工程巖土學第五章

一.巖體的力學性質——巖體在力的作用下所表現(xiàn)的性質

①變形性——

巖體承受力的作用而發(fā)生變形的性能包括：②抗破壞性——巖體抵抗力的作用而保持其自身完整性的性能概述§5.1注意：1.巖體的變形和破壞不是兩個截然分開的階段，而是一個統(tǒng)一的、連續(xù)的過程，破壞是累進性的。2.巖體的力學性質是由結構體（巖石）和結構面的力學性質共同決定的，二者在巖體力學性質中各自所占的地位，與巖體的完整性有關。但當破壞面部分沿已有裂隙，部分通過完整巖石時，并不能將巖石力學性質和結構面力學性質按照它們在破壞面中各自所占的比例簡單地進行加權，用以表征巖體的力學性質。參考《巖石力學》。二．本章主要內容

1.巖石的變形性

2.巖石的抗破壞性

3.結構面的強度

4.巖體的變形性

5.巖體的抗破壞性一．基本概念1.彈性——物體在力的作用下發(fā)生變形，而當撤除外力后能夠恢復原狀的性質2.塑性——物體在力的作用下發(fā)生不可逆變形的性質。這種不可逆的變形也稱塑性變形或殘余變形、永久變形3.脆性——物體在力的作用下應變量很小時即發(fā)生破壞的性質（ε＜3％）4.延性——物體在力的作用下破壞前能夠發(fā)生大量應變的性質（ε＞5％）5.粘性——在力的作用下物體能夠抑止瞬間變形，使變形因時間效應而滯后的性質。注：自然界中的巖石主要表現(xiàn)出上述哪種性質，與受力環(huán)境(尤其是溫度、圍壓)和作用力的延續(xù)時間有關。在常溫常壓下，可將巖石看作近似的彈脆性體。巖石的變形性§5.2本節(jié)主要研究巖石在各種方式和條件的力的作用下所表現(xiàn)出的變形性質⒈巖石在單軸壓力作用下的變形⒉巖石在三軸壓力作用下的變形⒊巖石在單軸拉伸和剪切作用下的變形⒋巖石在輻射狀壓力下的變形⒌巖石的蠕變普通試驗機:

試件在峰值后，試驗機突然釋放應變能，試件崩解，無法得到應力~應變全過程;剛性試驗機：壓力機剛度大于試件剛度，能得到應力~應變全過程曲線;

試件制備二．巖石在單軸壓力作用下的變形加載、測量系統(tǒng)分級施加單軸壓力，測量變形（一）應力與應變間的關系

巖石的變形性，只有通過在應力作用下的變形過程才能表現(xiàn)出來。因此必須研究應力與應變（軸應變εa、周應變εc、體應變εv

）之間的關系（圖5－1），應用最廣的是σ－εa曲線。

巖石的全應力－應變曲線通過在壓力機上對標準試樣分級施加單軸壓力，測量各級應力下變形停止后的累計應變量。以應力σ為縱坐標、應變εa為橫坐標，繪制σ－εa關系曲線

要求：繪制應力－應變曲線，掌握曲線上四個階段的劃分，各階段的變形特征及曲線特征，比例極限、峰值應力的概念。巖石典型的全應力－應變曲線εaσCBAO并非所有巖石都有以上明顯的變形階段巖石中原來存在的微裂隙閉合或被進一步壓緊。此線段呈曲線型式，斜率隨應力增大而逐漸增加，說明微裂隙的變化開始很快，隨壓力增加而減緩。這個階段中的變形，以塑性變形為主，也包含少量的彈性變形。εaσCBAO①微裂隙閉合階段（OA段）—又叫“壓密階段”

巖石中的微裂隙進一步閉合，孔隙被壓縮，晶體受壓而發(fā)生彈性變形。沒有或者基本上還沒有新裂隙產(chǎn)生，已有裂隙也還沒有或基本上沒有新的發(fā)展。應力與應變大致成正比關系，線段呈準直線型式。變形以彈性為主。B點相應的應力稱為比例極限（彈性極限）。εaσCBAO②直線變形階段（AB段）—又叫“彈性變形階段”

