第第3 3章章 结构面的力学性质结构面的力学性质§3-1 概述§3-2 结构面的类型及其特征§3-3 结构面法向变形与刚度§3-4 结构面切向变形与刚度§3-5 结构面的抗剪强度《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 结构面的概念结构面的概念 结构面是指岩体中存在着的各种不同成因和不结构面是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的同特性的地质界面地质界面，包括物质的分界面、不连续面如，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、不整合面等节理、片理、断层、不整合面等 结构面具有一定的结构面具有一定的方向、延展较大、厚度小的二维面状地质界面方向、延展较大、厚度小的二维面状地质界面§3.1 §3.1 概概 述述《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 •在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，工程岩体常常是沿软弱结构面失稳破坏如马尔帕塞坝溃坝、瓦依昂库岸滑坡等• 在工程荷载作用下，在工程荷载作用下，结构面及其及其充填物的变形是岩体变是岩体变 形的主要组分，控制着工程形的主要组分，控制着工程岩体的变形特性。
特性• 结结构构面面是是岩岩体体渗渗透透水水流流的的主主要要通通道道在在工工程程荷荷载载作作用用下下 结结构构面面的的变变形形又又将将极极大大地地改改变变岩岩体体的的渗透性、、应力分布 及及其其强度因因此此，，预预测测工工程程荷荷载载作作用用下下岩岩体体渗渗透透性性的的变变 化，必须研究结构面的变形性质及其本构关系化，必须研究结构面的变形性质及其本构关系• 工程荷载作用下，岩体中，岩体中应力分布受结构面及其力学性受结构面及其力学性 质的影响质的影响《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 工程实例《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 工程实例《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 秭归县千将坪滑坡秭归县千将坪滑坡2003年年7月月13日零时日零时20分分《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 §3-2 结构面的类型及其特征一、结构面的类型一、结构面的类型火成结构面火成结构面 原生结构面原生结构面 构造结构面构造结构面 次生结构面次生结构面 沉积结构面沉积结构面 变质结构面变质结构面 1 1、按结构面、按结构面按成因可分为按成因可分为 《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 （（（（1 1 1 1）原生结构面：在成岩过程中形成的结构面）原生结构面：在成岩过程中形成的结构面）原生结构面：在成岩过程中形成的结构面）原生结构面：在成岩过程中形成的结构面 A A、沉积结构面、沉积结构面是沉积岩在成岩过程中形成的各种地质界面，是沉积岩在成岩过程中形成的各种地质界面，包括层面、层理、沉积间断面（不整合面、假整合面），及原包括层面、层理、沉积间断面（不整合面、假整合面），及原生软弱夹层等。
生软弱夹层等 B B、火成结构面、火成结构面为岩浆侵入、喷溢冷凝所形成的各种结构面，为岩浆侵入、喷溢冷凝所形成的各种结构面，如流层、流线、火山岩流接触面、各种蚀变带、挤压破碎带以如流层、流线、火山岩流接触面、各种蚀变带、挤压破碎带以及原生节理等这些结构面的产状受侵入岩体与围岩接触面所及原生节理等这些结构面的产状受侵入岩体与围岩接触面所控制 C C、变质结构面、变质结构面为岩体在变质作用过程中所形成的结构面，如为岩体在变质作用过程中所形成的结构面，如片理、片麻理、板理及软弱夹层等变质结构面的产状与岩层片理、片麻理、板理及软弱夹层等变质结构面的产状与岩层基本一致，延展性较差，但它们一般分布密集片理结构面是基本一致，延展性较差，但它们一般分布密集片理结构面是变质结构面中最常见的，其面常常是光滑的，但形态呈波浪状变质结构面中最常见的，其面常常是光滑的，但形态呈波浪状. .片麻理面常呈凹凸不平状，结构面也比较粗糙，变质岩中的软片麻理面常呈凹凸不平状，结构面也比较粗糙，变质岩中的软弱夹层主要是片状矿物，如黑云母、绿泥石、滑石等的富集带，弱夹层主要是片状矿物，如黑云母、绿泥石、滑石等的富集带，其抗剪强度低，遇水后性质就更差其抗剪强度低，遇水后性质就更差. .《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 （（（（2 2 2 2）构造结构面）构造结构面）构造结构面）构造结构面各类岩体在构造运动作用下形成的各种结构面，如劈理、节理、断层、层间错动面等。
