第讲-岩体结构与结构面性质

§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。
1、法向变形与法向刚度
Xe=（ a1+a2+…+an）/A 某组节理切割的程度可用Xv表示：
Xv= Xe .K
3、张开度
结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。
4、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、台阶状的、锯齿状的、波状 的和不规则状的。
侧壁的起伏程度可用起伏角i表示：
（2）剪切变形方程
1975，卡尔哈维（Kalhaway)提出：
t m nt
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）剪切刚度Kt
剪切刚度：
Kt
1974年Goodman提出：
t
Kt
Kt
0
1
s
式中：Kt0－初始剪切刚度
（2）法向应力与法向变形的关系 （Goodman,1974 ）
n
s
n max
n
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
（3）法向刚度Kn （Goodman,1974）
2
Kn
Kn0
Kn0 max n Kn0 max
按岩体I级结构被大规模结构面分割的形态特征可将岩体结构分为块 状结构和板层状结构。
按岩体II级结构被次级结构面切割的程度和形态特征，可将岩体结
构划分：
II级岩体结构
I级 岩体结构
块状结构
整体结构 块状结构 碎裂结构 散体结构
块状碎裂结构 层状碎裂结构
板层状结构
岩体完整性系数 表征岩体结构特征的一个重要参数
2、块状结构
完整性系数 0.35～0.75 结构面间距 0.7～1.5 m 节理发育，有若干贯通微张裂隙将岩体切割成柱状、块状 或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上节理明显发育， 构成影响工程稳定性的危险岩块，其尺寸小于工程几何尺寸。 岩土工程特征：整体性强度高，结构面相互牵制，岩体基 本稳定，接近弹性各向同性体。
第二章 岩体的力学性质
本章内容：
1 岩体结构 2 结构面的几何性质与力学性质 3 岩体的强度性质 4 岩体的变形性质 5 岩体质量评价及其分类
§2-1 岩体结构
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。 结构体：由结构面在岩体中切割 而成的几何体称为结构体（岩石 块体）。 岩体：结构面和结构体的地质统 一体(
JCS n0
)D
n
a
n bn
2、剪切变形与剪切刚度
（1）剪切变形特征 A.粗糙结构面（且无充填物），
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粘 滑现象。 B.平坦结构面（或有充填物）， 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，最终恒定，或出现剪切 硬化。 C.随着法向应力减小、剪切规模 增大，剪切刚度减小
3、板层状结构
完整性系数：层状 0.3～0.6; 薄层状<0.4 结构面间距：层状 0.25～0.5 m ；薄层状<0.25 m 由中厚（0.25～0.5 m）及薄层（<0.25m）的均一、坚硬、软 弱或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成的岩体。结构面以层 理、片理、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状 互相紧密叠合。 岩土工程特征：工程范围内，一组节理明显发育，在层内具 有均一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连续 介质。其变形和强度特征受层面及岩层组合控制，岩体稳定性 较差。
i arctan 2h l
可以用线密度来估算岩体质量指标RQD (rock quality designation) ： RQD的原始定义为：长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺 的百分比，按下式计算：
RQD
长度大于10cm的岩心长度之和 钻孔总进尺
100%
RQD 100e0.1kd (0.1kd 1)
控制工程岩体力学边界条 件和破坏方式，与Ⅲ级结 构面组合直接威胁工程稳 定
控制工程岩体力学边界条 件和破坏方式，直接威胁 工程稳定
节理、劈理、片理、层 理、卸荷裂隙、风化裂 隙
控制岩体的结构、完整性 和物理力学性质
微小节理、隐微裂隙。 控制岩块的力学性质 常包含在岩块内
二、结构体
1、结构体分级
I级结构体：由I级结构面切割成的结构体(地质体)。 II级结构体：由I级结构体经II级结构面切割而成的结构体 (山体)。 III级结构体：II级结构体再经III级结构面切割而成的结构 体。 IV级结构体：III级结构体再经IV级结构面切割而成的结构 体（完整岩石或岩块）。
