大连理工大学岩石力学课件张金利老师---3.结构面的力学性质

1、第第 三三 章章结结 构构 面面 的的 力力 学学 性性 质质3-1 结构面的类型及其特征结构面的类型及其特征一、结构面的概念一、结构面的概念 结构面结构面是指岩体中存在着的各种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、物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、不整合面等。断层、不整合面等。 结构面是具有一定的方向、延展结构面是具有一定的方向、延展较大、厚度较小的二维面状地质界面。较大、厚度较小的二维面状地质界面。 二、结构面的类型二、结构面的类型 1、按结构面按、按结构面按成因成因可分为：可分为： 火成结构面

2、火成结构面 原生结构面原生结构面 构造结构面构造结构面 次生结构面次生结构面 沉积结构面沉积结构面 变质结构面变质结构面 （1）原生结构面原生结构面：在成岩过程中形成的结构面。：在成岩过程中形成的结构面。 A、沉积结构面沉积结构面：沉积岩在成岩过程中形成的各：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。产状整合面、假整合面），及原生软弱夹层等。产状与岩层一致，延展性强。与岩层一致，延展性强。 B、火成结构面火成结构面：岩浆侵入、喷溢冷凝所形成的：岩浆侵入、喷溢冷凝所形成的各种结构面，如流层、

3、流线、火山岩流接触面、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、原生节理等。这些结各种蚀变带、挤压破碎带、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。构面的产状受侵入岩体与围岩接触面所控制。 C、变质结构面变质结构面：在区域变质作用下形成的：在区域变质作用下形成的结构面，如片理、片岩夹层等。变质结构面结构面，如片理、片岩夹层等。变质结构面的产状与岩层基本一致，延展性较差，但它的产状与岩层基本一致，延展性较差，但它们一般分布密集。们一般分布密集。 （2）构造结构面）构造结构面 指岩体受地壳运动（构造应力）作用下形成指岩体受地壳运动（构造应力）作用下形成的各种

4、结构面，如劈理、节理、断层、层间错动破的各种结构面，如劈理、节理、断层、层间错动破碎带等。其中以断层规模最大，节理分布最广。碎带等。其中以断层规模最大，节理分布最广。 节理面的范围都是有限，大者一般不过上百节理面的范围都是有限，大者一般不过上百米，小者仅有几厘米。米，小者仅有几厘米。张节理：张节理：表面一般粗糙，参差不齐，宽窄不一，延展表面一般粗糙，参差不齐，宽窄不一，延展性较差；性较差；剪节理：剪节理：表面一般平直光滑，延展性相对较好。表面一般平直光滑，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，泥石、滑石等

5、，因此，剪节理面尽管接触紧密，但剪节理面尽管接触紧密，但却易于滑动却易于滑动 断层：断层：一般指位移显著的构造结构面。规模相差比较悬一般指位移显著的构造结构面。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。面一般是延展性较好的结构面。断层面的物质成分主要是构造岩，断层面的物质成分主要是构造岩，如如断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等。 层间错动带层间错动带:在层状岩体中常见的一种构造结构面，其产状

6、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一般与岩层一致; 延展性较好，结构面中的物延展性较好，结构面中的物质，因受构造错动的影响，多呈破碎状、鳞片质，因受构造错动的影响，多呈破碎状、鳞片状，且含泥质物。状，且含泥质物。 （3）次生结构面）次生结构面 一般处于地表，在风化、地下水、卸荷、一般处于地表，在风化、地下水、卸荷、爆破等外力作用下而形成结构面。如卸荷裂隙、爆破等外力作用下而形成结构面。如卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、风化夹层及泥化夹层等。爆破裂隙、风化裂隙、风化夹层及泥化夹层等。 卸荷裂隙卸荷裂隙一般发生在岩体有临空面条件的一般发生在岩体有临空面条件的地区，特别是在深切河谷

