结构面的基本性能.pptx

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1、WUST图片欣赏图片欣赏第1页/共106页WUST图片欣赏图片欣赏第2页/共106页WUST图片欣赏图片欣赏第3页/共106页WUST图片欣赏图片欣赏第4页/共106页WUST图片欣赏图片欣赏第5页/共106页WUST基本内容基本内容结构面概述结构面概述1结构面的变形特性结构面的变形特性2结构面的强度特性结构面的强度特性3第6页/共106页WUST1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：结构面：断层

2、、节理、褶皱断层、节理、褶皱统称节理，由于节理的存统称节理，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连续面在，造成了介质的不连续，因而这些界面又称为不连续面或结构面。或结构面。第7页/共106页WUST完整性很好完整性很好连续介质力学方法连续介质力学方法非常破碎非常破碎土力学方法土力学方法 两者之间两者之间裂隙体力学方法裂隙体力学方法岩体不连续性，各向异性岩体不连续性，各向异性反映区域性地质构造反映区域性地质构造降低岩体强度降低岩体强度 岩体岩体结构面影响结构面影响第8页/共106页WUST图图1 1 节理岩体的强度特征与岩石强度的区别节理岩体的强度特征与岩石强度的区别岩石；岩

3、石；节理化岩体：节理化岩体：节理节理 岩体强度岩体强度=岩块强度岩块强度+节理强度节理强度 第9页/共106页WUST一、结构面的成因类型一、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 结构面特征第10页/共106页WUST成因类型成因类型地质类型地质类型原原生生结结构构面面沉积沉积结构面结构面层面、层理、沉积间断面（不整合面、层面、层理、沉积间断面（不整合面、假整合面）、原生软弱夹层假整合面）、原生软弱夹层火成火成结构面结构面流层、流线、火山岩流接触面，蚀变流层、流线、火山岩流接触面，蚀变带、挤压破碎带、原生节理带、挤压破碎带

4、、原生节理变质变质结构面结构面片理、板理、软弱夹层片理、板理、软弱夹层第11页/共106页WUST成因类型成因类型地质类型地质类型构构造造结结构构面面劈理劈理节理节理断层断层层间破碎夹层层间破碎夹层第12页/共106页WUST成因类型成因类型地质类型地质类型次次生生结结构构面面卸卸 荷荷 裂裂 隙隙爆爆 破破 裂裂 隙隙风风 化化 裂裂 隙隙风风 化化 夹夹 层层泥泥 化化 夹夹 层层第13页/共106页WUST成因类型地质类型主 要 特 征工程地质评价产 状分 布性 质原生结构面沉积结构面1层理层面2软弱夹层3不整合面、假整合面4沉积间断面一般与岩层产状一致，为层间结构面海相岩层中此类结构面

5、分布稳定，陆相岩层中呈交错状，易尖灭层面、软弱夹层等结构面较为平整；不整合面及沉积间断面多由碎屑泥质物构成，且不平整国内外较大的坝基滑动及滑坡很多由此类结构面所造成的，如奥斯汀、圣弗朗西斯、马尔帕塞坝的破坏，瓦依昂水库附近的巨大滑坡岩浆岩结构面1侵入体与围岩接触面2岩脉岩墙接触面3原生冷凝节理岩脉受构造结构面控制，而原生节理受岩体接触面控制接触面延伸较远，比较稳定，而原生节理往往短小密集与围岩接触面可具熔合及破碎两种不同的特征，原生节理一般为张裂面，较粗糙不平一般不造成大规模的岩体破坏，但有时与构造断裂配合，也可形成岩体的滑移，如有的坝肩局部滑移变质结构面1片理2片岩软弱夹层产状与岩层或构造方

6、向一致片理短小，分布极密，片岩软弱夹层延展较远，具固定层次结构面光滑平直，片理在岩层深部往往闭合成隐蔽结构面，片岩软弱夹层具片状矿物，呈鳞片状在变质较浅的沉积岩，如千枚岩等路堑边坡常见塌方。片岩夹层有时对工程及地下洞体稳定也有影响构造结构面1节理（X型节理、张节理）2断层（冲断层、捩断层、横断层）3层间错动4羽状裂隙、劈理产状与构造线呈一定关系，层间错动与岩层一致张性断裂较短小，剪切断裂延展较远，压性断裂规模巨大，但有时为横断层切割成不连续状张性断裂不平整，常具次生充填，呈锯齿状，剪切断裂较平直，具羽状裂隙，压性断层具多种构造岩，成带状分布，往往含断层泥、糜棱岩对岩体稳定影响很大，在上述许多岩

