大連理工大學(xué)巖石力學(xué)課件張金利老師---3.結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)

1、第第 三三 章章結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) 面面 的的 力力 學(xué)學(xué) 性性 質(zhì)質(zhì)3-1 結(jié)構(gòu)面的類型及其特征結(jié)構(gòu)面的類型及其特征一、結(jié)構(gòu)面的概念一、結(jié)構(gòu)面的概念 結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面是指巖體中存在著的各種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、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。斷層、不整合面等。 結(jié)構(gòu)面是具有一定的方向、延展結(jié)構(gòu)面是具有一定的方向、延展較大、厚度較小的二維面狀地質(zhì)界面。較大、厚度較小的二維面狀地質(zhì)界面。 二、結(jié)構(gòu)面的類型二、結(jié)構(gòu)面的類型 1、按結(jié)構(gòu)面按、按結(jié)構(gòu)面按成因成因可分為：可分為： 火成結(jié)構(gòu)面

2、火成結(jié)構(gòu)面 原生結(jié)構(gòu)面原生結(jié)構(gòu)面 構(gòu)造結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面 次生結(jié)構(gòu)面次生結(jié)構(gòu)面 沉積結(jié)構(gòu)面沉積結(jié)構(gòu)面 變質(zhì)結(jié)構(gòu)面變質(zhì)結(jié)構(gòu)面 （1）原生結(jié)構(gòu)面原生結(jié)構(gòu)面：在成巖過程中形成的結(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)面沉積結(jié)構(gòu)面：沉積巖在成巖過程中形成的各：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），及原生軟弱夾層等。產(chǎn)狀整合面、假整合面），及原生軟弱夾層等。產(chǎn)狀與巖層一致，延展性強。與巖層一致，延展性強。 B、火成結(jié)構(gòu)面火成結(jié)構(gòu)面：巖漿侵入、噴溢冷凝所形成的：巖漿侵入、噴溢冷凝所形成的各種結(jié)構(gòu)面，如流層、

3、流線、火山巖流接觸面、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、原生節(jié)理等。這些結(jié)各種蝕變帶、擠壓破碎帶、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。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)面變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：在區(qū)域變質(zhì)作用下形成的：在區(qū)域變質(zhì)作用下形成的結(jié)構(gòu)面，如片理、片巖夾層等。變質(zhì)結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面，如片理、片巖夾層等。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。們一般分布密集。 （2）構(gòu)造結(jié)構(gòu)面）構(gòu)造結(jié)構(gòu)面 指巖體受地殼運動（構(gòu)造應(yīng)力）作用下形成指巖體受地殼運動（構(gòu)造應(yīng)力）作用下形成的各種

4、結(jié)構(gòu)面，如劈理、節(jié)理、斷層、層間錯動破的各種結(jié)構(gòu)面，如劈理、節(jié)理、斷層、層間錯動破碎帶等。其中以斷層規(guī)模最大，節(jié)理分布最廣。碎帶等。其中以斷層規(guī)模最大，節(jié)理分布最廣。 節(jié)理面的范圍都是有限，大者一般不過上百節(jié)理面的范圍都是有限，大者一般不過上百米，小者僅有幾厘米。米，小者僅有幾厘米。張節(jié)理：張節(jié)理：表面一般粗糙，參差不齊，寬窄不一，延展表面一般粗糙，參差不齊，寬窄不一，延展性較差；性較差；剪節(jié)理：剪節(jié)理：表面一般平直光滑，延展性相對較好。表面一般平直光滑，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，泥石、滑石等

5、，因此，剪節(jié)理面盡管接觸緊密，但剪節(jié)理面盡管接觸緊密，但卻易于滑動卻易于滑動 斷層：斷層：一般指位移顯著的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面。規(guī)模相差比較懸一般指位移顯著的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面。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。面一般是延展性較好的結(jié)構(gòu)面。斷層面的物質(zhì)成分主要是構(gòu)造巖，斷層面的物質(zhì)成分主要是構(gòu)造巖，如如斷層泥、糜棱巖、角礫巖、壓碎巖等斷層泥、糜棱巖、角礫巖、壓碎巖等。 層間錯動帶層間錯動帶:在層狀巖體中常見的一種構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀

6、在層狀巖體中常見的一種構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀一般與巖層一致一般與巖層一致; 延展性較好，結(jié)構(gòu)面中的物延展性較好，結(jié)構(gòu)面中的物質(zhì)，因受構(gòu)造錯動的影響，多呈破碎狀、鱗片質(zhì)，因受構(gòu)造錯動的影響，多呈破碎狀、鱗片狀，且含泥質(zhì)物。狀，且含泥質(zhì)物。 （3）次生結(jié)構(gòu)面）次生結(jié)構(gòu)面 一般處于地表，在風(fēng)化、地下水、卸荷、一般處于地表，在風(fēng)化、地下水、卸荷、爆破等外力作用下而形成結(jié)構(gòu)面。如卸荷裂隙、爆破等外力作用下而形成結(jié)構(gòu)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。爆破裂隙、風(fēng)化裂隙、風(fēng)化夾層及泥化夾層等。 卸荷裂隙卸荷裂隙一般發(fā)生在巖體有臨空面條件的一般發(fā)生在巖體有臨空面條件的地區(qū)，特別是在深切河谷

7、處。延展性不好，常地區(qū)，特別是在深切河谷處。延展性不好，常在地表在地表2040m內(nèi)發(fā)育，裂隙面粗糙不平，常為內(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。張開型，充填物多為泥質(zhì)碎屑。 爆破裂隙爆破裂隙是礦山工程中常見的一種次生結(jié)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、弧狀范圍是有限的，且多呈一組相互平行的、弧狀的裂隙面分布。的裂隙面分布。風(fēng)化裂隙及風(fēng)化夾層風(fēng)化裂隙及風(fēng)化夾層： 一般是沿原生夾層和原有結(jié)構(gòu)

8、面發(fā)育，一般是沿原生夾層和原有結(jié)構(gòu)面發(fā)育，多是短小密集，延展性差，僅限于地表多是短小密集，延展性差，僅限于地表一定深度。一定深度。 泥化夾層：泥化夾層： 水的使夾層內(nèi)的松軟物質(zhì)泥化而成，其水的使夾層內(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水作用條件而異。泥化夾層一般都是強度很低的，它們是導(dǎo)致巖體失穩(wěn)破壞的度很低的，它們是導(dǎo)致巖體失穩(wěn)破壞的常見因素常見因素 2、按結(jié)構(gòu)面按、按結(jié)構(gòu)面按受力條件受力條件可分為：可分為：A、壓性結(jié)構(gòu)面壓性結(jié)構(gòu)面：由：由壓應(yīng)力壓應(yīng)力擠壓而成，其走向與最大主擠壓而成，其走向與最大主應(yīng)力方

9、向垂直。如褶皺軸面、片理面、壓性節(jié)理面應(yīng)力方向垂直。如褶皺軸面、片理面、壓性節(jié)理面等。等。B、張性結(jié)構(gòu)面張性結(jié)構(gòu)面：在：在拉應(yīng)力拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)面，其走作用下產(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)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)面粗糙。如張性斷裂面、張性節(jié)理面。面粗糙。如張性斷裂面、張性節(jié)理面。 C、扭性結(jié)構(gòu)面扭性結(jié)構(gòu)面：由純剪或壓張應(yīng)力引起的：由純剪或壓張應(yīng)力引起的剪應(yīng)力剪應(yīng)力所形所形成的結(jié)構(gòu)面成的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面壁較光滑，開口或閉口都有可，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)。如能，往往成對出現(xiàn)。如x型斷層面，型斷層面，x型節(jié)理面型節(jié)理面

10、。D、壓扭性結(jié)構(gòu)面壓扭性結(jié)構(gòu)面：既有壓性結(jié)構(gòu)面的特征，又有扭性：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。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。：兼有張性和扭性結(jié)構(gòu)面的雙重特征。往往成鋸齒狀。往往成鋸齒狀。 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)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)模結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度和規(guī)模可