7、处。延展性不好，常地区，特别是在深切河谷处。延展性不好，常在地表在地表2040m内发育，裂隙面粗糙不平，常为内发育，裂隙面粗糙不平，常为张开型，充填物多为泥质碎屑。张开型，充填物多为泥质碎屑。 爆破裂隙爆破裂隙是矿山工程中常见的一种次生结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、弧状范围是有限的，且多呈一组相互平行的、弧状的裂隙面分布。的裂隙面分布。风化裂隙及风化夹层风化裂隙及风化夹层： 一般是沿原生夹层和原有结构

8、面发育，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，仅限于地表多是短小密集，延展性差，仅限于地表一定深度。一定深度。 泥化夹层：泥化夹层： 水的使夹层内的松软物质泥化而成，其水的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度很低的，它们是导致岩体失稳破坏的常见因素常见因素 2、按结构面按、按结构面按受力条件受力条件可分为：可分为：A、压性结构面压性结构面：由：由压应力压应力挤压而成，其走向与最大主挤压而成，其走向与最大主应力方

9、向垂直。如褶皱轴面、片理面、压性节理面应力方向垂直。如褶皱轴面、片理面、压性节理面等。等。B、张性结构面张性结构面：在：在拉应力拉应力作用下产生的结构面，其走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，结构向与最大主应力方向一致。结构面是张开的，结构面粗糙。如张性断裂面、张性节理面。面粗糙。如张性断裂面、张性节理面。 C、扭性结构面扭性结构面：由纯剪或压张应力引起的：由纯剪或压张应力引起的剪应力剪应力所形所形成的结构面成的结构面，结构面壁较光滑，开口或闭口都有可，结构面壁较光滑，开口或闭口都有可能，往往成对出现。如能，往往成对出现。如x型断层面，型断层面，x型节理面型节理面

10、。D、压扭性结构面压扭性结构面：既有压性结构面的特征，又有扭性：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。结构面的特征，但常以其中一种为主。 E、张扭性结构面张扭性结构面：兼有张性和扭性结构面的双重特征。：兼有张性和扭性结构面的双重特征。往往成锯齿状。往往成锯齿状。 结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决定结构体结构面的发育程度、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。按面的规模是最重要的控制因素。按结构面发育程度和规模结构面发育程度和规模可

11、以可以划分为如下五级。划分为如下五级。结构面分级结构面分级I I级结构面级结构面级结构面级结构面级结构面级结构面级结构面级结构面V V级结构面级结构面结构面发育程度结构面发育程度和规模由高到低和规模由高到低三、结构面分级三、结构面分级 I级结构面（大的断裂，长、深、宽）级结构面（大的断裂，长、深、宽） 一般泛指对一般泛指对区域构造起控制作用的断裂区域构造起控制作用的断裂带带，它包括大小构造单元接壤的深大断裂带，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，而且破碎带的宽度延展一般数十公里以上，而且破碎带的宽

12、度至少也在数米以上至少也在数米以上。I级结构面沿纵深方向至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。到工程区域的稳定性。 级结构面级结构面 （地质界面，长、窄）（地质界面，长、窄） 一般指一般指延展性强而宽度有限的地质界面延展性强而宽度有限的地质界面，如不整合面、假整合面、原生软弱夹层以及如不整合面、假整合面、原生软弱夹层以及延展有限的断层（数百米至数千米）、层间延展有限的断层（数百米至数千米）、层间错动带、接触破碎带、风化夹层等。它们的错动带、接触破碎带、风化夹层等。它们的宽度一般是宽度一般是几厘米至数米几厘米至数米。

13、级结构面主要级结构面主要是在一个构造层中分布，可能切穿几个地质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。较大规模的块体破坏。 级结构面（小断层）级结构面（小断层） 一般为一般为局部性的断裂构造，主要指的是局部性的断裂构造，主要指的是小断层小断层，延展十米或数十米，宽度半米左右。，延展十米或数十米，宽度半米左右。此外，还包括宽度在数厘米的，走向和纵深此外，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、层间错动等。这延伸断续的原生软弱夹层、层间错动等。这种断层，往往仅在一个地质时代的地层中分种断层

