c结构面是闭合的有泥质薄膜。泥质物的含水量、粘粒含量和粘土矿物成分，决定了结构面的强度。d结构面是张开的，有1～2mm厚的矿物薄膜。结构面的强度取决于面的起伏差、泥化程度和粘土矿物的性质。e结构面的次生泥化作用明显，结构面之间的物质是岩屑和泥质物，厚度大于结构面的起伏差而且是连续分布。其强度取决于软弱泥化夹层的性质。(3）结构面的空间分布与延展性：结构面的延展性是与规模大小相对应的，有的结构面在空间连续分布，延伸相当远的距离切割岩体，对岩体的稳定性影响较大；有的结构面则比较短小或不连贯，这种岩体的强度基本上取决于岩块的强度，稳定性较高。按照结构面的贯通情况，可将结构面分为非贯通性的、半贯通性的和贯通性的三种类型（见图4-3）。a非贯通性结构面：即结构面较短，不能贯通岩体和岩块，但它的存在石岩体或岩块强度降低，变性增大。b半贯通性结构面：解构面有一定的长度，但尚不能贯通整个岩体或岩块。c贯通性结构面：结构面连续长度贯通整个岩体，是构成岩体、岩块的边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制。七(c)(6)(a)图4-3岩体内结构面贯通类型(a)非贯通：(b)半贯通：(c)贯通(4）结构面的密集程度：它包括两重含义：一是结构面的组数，即不同产状和性质、不同规模的结构面数目：另一是单位体积（或间距或长度）内结构面的数量。显然组数越多岩体越凌乱；数量越多结构体越小。所以结构面的密集度越大，岩体越破碎。岩体中比较常见的IV级、V级结构面，一般比较密集，而I、IⅡ级结构面比较稀疏。3结构面的统计分析目前常把实测的关于裂隙的产状、间距、宽度和面积等资料，用数字或图表的方式加以表示，从而反映裂隙的出现频率和裂隙间的组合关系，以此作为评价岩体裂隙化程度和质量好坏的依据。（1）裂隙的统计密度：为了从数量上表示裂隙的发育程度，常常采用以下两个指标。a裂隙频率（K）73
73 c 结构面是闭合的有泥质薄膜。泥质物的含水量、粘粒含量和粘土矿物成分，决定 了结构面的强度。 d 结构面是张开的，有 1～2mm 厚的矿物薄膜。结构面的强度取决于面的起伏差、 泥化程度和粘土矿物的性质。 e 结构面的次生泥化作用明显，结构面之间的物质是岩屑和泥质物，厚度大于结构 面的起伏差而且是连续分布。其强度取决于软弱泥化夹层的性质。 (3) 结构面的空间分布与延展性： 结构面的延展性是与规模大小相对应的，有的 结构面在空间连续分布，延伸相当远的距离切割岩体，对岩体的稳定性影响较大；有的 结构面则比较短小或不连贯，这种岩体的强度基本上取决于岩块的强度，稳定性较高。 按照结构面的贯通情况，可将结构面分为非贯通性的、半贯通性的和贯通性的三种 类型（见图 4-3）。 a 非贯通性结构面：即结构面较短，不能贯通岩体和岩块，但它的存在石岩体或岩 块强度降低，变性增大。 b 半贯通性结构面：解构面有一定的长度，但尚不能贯通整个岩体或岩块。 c 贯通性结构面：结构面连续长度贯通整个岩体，是构成岩体、岩块的边界，它对 岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制。 图 4-3 岩体内结构面贯通类型 (a) 非贯通；(b) 半贯通；(c) 贯通 (4) 结构面的密集程度： 它包括两重含义：一是结构面的组数，即不同产状和性 质、不同规模的结构面数目：另一是单位体积（或间距或长度）内结构面的数量。显然， 组数越多岩体越凌乱；数量越多结构体越小。所以结构面的密集度越大，岩体越破碎。 岩体中比较常见的 IV 级、Ⅴ级结构面，一般比较密集，而Ⅰ、Ⅱ级结构面比较稀疏。 3 结构面的统计分析 目前常把实测的关于裂隙的产状、间距、宽度和面积等资料，用数字或图表的方式 加以表示，从而反映裂隙的出现频率和裂隙间的组合关系，以此作为评价岩体裂隙化程 度和质量好坏的依据。 (1) 裂隙的统计密度: 为了从数量上表示裂隙的发育程度，常常采用以下两个指标。 a 裂隙频率（K）