11、以可以劃分為如下五級。劃分為如下五級。結(jié)構(gòu)面分級結(jié)構(gòu)面分級I I級結(jié)構(gòu)面級結(jié)構(gòu)面級結(jié)構(gòu)面級結(jié)構(gòu)面級結(jié)構(gòu)面級結(jié)構(gòu)面級結(jié)構(gòu)面級結(jié)構(gòu)面V V級結(jié)構(gòu)面級結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度和規(guī)模由高到低和規(guī)模由高到低三、結(jié)構(gòu)面分級三、結(jié)構(gòu)面分級 I級結(jié)構(gòu)面（大的斷裂，長、深、寬）級結(jié)構(gòu)面（大的斷裂，長、深、寬） 一般泛指對一般泛指對區(qū)域構(gòu)造起控制作用的斷裂區(qū)域構(gòu)造起控制作用的斷裂帶帶，它包括大小構(gòu)造單元接壤的深大斷裂帶，它包括大小構(gòu)造單元接壤的深大斷裂帶，是地殼或區(qū)域內(nèi)巨型的構(gòu)造斷裂面，走向上是地殼或區(qū)域內(nèi)巨型的構(gòu)造斷裂面，走向上延展一般數(shù)十公里以上，而且破碎帶的寬度延展一般數(shù)十公里以上，而且破碎帶的寬

12、度至少也在數(shù)米以上至少也在數(shù)米以上。I級結(jié)構(gòu)面沿縱深方向至級結(jié)構(gòu)面沿縱深方向至少可以切穿一個構(gòu)造層，它的存在直接關(guān)系少可以切穿一個構(gòu)造層，它的存在直接關(guān)系到工程區(qū)域的穩(wěn)定性。到工程區(qū)域的穩(wěn)定性。 級結(jié)構(gòu)面級結(jié)構(gòu)面 （地質(zhì)界面，長、窄）（地質(zhì)界面，長、窄） 一般指一般指延展性強而寬度有限的地質(zhì)界面延展性強而寬度有限的地質(zhì)界面，如不整合面、假整合面、原生軟弱夾層以及如不整合面、假整合面、原生軟弱夾層以及延展有限的斷層（數(shù)百米至數(shù)千米）、層間延展有限的斷層（數(shù)百米至數(shù)千米）、層間錯動帶、接觸破碎帶、風(fēng)化夾層等。它們的錯動帶、接觸破碎帶、風(fēng)化夾層等。它們的寬度一般是寬度一般是幾厘米至數(shù)米幾厘米至數(shù)米。

13、級結(jié)構(gòu)面主要級結(jié)構(gòu)面主要是在一個構(gòu)造層中分布，可能切穿幾個地質(zhì)是在一個構(gòu)造層中分布，可能切穿幾個地質(zhì)時代的地層。它與其他結(jié)構(gòu)面組合，會形成時代的地層。它與其他結(jié)構(gòu)面組合，會形成較大規(guī)模的塊體破壞。較大規(guī)模的塊體破壞。 級結(jié)構(gòu)面（小斷層）級結(jié)構(gòu)面（小斷層） 一般為一般為局部性的斷裂構(gòu)造，主要指的是局部性的斷裂構(gòu)造，主要指的是小斷層小斷層，延展十米或數(shù)十米，寬度半米左右。，延展十米或數(shù)十米，寬度半米左右。此外，還包括寬度在數(shù)厘米的，走向和縱深此外，還包括寬度在數(shù)厘米的，走向和縱深延伸斷續(xù)的原生軟弱夾層、層間錯動等。這延伸斷續(xù)的原生軟弱夾層、層間錯動等。這種斷層，往往僅在一個地質(zhì)時代的地層中分種斷層

14、，往往僅在一個地質(zhì)時代的地層中分布，有時僅僅在某一種巖性中分布。它與布，有時僅僅在某一種巖性中分布。它與級結(jié)構(gòu)面相組合，會形成較大的塊體滑動，級結(jié)構(gòu)面相組合，會形成較大的塊體滑動，如果它自身組合，僅能形成局部的或小規(guī)模如果它自身組合，僅能形成局部的或小規(guī)模的破壞。的破壞。 級結(jié)構(gòu)面（節(jié)理）級結(jié)構(gòu)面（節(jié)理） 一般延展性較差，一般延展性較差，無明顯的寬度，主要無明顯的寬度，主要指的是節(jié)理面指的是節(jié)理面，僅在有限范圍內(nèi)分布，但在，僅在有限范圍內(nèi)分布，但在巖體中很普遍。這種結(jié)構(gòu)面往往受上述各級巖體中很普遍。這種結(jié)構(gòu)面往往受上述各級結(jié)構(gòu)面控制，其分布是比較有規(guī)律的。其存結(jié)構(gòu)面控制，其分布是比較有規(guī)律的。

