巖體力學巖體的力學性質第一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日在工程荷載(一般小于10MPa)范圍內，工程巖體常常是沿軟弱結構面失穩破壞。第二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日工程實例第三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日在工程荷載作用下，結構面及其充填物的變形是巖體變形的主要組分，控制著工程巖體的變形特性。結構面是巖體滲透水流的主要通道。在工程荷載作用下，結構面的變形將極大地改變巖體的滲透性、應力分布及其強度。因此，預測工程荷載作用下巖體滲透性的變化，必須研究結構面的變形性質及其本構關系。工程荷載作用下，巖體中應力分布受結構面及其力學性質的影響。第四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日一、結構面

（一）結構面的成因類型1、地質成因類型原生結構面構造結構面次生結構面2、力學成因類型張性結構面剪性結構面5第五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日巖體結構面的成因類型及其特征成因類型地質類型主要特征工程地質評價產狀分布性質原生結構面沉積結構面1層理層面2軟弱夾層3不整合面、假整合面4沉積間斷面一般與巖層產狀一致，為層間結構面海相巖層中此類結構面分布穩定，陸相巖層中呈交錯狀，易尖滅層面、軟弱夾層等結構面較為平整；不整合面及沉積間斷面多由碎屑泥質物構成，且不平整國內外較大的壩基滑動及滑坡很多由此類結構面所造成的，如奧斯汀、圣·弗朗西斯、馬爾帕塞壩的破壞，瓦依昂水庫附近的巨大滑坡巖漿巖結構面1侵入體與圍巖接觸面2巖脈巖墻接觸面3原生冷凝節理巖脈受構造結構面控制，而原生節理受巖體接觸面控制接觸面延伸較遠，比較穩定，而原生節理往往短小密集與圍巖接觸面可具熔合及破碎兩種不同的特征，原生節理一般為張裂面，較粗糙不平一般不造成大規模的巖體破壞，但有時與構造斷裂配合，也可形成巖體的滑移，如有的壩肩局部滑移變質結構面1片理2片巖軟弱夾層產狀與巖層或構造方向一致片理短小，分布極密，片巖軟弱夾層延展較遠，具固定層次結構面光滑平直，片理在巖層深部往往閉合成隱蔽結構面，片巖軟弱夾層具片狀礦物，呈鱗片狀在變質較淺的沉積巖，如千枚巖等路塹邊坡常見塌方。片巖夾層有時對工程及地下洞體穩定也有影響構造結構面1節理（X型節理、張節理）2斷層（沖斷層、捩斷層、橫斷層）3層間錯動4羽狀裂隙、劈理產狀與構造線呈一定關系，層間錯動與巖層一致張性斷裂較短小，剪切斷裂延展較遠，壓性斷裂規模巨大，但有時為橫斷層切割成不連續狀張性斷裂不平整，常具次生充填，呈鋸齒狀，剪切斷裂較平直，具羽狀裂隙，壓性斷層具多種構造巖，成帶狀分布，往往含斷層泥、糜棱巖對巖體穩定影響很大，在上述許多巖體破壞過程中，大都有構造結構面的配合作用。此外常造成邊坡及地下工程的塌方、冒頂次生結構面

1卸荷裂隙2風化裂隙3風化夾層4泥化夾層5次生夾泥層受地形及原結構面控制分布上往往呈不連續狀，透鏡狀，延展性差，且主要在地表風化帶內發育一般為泥質物充填，水理性質很差在天然及人工邊坡上造成危害，有時對壩基、壩肩及淺埋隧洞等工程亦有影響，但一般在施工中予以清基處理

