岩土工程勘察PPT-2岩体的变形与强度

1、岩体力学岩体力学2. 岩体变形与强度岩体变形与强度主讲：主讲： 林林 锋锋 2.岩体变形与强度岩体变形与强度 2.0 概述概述 2.1岩体的变形特征岩体的变形特征 2.1.1 试验方案试验方案 2.1.2 岩体的压力岩体的压力变形曲线类型变形曲线类型 2.1.3 岩体的变形指标分析岩体的变形指标分析 2.1.4 岩体变形的结构效应岩体变形的结构效应 2.1.5 岩体动力变形特性岩体动力变形特性 2.2 结构面及其力学性质结构面及其力学性质 2.2.1 结构面的类型结构面的类型 2.2.2 结构面的自然特性结构面的自然特性 2.2.3 结构面的力学性质结构面的力学性质 2.3 岩体的强度岩体的强

2、度 2.4 工程岩体的分级分类工程岩体的分级分类2.岩体变形与强度岩体变形与强度 岩体的变形及破坏特征与完整岩石不同。岩体的变形及破坏特征与完整岩石不同。 岩体的变形是岩体的变形是结构体（岩块）材料变形结构体（岩块）材料变形和和结构变形结构变形的的总合，后者包括总合，后者包括结构面闭合结构面闭合、充填物压密充填物压密及及结构体转动和结构体转动和滑动等滑动等变形。变形。岩体的结构变形往往起控制作用岩体的结构变形往往起控制作用。 岩体的变形与强度影响因素概述如下：岩体的变形与强度影响因素概述如下： （1 1）受力条件）受力条件 （2 2）岩体本身特性及赋存条件的影响）岩体本身特性及赋存条件的影响，

3、具体如下：，具体如下： 组成岩体的岩石材料性质组成岩体的岩石材料性质 岩体中结构面力学性质岩体中结构面力学性质 岩体中结构面发育组合情况岩体中结构面发育组合情况岩体结构类型岩体结构类型 赋存环境，特别是水和地应力条件赋存环境，特别是水和地应力条件 尺寸效应尺寸效应2.0 概述概述 2.岩体变形与强度岩体变形与强度 依据依据水利水电工程岩石试验规程水利水电工程岩石试验规程（SL264-2001SL264-2001），），岩体力学试验项目除前面提到的岩块物理力学试验，还包岩体力学试验项目除前面提到的岩块物理力学试验，还包括以下项目：括以下项目： (1)(1)岩体变形试验：岩体变形试验：承压板法，狭

4、缝法、单（双）轴压承压板法，狭缝法、单（双）轴压缩法、钻孔径向加压法、隧道液压枕径向加压法、隧道水缩法、钻孔径向加压法、隧道液压枕径向加压法、隧道水压法等，测量压法等，测量EeEe、E E、和抗力系数和抗力系数(K)(K)等。等。 (2)(2)岩体强度试验岩体强度试验：混凝土与岩体接触面、结构面直剪、：混凝土与岩体接触面、结构面直剪、结构面直剪蠕变、岩体直剪、岩体三轴压缩、岩体载荷试结构面直剪蠕变、岩体直剪、岩体三轴压缩、岩体载荷试验等。验等。 (3)(3)岩体应力测试岩体应力测试：孔壁（或底）应变法、孔径变形法、：孔壁（或底）应变法、孔径变形法、水压致裂法、表面应变法等。水压致裂法、表面应变

5、法等。 (4)(4)岩石声波测试：岩石声波测试：岩块、岩体。岩块、岩体。 (5)(5)工程岩体观测：工程岩体观测：如硐室收敛观测等。如硐室收敛观测等。2.0 概述概述 2.1岩体的变形特征岩体的变形特征 岩体变形控制量化分析岩体变形控制量化分析的基础是正确获得岩体的变形的基础是正确获得岩体的变形破坏规律及相应的变形参数及强度参数。破坏规律及相应的变形参数及强度参数。岩体变形参数岩体变形参数需需要通过要通过岩体变形试验岩体变形试验来获得。来获得。 岩体变形试验包括：岩体变形试验包括：承压板法，狭缝法、单（双）轴承压板法，狭缝法、单（双）轴压缩法、钻孔径向加压法、隧道液压枕径向加压法、隧道压缩法、

6、钻孔径向加压法、隧道液压枕径向加压法、隧道水压法等。可以获得变形模量、弹性模量、泊松比等。水压法等。可以获得变形模量、弹性模量、泊松比等。 一、岩体变形试验分类一、岩体变形试验分类 （一）按照施加荷载作用方向（一）按照施加荷载作用方向 (1)法向变形试验法向变形试验：承压板法、狭缝法、单双轴三轴压：承压板法、狭缝法、单双轴三轴压缩试验、环形试验等；缩试验、环形试验等； (2)切向变形试验切向变形试验：倾斜剪切仪，挖试洞等。：倾斜剪切仪，挖试洞等。2.1.0 概述概述 一、岩体变形试验分类一、岩体变形试验分类 （二）（二） 根据试验原理及方法根据试验原理及方法 （1） 静力法：静力法：是在选定的

7、岩体表面、槽壁或是在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面施加法向荷载，并测量变形值，然后绘钻孔壁面施加法向荷载，并测量变形值，然后绘制压力制压力变形关系曲线，计算岩体的变形参数。变形关系曲线，计算岩体的变形参数。主要有主要有：承压板法，钻孔变形法、狭缝法、单：承压板法，钻孔变形法、狭缝法、单（双）轴压缩法、水压洞室法等；（双）轴压缩法、水压洞室法等； （2）动力法：）动力法：是用人工方法对岩体发射弹性波是用人工方法对岩体发射弹性波（声波、超声波、地震波），并测定其在岩体中（声波、超声波、地震波），并测定其在岩体中的传播速度。的传播速度。根据弹性波激发方法不同，分为声根据弹性波激发方法不同，分为声波法

