結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)

1、.,結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì),1 結(jié)構(gòu)面的類型及其特征2 結(jié)構(gòu)面的變形特性3 結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng),.,1 結(jié)構(gòu)面的類型及其特征,一、結(jié)構(gòu)面的概念 結(jié)構(gòu)面是指巖體中存在著的各種不同成因和不同特性的地質(zhì)界面，包括物質(zhì)的分界面、不連續(xù)面如節(jié)理、片理、斷層、不整合面等。 結(jié)構(gòu)面具有一定的方向、延展較大、厚度小的二維面狀地質(zhì)界面。,二、結(jié)構(gòu)面的類型,火成結(jié)構(gòu)面,原生結(jié)構(gòu)面,構(gòu)造結(jié)構(gòu)面,次生結(jié)構(gòu)面,沉積結(jié)構(gòu)面,變質(zhì)結(jié)構(gòu)面,1、按結(jié)構(gòu)面按成因可分為,.,（1）原生結(jié)構(gòu)面：在成巖過程中形成的結(jié)構(gòu)面。,A、沉積結(jié)構(gòu)面是沉積巖在成巖過程中形成的各種地質(zhì)界面，包括層面、層理、沉積間斷面（不整合面、假整合面

2、），及原生軟弱夾層等。 B、火成結(jié)構(gòu)面為巖漿侵入、噴溢冷凝所形成的各種結(jié)構(gòu)面，如流層、流線、火山巖流接觸面、各種蝕變帶、擠壓破碎帶以及原生節(jié)理等。這些結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀受侵入巖體與圍巖接觸面所控制。 C、變質(zhì)結(jié)構(gòu)面為巖體在變質(zhì)作用過程中所形成的結(jié)構(gòu)面，如片理、片麻理、板理及軟弱夾層等。變質(zhì)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與巖層基本一致，延展性較差，但它們一般分布密集。片理結(jié)構(gòu)面是變質(zhì)結(jié)構(gòu)面中最常見的，其面常常是光滑的，但形態(tài)呈波浪狀.片麻理面常呈凹凸不平狀，結(jié)構(gòu)面也比較粗糙，變質(zhì)巖中的軟弱夾層主要是片狀礦物，如黑云母、綠泥石、滑石等的富集帶，其抗剪強(qiáng)度低，遇水后性質(zhì)就更差.,.,（2）構(gòu)造結(jié)構(gòu)面,各類巖體在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用

3、下形成的各種結(jié)構(gòu)面，如劈理、節(jié)理、斷層、層間錯(cuò)動(dòng)面等。 節(jié)理面在走向延展及縱深發(fā)展上，其范圍都是有限的，大者一般不過上百米，小者僅有幾厘米張節(jié)理面一般粗糙，參差不齊，寬窄不一，延展性較差，剪節(jié)理面一般平直光滑，延展性相對較好，節(jié)理面上常見有擦痕和各種泥質(zhì)薄膜，如高嶺石、綠泥石、滑石等，因此，剪節(jié)理面盡管接觸緊密，但卻易于滑動(dòng)。 斷層面的規(guī)模相差比較懸殊，有的深切巖石圈幾十公里，有的僅限于地殼表層或只在地表數(shù)十米但是，相對工程而言，斷層面一般是延展性較好的結(jié)構(gòu)面斷層面(或簾)的物質(zhì)成分主要是構(gòu)造巖，如斷層泥、糜棱巖、角礫巖、壓碎巖等層間錯(cuò)動(dòng)帶是在層狀巖體中常見的一種構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀一般與巖層一

4、致。 延展性較好，結(jié)構(gòu)面中的物質(zhì)，因受構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)的影響，多呈破碎狀、鱗片狀，且含泥質(zhì)物。,.,（3）次生結(jié)構(gòu)面,在地表?xiàng)l件下，由于外力(如風(fēng)化、地下水、卸荷、爆破等)的作用而形成的各種界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、風(fēng)化裂隙、風(fēng)化夾層及泥化夾層等 卸荷裂隙一般發(fā)生在巖體有臨空面條件的地區(qū)，特別是在深切河谷處，延展性不好，常在地表2040m內(nèi)發(fā)育，裂隙面粗糙不平，常為張開型，充填物多為泥質(zhì)碎屑 爆破裂隙是礦山工程中常見的一種次生結(jié)構(gòu)面，爆破裂隙的延展與分布視所在地區(qū)巖體特性及爆破的大小而異一般爆破裂隙的延展范圍是有限的，且多呈一組相互平行的、弧狀的裂隙面分布 風(fēng)化裂隙及風(fēng)化夾層一般是沿原生夾層和原有結(jié)