节理面在走向延展及纵深发展上，其范围都是有限的，大者一般不过上百米，小者仅有几厘米．张节理面一般粗糙，参差不齐，宽窄不一，延展性较差，剪节理面一般平直光滑，延展性相对较好，节理面上常见有擦痕和各种泥质薄膜，如高岭石、绿泥石、滑石等，因此，剪节理面尽管接触紧密，但却易于滑动 断层面的规模相差比较悬殊，有的深切岩石圈几十公里，有的仅限于地壳表层或只在地表数十米．但是，相对工程而言，断层面一般是延展性较好的结构面．断层面(或帘)的物质成分主要是构造岩，如断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等．层间错动带是在层状岩体中常见的一种构造结构面，其产状一般与岩层一致 延展性较好，结构面中的物质，因受构造错动的影响，多呈破碎状、鳞片状，且含泥质物《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 （（（（3 3 3 3）次生结构面）次生结构面）次生结构面）次生结构面 在地表条件下，由于外力(如风化、地下水、卸荷、爆破等)的作用而形成的各种界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、风化夹层及泥化夹层等． 卸荷裂隙一般发生在岩体有临空面条件的地区，特别是在深切河谷处，延展性不好，常在地表20～40m内发育，裂隙面粗糙不平，常为张开型，充填物多为泥质碎屑． 爆破裂隙是矿山工程中常见的一种次生结构面，爆破裂隙的延展与分布视所在地区岩体特性及爆破的大小而异．一般爆破裂隙的延展范围是有限的，且多呈一组相互平行的、弧状的裂隙面分布． 风化裂隙及风化夹层一般是沿原生夹层和原有结构面发育，多是短小密集，延展性差，仅限于地表一定深度． 泥化夹层是由于水的作用使夹层内的松软物质泥化而成，其产状与岩层基本一致，泥化程度视地下水作用条件而异．泥化夹层一般都是强度很低的，它们是导致岩体失稳破坏的常见因素．《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 按成因分按成因分《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 按成因分按成因分《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 岩浆结构面《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 14Faculty of Civil Engineering, Chongqing University第第第第3 3 3 3章章章章 岩体的力学特性岩体的力学特性岩体的力学特性岩体的力学特性 《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 Mar , 2007Faculty of Civil Engineering, Chongqing University《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 20《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 2、按结构面按受力条件可分为A A、压性结构面、压性结构面：由压应力挤压而成，其走向与最大主应力方向垂直。
如片理面、褶皱轴面、压性节理面等 B B、张性结构面、张性结构面：在拉应力作用下产生的结构面，其走向与最大主应力方向一致结构面是张开的，结构面壁粗糙如张断裂面、张性节理面 C C、扭性结构面、扭性结构面：由纯剪或压张应力引起的剪应力所形成的结构面，结构面壁较光滑，开口或闭口都有可能，往往成对出现如x型断层面，x型节理面D D、压扭性结构面、压扭性结构面：既有压性结构面的特征，又有扭性结构面的特征，但常以其中一种为主 E E、张扭性结构面、张扭性结构面：兼有张性和扭性结构面的双重特征往往成锯齿状《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 二、结构面的分级结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体的形状、方位和大小，控制岩体稳定性的重要因素尤以结构面的规模是最重要的控制因素按结构面发育程度和规模可以划分为如下五级：I I 级结构面级结构面----区域构造起控制作用的断裂带区域构造起控制作用的断裂带Ⅱ Ⅱ 级结构面级结构面----延展性强而宽度有限的地质界面延展性强而宽度有限的地质界面Ⅲ Ⅲ 级结构面级结构面----局部性的断裂构造局部性的断裂构造Ⅳ Ⅳ 级结构面级结构面----节理面节理面V V 级结构面级结构面----细小的结构面细小的结构面《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 •ⅠⅠ级级 指指大断层大断层或或区域性断层区域性断层。
