第七章 結構面的力學性質

1、資源與環(huán)境工程學院 結構面的力學性質 資源與環(huán)境工程學院 結構面類型及特征 結構面： 是具有一定方向，厚度較小，延展性較大 的二維地質界面。 資源與環(huán)境工程學院 結構面類型及特征 結構面類型劃分 按結構面成因劃分 原生結構面。 構造結構面。 次生結構面。 資源與環(huán)境工程學院 結構面類型及特征 原生結構面：成巖過程中形成的結構面。 構造結構面：在各種構造應力作用下形成的 結構面，如節(jié)理、斷裂、劈理以及層間錯動引 起的破碎帶等。 次生結構面：在各種次生作用下形成的結構 面，如風化裂隙、冰凍裂隙以及重力卸載裂隙 等。 資源與環(huán)境工程學院 結構面類型及特征 原生結構面又細分為： 沉積結構面：沉積巖層在

2、成巖過程中形成的 結構面，如層理、層面、假整合和不整合等。 火成結構面：巖漿侵入活動及冷凝過程中形 成的，如巖漿巖的流層、流紋、冷卻收縮形成 的張裂隙；火成巖體與圍巖的接觸面。 變質結構面：受變質作用形成的結構面，如 片理、板理等。 資源與環(huán)境工程學院 結構面類型及特征 結構面類型劃分 按結構面受力條件劃分 壓性結構面。 張性結構面。 扭性結構面。 壓扭性結構面。 張扭性結構面。 資源與環(huán)境工程學院 結構面類型及特征 壓性結構面：由壓應力擠壓構成，其走向與 最大主應力方向垂直。 張性結構面：在拉應力作用下產生，其走向 與最大主應力方向一致。 扭性結構面：由純剪或壓張應力引起的剪應 力所形成的結

3、構面。 資源與環(huán)境工程學院 結構面類型及特征 壓扭性結構面：既有壓性結構面的特征，也 有扭性結構面的特征。 張扭性結構面：既有張性結構面的特征，也 有扭性結構面的特征。 資源與環(huán)境工程學院 結構面類型及特征 資源與環(huán)境工程學院 結構面類型及特征 資源與環(huán)境工程學院 結構面類型及特征 資源與環(huán)境工程學院 結構面類型及特征 二、結構面的分類 按工程尺寸的分類（絕對分類） 資源與環(huán)境工程學院 結構面類型及特征 按工程尺寸的分類（相對分類） 資源與環(huán)境工程學院 結構面類型及特征 按力學觀點的分類 資源與環(huán)境工程學院 結構面的狀態(tài) 結構面的狀態(tài)： 結構面的產狀、形態(tài)、延展尺度、密集程度 以及結構面的接觸

4、類型、膠結、充填情況是影 響巖體強度和穩(wěn)定性的重要因素。 資源與環(huán)境工程學院 結構面的狀態(tài) 結構面的產狀：對巖體是否沿著某一結構面 滑動其控制作用。 結構面的形態(tài)：決定巖體沿結構面滑動時抗 滑力的大小。 結構面的延展尺度：決定巖體的強度。 資源與環(huán)境工程學院 結構面的狀態(tài) 結構面的密集程度：決定了巖體的被切割程 度，極大影響著巖體的強度。 結構面的膠結與充填情況：對巖體的強度有 很大影響。 資源與環(huán)境工程學院 結構面的密集程度 描述結構面密集程度的基本概念 v裂隙度:沿測線方向單位長度所穿過的結構面 數(shù)量。 n L d :d節(jié)理平均間距 :L測線長度 L n K 節(jié)理數(shù):n 資源與環(huán)境工程學院

5、 結構面的密集程度 當巖體中存在多組節(jié)理時，此時裂隙度K為各 組節(jié)理裂隙度之和。 nba KKKK 資源與環(huán)境工程學院 結構面的密集程度 切割度:表示巖體被結構面切割的程度。 A a X e :a結構面面積； :A 假想斷面面積 當巖體中存在多組結構面時，此時切割度為： A aaa X n e 21 資源與環(huán)境工程學院 結構面的密集程度 不同切割度對應巖體的貫通類型 非貫通半貫通貫通 資源與環(huán)境工程學院 結構面的接觸類型、膠結與充填 結構面的接觸類型、膠結與充填情況對巖 體對強度的影響 資源與環(huán)境工程學院 結構面的接觸類型、膠結與充填 膠結物成分對巖體對強度的影響： 泥質膠結：強度最低，在脫水

6、情況具有一定強 度，遇水發(fā)生泥化和軟化，強度顯著降低。 可溶鹽類膠結：干燥時具有一定強度，遇水溶 解，強度降低。 鈣質膠結：強度較高，且不受水的影響，但在 酸性水作用下，強度降低。 資源與環(huán)境工程學院 結構面的接觸類型、膠結與充填 鐵質膠結：強度較高，但易風化，力學性能不 穩(wěn)定。 硅質膠結：強度高，力學性能穩(wěn)定。 資源與環(huán)境工程學院 結構面的接觸類型、膠結與充填 膠結物厚度對巖體對強度的影響： 薄膜充填：充填物為極薄的一層礦物薄膜，強 度較低。 斷續(xù)充填：充填物不連續(xù)，厚度小于結構面起 伏度。結構面強度受兩側巖性及結構面形態(tài)控 制。 資源與環(huán)境工程學院 結構面的接觸類型、膠結與充填 連續(xù)充填：