第六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日1、地質成因類型1）原生結構面巖體在成巖過程中形成的結構面。沉積結構面是沉積巖在沉積和成巖過程中形成的，有層理面、軟弱夾層、沉積間斷面和不整合面等。巖漿結構面是巖漿侵入及冷凝過程中形成的結構面，包括巖漿巖體與圍巖的接觸面、各期巖漿巖之間的接觸面和原生冷凝節理等。變質結構面是在變質過程中形成，分為殘留結構面和重結晶結構面。2）構造結構面是巖體形成后在構造應力作用下形成的各種破裂面，包括斷層、節理、劈理和層間錯動面等。3）次生結構面是巖體形成后在外營力作用下產生的結構面，包括卸荷裂隙、風化裂隙、次生夾泥層和泥化夾層等。第七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日成因類型地質類型主要特征原生結構面沉積結構面層面、層理、沉積間斷面（不整合面、假整合面）、原生軟弱夾層1、產狀與巖層一致，隨巖層變化而變化，為層間結構面；2、一般呈層狀分布，延展性強，海相沉積中分布穩定，陸相及濱海相沉積中易于尖滅，形成透鏡體、扁豆體，原生層面具波浪起伏狀；3、一般層面結合良好，層面新鮮時只能顯示黯淡或黑白條紋，風化后才能剝開，若經后期構造運動常形成層間錯動帶；4、層面特征多樣，一般平整，常見有典型的泥裂、波痕、交錯層理、縫合線等，在沉積間斷面中常有古風化殘積物；5、層間軟弱物質在構造及地下水作用下易軟化、泥化，強度降低，對巖體穩定不利。火成結構面流層、流線、火山巖流接觸面、蝕變帶、擠壓破碎帶、原生節理1、產狀受巖體與圍巖接觸面控制，隨侵入巖體或巖脈的形態而異；2、流層、流線在新鮮巖體中不易剝開，但經風化后易剝離或脫落，接觸面延伸較遠，原生節理延續性不強，但往往密集；3、冷凝原生節理常常是平行或垂直接觸面的，為平緩或高傾角張裂面，較不平整，且粗糙。在淺成巖體及火山巖巖體內常發育有特殊的節理及柱狀節理；4、火山巖流間充填物松散，原生節理常被軟弱物質充填，對穩定不利；5、蝕變帶和擠壓破碎帶的形態、產狀、規模及特性均受侵入巖體及圍巖性質所控制。變質結構面片理、板理、剝理、軟弱夾層1、產狀語巖層一致，或受其控制；2、片理面延展性較差，一般分布密集；3、片理結構面光滑，但形態是波浪起伏的。在新鮮巖體中片理多呈閉合狀，但一般能剝開，片理面常呈凹凸不平狀，面粗糙；4、軟弱夾層中主要是片狀礦物，如黑云母、綠泥石、滑石等富集帶，抗剪強度低，是巖體中的薄弱部位。構造結構面劈理為短小、密集的剪切破裂面，影響局部地段巖體的完整性及強度。節理1、在走向延展及縱深發展上其范圍有限；2、一般分為張節理和剪節理，張節理延續性弱，剪節理延伸較長；3、張節理一般具陡立或陡傾產狀，常垂直巖層走向。剪節理斜交巖層走向，其傾角隨巖層傾角變陡而變緩；4、張節理面粗糙，參差不齊，寬窄不一。剪節理平直光滑，有的面見擦痕鏡面，常有各種泥質薄膜，如高嶺石、綠泥石、滑石、石墨等，盡管接觸面緊閉，但易于滑動。斷層1、規模懸殊，有深切巖石圈幾十千米，也有僅限于地表數十米，斷層為延續性較強的結構面，對巖體穩定性的影響較大；2、大多數斷層為剪切作用形成的，也有引張脆性破裂所形成的；3、一般斷層帶內都存在有構造巖，如斷層泥、糜棱巖、角礫巖、壓碎巖，構造巖后期被侵染、膠結，如方解石或石英脈網絡的形成，對巖體穩定有利。層間破碎夾層1、在層狀巖體中沿軟弱夾層發育，產狀與巖層一致；2、一般呈層狀分布，延展性較強，有時也呈透鏡狀或尖滅；3、結構面物質破碎，呈鱗片狀，含泥質物，呈條帶狀分布次生結構面卸荷裂隙1、產狀與臨空面有關，一般近水平，多為曲折不連續狀；2、延續性不強，常在地表20-40m內發育；3、結構面粗糙不平，常張開，充填物有氣、水、泥質碎屑，寬窄不一，變化多樣。爆破裂隙1、在邊坡巖體中最常見；2、產狀與邊坡走向近于平行，延展有一定范圍，視爆破力大小而異；3、多為張開型，松散、破碎，其狀態受上述各種結構面及巖性控制，但一般多呈弧狀分布。風化裂隙及風化夾層1、一般沿原生夾層和原有結構面發育，短小密集，延續性弱，僅限于地表一定深度；2、風化夾層產狀與巖層一致，在風化帶內延展性強；3、充填物松散、破碎，含泥質物。泥化夾層1、產狀與巖層一致，沿軟弱巖層表部發育；2、延展性強，但各段泥化程度可能不一，視地下水作用條件而定；3、泥質物多呈塑性狀態，甚至流態，強度低，是導致邊坡巖體失穩破壞的常見因素。結構面類型及其主要特征：第八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2、力學成因類型1）張性結構面是由拉應力形成的，如羽毛狀張裂面、縱張及橫張破裂面、巖漿巖中的冷凝節理等特點：張開度大、連續性差、形態不規則、面粗糙，起伏度大及破碎帶較寬,易被充填,常含水豐富，導水性強2）剪性結構面是剪應力形成的，破裂面兩側巖體產生相對滑移，如逆斷層、平移斷層以及多數正斷層等。特點：連續性好，面較平直，延伸較長并有擦痕鏡面等。第九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（二）結構面的規模按結構面延伸長度、切割深度、破碎帶寬度及其力學效應，可將結構面劃分為如下五級：Ⅰ級結構面：對區域構造起控制作用的斷裂帶，包括大小構造單元接壤的深大斷裂帶。是地殼或區域內巨型的構造斷裂面，走向延伸往往很遠（一般在數十千米以上），破碎帶寬度數米以上。沿縱深方向至少可以切穿一個構造層，規模巨大區域性大斷層往往具有現代活動性，對工程建設有很大的危害，影響到區域穩定性，并影響山體穩定性和巖體穩定性。一般工程應盡量避開，如不能避開，則應進行研究并采取適當的處理措施。第十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日Ⅱ級結構面：延伸長而寬度有限的區域性地質界面，如較大的斷層、層間錯動、接觸破碎帶、不整合面、原生軟弱夾層、風化夾層等。貫穿整個工程巖體，長度一般數百米~數千米，破碎帶寬度數十厘米~數米。主要在一個構造層內分布，可能切穿幾個地質時代的地層。與其他結構面組合，會形成較大規模的破壞。常控制工程區的山體穩定性或巖體穩定性，影響工程布局，具體建筑物應避開或采取必要的處理措施。第十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日Ⅲ級結構面：局部性的斷裂構造，主要為小斷層，延伸長度一般數十米~數百米，破碎帶寬度小于1m。還包括寬度在數厘米的、走向和縱深延伸斷續的原生軟弱夾層、層間錯動等以及區域性節理等。發育在同一地質時代的地層中，有時僅在某一種巖性中分布。主要影響或控制工程巖體，如地下洞室圍巖及邊坡巖體的穩定性。若與II級結構面相組合，會形成較大的塊體運動；若是自身組合，則僅能形成局部的或小規模的破壞。Ⅱ、Ⅲ級結構面控制著工程巖體力學作用的邊界條件和破壞方式，它們的組合往往構成可能滑移巖體的邊界面，直接威脅工程安全穩定性。第十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日Ⅳ級結構面：延伸性較差的節理、層面、次生裂隙、小斷層及較發育的片理、劈理等。長度一般數十厘米~二、三十米。破碎帶寬度近于0~數厘米。是構成巖塊的邊界面。數量多，分布具隨機性，破壞了巖體的完整性，影響巖體的物理力學性質及應力分布狀態，是巖體分類和巖體結構研究的基礎，也是結構面統計分析和模擬的對象。Ⅳ級結構面主要控制著巖體的結構、完整性和物理力學性質，數量多且具隨機性，其分布規律具統計規律，需用統計方法進行研究。第十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日Ⅴ級結構面：又稱微結構面，包括隱節理、微層面、微裂隙及不發育的片理、劈理等。規模小，連續性差，常包含在巖塊中。主要影響巖塊的物理力學性質。第十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日級序分級依據地質類型力學屬性對巖體穩定性的作用I延伸數十千米，深度可切穿一個構造層，破碎帶寬度在數米至數十米主要指區域性深大斷裂或大斷裂屬于軟弱結構面，構成獨立的力學介質單元影響區域穩定性，山體穩定，如直接通過工程區，是巖體變形或破壞的控制體結，形成巖體力學作用邊界II延伸數百米至數千米，破碎帶寬度比較窄，數十厘米至數米主要包括補正河面、假整合面、原生軟弱夾層、層見錯東帶、侵入接觸帶、風化夾層等屬于軟弱結構面，形成塊裂邊界控制山體穩定性，與I級結構面可形成大規模的塊體破壞，即控制巖體變形和破壞方式III延伸數十米至數百米，破碎帶數厘米至，面內不含泥，有的具泥膜，僅在一個地質時代的地層中分布，有時僅僅在某一巖性中分布各類型的斷層、原生軟弱夾層、層間錯動帶等多數屬于堅硬結構面，少數屬軟弱結構面控制巖體的穩定性，與I、II級結構面組合可形成不同規模的塊體破壞，劃分II類巖體結構的重要依據IV延展數米，未錯動，不夾泥，有的呈弱結合狀態，統計結構面節理、劈理、片理、層理、卸荷裂隙、風化裂隙等堅硬結構面劃分II類巖體結構的基本依據，是巖體力學性質、結構效應的基礎。破壞巖體的完整性，與其他結構面形成不同類型的邊坡破壞方式V連續性極差，剛性接觸的細小或隱微裂面，統計結構面微小結構面，隱微裂隙和線理等硬性結構面分布隨機，降低巖塊強度，是巖塊力學性質效應基礎。若十分密集，又因風化，可形成松散介質（結構面內夾有軟弱物質者屬于軟弱結構面，無充填物者則屬于堅硬結構面）結構面分級及其特性第十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日走向、傾向、傾角結構面與最大主應力間的關系控制著巖體的破壞機理與強度。（三）結構面產狀據單結構面理論，巖體中存在一組結構面時，巖體的極限強度與結構面傾角間的關系為：第十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（四）結構面連續性結構面的連續性反映結構面的貫通程度，用切割度評價。切割度（又稱面連續性系數）：指沿結構面延伸方向，結構面面積之和(a)與總面積(A)的比值，即有時候用線切割度（線連續性系數）評價：指沿結構面延伸方向，結構面各段長度之和(a)與測線長度的比值，即Xe變化在0～1之間，K1值愈大說明結構面的連續性愈好，當Xe＝1時，結構面完全貫通。第十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日巖體按結構面連續性的分級表描述Xe完整的0.0-0.2弱節理化的0.2-0.4中等節理化的0.4-0.6強節理化的0.6-0.8完全節理化的0.8-1.0第十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（五）結構面密度結構面的密度反映結構面發育的密集程度。1、裂隙度(K)是指結構面法線方向單位測線長度上交切結構面的條數(條/m)。2、裂隙平均間距(d)則是指同一組結構面法線方向上兩相鄰結構面的平均距離。K與d互為倒數關系如果測線水平布置，且與結構面法線的夾角為，結構面的傾角為β時:如果有多組結構面，則裂隙度等于各組結構面的裂隙度之和。第二十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日結構面間距分級表名稱疏節理密節理非常密節理壓碎或糜棱化帶K（m-1）0-11-1010-100100-1000第二十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日用線密度來估算巖體質量指標RQD(rockqualitydesignation)巖體質量指標RQD：長度大于10cm的巖心長度之和與鉆孔總進尺的百分比。第二十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（六）結構面張開度結構面的張開度是指結構面兩壁面間的垂直距離。結構面兩壁面一般不是緊密接觸，使結構面實際接觸面積減少，導致結構面粘聚力降低和滲透性增大。如在層流條件下，平直而兩壁平行的單個結構面的滲透系數(Kf)可表達為：第二十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日結構面張開度分級表描述結構面張開度（mm）分類很緊密緊密部分張開<0.10.1~0.250.25~0.5閉合結構面張開中等寬的寬的0.5~2.52.5~10>10裂開結構面很寬的極寬的似洞穴的10~100100~1000>1000張開結構面第二十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