15、其存在使巖體被切割成巖塊，破壞了巖體的完整在使巖體被切割成巖塊，破壞了巖體的完整性，并且與其它結(jié)構(gòu)面組合可形成不同類型性，并且與其它結(jié)構(gòu)面組合可形成不同類型的巖體破壞方式，大大降低巖體工程的穩(wěn)定的巖體破壞方式，大大降低巖體工程的穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)面不能直接反映在地質(zhì)圖上，性。這種結(jié)構(gòu)面不能直接反映在地質(zhì)圖上，只能進(jìn)行統(tǒng)計了解其分布規(guī)律。只能進(jìn)行統(tǒng)計了解其分布規(guī)律。 V級結(jié)構(gòu)面級結(jié)構(gòu)面 延展性甚差，無寬度之別，分布隨機，延展性甚差，無寬度之別，分布隨機，是為數(shù)甚多的細(xì)小的結(jié)構(gòu)面，主要包括是為數(shù)甚多的細(xì)小的結(jié)構(gòu)面，主要包括微小微小的節(jié)理、劈理、隱微裂隙、不發(fā)育的片理、的節(jié)理、劈理、隱微裂隙、不發(fā)育的

16、片理、線理、微層理線理、微層理等。它們的發(fā)育受上述諸級結(jié)等。它們的發(fā)育受上述諸級結(jié)構(gòu)面限制。這些結(jié)構(gòu)面的存在，降低了巖塊構(gòu)面限制。這些結(jié)構(gòu)面的存在，降低了巖塊的強度。若十分密集，又因風(fēng)化，可形成松的強度。若十分密集，又因風(fēng)化，可形成松散介質(zhì)。散介質(zhì)。四、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)四、結(jié)構(gòu)面狀態(tài) 結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、形態(tài)（粗糙起伏）、延展尺度、密集程結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、形態(tài)（粗糙起伏）、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度和穩(wěn)定性的重要因度以及膠結(jié)與充填情況等是影響巖體強度和穩(wěn)定性的重要因素。素。 2、結(jié)構(gòu)面形態(tài)、結(jié)構(gòu)面形態(tài) 粗糙，起伏；起伏度包括起伏波粗糙，起伏；起伏度包括起伏波的幅度和長度。的幅度和長度

17、。 決定結(jié)構(gòu)面抗滑決定結(jié)構(gòu)面抗滑力的大小，當(dāng)結(jié)構(gòu)面的起伏程度力的大小，當(dāng)結(jié)構(gòu)面的起伏程度大，粗糙度高時，其抗滑力就大。大，粗糙度高時，其抗滑力就大。1、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、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?；破鹂刂谱饔?。 3、結(jié)構(gòu)面的延展尺度、結(jié)構(gòu)面的延展尺度 在工程巖體范圍內(nèi)，延展度大的結(jié)構(gòu)面在工程巖體范圍內(nèi)，延展度大的結(jié)構(gòu)面控制著巖體的強度。結(jié)構(gòu)面延展情況不同，控制著巖體的強度。結(jié)構(gòu)面延展情況不同，其力學(xué)效應(yīng)也不同。其力學(xué)效應(yīng)也不同。 按考察范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)面的貫通情況，將結(jié)構(gòu)面按考察范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)面的貫通情況，

18、將結(jié)構(gòu)面分為：分為： 非貫通性非貫通性結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)面、半貫通性半貫通性結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)面和貫通性貫通性結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面。 （1）非貫通性結(jié)構(gòu)面非貫通性結(jié)構(gòu)面：使巖體強度降低，：使巖體強度降低，變形增大。變形增大。 （2）半貫通性結(jié)構(gòu)面半貫通性結(jié)構(gòu)面：對巖體力學(xué)性：對巖體力學(xué)性能的影響有兩種情況：當(dāng)其相對延展尺能的影響有兩種情況：當(dāng)其相對延展尺度不大時，其作用與非貫通結(jié)構(gòu)面類似；度不大時，其作用與非貫通結(jié)構(gòu)面類似；反之，與貫通性結(jié)構(gòu)面類似。反之，與貫通性結(jié)構(gòu)面類似。 （3）貫通性結(jié)構(gòu)面貫通性結(jié)構(gòu)面：構(gòu)成巖體、塊體：構(gòu)成巖體、塊體的邊界，對巖體的強度有較大的影響，的邊界，對巖體的強度有較大的影響，破壞常受

