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1、第二章 岩体的力学性质,1 岩体结构2 结构面的几何性质与力学性质3 岩体的强度性质4 岩体的变形性质5 岩体质量评价及其分类,本章内容：,2-1 岩体结构,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。结构体：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为结构体（岩石块体）。岩体：结构面和结构体的地质统一体。,图2-1 岩体结构示意,一、结构面,（1）地质成因类型,原生结构面：岩体在成岩过程中形成的结构面。 沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。,1、成因类型,火成结构面是岩浆侵入
2、及冷凝过程中形成的结构面，包括岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等（如：流层、流线、火山岩流接触面、蚀变带、原生节理等）。,变质结构面在变质过程中形成（分为残留结构面和重结晶结构面），如：片理、片麻理、板理、软弱夹层等。,构造结构面 是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面，包括断层、节理、劈理和层间错动面等。,次生结构面 是岩体形成后在外营力作用下产生的结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。,（2）力学成因类型,剪性结构面是剪应力形成的，破裂面两侧岩体产生相对滑移，如逆断层、平移断层以及多数正断层等。,张性结构面是由拉应力形成的，如粘土岩失水收
3、缩节理、岩浆岩中的冷凝节理等。,平移断层,正断层,逆断层,2、分级,二、结构体,1、结构体分级 I级结构体：由I级结构面切割成的结构体(地质体)。II级结构体：由I级结构体经II级结构面切割而成的结构体(山体)。III级结构体：II级结构体再经III级结构面切割而成的结构体。IV级结构体：III级结构体再经IV级结构面切割而成的结构体（完整岩石或岩块）。,2、结构体的块度,结构体的块度通常指最小结构体的尺寸。在岩体工程稳定性分析中，结构体的块度决定了工程围岩的破坏方式，从而决定了支护和加固方法。在开挖过程中结构体的块度影响施工及临时支护。,三、岩体结构类型,按岩体I级结构被大规模结构面分割的形
4、态特征可将岩体结构分为块状结构和板层状结构。,I级岩体结构,整体结构,板层状结构,块状结构,碎裂结构,散体结构,块状碎裂结构,层状碎裂结构,块状结构,将大规模结构面切割成的岩体结构定义为I级结构；在I级结构基础上，次级结构面切割成的岩体结构定义为II级结构。,按岩体II级结构被次级结构面切割的程度和形态特征，可将岩体结构划分：,II级岩体结构,Vpm岩体弹性波纵波速度（m/s)Vpr 岩石弹性波纵波速度（m/s),岩体完整性系数,表征岩体结构特征的一个重要参数,1、整体结构,完整性系数 0.75结构面间距 1.5 m 岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥，层面结合良好，渗流对岩体特性影响不
5、大，结构尺寸大于工程尺寸。岩土工程特征：整体强度高，岩体稳定，可视为均质、各向同性的连续介质。,2、块状结构,完整性系数 0.350.75结构面间距 0.71.5 m节理发育，有若干贯通微张裂隙将岩体切割成柱状、块状或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上节理明显发育，构成影响工程稳定性的危险岩块，其尺寸小于工程几何尺寸。岩土工程特征：整体性强度高，结构面相互牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体。,4、碎裂结构,构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填。岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条块状岩石，属不均一的不连续介质，稳定性很差。,5、散体结构,完整性系数：0.2主要为各
6、种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结构面相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层泥，呈松散堆积或压密堆积。岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体介质。,完整性系数：层状 0.30.6; 薄层状0.4结构面间距：层状 0.250.5 m ；薄层状0.25 m由中厚（0.250.5 m）及薄层（0.25m）的均一、坚硬、软弱或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成的岩体。结构面以层理、片理、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状互相紧密叠合。岩土工程特征：工程范围内，一组节理明显发育，在层内具有均一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连续介质。其变形和强度特征受层面及岩层组合控制，