裂隙频率是指岩体内单位长度直线上所穿过的裂隙条数（条/m），用符号K表示。设有一取样直线，其长度为1，在沿1长度内出现节理的数量为n，则K=n/l(4-1)那么裂隙的平均间距d为1/K。当取样线垂直于节理的走向时，则d为节理走向的垂直间距。当节理间距d>180cm时，岩体的连续性具有整体的结构性质：d=30~180cm时，则为块状结构：d<30cm时，则为碎裂结构，而当d<6.5cm时，则称为极碎裂结构。当岩体上有几组方向的节理时，如图4-4所示，有两组节理Kal，Ka2和Kbl，Kb2。则沿取样线x上的节理平均间距max和mbx为d.d,d,(4-2)max=mbxm.cosEacOSSbcOsEn该取样线上的裂隙频率为各组节理的裂隙频率之和。即111K:maxmbxmaxcosEcOsEbcOsEn(4-3)d.d,dn按裂隙频率K的大小，可将节理分成：疏节理（K=0~lml）：密节理（K=1~10m）：非常密集节理（K=10~100m-1）：压碎或靡棱化带(K=100~1000m-l)。1如果把被裂隙系统切割而造成的最小单元体的体积近似地看作立方体，那么该最小单元体的体积为：()(4-4)Vub =d.dd.式中Vb一一最小单元体的体积：图4-4两组节理的裂隙频率计算图K。、K，、K。一一分别代表三个不同产状的裂隙出现频率。b切割度切割度是指节理在岩体中分离的程度，有些节理可将整个岩体完全切割，而有些节理由于其延伸不长，则只能切割岩体中的一部分，没有将整个岩体分离开。有二向切割度和三向切割度两种，所谓二向切割度，就是岩体内一个平行于裂隙面的截面上，裂隙面积与整个岩石的截面积的比值（如图4-5），用符号K表示。如用式子表示，即K, =ai +a, +a, +...(4-5)A74
74 裂隙频率是指岩体内单位长度直线上所穿过的裂隙条数（条／m），用符号 K 表示。 设有一取样直线，其长度为 l，在沿 l 长度内出现节理的数量为 n，则 K = n l (4-1) 那么裂隙的平均间距 d 为 1/K。当取样线垂直于节理的走向时，则 d 为节理走向的 垂直间距。当节理间距 d>180cm 时，岩体的连续性具有整体的结构性质；d=30~180cm 时，则为块状结构；d<30cm 时，则为碎裂结构，而当 d<6.5cm 时，则称为极碎裂结构。 当岩体上有几组方向的节理时，如图 4-4 所示，有两组节理 Ka1，Ka2 和 Kb1，Kb2。 则沿取样线 x 上的节理平均间距 max 和 mbx 为 a a ax d m cos = ， b b bx d m cos = ，.， n n nx d m cos = (4-2) 该取样线上的裂隙频率为各组节理的裂隙频率之和。即 max mbx mnx K 1 1 1 = + ++ n n b b a a d d d cos cos cos = + ++ (4-3) 按裂隙频率 K 的大小，可将节理分成：疏 节理（K=0~1m-1）；密节理（K=1~10m-1）；非 常密集节理（K=10~100m-1）；压碎或靡棱化带 （K=100~1000m-1）。 如果把被裂隙系统切割而造成的最小单元 体的体积近似地看作立方体，那么该最小单元 体的体积为： = = a b c ub a b c K K K V d d d 1 1 1 (4-4) 式中 Vub ——最小单元体的体积； Ka 、 Kb 、 Kc ——分别代表三个不同产状的裂隙出现频率。 b 切割度 切割度是指节理在岩体中分离的程度，有些节理可将整个岩体完全切割，而有些节 理由于其延伸不长，则只能切割岩体中的一部分，没有将整个岩体分离开。有二向切割 度和三向切割度两种，所谓二向切割度，就是岩体内一个平行于裂隙面的截面上，裂隙 面积与整个岩石的截面积的比值（如图 4-5），用符号 K2 表示。如用式子表示，即 A a a a K + + + = 1 2 3 2 (4-5) 图 4-4 两组节理的裂隙频率计算图