19、這類結(jié)構(gòu)面控制。破壞常受這類結(jié)構(gòu)面控制。 4、結(jié)構(gòu)面的密集程度、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)為巖體度的指標(biāo)為巖體裂隙度裂隙度K和和切割度切割度Xe。 （1）巖體裂隙度）巖體裂隙度K 同一組結(jié)構(gòu)面沿法線方向單位長度上的節(jié)理數(shù)量同一組結(jié)構(gòu)面沿法線方向單位長度上的節(jié)理數(shù)量 式中：式中：n為長度為長度l內(nèi)的節(jié)理數(shù)量內(nèi)的節(jié)理數(shù)量. d為沿取樣方向節(jié)理的平均間距為沿取樣方向節(jié)理的平均間距l(xiāng)nK nlKd 1d 180cm 整體結(jié)構(gòu)；整體結(jié)構(gòu)； d =3080cm 塊狀結(jié)構(gòu)塊狀結(jié)構(gòu) d 30cm 碎裂狀結(jié)構(gòu)；碎裂狀結(jié)構(gòu)； d 6.5c

20、m 極破碎結(jié)構(gòu)極破碎結(jié)構(gòu) 當(dāng)巖體中有幾組不同方向節(jié)理，如圖示兩組節(jié)理當(dāng)巖體中有幾組不同方向節(jié)理，如圖示兩組節(jié)理則沿取樣方向則沿取樣方向x上的節(jié)理平均間距上的節(jié)理平均間距max和和mbx為為 ,cos,cos,cosnnnxbbbxaaaxdmdmdm 該取樣線上的裂隙度該取樣線上的裂隙度K為各組節(jié)為各組節(jié)理的裂隙度理的裂隙度Ki之和。即：之和。即：pK越大，結(jié)構(gòu)面越密集。不同測線上的越大，結(jié)構(gòu)面越密集。不同測線上的K值差別越大，巖體值差別越大，巖體各向異性越明顯。各向異性越明顯。p按按K的大小，可將節(jié)理分成：疏節(jié)理（的大小，可將節(jié)理分成：疏節(jié)理（K=01 m-1）；密節(jié)）；密節(jié)理（理（K=11

21、0 m-1）；非常密集節(jié)理（）；非常密集節(jié)理（K=10100 m-1）；壓）；壓碎或糜棱化帶（碎或糜棱化帶（K=1001000 m-1）；）； nbaKKKK （2）切割度）切割度Xe： 指巖體某個斷面被節(jié)理切割的程度。指巖體某個斷面被節(jié)理切割的程度。 假設(shè)巖體僅有一個結(jié)構(gòu)面，可沿結(jié)構(gòu)面取一個假設(shè)巖體僅有一個結(jié)構(gòu)面，可沿結(jié)構(gòu)面取一個貫通性的假想平直斷面，則貫通性的假想平直斷面，則結(jié)構(gòu)面面積結(jié)構(gòu)面面積a與該斷面面與該斷面面積積A之比之比，即為該巖體的切割度。，即為該巖體的切割度。 當(dāng)當(dāng): Xe0, 即巖體為完整連續(xù)體；即巖體為完整連續(xù)體；0XeR 。PPPtancRRtan oR R 殘余強度殘

22、余強度P 峰值強度峰值強度pCRRtanPPPtancP變動法向應(yīng)力進(jìn)行多組試驗，可確定結(jié)構(gòu)面的峰值與殘余強度曲線二、粗糙結(jié)構(gòu)面的抗剪強度二、粗糙結(jié)構(gòu)面的抗剪強度 1、理想化粗糙結(jié)構(gòu)面模型鋸齒狀結(jié)構(gòu)面、理想化粗糙結(jié)構(gòu)面模型鋸齒狀結(jié)構(gòu)面 （1）爬坡角）爬坡角與剪脹現(xiàn)象與剪脹現(xiàn)象 （2）剪切強度）剪切強度 作用在斜面作用在斜面AB上的法向力和切向力分別為：上的法向力和切向力分別為： 由靜力平衡得：由靜力平衡得： 式中：式中：，為結(jié)構(gòu)面為結(jié)構(gòu)面AB上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，b為為AB面上的摩擦角面上的摩擦角。 sincosTNN cossinTNT btgTNbbtan()tan()T

