结构面的力学性质-2.ppt

第3章 结构面的力学性质 2-1 结构面的类型及其特征 2-2 结构面的变形特性 2-3 结构面的抗剪强度 2-4 结构面的力学效应 2-1 结构面的类型及其特征 一、结构面的概念 二、结构面的类型 三、 结构面的分级 四、 结构面的几何特征 五、 结构面的状态 一、结构面的概念 2-1 结构面的类型及其特征 结构面是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界面，包 括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、不整合面等。 结构面具 有一定的方向、延展较大、厚度小的二维面状地质界面。 二、结构面的类型 火成结构面 原生结构面 构造结构面 次生结构面 沉积结构面 变质结构面 1、按结构面按成因可分为 （1）原生结构面：在成岩过程中形成的结构面。 A、沉积结构面是沉积岩在成岩过程中形成的各种地质界面，包括层 面、层理、沉积间断面（不整合面、假整合面），及原生软弱夹层等 。 B、火成结构面为岩浆侵入、喷溢冷凝所形成的各种结构面，如流层 、流线、火山岩流接触面、各种蚀变带、挤压破碎带以及原生节理等 。这些结构面的产状受侵入岩体与围岩接触面所控制。 C、变质结构面为岩体在变质作用过程中所形成的结构面，如片理、 片麻理、板理及软弱夹层等。变质结构面的产状与岩层基本一致，延 展性较差，但它们一般分布密集。片理结构面是变质结构面中最常见 的，其面常常是光滑的，但形态呈波浪状.片麻理面常呈凹凸不平状， 结构面也比较粗糙，变质岩中的软弱夹层主要是片状矿物，如黑云母 、绿泥石、滑石等的富集带，其抗剪强度低，遇水后性质就更差. 2-1 结构面的类型及其特征 （2）构造结构面 各类岩体在构造运动作用下形成的各种结构面，如劈理、节理 、断层、层间错动面等。 节理面在走向延展及纵深发展上，其范围都是有限的，大者一 般不过上百米，小者仅有几厘米张节理面一般粗糙，参差不齐， 宽窄不一，延展性较差，剪节理面一般平直光滑，延展性相对较好 ，节理面上常见有擦痕和各种泥质薄膜，如高岭石、绿泥石、滑石 等，因此，剪节理面尽管接触紧密，但却易于滑动。 断层面的规模相差比较悬殊，有的深切岩石圈几十公里，有的 仅限于地壳表层或只在地表数十米但是，相对工程而言，断层面 一般是延展性较好的结构面断层面(或帘)的物质成分主要是构造 岩，如断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等层间错动带是在层状 岩体中常见的一种构造结构面，其产状一般与岩层一致。 延展性较好，结构面中的物质，因受构造错动的影响，多呈破 碎状、鳞片状，且含泥质物。 2-1 结构面的类型及其特征 （3）次生结构面 在地表条件下，由于外力(如风化、地下水、卸荷、爆破等)的作 用而形成的各种界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、风化夹 层及泥化夹层等 卸荷裂隙一般发生在岩体有临空面条件的地区，特别是在深切河 谷处，延展性不好，常在地表2040m内发育，裂隙面粗糙不平， 常为张开型，充填物多为泥质碎屑 爆破裂隙是矿山工程中常见的一种次生结构面，爆破裂隙的延展 与分布视所在地区岩体特性及爆破的大小而异一般爆破裂隙的延 展范围是有限的，且多呈一组相互平行的、弧状的裂隙面分布 风化裂隙及风化夹层一般是沿原生夹层和原有结构面发育，多是 短小密集，延展性差，仅限于地表一定深度 泥化夹层是由于水的作用使夹层内的松软物质泥化而成，其产状 与岩层基本一致，泥化程度视地下水作用条件而异泥化夹层一般 都是强度很低的，它们是导致岩体失稳破坏的常见因素 2-1 结构面的类型及其特征 2、按结构面按受力条件可分为 A、压性结构面：由压应力挤压而成，其走向与最大主应力方向垂直 。