14、，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，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如果它自身组合，仅能形成局部的或小规模的破坏。的破坏。 级结构面（节理）级结构面（节理） 一般延展性较差，一般延展性较差，无明显的宽度，主要无明显的宽度，主要指的是节理面指的是节理面，仅在有限范围内分布，但在，仅在有限范围内分布，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。其存结构面控制，其分布是比较有规律的。

15、其存在使岩体被切割成岩块，破坏了岩体的完整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，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。只能进行统计了解其分布规律。 V级结构面级结构面 延展性甚差，无宽度之别，分布随机，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，主要包括是为数甚多的细小的结构面，主要包括微小微小的节理、劈理、隐微裂隙、不发育的片理、的节理、劈理、隐微裂隙、不发育的

16、片理、线理、微层理线理、微层理等。它们的发育受上述诸级结等。它们的发育受上述诸级结构面限制。这些结构面的存在，降低了岩块构面限制。这些结构面的存在，降低了岩块的强度。若十分密集，又因风化，可形成松的强度。若十分密集，又因风化，可形成松散介质。散介质。四、结构面状态四、结构面状态 结构面的产状、形态（粗糙起伏）、延展尺度、密集程结构面的产状、形态（粗糙起伏）、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。素。 2、结构面形态、结构面形态 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长度。的幅度和长度

17、。 决定结构面抗滑决定结构面抗滑力的大小，当结构面的起伏程度力的大小，当结构面的起伏程度大，粗糙度高时，其抗滑力就大。大，粗糙度高时，其抗滑力就大。1、结构面产状、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。滑移起控制作用。 3、结构面的延展尺度、结构面的延展尺度 在工程岩体范围内，延展度大的结构面在工程岩体范围内，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，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。其力学效应也不同。 按考察范围内结构面的贯通情况，将结构面按考察范围内结构面的贯通情况，

18、将结构面分为：分为： 非贯通性非贯通性结构面、结构面、半贯通性半贯通性结构面和结构面和贯通性贯通性结构面结构面。 （1）非贯通性结构面非贯通性结构面：使岩体强度降低，：使岩体强度降低，变形增大。变形增大。 （2）半贯通性结构面半贯通性结构面：对岩体力学性：对岩体力学性能的影响有两种情况：当其相对延展尺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；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。反之，与贯通性结构面类似。 （3）贯通性结构面贯通性结构面：构成岩体、块体：构成岩体、块体的边界，对岩体的强度有较大的影响，的边界，对岩体的强度有较大的影响，破坏常受

19、这类结构面控制。破坏常受这类结构面控制。 4、结构面的密集程度、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度的指标为岩体裂隙度裂隙度K和和切割度切割度Xe。 （1）岩体裂隙度）岩体裂隙度K 同一组结构面沿法线方向单位长度上的节理数量同一组结构面沿法线方向单位长度上的节理数量 式中：式中：n为长度为长度l内的节理数量内的节理数量. d为沿取样方向节理的平均间距为沿取样方向节理的平均间距lnK nlKd 1d 180cm 整体结构；整体结构； d =3080cm 块状结构块状结构 d 30cm 碎裂状结构；碎裂状结构； d 6.5c

20、m 极破碎结构极破碎结构 当岩体中有几组不同方向节理，如图示两组节理当岩体中有几组不同方向节理，如图示两组节理则沿取样方向则沿取样方向x上的节理平均间距上的节理平均间距max和和mbx为为 ,cos,cos,cosnnnxbbbxaaaxdmdmdm 该取样线上的裂隙度该取样线上的裂隙度K为各组节为各组节理的裂隙度理的裂隙度Ki之和。即：之和。即：pK越大，结构面越密集。不同测线上的越大，结构面越密集。不同测线上的K值差别越大，岩体值差别越大，岩体各向异性越明显。各向异性越明显。p按按K的大小，可将节理分成：疏节理（的大小，可将节理分成：疏节理（K=01 m-1）；密节）；密节理（理（K=11

