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1、2022/11/24武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军1,岩石力学之 结构面的性质,WUST,图片欣赏,WUST,图片欣赏,WUST,图片欣赏,WUST,图片欣赏,WUST,图片欣赏,WUST,基本内容,结构面概述,1,结构面的变形特性,2,结构面的强度特性,3,WUST,1结构面概述,岩石（Rock）矿物、岩屑.结构面（Structural Plane）.岩块（Rock block 或 Rock）指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。岩体（Rockmass） .,1.1 几个基本概念,结构面：断层、节理、褶皱统称节理，由于节理的存在，造成了介质的不连续，因而这些界面又称为不
2、连续面或结构面。,WUST,完整性很好连续介质力学方法非常破碎土力学方法 两者之间裂隙体力学方法,岩体不连续性，各向异性反映区域性地质构造降低岩体强度,岩体,结构面影响,WUST,图1 节理岩体的强度特征与岩石强度的区别岩石；节理化岩体：节理,岩体强度=岩块强度+节理强度,WUST,一、结构面的成因类型,(一)地质成因类型原生结构面构造结构面次生结构面(二)力学成因类型张性结构面剪性结构面,1.2 结构面特征,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,(一)
3、地质成因类型1.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。岩浆结构面是岩浆侵入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。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。2.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。3.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。,WUST,(二)力学成因类型1、张性结构面是由拉应力形成的，如羽毛状张裂面、纵张
4、及横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等特点：张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏度大及破碎带较宽,易被充填,常含水丰富，导水性强2、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。特点：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等。,WUST,二、结构面的规模,级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳定性，直接影响工程岩体稳定性；级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。、级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直接威胁
5、工程安全稳定性,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,WUST,级 指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。是构成岩块的边界面，破坏岩体的完整性，影响岩体的物理力学性质及应力分布状态。级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力学性质，数量多且具随机性，其分布规律具统计规律，需用统计方法进行研究。级 又称微结构面。常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质，控制岩块的力学性质。-级结构面为实测结构面：经野外地质测绘工作，按其结构面的产状及其具体位置，直接表示在不同比例尺的工程地质图上。-级结构面为统计结构面：只能在野外有明显的岩层露头地点进行统计，经过室内
6、作结构面密度统计图，认识其统计规律，它们不能直接反映在工程地质图上，但可转化为结构面的组合模型反映在岩体结构图上。,WUST,走向、倾向、倾角结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度。,三、产状,据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩体的极限强度与结构面倾角间的关系为：,WUST,The dip is the angle in degrees between a horizontal plane and the inclined plane, measured down from horizontal.The strike is the compass direction (N
7、orth) of the horizontal line formed by the intersection of a horizontal plane and an inclined plane.,Dip (面的倾角) and Strike (走向),WUST,WUST,WUST,贯通类型非贯通性结构面：较短、不能贯通,岩块强度降低、变形增大.半贯通性结构面：有一定长度、不能贯通,岩块强度降低、变形增大贯通性结构面：长度较长、连续好、贯通整个岩体、构成岩体边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制,四、结构面贯通类型和连续性,WUST,结构面的连续性反映结构面的贯通程度。1、线连续