7、体破坏过程中，大都有构造结构面的配合作用。此外常造成边坡及地下工程的塌方、冒顶次生结构面 1卸荷裂隙2风化裂隙3风化夹层4泥化夹层5次生夹泥层 受地形及原结构面控制分布上往往呈不连续状，透镜状，延展性差，且主要在地表风化带内发育一般为泥质物充填，水理性质很差在天然及人工边坡上造成危害，有时对坝基、坝肩及浅埋隧洞等工程亦有影响，但一般在施工中予以清基处理 第14页/共106页WUST第15页/共106页WUST第16页/共106页WUST第17页/共106页WUST第18页/共106页WUST第19页/共106页WUST第20页/共106页WUST第21页/共106页WUST第22页/共106页

8、WUST第23页/共106页WUST第24页/共106页WUST第25页/共106页WUST第26页/共106页WUST第27页/共106页WUST(一)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

9、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。第28页/共106页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。第29页/共106页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

10、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，直接威胁工程安全稳定性第30页/共106页WUST级级序序分级依据分级依据地质类型地质类型力学属性力学属性 对岩体稳定性影响对岩体稳定性影响I级级延伸延伸数十公里数十公里深度深度可切穿一可切穿一个构造层个构造层破碎带宽度破碎带宽度在在数米、数十米数米、数十米以上以上区域性深大区域性深大断裂断裂或大断裂或大断裂属于属于软弱软弱结构面结构面，构成独立构成独立的力学介的力学介质单元质单元影响影响区域区域稳定性稳定性是岩体变形或

11、破坏是岩体变形或破坏的的控制条件控制条件，形成岩体力学形成岩体力学作用作用边界边界。第31页/共106页WUST级级序序分级依据分级依据地质类型地质类型力学属性力学属性对岩体稳定性影响对岩体稳定性影响II级级延伸延伸数百数百米至数公米至数公里，里，破碎带破碎带宽宽度度比较窄，比较窄，几厘米至几厘米至数米数米不整合面不整合面假整合面假整合面原生软弱夹原生软弱夹层层层间错动带层间错动带风化夹层风化夹层属于属于软弱软弱结构面结构面形成块裂形成块裂边界边界控制山体稳定性控制山体稳定性与与I级结构面可形级结构面可形成成大规模的块体破大规模的块体破坏坏，即控制岩体变，即控制岩体变形和破坏方式。形和破坏方式

12、。第32页/共106页WUST级级序序分级依据分级依据地质类型地质类型力学属力学属性性对岩体稳定性影响对岩体稳定性影响III级级延展延展十米或数十米或数十米，十米，无破碎带无破碎带，面内面内不含泥不含泥，有泥膜。在一有泥膜。在一个地质时代地个地质时代地层中分布。层中分布。各种类型的各种类型的断层断层原生软弱夹原生软弱夹层层层间错动带层间错动带等等多数属多数属于于坚硬坚硬结构面结构面少数属少数属软弱结软弱结构面。构面。控制控制岩体的稳定性岩体的稳定性与与I、II级结构面级结构面组合可形成不同规组合可形成不同规模的块体破坏模的块体破坏划分划分II类岩体结构类岩体结构的重要依据的重要依据第33页/共

13、106页WUST级级序序分级依据分级依据地质类型地质类型力学属力学属性性对岩体稳定性影响对岩体稳定性影响IV级级延展延展数米，数米，未错动，未错动，不夹泥，不夹泥，有的呈弱结合有的呈弱结合状态，状态，统计结统计结构面构面节理、节理、劈理、劈理、片理、片理、层理、层理、卸荷裂隙卸荷裂隙等。等。坚硬坚硬结结构面构面划分划分II类岩体结构类岩体结构的基本依据的基本依据是岩体力学性质和是岩体力学性质和结构效应基础结构效应基础破坏岩体的完整性破坏岩体的完整性，与其他结构面形成与其他结构面形成不同类型边坡破坏不同类型边坡破坏方式。方式。第34页/共106页WUST级级序序分级依据分级依据地质类型地质类型力

