结构面的基本性能
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结构面的变形与强度性质
在实际工程中，需要综合考虑结构面的变形和强度性质，合 理设计工程结构以确保其安全性和稳定性。同时，还需要通 过试验和数值模拟等手段深入研究结构面变形与强度的相互 作用机理，为工程实践提供科学依据。
PART 04
结构面稳定性评价
稳定性评价方法
极限平衡法
通过计算结构面上的抗滑力与下滑力之比，即安全系数，来评价结构面的稳定性。该方法 简单易行，但忽略了结构面的变形和强度性质的非线性特征。
地质环境
描述工程所在地的地形地 貌、地层岩性、地质构造、 水文地质条件等。
结构面发育情况
阐述工程影响范围内结构 面的类型、规模、产状、 组合特征等。
结构面变形与强度性质分析
结构面变形性质
01
分析结构面在受力作用下的变形特征，如弹性变形、塑性变形、
蠕变等。
结构面强度性质
02
探讨结构面的抗剪强度、抗拉强度、抗压强度等力学性质。
影响因素
结构面的强度性质受多种因素影响，如岩性、结构面形态、充填物性质、含水状态、温度等。其中， 岩性和结构面形态是影响结构面强度的内在因素，而充填物性质、含水状态和温度等则是外在因素。 这些因素共同作用，导致结构面强度性质的复杂性和多变性。
PART 03法向刚度和 剪切刚度发生变化，从而影响其
分类
根据结构面的成因、形态和物质组成 等特征，可将其分为原生结构面、构 造结构面和次生结构面三类。不同类 别的结构面具有不同的强度性质。
强度测试方法
直接剪切试验
通过模拟结构面上的剪切作用，测定结 构面的抗剪强度。该方法简单易行，但 难以反映结构面的真实受力状态。
拉伸试验
通过拉伸作用测定结构面的抗拉强度。 由于拉伸试验难以实现，因此实际应 用较少。
岩土专业资料：结构面有哪些特征？
岩土专业资料：结构面有哪些特征？
结构面的特征是影响结构面强度及其他性能的重要因素。
（1）规模：结构面的规模大小相差悬殊。
大者可延展数十公里，宽度可达数十米。
规模小者延展仅数十厘米或数十米，甚至可以是很微小的不连续裂隙。
（2）方位：即结构面的产状。
（3）间距：系指相邻结构面间的垂直距离，通常是指一组结构面的平均间距。
它是反映岩体的完整程度和岩块大小的重要指标。
（4）延续性：它是表征结构面延伸长度和展布范围的指标。
（5）粗糙度：结构面的平整光滑程度不同，抗剪强度也不同。
结构面的形态有平直的、波状的，锯齿状的、台阶状的和不规则状的几种。
（6）结构面侧壁强度：它可以反映结构面经受风化的程度。
（7）张开度：指结构面两壁间的垂直距离。
结构面的张开度通常不大，一般小于1mm.
通常将张开度分成下述四级：闭合的小于0.2mm；微张的为0.2～1.0mm；张开的为1.0～5.0mm；宽张的大于5.0mm.
