第七章结构面的力学性质

资源与环境工程学院结构面的力学性质资源与环境工程学院结构面类型及特征结构面：是具有一定方向，厚度较小，延展性较大的二维地质界面。资源与环境工程学院结构面类型及特征结构面类型划分•按结构面成因划分①原生结构面。②构造结构面。③次生结构面。资源与环境工程学院结构面类型及特征①原生结构面：成岩过程中形成的结构面。②构造结构面：在各种构造应力作用下形成的结构面，如节理、断裂、劈理以及层间错动引起的破碎带等。③次生结构面：在各种次生作用下形成的结构面，如风化裂隙、冰冻裂隙以及重力卸载裂隙等。资源与环境工程学院结构面类型及特征原生结构面又细分为：①沉积结构面：沉积岩层在成岩过程中形成的结构面，如层理、层面、假整合和不整合等。②火成结构面：岩浆侵入活动及冷凝过程中形成的，如岩浆岩的流层、流纹、冷却收缩形成的张裂隙；火成岩体与围岩的接触面。③变质结构面：受变质作用形成的结构面，如片理、板理等。资源与环境工程学院结构面类型及特征结构面类型划分•按结构面受力条件划分①压性结构面。②张性结构面。③扭性结构面。④压扭性结构面。⑤张扭性结构面。资源与环境工程学院结构面类型及特征①压性结构面：由压应力挤压构成，其走向与最大主应力方向垂直。②张性结构面：在拉应力作用下产生，其走向与最大主应力方向一致。③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。资源与环境工程学院结构面类型及特征④压扭性结构面：既有压性结构面的特征，也有扭性结构面的特征。⑤张扭性结构面：既有张性结构面的特征，也有扭性结构面的特征。资源与环境工程学院结构面类型及特征资源与环境工程学院结构面类型及特征资源与环境工程学院结构面类型及特征资源与环境工程学院结构面类型及特征二、结构面的分类①按工程尺寸的分类（绝对分类）分布随机，降低岩块强度，是岩块力学性质效应基础。若十分密集，又因风化，可形成松散介质。坚硬结构面微小节理、隐微裂隙和线理等。连续性极差，刚性接触的细小或隐微裂面，统计结构面。Ⅴ级划分Ⅱ类岩体结构的基本依据，是岩体力学性质、结构效应的基础。破坏岩体的完整性，与其他结构面结合形成不同类型的边坡破坏方式。坚硬结构面。节理、劈理、片理、层理、卸荷裂隙、风化裂隙等。延伸数米，未错动，不含泥，有的呈弱结合状态，统计结构面。Ⅳ级控制岩体稳定性，与Ⅰ、Ⅱ级结构面组合可形成不同规模的块体破坏。划分Ⅱ类岩体结构的重要依据。多数属于坚硬结构面，少数属软弱结构面。各种类型的断层、原生软弱夹层、层间错动带等。延伸数十米，无破碎带，面内不含泥，有的具泥膜。仅在一个地质时代的地层中分布，有时仅仅在某一种岩性中分布。Ⅲ级控制山体稳定性，与Ⅰ级结构面可形成大规模的块体破坏，即控制岩体变形和破坏方式。属于软弱结构面，形成块裂边界。主要包括不整合面、假整合面、原生软弱夹层、层间错动带、断层侵入接触带、风化夹层等。延伸数百米至数公里，破碎带宽度比较窄，几厘米至数米。Ⅱ级影响区域稳定性，山体稳定性，如直接通过工程区，是岩体变形或破坏的控制条件，形成岩体力学作用边界属于软弱结构面，构成独立的力学介质单元主要指区域性深大断裂或大断裂延伸数十公里，深度可切穿一个构造层，破碎带宽度在数米至数十米以上。Ⅰ级对岩体稳定性的作用力学属性地质类型分级依据级序分布随机，降低岩块强度，是岩块力学性质效应基础。若十分密集，又因风化，可形成松散介质。坚硬结构面微小节理、隐微裂隙和线理等。连续性极差，刚性接触的细小或隐微裂面，统计结构面。Ⅴ级划分Ⅱ类岩体结构的基本依据，是岩体力学性质、结构效应的基础。破坏岩体的完整性，与其他结构面结合形成不同类型的边坡破坏方式。坚硬结构面。节理、劈理、片理、层理、卸荷裂隙、风化裂隙等。延伸数米，未错动，不含泥，有的呈弱结合状态，统计结构面。