結構面的力學性質

1、第2章 結構面的力學性質2-1 結構面的類型及其特征2-2 結構面的變形特性2-3 結構面的抗剪強度2-4 結構面的力學效應2-1 2-1 結構面的類型及其特征結構面的類型及其特征一、結構面的概念一、結構面的概念 結構面是指巖體中存在著的各種不同成因和不同特性的結構面是指巖體中存在著的各種不同成因和不同特性的地質界面地質界面，包括物質的分界面、不連續(xù)面如節(jié)理、片理、斷層、，包括物質的分界面、不連續(xù)面如節(jié)理、片理、斷層、不整合面等。不整合面等。 結構面具有一定的方向、延展較大、厚度小的結構面具有一定的方向、延展較大、厚度小的二維面狀地質界面。二維面狀地質界面。二、結構面的類型二、結構面的類型火成

2、結構面火成結構面 原生結構面原生結構面 構造結構面構造結構面 次生結構面次生結構面 沉積結構面沉積結構面 變質結構面變質結構面 1 1、按結構面、按結構面按成因可分為按成因可分為 （1 1）原生結構面：在成巖過程中形成的結構）原生結構面：在成巖過程中形成的結構面。面。 A A、沉積結構面沉積結構面是沉積巖在成巖過程中形成的各種地質界面，是沉積巖在成巖過程中形成的各種地質界面，包括層面、層理、沉積間斷面（不整合面、假整合面），及原包括層面、層理、沉積間斷面（不整合面、假整合面），及原生軟弱夾層等。生軟弱夾層等。 B B、火成結構面火成結構面為巖漿侵入、噴溢冷凝所形成的各種結構面，為巖漿侵入、噴溢

3、冷凝所形成的各種結構面，如流層、流線、火山巖流接觸面、各種蝕變帶、擠壓破碎帶以如流層、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。這些結構面的產(chǎn)狀受侵入巖體與圍巖接觸面所及原生節(jié)理等。這些結構面的產(chǎn)狀受侵入巖體與圍巖接觸面所控制?？刂?。 C C、變質結構面變質結構面為巖體在變質作用過程中所形成的結構面，如為巖體在變質作用過程中所形成的結構面，如片理、片麻理、板理及軟弱夾層等。變質結構面的產(chǎn)狀與巖層片理、片麻理、板理及軟弱夾層等。變質結構面的產(chǎn)狀與巖層基本一致，延展性較差，但它們一般分布密集。片理結構面是基本一致，延展性較差，但它們一般分布密集。片理結構面是變質結構面中最常見的，

4、其面常常是光滑的，但形態(tài)呈波浪狀變質結構面中最常見的，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，結構面也比較粗糙，變質巖中的軟片麻理面常呈凹凸不平狀，結構面也比較粗糙，變質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，弱夾層主要是片狀礦物，如黑云母、綠泥石、滑石等的富集帶，其抗剪強度低，遇水后性質就更差其抗剪強度低，遇水后性質就更差. .（2 2）構造結構面）構造結構面各類巖體在構造運動作用下形成的各種結構面，如各類巖體在構造運動作用下形成的各種結構面，如劈理、劈理、節(jié)理、斷層、層間錯動面節(jié)理、斷層、層間錯動面等。等。 節(jié)理面在走向延展及縱深發(fā)展上，其范圍

5、都是有限的，大節(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薄膜，如高嶺展性相對較好，節(jié)理面上常見有擦痕和各種泥質薄膜，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。于滑動。 斷層面的規(guī)模相差比較懸殊，有的深切巖石圈幾十公里，斷層面的規(guī)模相差比較懸殊，有的深切巖石圈

6、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，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構面斷層面斷層面一般是延展性較好的結構面斷層面( (或簾或簾) )的物質成分的物質成分主要是構造巖，如斷層泥、糜棱巖、角礫巖、壓碎巖等層間主要是構造巖，如斷層泥、糜棱巖、角礫巖、壓碎巖等層間錯動帶是在層狀巖體中常見的一種構造結構面，其產(chǎn)狀一般與錯動帶是在層狀巖體中常見的一種構造結構面，其產(chǎn)狀一般與巖層一致。巖層一致。 延展性較好，結構面中的物質，因受構造錯動的影響，多延展性較好，結構面中的物質，因受構造錯動的影響，多呈破碎狀、鱗片狀，且含泥質物。呈破碎