14、学属力学属性性对岩体稳定性影响对岩体稳定性影响V级级连续性极差、连续性极差、刚性接触的细刚性接触的细小或隐微裂面，小或隐微裂面，统计结构面统计结构面微小微小节理节理隐微裂隙隐微裂隙线理等。线理等。硬性硬性结结构面构面分布随机，分布随机，降低岩降低岩块强度块强度，是岩块力，是岩块力学性质效应基础。学性质效应基础。若十分密集，又因若十分密集，又因风化，形成松散介风化，形成松散介质。质。第35页/共106页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

15、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。第36页/共106页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v据单结构面理论，岩体中存在一组结构面时，岩

16、体的极限据单结构面理论，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：强度与结构面倾角间的关系为：第37页/共106页WUSTThe dip is the angle in degrees between a horizontal plane and the inclined plane,measured down from horizontal.The strike is the compass direction(North)of the horizontal line formed by the intersection of a horizontal plane and

17、 an inclined plane.Dip(面的倾角面的倾角)and Strike(走向走向)第38页/共106页WUST第39页/共106页WUST第40页/共106页WUSTa.贯通类型贯通类型非贯通性结构面：较短、不能贯通非贯通性结构面：较短、不能贯通,岩块强度降低、变形增大岩块强度降低、变形增大.半贯通性结构面：有一定长度、不能贯通半贯通性结构面：有一定长度、不能贯通,岩块强度降低、变岩块强度降低、变形增大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边界，它对岩体有

18、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结构面贯通类型和连续性第41页/共106页WUST结构面的连续性反映结构面的贯通程度。1、线连续性系数：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变化在变化在01之间，之间，K1值愈大说明结构面的连续性愈值愈大说明结构面的连续性愈好，当好，当K11时，结构面完全贯通。时，结构面完全贯通。b.连续性连续性第42页/共106页WUST2 2、面连续性系数（面切割度）、面连续性系数（面切割度）XeXe：在岩体中沿结构面延展平在岩体中沿结构面延展平面上，结构面各块面积之和面上，结构面各块面积之和a与该断面面积与该断面

19、面积A之比之比 Xe=a/AXe变化在变化在01之间变化；之间变化；Xe值愈大说明结构面的连续性愈好；值愈大说明结构面的连续性愈好；当当Xe=1时，结构面完全贯。时，结构面完全贯。当当Xe=0时，岩体完整。时，岩体完整。第43页/共106页WUST岩体按岩体按切割度切割度Xe的分类表的分类表名称名称切割度切割度Xe完整的完整的0.10.2弱节理化弱节理化0.20.4中等节理化中等节理化0.40.6强节理化强节理化0.60.8完全节理化完全节理化0.81.0第44页/共106页WUST3 3、迹长：、迹长：在岩体中沿结构面延展迹线的长度。在岩体中沿结构面延展迹线的长度。国际岩石力学学会国际岩石力

20、学学会(ISRM，1978)建议：建议：用结构面的用结构面的迹长迹长来描述来描述和评价和评价结构面的连续性结构面的连续性，并制订了相应的分级标并制订了相应的分级标准准 描描 述述 迹长迹长(m)很低连续性很低连续性 20第45页/共106页WUST结构面的密度反映结构面发育的密集程度。结构面的密度反映结构面发育的密集程度。v1 1、裂隙度K：沿取样线方向单位长度上的结构面数量。五、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。v2、间距间距(d)则是指同一组结构面

21、法线方向上两相邻结构面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。的平均距离。Kd与与d互为倒数关系互为倒数关系第46页/共106页WUST1010mm实例：实例：实例：实例：k=4/10=0.4/k=4/10=0.4/mmd=1/k=2.5md=1/k=2.5m1.1.1.1.单组节理单组节理单组节理单组节理勘测线长度为勘测线长度为勘测线长度为勘测线长度为出现的节理的个数为出现的节理的个数为出现的节理的个数为出现的节理的个数为n n n n第47页/共106页WUST2.2.2.2.多组节理多组节理多组节理多组节理第48页/共106页WUST以裂隙度为指标的节理分类以裂隙度为指标的节