如片理面、褶皱轴面、压性节理面等。 B、张性结构面：在拉应力作用下产生的结构面，其走向与最大主应 力方向一致。结构面是张开的，结构面壁粗糙。如张断裂面、张性节 理面。 C、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， 结构面壁较光滑，开口或闭口都有可能，往往成对出现。如x型断层 面，x型节理面。 D、压扭性结构面：既有压性结构面的特征，又有扭性结构面的特征 ，但常以其中一种为主。 E、张扭性结构面：兼有张性和扭性结构面的双重特征。往往成锯齿 状。 2-1 结构面的类型及其特征 三、结构面的分级 2-1 结构面的类型及其特征 I级结构面 级结构面 级结构面 级结构面 V级结构面 结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体的形状、方位 和大小，控制岩体稳定性的重要因素。尤以结构面的规模是最重要的控制 因素。按结构面发育程度和规模可以划分为如下五级： I级结构面 一般泛指对区域构造起控制作用的断裂带，它包括大小构造单元接壤的深大断裂带，是地壳或区域 内巨型的构造断裂面，走向上延展一般数十公里以上，而且破碎带的宽度至少也在数米以上I级结构面 沿纵深方向至少可以切穿一个构造层，它的存在直接关系到工程区域的稳定性 级结构面 一般指延展性强而宽度有限的地质界面，如不整合面、假整合面、原生软弱夹层以及延展数百米至 数千米的断层、层间错动带、接触破碎带、风化夹层等它们的宽度一般是几厘米至数米级结构面 主要是在一个构造层中分布，可能切穿几个地质时代的地层它与其他结构面组合，会形成较大规模的 块体破坏 级结构面 一般为局部性的断裂构造，主要指的是小断层，延展十米或数十米，宽度半米左右除此以外，还 包括宽度在数厘米的，走向和纵深延伸断续的原生软弱夹层、层间错等这种断层，往往仅在一个地质 时代的地层中分布，有时仅仅在某一种岩性中分布它与级结构面相组合，会形成较大的块体滑动， 如果它自身组合，仅能形成局部的或小规模的破坏 级结构面 一般延展性较差，无明显的宽度，主要指的是节理面，仅在小范围内分布，但在岩体中很普遍这 种结构面往往受上述各级结构面控制，其分布是比较有规律的其存在使岩体被切割成岩块，破坏了岩 体的完整性，并且与其它结构面组合可形成不同类型的岩体破坏方式，大大降低岩体工程的稳定性这 种结构面不能直接反映在地质图上，只能进行统计了解其分布规律 V级结构面 延展性甚差，无宽度之别，分布随机，是为数甚多的细小的结构面，主要包括微小的节理、劈理、 隐微裂隙、不发育的片理、线理、微层理等它们的发育受上述诸级结构面所限制这些结构面的存在 ，降低了由V级结构面所包围的岩块的强度若十分密集，又因风化，可形成松散介质。 2-1 结构面的类型及其特征 四、结构面的几何特征 2-1 结构面的类型及其特征 结构面的几何特征是反映结构面的外貌，由下列要素组成： 1、走向。结构面与水平面的交线方向，用方位角表示。 2、倾斜。结构面的倾斜方向和倾斜角度。 3、连续性。 4、粗糙度。表明结构面的粗糙程度。 5、起伏度。包括起伏波的幅度和长度。起伏波的幅度是指相邻两波峰连线与其下波槽的最 大距离a,起伏波的长度是指相邻两波峰之距离。 五、结构面的状态 2-1 结构面的类型及其特征 结构面的产状、形态、延展尺度、密集程度以及胶结与充填情况等是影响岩体强 度和稳定性的重要因素。 1、结构面产状：指结构面的走向、倾向和倾角，对岩体是否沿某一结构面滑移起控 制作用。 2、结构面形态：决定结构面抗滑力的大小，当结构面的起伏程度大，粗糙度高时， 其抗滑力就大。 