21、0 m-1）；非常密集节理（）；非常密集节理（K=10100 m-1）；压）；压碎或糜棱化带（碎或糜棱化带（K=1001000 m-1）；）； nbaKKKK （2）切割度）切割度Xe： 指岩体某个断面被节理切割的程度。指岩体某个断面被节理切割的程度。 假设岩体仅有一个结构面，可沿结构面取一个假设岩体仅有一个结构面，可沿结构面取一个贯通性的假想平直断面，则贯通性的假想平直断面，则结构面面积结构面面积a与该断面面与该断面面积积A之比之比，即为该岩体的切割度。，即为该岩体的切割度。 当当: Xe0, 即岩体为完整连续体；即岩体为完整连续体；0XeR 。PPPtancRRtan oR R 残余强度残

22、余强度P 峰值强度峰值强度pCRRtanPPPtancP变动法向应力进行多组试验，可确定结构面的峰值与残余强度曲线二、粗糙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、理想化粗糙结构面模型锯齿状结构面 （1）爬坡角）爬坡角与剪胀现象与剪胀现象 （2）剪切强度）剪切强度 作用在斜面作用在斜面AB上的法向力和切向力分别为：上的法向力和切向力分别为： 由静力平衡得：由静力平衡得： 式中：式中：，为结构面为结构面AB上的正应力和剪应力，上的正应力和剪应力，b为为AB面上的摩擦角面上的摩擦角。 sincosTNN cossinTNT btgTNbbtan()tan()T

23、NNT 结构面有凸台的模型的剪应力与法向应力的关系曲线，它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征。结构面受剪初期，剪切力上升较快；近似呈双直线的特征。结构面受剪初期，剪切力上升较快；随着剪应力和剪切变形增加，结构面上部分凸台被剪断，随着剪应力和剪切变形增加，结构面上部分凸台被剪断，剪应力上升，梯度变小，直至达到峰值抗剪强度。剪应力上升，梯度变小，直至达到峰值抗剪强度。1， 较小情况：随剪切变形增较小情况：随剪切变形增加，会出现剪胀现象，此时的强加，会出现剪胀现象，此时的强度曲线为：度曲线为：tan(b+); 2， 较大情况：因较大情况：因 较大，结构面两较大，结构

24、面两侧岩块不会发生爬升现象，即不侧岩块不会发生爬升现象，即不发生剪胀，当剪应力达到一定数发生剪胀，当剪应力达到一定数值时，值时，凸台被剪断，此时未发生凸台被剪断，此时未发生剪切变形，对应的剪应力称为视剪切变形，对应的剪应力称为视粘聚力粘聚力c 。强度曲线为：。强度曲线为：c+tanb 。 试验表明，试验表明，当法向应力较低时，结构面有剪切位移和剪当法向应力较低时，结构面有剪切位移和剪胀；当法向应力较高，凸台剪断，结构面抗剪强度最终胀；当法向应力较高，凸台剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度变成残余抗剪强度。在剪切过程中，凸台起伏形成的粗。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

25、面的抗剪强度起着重要作用。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：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）、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。一般认为工程中的一致。一般认为b R （残余摩擦角）。（残余摩擦角）。 （2）、）、是各向不同的，因此，测量时应使所测是各向不同的，因此，测量时应使所测角与角与所讨论的方向一致。所讨论的方向一致。 2、不规则粗糙结构面的抗剪强度、不规则粗糙结构面的抗剪强度 对于不规则粗糙结构面，影响结构面强度的因素包对于不规则粗糙结构面，影响结构面强度的因素包括括 法向力法向力、粗糙度、粗