Ⅳ級及部分Ⅲ級結構面的產狀、跡長、間距及張開度等幾何特征參數，服從一定的隨機分布規律。第二十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（七）結構面形態結構面的形態可以用側壁的起伏形態及粗糙度來反映。結構面側壁的起伏形態分為：平直的、臺階狀的、鋸齒狀的、波狀的和不規則狀的。側壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。第二十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日結構面的粗糙度用粗糙度系JRC(jointroughnesscoefficient)表示。隨粗糙度的增大，結構面的摩擦角也增大。根據標準粗糙度剖面將結構面的粗糙度系數劃分為10級。第二十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（八）結構面充填膠結特征結構面膠結后力學性質有所增強，Fe質膠結的強度最高，泥質與易溶鹽類膠結的結構面強度最低，且抗水性差。未膠結的結構面，力學性質取決于其充填情況，可分為：薄膜充填、斷續充填、連續充填及厚層充填4類：1）薄膜充填是結構面兩壁附著一層極薄的礦物膜，厚度多小于1mm，多明顯降低結構面的強度。2）斷續充填結構面的力學性質與充填物性質、壁巖性質及結構面的形態有關。3）連續充填結構面的力學性質主要取決于充填物性質。4）厚層充填結構面的力學性質很差，主要取決于充填物性質，巖體往往易于沿這種結構面滑移而失穩。第二十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（九）軟弱結構面軟弱結構面是巖體中具有一定厚度的軟弱帶(層)，與兩盤巖體相比具有高壓縮和低強度等特征，在產狀上多屬緩傾角結構面。主要包括原生軟弱夾層、構造及擠壓破碎帶、泥化夾層及其他夾泥層等。軟弱結構面對巖體的變形、破壞及穩定性往往起控制作用。其中，泥化夾層的危害更大。泥化夾層是含泥質的軟弱夾層經一系列的地質演化作用形成的(往往與水有關)，是含水量較大，處于塑性狀態的含泥質的軟弱夾層。多分布于上下相對堅硬而中間相對軟弱、剛柔相間的巖層組合條件下。第二十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日泥化夾層的形成：由于構造等原因，使原巖破碎，巖石顆粒分散，含水量增加，巖石處于塑性狀態；水溶解巖石中可溶鹽類，引起離子交換，改變巖石了的物理力學性質。泥化夾層特性：（1）由原巖的超固結膠結式結構變成了泥質散狀結構或泥質定向結構；（2）粘粒含量很高；（3）含水量接近或超過塑限；（4）密度比原巖小；（5）常具有一定的脹縮性；（6）力學性質比原巖差，表現為強度降低、壓縮性增高；（7）易產生滲透變形。第三十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（十）結構面的組合關系結構面的組合關系控制著可能滑移巖體的幾何邊界條件、形態、規模、滑動方向及滑移破壞類型，它是工程巖體穩定性預測與評價的基礎。任何堅硬巖體的塊體滑移破壞，都必須具備一定的幾何邊界條件。因此，在研究巖體穩定性時，必須研究結構面之間及其與臨空面之間的組合關系，確定可能失穩塊體的形態、規模和可能滑移方向等。結構面組合關系的分析可用赤平投影、立體投影和三角幾何計算法等進行。第三十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第三十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第三十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第三十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日二、巖體的結構特征（一）巖體的組成巖體是由結構面網絡及其所圍限的巖塊

