以规模不大的结构面为主，但组数多，镶嵌一般发育于脆硬岩层中，结构面组形状不规则，但菱密度大，延续性差，闭合无充填或充填结构角显著数较多，密度较大少量碎屑以碎块状、板状、碎裂层状碎以层面、软弱夹层、层间错动面为主，受构造裂隐切割的层状岩体结构裂结构构造裂隙甚发达短柱状为主碎屑和大小不等碎裂岩性复杂，构造破碎较强烈，弱风延续性极差的结构面，密度大，相互交的岩块。形状多结构化带切种，不规则岩屑、碎片、碎块、散体结构构造破碎带、强烈的风化带裂隙和节理很发育，无规则岩粉4.2.4岩体的特点概括起来，岩体具有以下三方面的特点：1岩体是一种预应力体。这种预应力包括岩体的自重应力、构造应力与地温应力等它们都是早已赋存在岩体内部的应力场。在地下工程设计中，任何内外荷载使岩体产生的应力都必须叠加到预应力场上来考察。2岩石是一种多介质的裂隙体。在自然界，岩石有时表现为散体状，有时表现为碎裂状或整体状，因而形成由松散体一一弱面体一一连续体的一个系列。弱面体存在两种极端状态：一种是岩体中弱面很少或几乎没有，则基本上可以看作均质连续体：另一种是岩体内弱面充分发育，将岩体切割成颗粒状：则基本上可视为松散体。通常，弱面体处于上述两种状态之间，或靠近这一端，或靠近那一端。由于岩体的这种多变性，我们将这一由连续到不连续的系列按其力学特性化分为几种力学介质，例如连续介质、砌块体介质、散体介质等等。在进行地下工程设计时，必须首先判断岩体所属的力学介质类型，然后分别选用相应的数学力学方法求解，而不应强求一律。3岩体是地质体的一部分，它的边界条件就是周围的地质体。这说明岩体处于一定的地质物理环境之中，如水、空气与地温等，它们不仅对岩体的物理力学性质有很大影响，而且本身往往是使工程岩体不稳定的重要因素，在设计中也不容忽视。此外，地质体还说明，在岩石力学中不仅要研究岩体的现状，而且要研究它的历史。岩石力学是介于地质力学与固体力学之间的边缘科学，要解决岩石力学问题必须具备一定的地质与地质力学知识，而各种数学方法的运用则自始至终需要以相当准确的地质资料与实测数据为基础。4.3结构面的力学性质结构面或不连续面的力学性质主要表现在三个方面：法向应力作用下产生的法向变形：在剪应力作用下产生的剪切变形：结构面的抗剪强度。78
78 碎裂 结构 镶嵌 结构 一般发育于脆硬岩层中，结构面组 数较多，密度较大 以规模不大的结构面为主，但组数多， 密度大，延续性差，闭合无充填或充填 少量碎屑 形状不规则，但菱 角显著 层状碎 裂结构 受构造裂隙切割的层状岩体 以层面、软弱夹层、层间错动面为主， 构造裂隙甚发达 以碎块状、板状、 短柱状为主 碎裂 结构 岩性复杂，构造破碎较强烈，弱风 化带 延续性极差的结构面，密度大，相互交 切 碎屑和大 小不等 的岩块。 形状多 种，不规则 散体结构 构造破碎带、强烈的风化带 裂隙和节理很发育，无规则 岩屑、碎片、碎块、 岩粉 4.2.4 岩体的特点 概括起来，岩体具有以下三方面的特点： 1 岩体是一种预应力体。这种预应力包括岩体的自重应力、构造应力与地温应力等， 它们都是早已赋存在岩体内部的应力场。在地下工程设计中，任何内外荷载使岩体产生 的应力都必须叠加到预应力场上来考察。 2 岩石是一种多介质的裂隙体。在自然界，岩石有时表现为散体状，有时表现为碎 裂状或整体状，因而形成由松散体——弱面体——连续体的一个系列。弱面体存在两种 极端状态：一种是岩体中弱面很少或几乎没有，则基本上可以看作均质连续体；另一种 是岩体内弱面充分发育，将岩体切割成颗粒状，则基本上可视为松散体。通常，弱面体 处于上述两种状态之间，或靠近这一端，或靠近那一端。由于岩体的这种多变性，我们 将这一由连续到不连续的系列按其力学特性化分为几种力学介质，例如连续介质、砌块 体介质、散体介质等等。在进行地下工程设计时，必须首先判断岩体所属的力学介质类 型，然后分别选用相应的数学力学方法求解，而不应强求一律。 3 岩体是地质体的一部分，它的边界条件就是周围的地质体。这说明岩体处于一定 的地质物理环境之中，如水、空气与地温等，它们不仅对岩体的物理力学性质有很大影 响，而且本身往往是使工程岩体不稳定的重要因素，在设计中也不容忽视。 此外，地质体还说明，在岩石力学中不仅要研究岩体的现状，而且要研究它的历史。 岩石力学是介于地质力学与固体力学之间的边缘科学，要解决岩石力学问题必须具备一 定的地质与地质力学知识，而各种数学方法的运用则自始至终需要以相当准确的地质资 料与实测数据为基础。 4.3 结构面的力学性质 结构面或不连续面的力学性质主要表现在三个方面；法向应力作用下产生的法向变 形；在剪应力作用下产生的剪切变形；结构面的抗剪强度