22、理分类裂隙度（m-1）节理0-1疏节理1-10密节理10-100非常密集节理100-1000压碎或糜棱化带第49页/共106页WUST结构面间距分级表结构面间距分级表描述间距（mm）极密集的间距6000第50页/共106页WUST以垂直间距为指标的岩体结构以垂直间距为指标的岩体结构垂直间距（cm）岩体结构180整体结构30-180块状结构6.5-30碎裂结构6.5极碎裂结构第51页/共106页WUST用线密度来估算岩体质量指标RQD(rock quality designation)n岩体质量指标岩体质量指标RQDRQD：长度大于长度大于10cm10cm的岩心长度之和与的岩心长度之和与钻孔总进

23、尺的百分比。钻孔总进尺的百分比。第52页/共106页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、张开度第53页/共106页WUST结构面张开度分级表结构面张开度分级表描述结构面张开度（mm）分类很紧密紧密部分张开10裂开结构面很宽的极宽的似洞穴的1010010010001000张开结构面第54页/共106页WUSTv 级及部分级及部分级结构面的产状、迹长、间距及张开度等几级结构面的产状、迹长、间距及张开度等几何特征参数

24、，服从一定的何特征参数，服从一定的随机分布规律。随机分布规律。第55页/共106页WUST第56页/共106页WUST第57页/共106页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的。侧壁的起伏程度可用侧壁的起伏程度可用起伏角起伏角(i)表示。表示。七、形态第58页/共106页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

25、及粗糙系数挪威岩土工程研究所(Norwegian Geotechnical Institute)第59页/共106页WUST八、充填胶结特征结结构构面面胶胶结结后后力力学学性性质质有有所所增增强强，FeFe质质胶胶结结的的强强度度最最高高，泥泥质质与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。与易溶盐类胶结的结构面强度最低，且抗水性差。未未胶胶结结的的结结构构面面，力力学学性性质质取取决决于于其其充充填填情情况况，可可分分为为：薄薄膜膜充填、断续充填、连续充填及厚层充填充填、断续充填、连续充填及厚层充填4类类1 薄薄膜膜充充填填是是结结构构面面两两壁壁附附着着一一层层极极薄薄的的矿矿物物膜膜，厚

26、厚度度多多小小于于1mm，多明显降低结构面的强度。，多明显降低结构面的强度。2 断断续续充充填填结结构构面面的的力力学学性性质质与与充充填填物物性性质质、壁壁岩岩性性质质及及结结构构面的形态有关。面的形态有关。3 连续充填连续充填结构面的力学性质主要取决于充填物性质。结构面的力学性质主要取决于充填物性质。4 厚厚层层充充填填结结构构面面的的力力学学性性质质很很差差，主主要要取取决决于于充充填填物物性性质质，岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。岩体往往易于沿这种结构面滑移而失稳。第60页/共106页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

27、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、易产生渗透变形第61页/共106页WUSTn结构面的组合关系控制着结构面的组合关系控制着可能滑移岩体可能滑移岩体的几何边界条件、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。定性预测与评价的基础。n任

28、何坚硬岩体的块体滑移破坏，都必须具备一定的任何坚硬岩体的块体滑移破坏，都必须具备一定的几何边几何边界条件界条件。因此，在研究岩体稳定性时，必须研究结构面之。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。态、规模和可能滑移方向等。n结构面组合关系的分析可用结构面组合关系的分析可用赤平投影、立体投影和三角几赤平投影、立体投影和三角几何计算法何计算法等进行。等进行。十、结构面的组合关系第62页/共106页WUST岩岩体体构构类类型型岩体地质岩体地质类型类型主要主要结构结构体形体形

29、状状结构面发育情况结构面发育情况岩土工程特征岩土工程特征可能发生的岩可能发生的岩上工程问题上工程问题整整体体状状结结构构均质，巨均质，巨块状岩浆块状岩浆岩、变质岩、变质岩巨厚岩巨厚层沉积岩、层沉积岩、正变质岩正变质岩巨块巨块状状以原生构造节理为以原生构造节理为主多呈闭合型，主多呈闭合型，裂隙结构面间距大裂隙结构面间距大于于1.5m,1.5m,一般不超过一般不超过l l2 2组无危险结组无危险结构面组成的落石掉构面组成的落石掉块块整体性强度高，整体性强度高，岩体稳定，可岩体稳定，可视为均质弹性视为均质弹性各向同性体各向同性体不稳定结构体不稳定结构体的局部滑动或的局部滑动或坍深埋洞室坍深埋洞室的岩