7、狀、鱗片狀，且含泥質物。（3 3）次生結構面）次生結構面 在地表條件下，由于外力在地表條件下，由于外力( (如如風化、地下水、卸荷、爆破風化、地下水、卸荷、爆破等等) )的作用而形成的各種界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、風的作用而形成的各種界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、風化裂隙、風化夾層及泥化夾層等化裂隙、風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，常在地表在深切河谷處，延展性不好，常在地表202040m40m內(nèi)發(fā)育，裂內(nèi)發(fā)育，裂隙面粗糙不平，常為張開型，充填物多為泥質碎屑隙面粗糙不平，常為張開型，充

8、填物多為泥質碎屑 爆破裂隙是礦山工程中常見的一種次生結構面，爆破裂爆破裂隙是礦山工程中常見的一種次生結構面，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、般爆破裂隙的延展范圍是有限的，且多呈一組相互平行的、弧狀的裂隙面分布弧狀的裂隙面分布 風化裂隙及風化夾層一般是沿原生夾層和原有結構面發(fā)風化裂隙及風化夾層一般是沿原生夾層和原有結構面發(fā)育，多是短小密集，延展性差，僅限于地表一定深度育，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)的松軟物質泥化而成，泥化夾層

9、是由于水的作用使夾層內(nèi)的松軟物質泥化而成，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度很低的，它們是導致巖體失穩(wěn)破異泥化夾層一般都是強度很低的，它們是導致巖體失穩(wěn)破壞的常見因素壞的常見因素2 2、按結構面按受力條件可分為、按結構面按受力條件可分為A、壓性結構面壓性結構面：由壓應力擠壓而成，其走向與最大主：由壓應力擠壓而成，其走向與最大主應力方向垂直。如片理面、褶皺軸面、壓性節(jié)理面應力方向垂直。如片理面、褶皺軸面、壓性節(jié)理面等。等。 B、張性結構面張性結構面：在拉應力作用下產(chǎn)生的結構面，其走：在拉應力作用下產(chǎn)生的結構面，其

10、走向與最大主應力方向一致。結構面是張開的，結構向與最大主應力方向一致。結構面是張開的，結構面壁粗糙。如張斷裂面、張性節(jié)理面。面壁粗糙。如張斷裂面、張性節(jié)理面。 C、扭性結構面扭性結構面：由純剪或壓張應力引起的剪應力所形：由純剪或壓張應力引起的剪應力所形成的結構面，結構面壁較光滑，開口或閉口都有可成的結構面，結構面壁較光滑，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。D、壓扭性結構面壓扭性結構面：既有壓性結構面的特征，又有扭性：既有壓性結構面的特征，又有扭性結構面的特征，但常以其中一種為主。結構面的特征，但常以其中一種為主。 E、張扭性結構

11、面張扭性結構面：兼有張性和扭性結構面的雙重特征。：兼有張性和扭性結構面的雙重特征。往往成鋸齒狀。往往成鋸齒狀。三、結構面的分級三、結構面的分級結構面的發(fā)育程度、規(guī)模大小、組合形式等是決定結構體結構面的發(fā)育程度、規(guī)模大小、組合形式等是決定結構體的形狀、方位和大小，控制巖體穩(wěn)定性的重要因素。尤以結的形狀、方位和大小，控制巖體穩(wěn)定性的重要因素。尤以結構面的規(guī)模是最重要的控制因素。按結構面發(fā)育程度和規(guī)模構面的規(guī)模是最重要的控制因素。按結構面發(fā)育程度和規(guī)?？梢詣澐譃槿缦挛寮墸嚎梢詣澐譃槿缦挛寮墸篒 I 級結構面級結構面-區(qū)域構造起控制作用的斷裂帶區(qū)域構造起控制作用的斷裂帶 級結構面級結構面-延展性強而寬