23、NNT 結(jié)構(gòu)面有凸臺的模型的剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線，它結(jié)構(gòu)面有凸臺的模型的剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線，它近似呈雙直線的特征。結(jié)構(gòu)面受剪初期，剪切力上升較快；近似呈雙直線的特征。結(jié)構(gòu)面受剪初期，剪切力上升較快；隨著剪應(yīng)力和剪切變形增加，結(jié)構(gòu)面上部分凸臺被剪斷，隨著剪應(yīng)力和剪切變形增加，結(jié)構(gòu)面上部分凸臺被剪斷，剪應(yīng)力上升，梯度變小，直至達(dá)到峰值抗剪強度。剪應(yīng)力上升，梯度變小，直至達(dá)到峰值抗剪強度。1， 較小情況：隨剪切變形增較小情況：隨剪切變形增加，會出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，此時的強加，會出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，此時的強度曲線為：度曲線為：tan(b+); 2， 較大情況：因較大情況：因 較大，結(jié)構(gòu)面兩較大，結(jié)構(gòu)

24、面兩側(cè)巖塊不會發(fā)生爬升現(xiàn)象，即不側(cè)巖塊不會發(fā)生爬升現(xiàn)象，即不發(fā)生剪脹，當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)發(fā)生剪脹，當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時，值時，凸臺被剪斷，此時未發(fā)生凸臺被剪斷，此時未發(fā)生剪切變形，對應(yīng)的剪應(yīng)力稱為視剪切變形，對應(yīng)的剪應(yīng)力稱為視粘聚力粘聚力c 。強度曲線為：。強度曲線為：c+tanb 。 試驗表明，試驗表明，當(dāng)法向應(yīng)力較低時，結(jié)構(gòu)面有剪切位移和剪當(dāng)法向應(yīng)力較低時，結(jié)構(gòu)面有剪切位移和剪脹；當(dāng)法向應(yīng)力較高，凸臺剪斷，結(jié)構(gòu)面抗剪強度最終脹；當(dāng)法向應(yīng)力較高，凸臺剪斷，結(jié)構(gòu)面抗剪強度最終變成殘余抗剪強度變成殘余抗剪強度。在剪切過程中，凸臺起伏形成的粗。在剪切過程中，凸臺起伏形成的粗糙度以及巖石強度對結(jié)構(gòu)

25、面的抗剪強度起著重要作用。糙度以及巖石強度對結(jié)構(gòu)面的抗剪強度起著重要作用。 在實際應(yīng)用中應(yīng)注意：在實際應(yīng)用中應(yīng)注意： （1）、對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行直剪試驗時，法向應(yīng)力應(yīng)與實際）、對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行直剪試驗時，法向應(yīng)力應(yīng)與實際工程中的一致。一般認(rèn)為工程中的一致。一般認(rèn)為b R （殘余摩擦角）。（殘余摩擦角）。 （2）、）、是各向不同的，因此，測量時應(yīng)使所測是各向不同的，因此，測量時應(yīng)使所測角與角與所討論的方向一致。所討論的方向一致。 2、不規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)面的抗剪強度、不規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)面的抗剪強度 對于不規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)面，影響結(jié)構(gòu)面強度的因素包對于不規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)面，影響結(jié)構(gòu)面強度的因素包括括 法向力法向力、粗糙度、粗

26、糙度JRC、結(jié)構(gòu)面抗壓強度、結(jié)構(gòu)面抗壓強度JCS等。等。Barton(1977)提出確定不規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)面抗剪強度公式：提出確定不規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)面抗剪強度公式： 式中：式中：b巖石表面基本摩擦角。巖石表面基本摩擦角。JRC為結(jié)構(gòu)面粗糙性系為結(jié)構(gòu)面粗糙性系數(shù)（數(shù)（020），）， Barton將其分為將其分為10級級 ，平坦近平滑結(jié)構(gòu)，平坦近平滑結(jié)構(gòu)面為面為5，平坦起伏結(jié)構(gòu)面為，平坦起伏結(jié)構(gòu)面為10，粗糙起伏結(jié)構(gòu)面為，粗糙起伏結(jié)構(gòu)面為20。tanlg()bJCSJRC 3-4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng)結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng)一、單節(jié)理面的力學(xué)效應(yīng)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）、節(jié)理面

