节理对岩体力学性质的影响
指导老师：王乐华
三峡大学土木水电学院
摘要：人类改造地球的能力日新月异，各项工程蓬勃发展，在水利水电、民用建筑等工程中，地基岩体的强度是我们关注的重点。我们知道，影响岩体强度的主要因素有节理和裂隙，节理面和裂隙处是岩体薄弱的地方。岩体的节理在工程上除了有利于开挖外，对岩体强度及稳定性均有不理的影响。通过对节理更全面的描述以及深入的受力分析，充分了解节理对岩体力学性质的影响，对我们施工
一定的意义和启发。
关键词：节理 岩体 岩体强度
1 节理的定义及分类
构成地壳的岩体受力的作用后发生变形，当变形达到一定程度时，岩体的连续性与完整性遭到破坏，产生各种大小不一的破裂，如果沿破裂面没有发生显著的位移，这个破裂面就称为节理；如果发生过显著的位移，就叫做断层。
节理是很常见的一种构造地质现象，就是我们在岩石露头上所见的裂缝，或称岩石的裂缝。在岩石露头上，到处都能见到节理。节理以平面居多，多相互平行，形成节理组，可把岩石分割成具有一定几何形状的块状裂隙系统。古老节理常有造岩矿物填充。
1.1 按节理的成因，节理包括原生节理和次生节理两大类。
原生节理是指成岩过程中形成的节理。例如沉积岩中的泥裂，火花熔岩冷凝收缩形成的柱状节理，岩浆入侵过程中由于流动作用及冷凝收缩产生的各种原生节理等。
次生节理是指岩石成岩后形成的节理，包括非构造节理（风化节理）和构造节理。
其中构造节理是所有节理中最常见的，它是在地质构造运动作用下于岩石中所形成的节理，常成组出现，与当地的褶皱、断层构造有关；在空间分布上具有一定的规律性。
非构造节理是岩石在非地质动力(如风化、山崩、地陷、河谷解压、冰川活动、人工爆破等)作用下所形成的，多发育在靠近地表或浅部的岩石中。岩石在成岩过程中因冷凝或干缩所形成的原生节理也属于非构造节理。
1.2 按节理与岩层的产状要素的关系，可分为四种节理：
走向节理：节理的走向与岩层的走向一致或大体一致。
倾向节理：节理的走向大致与岩层的走向垂直，即与岩层的倾向一致。
斜向节理：节理的走向与岩层的走向既非平行，亦非垂直，而是斜交。
顺层节理：节理面大致平行于岩层层面。
其中，前三种最为常见。
1.3 按节理的走向与区域褶皱主要方向、断层的主要走向或其他线形构造的延伸方向等关系而进行，可划分为三种节理：
纵节理：两者的关系大致平行。
横节理：二者大致垂直。
斜节理：二者大致斜交。
如果褶皱轴延伸稳定，不发生倾伏的话（水平褶皱），则走向节理相当于纵节理，倾向节理相当于横节理，斜向节理相当于斜节理。
1.4 按照力学性质，构造节理又可分为伸张节理及剪切节理。
伸张节理是垂直于最小主应力轴方向(平行于最大主应力轴方向)发生张裂所形成的节理，常发育在褶皱构造中背斜及向斜的轴部，且垂直于褶皱轴面。伸张节理一般不平直、裂面较粗糙、间距大且分布不均匀，很少密集成带，沿其走向及倾向都延伸不远。伸张节理两壁常张开，剖面上呈上宽下窄的楔形，裂隙宽窄变化较大，易被造岩矿物充填；在砾岩中发育的伸张节理常绕过砾石。伸张节理往往成为地下水的良好通道。
剪切节理系岩石因剪切破坏而形成的节理，多出现在褶皱的两翼或断层附近，沿节理走向及倾向延伸较远，发育的密度较大，节理间距小而具有等间距性。沿节理面可能发生轻微位移，节理面平直而光滑，裂隙闭合，有时留有擦痕及磨光面。剪切节理常沿剪切面成群的平行分布，且通常有两组不同方向的节理，交叉成X型，称为共轭节理，将岩体切割成菱块状或豆腐状，最大主应力轴即平分共轭节理的锐角。在砾岩中发育的剪切节理常切穿砾石，而不改变其方向。当岩层受到水平挤压应力时，初期在层面上产生两组平面剪切节理；当水平压力继续作用时，岩层弯曲形成褶皱，在其轴部的剖面上产生另一对剪切节理。由于剪切节理呈交叉状，且互相将岩层切割成碎块状，破坏了岩体的完整性；剪切节理面常成为易于滑动的不连续面。
2 节理的野外量测及室内数据统计分析
为了反应节理的分布规律及其对岩体稳定性的影响，对节理需要进行野外量测及室内数据统计分析。调查量测时应先在工作区域选择一具有代表性的岩层露头，对一定面积内的节理进行走向、倾向及倾角测量，并计量长度、宽度、间距，观察填充情形、含水情况及节理面的粗糙度，且研究节理的成因。当节理面出露不佳时，常利用硬纸片或金属薄片插入裂隙中，用测量纸片的数据代替节理的位态。