(結構體)所組成。具有一定的結構是巖體的顯著特征之一。巖體中存在著復雜的天然應力狀態和地下水，這是巖體與其他材料的根本區別之一。第三十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（二）巖體的結構巖體結構(rockmassstructure)指巖體中結構面與結構體的排列組合關系。1、結構體特征結構體(structuralelement)指巖體中被結構面切割圍限的巖石塊體。它不同于巖塊的概念。結構體的規模取決于結構面的密度，密度愈小，結構體的規模愈大,與結構面對應,劃分為五級。常用塊度模數（單位體積內的Ⅳ級結構體數)或結構體體積來表示結構體規模。第三十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日結構體的形狀示意圖結構體常見的形狀:柱狀、板狀、楔形、菱形形狀不同，穩定性不同。不穩定穩定第三十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2、巖體的結構類型巖體結構類型劃分的依據：（1）第一依據——結構面類型，它規定結構級序：軟弱結構面——I級巖體結構；堅硬結構面——II級巖體結構。（2）第二依據——結構面切割程度或結構體類型，它規定巖體結構基本類型：I級巖體結構面——塊狀結構體—快裂結構；板狀結構體—板裂結構。II級結構面——結構面貫通切割—碎裂結構；結構面斷續切割—斷續結構；無顯結構面切割—完整結構。過渡型巖體結構——軟硬結構混雜、結構面無序狀排列—散體結構。（3）亞類劃分依據——亞類的劃分主要是依據巖體的原生結構。如碎裂結構可劃分為：塊狀的——塊狀碎裂結構；層狀的——層狀碎裂結構