Ⅳ级控制岩体稳定性，与Ⅰ、Ⅱ级结构面组合可形成不同规模的块体破坏。划分Ⅱ类岩体结构的重要依据。多数属于坚硬结构面，少数属软弱结构面。各种类型的断层、原生软弱夹层、层间错动带等。延伸数十米，无破碎带，面内不含泥，有的具泥膜。仅在一个地质时代的地层中分布，有时仅仅在某一种岩性中分布。Ⅲ级控制山体稳定性，与Ⅰ级结构面可形成大规模的块体破坏，即控制岩体变形和破坏方式。属于软弱结构面，形成块裂边界。主要包括不整合面、假整合面、原生软弱夹层、层间错动带、断层侵入接触带、风化夹层等。延伸数百米至数公里，破碎带宽度比较窄，几厘米至数米。Ⅱ级影响区域稳定性，山体稳定性，如直接通过工程区，是岩体变形或破坏的控制条件，形成岩体力学作用边界属于软弱结构面，构成独立的力学介质单元主要指区域性深大断裂或大断裂延伸数十公里，深度可切穿一个构造层，破碎带宽度在数米至数十米以上。Ⅰ级对岩体稳定性的作用力学属性地质类型分级依据级序结构面分级及其特性资源与环境工程学院结构面类型及特征606~600~6300300h=100h=300大型水坝高斜坡252.5~250~2.5100100h=40h=40洞穴小型水坝202~200~2100100Φ=30h=100隧洞斜坡20.2~20~0.21010Φ=3b=3平硐小型基础大型中等细小DL结构面长度/m影响带直径/m尺寸/m工程结构606~600~6300300h=100h=300大型水坝高斜坡252.5~250~2.5100100h=40h=40洞穴小型水坝202~200~2100100Φ=30h=100隧洞斜坡20.2~20~0.21010Φ=3b=3平硐小型基础大型中等细小DL结构面长度/m影响带直径/m尺寸/m工程结构注：Φ—洞径；b—基础宽度；h—工程结构体高度；①按工程尺寸的分类（相对分类）资源与环境工程学院结构面类型及特征②按力学观点的分类资源与环境工程学院结构面的状态结构面的状态：结构面的产状、形态、延展尺度、密集程度以及结构面的接触类型、胶结、充填情况是影响岩体强度和稳定性的重要因素。资源与环境工程学院结构面的状态①结构面的产状：对岩体是否沿着某一结构面滑动其控制作用。②结构面的形态：决定岩体沿结构面滑动时抗滑力的大小。③结构面的延展尺度：决定岩体的强度。资源与环境工程学院结构面的状态④结构面的密集程度：决定了岩体的被切割程度，极大影响着岩体的强度。⑤结构面的胶结与充填情况：对岩体的强度有很大影响。资源与环境工程学院结构面的密集程度描述结构面密集程度的基本概念裂隙度:沿测线方向单位长度所穿过的结构面数量。nLd:d节理平均间距:L测线长度LnK节理数:n资源与环境工程学院结构面的密集程度当岩体中存在多组节理时，此时裂隙度K为各组节理裂隙度之和。nbaKKKK资源与环境工程学院结构面的密集程度切割度:表示岩体被结构面切割的程度。AaXe:a结构面面积；:A假想断面面积当岩体中存在多组结构面时，此时切割度为：AaaaXne21资源与环境工程学院结构面的密集程度不同切割度对应岩体的贯通类型非贯通半贯通贯通资源与环境工程学院结构面的接触类型、胶结与充填结构面的接触类型、胶结与充填情况对岩体对强度的影响资源与环境工程学院结构面的接触类型、胶结与充填胶结物成分对岩体对强度的影响：•泥质胶结：强度最低，在脱水情况具有一定强度，遇水发生泥化和软化，强度显著降低。•可溶盐类胶结：干燥时具有一定强度，遇水溶解，强度降低。•钙质胶结：强度较高，且不受水的影响，但在酸性水作用下，强度降低。资源与环境工程学院结构面的接触类型、胶结与充填•铁质胶结：强度较高，但易风化，力学性能不稳定。•硅质胶结：强度高，力学性能稳定。资源与环境工程学院结构面的接触类型、胶结与充填胶结物厚度对岩体对强度的影响：•薄膜充填：充填物为极薄的一层矿物薄膜，强度较低。