8、、波法、超声波法、地震波法等。超声波法、地震波法等。 目前，应用最广的是目前，应用最广的是承压板法承压板法和和动力法动力法。2.1.0 概述概述2.1 岩体的变形特征岩体的变形特征 2.1.0 概述概述 2.1.1 试验方案试验方案 2.1.2 岩体的压力岩体的压力变形曲线类型变形曲线类型 2.1.3 岩体的变形指标分析岩体的变形指标分析 2.1.4 岩体变形的结构效应岩体变形的结构效应 2.1.5 岩体动力变形特性岩体动力变形特性2.1岩体的变形特征岩体的变形特征 承压板法试验承压板法试验可分为可分为刚性承压板法刚性承压板法和和柔性承压板法。柔性承压板法。 柔性承压板法柔性承压板法又可分为又

9、可分为双枕法、四枕法、环形枕法和双枕法、四枕法、环形枕法和中心孔法中心孔法。 刚性承压板法刚性承压板法适用于各级岩体；柔性承压板法适用于适用于各级岩体；柔性承压板法适用于完整和较完整的岩体。完整和较完整的岩体。 试验宜在试验宜在平洞平洞内进行，特殊情况下也可在露天或竖井内进行，特殊情况下也可在露天或竖井内进行。内进行。 试点受力方向宜与工程岩体实际受力方向一致。试点受力方向宜与工程岩体实际受力方向一致。2.1.1 试验方案试验方案 2.1.1 试验方案试验方案 （1）试点边缘）试点边缘至至洞壁边缘洞壁边缘距离应大于承压板直径距离应大于承压板直径D（边长）的（边长）的1.5倍，至倍，至洞口或掌子

10、面距离洞口或掌子面距离应大于应大于2D，至，至临空面距离临空面距离应大于应大于6D。试点间距试点间距应大于应大于3D； （2）试点表面以下）试点表面以下3倍倍承压板直径或边长范围内的岩承压板直径或边长范围内的岩性宜相同；性宜相同； （3）试点表层受扰动岩体）试点表层受扰动岩体清除干净清除干净 （4）承压面应凿平整）承压面应凿平整，并用砂轮打磨，起伏差应小于，并用砂轮打磨，起伏差应小于D1%；承压面以外承压面以外1.5D范围范围内岩体表面应平整，无松内岩体表面应平整，无松动块石。动块石。 （5）承压面积不宜小于）承压面积不宜小于2000cm2。 （6）清洗试点表面）清洗试点表面，铺垫一层水泥浆，

11、使承压板平行，铺垫一层水泥浆，使承压板平行试点表面，水泥浆厚度应小于试点表面，水泥浆厚度应小于D1%。（一）打点和贴板（一）打点和贴板 （3）安装千斤顶）安装千斤顶及传力柱及传力柱 （4）安装百分表和）安装百分表和压力泵压力泵 2.1.1 试验方案试验方案 （二）刚性承压板法试验加压系统与传力系统安装。（二）刚性承压板法试验加压系统与传力系统安装。 应符合下列规定：应符合下列规定：（1）承压板应满足刚度要求）承压板应满足刚度要求，单块承压板厚度不宜小于，单块承压板厚度不宜小于6c。，可采用叠置钢垫板或传力箱的方式提高刚度；。，可采用叠置钢垫板或传力箱的方式提高刚度；（2）在承压板上依次在承压板

12、上依次安装安装千斤顶、钢垫板、传力柱、钢垫千斤顶、钢垫板、传力柱、钢垫板，在钢垫板和岩体间填筑砂浆或安装反力装置；板，在钢垫板和岩体间填筑砂浆或安装反力装置；（3）施压使施压使整个系统接触紧密整个系统接触紧密；（4）整个系统应具有足够刚度和强度，所有部件中心应保整个系统应具有足够刚度和强度，所有部件中心应保持在同一轴线上，轴线应与加压方向一致。持在同一轴线上，轴线应与加压方向一致。 试验记录应包括工程名称、岩石名称、试点编号、试点试验记录应包括工程名称、岩石名称、试点编号、试点位置、试验方法、试点描述、测表布置、测表编号、压力位置、试验方法、试点描述、测表布置、测表编号、压力表编号、承压板尺寸

13、、压力变形、试验人员、试验日期。表编号、承压板尺寸、压力变形、试验人员、试验日期。2.1.1 试验方案试验方案 （1）试验最大压力不宜小于工程设计压力的）试验最大压力不宜小于工程设计压力的1.2倍，宜倍，宜等分等分5级施加；级施加； （2）加压前应对测表进行初始稳定读数观测，每隔）加压前应对测表进行初始稳定读数观测，每隔10 min同时测读各测表一次，连续三次读数不变后开始加压；同时测读各测表一次，连续三次读数不变后开始加压； （3）加压方式宜采用逐级一次循环法。根据需要可采用）加压方式宜采用逐级一次循环法。根据需要可采用逐级多次循环法或大循环法；逐级多次循环法或大循环法；（三）压力设计及应力

14、路径（三）压力设计及应力路径 每级压力加压或退压后应立即读数，以后每隔每级压力加压或退压后应立即读数，以后每隔10min读读数一次，当所有测表相邻两次读数差与同级压力下第一次数一次，当所有测表相邻两次读数差与同级压力下第一次读数和前一级压力下最后一次读数差之比小于读数和前一级压力下最后一次读数差之比小于5%时，即可时，即可施加或退至下一级压力。退压稳定标准与加压相同。施加或退至下一级压力。退压稳定标准与加压相同。 （四）进度控制（四）进度控制 2.1.1 试验方案试验方案 （1） 刚性承压板法试验应采用板上刚性承压板法试验应采用板上4个测表的变形平均个测表的变形平均值作为岩体变形值；当其中一个

15、测表失效时，可采用另外值作为岩体变形值；当其中一个测表失效时，可采用另外三个测表（变形均匀时）或另一对称的两个测表（变形不三个测表（变形均匀时）或另一对称的两个测表（变形不均匀时）的平均值作为变形值，并予以说明。均匀时）的平均值作为变形值，并予以说明。 （2）绘制压力）绘制压力P与变形与变形W之间的关系曲线，分析曲线类之间的关系曲线，分析曲线类型并确定变形值。型并确定变形值。 （五）绘制（五）绘制PW曲线曲线 2.1.2 岩体的压力岩体的压力变形曲线类型变形曲线类型岩体压力岩体压力变形曲线分为变形曲线分为4类类: （1）直线型）直线型A型；型； （2）上凹形）上凹形B型型 （3）上凸形）上凸形

