结构面的基本性能共108页文档

§2-2 岩体结构面的几何与力学性质
一、结构面的几何性质
1、产状
结构面产状三要素：走向、倾向、倾角； 与主应力之间的关系：控制岩体的破坏机理与强度。
2、分布密度
结构面的分步密度反映结构面发育的密集程度，以裂隙度和切 割度表示。 ①裂隙度K ：沿取样线方向单位长度上的结构面数量。 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
延伸十米~数十米，无破碎 带，面内不含泥，仅在一个 地质年代的地层中分布
延展数厘米~数米，未错动，有 的呈弱结合状态，统计结构面
微米~毫米，细小或隐微裂 面，统计结构面
区域性深大断裂
影响区域稳定性；如通过 工程区，形成岩体力学作 用边界
大中型断层、不整合 面、层间错动带、软 弱夹层等
小断层、软弱夹层、 层间错动带等
（2）力学成因类型
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。
张性结构面是由拉应力形成 的，如粘土岩失水收缩节理、 岩浆岩中的冷凝节理等。
逆断层 正断层
平移断层
2、分级
级序
分级依据
地质类型
对岩体稳定影响
Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级 Ⅳ级 Ⅴ级
延伸数公里以上（最长达上 千公里），破碎带宽度数米 ~数十米 延伸数百米~数公里，破碎 带宽度几厘米~几米
1、法向变形与法向刚度
（1）法向变形特征 ①曲线形状，先凹，后陡；归结为接触 微凸体的弹性变形、压碎、间接拉裂隙 产生、新的接触点和面的增加。 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。 ④卸除荷载后，有明显的迟滞和非弹性 效应。

机械结构面包括轴承、齿轮、 连杆、曲轴等，需要具备足够 的强度、刚度和耐久性，以确 保机械设备的正常运行和使用 寿命。
机械结构面的材料选择和加工 精度对其力学性质有着重要影 响，需要根据实际需求进行选 择和加工。
交通工具结构面
交通工具结构面是交通工具中承受和传 递载荷的重要部位，其力学性质直接影 响到交通工具的安全性和可靠性。
感谢聆听
交通工具结构面的材料选择和构造方 式对其力学性质有着重要影响，需要 根据实际情况进行选择和优化。
交通工具结构面包括车架、车轮、机翼、机 身等，需要根据不同的受力特点和要求进行 合理的设计和制造，以确保交通工具的安全 可靠。
04
结构面力学性质的研究方法
实验研究
1
实验是研究结构面力学性质的重要手段，通过实 验可以获得结构面的抗剪强度、摩擦角、内聚力 等参数。
按物质组成分类
可分为软弱夹层、粘土层、砂 层、岩浆岩、沉积岩等。
02
结构面的力学性质
结构面的强度
结构面抗拉强度
结构面抗剪强度
结构面抗压强度
结构面抗弯强度
结构面在拉力作用下能 够承受的最大拉力。
结构面在剪切力作用下 能够承受的最大剪切力。
结构面在压力作用下能 够承受的最大压力。
结构面在弯曲力作用下 能够承受的最大弯矩。
通过数值模拟可以模拟不同工况下的结构面行 为，如应力分布、应变分布、位移变化等，从 而对结构面的稳定性进行评估。
数值模拟需要使用专业的数值分析软件，如 ANSYS、ABAQUS等，同时需要建立合适的数 值模型，以确保模拟结果的准确性和可靠性。
理论分析
01
理论分析是一种基于数学和物理原理的分析方法，可以对结 构面的力学行为进行理论推导和分析。

触。每一接触面会产生压缩变形，其压缩量δ可按弹性理论中的布辛涅
斯克解求得：
mQ (1 2 ) m d 2 (1 2 )
EA
nhE
节理闭合弹性变形值δ0＝2δ，则
0
2m
d 2 (1 nhE
2)
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；σ.d2 为作用于节
m ax
da cos a
,
m bx
db cos b
, m nx
dn , cos n
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 Ka Kb Kn
Ka
1 m ax
,
Kb
1 m bx
,K n
1 m nx
,
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=0～1 m-1）；密节理（K=1～10 m-1）；非常密集节理（K=10～ 100 m-1）；压碎或糜棱化带（K=100～1000 m-1）；
c tg
式中：c、φ分别是结构面上的粘结力和摩擦角， φ＝ φb + β , φb是岩石平坦表面基本摩擦角，β是结 构面的爬坡角；σ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）τ很小时，τ－δ呈线性，弹性状态； （2）τ很大，大到足以克服移动摩擦阻力之后，τ－δ呈非线性；
（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。