3、结构面的延展尺度：在工程岩体范围力，延展度大的结构面控制着岩体的强度。 结构面延展情况不同，其力学效应也不同。 按考察范围力结构面的贯通情况，将结构面分为：非贯通性结构面、半贯通性结 构面和贯通性结构面。 （1）非贯通性结构面：使岩体强度降低，变形增大。 （2）半贯通性结构面：对岩体力学性能的影响有两种情况：当其相对延展尺度不大时， 其作用与非贯通结构面类似；反之，与贯通性结构面类似。 （3）贯通性结构面：是构成岩体、块体的边界，对岩体的强度有较大的影响，破坏常受 这类结构面控制。 4、结构面的密集程度：指岩体中各种结构面的发育程度。衡量密集度的指标为岩体裂 隙度K和切割度Xe。 （1）岩体裂隙度K沿取样方向单位长度上的节理数量. 式中：n为长度l内的节理数量. 当取样线垂直节理的走向时，d为节理走向的垂直间距。按节理的垂直间距d将岩体分为： d 180cm 整体结构； d =3080cm 块状结构 d R 。 2-3 结构面的抗剪强度 二、粗糙结构面的抗剪强度 1、理想化粗糙结构面模型锯齿 状结构面 （2）剪切强度 作用在斜面AB上的法向力和切向力分别为 ： （1）爬坡角与剪胀现 象 式中：, 为结 构面AB上的正应力 和剪应力，b为AB面上的摩擦角。 如图为结构面有凸台的模型的剪应力与法向应力的关系曲线，它近似呈双直线的特 结构面受剪初期，剪切力上升较快；随着剪力和剪切变形增加，结构面上部分凸台被 剪断，此后剪切力上升，梯度变小，直至达到峰值抗剪强度 2-3 结构面的抗剪强度 较小时，抗剪强度tg(b+); 较大时，抗剪强度c+tgb ,其中c为视内聚力。 试验表面，低法向应力的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法向应力的剪切，凸台剪 断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以 及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。 在实际应用中应注意： (1)对结构面进行直剪试验时，法向应力应与实际工程中的一致。一般认为b R ( 残余摩擦角）. (2)是各向不同的，因此，测量时应使所测角与所讨论的方向一致。 2-3 结构面的抗剪强度 2、不规则粗糙结构面的抗剪强度 Barton强度准则 考虑到三个基本因素（法向力、粗糙度JRC、结 构面抗压强度JCS）的影响，Barton(1977)提出确定不 规则粗糙结构面抗剪强度公式： 式中：b岩石表面基本摩擦角。JRC为结构面粗 糙性系数（020）， Barton将其分为10级 ， 平坦近平滑结构面为5，平坦起伏结构面为10， 粗糙起伏结构面为20。 2-3 结构面的抗剪强度 2-4 结构面的力学效应 一、单节理面的力学效应 1、节理面的破坏条件（极限应力平衡方程） 如图，岩体受1、3 作用，节理面与最大主平面的交角为，则节理面上的正应力和 剪应力为： 或 式中：cj,j为结构面力粘结力和摩擦角。 可见：节理面上的应力和强度均是的函数。因此，岩体强度与岩石的强度不同，除与应 力状态有关外，还与节理面的方位有关。 2、节理面破坏必须满足的条件 (1)由上式极限平衡方程可见： 当j 或/2 ， 13, 故使方程有意义 (2)如图可见，当12 时，岩体强度与节理无关，取决于岩石的强度。 2-4 结构面的力学效应 如图，围压3=c增加， 即c2c1, 岩体的强 度随之增大。 2-4 结构面的力学效应 二、多节理的力学效应 1、 岩体有两组相交的节理，其力学效应可根据单节理求解，一般有三种情况： （1）两组中只有一组节理面倾角满足12 ,则岩体强度取决于该组节理的 强度