时，Patton推导出的抗剪强度表达式为式中，φb为齿形结构面的摩擦角；σT为齿形剪断时的临界应力值.当法向应力较高，且超过齿形剪断时的临界应力时，外力所做的功超过剪断齿形所需的功，结构面齿形凸起部分被剪断，此时的结构面抗剪强度可表示为式中，φ为岩体结构面表面的内摩擦角，c为岩体结构面表面的黏聚力.在Patton等人的研究基础上，孙广忠［13］对规则齿形结构面进行了更加深入的研究，把有起伏度的结构面细分为台阶型、锯齿型和波浪型，详细研究了各种结构面的抗剪强度特性及理论推导，获得了较丰富的成果.在规则齿形结构面抗剪性能研究方面，同济大学的沈明荣［14－15］教授进行了比较深入的研究工作，认为规则齿形结构面的抗剪强度参数与爬坡角关系密切，并通过模型实验方法验证了随着爬坡角增加，结构面抗剪强度参数亦逐渐增大.同时，文献［14－15］采用规则齿形结构面的水泥砂浆试件，在不同应力状态下进行常规剪切实验和卸载剪切实验研究，总结出规则齿形结构面的抗剪强度公式：式中，β为结构面的爬坡角；φj0为结构面的基本内摩擦角；kβ，kβ′分别为加载和卸载时结构面的综合内摩擦角修正系数；kc，kc′分别为加载和卸载时结构面的综合黏聚力修正系数.2.1.3 不规则起伏结构面与理想中的规则齿形结构面相反，工程岩体中绝大部分结构面的起伏形态是不规则的，不仅起伏角度和高度不易量测，而且起伏形态也无规律性，该种结构面的特点以随机而离散分布为主.Ladanyi和Archambault［16］自1970年开始，通过在岩体中人工制作大量的粗糙结构面开展剪切实验，对结构面从剪胀到剪断全过程进行了全面分析与研究，获得了如下的抗剪强度公式：式中，αs为结构面剪断率，指被剪断的凸起部分的面积与整个剪切面积的比值；n 为剪胀率，指剪切时的垂直位移与水平位移的比值；τr为凸起体岩石的抗剪强度；φu为结构面的基本摩擦角.Barton［17］对8种不同粗糙起伏的结构面进行了实验研究，提出了剪胀角的概念，并用以代替起伏角，剪胀角定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角.Barton通过对大量的实验资料的统计发现，结构面的峰值剪胀角不仅与凸起高度有关，而且与作用于结构面的方向应力σ、结构面的抗剪强度τ及壁岩强度JCS 之间也存在良好的统计关系，在此基础上，Barton推导出结构面抗剪强度公式式中，JRC表示粗糙度系数；JCS表示结构面抗压强度；φu为结构面的基本摩擦角.张林洪［18］通过对岩体进行回弹实验，使用摄影测量方法进行结构面粗糙度测量，建立了一套用回弹试验、摄影测量及由实验结果建立的公式确定结构面抗剪强度的方法：式中，N为结构面面壁上的回弹值；SF为面壁的形貌参数；Rn为结构面面壁单轴抗压强度平均值.2008年，童志怡，陈从新等［19］尝试引入摩擦学中的黏着磨擦理论对结构面的摩擦过程进行分析，根据结构面剪切过程中实际接触面积的变化规律，建立了结构面抗剪强度选取的新方法：式中，Ar为直剪过程中结构面的实际接触面积；s为实际剪切位移量.2.2 结构面的强度准则大量研究表明，均质岩体内岩体破坏面与主应力面总是成一定的角度关系.当剪切受力时，破裂面总是与大主应力面法线方向成α＝45°＋φ／2夹角；当受拉伸应力时，破裂面就是主应力面.而一旦岩体中存在软弱结构面，剪切受力时，其破裂面可能是α＝45°＋φ／2的面，但绝大多数情况下，破裂面就是软弱结构面，即破裂面与主应力的夹角就是软弱结构面与主应力的夹角.图1为含结构面岩体受力图，σ1、σ3为岩体所处的应力状态，结构面方向与σ1面的夹角为β.根据该处岩体的应力状态绘制的应力圆和强度包络线如图2所示，图2中CD为岩体的强度包络线（c和φ分别为岩体的黏聚力和内摩擦角），AB为软弱结构面的强度包络线（cj和φj分别为结构面的黏聚力和内摩擦角），M点为软弱结构面的应力状态点，根据莫尔－库伦准则，如果M点位于AB之间，说明岩体结构面剪切应力大于结构面的抗剪强度，结构面以滑动破坏为主；如果M位于AB下方，说明岩体结构面的剪应力小于结构面的抗剪强度，结构面是稳定的.因此，岩体是否沿结构面滑动破坏的判定条件与角度β1和β2相关.