u：倾斜试验求得
Ladanyi & Archambault方程：
tg a 1 aS V u S r tg 1 1 aS V u
剪断率 a S AS A 剪胀率 V V u 凸起岩石抗剪强度 r tg C
C tgφ
裂面
岩桥
裂面
岩桥
Cb K1C j (1 K1 )C tgb K1tg j (1 K1 )tg
Cb tgb
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
•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。
§ 3.2 结构面的变形性质
一、法向变形性质
1. 法向变形特征
Δ Vｔ
Δ Vｒ
Δ Vｊ
Δ Vｊ＝Δ Vｔ－Δ Vｒ应力-变形关系曲线A B C
应力-变形关系曲线特征
• 开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长， σ n-Δ V及σ n-Δ Vｊ曲线均呈上凹型。当σ n增到一定 值时， σ n-Δ V ｔ 曲线变陡，并与 σ n-Δ V ｒ 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 Δ V ｊ 则趋于结构面最大闭合 量Vｍ。 • 初始压缩阶段，含结构面的岩块变形 Δ V ｔ 主要是由 结构面的闭合造成的。试验表明，当σ n＝１MPa时， Δ V ｔ/Δ Vｒ 可达５~３０，说明 Δ Vｔ 占了很大一部分。 • 法向应力σ n大约从σ ｃ/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。

结构面的规模和分布状态决定了岩体的整体力学特 性和稳定性。
结构面的分类
01
02
03
04
按成因分类
可分为原生结构面、次生结构 面和构造结构面等。
按规模分类
可分为大、中、小三个级别， 其中大型结构面影响区域稳定 ，中型结构面影响工程岩体稳 定性，小型结构面影响岩体的 强度和稳定性。
按产状分类
可分为走向、倾向和斜向结构 面等。
03 影响因素
04 试验方法
05 工程应用
结构面的弹性模量是指结 构面在弹性变形阶段，所 受应力与应变之比。
结构面的泊松比是指结构 面在单向受拉或受压时， 横向应变与纵向应变之比 。
结构面的弹性模量和泊松 比主要受岩性、胶结物性 质、胶结程度等因素的影 响。
通过室内试验和现场试验 ，可以测定结构面的弹性 模量和泊松比。室内试验 常用的方法有单轴压缩试 验和三轴压缩试验，现场 试验常用的方法有岩石压 缩试验和大型压缩试验。
结构面的弯曲变形
弯曲变形是指结构面在垂直于 其平面的方向上产生的弯曲， 通常由重力、温度变化等外部 因素引起。
弯曲变形会导致结构面中间部 位凸起或凹陷，从而影响结构 的承载能力和稳定性。
弯曲变形的程度可以通过挠度 计进行测量，并根据测量结果 对结构进行相应的加固或调整 。
结构面的拉伸与压缩
拉伸与压缩是指结构面在平行于其平面的方向上产生的伸长或缩短，通常由地震、 车辆荷载等外部因素引起。
结构面的产状、形态、粗糙度、充填情况等特征对岩体工程地质灾害的发生和发 展有重要影响，例如：陡倾角结构面、张开度较大的结构面、粗糙的结构面等都 可能引发岩体工程地质灾害。
05
结构面研究的意义与展望
结构面研究的意义

柱状(图4-14a~c)、板状(图4-14d~f)、锥形(图4-14g~j)等类
别。
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
35/38
图4-14 结构体形状典型类型
3．结构体形状与岩石类型有关。
玄武岩/花岗岩柱状或块状结构，
厚层砂岩/灰岩块状结构，
薄层及中厚层砂页岩互层岩体板状结构。
N T T N T N
i
(a)
(b)
(c)
凸台角i起伏角，
图4-9 齿状(波状)结构面的剪切
模型受力：剪切力T和法向力N。 剪切变形过程：凸台剪断或拉破坏，剪胀现象消失。
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2) 充填结构面的剪切变形（P88图4-10）
十分复杂！
软弱夹层剪切变形曲线的两种
τ
b a
形式：
①峰值强度与残余强度相等， ②峰值强度大于残余强度。
岩体中的结构面与结构体
主要内容