30、爆的岩爆1.3 岩体结构类型第63页/共106页WUST岩岩体体构构类类型型岩体地质类岩体地质类型型主要主要结构结构体形体形状状结构面发育情况结构面发育情况岩土工程特征岩土工程特征可能发生的岩可能发生的岩上工程问题上工程问题块块状状结结构构厚层状机积厚层状机积岩、正变质岩、正变质岩、块状岩岩、块状岩浆岩、变质浆岩、变质岩岩块状块状柱状柱状只具有少量贯穿性只具有少量贯穿性较好的节理裂隙较好的节理裂隙裂隙结构面问距裂隙结构面问距0.70.71.5m1.5m。一般为。一般为2 23 3组有少量分离体组有少量分离体整体强度较高整体强度较高结构面互相结构面互相牵制岩基本牵制岩基本稳定，接近弹稳定，接近弹

31、性各向同性体性各向同性体不稳定结构体不稳定结构体的局部滑动或的局部滑动或坍塌深埋洞坍塌深埋洞室的岩爆室的岩爆第64页/共106页WUST岩岩体体构构类类型型岩体地质类岩体地质类型型主要主要结构结构体形体形状状结构面发育情况结构面发育情况岩土工程特征岩土工程特征可能发生的岩可能发生的岩上工程问题上工程问题层层状状结结构构多韵律的薄多韵律的薄层及层及中厚层状沉中厚层状沉积岩、副变积岩、副变质岩质岩层状层状板状板状透镜透镜体体有层理、片理、节有层理、片理、节理带有层间错动面理带有层间错动面接近均一的各接近均一的各向异性体其向异性体其变形及强度特变形及强度特征受层面及岩征受层面及岩层组合控可层组合控可

32、视为弹塑性体视为弹塑性体稳定性较差稳定性较差不稳定结构体不稳定结构体可能产生滑塌可能产生滑塌特别是岩层特别是岩层的弯张破坏及的弯张破坏及软弱岩层的塑软弱岩层的塑性变形性变形第65页/共106页WUST岩岩体体构构类类型型岩体地质岩体地质类型类型主要主要结构结构体形体形状状结构面发育情况结构面发育情况岩土工程特征岩土工程特征可能发生的岩可能发生的岩上工程问题上工程问题碎碎裂裂状状结结构构构造影严构造影严重的破碎重的破碎岩层岩层碎块碎块状状断层、断层破碎带、断层、断层破碎带、片理、层理及层间片理、层理及层间结构面较发育，裂结构面较发育，裂隙结构面隙结构面 间距间距0.250.250.5m0.5m，

33、一般，一般在在3 3组以上由许多组以上由许多分离体形成分离体形成完整性破坏较完整性破坏较大，整体强度大，整体强度很低并受断很低并受断裂等软弱结构裂等软弱结构面控制，多呈面控制，多呈弹塑性介稳弹塑性介稳定性很差定性很差易引起规模较易引起规模较大的岩体失稳、大的岩体失稳、地下水加剧岩地下水加剧岩体失稳体失稳第66页/共106页WUST岩岩体体构构类类型型岩体地质类岩体地质类型型主要主要结构结构体形体形状状结构面发育情况结构面发育情况岩土工程特征岩土工程特征可能发生的岩可能发生的岩上工程问题上工程问题散散体体状状结结构构构造影响剧构造影响剧烈的烈的断层破碎带，断层破碎带，强风化带，强风化带，全风化带

34、全风化带碎屑碎屑状状颗粒颗粒状状断层破碎带交叉断层破碎带交叉构造及风化裂隙密构造及风化裂隙密集结构及组合错集结构及组合错综复杂，并多充填综复杂，并多充填粘性土形成许多粘性土形成许多大小不一的分离岩大小不一的分离岩块块完整性遭到极完整性遭到极大破坏稳定大破坏稳定性极差岩体性极差岩体属性接近松散属性接近松散体介质体介质易引起规模较易引起规模较大的岩体失稳、大的岩体失稳、地下水加剧岩地下水加剧岩体失稳体失稳第67页/共106页WUST2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，在工程荷载作用下，结构面结构面及其及其充填物的变形充填物