第三十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2、巖體的結構類型級序結構類型劃分依據亞類劃分依據II1塊裂結構多組軟弱結構面切割，塊狀結構體塊狀塊裂結構原生巖體結構呈塊狀層狀塊裂結構原生巖體結構呈層狀I2板裂結構一組軟弱結構面切割，板狀結構體塊狀板裂結構原生巖體結構呈塊狀層狀板裂結構原生巖體結構呈層狀IIII1完整結構無顯結構面切割塊狀完整結構原生巖體結構呈塊狀板狀完整結構原生巖體結構呈層狀II2斷續結構顯著結構面斷續切割塊狀斷續結構原生巖體結構呈塊狀層狀斷續結構原生巖體結構呈層狀II3碎裂結構堅硬結構面貫通切割，結構體為塊狀塊狀碎裂結構原生巖體結構呈塊狀層狀碎裂結構原生巖體結構呈層狀過渡型散體結構軟、硬結構面混雜，結構面無序分布碎屑狀散體結構結構體為角礫，原生巖體結構特征已消失糜棱化散體結構結構體為糜棱質，原生巖體結構特征已消失第三十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2、巖體的結構類型(a)(b)(c)(d)(e)a—完整結構；b—塊裂結構；c—板裂結構；d—碎裂結構；e—散體結構散體結構是指斷層破碎帶及強化風帶中存在的一種結構類型。其特點是：①結構面和結構體呈無序狀排列；②結構面有的為軟弱結構面，有的為堅硬結構面，有的為軟、硬混雜。這種結構類型既不屬于I級結構，也不屬于II級結構。其規模一般不大，常呈夾層或帶狀存在。在工程中常存在于應力消散、地下水暢通、巖體失穩的關鍵地段。第四十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日巖體的結構類型及其主要特征：巖體結構類型巖體地質類型主要結構形狀結構面發育情況巖土工程特征可能發生的巖土工程問題整體狀結構均質，巨塊狀巖漿巖、變質巖，巨厚層沉積巖、正變質巖巨塊狀以原生構造節理為主，多呈閉合型，裂隙結構面間距大于15m，一般不超過1～2組，無危險結構面組成的落石掉塊整體性強度高，巖體穩定，可視為均質彈性各向同性體不穩定結構體的局部滑動或坍塌，深埋洞室的巖爆塊狀結構厚層狀沉積巖、正變質巖、塊狀巖漿巖、變質巖塊狀、柱狀只具有少量貫穿性較好的節理裂隙，裂隙結構面間距0.7～1.5m。一般為2～3組，有少量分離體整體強度較高，結構面互相牽制，巖體基本穩定，接近彈性各向同性體層狀結構多韻律的薄層及中厚層狀沉積巖、副變質巖層狀、板狀、透鏡體有層理、片理、節理，常有層間錯動面接近均一的各向異性體，其變形及強度特征受層面及巖層組合控制，可視為彈塑性體，穩定性較差不穩定結構體可能產生滑塌，特別是巖層的彎張破壞及軟弱巖層的塑性變形碎裂狀結構構造影響嚴重的破碎巖層塊狀斷層、斷層破碎帶、片理、層理及層間結構面較發育，裂隙結構面間距0.25~0.5m，一般在3組以上，由許多分離體形成完整性破壞較大，整體強度很低，并受斷裂等軟弱結構面控制，多呈彈塑性介質，穩定性很差易引起規模較大的巖體失穩，地下水加劇巖體失穩散體狀結構構造影響劇烈的斷層破碎帶，強風化帶，全風化帶碎屑狀顆粒狀斷層破碎帶交叉，構造及風化裂隙密集，結構面及組合錯綜復雜，并多充填粘性土，形成許多大小不一的分離巖塊完整性遭到極大破壞，穩定性極差，巖體屬性接近松散體介質易引起規模較大的巖體失穩，地下水加劇巖體失穩第四十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

（三）巖體成因與巖體特征1、巖漿巖體無層理，產狀復雜。根據巖漿活動方式，巖漿巖可分為深成巖、淺成巖和噴出巖三類。2、沉積巖體具有層理構造，巖體呈層狀結構。沉積巖包括他生沉積巖和自生沉積巖兩大類。3、變質巖體多數巖石變質后都經歷了不同程度的重結晶作用，結構較致密，抗水性增強，孔隙率較低，透水性弱，抗變形性能好，強度高。因此與沉積巖相比，變質巖的性質一般要好些。第四十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第三章巖體力學性質§3.1巖體結構的概念及巖體結構分類§3.2結構面的力學性質§3.3巖體的變形特性§3.4巖體的強度特性§3.5巖體質量評價及其分類第四十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日一、結構面的變形性質(一)結構面的法向變形性質1、法向變形特征ΔVｊΔVｔΔVｒΔVｊ＝ΔVｔ－ΔVｒ結構面變形量=巖體變形量-巖塊變形量法向變形是在法向荷載作用下，結構面的閉合（壓縮荷載）與張開位移（拉伸荷載）。通常法向荷載以壓縮荷載為主，因此法向變形也以結構面法向壓縮變形為主。第四十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日應力-變形關系曲線：