7、充填物連續(xù)，厚度略大于結構面起 伏度。結構面強度受充填物強度控制。 厚層充填：充填物厚度大，在巖體中形成軟弱 帶。 資源與環(huán)境工程學院 結構面的法向變形 結構面的變形特征 結構面的法向變形 1、結構面彈性變形 結構面的接觸是點接觸，接觸點為邊長為h 的正方形，接觸點有n個； 每個接觸點所受的力是相等的； 每個接觸點的力學特性是相同的。 資源與環(huán)境工程學院 結構面的法向變形 點接觸荷載表面平均位移： 2 222 11 hnE dm AE mQ m與接觸面形狀有關的系數(shù)，當接觸面為圓形， 96. 0m 當接觸面為方形，,95. 0mm隨長寬比的增大而減小。 彈性位移，作用于結構面上的均布載荷; d

8、 結構面邊長， h 接觸點邊長;n接觸點個數(shù); 資源與環(huán)境工程學院 結構面的法向變形 沃爾多夫認為，, 9 . 01 2 m故有： nEh d 2 0 8 . 1 通常認為，當結構面閉合時，其彈性變形量為： nEh dm 22 0 12 2 0 資源與環(huán)境工程學院 結構面的法向變形 2、結構面的閉合變形 古德曼假定： 結構面是張開的，張開的結構面沒有強度； 結構面間的壓縮量有限。 e 資源與環(huán)境工程學院 結構面的法向變形 V VVmc 1 mc t mc VV VV V A 1 mcmc VVV 當：1 tA 資源與環(huán)境工程學院 結構面的法向變形 結構面的配稱與非配稱試驗： 資源與環(huán)境工程學院

9、 結構面的切向變形 結構面的剪切變形 1、結構面粗糙、無充填物的剪切變形(a)。 2、結構面含有較厚充填物的剪切變形(b)。 資源與環(huán)境工程學院 結構面的切向變形 充填物濕度對結構面抗剪強度曲線影響很大。 當充填物干燥時，曲線b會向曲線a過渡。 0u a b 資源與環(huán)境工程學院 結構面的切向變形 結構面剪切變形理想化模型 0u A BC 峰值抗剪強度 殘余抗剪強度 起始彈性段 應力降低段 殘余變形段（塑性段） 資源與環(huán)境工程學院 結構面的切向變形 0u 高低 恒剛度抗剪強度曲線 0u 高低 恒位移抗剪強度曲線 資源與環(huán)境工程學院 結構面的抗剪強度 結構面的抗剪強度 平直結構面的抗剪強度 殘余抗

10、剪強度 rr tg殘余內摩擦角 r pp tgC 峰值內聚力， p C峰值內摩擦角 p 峰值抗剪強度 資源與環(huán)境工程學院 結構面的抗剪強度 若結構面間有水存在： tguC 結構面間水壓u ）或內摩擦角（ rp ）或內聚力（0 p CC 資源與環(huán)境工程學院 結構面的抗剪強度 規(guī)則粗糙結構面的抗剪強度： N N TT itg b 基本摩擦角， b 結構面爬坡角i 資源與環(huán)境工程學院 結構面的抗剪強度 itg b 基本摩擦角， b 結構面爬坡角i iNiTT iTiNN sincos sincos b tgNT 資源與環(huán)境工程學院 結構面的抗剪強度 規(guī)則粗糙結構面抗剪強度理想曲線： 0 A B C視

11、內聚力 i b T bbT tgitgC 資源與環(huán)境工程學院 結構面的抗剪強度 不規(guī)則粗糙結構面抗剪強度： b JCS JRCtg lg 結構面粗糙度系數(shù)JRC 結構面兩壁表面抗壓強度JCS 資源與環(huán)境工程學院 結構面的抗剪強度 充填結構面抗剪強度 當結構面中充填有某種軟弱物質時，隨著 充填厚度的增大，結構面的抗剪強度顯著下降， 一旦充填物厚度超過結構面表面起伏幅值時， 則結構面抗剪強度由充填物的厚度縮控制。 資源與環(huán)境工程學院 結構面的力學效應 單結構面力學效應 jj Ctg 結構面抗剪強度符合庫侖準則： 2sin 2 1 31 2cos 2 1 2 1 3131 巖石內任意點應力關系： 單

12、結構面力學效應 資源與環(huán)境工程學院 單結構面力學效應 2sin1 2 3 31 ctgtg tgC j jj 沿結構面破壞力學條件： 當： j 2 1 2 j 資源與環(huán)境工程學院 單結構面力學效應 沿結構面破壞范圍： 資源與環(huán)境工程學院 單結構面力學效應 31 31 1 sin2 arcsin 2 1 2 jjjj ctgC j 2 21 31 31 2 sin2 arcsin 2 1 2 90 jjjj ctgC 資源與環(huán)境工程學院 單結構面力學效應 當結構面與結構面抗剪強度曲線相切時： 24 j j ctgtg2 j jj j j C sin1 cos2 sin1 sin1 31 或 jj jj tgtg tgC 2 3 31 1 2 資源與環(huán)境工程學院 單結構面力學效應 結構面抗剪強度與與結構面位置及圍壓的關系： 資源與環(huán)境工程學院 多結構面力學效應 多結構面力學效應 資源與環(huán)境工程學院 作業(yè) 例 某巖石邊坡由閃長巖組成，其抗剪強度 指標C=400kg/cm2，=30，邊坡內有一結構 面，結構面強度性質Cj=200kg/cm2，j=20， 結構面傾角= 40。為防止下