结构面的力学性质全解课件.ppt

第2章 结构面的力学性质,2-1 结构面的类型及其特征2-2 结构面的变形特性2-3 结构面的抗剪强度2-4 结构面的力学效应,2-1 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2040m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 =3080cm 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,五、结构面的状态,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=01 m-1）；密节理（K=110 m-1）；非常密集节理（K=10100 m-1）；压碎或糜棱化带（K=1001000 m-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: 0Xe1, 岩体部分切割； Xe1, 岩体被整个切割； Xe0, 即岩体为完整连续体。,岩体按切割度分类：Xe0.10.2 完整岩体；Xe0.20.4弱节理化岩体；Xe0.40.6中等节理化岩体；Xe0.60.8强节理化岩体； Xe0.81.0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、a2an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。,五、结构面的状态,5、结构面的胶结情况及充填情况,(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,一、节理的法向变形,1、节理弹性变形：节理面光滑，受压力后成面接触，粗糙则成点接触。每一接触面会产生压缩变形，其压缩量可按弹性理论中的布辛涅斯克解求得：,节理闭合弹性变形值02，则,式中：m为与荷载面积形状有关的系数； d为块体的边长；E为弹性模量；n为接触面的个数；h2为每个接触面的面积；.d2 为作用于节理上的压缩荷载。,2-2 结构面的变形特性,2、节理的闭合变形Goodman 于1974年通过试验，得出法向应力与结构面闭合量V有如下关系：,式中：为原位压力，由测量法向变形的初始条件决定； Vmc为最大可能的闭合量； A、t是与结构面几何特征、岩石力学性质有关的参数。,当A=1，t=1时，上式为：,一、节理的法向变形,V 与1/的关系曲线如图（c).,若A与t不为1，可由试验确定曲线方程。其方法为： （1）取完整岩石试件，测其轴向-V曲线（如图（a)中的A线)。 （2）将试件沿横向切开，使切缝成一条平行于试件底面且成波状起伏的裂缝，以模拟节理。 （3）将切缝上下两块试块重合装上“配称切缝试件”，加载测其轴向-V曲线（如图（a)中的B线)。 （4）将切缝上下两块试块旋转某一角度装上“非配称切缝试件”，加载测其轴向-V曲线（如图（a)中的C线)。 (5)利用曲线的差值求切缝的压缩量。,“配称切缝试件”“B-A”“非配称切缝试件”“C-A”,一、节理的法向变形,在一定的法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形，其变形特征用试验时施加的剪应力与相应的剪切位移的关系来描述。-曲线特征取决于结构面的基本特征（粗糙度、起伏度、充填物性质与厚度等）。（1）结构面粗糙无充填物（A)：随着剪切变形发生，剪应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象。（2）平坦的结构面或结构面有充填物（B): 初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型，随着剪切变形的发展，剪切应力逐渐升高但无明显的峰值出现，最终达到恒定值。,二、节理的切向变形,2-3 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 + , b是岩石平坦表面基本摩擦角，是结构面的爬坡角；是作用在结构面上的法向正应力。,一、平直结构面的抗剪强度,结构面呈平直状，没有波状起伏。 