4.3.1结构面的法向变形研究结构面的法向变形规律一般采用室内试验的方法，因此必须首先在现场采取结构面样品，此项工作非常复杂，应注意尽可能不破坏结构面的原始状态。然而采用天然结构面进行压缩试验。通常由于采样和试样加工等方面的困难，有时也可以考虑用相似材料制作人工节理模拟天然节理。1结构面的法向变形特征在同一种岩体中分别取一件不含结构面的完整岩块试件和一件含结构面的岩块试件。然后，分别对这两种试件施加连续法向压应力，可得到如图4一9所示的应力一变形关系曲线。如果设不含结构面岩块的变形为△V，，含结构面岩块的变形为△V，。则结构面的法向闭合变形△V,为3030eaeo/含嵌合结！含非嵌合结25块构面岩块构面岩块11e2020115h1561可1AA10H10FAV州州1 VmV-50.10.20.30.40.50.0.10.20.3 0.40.50.6闭合变形V（）法向变形4V）(a)(b)图4-9结构面法向应力与变形的关系曲线AV,=AV-AV,(4-7)利用(4-7)式，可得到结构面的α，一△V，曲线，如图4一9(b)所示。从图所示的资料及试验研究可知，结构面的法向变形有以下特征。（1）开始时随着法向应力的增加，结构面闭合变形迅速增长，，一△V曲线及，一△V，曲线均呈上凹型。当α,增到一定值时，，一△V，曲线变陡，并与α，-△V,曲线大致平行。说明这时结构面已基本上完全闭合，其变形主要是岩块变形贡献的。而△V,则趋于结构面最大闭合量Vm（图4一9(b))。(2）从变形上看，在初始压缩阶段，含结构面岩块的变形△V，主要是由结构面的闭合造成的。有试验表明，当α，=1MPa时，△V/△V可达5～30，说明△V占了很79
79 4.3.1 结构面的法向变形 研究结构面的法向变形规律一般采用室内试验的方法，因此必须首先在现场采取结 构面样品，此项工作非常复杂，应注意尽可能不破坏结构面的原始状态。然而采用天然 结构面进行压缩试验。通常由于采样和试样加工等方面的困难，有时也可以考虑用相似 材料制作人工节理模拟天然节理。 1 结构面的法向变形特征 在同一种岩体中分别取一件不含结构面的完整岩块试件和一件含结构面的岩块试 件。然后，分别对这两种试件施加连续法向压应力，可得到如图 4－9 所示的应力—变 形关系曲线。如果设不含结构面岩块的变形为 V r ，含结构面岩块的变形为 Vt 。则 结构面的法向闭合变形 Vj 为 Vj = Vt − Vr (4-7) 利用(4-7)式，可得到结构面的 n − V j 曲线，如图 4—9(b)所示。从图所示的资 料及试验研究可知，结构面的法向变形有以下特征。 (1) 开始时随着法向应力的增加，结构面闭合变形迅速增长， n − V 曲线及 n − V j 曲线均呈上凹型。当 n 增到一定值时， n − V t 曲线变陡，并与 n − V r 曲线大致平行。说明这时结构面已基本上完全闭合，其变形主要是岩块变形贡献的。而 Vj 则趋于结构面最大闭合量 Vm (图 4—9(b))。 (2) 从变形上看，在初始压缩阶段，含结构面岩块的变形 Vt ，主要是由结构面的 闭合造成的。有试验表明，当 n ＝1MPa 时， Vt Vr 可达 5～30，说明 Vt 占了很 图 4-9 结构面法向应力与变形的关系曲线