16、C型；型； （4）复合型）复合型2.1.2 岩体的压力岩体的压力变形曲线类型变形曲线类型（1）直线型）直线型A型型 p=f(W)=KW ， dp/dW =K（常数），为经过原点的直线，（常数），为经过原点的直线，岩性均匀（包括裂隙分布均匀）的岩体，多为这种：根据曲线岩性均匀（包括裂隙分布均匀）的岩体，多为这种：根据曲线斜率和加压退压曲线，可以分为斜率和加压退压曲线，可以分为2个亚类。个亚类。 陡直线型陡直线型(A-1型型)：曲线斜率陡，岩体刚度大；退压后岩：曲线斜率陡，岩体刚度大；退压后岩体变形几乎可完全恢复；表明岩体较完整、坚硬，致密均匀。体变形几乎可完全恢复；表明岩体较完整、坚硬，致密均匀

17、。 缓直线型缓直线型(A-2型型)：曲线斜率缓，岩体刚度曲线斜率缓，岩体刚度很低。退压后岩体变形很低。退压后岩体变形有明显的不可恢复变形有明显的不可恢复变形和回滞环。表明岩体结和回滞环。表明岩体结构疏松、破碎，但裂隙构疏松、破碎，但裂隙分布比较均匀。分布比较均匀。（2）上凹形）上凹形B型型 p=f(W)， dp/dW随着随着P增加而增大，层状及节理岩体具有增加而增大，层状及节理岩体具有这种类型，根据加压及退压曲线，可以分为这种类型，根据加压及退压曲线，可以分为2个亚类。个亚类。 B-1型型： 每次加压曲线的斜率随加、退压循环次数增加逐每次加压曲线的斜率随加、退压循环次数增加逐渐变大，即岩体刚度

18、在增大；渐变大，即岩体刚度在增大； 各退压曲线比较缓，且相互近各退压曲线比较缓，且相互近于平行，岩体弹性变形较大。于平行，岩体弹性变形较大。 岩体特征岩体特征：层状和似层状岩体。垂直层面方向加压。：层状和似层状岩体。垂直层面方向加压。 B-2型型： 加压曲线斜率不断变大，岩体的刚度在增加；加压曲线斜率不断变大，岩体的刚度在增加；各退荷曲线很陡，退荷各退荷曲线很陡，退荷后大部分变形不可恢复。后大部分变形不可恢复。 岩体特征岩体特征：节理岩体。：节理岩体。节理面与加压方向夹角较节理面与加压方向夹角较小，结构体在压力作用下，小，结构体在压力作用下，产生楔入效应，退压后变产生楔入效应，退压后变形难以恢

19、复。形难以恢复。 （3）上凸形）上凸形C型型 p=f(W)， dp/dW随着随着P增加而减小。增加而减小。 岩体特征岩体特征： 节理裂隙很发育，且具有泥质充填；节理裂隙很发育，且具有泥质充填； 岩石性质软弱（如泥岩、风化岩）；岩石性质软弱（如泥岩、风化岩）； 岩体较深处埋藏有软弱夹层。岩体较深处埋藏有软弱夹层。2.1.2 岩体的压力岩体的压力变形曲线类型变形曲线类型 （4）复合型）复合型 PW曲线为阶梯状或曲线为阶梯状或S型。型。 岩体特征：岩体中裂隙发育不均。岩体特征：岩体中裂隙发育不均。注意：注意： （1）岩体受力时的力学行为十分复杂，它包括：岩石岩体受力时的力学行为十分复杂，它包括：岩石

20、的压密、节理裂隙的闭合、岩块沿节理的移动、转动，的压密、节理裂隙的闭合、岩块沿节理的移动、转动，同时，岩体受压的边界条件又随压力的增大而改变（受同时，岩体受压的边界条件又随压力的增大而改变（受压层深度随压层深度随p增大而加深），增大而加深），因此，当岩体结构不均时，因此，当岩体结构不均时，其压力其压力变形曲线出现各种复杂的形状是不奇怪的，必变形曲线出现各种复杂的形状是不奇怪的，必须以正确的概念来解释各种曲线所代表的物理含义，从须以正确的概念来解释各种曲线所代表的物理含义，从而弄清岩体的变形机理。而弄清岩体的变形机理。 （2）岩体同样具有岩体同样具有弹性、塑性、粘性特性弹性、塑性、粘性特性，其相

21、应物，其相应物理力学指标的确定同岩石的这些指标的确定是一样的。理力学指标的确定同岩石的这些指标的确定是一样的。 2.1.2 岩体的压力岩体的压力变形曲线类型变形曲线类型 将加载面及加载体视为半无限体，则计算公式如下：将加载面及加载体视为半无限体，则计算公式如下： 变形模量：变形模量： 弹性模量弹性模量: 式中，式中，E0 为变形模量，为变形模量，MPa，E 为弹为弹性模量，性模量，MPa，p为承压板单位面积上的为承压板单位面积上的压力，压力，MPa；D为承压板的边长或直径。为承压板的边长或直径。 为与承压板形状和刚度有关的系数为与承压板形状和刚度有关的系数,圆形板为圆形板为0.785,方形板为

22、方形板为0.866； W0为相应于压力为相应于压力p下的下的总变形量总变形量， We为相应于为相应于p压力下岩体的压力下岩体的弹性变形弹性变形。 需要根据其它方法结果综合确定。需要根据其它方法结果综合确定。 020)1 (WpDEeWpDE)1 (22.1.3 岩体的变形指标分析岩体的变形指标分析 2.1.4 岩体变形的结构效应岩体变形的结构效应 研究岩体中结构面的方向、性质、密度和组合方式对研究岩体中结构面的方向、性质、密度和组合方式对岩体变形的影响。岩体变形的影响。 （一）结构面方向的影响（一）结构面方向的影响 岩体的变形因结构面与力作用方向之间角度的不同而不同，岩体的变形因结构面与力作用