5、構(gòu)面發(fā)育，多是短小密集，延展性差，僅限于地表一定深度 泥化夾層是由于水的作用使夾層內(nèi)的松軟物質(zhì)泥化而成，其產(chǎn)狀與巖層基本一致，泥化程度視地下水作用條件而異泥化夾層一般都是強(qiáng)度很低的，它們是導(dǎo)致巖體失穩(wěn)破壞的常見因素,.,2、按結(jié)構(gòu)面按受力條件可分為,A、壓性結(jié)構(gòu)面：由壓應(yīng)力擠壓而成，其走向與最大主應(yīng)力方向垂直。如片理面、褶皺軸面、壓性節(jié)理面等。 B、張性結(jié)構(gòu)面：在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)面，其走向與最大主應(yīng)力方向一致。結(jié)構(gòu)面是張開的，結(jié)構(gòu)面壁粗糙。如張斷裂面、張性節(jié)理面。 C、扭性結(jié)構(gòu)面：由純剪或壓張應(yīng)力引起的剪應(yīng)力所形成的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面壁較光滑，開口或閉口都有可能，往往成對出現(xiàn)。如x型斷層面，

6、x型節(jié)理面。 D、壓扭性結(jié)構(gòu)面：既有壓性結(jié)構(gòu)面的特征，又有扭性結(jié)構(gòu)面的特征，但常以其中一種為主。 E、張扭性結(jié)構(gòu)面：兼有張性和扭性結(jié)構(gòu)面的雙重特征。往往成鋸齒狀。,.,三、結(jié)構(gòu)面的分級,結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、規(guī)模大小、組合形式等是決定結(jié)構(gòu)體的形狀、方位和大小，控制巖體穩(wěn)定性的重要因素。尤以結(jié)構(gòu)面的規(guī)模是最重要的控制因素。按結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度和規(guī)?？梢詣澐譃槿缦挛寮墸?I 級結(jié)構(gòu)面-區(qū)域構(gòu)造起控制作用的斷裂帶, 級結(jié)構(gòu)面-延展性強(qiáng)而寬度有限的地質(zhì)界面, 級結(jié)構(gòu)面-局部性的斷裂構(gòu)造, 級結(jié)構(gòu)面-節(jié)理面,V 級結(jié)構(gòu)面-細(xì)小的結(jié)構(gòu)面,.,結(jié)構(gòu)面的幾何特征是反映結(jié)構(gòu)面的外貌，由下列要素組成： 1、走向:結(jié)構(gòu)面與

7、水平面的交線方向，用方位角表示。 2、傾斜:結(jié)構(gòu)面的傾斜方向和傾斜角度。 3、連續(xù)性。 4、粗糙度:表明結(jié)構(gòu)面的粗糙程度。 5、起伏度:包括起伏波的幅度和長度。起伏波的幅度是指相鄰兩波峰連線與其下波槽的最大距離a,起伏波的長度是指相鄰兩波峰之距離。,四、結(jié)構(gòu)面的幾何特征,.,結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、形態(tài)、延展尺度、密集程度以及膠結(jié)與充填情況等是影響巖體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的重要因素。 1、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀：指結(jié)構(gòu)面的走向、傾向和傾角，對巖體是否沿某一結(jié)構(gòu)面滑移起控制作用。 2、結(jié)構(gòu)面形態(tài)：決定結(jié)構(gòu)面抗滑力的大小，當(dāng)結(jié)構(gòu)面的起伏程度大，粗糙度高時(shí)，其抗滑力就大。 3、結(jié)構(gòu)面的延展尺度：在工程巖體范圍力，延展度大的結(jié)構(gòu)面