σ超過比例極限以后，巖石中產(chǎn)生了新的裂隙，已有裂隙也得到發(fā)展，應變的增加速率超過應力的增加速率，呈曲線形式且斜率逐漸降低。體積變形由壓縮逐漸轉變?yōu)閿U脹。裂隙進一步地發(fā)展，巖石中形成了貫通的破壞面，巖石被破壞（圖中C點），應力達到了最大值。在這一階段中，變形主要是塑性的。C點相應的應力，稱為峰值應力，單軸應力狀況下即巖石的單軸抗壓強度。εaσCBAO③裂隙發(fā)展和破壞階段（BC段）巖石在單軸壓力作用下的破壞在一般非剛性試驗機上，由于試件破壞時試驗機的變形能突然釋放，無法測出試件破壞以后的應力和變形，因此，繪制曲線的這一區(qū)段必須采用剛性試驗機。巖石破壞以后，應力和應變都會發(fā)生急劇變化，曲線的形狀多種多樣（圖5-3,圖5-4，破壞后階段的曲線可歸納為3種類型——軟弱巖石、堅硬巖石、高塑性巖石）。εaσCBAO④破壞后階段（C點以后階段）巖石的應力—應變曲線的形狀決定于巖石的礦物成分和結構特征，因而不同巖石，甚至相同巖石的不同試件，其應力—應變曲線的形狀都會有不同程度的差異。美國學者米勒研究了對28種巖石的試驗結果，將單軸壓力下的應力—應變曲線分為六種類型（圖5—5）。

類型a：彈性的玄武巖，石英巖等類型b：彈—塑性的粉砂巖，石灰?guī)r等類型c：塑—彈性的類型d和e：塑—彈—塑性的類型f：彈—塑—蠕變性的鹽巖巖石在單軸壓力下應力-應變曲線的幾種類型直線型下凹型上凹型S型彈性塑—彈性塑—彈—塑性彈—塑性彈—塑—蠕變性（二）表征巖石變形性的基本指標由于在工程建筑實踐中建筑物所能作用于巖石的壓應力水平往往都比較低，可以在一定程度上將其作為準彈性體來看待，所以用彈性參數(shù)表征其變形性是有一定意義的。彈性理論指出，彈性體的變形性能可以用彈性模量E和泊松比μ這兩個基本指標來表示。對于均質，各向同性、理想彈性體來說，表征其彈性變形性質的這兩個基本指標是定值，但巖石的變形性能因受力條件（力的性質、應力水平、圍壓大小、應力增加速率、應力持續(xù)時間、應力的增減歷程）的不同而有很大的變化。

（第六章）彈性模量E＝σ/εa

應力-應變呈直線關系（P97圖5-6）初始彈性模量Ei切線彈性模量Et割線彈性模量Es，常用E

50

巖石的各種模量的確定EiEtE

50

泊松比—巖石在單軸力（單軸壓力、單軸拉力）的作用下，側應變與軸應變之比，適用于彈性變形階段

μ＝εl/εa

主要類型巖石的彈性模量和泊松比

（P98表5-1）（三）巖石在重復加荷、卸荷條件下的變形性能1.

巖石發(fā)生的總變形分為彈性變形和塑性變形（P97圖5-7），對應的模量分別稱為變形模量E

0

彈性模量E

e

塑性模量E

p

變形模量：E0=σ/（εp+εe）彈性模量：Ee=σ/εe塑性模量：Ep=σ/εp

變形模量E0

、彈性模量Ee和塑性模量Ep

三者之間的關系如下：1E0＝1Ee＋1Ep2.

重復荷載條件——加荷，卸荷次數(shù)愈多，塑性應變的增量逐漸減小，巖石愈接近于彈性體（P99圖5-8）；3.

循環(huán)荷載條件——連接各個卸荷起點所成曲線的形狀與連續(xù)加荷情況下的應力—應變曲線的形狀基本一致，這說明受荷歷程并未改變巖石變形性的基本特點（P99圖5-9）循環(huán)荷載條件下巖石的應力—應變曲線三．巖石在三軸壓力作用下的變形a.

