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1、第第3 3章章 结构面的力学性质结构面的力学性质3-1 结构面的类型及其特征3-2 结构面法向变形与刚度3-3 结构面切向变形与刚度3-4 结构面的抗剪强度3-1 结构面的类型及其特征一、结构面的概念一、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同特性的结构面是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界面地质界面，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、不整合面等。不整合面等。 结构面具有一定的方向、延展较大、厚度小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。二维面状地质界面。二、结构面的类型二、结构面的类型
2、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、按结构面按成因可分为成因可分为 （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。
3、 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。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
4、。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. .（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
5、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
6、的影响，多呈破碎状、鳞片状，且含泥质物。（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2040m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
7、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
8、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。三、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 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 级结构面级结构面-局部
9、性的断裂构造局部性的断裂构造 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几何特征是反映结构面的外貌，由下列要素组成：结构面的几何特征是反映结构面的外貌，由下列要素组成：1 1、走向、走向: :结构面与水平面的交线方向，用方位角表示。结构面与水平面的交线方向，用方位角表示。 2 2、倾斜、倾斜: :结构面的倾斜方向和倾斜角度。结构面的倾斜方向和倾斜角度。 3 3、连续性。、连续性。4 4、粗糙度、粗糙度: :表明结构面的粗糙程度。表明结构面的粗糙程度。 5 5、起伏度、起伏度: :包括起伏波的幅度和长度。起伏波的幅度是指相包括起伏波的幅度和长度。起伏
10、波的幅度是指相邻两波峰连线与其下波槽的最大距离邻两波峰连线与其下波槽的最大距离a,a,起伏波的长度是指相起伏波的长度是指相邻两波峰之距离。邻两波峰之距离。四、结构面的几何特征 结构面的产状、形态、延展尺度、密集程度以及胶结结构面的产状、形态、延展尺度、密集程度以及胶结与充填情况等是影响岩体强度和稳定性的重要因素。与充填情况等是影响岩体强度和稳定性的重要因素。1 1、结构面产状结构面产状：指结构面的走向、倾向和倾角，对岩体指结构面的走向、倾向和倾角，对岩体是否沿某一结构面滑移起控制作用。是否沿某一结构面滑移起控制作用。 2 2、结构面形态、结构面形态：决定结构面抗滑力的大小，当结构面的决定结构面
11、抗滑力的大小，当结构面的起伏程度大，粗糙度高时，其抗滑力就大。起伏程度大，粗糙度高时，其抗滑力就大。 3 3、结构面的延展尺度、结构面的延展尺度：在工程岩体范围力，延展度大的在工程岩体范围力，延展度大的结构面控制着岩体的强度。结构面延展情况不同，其力结构面控制着岩体的强度。结构面延展情况不同，其力学效应也不同。学效应也不同。 五、结构面的状态(1)非非贯贯通通性性结结构构面面(2)半半贯贯通通性性结结构构面面(3)贯通性结构面贯通性结构面4 4、结构面的密集程度、结构面的密集程度：指岩体中各种结构面的发育程度。：指岩体中各种结构面的发育程度。衡量密集度的指标为岩体裂隙度衡量密集度的指标为岩体裂
12、隙度K K和切割度和切割度X Xe e。 （1 1）岩体裂隙度）岩体裂隙度KK沿取样方沿取样方向单位长度上的节理数量向单位长度上的节理数量式中：式中：n n为长度为长度l l内的节理数量内的节理数量. .当取样线垂直节理的走向时，当取样线垂直节理的走向时，d d为节理走向为节理走向的垂直间距。按节理的垂直间距的垂直间距。按节理的垂直间距d d将岩体分为：将岩体分为： d 180cm d 180cm 整体结构；整体结构； d =30d =3080cm 80cm 块状结构块状结构 d 30cm d 30cm 碎裂状结构；碎裂状结构； d 6.5cm d 6.5cm 极破碎结构极破碎结构当岩体中有几
