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第3章结构面的力学性质 3 1结构面的类型及其特征 3 2结构面法向变形与刚度 3 3结构面切向变形与刚度 3 4结构面的抗剪强度 3 1结构面的类型及其特征 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 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 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20 40m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 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 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 区域构造起控制作用的断裂带 级结构面 延展性强而宽度有限的地质界面 级结构面 局部性的断裂构造 级结构面 节理面 V级结构面 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 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 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 五 结构面的状态 1 非贯通性结构面 2 半贯通性结构面 3 贯通性结构面 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 30 80cm块状结构d 30cm碎裂状结构 d 6 5cm极破碎结构 当岩体中有几组不同方向的节理时 如图所示两组节理Ka Kb 则沿取样方向x上的节理平均间距max和mbx为 式中 n为取样线l内的节理组数量 该取样线上的裂隙度K为各组节理的裂隙度Ki之和 即 K越大 结构面越密集 不同测线上的K值差别越大 岩体各向异性越明显 按K的大小 可将节理分成 疏节理 K 0 1m 1 密节理 K 1 10m 1 非常密集节理 K 10 100m 1 压碎或糜棱化带 K 100 1000m 1 2 切割度Xe 指岩体被节理分割的程度 假设岩体仅有一个结构面 可沿结构面在岩体中取一个贯通性的假想平直断面 则结构面面积a与该断面面积A之比 即为该岩体的切割度 可见 当 0 Xe 1 岩体部分切割 Xe 1 岩体被整个切割 Xe 0 即岩体为完整连续体 岩体按切割度分类 Xe 0 1 0 2完整岩体 Xe 0 2 0 4弱节理化岩体 Xe 0 4 0 6中等节理化岩体 Xe 0 6 0 8强节理化岩体 Xe 0 8 1 0完全节理化岩体 岩体被某组结构面切割的程度Xr为 如果岩体沿某断面上同时存在着面积为a1 a2 an的n个结构面时 则岩体沿该断面的切割度为 式中 K为岩体的裂隙度 Xe为沿某一平面的切割度 5 结构面的胶结情况及充填情况 1 胶结结构面泥质胶结 强度最低 在脱水情况下有一定的强度 遇水发生泥化 软化 强度明显降低 可溶盐类胶结 干燥时有一定的强度 遇水发生溶解 强度降低 钙质胶结 强度较高 且不受水的影响 但遇酸性水强度降低 铁质胶结 强度较高 但易风化 力学性能不稳定 硅质胶结 强度高 力学性能稳定 可见 胶结结构面随胶结物的成分不同 其力学效应有很大差别 2 非胶结结构面分为有充填物的结构面和无充填物的结构面 无充填物的结构面 其强度主要取决于结构面两侧岩石的力学性质及结构面粗糙度 有充填物的结构面 其强度除与充填物 结构面两侧岩壁接触面的力学特性有关外 主要取决于充填物的成分和厚度 A 充填物成分 质粘土 砂质 角砾质等 B 充填物厚度对结构面强度影响特别显著 按厚度可将有充填物的结构面分为 薄膜充填 充填物厚度多在1mm以下 多系次生蚀变矿物与风化矿物构成 如滑石 粘土矿物等 断续充填 充填物不连续 厚度多小于结构面的起伏差 使结构面强度降低 连续充填 充填物厚度一般大于起伏差 结构面强度主要受充填物强度控制 因此 常构成岩体的主要滑动面 厚层充填 充填厚度较大 一般几十厘米至数米 构成软弱带 如断层泥 有时表现为岩体沿接触面滑移 有时为软弱充填物本身塑性流动 常导致重大工程事故 结构面变形 3 2结构面法向变形与刚度 法向应力与法向变形的关系式中 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 法向刚度kn的表达式1 Goodman 1974 式中Kn0 结构面的初始刚度 法向刚度kn 反映结构面产生单位法向变形的法向应力梯度不是一个常数 与应力水平有关 实质 每点的切线斜率 2 班迪斯 Bandis 1984 法向应力与法向变形的关系式中 a b为常数 法向刚度kn Bandis 1984 实质 每点的切线斜率 曲线形状 先凹 后陡 可由初始法向刚度和最大闭合量确定 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 法向变形的特征 1 两种类型a 粗糙结构面 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滞滑现象 b 平坦结构面 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 最恒定 3 3剪切变形与剪切刚度 2 剪切刚度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 3 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 4 剪切变形特征 两种类型 a 坚硬 无充填物 脆性变形有明显的峰值 应力降b 软弱 有充填物 塑性变形无明显的峰值 应力降 风化结构面 峰值位移变大 剪切刚度变小 随法向应力减小 剪切规模增大 剪切刚度减小 3 4结构面的抗剪强度 结构面最重要的力学性质之一是抗剪强度 结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂 构成结构面抗剪强度因素是多方面的 大量试验结果表明 结构面抗剪强度一般可用莫尔 库伦准则表示 式中 c 分别是结构面上的粘结力和摩擦角 b i b是岩石平坦表面基本摩擦角 i是结构面的爬坡角 是作用在结构面上的法向正应力 剪胀现象与剪断现象 岩石强度 爬坡角i 法向力N 发生剪胀现象 b 岩石强度 爬坡角i 法向力N 发生剪断现象 c 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