8、性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各段长度之和(a)与测线长度的比值。,K1变化在01之间，K1值愈大说明结构面的连续性愈好，当K11时，结构面完全贯通。,b.连续性,WUST,2、面连续性系数（面切割度）Xe：在岩体中沿结构面延展平面上，结构面各块面积之和a与该断面面积A之比,Xe=a/A,WUST,岩体按切割度Xe的分类表,WUST,3、迹长：在岩体中沿结构面延展迹线的长度。,国际岩石力学学会(ISRM，1978)建议：用结构面的迹长来描述和评价结构面的连续性，并制订了相应的分级标准,WUST,结构面的密度反映结构面发育的密集程度。1、裂隙度K ：沿取样线方向单位长度上的结构面数量。,五、
9、密度,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。,2、间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相邻结构面的平均距离。Kd与d互为倒数关系,WUST,10m,实例：k=4/10=0.4/md=1/k=2.5m,1.单组节理,勘测线长度为,出现的节理的个数为n,WUST,2.多组节理,WUST,以裂隙度为指标的节理分类,WUST,结构面间距分级表,WUST,以垂直间距为指标的岩体结构,WUST,用线密度来估算岩体质量指标RQD(rock quality des
10、ignation),岩体质量指标RQD：长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比。,WUST,结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。结构面两壁面一般不是紧密接触，使结构面实际接触面积减少，导致结构面粘聚力降低和渗透性增大。点接触如在层流条件下，平直而两壁平行的单个结构面的渗透系数(Kf)可表达为：,六、张开度,WUST,结构面张开度分级表,WUST,级及部分级结构面的产状、迹长、间距及张开度等几何特征参数，服从一定的随机分布规律。,WUST,WUST,WUST,结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。结构面侧壁的起伏形态分为：平直的、波状的、锯齿状的、台阶状的和不规则状
11、的。,侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示。,七、形态,WUST,结构面的粗糙度用粗糙度系JRC(joint roughness coefficient)表示。随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为10级。,巴顿（Barton，1977）提出： 粗糙度标准及粗糙系数挪威岩土工程研究所(Norwegian Geotechnical Institute),WUST,八、充填胶结特征,结构面胶结后力学性质有所增强，Fe质胶结的强度最高，泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。,未胶结的结构面，力学性质取决于其充填情况，可分为：薄膜充填、断续充填、连续
12、充填及厚层充填4类1 薄膜充填是结构面两壁附着一层极薄的矿物膜，厚度多小于1mm，多明显降低结构面的强度。2 断续充填结构面的力学性质与充填物性质、壁岩性质及结构面的形态有关。3 连续充填结构面的力学性质主要取决于充填物性质。4 厚层充填结构面的力学性质很差，主要取决于充填物性质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。,WUST,九、软弱结构面,软弱结构面是岩体中具有一定厚度的软弱带(层)，与两盘岩体相比具有高压缩和低强度等特征，在产状上多属缓倾角结构面。主要包括原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其他夹泥层等。特性： 1、由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构 或泥质定向结构 2、粘
13、粒含量很高 3、含水量接近或超过塑限 4、密度比原岩小 5、常具有一定的胀缩性 6、力学性质比原岩差 7、强度低 8、压缩性高 9、易产生渗透变形,WUST,结构面的组合关系控制着可能滑移岩体的几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型，它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。任何坚硬岩体的块体滑移破坏，都必须具备一定的几何边界条件。因此，在研究岩体稳定性时，必须研究结构面之间及其与临空面之间的组合关系，确定可能失稳块体的形态、规模和可能滑移方向等。结构面组合关系的分析可用赤平投影、立体投影和三角几何计算法等进行。,十、结构面的组合关系,WUST,1.3 岩体结构类型,WUST,WUST,W
14、UST,WUST,WUST,2结构面的变形特性,在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，工程岩体常常是沿软弱结构面失稳破坏。,在工程荷载作用下，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组分，控制着工程岩体的变形特性。结构面是岩体渗透水流的主要通道。在工程荷载作用下，结构面的变形将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。因此，预测工程荷载作用下岩体渗透性的变化，必须研究结构面的变形性质及其本构关系。工程荷载作用下，岩体中应力分布受结构面及其力学性质的影响。,WUST,1. 法向变形特征,VVV,2.1法向变形性质,WUST,应力-变形关系曲线,WUST,开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速