23、方向之间角度的不同而不同，导致岩体变形表现为各向异性，特别表现在岩体中结构面组导致岩体变形表现为各向异性，特别表现在岩体中结构面组数较少时（数较少时（12组）。组）。 变形最大方向为垂直结构面方向，最小方向为平行结变形最大方向为垂直结构面方向，最小方向为平行结构面方向；虽然总变形曲线和弹性变形曲线形状相似，但两构面方向；虽然总变形曲线和弹性变形曲线形状相似，但两者的比值却因方向而异。者的比值却因方向而异。 在变形最大方向，塑性变形量显著，显示结构面的压在变形最大方向，塑性变形量显著，显示结构面的压密明显；在变形最小方向，弹性变形量几乎与总变形量相同，密明显；在变形最小方向，弹性变形量几乎与总变

24、形量相同，岩体变形主要为岩石材料的变形。岩体变形主要为岩石材料的变形。 2.1.4 岩体变形的结构效应岩体变形的结构效应（二）结构面性质的影响（二）结构面性质的影响 结构面的性质主要指：结构面的性质主要指：张开程度、充填程度、充填物等。张开程度、充填程度、充填物等。 结构面性质影响显著。结构面性质影响显著。 以发育一组裂隙的片麻岩（裂隙和片麻理方位不一致）中以发育一组裂隙的片麻岩（裂隙和片麻理方位不一致）中洞室径向变形为例，灌浆前，在低压力（洞室径向变形为例，灌浆前，在低压力（0.40.9MPa）时，）时， 主要沿裂隙法向变形；在较高压力（主要沿裂隙法向变形；在较高压力（1.92.4MPa）时

25、，则沿）时，则沿片麻理法向变形最大。片麻理法向变形最大。 灌浆后，灌浆消除了裂隙法向变形，对片麻理影响甚微。灌浆后，灌浆消除了裂隙法向变形，对片麻理影响甚微。 对于较完整岩体，随着对于较完整岩体，随着RQD降低，模量降低系数近似线性降低，模量降低系数近似线性减小。减小。 岩体的完整性系数岩体的完整性系数 较低时，模量比较低，且变化不大；较低时，模量比较低，且变化不大；I 值较高时，随着值较高时，随着 I 值增加，模量比以线性关系迅速增大。值增加，模量比以线性关系迅速增大。 （三）结构面密度的影响（三）结构面密度的影响 反映结构面密度的指标主要反映结构面密度的指标主要有线（面、体）裂隙率、有线（

26、面、体）裂隙率、岩体质量指标岩体质量指标RQD，岩体的完整性系数，岩体的完整性系数等。等。 2.1.4 岩体变形的结构效应岩体变形的结构效应（四）结构面组合关系的影响（四）结构面组合关系的影响 岩体中存在两组以上节理时，结构面排列组合方式不同，岩体中存在两组以上节理时，结构面排列组合方式不同，对岩体变形性质有相当大的影响：对岩体变形性质有相当大的影响： 孙广忠等对孙广忠等对 对缝式组合对缝式组合、错缝式组合错缝式组合岩体进行了研究，岩体进行了研究，比尔（比尔（Beer）对）对斜缝式组合斜缝式组合进行了研究。当然，实际岩体中进行了研究。当然，实际岩体中总有两组以上结构面，其组合方式也千差万别。总

27、有两组以上结构面，其组合方式也千差万别。 2.1.5 岩体动力变形特性岩体动力变形特性 岩体的动力特性岩体的动力特性：是岩体在：是岩体在动荷载作用动荷载作用下所表现出来下所表现出来的性质，包括的性质，包括岩体中弹性波的传播规律岩体中弹性波的传播规律及及岩体动力变形性岩体动力变形性质质与与强度性质强度性质。 岩体的动力性质研究用于：岩体的动力性质研究用于： （1）岩体的动力稳定性评价；岩体的动力稳定性评价； （2）分析岩体结构特征，如完整性，卸荷松弛特征，分析岩体结构特征，如完整性，卸荷松弛特征，不连续面及其展布等；不连续面及其展布等； （3）岩体的部分物理力学参数测试。岩体的部分物理力学参数测

28、试。 本节本节： （1）岩体中弹性波的传播规律）岩体中弹性波的传播规律 （2）岩体中弹性波速的测定）岩体中弹性波速的测定 （3）岩体的动力变形参数）岩体的动力变形参数 2.1.5 岩体动力变形特性岩体动力变形特性 当岩体受到振动、冲击或爆破作用时，各种不同动力当岩体受到振动、冲击或爆破作用时，各种不同动力特性的应力波将在岩体中传播。特性的应力波将在岩体中传播。当应力值较高时（相对岩当应力值较高时（相对岩体强度），岩体中可能出现体强度），岩体中可能出现塑性波和冲击波塑性波和冲击波；当应力值较；当应力值较低时，则只产生低时，则只产生弹性波弹性波。 弹性波的传播速度比塑性波大，且传播距离远。因此，弹

29、性波的传播速度比塑性波大，且传播距离远。因此，也称也称弹性波的传播弹性波的传播为为声波的传播声波的传播。 体波（体波（body wave）：在岩体内部传播的声波称为体波。：在岩体内部传播的声波称为体波。又可以分为又可以分为纵波纵波（P波，压缩波）和波，压缩波）和横波横波（S波，剪切波）。波，剪切波）。VpVs（理论上为（理论上为1.7倍）。倍）。 纵波：纵波：是通过介质的是通过介质的体积变化体积变化即挤压和拉伸传播的，在即挤压和拉伸传播的，在固液气态介质中均可传播，速度最快。固液气态介质中均可传播，速度最快。 横波横波的震动方向与传播方向垂直，通过的震动方向与传播方向垂直，通过介质的形态变化介

30、质的形态变化而实现而实现，又称作，又称作剪切波剪切波，只在固体中传播，速度较慢。，只在固体中传播，速度较慢。一、岩体中弹性波的传播规律一、岩体中弹性波的传播规律 2.1.5 岩体动力变形特性岩体动力变形特性 面波（面波（L波）波）：沿岩体表面或岩体内不连续面传播的弹：沿岩体表面或岩体内不连续面传播的弹性波。可以分为性波。可以分为瑞利波（瑞利波（R波）、勒夫波（波）、勒夫波（Q波）波）。 瑞利波瑞利波(R波，波，RayIeigh WaVe )：质点在垂直于传播质点在垂直于传播方向的垂直平面内作椭圆运动，长轴垂直地面。方向的垂直平面内作椭圆运动，长轴垂直地面。 勒夫波勒夫波(Q波，波，LoVe W