研究的必要性——三軸壓力狀態(tài)的普遍性—作為建筑物地基或建筑環(huán)境的巖體，多處于三維應力狀態(tài)（三個主應力σ1、σ2

、σ3互相垂直）

b.

三軸壓力狀態(tài)的分類（按照主應力的組合情況）等圍壓三軸狀態(tài)（常規(guī)三軸狀態(tài)）σ1＞σ2＝σ3不等圍壓三軸狀態(tài)（真三軸狀態(tài)）

σ1＞σ2＞

σ3等壓三軸狀態(tài)（靜水壓力狀態(tài)）

σ1＝σ2＝σ3三軸試驗裝置1.

等圍壓三軸狀態(tài)（常規(guī)三軸狀態(tài)）

（σ1＞σ2＝σ3）

巖石在三軸壓力下的變形特征也是利用應力—應變曲線來研究。最常用的是應力差（σ1－σ3）與軸應變εa（沿σ1方向的應變）關系曲線εaσ1－σ3OCBA三軸應力作用下巖石的典型應力－應變曲線（據(jù)茂木清夫，1978）OA段——彈性變形階段，彈性模量主要表征這一階段的性質。A點相應的應力稱為比例極限。對于巖石來說，此值與屈服極限值極相近。εaσ1－σ3OCBA屈服強度—材料由彈性進入到塑性區(qū)時應力AB段——塑性變形階段，在此階段內微裂隙不斷發(fā)展，直至B點，巖石破壞。B點的應力為破裂應力(fracturestress)或巖石的峰值強度。εaσ1－σ3OCBABC段——應力下降階段，B，C兩點間的應力差稱應力降(stressdrop)。εaσ1－σ3OCBAC點以后階段——摩擦階段，巖石已經(jīng)破裂，對于作用力全靠破裂面上的摩擦力維持，即巖石的殘余強度。εaσ1－σ3OCBA恒定圍壓下巖樣破壞后，軸向應力不隨壓縮變

形增大而變化，一般稱為殘余強度。各個巖樣的殘

余強度與圍壓大致成線性關系。等圍壓條件（σ2＝σ3）下，圍壓的高低對巖石變形性能的影響

總體規(guī)律——隨圍壓的提高，破壞前的總應變量增大；塑性應變在總應變量中所占的比率增加。（據(jù)茂木清夫）a.強度較高的巖石（如輝長巖，白云巖，蘇長巖等），彈性模量基本為常數(shù)，不隨圍壓變化而改變；但彈性模量與圍壓的關系隨巖石性質（強度）不同而不同。b.強度較低的弱巖（如砂巖等），彈性模量隨圍壓的提高而增大。砂巖應力差－軸應變曲線輝長巖應力差－軸應變曲線2.不等圍壓三軸狀態(tài)（真三軸狀態(tài)）（σ1＞σ2＞σ3）巖石在真三軸狀態(tài)下的變形特征資料較少，而且對一些互相矛盾的現(xiàn)象還沒有得到統(tǒng)一的解釋靜水壓力狀態(tài)可看作常規(guī)三軸狀態(tài)的一種特殊情況。巖石在各向相等的壓力作用下發(fā)生體積壓縮變形，一般采用體積模量表征巖石在靜水壓力下體積變形的特性。3.等壓三軸狀態(tài)（靜水壓力狀態(tài)）

E3（1-2μ）K

＝線性壓縮系數(shù)、體積壓縮系數(shù)的概念體積模量K——靜水壓應力與體積應變之比?？捎肊和μ計算：（σ1=σ2=σ3）四．巖石在單軸拉伸和剪切作用下的變形

在單軸拉伸作用下巖石的變形，一般也是用應力—應變曲線以及彈性模量和泊松比來表征。

（一）巖石在單軸拉伸作用下的變形由于巖石一般都具有較高的脆性，承受拉伸作用的能力很低，同在單軸壓縮條件下相比，在應力水平較低、總應變量較小的情況下即發(fā)生破壞（圖5—16）。大多數(shù)巖石在單軸拉伸下的變形性能與在單軸壓縮下很相似。曲線的起始段都近似直線，初始模量非常接近（圖5—16、表5—3）。隨拉應力的增加，模量值連續(xù)減小；