控制工程建设地区控制工程建设地区的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳定性；的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳定性；•ⅡⅡ级级 指延伸长而宽度不大的指延伸长而宽度不大的区域性地质界面区域性地质界面•ⅢⅢ级级 指长度数指长度数十米十米至至数百米数百米的的断层断层、、区域性节理区域性节理、、延伸较好的延伸较好的层面层面及及层间错动层间错动等 ⅡⅡ、、ⅢⅢ级结构面控制着工程岩体力学作用的边级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移界条件和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性岩体的边界面，直接威胁工程安全稳定性《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 •ⅣⅣ级级 指延伸指延伸较差较差的的节理节理、、层面层面、、次生裂隙次生裂隙、小断层、小断层及较发育的及较发育的片理片理、、劈理面劈理面等是构成等是构成岩块岩块的边界面，的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态力分布状态 Ⅳ Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律不太理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律不太容易搞清楚，需用统计方法进行研究容易搞清楚，需用统计方法进行研究•ⅤⅤ级级 又称又称微结构面微结构面。
常包含在岩块内，主要影响岩常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质控制岩块的力学性质块的物理力学性质控制岩块的力学性质《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 •走向、倾向、倾角走向、倾向、倾角•结构面与最大主应力间的关系结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度控制着岩体的破坏机理与强度•据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极限强度据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极限强度与结构面倾角间的关系为：与结构面倾角间的关系为： 1.产状二、结构面特征及其对岩体性质的影响《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 2.连续性•结构面的连续性反映结构面的结构面的连续性反映结构面的贯通程度贯通程度•线连续性系数线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各段长度之：指沿结构面延伸方向，结构面各段长度之和和(Σa)(Σa)与测线长度的比值与测线长度的比值 K K1 1变化在变化在0 0～～1 1之间，之间，K K1 1值愈大说明结构面的连续性愈好，当值愈大说明结构面的连续性愈好，当K K1 1＝＝1 1时，时，结构面完全贯通。
结构面完全贯通《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 3. 密度•结构面的密度反映结构面发育的结构面的密度反映结构面发育的密集程度密集程度•1、、线密度线密度( (KdKd) )是指结构面法线方向单位测线长度上是指结构面法线方向单位测线长度上交切结构面的条数交切结构面的条数(条／条／m)•2 2、、间距间距(d)(d)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离构面的平均距离 KdKd与与d d互为倒数关系互为倒数关系•如果测线是水平布置的，且与结构面法线的夹角为如果测线是水平布置的，且与结构面法线的夹角为αα，，结构面的倾角为结构面的倾角为ββ时时: :《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 • 结构面间距分级表《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 4.张开度•结构面的结构面的张开度张开度是指结构面两壁面间的是指结构面两壁面间的垂直距离垂直距离•结构面两壁面一般不是紧密接触，使结构面实际接触结构面两壁面一般不是紧密接触，使结构面实际接触面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。