ABC第四十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日開始時隨著法向應力增加，結構面閉合變形迅速增長，σn-ΔV及σn-ΔVｊ曲線均呈上凹型。當σn增到一定值時，σn-ΔVｔ曲線變陡，并與σn-ΔVｒ曲線大致平行。說明結構面已基本上完全閉合，其變形主要是巖塊變形貢獻的。這時ΔVｊ則趨于結構面最大閉合量Vｍ。初始壓縮階段，含結構面的巖塊變形ΔVｔ主要是由結構面的閉合造成的。試驗表明，當σn＝１MPa時，ΔVｔ/ΔVｒ可達5~30，說明ΔVｔ占了很大一部分。法向應力σn大約從σｃ/3處開始，含結構面的巖塊變形由以結構面的閉合為主轉為以巖塊的彈性變形為主。應力-變形關系曲線特征：第四十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日結構面的σn-ΔVｊ曲線大致為以ΔVｊ＝Vｍ為漸近線的非線性曲線（大體為指數曲線）。與結構面的類型及壁巖性質無關。結構面的最大閉合量始終小于結構面的張開度（ｅ）。這是因為結構面是凹凸不平的，兩壁面間無論如何也不可能達到100％的接觸。上述的非線性力學行為歸結于接觸微凸體彈性變形、壓碎和間接拉裂隙的產生，以及新的接觸點、接觸面積的增加。當荷載去除后，會存在明顯的后滯和非彈性效應。第四十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日法向剛度Ｋn是指在法向應力作用下，結構面產生單位法向變形所需要的應力，在數值上等于σn-Vｊ曲線上一點的切線斜率。確定方法試驗法2、法向剛度室內變形試驗現場變形試驗本構方程和經驗估算第四十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日幾種結構面的法向剛度：第四十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（二）結構面的剪切變形性質

1、剪切變形特征剪切變形是在一定法向壓力作用下，結構面在剪切力作用下產生切向（沿結構面）的變形。1）變形形式（1）對于非充填粗糙結構面隨著剪切變形的產生，剪應力相對上升較快，當達到剪應力峰值后，結構面抗剪強度出現較大的下降，并產生不規則的峰后變形(圖中線A)或滯滑現象。第五十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（2）對于平坦或有充填物的結構面當低圍壓時，初始階段的剪切變形曲線呈下凹型，隨著剪切變形的持續發展，剪應力逐漸升高，但沒有明顯的峰值，最終達到恒定值或繼續上升（及應變硬化）(圖中線B)。第五十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日當圍壓較高時，在剪切過程中，可呈現一種特殊的運動方式——粘滑震蕩（下圖）。粘滑振蕩可以用彈簧牽引塊體在剛性平面上的滑動模型來說明。對彈簧一端施加力的作用使其以較低的速度運動，當彈簧上施加的力逐漸增加到足以克服塊體與剛性平面間的靜摩擦時，塊體將在彈簧的牽引下發生滑動。由于動摩擦小于靜摩擦，一旦塊體與平面發生相對運動，摩擦力即突然下降，塊體在彈簧牽引下以大于彈簧原來伸長的速度突然向前運動，彈簧中的力則將降低直至小于保持滑動所需的力時，滑塊運動停止。而彈簧施力的一端仍繼續以原有的速度運動，當彈簧中的力足以克服靜摩擦時，又重復上述過程，形成這種張弛、跳躍式的運動。研究表明，粘滑不僅發生于磨光面上，在較粗糙的裂隙面也較普遍發生。對于粗糙面上的粘滑，一種解釋認為是面沿面上的突起發生剪脹變形和突起被剪斷后的快速變形的交替——粘滑脆性破壞機制。另外一種解釋是剪切停止時，由于蠕動而使突起嵌入到相對的結構面中，使接觸面積增加，當繼續加力使滑動時，隨著滑動的開始，接觸面積減小，導致摩擦阻力突然降低而產生粘滑——突起體蠕動機制。粘滑機制研究的研究具有十分現實的意義。地殼中早已存在的斷層常呈這種運動形式。斷層面在穩定剪切位移中突然發生快速滑動，產生地震。然后應力被釋放，斷層面又被鎖固在一起，直到某一時間再次發生突然滑動。第五十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日根據剪切變形曲線的形態，一般將剪切變形曲線分為兩個區域，峰前應力上升區為彈性區，峰值前后的區域為塑性區。由于在剪切變形的過程中，伴隨有微凸體的彈性變形、劈裂、磨粒的產生與位移、結構面的相對錯動等多種力學過程，因此，剪切變形一般是不可恢復的變形，即使在彈性區，剪切變形一般也不能完全恢復。對于凹凸不平的結構面，可簡化為下圖a的力學模型。受剪結構面上有突起，突起物坡角為i，模型上半部作用剪切力和法向力，模型下半部固定不動。在法向應力較小的情況下，在剪切力作用下，具有明顯的剪脹（剪切變形過程中的法向變形），即結構面相對滑動時，由于結構面上突起體的影響，結構面沿突起體的斜面上升，結構面張開，發生膨脹（下圖b）；當法向應力較大時，將限制結構面沿突起體斜面的向上滑動，突起體在剪切力的作用下被剪斷，此時就不存在剪脹性（下圖c）。因此，結構的剪切變形與巖石的強度、結構面的粗糙性和法向力有關。第五十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日剪切剛度KS是反映結構面剪切變形性質的重要參數，其數值等于峰值前τ-u曲線上任一點的切線斜率。2、剪切剛度及其確定方法確定方法試驗法室內試驗現場試驗經驗估算法（Barton方程）第五十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日幾種結構面的剪切剛度及抗剪參數：第五十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日巖體結構面直剪試驗結果表