31、aVe )：在地平面上作蛇形运动，在地平面上作蛇形运动，质点在水平面内垂直于波前进方向作水平振动。质点在水平面内垂直于波前进方向作水平振动。一、岩体中弹性波的传播规律一、岩体中弹性波的传播规律)()(EVddddP2111)(EVdd12S 根据波动理论，传播于根据波动理论，传播于连续、均质、各向同性弹性介连续、均质、各向同性弹性介质质中的纵波中的纵波Vp和横波速度和横波速度Vs为：为： 式中：式中： Ed为动弹性模量，为动弹性模量，d为动泊松比，为动泊松比，为介质密度为介质密度 2.1.5 岩体动力变形特性岩体动力变形特性 现场通常采用现场通常采用 声波法声波法 和和 地震法地震法。声波法也

32、可以用于室内。声波法也可以用于室内测定岩块试件的纵、横波速度。测定岩块试件的纵、横波速度。 声波法用于室内测试时声波法用于室内测试时，为提高测量精度，应使用，为提高测量精度，应使用高频换高频换能器能器，其频率范围可采用，其频率范围可采用50kHz1.5MHz。二、岩体中弹性波速度的测定二、岩体中弹性波速度的测定pmptDvsmtDvsmpvmpv纵波速度；纵波速度； 横波速度。横波速度。 D 声波发射点之间的距离。声波发射点之间的距离。 ptst纵波传播时间；纵波传播时间； 横波传播时间。横波传播时间。 2.1.5 岩体动力变形特性岩体动力变形特性 dddmpd)(VE12112)V(VVVm

33、smpmsmpd222222 主要有动弹性模量主要有动弹性模量Ed ，动泊松比，动泊松比d ，动剪切模量，动剪切模量Gd。)(EGddd12三、岩体的动力变形参数三、岩体的动力变形参数)(VEdmsd122 式中，式中，Vmp，Vms岩体中纵波、横波速度。岩体中纵波、横波速度。优点：优点：不扰动岩体的天然结构和应力状态；不扰动岩体的天然结构和应力状态； 方法简单、省时方法简单、省时省力；省力； 可以在岩体中各个部位进行测量。可以在岩体中各个部位进行测量。 2.1.5 岩体动力变形特性岩体动力变形特性 岩体和岩石的动弹性模量岩体和岩石的动弹性模量Ed静弹性模量静弹性模量Eme。两者的比值：。两者

34、的比值： 坚硬完整岩体坚硬完整岩体： Ed/Eme=1.22.0； 风化、裂隙发育的岩体和软弱岩体：风化、裂隙发育的岩体和软弱岩体：一般，一般，Ed/Eme= 1.5 10.0，最大可以达到，最大可以达到20。 原因分析原因分析： （1）静力法采用的最大应力大部分在）静力法采用的最大应力大部分在1.010Mpa，甚至，甚至更大，变形达更大，变形达mm级，有塑性变形；动力法的作用应力约为级，有塑性变形；动力法的作用应力约为10-4 Mpa，引起的变形量微小，一般无塑性变形。，引起的变形量微小，一般无塑性变形。 （2）静力法持续作用时间长；）静力法持续作用时间长；加载速率两者差异明显。加载速率两者

35、差异明显。 （3）静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。）静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。 两者的换算关系，应针对具体工程岩体进行研究。两者的换算关系，应针对具体工程岩体进行研究。四、岩体动静关系分析四、岩体动静关系分析2.2 结构面及其力学性质结构面及其力学性质 岩体内存在性质、规模、产状等不同的各种结构面。岩体内存在性质、规模、产状等不同的各种结构面。 岩体内的结构面及它控制下形成的岩体结构控制着岩体内的结构面及它控制下形成的岩体结构控制着岩体的变形破坏机制及力学法则。岩体的变形破坏机制及力学法则。 可以根据多种因素进行类型划分：可以根据多种因素进行类型划分： （1）根据结构面成因）

36、根据结构面成因 原生结构面，构造结构面，浅表生结构面。原生结构面，构造结构面，浅表生结构面。 （2）根据结构面接触特征）根据结构面接触特征 软弱结构面，坚硬结构面（硬性结构面）。软弱结构面，坚硬结构面（硬性结构面）。 （3）结构面综合分级）结构面综合分级 主要考虑结构面的延伸规模、性状、成因类型和结构主要考虑结构面的延伸规模、性状、成因类型和结构面空间方位及其与工程的关系等。面空间方位及其与工程的关系等。 2.2.1 结构面的类型结构面的类型 一、结构面按照成因分类一、结构面按照成因分类 原生结构面，构造结构面，浅表生结构面（次生结构面）原生结构面，构造结构面，浅表生结构面（次生结构面） （1

37、）原生结构面：主要指在岩体形成过程中形成形成的结）原生结构面：主要指在岩体形成过程中形成形成的结构面和构造面。构面和构造面。如玄武岩中的柱状节理；沉积岩中的层理面、如玄武岩中的柱状节理；沉积岩中的层理面、不整合面；变质岩中的片理、片麻理构造面等。除岩浆岩中不整合面；变质岩中的片理、片麻理构造面等。除岩浆岩中的原生节理面，一般多为非开裂式的，即结构面内存在有大的原生节理面，一般多为非开裂式的，即结构面内存在有大小不等的粘结力。小不等的粘结力。 （2）构造结构面）构造结构面：是在建造基础上，由构造运动产生的各是在建造基础上，由构造运动产生的各种破裂面，如断层、节理及劈理等。种破裂面，如断层、节理及

38、劈理等。同期构造运动形成的结同期构造运动形成的结构面间有一定的内在联系。在野外工作中，要根据构造形迹，构面间有一定的内在联系。在野外工作中，要根据构造形迹，鉴别出它的力学成因类型，形成期序和体系，做出分期配套。鉴别出它的力学成因类型，形成期序和体系，做出分期配套。这对于掌握各组结构面在岩体内空间分布及组合规律具有指这对于掌握各组结构面在岩体内空间分布及组合规律具有指导意义。导意义。 （3）浅表生结构面（次生结构面）浅表生结构面（次生结构面）：指在外营力作用下产指在外营力作用下产生的风化裂隙及卸荷裂隙等生的风化裂隙及卸荷裂隙等。多为张裂隙，结构面不起伏粗。多为张裂隙，结构面不起伏粗糙，可改造已有