大一部分。当然，具体的△V/△V大小还取决于结构面的类型及其风化变质程度等因素。(3）试验研究表明，当法向应力大约在α。/3处开始，含结构面岩块的变形由以结构面的闭合为主转为以岩块的弹性变形为主。(4）结构面的α一△V，曲线大致为一以△V=V为渐近线的非线性曲线（双曲线或指数曲线）。试验研究表明：α，-△V，曲线的形状与结构面的类型及壁岩性质无关，其曲线形状可用初始法向刚度及最大闭合量V来确定。结构面的初始法向刚度是一个与结构面在地质历史时期的受力历史及初始应力（α）有关的量，其定义为α，一△V，曲线原点处的切线斜率，即：aa.Ko(4-8),=0(5）结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度。因为结构面是凹凸不平的，两壁面间无论多高的压力（两壁岩石不产生破坏的条件下），也不可能达到100%的接触。试验表明，结构面两壁面一般只能达到40%～70%左右的接触。如果分别对不含结构面和含结构面岩块连续施加一定的法向荷载后，逐渐卸荷，则可得到如图4一10所示的应力一变形曲线。图4一11为几种风化和末风化的不同类型结构面，在三次循环荷载下的，一△V，曲线。由这些曲线可知，结构面在循环荷载下的变形有如下特征。岩快嵌合结构面非嵌合结构面上H550dAB-A1B?C-A401/AV30AN201o0. 02 0, 04 0. 06 0, 08 0. 10 0. 12 0, 14 0, 16 0. 18 0. 20 0, 22 0, 24 0, 26法向变形V（叫）图4一10石灰岩中嵌合和非嵌合的结构面加载、卸截曲线（据Bandis等，1983)(1)结构面的卸荷变形曲线(α，-△V)仍为一以△V,=V㎡为渐近线的非线性曲线。卸荷后留下很大的残余变形（图4一10)不能恢复。不能恢复部分称为松胀变形。据研究，这种残余变形的大小主要取决于结构面的张开度(e)、粗糙度(JRC)、壁岩强度(JCS)80
80 大一部分。当然，具体的 Vt Vr 大小还取决于结构面的类型及其风化变质程度等因 素。 (3) 试验研究表明，当法向应力大约在 c 3 处开始，含结构面岩块的变形由以结 构面的闭合为主转为以岩块的弹性变形为主。 (4) 结构面的 n − V j 曲线大致为一以 Vj = Vm 为渐近线的非线性曲线（双曲 线或指数曲线）。试验研究表明： n − V j 曲线的形状与结构面的类型及壁岩性质无 关，其曲线形状可用初始法向刚度及最大闭合量 Vm 来确定。结构面的初始法向刚度是 一个与结构面在地质历史时期的受力历史及初始应力（ n0 ）有关的量，其定义为 n − V j 曲线原点处的切线斜率，即： 0 0 = = Vj j n n V K (4-8) (5) 结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度。因为结构面是凹凸不平的，两 壁面间无论多高的压力(两壁岩石不产生破坏的条件下)，也不可能达到 100％的接触。 试验表明，结构面两壁面一般只能达到 40％～70％左右的接触。 如果分别对不含结构面和含结构面岩块连续施加一定的法向荷载后，逐渐卸荷， 则可得到如图 4－10 所示的应力—变形曲线。图 4－11 为几种风化和末风化的不同类型 结构面，在三次循环荷载下的 n − V j 曲线。由这些曲线可知，结构面在循环荷载下 的变形有如下特征。 图 4－10 石灰岩中嵌合和非嵌合的结构面加载、卸截曲线(据 Bandis 等，1983) (1) 结构面的卸荷变形曲线( n − V j )仍为一以 Vj = Vm 为渐近线的非线性曲 线。卸荷后留下很大的残余变形(图 4－10)不能恢复。不能恢复部分称为松胀变形。据 研究，这种残余变形的大小主要取决于结构面的张开度(e)、粗糙度(JRC)、壁岩强度(JCS)
及加、卸载循环次数等因素。(2）对比岩块和结构面的卸荷曲线可知，结构面的卸荷刚度比岩块的加荷刚度大（图4-10)。(3）随着循环次数的增加，α，一△V，曲线逐渐变陡，且整体向左移，每次循环下的结构面变形均显示出滞后和非弹性变形（图4一11）。（4）每次循环荷载所得的曲线形状十分相似（图4一11），且其特征与加载方式和受载历史无关。2结构面的法向变形本构关系为了反映结构面的变形性质与变形过程，需要研究其应力一变形关系，即结构面的变形本构方程。但这方面的研究目前仍处于探索阶段，已提出的本构方程都是在试验的基础上总结出来的经验方程，如Goodman，Bandis及孙广忠等人提出的方程。?C50??135@板岩劈理面板岩劈理面4030:1e<0.10me=0.5m3025.:20201510-.101???400灰岩层面??1Ue0.2m30 140灰岩#理面(edwe=0.5am20T)"O01*0201010?