8、控制著巖體的強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)面延展情況不同，其力學(xué)效應(yīng)也不同。,五、結(jié)構(gòu)面的狀態(tài),(1)非貫通性結(jié)構(gòu)面 (2)半貫通性結(jié)構(gòu)面 (3)貫通性結(jié)構(gòu)面,.,4、結(jié)構(gòu)面的密集程度：指巖體中各種結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度。衡量密集度的指標(biāo)為巖體裂隙度K和切割度Xe。,（1）巖體裂隙度K沿取樣方向單位長度上的節(jié)理數(shù)量,式中：n為長度l內(nèi)的節(jié)理數(shù)量. 當(dāng)取樣線垂直節(jié)理的走向時(shí)，d為節(jié)理走向的垂直間距。按節(jié)理的垂直間距d將巖體分為： d 180cm 整體結(jié)構(gòu)； d =3080cm 塊狀結(jié)構(gòu) d 30cm 碎裂狀結(jié)構(gòu)； d 6.5cm 極破碎結(jié)構(gòu),當(dāng)巖體中有幾組不同方向的節(jié)理時(shí)，如圖所示兩組節(jié)理Ka、Kb，則沿取樣方向x上的節(jié)

9、理平均間距max和mbx為,五、結(jié)構(gòu)面的狀態(tài),.,式中：n為取樣線l內(nèi)的節(jié)理組數(shù)量. 該取樣線上的裂隙度K為各組節(jié)理的裂隙度Ki之和。即：,K越大，結(jié)構(gòu)面越密集。不同測線上的K值差別越大，巖體各向異性越明顯。按K的大小，可將節(jié)理分成：疏節(jié)理（K=01 m-1）；密節(jié)理（K=110 m-1）；非常密集節(jié)理（K=10100 m-1）；壓碎或糜棱化帶（K=1001000 m-1）；,（2）切割度Xe指巖體被節(jié)理分割的程度。 假設(shè)巖體僅有一個(gè)結(jié)構(gòu)面，可沿結(jié)構(gòu)面在巖體中取一個(gè)貫通性的假想平直斷面，則結(jié)構(gòu)面面積a與該斷面面積A之比，即為該巖體的切割度。,可見,當(dāng): 0Xe1, 巖體部分切割； Xe1, 巖

10、體被整個(gè)切割； Xe0, 即巖體為完整連續(xù)體。,.,巖體按切割度分類： Xe0.10.2 完整巖體； Xe0.20.4弱節(jié)理化巖體； Xe0.40.6中等節(jié)理化巖體； Xe0.60.8強(qiáng)節(jié)理化巖體； Xe0.81.0完全節(jié)理化巖體； 巖體被某組結(jié)構(gòu)面切割的程度Xr為：,如果巖體沿某斷面上同時(shí)存在著面積為a1、a2an的n個(gè)結(jié)構(gòu)面時(shí)，則巖體沿該斷面的切割度為,式中：K為巖體的裂隙度； Xe為沿某一平面的切割度。,.,5、結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)情況及充填情況 (1)膠結(jié)結(jié)構(gòu)面 泥質(zhì)膠結(jié)：強(qiáng)度最低，在脫水情況下有一定的強(qiáng)度，遇水發(fā)生泥化、軟化，強(qiáng)度明顯降低。 可溶鹽類膠結(jié)：干燥時(shí)有一定的強(qiáng)度，遇水發(fā)生溶解，強(qiáng)

11、度降低。 鈣質(zhì)膠結(jié)：強(qiáng)度較高，且不受水的影響，但遇酸性水強(qiáng)度降低。 鐵質(zhì)膠結(jié)：強(qiáng)度較高，但易風(fēng)化，力學(xué)性能不穩(wěn)定。 硅質(zhì)膠結(jié)：強(qiáng)度高，力學(xué)性能穩(wěn)定。 可見，膠結(jié)結(jié)構(gòu)面隨膠結(jié)物的成分不同，其力學(xué)效應(yīng)有很大差別。,五、結(jié)構(gòu)面的狀態(tài),.,5、結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)情況及充填情況,(2)非膠結(jié)結(jié)構(gòu)面 分為有充填物的結(jié)構(gòu)面和無充填物的結(jié)構(gòu)面。 無充填物的結(jié)構(gòu)面：其強(qiáng)度主要取決于結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖石的力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)面粗糙度。 有充填物的結(jié)構(gòu)面：其強(qiáng)度除與充填物、結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖壁接觸面的力學(xué)特性有關(guān)外，主要取決于充填物的成分和厚度。 A、充填物成分：質(zhì)粘土、砂質(zhì)、角礫質(zhì)等。 B、充填物厚度對結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度影響特別顯著。按厚度可將