在拉伸條件下的泊松比隨應力水平的提高而減小。

巖石在剪力作用下發(fā)生剪切變形（

P104圖5—19），表征巖石剪切變形性能的指標為剪應力τ與剪應變γ之比，稱為剪切彈性模量G（或剛性模量）（二）巖石在剪切作用下的變形τγG＝E＝2（1+μ）五．巖石在輻射狀壓力下的變形（有壓隧洞）導流洞拉西瓦水電站導流洞出口輻射狀壓力P內＝P襯砌＋p總內水壓力＝襯砌承擔的內水壓力＋圍巖彈性抗力p——

巖石承受和反抗輻射狀內水壓力的反作用力，稱為彈性抗力y（徑向變形量）P內噴混凝土支護鋼模板現(xiàn)澆混凝土支護地下洞室的鋼結構襯砌

p

＝

k

y（式5－6）式中：k—彈性抗力系數(shù)（MPa／cm）y彈性抗力系數(shù)——巖石在輻射狀內水壓力作用下的徑向變形量（y）與其所承受的內水壓力（p）的大小成正比關系：

彈性抗力系數(shù)k是反映巖石彈性抗力高低的一個指標。根據(jù)彈性理論，彈性抗力系數(shù)與彈性模量和泊松比之間有如下關系：E（1+μ）rk

＝r－隧洞的半徑(cm)

從上式可以看出，彈性抗力系數(shù)隨隧洞半徑而變化，并不單純表征巖石在輻射狀壓力下的變形性y單位彈性抗力系數(shù)k0——為了使彈性抗力系數(shù)單純表征巖石的性質，成為一個巖石性質指標，在實踐中常采用r為100cm的彈性抗力系數(shù)，稱為單位彈性抗力系數(shù)，即：E（1+μ）×100k0

＝

單位彈性抗力系數(shù)是襯砌設計中的重要參數(shù)之一：如果巖石的彈性抗力高，對隧道襯砌強度的要求則可低些，從而隧道的造價便可降低。

單位彈性抗力系數(shù)的確定方法——公式計算法、工程地質類比法和原位測試法（如雙筒橡皮囊法、隧道水壓法、徑向千斤頂法）。六．巖石的蠕變

1.蠕變——巖石在方向和大小都保持不變的外力作用下，變形量隨時間延續(xù)而不斷增長的現(xiàn)象。

2.蠕變曲線——巖石的蠕變特征，一般用蠕變曲線，如應變（ε、γ）—時間（t）曲線表示。

3.巖石的蠕變性主要決定于巖石的礦物成分和結構。一定巖石在具體情況下的蠕變發(fā)展程度則同時與應力水平的高低有關。圖5－22中列出了蠕變性差異頗大的三種巖石（花崗巖、砂巖、頁巖）在相同應力水平（9.81MPa）作用下的蠕變曲線。圖5－21

巖石的典型蠕變曲線（據(jù)Jaeger，J.C.）時間t應變τ2τ1τ3τ4DCBAOA段：瞬時變形階段AB段：減速蠕變階段BC段：穩(wěn)定蠕變階段CD段：加速蠕變階段瞬時變形階段：彈性變形瞬間完成減速蠕變階段：t；ε；dε/dt等速蠕變階段：t；ε；dε/dt=c加速蠕變階段：t；ε；dε/dt破壞巖石直接剪切流變試驗儀簡介巖石直接剪切流變試驗儀，由成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室和四川大學水利水電學院聯(lián)合開發(fā)研制的新型試驗系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要用于巖石的直接剪切流變試驗，其功能可覆蓋巖石力學試驗領域的多個測試項目。該系統(tǒng)由試驗機A、B、C三臺主機和高壓泵站、六通道高精度液壓穩(wěn)壓器、荷載及位移測量系統(tǒng)、計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構成(見圖)。巖石直接剪切流變試驗儀三臺裝置同時做平行試驗