•断续充填：充填物不连续，厚度小于结构面起伏度。结构面强度受两侧岩性及结构面形态控制。资源与环境工程学院结构面的接触类型、胶结与充填•连续充填：充填物连续，厚度略大于结构面起伏度。结构面强度受充填物强度控制。•厚层充填：充填物厚度大，在岩体中形成软弱带。资源与环境工程学院结构面的法向变形结构面的变形特征•结构面的法向变形1、结构面弹性变形①结构面的接触是点接触，接触点为边长为h的正方形，接触点有n个；②每个接触点所受的力是相等的；③每个接触点的力学特性是相同的。资源与环境工程学院结构面的法向变形点接触荷载表面平均位移：222211hnEdmAEmQm与接触面形状有关的系数，当接触面为圆形，96.0m当接触面为方形，,95.0mm随长宽比的增大而减小。弹性位移，作用于结构面上的均布载荷;d结构面边长，h接触点边长;n接触点个数;资源与环境工程学院结构面的法向变形沃尔多夫认为，,9.012m故有：nEhd208.1通常认为，当结构面闭合时，其弹性变形量为：nEhdm2201220资源与环境工程学院结构面的法向变形2、结构面的闭合变形古德曼假定：①结构面是张开的，张开的结构面没有强度；②结构面间的压缩量有限。e资源与环境工程学院结构面的法向变形VVVmc1mctmcVVVVVA1mcmcVVV当：1tA0VmcV0VmcV资源与环境工程学院结构面的法向变形结构面的配称与非配称试验：0轴向位移配称节理岩石岩石非配称节理岩石ABC0轴向位移配称节理岩石岩石非配称节理岩石ABC0节理闭合ABAC配称非配称0节理闭合ABAC配称非配称资源与环境工程学院结构面的切向变形结构面的剪切变形1、结构面粗糙、无充填物的剪切变形(a)。2、结构面含有较厚充填物的剪切变形(b)。资源与环境工程学院结构面的切向变形充填物湿度对结构面抗剪强度曲线影响很大。当充填物干燥时，曲线b会向曲线a过渡。0uab资源与环境工程学院结构面的切向变形结构面剪切变形理想化模型0uABC峰值抗剪强度残余抗剪强度①起始弹性段②应力降低段③残余变形段（塑性段）资源与环境工程学院结构面的切向变形0u高低恒刚度抗剪强度曲线0u高低恒位移抗剪强度曲线资源与环境工程学院结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度•平直结构面的抗剪强度残余抗剪强度rrtg残余内摩擦角rpptgC峰值内聚力，pC峰值内摩擦角p峰值抗剪强度资源与环境工程学院结构面的抗剪强度若结构面间有水存在：tguC结构面间水压u）或内摩擦角（rp）或内聚力（0pCC资源与环境工程学院结构面的抗剪强度规则粗糙结构面的抗剪强度：NNTTitgb基本摩擦角，b结构面爬坡角i资源与环境工程学院结构面的抗剪强度itgb基本摩擦角，b结构面爬坡角iTTNNiTTNNiT'T'NNiT'T'NNiiNiTTiTiNNsincossincos''btgNT''资源与环境工程学院结构面的抗剪强度规则粗糙结构面抗剪强度理想曲线：0ABC视内聚力ibTbbTtgitgC资源与环境工程学院结构面的抗剪强度不规则粗糙结构面抗剪强度：bJCSJRCtglg结构面粗糙度系数JRC结构面两壁表面抗压强度JCS资源与环境工程学院结构面的抗剪强度充填结构面抗剪强度当结构面中充填有某种软弱物质时，随着充填厚度的增大，结构面的抗剪强度显著下降，一旦充填物厚度超过结构面表面起伏幅值时，则结构面抗剪强度由充填物的厚度缩控制。资源与环境工程学院结构面的力学效应•单结构面力学效应jjCtg结构面抗剪强度符合库仑准则：2sin21312cos21213131岩石内任意点应力关系：单结构面力学效应资源与环境工程学院单结构面力学效应2sin12331ctgtgtgCjjj沿结构面破坏力学条件：当：j212j资源与环境工程学院单结构面力学