13、组不同方向的节理时，当岩体中有几组不同方向的节理时，如图所示两组节理如图所示两组节理KaKa、KbKb，则沿取样方，则沿取样方向向x x上的节理平均间距上的节理平均间距maxmax和和mbxmbx为为式中：式中：n n为取样线为取样线l l内的节理组数量内的节理组数量. .该取样线上的裂隙度该取样线上的裂隙度K K为各组节理的裂隙度为各组节理的裂隙度K Ki i之和。即：之和。即： K K越大，结构面越密集。不同测线上的越大，结构面越密集。不同测线上的K K值差别越大，岩体各向值差别越大，岩体各向异性越明显。按异性越明显。按K K的大小，可将节理分成：的大小，可将节理分成：疏节理（疏节理（K=
14、0K=01 m-11 m-1）；）；密节理（密节理（K=1K=110 m-110 m-1）；非常密集节理（）；非常密集节理（K=10K=10100 m-1100 m-1）；压）；压碎或糜棱化带（碎或糜棱化带（K=100K=1001000 m-11000 m-1）；）；（2 2）切割度）切割度X Xee指岩体被节理分割的程度。指岩体被节理分割的程度。 假设岩体仅有一个结构面，可沿结构面在岩体中取一个假设岩体仅有一个结构面，可沿结构面在岩体中取一个贯通性的假想平直断面，则结构面面积贯通性的假想平直断面，则结构面面积a a与该断面面积与该断面面积A A之比，之比，即为该岩体的切割度。即为该岩体的切割
15、度。 可见可见, ,当当: : 0 0Xe1, Xe1, 岩体部分切割；岩体部分切割； XeXe1, 1, 岩体被整个切割；岩体被整个切割； XeXe0, 0, 即岩体为完整连续体。即岩体为完整连续体。岩体按切割度分类：岩体按切割度分类：XeXe0.10.10.2 0.2 完整岩体；完整岩体；XeXe0.20.20.40.4弱节理化岩体；弱节理化岩体；XeXe0.40.40.60.6中等节理化岩体；中等节理化岩体；XeXe0.60.60.80.8强节理化岩体；强节理化岩体； XeXe0.80.81.01.0完全节理化岩体完全节理化岩体；岩体被某组结构面切割的程度岩体被某组结构面切割的程度XrX
16、r为：为： 如果岩体沿某断面上同时存在着面积为如果岩体沿某断面上同时存在着面积为a1、a2an的的n个结个结构面时，则岩体沿该断面的切割度为构面时，则岩体沿该断面的切割度为式中：式中：K K为岩体的裂隙度；为岩体的裂隙度； XeXe为沿某一平面的切割度。为沿某一平面的切割度。5 5、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
17、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。(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
18、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1
19、mm1mm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
20、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
21、率2）班迪斯（Bandis,1984）法向应力与法向变形的关系 式中：a、b为常数 法向刚度kn （Bandis,1984）实质：每点的切线斜率实质：每点的切线斜率曲线形状，先凹，后陡；可由初始法向刚度和最大闭合量确定。初始阶段，结构面变形为主，当n=c/3时结构面变形基本完成最大闭合量小于张开度。法向变形的特征法向变形的特征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（
22、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 s产生较大剪切位移时的剪应力渐近值 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=1/0, 0产生较大剪切位移时的剪应力渐近值 4 4）剪切变形特征）剪切变形特征两种类型：a.坚硬、无充填物脆性变形 有明显的峰值、应力降b.
23、软弱、有充填物塑性变形 无明显的峰值、应力降风化结构面，峰值位移变大、剪切刚度变小随法向应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小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、分别是结构面上的粘结力和摩擦角， b + i , b是岩石平坦表面基本摩擦角，i是结构面的爬坡角；是作用在结构面上的法向正应力。剪胀剪胀现象与现象与剪断剪断现象现象岩石强度，爬坡角i，法向力N，发生剪胀现象(b)岩石强度，爬坡角i，法向力N，发生剪断现象(c)如图为结构
24、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 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、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：b 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 02020），）， 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。