天然狀態(tài)下直剪流變試驗飽水狀態(tài)下直剪流變試驗直剪流變試驗破壞后試樣狀態(tài)剪應變疊加曲線

4.長期強度——利用蠕變資料獲得：

τ∞＝σ·tgφ∞

＋C∞

為表征極限剪切長期強度，應用四組不同法向應力的試件，求出不同法向應力σ時的剪切長期強度τ∞，做σ—τ∞曲線，可得φ∞和c∞

5.巖石蠕變特性的研究意義

在工程實踐中常常發(fā)現(xiàn)：在巖體上修建建筑物，建筑物施加于巖體的荷載雖然可能遠遠低于巖體的強度，但由于巖體的蠕變，產(chǎn)生的大量變形仍可導致建筑物的破壞。

在邊坡失穩(wěn)問題中，蠕變時常是重要的因素之一。斜坡變形破壞的地質力學模式中有“蠕滑－拉裂”。

陡傾角柔性巖石(如板巖、千枚巖等)分布區(qū)的峽谷谷坡上，在重力的長期作用下，頂部巖石彎向臨空面方向，即成所謂“點頭哈腰”現(xiàn)象（圖5—23）。邊坡淺部發(fā)生彎曲－拉裂變形，深部發(fā)生蠕滑－拉裂變形，可能破壞方式為崩塌或深部切層轉動型滑坡。這種現(xiàn)象在四川雅礱江、白龍江板巖、千枚巖分布區(qū)的河谷中很常見。七．巖石變形的本質（自學）

巖石在一定的應力條件下發(fā)生變形（包括彈性變形和塑性變形），這都是巖石在力的作用下的宏觀表現(xiàn)。而微觀上巖石變形的本質可以從組成巖石礦物晶體晶胞的的基本質點（離子、原子或分子）之間的引力、斥力以及它們與其之間距離r的關系來闡述（圖5—24）。一．基本概念1.抗破壞性——巖石具有一定的抵抗力的作用而使其自身不被破壞的性能，稱之為抗破壞性。巖石的抗破壞能力主要決定于組成巖石的礦物顆粒及其彼此間的聯(lián)結的抗破壞能力，尤其是后者。2.巖石的極限強度（簡稱為強度）——巖石所能承受的最高應力（拉應力、壓應力、剪應力）巖石的抗破壞性§5.33.力的作用方式和巖石破壞的性質力的作用方式有3種——拉力、壓力和剪力巖石破壞的性質只有2種——拉斷和剪斷答：

巖石的破壞實質上是由于巖石內部的某個(些)面上相鄰質點間的距離增大而超過了一定限度的結果。壓應力只能使相鄰質點的距離縮短，不可能使其增大，所以也不可能使之破壞。在這種情況下巖石之所以被破壞，是由于壓力在巖石內部誘發(fā)出了拉應力和剪應力。實際導致產(chǎn)生破壞面的是這些拉應力或者剪應力。

因此，盡管從表觀上看，巖石的破壞是在壓力作用下發(fā)生的，然而巖石的破壞性質，有時可能屬于拉斷，有時則可能屬于剪斷。為什么巖石破壞的性質只有拉斷和剪斷兩種，而沒有“壓壞”的說法？巖石在單軸壓力作用下的破壞巖石的破壞二．巖石的抗拉強度