12、度有限的地質界面延展性強而寬度有限的地質界面 級結構面級結構面-局部性的斷裂構造局部性的斷裂構造 級結構面級結構面-節(jié)理面節(jié)理面V V 級結構面級結構面-細小的結構面細小的結構面結構面的幾何特征是反映結構面的外貌，由下列要素組成：結構面的幾何特征是反映結構面的外貌，由下列要素組成：1 1、走向、走向: :結構面與水平面的交線方向，用方位角表示。結構面與水平面的交線方向，用方位角表示。 2 2、傾斜、傾斜: :結構面的傾斜方向和傾斜角度。結構面的傾斜方向和傾斜角度。 3 3、連續(xù)性。、連續(xù)性。4 4、粗糙度、粗糙度: :表明結構面的粗糙程度。表明結構面的粗糙程度。 5 5、起伏度、起伏度: :包

13、括起伏波的幅度和長度。起伏波的幅度是指相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鄰兩波峰連線與其下波槽的最大距離a,a,起伏波的長度是指相起伏波的長度是指相鄰兩波峰之距離。鄰兩波峰之距離。四、結構面的幾何特征四、結構面的幾何特征 結構面的產(chǎn)狀、形態(tài)、延展尺度、密集程度以及膠結結構面的產(chǎn)狀、形態(tài)、延展尺度、密集程度以及膠結與充填情況等是影響巖體強度和穩(wěn)定性的重要因素。與充填情況等是影響巖體強度和穩(wěn)定性的重要因素。1、結構面產(chǎn)狀結構面產(chǎn)狀：指結構面的走向、傾向和傾角，對巖體指結構面的走向、傾向和傾角，對巖體是否沿某一結構面滑移起控制作用。是否沿某一結構面滑移起控制

14、作用。 2、結構面形態(tài)：、結構面形態(tài)：決定結構面抗滑力的大小，當結構面的決定結構面抗滑力的大小，當結構面的起伏程度大，粗糙度高時，其抗滑力就大。起伏程度大，粗糙度高時，其抗滑力就大。 3、結構面的延展尺度：、結構面的延展尺度：在工程巖體范圍力，延展度大的在工程巖體范圍力，延展度大的結構面控制著巖體的強度。結構面延展情況不同，其力結構面控制著巖體的強度。結構面延展情況不同，其力學效應也不同。學效應也不同。 五、結構面的狀態(tài)五、結構面的狀態(tài)(1)非貫通性結構面非貫通性結構面(2)半貫通性結構面半貫通性結構面(3)貫通性結構面貫通性結構面4 4、結構面的密集程度：指巖體中各種結構面的發(fā)育程度。、結構

15、面的密集程度：指巖體中各種結構面的發(fā)育程度。衡量密集度的指標為巖體裂隙度衡量密集度的指標為巖體裂隙度K K和切割度和切割度XeXe。 lnK nlKd 1（1 1）巖體裂隙度）巖體裂隙度KK沿取樣方沿取樣方向單位長度上的節(jié)理數(shù)量向單位長度上的節(jié)理數(shù)量式中：式中：n n為長度為長度l l內(nèi)的節(jié)理數(shù)量內(nèi)的節(jié)理數(shù)量. .當取樣線垂直節(jié)理的走向時，當取樣線垂直節(jié)理的走向時，d d為節(jié)理走向為節(jié)理走向的垂直間距。按節(jié)理的垂直間距的垂直間距。按節(jié)理的垂直間距d d將巖體分為：將巖體分為： d 180cm d 180cm 整體結構；整體結構； d =30d =3080cm 80cm 塊狀結構塊狀結構 d 3

16、0cm d 30cm 碎裂狀結構；碎裂狀結構； d 6.5cm d 6.5cm 極破碎結構極破碎結構當巖體中有幾組不同方向的節(jié)理時，當巖體中有幾組不同方向的節(jié)理時，如圖所示兩組節(jié)理如圖所示兩組節(jié)理KaKa、KbKb，則沿取樣方，則沿取樣方向向x x上的節(jié)理平均間距上的節(jié)理平均間距maxmax和和mbxmbx為為五、結構面的狀態(tài)五、結構面的狀態(tài),cos,cos,cosnnnxbbbxaaaxdmdmdm 式中：式中：n n為取樣線為取樣線l l內(nèi)的節(jié)理組數(shù)量內(nèi)的節(jié)理組數(shù)量. .該取樣線上的裂隙度該取樣線上的裂隙度K K為各組節(jié)理的裂隙度為各組節(jié)理的裂隙度K Ki i之和。即：之和。即： nbaK