面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大•如在层流条件下，平直而两壁平行的单个结构面的渗如在层流条件下，平直而两壁平行的单个结构面的渗透系数透系数(K(Kf f) )可表达为：可表达为：《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 5. 形态•结构面的形态可以用侧壁的结构面的形态可以用侧壁的起伏起伏形态形态及及粗糙度粗糙度来反映•结构面侧壁的结构面侧壁的起伏形态起伏形态分为：平分为：平直的直的a a、波状的、波状的b b、锯齿状的、锯齿状的c c、、台阶状的台阶状的d d和不规则状的和不规则状的e e侧壁的起伏程度侧壁的起伏程度可用起伏角可用起伏角( (i i) )表示表示《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 •结构面的粗糙度用结构面的粗糙度用粗糙粗糙度系度系JRCJRC表示表示 (joint roughness coefficient) (joint roughness coefficient)•随粗糙度的增大，结构随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大面的摩擦角也增大•根据标准粗糙度剖面将根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划结构面的粗糙度系数划分为分为1010级。
级在实际工作中可用结构面纵剖面仪测出所研究结构面的粗糙剖面后与图所示的标准剖面进行对比得到《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 6 6、结构面的胶结情况及充填情况、结构面的胶结情况及充填情况(1)(1)胶结结构面胶结结构面 泥质胶结泥质胶结：强度最低，在脱水情况下有一定的强度，：强度最低，在脱水情况下有一定的强度，遇水发生泥化、软化，强度明显降低遇水发生泥化、软化，强度明显降低 可溶盐类胶结：干燥时有一定的强度，遇水发生溶解，可溶盐类胶结：干燥时有一定的强度，遇水发生溶解，强度降低强度降低 钙质胶结钙质胶结：强度较高，且不受水的影响，但遇酸性水：强度较高，且不受水的影响，但遇酸性水强度降低强度降低 铁质胶结铁质胶结：强度较高，但易风化，力学性能不稳定强度较高，但易风化，力学性能不稳定 硅质胶结硅质胶结：强度高，力学性能稳定强度高，力学性能稳定 可见，胶结结构面随胶结物的成分不同，其力学效可见，胶结结构面随胶结物的成分不同，其力学效应有很大差别应有很大差别《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 (2)(2)非胶结结构面非胶结结构面 分为有充填物的结构面和无充填物的结构面分为有充填物的结构面和无充填物的结构面。
无充填物的结构面：其强度主要取决于结构面两侧岩石的力无充填物的结构面：其强度主要取决于结构面两侧岩石的力学性质及结构面粗糙度学性质及结构面粗糙度 有充填物的结构面：其强度除与充填物、结构面两侧岩壁接有充填物的结构面：其强度除与充填物、结构面两侧岩壁接触面的力学特性有关外，主要取决于充填物的成分和厚度触面的力学特性有关外，主要取决于充填物的成分和厚度 A A、充填物成分：质粘土、砂质、角砾质等充填物成分：质粘土、砂质、角砾质等 B B、充填物厚度对结构面强度影响特别显著按厚度可将有充、充填物厚度对结构面强度影响特别显著按厚度可将有充填物的结构面分为：填物的结构面分为：薄膜充填：充填物厚度多在薄膜充填：充填物厚度多在1mm1mm以下，多系次生蚀变矿物与风以下，多系次生蚀变矿物与风化矿物构成，如滑石、粘土矿物等；化矿物构成，如滑石、粘土矿物等； 断续充填：充填物不连续，厚度多小于结构面的起伏差，使断续充填：充填物不连续，厚度多小于结构面的起伏差，使结构面强度降低结构面强度降低 连续充填：充填物厚度一般大于起伏差，结构面强度主要受连续充填：充填物厚度一般大于起伏差，结构面强度主要受充填物强度控制，因此，常构成岩体的主要滑动面。
充填物强度控制，因此，常构成岩体的主要滑动面 厚层充填：充填厚度较大，一般几十厘米至数米，构成软弱厚层充填：充填厚度较大，一般几十厘米至数米，构成软弱带，如断层泥有时表现为岩体沿接触面滑移，有时为软带，如断层泥有时表现为岩体沿接触面滑移，有时为软弱充填物本身塑性流动，常导致重大工程事故弱充填物本身塑性流动，常导致重大工程事故《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 结构面变形结构面变形法向变形法向变形 剪切变形剪切变形 §3-2 结构面法向变形与刚度《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 法向应力与法向变形法向应力与法向变形的关系 式中： ：原位压力 ：最大可能闭合量s，t：与结构面几何特征、岩石力学性质有关的两个参数《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 