7、岩体稳定性较差。,3、板层状结构,1、产状,结构面产状三要素：走向、倾向、倾角；与主应力之间的关系：控制岩体的破坏机理与强度。,2-2 岩体结构面的几何与力学性质,一、结构面的几何性质,结构面的分步密度反映结构面发育的密集程度，以裂隙度和切割度表示。裂隙度K ：沿取样线方向单位长度上的结构面数量。设取样线长度为L,单位m,该长度内出现的结构面数量n，沿取样线方向结构面平均间距为d，则,K=n/L ， d =1/K=L/n,线密度Kd：若取样线垂直结构面，则裂隙度被称为线密度。,间距d：同一组结构面法线方向上结构面平均距离。,Kd=n/Ld ， d =1/Kd=Ld /n,2、分布密度,多组结构
8、面裂隙度K 的计算：,Ka=1/max =cosa/da ，Kb=1/mbx =cosb/db ，Kn=1/mnx =cosn/dn K=Ka+Kb+Kn,切割度Xe：岩体被节理割裂分离的程度。当岩体仅含一个节理时，眼节理面在岩体中取一贯通整体的平直断面，节理面积a与该断面面积A之比成为岩体的切割度Xe。若沿着岩体某断面上同时存在面积为a1，a2，an的几个节理面，则岩体沿该断面的切割度为Xe=（ a1+a2+an）/A某组节理切割的程度可用Xv表示：Xv= Xe .K,3、张开度,结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。,结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。 结构面侧壁的起伏
9、形态分为：平直的、台阶状的、锯齿状的、波状的和不规则状的。,4、形态,侧壁的起伏程度可用起伏角i表示：,可以用线密度来估算岩体质量指标RQD (rock quality designation) ：RQD的原始定义为：长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比，按下式计算：,结构面的粗糙度用粗糙度系数JRC (Joint Roughness Coefficient)表示。根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10级。随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。 标准粗糙度剖面见右图。,二、结构面的力学性质,为何要研究结构面的力学性质？,1 引起工程岩体失稳破坏2 控制岩体变形3 控制地
10、下水渗透4 影响岩体中应力分布,（1）法向变形特征曲线形状，先凹，后陡；归结为接触微凸体的弹性变形、压碎、间接拉裂隙产生、新的接触点和面的增加。初始阶段，结构面变形为主，当n=c / 3时结构面变形基本完成最大闭合量小于张开度。卸除荷载后，有明显的迟滞和非弹性效应。,1、法向变形与法向刚度,（2）法向应力与法向变形的关系（Goodman,1974 ） 式中： ：原位压力 ：最大可能闭合量s，t：与结构面几何特征、岩石力学性质有关的两个参数,1、法向变形与法向刚度,（3）法向刚度Kn （Goodman,1974）式中Kn0：结构面的初始刚度,Bandis (1984) 提出的非充填节理法向应力与
11、法向变形的关系式中：a、b为常数 法向刚度Kn:Bandis得出由初始法向刚度和最大闭合量表达的经验公式：,（1）剪切变形特征A.粗糙结构面（且无充填物），剪应力上升较快，当剪应力达到峰值后抗剪能力下降较大，并产生不规则的峰后变形或粘滑现象。B.平坦结构面（或有充填物），初始阶段剪切变形曲线斜率逐渐减小，曲线没有明显的峰值出现，最终恒定，或出现剪切硬化。C.随着法向应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小,2、剪切变形与剪切刚度,（2）剪切变形方程1975，卡尔哈维（Kalhaway)提出：式中：m=1/k0, k0:初始剪切刚度 n=1/0, 0产生较大剪切位移时的 剪应力渐近值,（3）剪切刚度
12、Kt剪切刚度：1974年Goodman提出：式中：Kt0初始剪切刚度 s产生较大剪切位移时的剪应力渐近值 对于较坚硬结构面，剪切刚度一般为常数；对松软结构面，剪切刚度随法向应力的大小而改变。,1）平直结构面的剪切强度,3、结构面的抗剪强度,2）粗糙起伏结构面的剪切强度两种情况：剪胀、剪断剪胀： (无粘结），剪断：,（有粘结）,2）剪胀现象与剪断现象岩石强度高，爬坡角i小，法向力N小，发生剪胀现象(b)岩石强度低，爬坡角i大，法向力N大，发生剪断现象(c),4、结构面力学性质的尺寸效应,Barton和Bandis（1982）的试验结果表明：随着试块长度的增大，平均峰值摩擦角降低；随着试块面积的增大，平均峰值剪切应力降低，达到峰值强度时的位移量增大；随着试块尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化；随着试块尺寸的增加，峰值剪胀角变小；随着结构面粗糙度的减小或法向应力的增大，尺寸效应降低。,作业,1、简述结构面的级别及其特点。2、说出描述结构面状态的指标。3、结构面的剪切变形、法向变形与结构面的哪些因素有关？,