第五十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日二、結構面的強度性質結構面強度分為抗拉強度和抗剪強度。結構面的抗拉強度非常小，常可忽略不計，所以一般認為結構面是不能抗拉的。在工程荷載作用下，巖體破壞常沿某些軟弱結構面的滑動破壞。在巖體力學中，重點研究結構面的抗剪強度。第五十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第五十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（一）平直無充填的結構面平直無充填的結構面包括剪應力作用下形成的剪性破裂面，如剪節理、剪裂隙等，發育較好的層理面與片理面。特點是面平直、光滑，只具微弱的風化蝕變。堅硬巖體中的剪破裂面還發育有鏡面、擦痕及應力礦物薄膜等。這類結構面的抗剪強度大致與人工磨制面的摩擦強度接近，即：第五十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第六十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（二）粗糙起伏無充填的結構面

剪切特點：①當σ較小時，上盤巖塊上下運動，產生爬坡效應，增大了τ；②當σ較大時，將剪斷凸起而運動，也增大了τ。σττ第六十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日1、規則鋸齒形結構面1）σ較小，剪脹作用Patton公式b——巖石平坦表面基本摩擦角，與光滑程度有關，結構面越光滑，其值越小。第六十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2）σ較大，啃斷效用上式為法向應力σ≥σt時，結構面的抗剪強度。剪斷凸起的條件為：第六十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2、不規則起伏結構面自然界巖體中絕大多數結構面的粗糙起伏形態是不規則的，起伏角也不是常數。其強度包絡線不是折線，而是曲線形式。第六十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日巴頓（Ｂarton，1973）對８種不同粗糙起伏的結構面進行了試驗研究，提出了剪脹角的概念并用以代替起伏角，剪脹角αｄ（angleofdilatancy）的定義為剪切時剪切位移的軌跡線與水平線的夾角，即：第六十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日Barton抗剪強度經驗方程：大量的試驗資料表明，一般結構面的基本摩擦角u＝25°～35°。因此，上式右邊的第二項應當就是結構面的基本摩擦角u

，而第一項的系數取整數2。第六十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日（三）非貫通斷續的結構面假設沿整個剪切面上的應力分布是均勻的，結構面的線連續性系數為Ｋ1裂面巖橋裂面巖橋Ctgφ裂面巖橋第六十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日裂面巖橋裂面巖橋Ctgφ第六十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日四、具有充填物的軟弱結構面具有充填物的軟弱結構面包括泥化夾層和各種類型的夾泥層，其形成多與水的作用和各類滑錯作用有關。這類結構面的力學性質常與充填物的物質成分、結構及充填程度和厚度等因素密切相關。第六十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第七十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日第三章巖體力學性質§3.1巖體結構的概念及巖體結構分類§3.2結構面的力學性質§3.3巖體的變形特性§3.4巖體的強度特性§3.5巖體質量評價及其分類第七十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日在受力條件改變時巖體的變形是巖塊變形和結構變形的總和，而結構變形通常包括結構面閉合、充填物的壓密及結構體轉動和滑動等變形。從巖體的定義表明：巖塊+結構面=>巖體巖體變形=巖塊變形+結構面閉合+充填物壓縮+其他變形在一般情況下，巖體的結構變形起著控制作用。第七十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日一、巖體變形試驗及其變形參數確定承壓板法狹縫法鉆孔變形法水壓洞室法單(雙)軸壓縮試驗法聲波法地震波法原位巖體變形試驗靜力法動力法第七十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日靜力法的基本原理：在選定的巖體表面、槽壁或鉆孔壁面上施加法向荷載，并測定其巖體的變形值；然后繪制出壓力-變形關系曲線，計算出巖體的變形參數。動力法的基本原理：用人工方法對巖體發射(或激發)彈性波(聲波或地震波)，并測定其在巖體中的傳播速度，然后根據波動理論求巖體的變形參數。第七十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日1、承壓板法

第七十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日ω是與承壓板形狀與剛度有關的系數。對于圓形板ω＝0.785；對于方形板ω＝0.886

第七十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2、鉆孔變形法

優點：①對巖體擾動小；②可以在地下水位以下和相當深的部位進行；③試驗方向基本上不受限制，而且試驗壓力可以達到很大；④在一次試驗中可以同時量測幾個方向的變形，便于研究巖體的各向異性。缺點：試驗涉及的巖體體積小，代表性受到局限。第七十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日3、狹縫法