39、结构面或为新生裂隙。分布在临空面附近一糙，可改造已有结构面或为新生裂隙。分布在临空面附近一定范围内，且其产状与临空面有一定关系。定范围内，且其产状与临空面有一定关系。 二、二、 结构面按照接触特征分类结构面按照接触特征分类 （1）软弱结构面）软弱结构面：夹有一定厚度的软弱物质夹有一定厚度的软弱物质，如断层，如断层破碎带、层间错动面，挤压面、挤压带，或充填足够厚度破碎带、层间错动面，挤压面、挤压带，或充填足够厚度次生泥的张裂隙、泥化夹层等。可以进一步分为次生泥的张裂隙、泥化夹层等。可以进一步分为原生软弱原生软弱夹层夹层，构造软弱夹层构造软弱夹层和和次生软弱夹层次生软弱夹层。 （2）坚硬结构面（硬

40、性结构面、无冲填结构面）坚硬结构面（硬性结构面、无冲填结构面）：多：多数为干净的，也有夹硬碎屑的。数为干净的，也有夹硬碎屑的。 结构面中的充填物质如果是结构面中的充填物质如果是硅质、铁质、钙质以及岩硅质、铁质、钙质以及岩脉（如石英脉）脉（如石英脉）等，则结构面强度常常很高，一般可不作等，则结构面强度常常很高，一般可不作为结构面考虑。为结构面考虑。 实际工程中，分类更细，如小湾分类方案为：实际工程中，分类更细，如小湾分类方案为： （1）无充填节理；）无充填节理； （2）有少量泥、绿泥石、高岭石）有少量泥、绿泥石、高岭石膜充填节理；膜充填节理； （3）岩屑夹泥型；）岩屑夹泥型； （4）泥夹岩屑型）

41、泥夹岩屑型 2.2.1 结构面的类型结构面的类型 岩体内，结构面的规模差别很大；而不同规模的结构面，岩体内，结构面的规模差别很大；而不同规模的结构面，其性状也会差别明显。所以不同规模的结构面在岩体稳定性其性状也会差别明显。所以不同规模的结构面在岩体稳定性分析中所处的地位是不同的。分析中所处的地位是不同的。 进行结构面分级，有助于在实际工作中区别主次，并可进行结构面分级，有助于在实际工作中区别主次，并可抓住起主导作用的结构面重点关注。抓住起主导作用的结构面重点关注。 由于各具体工程特点、工程地质条件的差异，目前对于由于各具体工程特点、工程地质条件的差异，目前对于结构面的分级方案较多。这些分级方案

42、结构面的分级方案较多。这些分级方案 既有一定的共性，也既有一定的共性，也因地质条件及工程特点不同，存在一定差异。因地质条件及工程特点不同，存在一定差异。 总体上看，在结构面的分级时，一般考虑这些因素：总体上看，在结构面的分级时，一般考虑这些因素： （1）结构面的延伸规模，这是最主要的；结构面的延伸规模，这是最主要的； （2）结构面的性状；结构面的性状； （3）结构面的成因类型；结构面的成因类型； （4）结构面空间方位及其与工程的关系等结构面空间方位及其与工程的关系等三、结构面综合分级三、结构面综合分级 2.2.1 结构面的类型结构面的类型 工程地质分析原理工程地质分析原理给出了三级分级方案：给

43、出了三级分级方案： （1）贯通性宏观软弱面）贯通性宏观软弱面：连续或近似连续，有确定的：连续或近似连续，有确定的延伸方向，可有一定厚度或影响带。如层面、软弱夹层、延伸方向，可有一定厚度或影响带。如层面、软弱夹层、断层面或断层破碎带，贯通性表生结构面。控制岩体变形断层面或断层破碎带，贯通性表生结构面。控制岩体变形破坏演化方向。破坏演化方向。 （）显现结构面（）显现结构面：硬性结构面，随机断续分布，延：硬性结构面，随机断续分布，延伸长度米级或数十米，具有统计优势方向。现场可以测定。伸长度米级或数十米，具有统计优势方向。现场可以测定。各类原生结构面和构造裂隙，表生破裂结构面。一般可以各类原生结构面和

44、构造裂隙，表生破裂结构面。一般可以称为称为基体裂隙基体裂隙。 （）隐微结构面（）隐微结构面：短小闭合，长度从毫米级至厘米级，：短小闭合，长度从毫米级至厘米级，随机分布，具有统计优势方向。手标本及镜下鉴定。岩石随机分布，具有统计优势方向。手标本及镜下鉴定。岩石中的隐微结构面。中的隐微结构面。 该分类方案中该分类方案中“贯通性宏观软弱面贯通性宏观软弱面”，较为笼统。，较为笼统。 2.2.1 结构面的类型结构面的类型三、结构面综合分级三、结构面综合分级 岩体结构力学岩体结构力学（孙广忠）中将结构面划分为（孙广忠）中将结构面划分为5级级级级序序分级依据分级依据力学效应力学效应力学属性力学属性地质构造特

45、征地质构造特征结构面延伸长，几公里结构面延伸长，几公里几十公里，贯通岩体，破几十公里，贯通岩体，破碎带宽度达数米至数十米碎带宽度达数米至数十米1.形成岩体力学作用边界形成岩体力学作用边界2.岩体变形和破坏的控制条件岩体变形和破坏的控制条件; 3.构成独立的力学介质单元构成独立的力学介质单元1. 属于软弱结属于软弱结构面；构面；2.构成独构成独立的力学模型立的力学模型 较大的断层较大的断层延伸规模与研究的岩体相延伸规模与研究的岩体相当，破碎带宽度几厘米当，破碎带宽度几厘米数米。数米。1.形成块裂体边界形成块裂体边界2.控制岩体变形和破坏方式控制岩体变形和破坏方式3.构成次级地应力场边界构成次级地