巖石抵抗單軸拉伸破壞的最大能力，以拉斷時的極限應力表示，稱為單軸抗拉強度，或簡稱為抗拉強度。σt＝P/A

（MPa）

由于實驗技術上的原因，進行巖石直接拉伸試驗是比較困難的，目前多采用間接方法，其中主要的有巴西試驗法(或稱劈裂法)、點荷載試驗法等。

在工程地質實踐中，評價陡崖巖體的穩(wěn)定性、作為石板橋建筑材料的石料等情況下，需要考慮巖石的抗拉強度。P110表5-7巖石的抗拉強度直接拉伸試驗

劈裂法：將試件加工成圓板狀或圓柱狀，在上下各加一根鋼絲墊條，沿試樣直徑方向施加線性荷載，試件中將產(chǎn)生拉應力分布，繼續(xù)加載至試件沿軸線劈裂。劈裂法抗拉強度為：σt=2P/（πDh）P—巖石破壞時的最大荷載D—試件直徑H—試件高度巴西試驗法（劈裂法）P205巖石強度的點荷載試驗（干樣、飽水樣）與劈裂法類似，試件內產(chǎn)生垂直于加載方向的拉應力三．巖石的抗剪強度工程實踐中巖石的主要破壞形式為剪切破壞，如滑坡均質巖坡的剪切破壞沿軟弱面的剪切破壞

巖石抵抗剪切破壞的最大能力，以剪斷時剪切面上的極限剪應力表示，稱為抗剪強度

τ＝σtgφ+C

（MPa）

上式中，表征巖石抗剪性能的基本指標，也是內摩擦角φ和內聚力C

。工程意義：抗剪強度參數(shù)是巖土體非常重要的力學參數(shù)，在巖土體的穩(wěn)定性計算中必不可少。巖石的直接剪切試驗

施加垂直荷載P和水平荷載T，在不同的σ下，巖石的抗剪斷強度不同，可得到一條τ-σ相互關系的曲線，此曲線用直線近似表示：

τ

=σtgφ+c

τ—σ關系曲線將試件放置在楔形剪切儀上，利用力的分解原理，將荷載P分解法向壓力N和切向力Q：N=P（cosa+fsina）Q=P（sina–fcosa）與直剪試驗有相同的受力狀況。調整試件傾角可得到一系列試驗結果，同樣可獲得τ-σ曲線巖石的楔形剪切試驗（變角板法）P206楔形剪切τ—σ關系曲線巖石的三種剪切條件1.σ＞0，沿完整巖石剪斷（τ

稱為抗剪斷強度）

τ＝σtgφ+C2.σ＝0，巖石內部僅由內聚力抵抗剪力（τc

稱為抗切強度）

τc＝C3.σ＞0,剪力沿巖石中已有的裂隙面施加（τf

稱為抗剪強度或摩擦強度）

τf＝σtgφ圖5—27巖石的三種剪切條件抗剪斷試驗抗切試驗弱面抗剪切試驗a.

評價由完整性較好的巖體組成的陡崖的穩(wěn)定性，采用抗切強度τc往往更接近于巖體在該條件下的受力特點；b.

評價重力壩抗滑穩(wěn)定性，確定混凝土與巖石間的摩擦系數(shù)，一般選用摩擦強度τf，而把內聚力C作為安全儲備。工程中抗剪強度參數(shù)的選擇

四．巖石的抗壓強度

巖石抵抗壓力破壞的最大能力，以承壓面上的平均最大壓應力表示，稱為單軸抗壓強度，或簡稱為抗壓強度R＝P/A

（MPa）③裂隙發(fā)展和破壞階段（BC段）C點相應的應力，稱為峰值應力，單軸應力狀況下即巖石的單軸抗壓強度εaσCBAO

利用壓力機進行抗壓試驗時，在壓力作用下，通過試件中心的縱斷面上誘發(fā)出拉應力，但試件的兩個端部由于端部效應，限制了拉應力的發(fā)展。因此，破壞后的試件兩端多成錐形體，具剪斷性質，如果試件較長，中部破壞面（拉斷面）與壓應力方向近于平行，如果試件較短，則上、下兩個錐體相連，很少顯示出拉斷的跡象。（圖5—28破壞形式，圖5—29莫爾破壞圓）剪切破壞拉破壞巖石強度的點荷載試驗（干樣、飽水樣）與劈裂法類似，試件內產(chǎn)生垂直于加載方向的拉應力巖石的抗拉強度明顯小于抗壓強度，這是巖石材料在強度方面的顯著特點之一。幾種巖石的強度（表5—7、5—8、5—10）五．巖石在三軸應力下的抗破壞性（等圍壓三軸應力條件）砂巖應力差－軸應變曲線輝長巖應力差－軸應變曲線大理巖應力差－軸應變曲線（據(jù)茂木清夫）①隨圍壓σ2＝σ3的提高，巖石由破壞前總應變量較小的脆性破壞（ε＜3％）轉變?yōu)榭倯兞亢艽蟮难有云茐模é牛?％）；②隨圍壓的提高，巖石抵抗破壞所能承受的極限應力提高，或者說巖石的強度（σ1-σ3）提高。巖石在等圍壓三軸應力條件下的抗破壞性的基本特點