式中A一一总的岩石截面积：a1、c2、a3一一分别表示裂隙的面积。平行节理断面显然，当岩石截面上没有裂隙通过时，则K2=0：若岩石截面上布满裂隙面时，则K2=1。按照切割度的大小，可将岩体分N节理面通过岩石断面为以下几类，见表4-2。可以看出，上述的切割度只能说图4-5结构面的二向分布明岩体沿某一个平面被切割的程度。有时为了研究岩体内部某组节理切割的程度，可用三向切割度来表示。三向切割度就是指某一组裂隙在岩体中所占据的总的裂隙面积与岩体的体积之比值，用K3表示，即(4-6)K3=KK2以上说明，结构面的密集程度决定着结构体的尺寸和形状，能表征岩体的完整程度。当结构面的发育组数较多、密度较大时，则表4-2岩体按切制磨的分类结构体块度越小，岩体的完整程度越差，其名称切割度强度也越低。0.1~0.2完整的4.2.2结构体及其力学特点若节理的0.2~0.40.4~0.6中等节理的岩体中被结构面切割成的分离块体称强节理的0.6~0.8为结构体。结构体的特征可以用它的形状、0.8~1.0完全节理化产状和块度来描述。结构体的形状是多种多样的，有板状、柱状、楔锥状等几何形体（如图4-6）。一般在构造变动轻微的地区，多是由一种形状的结构体组成，如在玄武岩流纹岩体中，常见柱状结构体，在花岗岩体中多呈短柱状结构体，在缓倾角层状岩体中（如厚层砂岩及石灰岩）多为平置的板状及短柱状结构体而在构造作用剧裂的地区则常呈现由多种类型结构体组合的组合体。结构体的块度大小取决于结构面的密度。结构面的密度愈大、结构体的块度愈小；反之，块度愈大。块度的大小常用每立方米岩体内含有结构体的个数来表示。结构体的力学性质主要受组成它的岩石性质影响，即受矿物颗粒间的联结特征及微裂隙发育状况等因素的影响。如大部分的岩浆岩、变质岩及部分沉积岩属刚性的结晶联结，它具有弹性变形、脆性破坏的特征；沉积岩中的砂岩、页岩及粘土岩属韧性的胶体联结，它具有塑性变形、柔性破环的特点。不过，胶体联结如经脱水陈化也可能转化为性联结。联结特征不仅影响岩石的变形和破环机制，而且影响其强度，当联结强度大75
75 式中 A——总的岩石截面积； a1、a2、a3——分别表示裂隙的 面积。 显然，当岩石截面上没有裂隙通 过时，则 K2=0；若岩石截面上布满裂 隙面时，则 K2=1。 按照切割度的大小，可将岩体分 为以下几类，见表 4-2。 可以看出，上述的切割度只能说 明岩体沿某一个平面被切割的程度。 有时为了研究岩体内部某组节理切割 的程度，可用三向切割度来表示。三向切割度就是指某一组裂隙在岩体中所占据的总的 裂隙面积与岩体的体积之比值，用 K3 表示，即 K3＝KK2 （4-6） 以上说明，结构面的密集程度决定着结构体的尺寸和形状，能表征岩体的完整程度。 当结构面的发育组数较多、密度较大时，则 结构体块度越小，岩体的完整程度越差，其 强度也越低。 4.2.2 结构体及其力学特点 岩体中被结构面切割成的分离块体称 为结构体。结构体的特征可以用它的形状、 产状和块度来描述。 结构体的形状是多种多样的，有板状、 柱状、楔锥状等几何形体（如图 4-6）。一般在构造变动轻微的地区，多是由一种形状 的结构体组成，如在玄武岩流纹岩体中，常见柱状结构体，在花岗岩体中多呈短柱状结 构体，在缓倾角层状岩体中（如厚层砂岩及石灰岩）多为平置的板状及短拄状结构体。 而在构造作用剧裂的地区则常呈现由多种类型结构体组合的组合体。 结构体的块度大小取决于结构面的密度。结构面的密度愈大、结构体的块度愈小； 反之，块度愈大。块度的大小常用每立方米岩体内含有结构体的个数来表示。 结构体的力学性质主要受组成它的岩石性质影响，即受矿物颗粒间的联结特征及微 裂隙发育状况等因素的影响。如大部分的岩浆岩、变质岩及部分沉积岩属刚性的结晶联 结，它具有弹性变形、脆性破坏的特征；沉积岩中的砂岩、页岩及粘土岩属韧性的胶体 联结，它具有塑性变形、柔性破坏的特点。不过，胶体联结如经脱水陈化也可能转化为 刚性联结。联结特征不仅影响岩石的变形和破坏机制，而且影响其强度，当联结强度大 名称 切割度 完整的 0.1~0.2 若节理的 0.2~0.4 中等节理的 0.4~0.6 强节理的 0.6~0.8 完全节理化 0.8~1.0 图 4-5 结构面的二向分布 表 4-2 岩体按切割度的分类
