结构面的力学性质

1、第2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 2-1 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 结构面是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的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地质界面，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、不整合面等。不整合面等。 结构面具有一定的方向、延展较大、厚度小的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。二维面状地质界面。二、结构面的类型二、结构面的类型火成

2、结构面火成结构面 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 1、按结构面、按结构面按成因可分为按成因可分为 （1 1）原生结构面：在成岩过程中形成的结构）原生结构面：在成岩过程中形成的结构面。面。 A A、沉积结构面沉积结构面是沉积岩在成岩过程中形成的各种地质界面，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。生软弱夹层等。 B B、火成结构面火成结构面为岩浆侵入、喷溢冷凝所形成的各种结构面，为岩浆侵入、喷溢

3、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。控制。 C C、变质结构面变质结构面为岩体在变质作用过程中所形成的结构面，如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，

4、其面常常是光滑的，但形态呈波浪状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，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，遇水后性质就更差其抗剪强度低，遇水后性质就更差. .（2 2）构造结构面）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，如各类岩体在构造运动作用下形成的各种结构面，如劈理、劈理、节理、断层、层间错动面节理、断层、层间错动面等。等。 节理面在走向延展及纵深发展上，其范围

5、都是有限的，大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。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，断层面的规模相差比较悬殊，有的深切岩石圈

6、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，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断层面一般是延展性较好的结构面断层面( (或帘或帘) )的物质成分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。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。呈破碎

7、状、鳞片状，且含泥质物。（3 3）次生结构面）次生结构面 在地表条件下，由于外力在地表条件下，由于外力( (如如风化、地下水、卸荷、爆破风化、地下水、卸荷、爆破等等) )的作用而形成的各种界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、风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，常在地表在深切河谷处，延展性不好，常在地表202040m40m内发育，裂内发育，裂隙面粗糙不平，常为张开型，充填物多为泥质碎屑隙面粗糙不平，常为张开型，充

8、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、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，泥化夹层

9、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坏的常见因素2 2、按结构面按受力条件可分为、按结构面按受力条件可分为A、压性结构面压性结构面：由压应力挤压而成，其走向与最大主：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、压性节理面应力方向垂直。如片理面、褶皱轴面、压性节理面等。等。 B、张性结构面张性结构面：在拉应力作用下产生的结构面，其走：在拉应力作用下产生的结构面，其

10、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，结构面壁粗糙。如张断裂面、张性节理面。面壁粗糙。如张断裂面、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剪应力所形：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。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

11、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。三、结构面的分级三、结构面的分级结构面的发育程度、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：可以划分为如下五级：I I 级结构面级结构面-区域构造起控制作用的断裂带区域构造起控制作用的断裂带 级结构面级结构面-延展性强而宽

12、度有限的地质界面延展性强而宽度有限的地质界面 级结构面级结构面-局部性的断裂构造局部性的断裂构造 级结构面级结构面-节理面节理面V V 级结构面级结构面-细小的结构面细小的结构面结构面的几何特征是反映结构面的外貌，由下列要素组成：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 1、走向、走向: :结构面与水平面的交线方向，用方位角表示。结构面与水平面的交线方向，用方位角表示。 2 2、倾斜、倾斜: :结构面的倾斜方向和倾斜角度。结构面的倾斜方向和倾斜角度。 3 3、连续性。、连续性。4 4、粗糙度、粗糙度: :表明结构面的粗糙程度。表明结构面的粗糙程度。 5 5、起伏度、起伏度: :包

13、括起伏波的幅度和长度。起伏波的幅度是指相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邻两波峰连线与其下波槽的最大距离a,a,起伏波的长度是指相起伏波的长度是指相邻两波峰之距离。邻两波峰之距离。四、结构面的几何特征四、结构面的几何特征 结构面的产状、形态、延展尺度、密集程度以及胶结结构面的产状、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。与充填情况等是影响岩体强度和稳定性的重要因素。1、结构面产状结构面产状：指结构面的走向、倾向和倾角，对岩体指结构面的走向、倾向和倾角，对岩体是否沿某一结构面滑移起控制作用。是否沿某一结构面滑移起控制

14、作用。 2、结构面形态：、结构面形态：决定结构面抗滑力的大小，当结构面的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。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：、结构面的延展尺度：在工程岩体范围力，延展度大的在工程岩体范围力，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。学效应也不同。 五、结构面的状态五、结构面的状态(1)非贯通性结构面非贯通性结构面(2)半贯通性结构面半贯通性结构面(3)贯通性结构面贯通性结构面4 4、结构面的密集程度：指岩体中各种结构面的发育程度。、结构

15、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衡量密集度的指标为岩体裂隙度K K和切割度和切割度XeXe。 lnK nlKd 1（1 1）岩体裂隙度）岩体裂隙度KK沿取样方沿取样方向单位长度上的节理数量向单位长度上的节理数量式中：式中：n n为长度为长度l l内的节理数量内的节理数量. .当取样线垂直节理的走向时，当取样线垂直节理的走向时，d d为节理走向为节理走向的垂直间距。按节理的垂直间距的垂直间距。按节理的垂直间距d d将岩体分为：将岩体分为： d 180cm d 180cm 整体结构；整体结构； d =30d =3080cm 80cm 块状结构块状结构 d 3