茂木清夫通過大量的研究工作，將圍壓作用下巖石的脆性—延性轉變（Brittle—Ductiletransition）劃分為兩種類型——A型和B型。A型：P115圖5-31B型：P115圖5-32脆性—延性轉變壓力——在等圍壓三軸應力條件下,巖石可由脆性破壞轉變?yōu)檠有云茐?，發(fā)生這種轉變時的圍壓稱為脆性—延性轉變壓力。巖石的脆性—延性轉變壓力的大小，與其巖性有關。（圖5—31、圖5—32中b圖）σ3=0.294（σ1―σ3）延性破壞區(qū)脆性破壞區(qū)②①①②硅酸鹽巖石一．影響結構面強度的因素——結構面的特征（包括起伏情況、粗糙程度、膠結特征、充填特征、滲流特征等）1.已膠結的結構面2.未膠結的結構面從討論強度的觀點，可將結構面存在的狀態(tài)分為：結構面的強度§5.4(主要指抗剪強度)硅質膠結（蛋白石、玉髓或石英）鐵質膠結鈣質膠結（方解石和白云石）粘土質（泥質）膠結膠結能力強膠結能力較弱，抗水能力低膠結能力逐漸降低，強度逐漸降低。

1.已膠結的結構面——膠結物成分，膠結類型膠結后,有的結構面甚至能夠承受一定的拉應力a.已充填的——填充物的成分和厚度，特別是填充物厚度同結構面起伏差的相對大小

b.未充填的——未被充填的結構面的強度主要決定于結構面兩壁的起伏形態(tài)、粗糙程度和凸起體的強度2.未膠結的結構面——不能承受拉應力（圖5—35）已充填的結構面的強度①填充物的成分：強度隨粘土含量增加而降低，隨碎屑成分增加、顆粒增大，強度增高。②充填程度和厚度的影響：充填物質厚度t與起伏差h的比為充填度。充填度越小，結構面強度越高ft/h（%

）注：

1.對于已被膠結牢固的結構面，可作為巖石研究它的強度；2.對于含有足夠厚度填充物的結構面，可作為土研究它的強度；3.對于未被充填的和雖被充填但填充物厚度較小的結構面，由于它們的強度完全或大部分決定于結構面兩壁巖石的特點，需進行專門討論——剪切機制及其抗剪性能的測定。二．未被充填的結構面的剪切機制

即使肉眼觀察認為最平直光滑的結構面，從微觀上看也存在著大大小小的凸起體。當結構面發(fā)生剪切時，兩壁上的凸起體有的可能相互滑越，有的則可能被剪斷，主要取決于凸起體的強度、形狀和高度以及應力的高低。1.當所受總力遠遠低于凸起體的總強度時——剪切實際上只能是“滑越”，并無新的剪斷作用發(fā)生（不常見）以一個沿剪切方向呈三角形斷面的凸起體為例，分析其剪切機制2.當所受總力等于或超過凸起體的最大抵抗能力τ·l時——凸起體從底面被剪斷3.當所受總力介于上述兩種情況之間時——先爬升至一定高度達到極限狀態(tài)后，凸起體被局部剪斷。三．未被充填結構面抗剪性能的測定

常用方法：原位直剪試驗、攜帶式直剪儀

挪威學者巴頓考慮到裂隙面的粗糙程度和組成裂隙壁的巖石的抗壓強度對巖體裂隙強度的控制作用，在對8種巖石、100余條裂隙實驗研究的基礎上，提出了計算結構面抗剪強度的公式：