（8）充填物：结构面内常见的充填物有砂、粘土、角砾、岩屑及硅质、钙质、石膏质沉淀物。
结构面经胶结后强度会提高，其中以铁或硅质胶结者强度最高，泥质及易溶盐类胶结者强度低、抗水性差。
未胶结的充填物强度低，充填物厚度不同时，结构面的变形与强度也不同。
（9）节理组数：节理组数的多少，决定了岩石块体的大小及岩体的结构类型。
结构面性质
结构面结构面是具有极低的或没有抗拉强度的不连续面。
结构要素或构造形迹的形象和相对位移的踪迹，反映了地壳运动影响下地应力作用的性质和特征。
由于矿物微区测试技术的引入，结构面力学性质的鉴定工作逐步得到深入和发展。
根据受应力作用岩石的组构类型（或干涉色对比）和产生的应力矿物特征，可推断结构面的应力性质。
按力学性质分为下列5种：①压性结构面,简称挤压面。
岩块或地块受挤压产生的结构面，其走向与主压应力作用面平行，并具有明显的挤压特征。
如单式或复式褶皱轴面、逆断层或逆掩断层面、片理面、挤压带和一部分劈理等。
②张性结构面，简称张裂面。
岩块或地块由于引张作用而产生的垂直于主张应力的破裂面，或受挤压而产生的平行于主压应力的破裂面。
③扭性结构面，简称扭裂面，岩块或地块遭受挤压而产生的一对与主压应力作用面斜交的破裂面。
如平移断层面等。
④压性兼扭性结构面，简称压扭面。
指既具有压性又具有扭性的结构面。
如扭动构造体系中挤压面兼具水平位移的破裂面，以及各种旋卷构造体系中与整个体系作相同方向扭动的压性结构面。
由于区域扭动而发生的两组扭裂面，当扭动按原来方向持续进行时，其中与扭动方向夹角较大的一组，有时转变为挤压面，这种由初次扭裂面转变成的二次挤压面，可称为扭性兼压性结构面，简称为扭压面。
⑤张性兼扭性结构面，简称张扭面，指既具张性又具有扭性的结构面。
如扭动构造体系中，与压性结构面同时存在的具有水平位移的张裂面，以及各种旋卷构造体系中，与整个体系中作相同方向扭动的张裂面。
由于区域扭动而发生的两组扭裂面，当扭动按原方向持续进行时,两组扭裂面中，与扭动方向夹角较小的一组,有时转变为张裂面，这种由初次扭裂面转变成的二次张裂面，可称为扭性兼张性结构面，简称扭张面。
结构面的力学性质
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。
结构面ppt
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。
结构面的基本性能
1 3
2(C j 3 tg j ) (1 tg j ctg ) sin 2
蔡路军 38
2015/10/26
武汉科技大学理学院工程力学系
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Dip (面的倾角) and Strike (走向) The 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 an inclined plane.
2015/10/26 武汉科技大学理学院工程力学系 蔡路军 29
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(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。
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
产状与构造线呈 一定关系，层间 错动与岩层一致
对岩体稳定影响很大，在上述许多岩体 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
受地形及原结构 面控制
2(C j 3 tg j ) (1 tg j ctg ) sin 2
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Dip (面的倾角) and Strike (走向) The 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 an inclined plane.
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(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。
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
产状与构造线呈 一定关系，层间 错动与岩层一致
对岩体稳定影响很大，在上述许多岩体 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
受地形及原结构 面控制
4.1 岩体结构面分析
5. 面壁强度
结构面表面的抗压强度， 节理面的起伏度与粗糙度 反映结构面表面的风化特征。
一. 结构面的基本参数
6. 充填物及张开度 结构面两个相对面之间的分开宽度以及 充填物质的性质。 7. 水的作用
包括地下水的流量、水压力、渗透特性。
8. 岩块的尺寸及结构面的组数
反映结构面发育程度的参数。
二. 结构面的分类
1. 按成因分类 (1)原生结构面 沉积结构面：层面、 层理、夹层等 火成结构面：原生节 理、流纹面 变质结构面：片理