统计节理的位态有各种图式，节理玫瑰图是较常用的一种，它可用来表示节理发育程度的大小(即方位与组数)。节理玫瑰图分成走向玫瑰图及倾向玫瑰图两种。
节理玫瑰图的编制方法很简单，很有实用价值，但最大的缺点是不能在同一张图上将节理的走向、倾向及倾角同时表示出来。为了改正这项缺点，一般最常用的就是圆球投影法(即赤平极射投影法)，并用计算机统计与绘图。
3 节理对岩体力学性质的影响
节理是岩石(体)内具有一定形态、尺度、方向和特性的面、层、缝或带状地质界面或弱面。节理构形和力学性质直接影响岩石(体)的强度和稳定性。岩体中的节理是岩体中力学强度相对薄弱的部位，它导致岩石力学性质的不连续、不均一性及异向性。岩体的节理特征(如位态、组数、间距、密度等)对岩体在一定载重下的变形与破坏方式及强度特征产生重要的控制作用；同时岩体中的节理常常成为决定岩体稳定性的控制面。靠近地表的岩体，其节理特征在很大程度上确定了外营力对岩体的劣化过程；这是由于节理面往往是这些外营力的风化、侵蚀作用能深入岩体内部的重要通道，尤其是那些所处地形上的部位及水文地质部位均有利于外营力沿之积极活动的不连续面(带)。
节理对岩体的影响程度，除与节理本身的力学性质有关，主要取决于节理与主平面（ ）的交角 。在围压 为定值的情况下，当 = + ／2,岩体的强度最低，承载能力最小，其极限莫尔圆的直径亦最小，如图1；当角增大或减小，岩体的强度随之加大，极限莫尔圆的直径亦随之增大，当 < 或 > 时，岩体的强度即取决于岩石的强度，而与节理的存在无关。
图1.节理面极限莫尔圆直径与β之间的变化曲线
岩石材料的穆尔破坏包络线是被节理切割后的岩体之强度上限；岩体中最光滑的节理或最软弱的节理之包络线则为其强度之下限。被节理切割的岩体，其破坏包络线介于两者之间，但偏上或偏下则与节理的位态、组合情况、粗糙度、密度等有关。许多模型试验证明，岩体的破坏包络线在低围压时较陡，而在高围压时变得较平缓.
围压的大小对岩体强度的影响很大。一般而言，在低围压时常呈轴向劈裂，沿节理面滑动或松胀解体破裂；在高围压时形成穿切岩石材料的共轭剪切面破坏。围压增大，则岩体抗剪强度增大，但并非呈直线关系，而是在围压低时增加得快，在围压高时强度增加得慢。随着围压的增大，岩体中节理面的力学效应逐渐减小；当围压达到某一临界值时岩体中节理面的效应完全消失，这时岩体也从脆性破坏变成延性破坏。而这一临界值的大小则因岩性不同而不同。对粒化大理石而言，当围压为20MPa时，岩体的强度可以达到岩石强度的80%。
因节理的组合及受力状态不同，岩体的破坏方式也不同；一般有以下几种：
(1)轴向劈裂，即沿着受力方向劈开，一般发生于高角度的节理及处于低围压时；
(2) 沿节理面滑动破坏，多在节理面与最大主应力呈30至50度角，且围压不高时发生；
(3)切穿岩石材料，多发生在高围压状况下，形成共轭剪切面破坏，其锐角被最大主应力轴所平分；
(4)部份沿节理面滑动，部份穿切岩石材料；即沿岩块及节理混合剪切。
(5)由于岩体中节理在受力条件下发生扩展、张开，又因为被节理切割后所形成的岩块发生了偏转、压碎等情况，所以使岩体发生松胀破坏；这多发生在节理组数较多、围压很低的情况下。
岩体的破坏型式不同，其强度也是不同。
岩体中的节理在工程上除了有利于开挖外，对岩体的强度及稳定性均有不利的影响。节理切割的岩体，其强度介于岩石强度及不连续面(即节理面)强度之间。它一方面受岩石材料性质的影响，另一方面取决于岩块的活动自由度，而后者又受节理特征及储存条件(如地应力、地下水、温度等)的控制。当岩体沿节理面整体滑动破坏时，其强度取决于节理面的强度。
然而，由于节理构形的不规则性，传统的岩石力学方法难以合理地定量描述节理构形的几何形态及其对节理力学性质的影响。最近研究发现节理构形呈现分形特征，分形可以作为定量描述节理面几何构形和表面粗糙性，研究节理面构形对节理力学性质影响的有效手段。已取得的研究进展和成果主要有：节理面粗糙性的分形描述、粗糙节理面的分形特征与力学性质、粗糙节理表面的多重分形性质、分形节理力学行为的光弹实验研究。