27、的破壞條件（極限應(yīng)力平衡方程） 如圖，巖體受如圖，巖體受1、3 作用，節(jié)理面與最大主平面的交角為作用，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：則節(jié)理面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力為： 若節(jié)理面強度符合莫爾庫倫準(zhǔn)則，即滿足：若節(jié)理面強度符合莫爾庫倫準(zhǔn)則，即滿足： 將將(a)代入代入(b)得節(jié)理面的極限平衡方程：得節(jié)理面的極限平衡方程： 2cos223131 2sin231 (a)jjjtgc(b) 節(jié)理面極限應(yīng)力平衡方程：節(jié)理面極限應(yīng)力平衡方程： 或：或： 式中：式中：cj，j為結(jié)構(gòu)面力粘結(jié)力和摩擦角。為結(jié)構(gòu)面力粘結(jié)力和摩擦角。 可見：節(jié)理面上的應(yīng)力和強度均是可見：節(jié)理面上的應(yīng)力和強度均

28、是的函數(shù)。因此，巖的函數(shù)。因此，巖體強度與巖石的強度不同，除體強度與巖石的強度不同，除與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，還與與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，還與節(jié)理面的方位有關(guān)節(jié)理面的方位有關(guān)。jj3j13jj2cos2sinsin(2)sincj3j13j22tg(1tgctg)sin2c 2、節(jié)理面破壞、節(jié)理面破壞必須滿足的條件必須滿足的條件 (1) 由上式極限平衡方程可見：由上式極限平衡方程可見： 當(dāng)當(dāng)j 或或/2 ， 13, 故故jj3j13jj2cos2sinsin(2)sincj2 (2) 如圖可見，當(dāng)如圖可見，當(dāng)12 ,巖體才會沿節(jié)理面產(chǎn)生滑移破壞。巖體才會沿節(jié)理面產(chǎn)生滑移破壞。 故，節(jié)理面破壞故，節(jié)理面破壞

29、必須滿足的條件必須滿足的條件: a. j /2（極限平衡條件）（極限平衡條件） b. 12 （莫爾庫侖條件）（莫爾庫侖條件） 3、確定、確定1、2 RPM中中:13jjjjm()RMROOMc ctanc ctan213mPM2RPM=21- j ; RP3由正弦定律：由正弦定律： 將將RM,PM代入上式得：代入上式得：1jjRMPMsin(2)sinjjmm1jjc ctansin(2)sinj1jjjmmsinsin(2)(c ctg)2j1222j11jjjmmsin2sin(c ctan)得得利用直角三角形 4、節(jié)理最不利的位置、節(jié)理最不利的位置 由極限平衡方程可以看出，應(yīng)力圓直徑由極

30、限平衡方程可以看出，應(yīng)力圓直徑（13）是）是的函數(shù)，當(dāng)?shù)暮瘮?shù)，當(dāng)?shù)扔谀骋粋€值等于某一個值時，其直徑最小，與強度曲線相切。將上時，其直徑最小，與強度曲線相切。將上式對式對取一階導(dǎo)數(shù)，然后令其為取一階導(dǎo)數(shù)，然后令其為0，得：，得： j3j13j22tan(1tanctan)sin2c0d)d(31 整理得：整理得： 即是說，當(dāng)即是說，當(dāng) 時，節(jié)理的強度最低，最容易產(chǎn)生破時，節(jié)理的強度最低，最容易產(chǎn)生破 壞。說明壞。說明巖體最容易沿此節(jié)理面產(chǎn)生滑移巖體最容易沿此節(jié)理面產(chǎn)生滑移。 j42jj1tan2tan()tan2 j42問題1：對于完整巖石試塊，當(dāng)發(fā)生剪切破壞時，破裂面與大主應(yīng)力作用面的夾角應(yīng)為多少？ 5、節(jié)理對巖體強度的影響、節(jié)理對巖體強度的影響 從上述分析可見：從上述分析可見： （1）當(dāng)節(jié)理面傾角）當(dāng)節(jié)理面傾角滿足滿足12 , 且且j /2時，節(jié)理才會對巖體產(chǎn)生時，節(jié)理才會對巖體產(chǎn)生 影響，這時巖體的強度取決于節(jié)理的強度，影響，這時巖體的強度取決于節(jié)理的強度， 且當(dāng)且當(dāng)450j/2時，巖體強度最低，時，巖體強度最低， 其莫爾圓直徑最小。其莫爾圓直徑最小。 （2）當(dāng)）當(dāng)增大或減小時，巖體的強度增大或減小時，巖體的強度 隨之增加。隨之增加。 （3）當(dāng)）當(dāng)2 時，