图1 受力的岩体单元Fig.1 Rockmass unit under loads图2 结构面的应力状态Fig.2 Stress condition of structural surface设则式（10），（11）给出了角度β1和β2的计算式，如前分析，当结构面倾角β1＜β＜β2，岩体破坏特征为沿结构面的剪切破坏；当β＜β1或β＜β2时，则岩体的破坏特征与结构面的存在无关，属于岩体自身的剪切破坏；当β等于β1或β2，岩体的破坏介于沿结构面破坏或岩体自身破坏的临界状态.3 地下水对结构面强度的影响水对岩体的影响主要包括2个方面：一是水对岩石的软化作用，水的存在使得岩体的力学性能降低，黏聚力和内摩擦角减小；二是水与岩体相互耦合作用下的力学效应，一旦饱和岩石在荷载作用下不易排水或不能排水，则岩体孔隙或裂隙中产生孔隙水压力（图3），相应的岩石颗粒所承受的压力减小，强度降低.根据莫尔－库仑准则，则有图3 理想结构面饱水受力Fig.3 Stress condition of saturated ideal structuralsurface图4 含水结构面与岩体接触关系Fig.4 Contact retation between rockmass and structural surface of water－bearing式中，τn为岩体的抗剪强度；c为岩体的凝聚力；φ为岩体的内摩擦角；σ为结构面上覆岩体作用在结构面上的正应力；p为结构面上的孔隙水压力；σe为作用在结构面上的有效应力.式（3）表明，岩体中结构面由于孔隙水的存在，使有结构面受到的有效应力σe 降低，岩体产生剪切破坏的极限应力τn也降低，因此，岩体沿结构面的剪切滑动破坏更容易发生.图3为理想结构面的饱水受力状态，结构面上下岩体为光滑面，但自然界中的岩体结构面往往是随机而无规律可循的，因此，结构面中孔隙水压的作用仅产生于接触面孔洞部位（图4）.事实上，结构面与岩壁的接触面由于孔隙水压力和裂隙水化的双重作用，其力学性质与理想的塑性变形相当［14］，因此式中，A0为结构面上、下表面岩体的实际接触面积；σ0为岩体塑性屈服应力；W为结构面上覆岩体的重量；p为结构面内孔隙水压力；A为结构面表面积.变换（13）可得假设结构面与岩体之间的有效接触为弹性接触，其有效接触面积为A0，则作用在结构面上的有效应力σe为令λ＝A0／A，则将式（16）代入式（12），得式（17）即为考虑岩体结构面中孔隙水压和水化双重作用影响后的岩体破坏的莫尔－库仑破裂准则.假设结构面与岩体的夹角为θ，则倾斜结构面在自重应力作用下滑动的临界角满足方程将式（17）代入式（19），得上式可以看出，λ越小，表明结构面与岩体的有效接触面积A0越小，则θ越小，说明岩体滑动所需的临界角就越小；对于孔隙水压力p而言，有效应力减小，则有效接触面积A0减小，因此当结构面中存在孔隙水压力时，结构面与岩体的夹角即使较小，也较容易发生剪切滑动破坏.因此，工程岩体中赋存的地下水能加速岩体沿结构面的剪切滑移破坏.4 结论通过对岩体结构面强度理论的分析与总结，可以得出以下结论：1）压应力状态下的节理岩体的破坏分为2种情况，一种是岩体沿着结构面的剪切滑移破坏，另一种是岩体自身的剪切破坏，岩体的破坏形式判断可以用结构面的倾角表示，当β1＜β＜β2时，岩体沿结构面剪切破坏，当β＜β1或β＞β2时，则岩体的破坏是岩石的剪切破坏；2）岩体结构面内充填的地下水能够承担及传递压力，因此地下水对岩体结构面强度具有弱化作用；当岩体沿结构面剪切破坏时，地下水的作用能加速剪切破坏的发生.参考文献：［1] LEMAITRE J.How to use damage mechanics［J］.Nuclear Engineeringand Design.1984，80：233－245.［2] SWOBODA H，YANG Q.Damage propagation model and its application to rock engineering 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岩体结构面抗剪强度参数确定方法的探讨（中冶沈勘工程技术有限公司，辽宁，沈阳，110016）【摘要】岩体结构面抗剪强度参数是工程设计及施工中重要的参数，常用室内外力学试验、经验估算试验和反演分析试验三种方法确定，基于工程实际要求的可靠性及精准性，在不考虑其他条件的情况下，采用灰色关联分析的方法，将数据进行关联度的分析，在三种方法中关联度最大的则认为可能最具有代表性和最精准的。