16、0cm d 30cm 碎裂状结构；碎裂状结构； d 6.5cm d 6.5cm 极破碎结构极破碎结构当岩体中有几组不同方向的节理时，当岩体中有几组不同方向的节理时，如图所示两组节理如图所示两组节理KaKa、KbKb，则沿取样方，则沿取样方向向x x上的节理平均间距上的节理平均间距maxmax和和mbxmbx为为五、结构面的状态五、结构面的状态,cos,cos,cosnnnxbbbxaaaxdmdmdm 式中：式中：n n为取样线为取样线l l内的节理组数量内的节理组数量. .该取样线上的裂隙度该取样线上的裂隙度K K为各组节理的裂隙度为各组节理的裂隙度K Ki i之和。即：之和。即： nbaK

17、KKK ,1,1,1nxnbxbaxamKmKmK K K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 K值差别越大，岩体各值差别越大，岩体各向异性越明显。按向异性越明显。按K K的大小，可将节理分成：的大小，可将节理分成：疏节理（疏节理（K=0K=01 m-1 m-1 1）；密节理（）；密节理（K=1K=110 m-110 m-1）；非常密集节理（）；非常密集节理（K=10K=10100 m-100 m-1 1）；压碎或糜棱化带（）；压碎或糜棱化带（K=100K=1001000 m-11000 m-1）；）；（2 2）切割度）切割度XeXe指岩体被节理分割的程度。指岩体

18、被节理分割的程度。 假设岩体仅有一个结构面，可沿结构面在岩体中取一个假设岩体仅有一个结构面，可沿结构面在岩体中取一个贯通性的假想平直断面，则结构面面积贯通性的假想平直断面，则结构面面积a a与该断面面积与该断面面积A A之比，之比，即为该岩体的切割度。即为该岩体的切割度。 AaXe 可见可见, ,当当: : 0Xe1, 0XeR 。RR tg 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）爬坡角与与剪胀现象剪胀现象（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

19、别为： sincosTNN cossinTNT bNT tg )tg()( bbNtgT 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面面上的摩擦角。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；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切力上升，梯度变小，直至达到峰值抗剪强度

20、 Patton公式公式 较小时，抗剪强度较小时，抗剪强度tg(b+); 较大时，抗剪强度较大时，抗剪强度c+tgb ,其中其中c为视内聚力。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。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

21、行直剪试验时，法向应力应与实际工程中的一致。一般认为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）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所讨论的方向一致。角与所讨论的方向一致。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BartonBarton强度准则强度准则 考虑到三个基本因素（法向力考虑到三个基本因素（法向力、粗糙度粗糙度JRCJRC、结构面抗压强度、结构面抗压强度JCSJCS）的）的影响，影响，B Barton(1977)arton(1977)提出确定不规则提出确定不规则粗糙结构面

22、抗剪强度公式：粗糙结构面抗剪强度公式： bJCSJCR )lg(tg式中：式中：bb岩石表面基本摩擦角。岩石表面基本摩擦角。JRCJRC为结构面粗糙性系数（为结构面粗糙性系数（0 02020），）， B Bartonarton将其分为将其分为1010级级 ，平坦近平滑，平坦近平滑结构面为结构面为5 5，平坦起伏结构面为，平坦起伏结构面为1010，粗糙起伏结构面为粗糙起伏结构面为2020。2-4 2-4 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 1、节理面的破坏条件（极限应力平衡方程）、节理面的破坏条件（极限应力平衡方程） 如图，岩体受如图，岩体受1 1、

23、3 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，则节理面上的正应力和剪应力为：面上的正应力和剪应力为： 11331133jjjc tg 2cos223131 2sin231 如节理面强度符合库伦准则，其强度方程为：如节理面强度符合库伦准则，其强度方程为：式中：式中：c cj j,j j为结构面的粘结力和内摩擦角。为结构面的粘结力和内摩擦角。 （1）（2）1 1、节理面的破坏条件（极限应力平衡方程）、节理面的破坏条件（极限应力平衡方程）jjjjjc sin)2sin(sin2cos2331 2sin)ctgtg1(tg22331jjjc 或或 可见：节理面上的应

24、力和强度均是可见：节理面上的应力和强度均是的函数。因此，岩体的函数。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。方位有关。1 12 2，单节理岩体才会沿节理面发生移动破坏，单节理岩体才会沿节理面发生移动破坏，Q Q P P（1 1）式带入（）式带入（2 2）式时）式时（3 3）(1)(1)由上式极限平衡方程可见：当由上式极限平衡方程可见：当j j 或或/2 /2 ， 1 13 3, , 故使方程有意义故使方程有意义 2 j(2)(2)如图可见，当如图可见，当1 12 2 , ,岩体才会沿节理面产生滑岩体才会沿节

25、理面产生滑移破坏。移破坏。故，节理面破坏故，节理面破坏必须满足的条件必须满足的条件: : (1)(1)j j /2, /2, (2)(2)1 12 2 。2 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 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 将将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由几何关系：由几何关系：4 4、节理最不利的位置、节理最不利的位置0d)d(31 由极限平衡方程可以看出，应力圆直径（由极限平衡方程可以看出，应力圆直径（13）是）是的函数，当的函数，当等于某一个值时，其直径最小，与强度曲等于某一个值时，其直径最小，与强度曲线相切。将上式对线相切。将上式对取一阶导数，然后令其为取一阶导数，然后令其为0，得：，得：)90(120jjtgtgtg 2450j 即是说，当即是说，当 时，节理的强度最低，最时，节理的强度最低，最容易产生破坏。说明岩体最容易沿此节理面产生滑容易产生破坏。说明岩体最容易沿此节理面产生滑移。移。jjjjjc sin)2sin(sin2cos2331 2450j 5 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，时，节理才会对岩体产生影响，这时岩体的强度取决于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，且当节理的强度，且当45j/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，岩体的强度随之增加。增大或减小时，岩体的强度随之