第七十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日常見巖體的彈性模量和變形模量

第七十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日幾種巖體用不同試驗方法測定的彈性模量巖體的變形模量比巖塊的小，而且受結構面發育程度及風化程度等因素影響十分明顯。不同地質條件下的同一巖體，其變形模量相差較大。試驗方法不同、壓力大小不同，巖體變形模量不同。第八十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日二、巖體變形參數估算一是在現場地質調查的基礎上，建立適當的巖體地質力學模型，利用室內小試件試驗資料來估算。二是在巖體質量評價和大量試驗資料的基礎上，建立巖體分類指標與變形參數之間的經驗關系，并用于變形參數估算。第八十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日1、層狀巖體變形參數估算

層狀巖體的地質力學模型假設各巖層厚度相等為S，且性質相同。層面的張開度可忽略不計假設巖塊的變形參數為E、μ和G，層面的變形參數為Kn、Ks。取n-t坐標系，n垂直層面，t平行層面。由巖塊和層面組成單元體。第八十二頁，共一百零五頁，2022年，8月28日1）法向應力σn作用下的巖體變形參數

(1)沿n方向加荷(2)沿t方向加荷第八十三頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2)剪應力作用下的巖體變形參數

第八十四頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2、裂隙巖體變形參數的估算

1）用RMR值估算巖體變形模量2）用Q值估算縱波速度和巖體平均變形模量第八十五頁，共一百零五頁，2022年，8月28日三、巖體變形曲線類型及其特征

1、法向變形曲線直線型上凹型上凸型復合型第八十六頁，共一百零五頁，2022年，8月28日直線型通過原點的直線，其方程為p＝f(W)＝KW加壓過程中W隨p成正比增加巖體巖性均勻、結構面不發育或結構面分布均勻巖體剛度大，不易變形，巖體較堅硬、完整、致密均勻、少裂隙，以彈性變形為主，接近于均質彈性體。巖體剛度低、易變形，由多組結構面切割且分布較均勻或巖性較軟弱且均質或平行層面加壓。有明顯的塑性變形和回滯環，非彈性變形。

陡直線型緩直線型第八十七頁，共一百零五頁，2022年，8月28日上凹型曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增大而遞增，dp/dW＞0層狀及節理巖體多呈這類曲線

巖體剛度隨循環次數增加而增大，彈性變形成分較大。多為垂直層面加壓的較堅硬層狀巖體。卸壓曲線較陡，變形大部分為塑性變形。多為存在軟弱夾層的層狀巖體及裂隙巖體或垂直層面加壓的層狀巖體。第二種情況第一種情況第八十八頁，共一百零五頁，2022年，8月28日上凸型曲線方程為p＝f(W)，dp/dW隨p增加而遞減，d2p/dW2＜0。結構面發育且有泥質充填的巖體、較深處埋藏有軟弱夾層或巖性軟弱的巖體常呈這類曲線。復合型p-W曲線呈階梯或“S”型。結構面發育不均或巖性不均勻的巖體，常呈此類曲線。第八十九頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2、剪切變形曲線峰值前曲線平均斜率小，破壞位移大；峰值后應力降很小或不變。多為沿軟弱結構面剪切。峰值前曲線平均斜率較大，峰值強度較高。峰值后應力降較大。多為沿粗糙結構面、軟弱巖體及劇風化巖體剪切。峰值前曲線斜率大，線性段和非線性段明顯，峰值強度高，破壞位移小。峰值后應力降大，殘余強度較低。多為剪斷堅硬巖體。第九十頁，共一百零五頁，2022年，8月28日

四、影響巖體變形性質的因素

影響因素：巖性、結構面特征、風化程度、試驗方法、試件尺寸、加荷條件、溫度、濕度等。這里僅介紹結構面對巖體變形的影響：1、結構面密度右圖分別表示了RQD、波速比(Vm/Vr)2與模量降低系數（巖體Em/巖塊E）之間的統計關系。RQD、波速比是反映裂隙發育程度的指標。可以看出，當波速比由近于1降至0.65時，模量比迅速下降。由0.65繼續下降時，模量比變化不大。相應于波速比=0.65的模量降低值為0.14，也即當巖體中結構發育至一定程度時（波速比=0.65），巖體變形可達巖塊變形的1/0.14=7.14倍。此后，若結構面密度再增加，對巖體變形的影響就不大了。第九十一頁，共一百零五頁，2022年，8月28日2、結構面的張開度及充填特征結構面對巖體變形特性的影響與結構面本身的特性(張開程度、充填程度、充填物性質等)有密切關系。下圖為具裂隙和片麻理的片麻巖硐室徑向變形圖。圖中，線1為垂直片麻理的方向。由圖可見，對于不同的應力水平，巖體最大變形方向會改變。在應力較低時(0.4-0.9MPa)最大變形為水平方向(線2)，而在應力增高后(1.9-2.4MPa)，則垂直于片麻理的方向變形最大。由灌漿前后的變形對比可見，灌漿消除了2方向上結構面的影響，但對1方向影響甚微。由此可見，結構面性質不同，對巖體變形的影響程度也不同。在2方向，壓力垂直于一組無充填的張開裂隙。因此，在較低壓力下，田裂隙閉合而產生很大變形，加之裂隙張開后又無充填，灌漿時漿液易進入，故灌漿后這組結構面的影響大為減弱。由硬礦物和軟礦物交替組成的具