12、有充填物的結(jié)構(gòu)面分為： 薄膜充填：充填物厚度多在1mm以下，多系次生蝕變礦物與風(fēng)化礦物構(gòu)成，如滑石、粘土礦物等； 斷續(xù)充填：充填物不連續(xù)，厚度多小于結(jié)構(gòu)面的起伏差，使結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度降低。 連續(xù)充填：充填物厚度一般大于起伏差，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度主要受充填物強(qiáng)度控制，因此，常構(gòu)成巖體的主要滑動(dòng)面。 厚層充填：充填厚度較大，一般幾十厘米至數(shù)米，構(gòu)成軟弱帶，如斷層泥。有時(shí)表現(xiàn)為巖體沿接觸面滑移，有時(shí)為軟弱充填物本身塑性流動(dòng)，常導(dǎo)致重大工程事故。,.,結(jié)構(gòu)面變形,一、節(jié)理的法向變形,1、節(jié)理彈性變形：節(jié)理面光滑，受壓力后成面接觸，粗糙則成點(diǎn)接觸。每一接觸面會(huì)產(chǎn)生壓縮變形，其壓縮量可按彈性理論中的布辛涅斯克解求得：,

13、節(jié)理閉合彈性變形值02，則,式中：m為與荷載面積形狀有關(guān)的系數(shù)； d為塊體的邊長；E為彈性模量；n為接觸面的個(gè)數(shù)；h2為每個(gè)接觸面的面積；.d2 為作用于節(jié)理上的壓縮荷載。,2 結(jié)構(gòu)面的變形特性,.,2、節(jié)理的閉合變形 Goodman 于1974年通過試驗(yàn)，得出法向應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面閉合量V有如下關(guān)系：,式中：為原位壓力，由測量法向變形的初始條件決定； Vmc為最大可能的閉合量； A、t是與結(jié)構(gòu)面幾何特征、巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)。,當(dāng)A=1，t=1時(shí)，上式為：,一、節(jié)理的法向變形,V 與1/的關(guān)系曲線如圖（c).,.,若A與t不為1，可由試驗(yàn)確定曲線方程。其方法為： （1）取完整巖石試件，測其軸向-

14、V曲線（如圖（a)中的A線)。 （2）將試件沿橫向切開，使切縫成一條平行于試件底面且成波狀起伏的裂縫，以模擬節(jié)理。 （3）將切縫上下兩塊試塊重合裝上“配稱切縫試件”，加載測其軸向-V曲線（如圖（a)中的B線)。 （4）將切縫上下兩塊試塊旋轉(zhuǎn)某一角度裝上“非配稱切縫試件”，加載測其軸向-V曲線（如圖（a)中的C線)。 (5)利用曲線的差值求切縫的壓縮量。,“配稱切縫試件”“B-A” “非配稱切縫試件”“C-A”,一、節(jié)理的法向變形,.,在一定的法向應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面在剪切作用下產(chǎn)生切向變形，其變形特征用試驗(yàn)時(shí)施加的剪應(yīng)力與相應(yīng)的剪切位移的關(guān)系來描述。-曲線特征取決于結(jié)構(gòu)面的基本特征（粗糙度、起伏

15、度、充填物性質(zhì)與厚度等）。 （1）結(jié)構(gòu)面粗糙無充填物（A)： 隨著剪切變形發(fā)生，剪應(yīng)力相對上升較快，當(dāng)達(dá)到剪應(yīng)力峰值后，結(jié)構(gòu)面抗剪能力出現(xiàn)較大的下降，并產(chǎn)生不規(guī)則的峰后變形或滯滑現(xiàn)象。 （2）平坦的結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面有充填物（B): 初始階段的剪切變形曲線呈下凹型，隨著剪切變形的發(fā)展，剪切應(yīng)力逐漸升高但無明顯的峰值出現(xiàn)，最終達(dá)到恒定值。,二、節(jié)理的切向變形,.,3 結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)面最重要的力學(xué)性質(zhì)之一是抗剪強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)面在剪切過程中的力學(xué)機(jī)制比較復(fù)雜，構(gòu)成結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度因素是多方面的，大量試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度一般可用莫爾庫倫準(zhǔn)則表示： 式中：c、分別是結(jié)構(gòu)面上的粘結(jié)力和摩擦角， b