26、糙度JRC、结构面抗压强度、结构面抗压强度JCS等。等。Barton(1977)提出确定不规则粗糙结构面抗剪强度公式：提出确定不规则粗糙结构面抗剪强度公式： 式中：式中：b岩石表面基本摩擦角。岩石表面基本摩擦角。JRC为结构面粗糙性系为结构面粗糙性系数（数（020），）， Barton将其分为将其分为10级级 ，平坦近平滑结构，平坦近平滑结构面为面为5，平坦起伏结构面为，平坦起伏结构面为10，粗糙起伏结构面为，粗糙起伏结构面为20。tanlg()bJCSJRC 3-4 结构面的力学效应结构面的力学效应一、单节理面的力学效应一、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）、节理面

27、的破坏条件（极限应力平衡方程） 如图，岩体受如图，岩体受1、3 作用，节理面与最大主平面的交角为作用，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：则节理面上的正应力和剪应力为： 若节理面强度符合莫尔库伦准则，即满足：若节理面强度符合莫尔库伦准则，即满足： 将将(a)代入代入(b)得节理面的极限平衡方程：得节理面的极限平衡方程： 2cos223131 2sin231 (a)jjjtgc(b) 节理面极限应力平衡方程：节理面极限应力平衡方程： 或：或： 式中：式中：cj，j为结构面力粘结力和摩擦角。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可见：节理面上的应力和强度均

28、是的函数。因此，岩的函数。因此，岩体强度与岩石的强度不同，除体强度与岩石的强度不同，除与应力状态有关外，还与与应力状态有关外，还与节理面的方位有关节理面的方位有关。jj3j13jj2cos2sinsin(2)sincj3j13j22tg(1tgctg)sin2c 2、节理面破坏、节理面破坏必须满足的条件必须满足的条件 (1) 由上式极限平衡方程可见：由上式极限平衡方程可见： 当当j 或或/2 ， 13, 故故jj3j13jj2cos2sinsin(2)sincj2 (2) 如图可见，当如图可见，当12 ,岩体才会沿节理面产生滑移破坏。岩体才会沿节理面产生滑移破坏。 故，节理面破坏故，节理面破坏

29、必须满足的条件必须满足的条件: a. j /2（极限平衡条件）（极限平衡条件） b. 12 （莫尔库仑条件）（莫尔库仑条件） 3、确定、确定1、2 RPM中中:13jjjjm()RMROOMc ctanc ctan213mPM2RPM=21- j ; RP3由正弦定律：由正弦定律： 将将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、节理最不利的位置、节理最不利的位置 由极限平衡方程可以看出，应力圆直径由极

30、限平衡方程可以看出，应力圆直径（13）是）是的函数，当的函数，当等于某一个值等于某一个值时，其直径最小，与强度曲线相切。将上时，其直径最小，与强度曲线相切。将上式对式对取一阶导数，然后令其为取一阶导数，然后令其为0，得：，得： j3j13j22tan(1tanctan)sin2c0d)d(31 整理得：整理得： 即是说，当即是说，当 时，节理的强度最低，最容易产生破时，节理的强度最低，最容易产生破 坏。说明坏。说明岩体最容易沿此节理面产生滑移岩体最容易沿此节理面产生滑移。 j42jj1tan2tan()tan2 j42问题1：对于完整岩石试块，当发生剪切破坏时，破裂面与大主应力作用面的夹角应为多少？ 5、节理对岩体强度的影响、节理对岩体强度的影响 从上述分析可见：从上述分析可见： （1）当节理面倾角）当节理面倾角满足满足12 , 且且j /2时，节理才会对岩体产生时，节理才会对岩体产生 影响，这时岩体的强度取决于节理的强度，影响，这时岩体的强度取决于节理的强度， 且当且当450j/2时，岩体强度最低，时，岩体强度最低， 其莫尔圆直径最小。其莫尔圆直径最小。 （2）当）当增大或减小时，岩体的强度增大或减小时，岩体的强度 随之增加。随之增加。 （3）当）当2 时，