于单个矿物的强度时，胶结物对岩石强度的影响则退居次要地位，而是由矿物的力学性质决定岩石的强度。岩石的物理力学性质除受上述两个因素控制外，岩石和矿物中微裂隙的存在也能产生影响，例如在对一组岩块做变形或强度试验时，往往会出现明显的分散性。11-(h)(f)(g)(c)(d)(e)(a)(b)图4-6结构体的几何形状(a）长方柱体：（b）菱形柱体：（c）三菱柱体：（d）楔形体：(e）锥形体：（)）板柱体：（g）多角柱体：（h）菱形块体4.2.3岩体结构类型1.岩体结构分类依据应用岩体结构的概念来解决岩石力学问题，这一观点已为多数人所接受。但岩体结构的具体划分，则由于应用角度的不同而有所差异。根据地下工程中应用岩体结构的实践与需要，在划分岩体结构时应考虑以下三方面的因素。（1）岩体的工程地质特征与节理化程度。前者包括岩性、构造特征、风化程度、渗流影响等：后者包括结构图4-7工程规模与岩体结构的关系体的形状与大小，结构面的类型等等。(2）结构体积和尺寸与工程规模的对比情况。在确定岩体结构类型时，必须同时考想所研究的岩石力学问题的规模。因为同样的节理化程度，可以因工程规模不同而产生不同的地压问题，并定位不同的结构类型。以图47所示的三种工程来说明。边坡的尺寸与结构体相比，约几十倍以上，岩体应化为块状结构：隧道B的尺寸与结构体相差仅几倍，如果结构面胶结良好，岩体可划为整体结构（均质结构）；如果结构面属于软76
76 图 4-7 工程规模与岩体结构的关系 于单个矿物的强度时，胶结物对岩石强度的影响则退居次要地位，而是由矿物的力学性 质决定岩石的强度。岩石的物理力学性质除受上述两个因素控制外，岩石和矿物中微裂 隙的存在也能产生影响，例如在对一组岩块做变形或强度试验时，往往会出现明显的分 散性。 4.2.3 岩体结构类型 1 岩体结构分类依据 应用岩体结构的概念来 解决岩石力学问题，这一观 点已为多数人所接受。但岩 体结构的具体划分，则由于 应用角度的不同而有所差 异。根据地下工程中应用岩 体结构的实践与需要，在划 分岩体结构时应考虑以下三 方面的因素。 (1) 岩体的工程地质特 征与节理化程度。前者包括 岩性、构造特征、风化程度、 渗流影响等；后者包括结构 体的形状与大小，结构面的 类型等等。 (2) 结构体积和尺寸与工程规模的对比情况。在确定岩体结构类型时，必须同时考 虑所研究的岩石力学问题的规模。因为同样的节理化程度，可以因工程规模不同而产生 不同的地压问题，并定位不同的结构类型。以图 4-7 所示的三种工程来说明。边坡的尺 寸与结构体相比，约几十倍以上，岩体应化为块状结构；隧道 B 的尺寸与结构体相差 仅几倍，如果结构面胶结良好，岩体可划为整体结构（均质结构）；如果结构面属于软 图 4-6 结构体的几何形状 (a) 长方柱体；(b) 菱形柱体；(c) 三菱柱体；(d) 楔形体； (e) 锥形体；(f) 板柱体；(g) 多角柱体；(h) 菱形块体