46、应力场边界属于软弱结构属于软弱结构面面小断层小断层 ； 层间层间错动带错动带延伸长度短，从十几米至延伸长度短，从十几米至几十米，无破碎带，面内几十米，无破碎带，面内不夹泥，有的具有泥膜，不夹泥，有的具有泥膜，1.参与块裂岩体切割参与块裂岩体切割2.划分划分级岩体结构类型的依级岩体结构类型的依据；据；3.构成次级地应力场边界构成次级地应力场边界多数属于坚硬多数属于坚硬结构面，少数结构面，少数属于软弱结构属于软弱结构面面不夹泥，长大节不夹泥，长大节理；开裂的层面理；开裂的层面延伸短，未错动，不夹泥，延伸短，未错动，不夹泥，有的呈弱结合状态有的呈弱结合状态1.划分划分岩体结构类型的依据岩体结构类型的

47、依据2.岩体力学性质，结构效应的基础；岩体力学性质，结构效应的基础；3.有的成为次级地应力场边界有的成为次级地应力场边界坚硬结构面坚硬结构面节理，劈理，层节理，劈理，层面，次生裂隙面，次生裂隙结构面小，且连续性差结构面小，且连续性差1.岩体内形成应力集中岩体内形成应力集中; 2. 岩块力学性质结构效应基础岩块力学性质结构效应基础坚硬结构面坚硬结构面不连续的小节理，不连续的小节理，隐节理，层面，隐节理，层面，片理面片理面三、结构面综合分级三、结构面综合分级 2.2.1 结构面的类型结构面的类型2.2 结构面及其力学性质结构面及其力学性质 2.2.1 结构面的类型结构面的类型 2.2.2 结构面的

48、自然特性结构面的自然特性 2.2.2.1 结构面的结合状态及其充填物质结构面的结合状态及其充填物质 2.2.2.2 结构面的几何形态（或形态特征）结构面的几何形态（或形态特征） 2.2.2.3 结构面的空间分布结构面的空间分布 2.2.2.4 结构面两侧岩性及其差异结构面两侧岩性及其差异 2.2.3 结构面的力学性质结构面的力学性质 2.2.3.1 无充填结构面无充填结构面 2.2.3.2 充填的结构面充填的结构面 2.2.3.3 复合结构面复合结构面 2.2.3.4 未贯通断续结构面未贯通断续结构面2.2.2 结构面的自然特性结构面的自然特性 结构面的自然特性是结构面的自然特性是指结构面的现

49、状特征指结构面的现状特征。 对结构面力对结构面力学性质产生重要影响的学性质产生重要影响的自然特性自然特性主要有以下四点：主要有以下四点： 结构面的结合状态及其充填物质；结构面的结合状态及其充填物质； 结构面的几何形态：结构面的平整、光滑和粗糙程度；结构面的几何形态：结构面的平整、光滑和粗糙程度； 结构面的空间分布；结构面的空间分布； 结构面两侧岩性及其差异等。结构面两侧岩性及其差异等。 结构面成因复杂，后期又经历了不同性质、不同时期的结构面成因复杂，后期又经历了不同性质、不同时期的构造改造和浅表生改造。构造改造和浅表生改造。结构面目前状态，是工程地质环境结构面目前状态，是工程地质环境演化的结果

50、，也是其发展变化的起点。演化的结果，也是其发展变化的起点。因此，只有对结构面因此，只有对结构面现状即自然特性有深刻认识，才能正确掌握结构面的物理力现状即自然特性有深刻认识，才能正确掌握结构面的物理力学性质，并进而分析岩体变形及破坏规律。学性质，并进而分析岩体变形及破坏规律。 据此，可分为据此，可分为刚性结构面和软弱结构面刚性结构面和软弱结构面两类。两类。 （1）无充填结构面，也称为刚性结构面、）无充填结构面，也称为刚性结构面、 结构面结构面干净无充填干净无充填，或或夹少量硬碎屑夹少量硬碎屑；或为或为后期岩后期岩脉所充填（非破碎接触），脉所充填（非破碎接触），其其抗剪强度抗剪强度取决于结构面的取

51、决于结构面的形态，起伏差、光滑粗糙程度和两侧岩块的性质形态，起伏差、光滑粗糙程度和两侧岩块的性质等。等。 （2）软弱结构面）软弱结构面 软弱结构面的力学性质主要与充填物的成分、结构、软弱结构面的力学性质主要与充填物的成分、结构、厚度、风化、起伏、地下水以及两侧岩性等有关。厚度、风化、起伏、地下水以及两侧岩性等有关。 充填结构面性状千差万别，对具体工程，应根据区内充填结构面性状千差万别，对具体工程，应根据区内结构面发育特征，进行具体的类别划分。结构面发育特征，进行具体的类别划分。2.2.2.1 结构面的结合状态及其充填物质结构面的结合状态及其充填物质 对软弱结构面进一步工程分类，首先根据大小将充

52、填物分对软弱结构面进一步工程分类，首先根据大小将充填物分为为岩块、砾、岩屑、泥四类。其中，岩块、砾、岩屑、泥四类。其中， 岩块岩块：（：（60mm）；）； 砾砾：(粗砾：粗砾：6020mm，中砾：，中砾：205mm，细砾：，细砾：52mm) ； 岩屑岩屑：（：（20.075mm）；）； 泥泥：(90% 含砾块型含砾块型：岩块含量：岩块含量70%，砾含量，砾含量90% 含屑砾型含屑砾型：砾含量：砾含量70%，岩屑含量，岩屑含量90% 岩屑夹型岩屑夹型 等等 2.2.2.1 结构面的结合状态及其充填物质结构面的结合状态及其充填物质 （3）结构面的张开特征及结合程度分类）结构面的张开特征及结合程度分

53、类 结构面的张开度：指结构面裂口开口处张开的程度。结构面的张开度：指结构面裂口开口处张开的程度。 结构面的张开度可以说明岩体的结构面的张开度可以说明岩体的“松散度松散度”和岩体的水和岩体的水力学特征。张开裂隙是地下水的良好通道。力学特征。张开裂隙是地下水的良好通道。 1） 张开程度张开程度 很密闭，很密闭，张开度小于张开度小于0.1mm; 密闭，密闭，张开度在张开度在0.11mm之间；之间； 中等张开，中等张开，张开度在张开度在15mm之间；之间； 张开，张开，张开度大于张开度大于5mm。 锦屏水电工程张开程度：锦屏水电工程张开程度： a. 闭合闭合，张开度，张开度0.5mm； b. 微张，微