35、的变形是岩体是岩体变形的主要组分，控制着工程变形的主要组分，控制着工程岩体的变形岩体的变形特性。特性。结构面是岩体渗透水流的主要通道。在工程荷载作用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下，结构面的变形将极大地改变岩体的渗透性、应力渗透性、应力分布分布及其及其强度强度。因此，预测工程荷载作用下岩体渗透。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。性的变化，必须研究结构面的变形性质及其本构关系。工程荷载工程荷载作用下，岩体中作用下，岩体中应力分布应力分布受结构面及其力学受结构面及其力学性质的影响。性质的影响。第68页/

36、共106页WUST1.法向变形特征 VVVVVV2.12.1法向变形性质法向变形性质第69页/共106页WUST应力应力-变形关系曲线变形关系曲线 ABC第70页/共106页WUST开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长，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

37、的弹性变形为主。应力应力-变形关系曲线特征变形关系曲线特征第71页/共106页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：应力应力-变形关系曲线特征变形关系曲线特征第72页/共106页WUST2.2.法向变形本构方程法向变形本构方程1)Goodman 方程适用于具有一定滑错位移的

38、非适用于具有一定滑错位移的非嵌合性结构面嵌合性结构面第73页/共106页WUST2)Bardis2)Bardis方程方程第74页/共106页WUST适合于未经滑错位移适合于未经滑错位移的嵌合结构面的嵌合结构面(如层面如层面)的法向变形的法向变形第75页/共106页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。确确定定方方法法试验法试验法3.3.法向刚度及其确定方法法向刚度及其确定方法室内室内变形试验变形试验现场现场变形试验变形试验本构方程和本构方程和经验估算经验估算第76页/共106页WU

39、ST现场变形试验现场变形试验中心孔承压板法中心孔承压板法 第77页/共106页WUST经验估算经验估算由由BandisBandis方程估算方程估算第78页/共106页WUSTBandisBandis经验方程求经验方程求K Knini，V Vm m 第79页/共106页WUST壁岩强度壁岩强度JCS(JCS(Joint Compress Strength)第80页/共106页WUST几种结构面的抗剪参数表几种结构面的抗剪参数表 第81页/共106页WUST岩体结构面直剪试验结果表岩体结构面直剪试验结果表 第82页/共106页WUST便携式直剪仪便携式直剪仪便携式直剪仪便携式直剪仪第83页/共10

40、6页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 1、剪切变形特征、剪切变形特征2.2 结构面的剪切变形性质第84页/共106页WUST卡尔哈韦（Kalhaway）方程2 2、剪切变形本构方程、剪切变形本构方程第85页/共106页WUST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。3.3.剪切刚度及其确定方法剪切刚度及其确定方法确确定定方方法法试验法试验法 室内试验室内试验 现场试验现场试验经验估算法（经验估算法（BartonBarto

41、n方程）方程）第86页/共106页WUST3 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。第87页/共106页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第88页/共106页WUST一、平直无充填的结构面一、平直无充填的结构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

42、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：第89页/共106页WUST第90页/共106页WUST二、粗糙起伏无充填的结构面二、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，也增大了第91页/共106页WUST1、规则锯齿形结构面 1）较小，剪胀作用Patton公式公式第92页/共106页WUST2）较大，啃断效用上式为法向应力上式为法向应力t t时，结构面的抗剪强度。剪断时，结构面的抗剪强度。剪断凸起的条件为：凸起的条件为：第93页/共106页WUST2 2、不规

43、则起伏结构面、不规则起伏结构面自然界岩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。第94页/共106页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：第95页/共106页WUSTBarton 方程：大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角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。因此，上式右边的第二项应当就是结构面的基本摩擦角本摩擦角

44、 u，而第一项的系数取整数。，而第一项的系数取整数。第96页/共106页WUSTLadanyi&Archambault方程：剪断率剪胀率凸起岩石抗剪强度第97页/共106页WUST当很大时，凸起全部被剪断，AsA(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:第98页/共106页WUST三、非贯通断续的结构面三、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裂面裂面岩桥岩桥裂面裂面岩桥岩桥 Ctg 第99页/共106页WUST裂面裂面岩桥岩桥裂面裂面岩桥岩桥 Ctg 第100页/共106页WUST四、具有充填物的软弱结构面四、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。第101页/共106页WUST第102页/共106页WUST第103页/共106页WUST第104页/共106页2023/3/28武汉科技大学理学院工程力学系蔡路军105第105页/共106页WUST感谢您的观看。第106页/共106页