第一节 概述 第二节 岩体的结构面及其自然特征 第三节 结构面的力学性质
一、概述
岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体） 结构面：断层、褶皱、节理……统称
影响岩体力学性质的基本因素： 结构体(岩石)力学性质、结构面力学性质、岩体 结构力学效应和环境因素(特别是水和地应力的作用 )
τ
j b i
③ 结构面凸台模型剪应力-法向应力关系曲线（ P89图4-11） 开始剪切力上升较快， 剪切变形增加，上部分凸台剪
c
剪胀 剪胀凸台 完全接触
τ ＝σ ntan υ b+c τ υ ＝σ ntan( υ b+i)

原生结构面又细分为：
沉积结构面：沉积岩层在成岩过程中形成的结构面，如层理、层 面、假整合和不整合等。 火成结构面：岩浆侵入活动及冷凝过程中形成的，如岩浆岩的流 层、流纹、冷却收缩形成的张裂隙；火成岩体与围岩的接触面。 变质结构面：受变质作用形成的结构面，如片理、板理等。
2、按结构面受力条件划分
①压性结构面：由压应力挤压构成，其走向与最大主应力方向垂直。 ②张性结构面：在拉应力作用下产生，其走向与最大主应力方向一致。 ③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。 ④压扭性结构面：既有压型结构面的特征，也有扭性结构面的特征。
第三章
一、结构面类型
结构面的力学性质
第一节 结构面类型及特征
结构面：是具有一定方向，厚度较小，延展性较大的二维地质 界面。
1、按结构面成因划分
①原生结构面：成岩过程中形成的结构面。 ②构造结构面：在各种构造应力作用下形成的结构面，如节理、 断裂、劈理以及层间错动引起的破碎带等。 ③次生结构面：在各种次生作用下形成的结构面，如风化裂隙、 冰冻裂隙以及重力卸载裂隙等。
描述结构面密集程度的基本概念 裂隙度:沿测线方向单位长度所穿过的结构面数量。
n K L L d n
n ：节理数；L ：测线长度
d ：节理平均间距
当岩体中存在多组节理时，此时裂隙度K为各组节理裂隙度之和
K K a Kb K n
Байду номын сангаас
切割度:表示岩体被结构面切割的程度。
a Xe A
胶结物厚度对岩体对强度的影响： 薄膜充填：充填物为极薄的一层矿物薄膜，强度较低。 断续充填：充填物不连续，厚度小于结构面起伏度。结构面强 度受两侧岩性及结构面形态控制。 连续充填：充填物连续，厚度略大于结构面起伏度。结构面强 度受充填物强度控制。 厚层充填：充填物厚度大，在岩体中形成软弱带。

3.3结构面的力学性质
3.3.1 法向变形与法向刚度 1） （Goodman,1974 ） 法向应力与法向变形的关系
n n s n max
t
式中： ：原位压力 max ：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
结束语
3.3 结构面的力学性质（剪切变形与剪切刚度）
2）剪切刚度Kt
剪切刚度：
Kt t 1974年Goodman提出：
Kt Kt 0 1 s
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
3.3 结构面的力学性质（剪切变形与剪切刚度）
③随法向应力减小、剪切规模 增大，剪切刚度减小
3.3 结构面的力学性质
3.3.3 结构面的抗剪强度
1）平直结构面剪切强度
tan j c j
3.3 结构面的力学性质
2）粗糙起伏结构面剪切强度
两种情况：剪胀、剪断
j i) 剪胀： tan(
剪断： tan jy c jy
3.3 结构面的力学性质（法向变形与法向刚度）
法向刚度kn
（Goodman,1974）
K n 0 max n Kn Kn0 中Kn0：结构面的初始刚度
实质：每点的切线斜率
3.3结构面的力学性质
2）班迪斯（Bandis,1984）
法向应力与法向变形的关系
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σ n=σ c/3时结构面变形基本完成 ③最大闭合量小于张开度。
3.3 结构面的力学性质
3.3.2 剪切变形与剪切刚度 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。

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。
(1)非贯通性结构面
(2)半贯通性结构面
(3)贯通性结构面
五、结构面的状态
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
Kn l
d 1 l Kn
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
二、结构面的类型
1、按结构面 按成因可分为原生结构面 构造结构面 次生结构面
沉积结构面 火成结构面 变质结构面
（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.