P119,式5-21

τ＝σntan［JRC·lg（JCS/σn）+φb］其中：

τ——裂隙面（結構面）的抗剪強度

σn——裂隙面上的正應力

JRC——裂隙面的粗糙系數(shù)（0～20）

JCS——組成裂隙壁的巖石的抗壓強度（MPa）

φb——隙壁巖石的內摩擦角公式僅適用于正應力較小的情況（1）抗壓試驗（2）點荷載試驗（3）根據(jù)回彈值Re與巖石干密度ρd，按公式5-22求取。JCS——組成裂隙壁的巖石的抗壓強度（MPa）cmJRC裂隙面的粗糙系數(shù)（0～20）用以確定JRC值的粗糙度圖譜（據(jù)Barton）一．巖體的變形性

巖體的變形性能，是利用現(xiàn)場的變形試驗資料，繪制應力—變形曲線來表征?？偟卣f來，巖體的應力—變形曲線與巖石的應力—應變曲線，在基本輪廓上是相同的。巖體的變形性和抗破壞性§5.5不同強度、不同結構類型的巖體，變形特性有差別，分為：巖體的變形性質主要取決于巖體中的結構面、結構體及充填物的性質，下圖為典型的裂隙巖體的應力—應變全過程曲線（1）直線型（2）上凹型（3）下凹型（4）復合型巖體的壓力-變形曲線分類——直線型AA-1型：p–W曲線陡，剛度大；彈性為主變形，可恢復，完整、堅硬、致密、均勻巖體的特性。A-2型：p–W曲線斜率緩，剛度?。挥忻黠@不可恢復變形和回滯環(huán)，節(jié)理化但裂隙分布均勻的巖體的特性。巖體的壓力-變形曲線分類——上凹型BB-1型：p–W曲線的斜率隨壓力和循環(huán)次數(shù)增大，彈性變形較大，垂直層面加壓時巖體的特性。

B-2型：p–W曲線的斜率隨壓力和循環(huán)次數(shù)增大；卸載時有明顯的不可恢復變形和滯回環(huán)，高角度節(jié)理化及垂直層面加壓時的層狀軟巖體的特性。壓力-變形曲線分類——下凹型（或下彎型）C巖體的壓力-變形曲線分類——復合型D節(jié)理裂隙很發(fā)育且有泥質充填的巖體、軟巖、深部有軟弱夾層的巖體，裂紋擴展、泥質擠出、軟巖壓縮等都可能表現(xiàn)出C型特征。由于巖體中含有不同數(shù)量的宏觀結構面，而且結構面中又往往含有不同成分和不同厚度的填充物，所以在相同大小的應力作用下，巖體的變形量及其中永久變形所占的比例都要比巖石大得多，從而其變形模量值則低得多。

E

0巖體＜

E

0巖石巖體的彈性模量、峰值強度、殘余強度相對巖石都有所降低、泊松比則有所提高。巖體中結構面的存在，引起巖體變形和強度的各向異性。

巖體的變形是由巖石的變形和結構面兩壁相對位置發(fā)生變化這兩個部分組成的。一般說來，后者占主要成分。巖石的變形性見前§

5.2部分，本節(jié)主要討論在外力作用下結構面兩壁發(fā)生相對位移（法向壓縮變形、剪脹變形、剪變形）。（一）法向壓縮變形

在與結構面垂直的壓應力作用下，結構面兩壁間距離縮短，即發(fā)生法向壓縮變形。1.表征巖體法向變形性的指標——變形模量（E

0）、彈性模量（E

e）、泊松比μ2.巖體變形試驗方法①靜力法②動力法試驗方法①——靜力法（承壓板法）試驗條件——有側限的原位試驗

一般在勘探平洞內布置，確定試驗位置、清理底板、做地質編錄，安裝加載裝置和傳力裝置、承壓板、變形測量系統(tǒng)等。

承壓板（方形或圓形），面積0.5~1.2m2，根據(jù)工程要求采取適宜的加載方式表征巖體法向變形性的指標——變形模量（E

0）和彈性模量（E

e），計算公式P120Ee

靜力法（承壓板法）的缺點儀器設備較復雜，工作量大，施加的壓力較低，不宜大量進行。