16、+ , b是巖石平坦表面基本摩擦角，是結(jié)構(gòu)面的爬坡角；是作用在結(jié)構(gòu)面上的法向正應(yīng)力。,.,一、平直結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)面呈平直狀，沒有波狀起伏。 1、平直結(jié)構(gòu)面的剪切變形曲線 （1）很小時(shí)，呈線性，彈性狀態(tài)； （2）很大，大到足以克服移動(dòng)摩擦阻力之后，呈非線性； （3）達(dá)到峰值P后， 突然增大，表面試件已沿結(jié)構(gòu)面破壞，此后迅速下降，并趨于一常量（殘余強(qiáng)度）。,.,一、平直結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度,(1)、峰值剪切強(qiáng)度,（2）殘余剪切強(qiáng)度,式中：CP結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)力；P 、R是結(jié)構(gòu)面 的峰值摩擦角和殘余摩擦角，一般PR 。,.,二、粗糙結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度,1、理想化粗糙結(jié)構(gòu)面模型鋸齒狀結(jié)構(gòu)面 （1）爬坡角

17、與剪脹現(xiàn)象 （2）剪切強(qiáng)度 作用在斜面AB上的法向力和切向力分別為：,式中：, 為結(jié)構(gòu)面AB上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，b為AB面上的摩擦角。,如圖為結(jié)構(gòu)面有凸臺(tái)的模型的剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線，它近似呈雙直線的特結(jié)構(gòu)面受剪初期，剪切力上升較快；隨著剪力和剪切變形增加，結(jié)構(gòu)面上部分凸臺(tái)被剪斷，此后剪切力上升，梯度變小，直至達(dá)到峰值抗剪強(qiáng)度,Patton公式,., 較小時(shí)，抗剪強(qiáng)度tg(b+); 較大時(shí)，抗剪強(qiáng)度c+tgb ,其中c為視內(nèi)聚力。 試驗(yàn)表面，低法向應(yīng)力的剪切，結(jié)構(gòu)面有剪切位移和剪脹；高法向應(yīng)力的剪切，凸臺(tái)剪斷，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度最終變成殘余抗剪強(qiáng)度。在剪切過程中，凸臺(tái)起伏形成的粗糙度以及巖石

18、強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度起著重要作用。,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意： (1)對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行直剪試驗(yàn)時(shí)，法向應(yīng)力應(yīng)與實(shí)際工程中的一致。一般認(rèn)為b R (殘余摩擦角）. (2)是各向不同的，因此，測量時(shí)應(yīng)使所測角與所討論的方向一致。,.,2、不規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度,Barton強(qiáng)度準(zhǔn)則 考慮到三個(gè)基本因素（法向力、粗糙度JRC、結(jié)構(gòu)面抗壓強(qiáng)度JCS）的影響，Barton(1977)提出確定不規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度公式：,式中：b巖石表面基本摩擦角。JRC為結(jié)構(gòu)面粗糙性系數(shù)（020）， Barton將其分為10級 ，平坦近平滑結(jié)構(gòu)面為5，平坦起伏結(jié)構(gòu)面為10，粗糙起伏結(jié)構(gòu)面為20。,.,4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng)

19、一、單節(jié)理面的力學(xué)效應(yīng),1、節(jié)理面的破壞條件（極限應(yīng)力平衡方程） 如圖，巖體受1、3 作用，節(jié)理面與最大主平面的交角為，則節(jié)理面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力為：,1,3,1,3,如節(jié)理面強(qiáng)度符合庫倫準(zhǔn)則，其強(qiáng)度方程為：,式中：cj,j為結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角。,（1）,（2）,.,1、節(jié)理面的破壞條件（極限應(yīng)力平衡方程）,或,可見：節(jié)理面上的應(yīng)力和強(qiáng)度均是的函數(shù)。因此，巖體強(qiáng)度與巖石的強(qiáng)度不同，除與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，還與節(jié)理面的方位有關(guān)。,12，單節(jié)理巖體才會(huì)沿節(jié)理面發(fā)生移動(dòng)破壞，Q P,（1）式帶入（2）式時(shí),（3）,.,(1)由上式極限平衡方程可見：當(dāng)j 或/2 ， 13, 故使方程有意義,(2)如圖可見，當(dāng)12 ,巖體才會(huì)沿節(jié)理面產(chǎn)生滑移破壞。,故，節(jié)理面破壞必須滿足的條件: (1)j /2, (2)12 。,2、節(jié)理面破壞必須滿足的條件,.,3、求1、2,RPM中:,RPM=21- j;,由正弦定律：,將RM,PM代入上式得：,由幾何關(guān)