法向刚度法向刚度kn 的表达式的表达式1）（Goodman,1974）式中Kn0：结构面的初始刚度法向刚度法向刚度knkn ，反映结构面产生单位法向变形的法向应力梯度不是一个常数，与应力水平有关实质：每点的切线斜率实质：每点的切线斜率《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 2）班迪斯（Bandis,1984）法向应力与法向变形法向应力与法向变形的关系 式中：a、b为常数 《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 法向刚度kn （Bandis,1984）实质：每点的切线斜率实质：每点的切线斜率《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 ①曲线形状，先凹，后陡；可由初始法向刚度和最大闭合量确定。
②初始阶段，结构面变形为主，当σn=σc/3时结构面变形基本完成③最大闭合量小于张开度法向变形的特征法向变形的特征《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 1)1)两种类型两种类型a.a.粗糙结构面（无充填物），粗糙结构面（无充填物），剪应力上升较快，当剪应剪应力上升较快，当剪应力达到峰值后抗剪能力下力达到峰值后抗剪能力下降较大，并产生不规则的降较大，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象峰后变形或滞滑现象b.b.平坦结构面（有充填物），平坦结构面（有充填物），初始阶段剪切变形曲线斜初始阶段剪切变形曲线斜率逐渐减小，曲线没有明率逐渐减小，曲线没有明显的峰值出现，最恒定显的峰值出现，最恒定 3.3 剪切变形与剪切刚度《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 2 2）剪切刚度）剪切刚度K Kt t剪切刚度：1974年Goodman提出：式中：Kt0－初始剪切刚度 τs－产生较大剪切位移时的剪应力渐近值 《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 3 3）剪切变形方程）剪切变形方程1975，卡尔哈维（Kalhaway)提出：式中：m=1/k0, k0:初始剪切刚度 n=1/τ0, τ0－产生较大剪切位移时的剪应力渐近值 《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 §3-4 结构面的抗剪强度 结构面最重要的力学性质之一是抗剪强度。
结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗剪强度因素是多方面的，大量试验结果表明，结构面抗剪强度一般可用莫尔－库伦准则表示： 式中：c、φ分别是结构面币岩上的粘结力和摩擦角， φ＝ φb + i , φb是岩石平坦表面基本摩擦角，i是结构面的爬坡角；σ是作用在结构面上的法向正应力《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 剪胀剪胀现象与现象与剪断剪断现象现象①岩石强度↑，爬坡角i↓，法向力N↓，发生剪胀现象(b)②岩石强度↓，爬坡角i↑，法向力N↑，发生剪断现象(c)《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 如图为结构面有凸台的模型的剪如图为结构面有凸台的模型的剪应力与法向应力的关系曲应力与法向应力的关系曲线，它近似呈双直线的特．结构面受剪初期，剪切力上升较快；线，它近似呈双直线的特．结构面受剪初期，剪切力上升较快；随着剪力和剪切变形增加，结构面上部分凸台被剪断，此后剪随着剪力和剪切变形增加，结构面上部分凸台被剪断，此后剪切力上升，梯度变小，直至达到峰值抗剪强度．切力上升，梯度变小，直至达到峰值抗剪强度． 《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 不规则粗糙结构面的抗剪强度不规则粗糙结构面的抗剪强度BartonBarton强度准则强度准则 考虑到三个基本因素（法向力考虑到三个基本因素（法向力σσ、、粗糙度粗糙度JRCJRC、结构面抗压强度、结构面抗压强度JCSJCS）的）的影响，影响，B Barton(1977)arton(1977)提出确定不规则提出确定不规则粗糙结构面抗剪强度公式：粗糙结构面抗剪强度公式：式中：式中：φφb b岩石表面基本摩擦角。
岩石表面基本摩擦角JRCJRC为结构面粗糙性系数（为结构面粗糙性系数（0 0～～2020），）， B Bartonarton将其分为将其分为1010级级 ，平坦近平滑，平坦近平滑结构面为结构面为5 5，平坦起伏结构面为，平坦起伏结构面为1010，，粗糙起伏结构面为粗糙起伏结构面为2020《结构面的力学性质》《结构面的力学性质》PPTPPT课件课件 。