17、KKK ,1,1,1nxnbxbaxamKmKmK K K越大，結構面越密集。不同測線上的越大，結構面越密集。不同測線上的K K值差別越大，巖體各值差別越大，巖體各向異性越明顯。按向異性越明顯。按K K的大小，可將節(jié)理分成：的大小，可將節(jié)理分成：疏節(jié)理（疏節(jié)理（K=0K=01 m-1 m-1 1）；密節(jié)理（）；密節(jié)理（K=1K=110 m-110 m-1）；非常密集節(jié)理（）；非常密集節(jié)理（K=10K=10100 m-100 m-1 1）；壓碎或糜棱化帶（）；壓碎或糜棱化帶（K=100K=1001000 m-11000 m-1）；）；（2 2）切割度）切割度XeXe指巖體被節(jié)理分割的程度。指巖體

18、被節(jié)理分割的程度。 假設巖體僅有一個結構面，可沿結構面在巖體中取一個假設巖體僅有一個結構面，可沿結構面在巖體中取一個貫通性的假想平直斷面，則結構面面積貫通性的假想平直斷面，則結構面面積a a與該斷面面積與該斷面面積A A之比，之比，即為該巖體的切割度。即為該巖體的切割度。 AaXe 可見可見, ,當當: : 0Xe1, 0XeR 。RR tg 二、粗糙結構面的抗剪強度二、粗糙結構面的抗剪強度1、理想化粗糙結構面模型鋸齒狀結構面、理想化粗糙結構面模型鋸齒狀結構面（1）爬坡角）爬坡角與與剪脹現(xiàn)象剪脹現(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

19、別為： sincosTNN cossinTNT bNT tg )tg()( bbNtgT 式中：式中：, 為結構面為結構面AB上的正應力和剪應力，上的正應力和剪應力，b為為AB面面上的摩擦角。上的摩擦角。如圖為結構面有凸臺的模型的剪應力與法向應力的關系曲如圖為結構面有凸臺的模型的剪應力與法向應力的關系曲線，它近似呈雙直線的特結構面受剪初期，剪切力上升較快；線，它近似呈雙直線的特結構面受剪初期，剪切力上升較快；隨著剪力和剪切變形增加，結構面上部分凸臺被剪斷，此后剪隨著剪力和剪切變形增加，結構面上部分凸臺被剪斷，此后剪切力上升，梯度變小，直至達到峰值抗剪強度切力上升，梯度變小，直至達到峰值抗剪強度

20、 Patton公式公式 較小時，抗剪強度較小時，抗剪強度tg(b+); 較大時，抗剪強度較大時，抗剪強度c+tgb ,其中其中c為視內(nèi)聚力。為視內(nèi)聚力。試驗表面，低法向應力的剪切，結構面有剪切位移和剪脹；高法向應力試驗表面，低法向應力的剪切，結構面有剪切位移和剪脹；高法向應力的剪切，凸臺剪斷，結構面抗剪強度最終變成殘余抗剪強度。在剪切過的剪切，凸臺剪斷，結構面抗剪強度最終變成殘余抗剪強度。在剪切過程中，凸臺起伏形成的粗糙度以及巖石強度對結構面的抗剪強度起著重程中，凸臺起伏形成的粗糙度以及巖石強度對結構面的抗剪強度起著重要作用。要作用。 在實際應用中應注意：在實際應用中應注意： (1)對結構面進

21、行直剪試驗時，法向應力應與實際工程中的一致。一般認為對結構面進行直剪試驗時，法向應力應與實際工程中的一致。一般認為b R (殘余摩擦角）殘余摩擦角）. (2)是各向不同的，因此，測量時應使所測是各向不同的，因此，測量時應使所測角與所討論的方向一致。角與所討論的方向一致。2、不規(guī)則粗糙結構面的抗剪強度、不規(guī)則粗糙結構面的抗剪強度BartonBarton強度準則強度準則 考慮到三個基本因素（法向力考慮到三個基本因素（法向力、粗糙度粗糙度JRCJRC、結構面抗壓強度、結構面抗壓強度JCSJCS）的）的影響，影響，B Barton(1977)arton(1977)提出確定不規(guī)則提出確定不規(guī)則粗糙結構面