2、结构体的块度
结构体的块度通常指最小结构体的尺寸。在岩体工 程稳定性分析中，结构体的块度决定了工程围岩的破 坏方式，从而决定了支护和加固方法。在开挖过程中 结构体的块度影响施工及临时支护。
三、岩体结构类型
将大规模结构面切割成的岩体结构定义为I级结构；在I级结构基础 上，次级结构面切割成的岩体结构定义为II级结构。
τs－产生较大剪切位移时的 剪应力渐近值
对于较坚硬结构面，剪切刚度一般
为常数；对松软结构面，剪切刚度
随法向应力的大小而改变。
3、结构面的抗剪强度
1）平直结构面的剪切强度
tan j c j
2）粗糙起伏结构面的剪切强度
两种情况：剪胀、剪断
剪胀： tan( j i) (无粘结）， tan jyb c jyb （有粘结）
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），如：片理、片麻理、板理、软弱夹层等。
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。
次生结构面 是岩体形成 后在外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。
式中Kn0：结构面的初始刚度
Bandis (1984) 提出的非充填节理法向应力与法向变形的关系
n
n a b n
式中：a、b为常数
法向刚度Kn:
Kn
n n
1
(a bn )2
Bandis得出由初始法向刚度和最大
闭合量表达的经验公式：
Kn
Kn0 (1
n K n 0 max
n
)2
JCS Kn0 0.02( n0 ) 1.75JRC 7
Kn=1/mnx =cosξn/dn K=Ka+Kb+···+Kn
切割度Xe：岩体被节理割裂分离的程度。当岩体仅含一个节理时， 眼节理面在岩体中取一贯通整体的平直断面，节理面积a与该断面面
积A之比成为岩体的切割度Xe。 若沿着岩体某断面上同时存在面积为a1，a2，…，an的几个节理面，
则岩体沿该断面的切割度为
图2-1 岩体结构示意
一、结构面
1、成因类型
（1）地质成因类型
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。
火成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 （如：流层、流线、火山岩流接触面、蚀变带、原生节理等）。
剪断： tan jy c jy
2）剪胀现象与剪断现象
①岩石强度高，爬坡角i小，法向力N小，发生剪胀现象(b) ②岩石强度低，爬坡角i大，法向力N大，发生剪断现象(c)
4、碎裂结构
岩体 块状碎裂结构 层状碎裂结构
完整性系数 结构面间距
<0.36
<0.5m
<0.4
<0.5m
构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充 填。岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条 块状岩石，属不均一的不连续介质，稳定性很差。
5、散体结构
完整性系数：<0.2 主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结构面 相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层泥，呈松 散堆积或压密堆积。 岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体介质。
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。 间距d：同一组结构面法线方向上结构面平均距离。
Kd=n/Ld ， d =1/Kd=Ld /n
多组结构面裂隙度K 的计算：
Ka=1/max =cosξa/da ， Kb=1/mbx =cosξb/db ， ······，
Kv
V (
pm
)2
V pr
Vpm—岩体弹性波纵波速度（m/s) Vpr —岩石弹性波纵波速度（m/s)
1、整体结构
完整性系数 > 0.75 结构面间距 > 1.5 m 岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥，层面结 合良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺寸大于工程 尺寸。 岩土工程特征：整体强度高，岩体稳定，可视为均质、 各向同性的连续介质。
结构面的粗糙度用粗糙度系数JRC (Joint Roughness Coefficient)表示。 根据标准粗糙度剖面将结构面的粗 糙度系数划分为10级。随粗糙度的 增大，结构面的摩擦角也增大。 标准粗糙度剖面见右图。
二、结构面的力学性质
为何要 研究结 构面的 力学性 质？
1 引起工程岩体失稳破坏 2 控制岩体变形 3 控制地下水渗透 4 影响岩体中应力分布