弱结构面，则岩体可划为镶嵌结构。隧道A尺寸小，甚至小于结构单元体的尺寸，岩体可划为整体结构。可见，工程规模是划分岩体结构的重要依据之(3）岩体在工程范围内所产生的力学效应，也就是说岩X体属于哪一种力学介质，以及(c)(a)(b)(d)可以用哪种力学理论去解决工程范围内所出现的地压问题。2岩体结构类型根据结构面的等级和组合(e)(J)(g)(h)方式以及上述划分原则，把岩图?4图体结构类型分成四个大类与八图4-8岩体结构型式个亚类（见表4-3），图4-8为(a)整体结构：(b）块状结构；(c)层状结构：(d）薄层状结构岩体结构型式。(e）镶嵌结构：(t)层状破碎结构：(g）碎裂结构：(h）散体结构1一节理：2—层理：3一断层：4—断层破碎带岩体结构类型的差异在其变形特征上的反映是很明显的。例如，在整体结构岩体中，因开裂结构面不发育，所以岩体的变形主要是结构体体积的压缩变形和剪切变形所造成的：在碎裂结构的岩体中，因有大量的开裂结构面存在于结构体内，所以岩体的变形既有结构面的变形，也有结构体的变形。而在块状结构的岩体中，岩体的变形主要受贯通性结构面的控制，在外部荷载作用不太大的情况下，结构体的变形可不计。岩体结构类型的划分，不仅可以反映出岩体质量的好坏，同时也为确定岩体的力学介质类型、揭示岩体变形破坏的规律提供了可靠的根据。表4-3岩体结构的基本类型岩体结构结构面特征结构体特征地质背景类型结构面少，一般不超过三组，延续性极整体岩性单一、构造变形轻微的巨厚层差，多呈闭合状态，无充填或含少量碎巨型块状整体结构沉积岩、变质岩、火成侵入岩屑块状结构块状岩性较单一，受轻微构造作用的厚结构面一般2~3组，裂隙延续性极差，块状、菱形块状结构沉积岩和变质岩、火成岩多呈闭合状态。层面有一定的结合力结构面2~3组，以层面为主，有时也有层状受构造破坏轻或较轻的中厚层（大块状、柱状、厚板软弱夹层或层间错动面，其延续性较好，结构状于30cm）岩体层间接合力较差层状结构层理、片理发达，原生软弱夹层、层间薄层状层厚小于30cm，在构造作用下发生错动和小断层不时出现。结构面多为泥板状、薄板状结构强裂裙曲和层间错动膜、碎屑和泥质充填77
77 图 4-8 岩体结构型式 (a) 整体结构；(b) 块状结构；(c) 层状结构；(d) 薄层状结构； (e) 镶嵌结构；(f) 层状破碎结构；(g) 碎裂结构；(h) 散体结构 1—节理；2—层理；3—断层；4—断层破碎带 弱结构面，则岩体可划为镶嵌结构。隧道 A 尺寸小，甚至小于结构单元体的尺寸，岩 体可划为整体结构。可见，工程规模是划分岩体结构的重要依据之一。 (3) 岩体在工程范围内所 产生的力学效应，也就是说岩 体属于哪一种力学介质，以及 可以用哪种力学理论去解决工 程范围内所出现的地压问题。 2 岩体结构类型 根据结构面的等级和组合 方式以及上述划分原则，把岩 体结构类型分成四个大类与八 个亚类（见表 4-3），图 4-8 为 岩体结构型式。 岩体结构类型的差异在其 变形特征上的反映是很明显 的。例如，在整体结构岩体中，因开裂结构面不发育，所以岩体的变形主要是结构体体 积的压缩变形和剪切变形所造成的；在碎裂结构的岩体中，因有大量的开裂结构面存在 于结构体内，所以岩体的变形既有结构面的变形，也有结构体的变形。而在块状结构的 岩体中，岩体的变形主要受贯通性结构面的控制，在外部荷载作用不太大的情况下，结 构体的变形可不计。 岩体结构类型的划分，不仅可以反映出岩体质量的好坏，同时也为确定岩体的力学 介质类型、揭示岩体变形破坏的规律提供了可靠的根据。 表 4-3 岩体结构的基本类型 岩体结构 类 型 地质背景 结构面特征 结构体特征 整体 块状 结构 整体 结构 岩性单一、构造变形轻微的巨厚层 沉积岩、变质岩、火成侵入岩 结构面少，一般不超过三组，延续性极 差，多呈闭合状态，无充填或含少量碎 屑 巨型块状 块状 结构 岩性较单一，受轻微构造作用的厚 沉积岩和变质岩、火成岩 结构面一般 2~3 组，裂隙延续性极差， 多呈闭合状态。层面有一定的结合力 块状、菱形块状 层状 结构 层状 结构 受构造破坏轻或较轻的中厚层（大 于 30cm）岩体 结构面 2~3 组，以层面为主，有时也有 软弱夹层或层间错动面，其延续性较好， 层间接合力较差 块状、柱状、厚板 状 薄层状 结构 层厚小于 30cm，在构造作用下发生 强裂褶曲和层间错动 层理、片理发达，原生软弱夹层、层间 错动和小断层不时出现。结构面多为泥 膜、碎屑和泥质充填 板状、薄板状