22、抗剪強度公式：粗糙結構面抗剪強度公式： bJCSJCR )lg(tg式中：式中：bb巖石表面基本摩擦角。巖石表面基本摩擦角。JRCJRC為結構面粗糙性系數(shù)（為結構面粗糙性系數(shù)（0 02020），）， B Bartonarton將其分為將其分為1010級級 ，平坦近平滑，平坦近平滑結構面為結構面為5 5，平坦起伏結構面為，平坦起伏結構面為1010，粗糙起伏結構面為粗糙起伏結構面為2020。2-4 2-4 結構面的力學效應結構面的力學效應一、單節(jié)理面的力學效應一、單節(jié)理面的力學效應 1 1、節(jié)理面的破壞條件（極限應力平衡方程）、節(jié)理面的破壞條件（極限應力平衡方程） 如圖，巖體受如圖，巖體受1 1、

23、3 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，則節(jié)理面上的正應力和剪應力為：面上的正應力和剪應力為： 11331133jjjc tg 2cos223131 2sin231 如節(jié)理面強度符合庫倫準則，其強度方程為：如節(jié)理面強度符合庫倫準則，其強度方程為：式中：式中：c cj j,j j為結構面的粘結力和內(nèi)摩擦角。為結構面的粘結力和內(nèi)摩擦角。 （1）（2）1 1、節(jié)理面的破壞條件（極限應力平衡方程）、節(jié)理面的破壞條件（極限應力平衡方程）jjjjjc sin)2sin(sin2cos2331 2sin)ctgtg1(tg22331jjjc 或或 可見：節(jié)理面上的應

24、力和強度均是可見：節(jié)理面上的應力和強度均是的函數(shù)。因此，巖體的函數(shù)。因此，巖體強度與巖石的強度不同，除與應力狀態(tài)有關外，還與節(jié)理面的強度與巖石的強度不同，除與應力狀態(tài)有關外，還與節(jié)理面的方位有關。方位有關。1 12 2，單節(jié)理巖體才會沿節(jié)理面發(fā)生移動破壞，單節(jié)理巖體才會沿節(jié)理面發(fā)生移動破壞，Q Q P P（1 1）式帶入（）式帶入（2 2）式時）式時（3 3）(1)(1)由上式極限平衡方程可見：當由上式極限平衡方程可見：當j j 或或/2 /2 ， 1 13 3, , 故使方程有意義故使方程有意義 2 j(2)(2)如圖可見，當如圖可見，當1 12 2 , ,巖體才會沿節(jié)理面產(chǎn)生滑巖體才會沿節(jié)

25、理面產(chǎn)生滑移破壞。移破壞。故，節(jié)理面破壞故，節(jié)理面破壞必須滿足的條件必須滿足的條件: : (1)(1)j j /2, /2, (2)(2)1 12 2 。2 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 2sin)ctgtg1(tg22331jjjc 3 3、求、求11、22m jj31jjctgc2)(ctgcOMRORMRPM中中:m 2PM31RPM=21- j;由正弦定律：由正弦定律：jjPMRM sin)2sin(1 將將RM,PM代入上式得：代入上式得：jmjm sin)2sin(ctgc1jj )ctgc(sin)2sin(jj1mmjj )ctgc (sinsin2j

26、j11mmjj 12222 j由幾何關系：由幾何關系：4 4、節(jié)理最不利的位置、節(jié)理最不利的位置0d)d(31 由極限平衡方程可以看出，應力圓直徑（由極限平衡方程可以看出，應力圓直徑（13）是）是的函數(shù)，當?shù)暮瘮?shù)，當?shù)扔谀骋粋€值時，其直徑最小，與強度曲等于某一個值時，其直徑最小，與強度曲線相切。將上式對線相切。將上式對取一階導數(shù)，然后令其為取一階導數(shù)，然后令其為0，得：，得：)90(120jjtgtgtg 2450j 即是說，當即是說，當 時，節(jié)理的強度最低，最時，節(jié)理的強度最低，最容易產(chǎn)生破壞。說明巖體最容易沿此節(jié)理面產(chǎn)生滑容易產(chǎn)生破壞。說明巖體最容易沿此節(jié)理面產(chǎn)生滑移。移。jjjjjc sin)2sin(sin2cos2331 2450j 5 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）當節(jié)理面傾角）當節(jié)理面傾角滿足滿足12 ,且且j /2時，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，且當節(jié)理的強度，且當45j/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）當增大或減小時，巖體的強度隨之增加。增大或減小時，巖體的強度隨之