15、增长， n-V及n-V曲线均呈上凹型。当n增到一定值时，n-V曲线变陡，并与n-V曲线大致平行。说明结构面已基本上完全闭合，其变形主要是岩块变形贡献的。这时V则趋于结构面最大闭合量V。初始压缩阶段，含结构面的岩块变形V主要是由结构面的闭合造成的。试验表明，当nMPa时，V/V可达，说明V占了很大一部分。法向应力n约从/3处开始，含结构面的岩块变形由以结构面的闭合为主转为以岩块的弹性变形为主。,应力-变形关系曲线特征,WUST,结构面的n- V曲线大致为以VV为渐近线的非线性曲线。可用初始法向刚度及最大闭合量来确定，与结构面的类型及壁岩性质无关 。结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（）。这
16、是因为结构面是凹凸不平的，两壁面间无论如何也不可能达到100的接触。结构面的初始法向刚度是一个与结构面在地质历史时期的受力历史及初始应力（）有关的量，其定义为n-V曲线原点处的切线斜率，即：,应力-变形关系曲线特征,WUST,2.法向变形本构方程,1)Goodman 方程,适用于具有一定滑错位移的非嵌合性结构面,WUST,2) Bardis方程,WUST,适合于未经滑错位移的嵌合结构面(如层面)的法向变形,WUST,法向刚度n（normal stiffness）是指在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力，在数值上等于n- V曲线上一点的切线斜率。,确定方法,试验法,3.法向刚度及
17、其确定方法,室内变形试验,现场变形试验,本构方程和经验估算,WUST,现场变形试验中心孔承压板法,WUST,经验估算由Bandis方程估算,WUST,Bandis经验方程求Kni，Vm,WUST,壁岩强度JCS(Joint Compress Strength),WUST,几种结构面的抗剪参数表,WUST,岩体结构面直剪试验结果表,WUST,便携式直剪仪,WUST,脆性变形型塑性变形型结构面变形与风化程度有关结构面的剪切刚度，随法向应力的增大而增大，随结构面的规模增大而降低。,1、剪切变形特征,2.2 结构面的剪切变形性质,WUST,卡尔哈韦（ Kalhaway）方程,2、剪切变形本构方程,WU
18、ST,剪切刚度KS（shear stiffness）是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前-u曲线上任一点的切线斜率。,3.剪切刚度及其确定方法,确定方法,试验法 室内试验 现场试验经验估算法（Barton方程）,WUST,3 结构面的强度性质,结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所以一般认为结构面是不能抗拉的。在工程荷载作用下，岩体破坏常沿某些软弱结构面的滑动破坏。在岩体力学中，重点研究结构面的抗剪强度。,WUST,一、平直无充填的结构面二、粗糙起伏无充填的结构面三、非贯通断续的结构面四、具有充填物的软弱结构面,WUST,一、平直无充填的结构
19、面,平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：,WUST,WUST,二、粗糙起伏无充填的结构面,剪切特点： 当较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了当较大时，将剪断凸起而运动，也增大了,WUST,1、规则锯齿形结构面 1）较小，剪胀作用,Patton公式,WUST,2）较大，啃断效用,上式为法向应力t时，结构面的抗剪强度。剪断凸起的条件为：,WUST,2、不规则起伏结构面,自然界岩
20、体中绝大多数结构面的粗糙起伏形态是不规则的，起伏角也不是常数。其强度包络线不是折线，而是曲线形式。,WUST,巴顿（arton，1973）对种不同粗糙起伏的结构面进行了试验研究，提出了剪胀角的概念并用以代替起伏角，剪胀角（angle of dilatancy）的定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角，即：,WUST,Barton 方程：,大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角u。因此，上式右边的第二项应当就是结构面的基本摩擦角u ，而第一项的系数取整数。,WUST,Ladanyi & Archambault方程：,剪断率剪胀率凸起岩石抗剪强度,WUST,当很大时，凸起全部被剪断， As
21、A (as 1 ),无剪胀发生, =V/ u=0,则有:,从以上讨论可知,阿氏与莱氏公式是图中曲线3。,当很小时，凸起不被剪断， As=0 (as=0)且tgi= =V/ u,则有:,WUST,三、非贯通断续的结构面,假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面的线连续性系数为1,WUST,WUST,四、具有充填物的软弱结构面,具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层，其形成多与水的作用和各类滑错作用有关。这类结构面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度和厚度等因素密切相关。,WUST,WUST,WUST,2022/11/24武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军106,Thank You !,