结果表明，在三种方法中室内外力学实验应该是最为精准的，在条件允许的情况下，建议最好采用室内外力学实验来确定抗剪强度参数。

【关键词】抗剪强度参数；室内外力学试验；经验估算方法；反演分析方法；灰色系统关联分析一、引言研究岩体结构面的工程特性已经是现在工程建设中最具有现实意义的事情。

在影响岩体稳定性中，岩体结构面的抗剪强度是主要的因素之一，而岩体结构面的抗剪强度的确定主要根据岩体结构面抗剪强度参数的数值，所以岩体结构面抗剪强度参数在工程设计及计算中已成为重要的参数之一，它决定了工程岩体边坡破坏的可能性，掌握合理准确的抗剪强度参数对工程建设有着非常重要的意义。

本文主要结合岩体结构面不同的性质特征及三种常用的取值方法，找到一种相对比较优化选取的方法，可以更加准确的快捷的确定岩体结构面的抗剪强度参数。

二、岩体结构面的分类由于岩体结构面形成条件不同、经过的地质作用复杂不同，导致其分布形态多种多样，所具有的力学性质就存在着不同的差异，根据岩体结构面所具有的诸多特点，有多种分类方法将其分为不同的结构面类型.2.1岩体结构面按其形成机理分类大致分为原生、构造和次生结构面三类，①在成岩的地质作用过程中形成的结构面称之为原生结构面，包含沉积作用形成的沉积结构面、岩浆侵入冷凝固结作用形成的火成结构面和变质作用形成的变质结构面，所以原生结构面包括沉积结构面、岩浆岩结构面和变质结构面三种类型。

②在岩体形成之后，在构造作用过程中形成的破裂面，包括节理、劈理、断层和层间错动面等称为构造结构面。

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。

砂岩结构面抗剪强度参数研究
砂岩是一种常见的沉积岩石，其自然界中的结构面会对其力学性质产生重要影响。

研究砂岩结构面的抗剪强度参数有助于理解砂岩岩体的力学行为，并为工程设计提供参考。

砂岩中的结构面可以分为两类：裂缝和节理。

裂缝是砂岩中的断裂表面，通常由岩石内部的应力产生的拉伸作用引起。

节理是砂岩中的平行或近平行的结构面，通常是在沉积过程中形成的。

研究砂岩结构面的抗剪强度参数可以通过实验室试验和数值模拟两种方法进行。

实验室试验可以使用剪切盒或剪切试验机对砂岩结构面进行剪切试验。

试验过程中可以测量结构面的正常强度和剪切强度。

正常强度指结构面上应变正向的抵抗正应力的能力，剪切强度指结构面上应变水平的抵抗切应力的能力。

通过不同试验条件下的试验结果，可以得到砂岩结构面的抗剪强度参数。

数值模拟可以利用离散元法和有限元法等方法对砂岩结构面进行模拟。

通过输入砂岩的物理力学参数和结构面的几何参数，可以计算出结构面的应变和应力分布。

通过调整输入参数，可以得到不同条件下的砂岩结构面的抗剪强度参数。

研究砂岩结构面的抗剪强度参数对于理解砂岩的力学行为和岩层稳定性具有重要意义。

在工程设计中，可以根据结构面的抗剪强度参数来评估砂岩的稳定性，并采取相应的支护措施。

任课老师：王志亮[c] All rights reserved About…在正应力和剪应力的作用下，不同的结构面表面形态以及充填物的状态，可产生不同的破坏机理，主要的破坏特征为：面摩擦；楔效应摩擦；转动摩擦；滚动摩擦。

一结构面的面摩擦效应面摩擦（平整的结构面）没有破坏极限应力状态滑动jj j jn f nntg tg φ>αφ=αφ<αφσ=τστ=α1σ3σNT α二. 结构面的楔摩擦效应（一）规则齿形结构面的楔效应摩擦强度1）Patton公式结构面的抗剪强度可用直线型的莫尔-库伦强度理论来描述；综合考虑规则齿形结构面的影响，即每个齿的长度和高度是相同的结构面。

（一）规则齿形结构面的楔效应摩擦强度(1) 考虑爬坡角i 的影响分析试件和结构面的受力条件：NT'N'TiiT i N T i T i N N i T i N T i T i N N cos 'sin 'sin 'cos 'cos sin 'sin cos '+=−=+−=+=变化方程的表现形式（一）规则齿形结构面的楔效应摩擦强度NTtg tg N T =⇒⋅=φ结构面沿齿面滑动破坏时的极限条件：1、整体的极限条件：2、滑动齿面的极限条件：jtg N T φ⋅=''（一）规则齿形结构面的楔效应摩擦强度()()()i tg i i ii i i i tg N i N i tg N i N i T i N i T i N tg tg N T tg N T j j j j j j j j j j+=++=−+=⋅−⋅+=−+=⋅=⋅=φφφφφφφφφφφφcos sin sin sin cos cos cos sin sin cos sin 'cos 'cos 'sin 'sin 'cos 'cos 'sin '''（一）规则齿形结构面的楔效应摩擦强度结论：在剪切力作用下，规则齿形结构面的总体强度参数内摩擦角为结构面的内摩擦角与爬坡角之和。

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。