54、张，张开度张开度0.55.0mm； c. 张开，张开，张开度张开度550mm； d. 宽张，宽张，张开度张开度50mm。 2.2.2.1 结构面的结合状态及其充填物质结构面的结合状态及其充填物质 （3）结构面的张开特征及结合程度分类）结构面的张开特征及结合程度分类 2）结合程度）结合程度 根据结构面的张开和充填特征，对结构面结合程度根据结构面的张开和充填特征，对结构面结合程度可进行如下划分。可进行如下划分。 2.2.2.1 结构面的结合状态及其充填物质结构面的结合状态及其充填物质 3）结合程度可细分为胶结程度和密实程度）结合程度可细分为胶结程度和密实程度 胶结程度：胶结程度： 好：好：一般为硅

55、质胶结或硅化胶结、铁质胶结（褐铁矿、一般为硅质胶结或硅化胶结、铁质胶结（褐铁矿、黄铁矿）、绿帘石等。黄铁矿）、绿帘石等。 较好：较好：一般为完整方解石脉胶结。一般为完整方解石脉胶结。 中等：中等：局部方解石脉或方解石团块胶结。局部方解石脉或方解石团块胶结。 差：差：胶结物为岩屑、粉或少量钙质，片状绿泥石。胶结物为岩屑、粉或少量钙质，片状绿泥石。 密实程度：密实程度： 密实：密实：胶结较好，紧密，片理闭合。胶结较好，紧密，片理闭合。 中密：中密：胶结中等（钙质或方解石脉），但有局部的空区胶结中等（钙质或方解石脉），但有局部的空区 疏松：疏松：胶结中等，呈架空状胶结中等，呈架空状 松散：松散：胶结

56、差，呈三体状。胶结差，呈三体状。 结构面在空间展布的几何属性结构面在空间展布的几何属性称为结构面的形态，包括结称为结构面的形态，包括结构面的平整、光滑和粗糙程度。构面的平整、光滑和粗糙程度。可以归纳为下列四种：可以归纳为下列四种： （1）平直型；）平直型； （2）波浪型（波状起伏）：）波浪型（波状起伏）： （3）锯齿型（曲折型）锯齿型（曲折型） ：（：（4）台阶型：）台阶型： 现分述如下：现分述如下： （1）平直型）平直型 多为基体裂隙。影响其强度的因素：多为基体裂隙。影响其强度的因素：粗糙度，侧壁岩性粗糙度，侧壁岩性及风化程度等。及风化程度等。 粗糙度粗糙度：反映反映面上普遍的微量的凹凸不平

57、面上普遍的微量的凹凸不平的状态，是的状态，是面面的微量咬合的微量咬合，稍有位移，则有无数的点接触。，稍有位移，则有无数的点接触。 光滑度光滑度和和粗糙度粗糙度是同一个问题的两个侧面是同一个问题的两个侧面。 根据根据粗糙度粗糙度，可以将结构面分为五级，可以将结构面分为五级： 极粗糙，粗糙，极粗糙，粗糙， 一般，光滑，镜面。一般，光滑，镜面。2.2.2.2 结构面的几何形态（或形态特征）结构面的几何形态（或形态特征）2.2.2.2 结构面的几何形态（或形态特征）结构面的几何形态（或形态特征） （2）波浪型（波状起伏）：规则）波浪型（波状起伏）：规则起伏、粗糙程度；起伏、粗糙程度； （3）锯齿型（曲

58、折型）锯齿型（曲折型） ：规则、不规则：规则、不规则起伏、粗糙程度；起伏、粗糙程度； （4）台阶型：）台阶型：主要取决于岩石的力学性质和起伏特征。主要取决于岩石的力学性质和起伏特征。 规则起伏描述指标：规则起伏描述指标： 起伏差（度）起伏差（度）和和爬坡角（或起伏角），爬坡角（或起伏角），是衡量结构面是衡量结构面总体起伏的程度总体起伏的程度，说明岩块间是，说明岩块间是面的吻合接触面的吻合接触。 一般通过测量一般通过测量一级突起（凹凸）来确定：在一级突起（凹凸）来确定：在平均值的基平均值的基础上，考虑一定安全系数。础上，考虑一定安全系数。 不规则起伏：不规则起伏： 可用可用剪胀角剪胀角描述。描述

59、。 结构面的分布状况：大体上包括：结构面的分布状况：大体上包括： （1）结构面的产状及其变化；（）结构面的产状及其变化；（2）结构面的延展性；）结构面的延展性； （3）结构面发育的密度；）结构面发育的密度； （4）结构面的组数；）结构面的组数； （5）结构面的空间组合关系等。）结构面的空间组合关系等。2.2.2.3 结构面的空间分布结构面的空间分布 2.2.2 结构面的自然特性结构面的自然特性一、结构面的产状（即方位）及其变化一、结构面的产状（即方位）及其变化 产状分析方法及步骤：产状分析方法及步骤： （1）系统测量产状，）系统测量产状，常用路线精测法；常用路线精测法； （2）产状分析）产状分

60、析：赤平投影分析，极点等密图，直方：赤平投影分析，极点等密图，直方图，玫瑰花图等。图，玫瑰花图等。进行结构面分组，给出各组结构面进行结构面分组，给出各组结构面产状变化范围。产状变化范围。 （3）综合分析：各组结构面产状空间变化特征。）综合分析：各组结构面产状空间变化特征。 二、结构面的延展性二、结构面的延展性 是指结构面在某一方向上的连续性。是指结构面在某一方向上的连续性。相对于岩体尺寸，相对于岩体尺寸，可以分为三种型式：可以分为三种型式：非贯通性的，半贯通的，贯通性的。非贯通性的，半贯通的，贯通性的。 对岩体中各组结构面，对岩体中各组结构面，连续性连续性描述主要包括：描述主要包括： （1）结