②50?160?:.?40[闪长若节屋50粉砂岩层面..= 0, 15起2=0.6m4030.-ss$-:-3020i20//tbj(a)107100.020.040,060.080.050.100.150.200.250.300.350.40AVitma)Vi(m)图4-11循环荷载条件下结构面的α，-△V曲线（据Bandis等，1983）a未风化结构面：b中风化结构面81
81 及加、卸载循环次数等因素。 (2) 对比岩块和结构面的卸荷曲线可知，结构面的卸荷刚度比岩块的加荷刚度大(图 4－10)。 (3) 随着循环次数的增加， n − V j 曲线逐渐变陡，且整体向左移，每次循环下 的结构面变形均显示出滞后和非弹性变形（图 4－11）。 (4) 每次循环荷载所得的曲线形状十分相似（图 4－11），且其特征与加载方式和受 载历史无关。 2 结构面的法向变形本构关系 为了反映结构面的变形性质与变形过程，需要研究其应力—变形关系，即结构面的 变形本构方程。但这方面的研究目前仍处于探索阶段，已提出的本构方程都是在试验的 基础上总结出来的经验方程，如 Goodman，Bandis 及孙广忠等人提出的方程。 图 4－11 循环荷载条件下结构面的 n − Vj 曲线（据 Bandis 等，1983） a 未风化结构面； b 中风化结构面
古德曼(Goodman，1974)提出用如下的双曲函数拟合结构面法向应力α与闭合变形△V间的本构关系：AV(4-9)a0nO-AVUnf或AV.(4-10)式中no结构面所受的初始法向应力。式(4-9)或(4一10)所描述的曲线如图4一12所示，为一以△V，=V.为渐近线的双曲线。这一曲线与图4一7所示的试验曲线相比较，其区别在于Goodman方程所给曲线的起点不在原点，而是在，轴左边无穷远处。另外出现了一个所谓的初始应力no。这些虽然与试验曲线有一定的出入，但对于那些具有一定滑错位移的非嵌合性结构面，大致可以用式（4一9)或式(4一10）来描述a.l1其法向变形本构关系。斑迪斯等(Bandis等，1983)在研究了大量试验曲线的基础上，提出了如下的本构方程。AV,00a,=(4-11)a-bVVTA-t式中，a，b为系数，为求a，b，改写式(4-11)图4-12Goodman方程表示的结构面1(4-12)n的法向变形曲线a-bAV,1a或(4-13)o.AV→V=a由式（4-11)，当，→8时，则△V，所以有b0b=(4-14)V.由初始法向刚度的定义式(4-8)可知：82
82 古德曼(Goodman，1974)提出用如下的双曲函数拟合结构面法向应力 n 与闭合变 形 Vj 间的本构关系： 1 n0 m j j n V V V + − = (4-9) 或 = − n n Vj Vm 0 1 (4-10) 式中 n0 ——结构面所受的初始法向应力。 式(4－9)或(4－10)所描述的曲线如图 4－12 所示，为一以 Vj = Vm 为渐近线的双 曲线。这一曲线与图 4－7 所示的试验曲线相比较，其区别在于 Goodman 方程所给曲线 的起点不在原点，而是在 n 轴左边无穷远处。另外出现了一个所谓的初始应力 n0 。 这些虽然与试验曲线有一定的出入，但对于那些具有一定滑错位移的非嵌合性结构面， 大致可以用式(4－9)或式(4－10)来描述 其法向变形本构关系。 斑迪斯等(Bandis 等，l983)在研究了 大量试验曲线的基础上，提出了如下的本 构方程。 j j n a b V V − = (4-11) 式中，a，b 为系数，为求 a，b，改写式 （4－11） b V a j n − = 1 (4-12) 或 b V a n j − = 1 (4-13) 由式（4－11），当 n → 时，则 b a Vj →Vm = ，所以有 Vm a b = (4-14) 由初始法向刚度的定义式(4-8)可知： 0n 图 4－12 Goodman 方程表示的结构面 的法向变形曲线