结构面的力学性质课件

第3章结构面的力学性质§3-1概述§3-2结构面的类型及其特征

§3-3结构面法向变形与刚度

§3-4结构面切向变形与刚度

§3-5结构面的抗剪强度结构面的概念

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。§3.1概述在工程荷载(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。如马尔帕塞坝溃坝、瓦依昂库岸滑坡等。

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又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。工程实例秭归县千将坪滑坡2003年7月13日零时20分§3-2结构面的类型及其特征一、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

（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．按成因分岩浆结构面14FacultyofCivilEngineering,ChongqingUniversity第3章岩体的力学特性

Mar,2007FacultyofCivilEngineering,ChongqingUniversity2、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。二、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Ⅱ级结构面--延展性强而宽度有限的地质界面Ⅲ级结构面--局部性的断裂构造Ⅳ级结构面--节理面V级结构面--细小的结构面Ⅰ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；Ⅱ级指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。Ⅲ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。Ⅱ、Ⅲ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，直接威胁工程安全稳定性走向、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。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：1.产状二、结构面特征及其对岩体性质的影响2.连续性结构面的连续性反映结构面的贯通程度。线连续性系数：指沿结构面延伸方向，结构面各段长度之和(Σa)与测线长度的比值。

K1变化在0～1之间，K1值愈大说明结构面的连续性愈好，当K1＝1时，结构面完全贯通。4.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。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：5.形态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a、波状的b、锯齿状的c、台阶状的d和不规则状的e。侧壁的起伏程度可用起伏角(i)表示结构面的粗糙度用粗糙度系JRC表示(jointroughnesscoefficient)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。在实际工作中可用结构面纵剖面仪测出所研究结构面的粗糙剖面后与图所示的标准剖面进行对比得到6、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。结构面变形法向变形剪切变形§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①曲线形状，先凹，后陡；可由初始法向刚度和最大闭合量确定。②初始阶段，结构面变形为主，当σn=σc/3时结构面变形基本完成③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

τs－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/τ0,τ0－产生较大剪切位移时的剪应力渐近值§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、φ分别是结构面币岩上的粘结力和摩擦角，φ＝φb+i,φb是岩石平坦表面基本摩擦角，i是结构面的爬坡角；σ是作用在结构面上的法向正应力。剪胀现象与剪断现象①岩石强度↑，爬坡角i↓，法向力N↓，发生剪胀现象(b)②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