岩石工程节理力学

**章绪论 国际岩石力学与工程学会（International Society for Rock Mechanics and Engineering，ISRM）将岩石节理定义为“单个或成组出现的打破岩体连续性的不连续面，且在平行于不连续面的方向上没有明显的移动”（ISRM，1978）。一般地，将岩石矿物颗粒间的不连续面称为微观裂隙，将尺度达数米甚至数千千米的不连续面称为断层，而用于力学试验的岩石节理的尺度多介于5～300mm。而是否产生“明显的移动”则与观测尺度有关。节理是地壳上部岩体中发育*为广泛的一种构造，是油气资源、地下水等流体储集场所和运移通道，是影响工程岩体变形和稳定的关键因素。 1.1形成原因 1.1.1地质成因 按地质成因，岩石节理可分为原生节理、构造节理和次生节理。原生节理主要指在岩体形成过程中产生的不连续面，如图1.1所示，包括岩浆岩冷却收缩形成的节理面，沉积岩体内的层理面、不整合面，变质岩体内的片理、片麻理构造面等。除岩浆岩中的原生节理外，一般原生节理多为非开裂式，且有一定的黏聚力。构造节理指在岩体形成后，经地壳运动过程岩体内产生的各种破裂面，如图1.2所示，如新层面、错动面和劈理等。构造节理是岩体内*主要的不连续面。次生节理指在外力作用下产生的不连续面，如图1.3所示，如风化裂隙、卸荷裂隙等，多为张节理，表面粗糙，产状不规则。表1.1（杜时贵，1999）列出了岩石节理的类型及其主要特征等。 1.1.2力学成因 任何岩石节理都是在一定的力学条件下形成的，从应力角度考察，直接形成节理的应力只有剪应力、张应力两种，对应产生的节理称为剪节理、张节理。 1.剪节理 剪节理是在剪切面上发展而成的，理论上成对出现，自然界的实际情况也经常如此，不过成对的两组剪节理的发育程度可能不同。剪节理的峰值摩擦角一般为30°～50°，残余摩擦角一般为20°～40°。剪节理的主要特征如下（徐开礼和朱志澄，1989）。 （1）产状较稳定，沿走向延伸较远；当穿过岩性差别显著的不同岩层时，其产状可能发生改变，反映出岩性对剪节理的方位有一定的控制作用。 （2）表面平直光滑，这是由其受力特点决定的。在砾石、角砾岩或含有结核的岩层中，剪节理同时切过胶结物及砾石或结核，由于沿剪节理面可以有少量的位移，可通过被错开的砾石确定节理两侧岩壁的相对移动方向。 （3）剪节理面上常有剪切滑动时留下的擦痕，可用于判断节理两侧岩壁的相对移动方向。擦痕常表现为一系列细而密、较均匀且彼此平行的线条，或者为一系列相间排列的擦脊和擦槽。擦痕是剪节理运动过程中由被压碎的岩石细屑在岩层面上碾磨刻划而成的。仔细观察，可以见到擦痕的一端粗而深，另一端细而浅。用手触摸，较光滑方向指示对盘的运动方向（但并不十分可靠）；也可用以自粗而深的一端至细而浅的一端指示对盘的运动方向。但擦痕两端的粗细深浅有时并不明显，比较可靠的方法是利用擦痕面上出现的阶步和反阶步判断。阶步是剪节理顺擦痕方向因局部阻力差异或间歇性运动的顿挫而形成的垂直于擦痕的小台阶，阶步的形态特征是将其放平后在剖面上呈不对称的缓波状曲线，与风成波痕相似，可用较陡坡的倾向指示对盘的相对运动方向。反阶步形态与阶步形态大致相似，但二者的显著区别是反阶步的缓坡和陡坡并不是以圆滑曲线连续过渡，而是以开口的折线连接。 （4）一般发育较密，节理间距较小，常密集成带，硬而厚的岩层中的节理间距大于软而薄的岩层，发育疏密也与应力状态有关。 （5）主剪节理两侧常伴有羽状微裂面（羽列现象），往往一条剪节理并非只有单一的一条节理，而是由若干条方向相同、首尾相接的小节理呈羽状排列而成。图1.4（徐开礼和朱志澄，1989）所示为剪切试验形成的两组羽列剪节理A与B：A组羽列微剪裂面与主剪裂面MN的夹角为′，一般为10°～15°，相当于内摩擦角的一半；B组羽列微剪裂面与MN的夹角为γ′。与主裂面的锐夹角指示本盘运动方向。天然岩石常见的是A组微剪裂面，B组常常不发育。 （6）剪节理的张开度较小，常呈闭合状，但风化或地下水的溶蚀作用可以扩大节理的张开度。 （7）典型的剪节理常常组成共轭X形剪节理系。X形剪节理发育良好时，将岩石切割成菱形、棋盘格式，如图1.5所示。共轭X形剪节理的交线表示主应力σ2的方向，两组节理的夹角平分线分别表示主应力σ1和σ3的方向。根据莫尔-库仑强度准则，X形剪节理的锐夹角平分线与主应力σ1的方向一致。在实际应用中，一般通过观察剪节理的剪切方向来确定其反映的应力方位。 2.张节理 张节理是某方向上的拉应力超过岩石的抗拉强度而形成的垂直于张应力方向的破裂面，如图1.6所示。张节理的峰值摩擦角一般为40°～50°，残余摩擦角一般为30°～45°。张节理的主要特征如下（夏才初和孙宗颀，2002；徐开礼和朱志澄，1989）。 （1）产状不甚稳定，往往延伸较短，单条节理短而弯曲，常侧列产出。 （2）面壁粗糙不平，无擦痕。 （3）在胶结不太坚实的砾岩或砂岩中，张节理往往绕砾石或粗砂粒而过。 （4）多呈开口状，宽度变化大，常被岩脉充填。 （5）一般发育稀疏，节理间距较大，而且即使局部地段发育较多，也是稀疏不均的，很少密集成带。 （6）有时呈不规则的树枝状或网络状，有时也追踪共轭X形剪节理形成锯齿状张节理、单裂或共轭雁列式张节理，有时也呈放射状或同心圆状组合形式。 （7）张节理是在垂直于节理面的张应力作用下形成的，其垂线指示主应力σ3的方向。在上拱作用下形成的张节理，总体上常排列成放射状或同心圆状。 剪节理和张节理的特征是在一次变形中形成的节理所具有的特征。若岩石或岩层经历多次变形，早期节理的特点在后期变形中可能被改造或被破坏。即使在同一次变形中，各种因素干扰，也会使节理不具备上述典型特征，因此在鉴别节理的力学性质时，需要注意三点：①必须选取未受后期改造的节理；②不能单纯依据个别露头上节理的特点，而应对区域内许多测点或露头上节理的特点进行分析比较；③鉴别节理的力学性质应结合与节理有关的构造和岩石的力学性质进行分析。由于构造变形作用的递进发展和相应转化，会发生应力的转向或变化，常出现一种节理兼具两类节理性质的特征或过渡特征，表现为张剪性节理。 1.2自然特征与参数采集 岩石节理成因复杂，露头的自然特征（如开闭状态、充填状态和表面形态等）会发生变化。部分岩石节理由于胶结等作用形成具有一定强度的充填物，黏聚力有所增加；而有些经过地下水滑蚀、风化等作用，黏聚力减小甚至完全丧失。岩石节理的自然特征是决定岩体强度和变形的重要因素，准确识别露头特征并对其参数进行采集分析，是岩体力学性质分析的基础工作。露头的自然特征、表征参数或描述见表1.2。 1.2.1自然特征 1.产状 产状表示岩石节理的空间方位，通常假设岩石节理为平面，用走向、倾向和倾角表示其产状，如图1.7（吴顺川等，2021）所示。走向为岩石节理与水平面交线的方向；岩石节理上与走向线垂直并指向下方的直线称为倾向线，倾向线在水平面上投影的方向为倾向；倾角为岩石节理与水平面的夹角。由于走向和倾向是相互垂直的，结构面的产状通常用倾向和倾角两个参数表示。 在岩石节理的统计分析中，一般采用赤平极射投影直接对产状进行二维定量图解分析。假设岩石节理的倾向为（0°≤≤360°）、倾角为（0°≤≤90°），在空间坐标系中，规定z轴为竖直向上，x轴为正东方向，y轴为正北方向，结构面的单位法向量v0可表示为 （1.1） 2.密度 1）线密度 密度是反映岩石节理发育密集程度的指标，常用线密度、体密度、间距等表征。线密度（单位：条/m）指同组岩石节理沿其迹线的垂直方向单位长度上的数量。若以L′表示测线长度，nj为测线长度内的岩石节理数量，则 （1.2） 若沿测线存在多组岩石节理（J1、J2、 ），测线上的线密度为各组岩石节理线密度之和： （1.3） 实际测定岩石节理的线密度时，测线长度可取20～50m。若测线不能沿岩石节理迹线的垂直方向布置，当测线与结构面迹线夹角为、实际测线长度为时，如图1.8所示，则有 （1.4） 岩石节理密集程度按线密度分类，见表1.3。