1、平直结构面的剪切变形曲线（1）很小时，呈线性，弹性状态； （2）很大，大到足以克服移动摩擦阻力之后，呈非线性； （3）达到峰值P后， 突然增大，表面试件已沿结构面破坏，此后迅速下降，并趋于一常量（残余强度）。,一、平直结构面的抗剪强度,(1)、峰值剪切强度,（2）残余剪切强度,式中：CP结构面的粘结力；P 、R是结构面的峰值摩擦角和残余摩擦角，一般PR 。,二、粗糙结构面的抗剪强度,1、理想化粗糙结构面模型锯齿状结构面（1）爬坡角与剪胀现象（2）剪切强度 作用在斜面AB上的法向力和切向力分别为：,式中：, 为结构面AB上的正应力和剪应力，b为AB面上的摩擦角。,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断，此后剪切力上升，梯度变小，直至达到峰值抗剪强度,Patton公式, 较小时，抗剪强度tg(b+); 较大时，抗剪强度c+tgb ,其中c为视内聚力。试验表面，低法向应力的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法向应力的剪切，凸台剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。,在实际应用中应注意： (1)对结构面进行直剪试验时，法向应力应与实际工程中的一致。一般认为b R (残余摩擦角）. (2)是各向不同的，因此，测量时应使所测角与所讨论的方向一致。,2、不规则粗糙结构面的抗剪强度,Barton强度准则 考虑到三个基本因素（法向力、粗糙度JRC、结构面抗压强度JCS）的影响，Barton(1977)提出确定不规则粗糙结构面抗剪强度公式：,式中：b岩石表面基本摩擦角。JRC为结构面粗糙性系数（020）， Barton将其分为10级 ，平坦近平滑结构面为5，平坦起伏结构面为10，粗糙起伏结构面为20。,2-4 结构面的力学效应一、单节理面的力学效应,1、节理面的破坏条件（极限应力平衡方程） 如图，岩体受1、3 作用，节理面与最大主平面的交角为，则节理面上的正应力和剪应力为：,1,3,1,3,如节理面强度符合库伦准则，其强度方程为：,式中：cj,j为结构面的粘结力和内摩擦角。,（1）,（2）,1、节理面的破坏条件（极限应力平衡方程）,或,可见：节理面上的应力和强度均是的函数。因此，岩体强度与岩石的强度不同，除与应力状态有关外，还与节理面的方位有关。,12，单节理岩体才会沿节理面发生移动破坏，Q P,（1）式带入（2）式时,（3）,(1)由上式极限平衡方程可见：当j 或/2 ， 13, 故使方程有意义,(2)如图可见，当12 ,岩体才会沿节理面产生滑移破坏。,故，节理面破坏必须满足的条件: (1)j /2, (2)12 。,2、节理面破坏必须满足的条件,3、求1、2,RPM中:,RPM=21- j;,由正弦定律：,将RM,PM代入上式得：,由几何关系：,4、节理最不利的位置,由极限平衡方程可以看出，应力圆直径（13）是的函数，当等于某一个值时，其直径最小，与强度曲线相切。将上式对取一阶导数，然后令其为0，得：,即是说，当 时，节理的强度最低，最容易产生破坏。说明岩体最容易沿此节理面产生滑移。,5、节理对岩体强度的影响,从上述分析可见： （1）当节理面倾角满足12 ,且j 2 时，岩体强度与节理无关，取决于岩石的强度。,6、 3=c时1 曲线,围压3=c增加， 即c2c1, 岩体的强度随之增大。,二、多节理的力学效应,1、 岩体有两组相交的节理，其力学效应可根据单节理求解，一般有三种情况： （1）两组中只有一组节理面倾角满足12 ,则岩体强度取决于该组节理的强度，岩体若发生破坏，必沿该节理面产生；（2）两组节理均满足12 ,则岩体强度取决于节理的临界应力圆大小。岩体若发生破坏，必沿临界应力圆直径较小的节理面产生；（3）两组节理均不满足12 ,则岩体强度取决于岩石本身的强度而不受节理的影响。2、 岩体有多组相交的节理,三、当Cj=0时结构面的力学效应,岩体中的节理往往呈现cj=0,这时节理面的抗剪强度只靠摩擦力来维持。 莫尔库伦判据为：,由节理面极限应力平衡方程：,四、举例,如下图所示，平硐沿岩层走向开挖，岩层倾角 50，由上覆岩层引起的垂直应力1 2MPa，节理面的内聚力Cj=0， j40 ，求维持平衡的最小水平推力3为：, 30.2MPa,作业,P831、3、5、8 、9、10,