第四章 岩体的基本力学性质
重点: 1、岩体结构面的分析； 2、结构面的变形特征； 3、结构面的力学效应； 4、岩体的应力-应变分析；
难点： 1、结构面的变形特征； 2、结构面的力学效应；
第四章 岩体的基本力学性质
4.1 概述
岩体是地质体，它经历过多次反复地质作用，经受过变形，遭受 过破坏，形成一定的岩石成分和结构，赋存于一定的地质环境中。 结构面：断层、节理、褶皱……统称
2、相对分类——相对工程而言的分类见表4-1。
（三）按地质力学观点分类
破坏面 破坏带 两者之间
单节理 无 充 填
节理组
节理群
羽毛状 节理
破碎带
有 充 填
充有 填粘 物性
➢（四）结构面按贯通情况分
非贯通性的结构面 结构面按贯通情况分 半贯通性的结构面
贯通性的结构面
➢（五）结构面按尺度级别分
结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体 的形状、方位和大小，控制岩体稳定性的重要因素。尤以结 构面的规模是最重要的控制因素。按结构面发育程度和规模 可以划分为如下五级：
(joint roughness coefficient) • 随粗糙度的增大，结构面的摩
擦角也增大。 • 根据标准粗糙度剖面将结构面
的粗糙度系数划分为10级。
在实际工作中可用结构面纵 剖面仪测出所研究结构面的粗糙 剖面后与图所示的标准剖面进行 对比得到。
二、结构面的分类
➢ （一）按照成因分类：原生、次生、构造
Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性 质，数量多且具随机性，其分布规律不太容易搞清楚，需用 统计方法进行研究。
• Ⅴ级 又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理 力学性质。控制岩块的力学性质。
结构面的状态对岩体的工程性质的影响是指结构面的产状、形 态、延展尺度、发育程度、密集程度。
II级岩体结构 结构面断续切割——断续结构
无显结构面切割——完整结构
过渡型岩体结构：软弱结构面混杂、结构面无序排列— —散体结构
块状的——块状碎裂结构
层状的——层状碎裂结构
分类方案
各类岩体结构的地质特征 断续结构岩体
块裂结构岩体 散体结构岩体
碎裂结构岩体 碎裂结构岩体
岩体结构的唯一性及工程岩体结构的相对性
I 级结构面--区域构造起控制作用的断裂带
Ⅱ 级结构面--延展性强而宽度有限的地质界面 实测结构面
Ⅲ 级结构面--局部性的断裂构造
Ⅳ 级结构面--节理面 V 级结构面--细小的结构面
统计结构面
• Ⅰ级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳 定性，直接影响工程岩体稳定性；
• Ⅱ级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。
岩体
完整性很好——连续介质力学方法 非常破碎——土力学方法 两者之间——裂隙体力学方法
结构面影响
岩体不连续性，各向异性 反映区域性地质构造 降低岩体强度
岩体强度=岩块强度+结构面强度
结构面 岩体结构单元
结构体
坚硬结构面（干净的）
软弱结构面（夹泥的，夹层） 块状结构体（短轴的） 板状结构体（长厚比大于15的）
5、结构面面壁强度 ➢ 反映结构面表面的风化特征。 6、结构面的开度和充填物 7、结构面的渗透性 8、结构面的组数和岩块的尺寸
• 结构面侧壁的起伏形态分为：平直的a、波状的b、锯齿状的c 、台阶状的d和不规则状的e。
侧壁的起伏程度可用起伏角 (i)表示：
i arctg( 2h ) L
• 结构面的粗糙度用粗糙度系 JRC表示
三、岩体破碎程度分类
裂隙度 切割度
（一）裂隙度K 1、单组节理
单组结构面 多组结构面
设勘测线长度为 ，在 上出现
的节理的个数为n，则 ：
岩体抵抗外力作用的能力称为岩体的力学性质。包括岩体 的稳定性特征、强度特征、变形特征。
影响岩体力学性质的基本因素：结构体（岩石）力学性质、 结构面力学性质、岩体结构力学效应和环境因素特别是水和地应 力的作用。
岩体的赋存环境对岩体的力学性质有重要的影响。其赋存环 境包括地应力、地下水、地温三部分。
地应力对岩体力学性质的影响主要体现在： (1)地应力影响岩体的承载能力； (2)地应力影响岩体的变形和破坏机制； (3)地应力影响岩体中的应力传播的法则。
岩体结构分类依据
将软弱结构面切割成的岩体结构定为I级结构，坚硬结构面切 割成的岩体结构可定义为II级结构。
分类依据 第一个依据是结构面类型，第二个依据是结构面切割程度或 结构体类型
软弱结构面——I级岩体结构
坚硬结构面——II级岩体结构
块状结构体——块裂结构
I级岩体结构
板状结构体——板裂结构 结构面贯通切割——碎裂结构
• 1. 按成因分类 (1)原生结构面 沉积结构面：层面、层理、夹 层等 火成结构面：原生节理、流纹 面 变质结构面：片理
(2)构造结构面 断裂面 破碎带
(3)次生结构面 风化裂隙 泥化夹层
➢ （二）按照工程的要求分类
1、绝对分类
细小结构面 延长
中等结构面 巨大结构面
≤1m ≤1～10m ≥10m
结构面的产状：结构面的产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控 制作用。
结构面的形态：结构面的形态决定结构面抗滑力的大小，当结构 面的起伏程度较大，粗糙度高时，其抗滑力就大。
结构面的延展尺度：在工程岩体范围内，延展尺度大的结构面， 完全控制岩体的强度。
结构面的密集程度：以岩体的裂隙度和切割度表征岩体结构面的 密集程度。
• Ⅲ级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较 好的层面及层间错动等。 Ⅱ、Ⅲ级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破 坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直 接威胁工程安全稳定性
• Ⅳ级 指延伸较差的节理、层面、次生裂隙小断层及较发育 的片理、劈理面等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整 性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。
4.2 岩体结构面分析
一、结构面定量描述的基本参数
结构面：没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，包括一切地 质分离面。
1、产状：走向、倾向、倾角，例如：N30oE 2、间距：同组相邻结构面的垂直距离，平均间距 3、延展性（持续性）：结构面迹线长度 4、粗糙度和起伏度： ➢起伏度：较大一级的起伏程度，如波浪、锯齿、台阶等。 ➢粗糙度：较小一级的凹凸不平的程度。