二. 结构面的分类
(2)构造结构面
断裂面 破碎带 (3)次生结构面 风化裂隙 泥化夹层
二. 结构面的分类
2. 按延展性分类
绝对分类：结构面的规模大小分类 细小结构面 延展长度<1m 中等结构面 延展长度1~10m 巨大结构面 延展长度>10m 相对分类：相对工程结构类型和大小 细小 中等 大型 (P.64表4-1)
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第四章 岩体的基本力学性能
第一节 岩体结构面的分析
第二节 结构面的变形特性
第三节 结构面的力学效应
第四节 碎块岩体的破坏
第五节 岩体的应力—应变分析
第六节 岩体力学性能的现场测试
第一节 岩体结构面的分析
二. 结构面的分类
3. 按力学观点分类
(1)破坏面：缓慢的地质作用下形成
(2)破坏带：快速的地质作用下形成
(3)过渡类型：具有破坏面与破坏带的力 学特点
二. 结构面的分类
破 坏 带 分 类
按 力 学 观 点 的 破 坏 面 和
岩石力学-结构面的力学性质
三、抗剪强度
库仑准则：
c n tan
式中：c / ——结构面上的粘结力 / 摩擦角
剪切刚度
2）剪切刚度Kt：弹性区内单位变形内的应力梯度。
剪切刚度：
Kt
t
1974年Goodman提出：
Kt
Kt0
1
s
式中：Kt0－初始剪切刚度 ts－产生较大剪力位移时的剪应力渐近值
剪胀现象
1）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。 ②岩石强度↓，爬坡角i↑，法向力N↑，发生剪断现象。
2.4 结构面的力学性质
结构面的力学性质主要包括三个方面：
法向变形、 剪切变形、 抗剪强度。
一、法向变形
层面点、线接触，受压点挤压劈裂，层面间距 减小，压力增高，塑性变形导致层面间距继续 减小（减小速率降低），接触面积扩大（约达 40—70%）
结构面法向变形曲线
法向变形刚度
2）法向刚度kn ：结构面产生单位法向变形 的法向应力梯度。
2
Kn
Kn0
Kn0max n Kn0max
式中Kn0：结构面的初始刚度二、剪切变形2.4.2 剪切变形与剪切刚度 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。
岩体力学--岩体结构面性质
③ 古德曼经验公式（4-7）式
法向应力与结构面闭合量的关系式。
n
n
σn
σn
t
n 0 0
s
m
ax
n
n
o (a)
图4-5 结构面法向变形
啮
非
合
啮
结
合
构
结
面
构
面
Kn 1
o
δm'ax
δmax
n
(a)
(b)
图4-5 结构面法向变形曲线
15/38
σn
σn
啮 合
结
构
面
δn
δn
σn
2
Kn
K n0
K n0 max n K n0 max
节理、泥化夹层和夹泥层
Ks
等软弱结构面。
1
o
δt
特点： (a)
(b)
曲线无明显的峰图值4强-6度结和构应面力的降剪。切变形曲线
峰值强度与残余强度相差很小。
曲线的斜率是连续变化的，且具流变性。
20/38
③结构面的剪切变形不可恢复
常伴随有微凸体的弹性变形、劈裂、磨粒的产生与迁 移、结构面的相对错动等多种力学过程。
n
(a)
(b)
图4-5 结构面法向变形曲线
2．结构面的剪切变形
结构面剪切变形与结构面表面形态、结构体与填充物
质特征密切相关。
τ
σn δt
τ
A
B Ks
1
o
δt
(a)
(b)
图4-6 结构面的剪切变形曲线
18/38
τ
①脆性变形型：σA n δt
无充填τ粗糙硬性结构面
结构面的基本性能
结构面影响 反映区域性地质构造
降低岩体强度
岩体结构要素 结 结 （构 构 单 坚 面 软 板 体 块 元硬 弱 状 状 ）结 结 结 结干 构 夹 构 构 构净 面 泥 面 体 体 的 的 （ （ 于 ， 长 1短 5的 夹 厚 轴） 层 比 的大 ）
岩体强度=岩块强度+节理强度
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图1 节理岩体的强度特征与岩石强度的区别 Ⅰ－岩石；Ⅱ－节理化岩体：Ⅲ－节理
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。
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二、结构面的规模
❖ 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。
变质结 1片理 构面 2片岩软弱夹层
产状与岩层或构 造方向一致
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
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
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
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
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
降低岩体强度
岩体结构要素 结 结 （构 构 单 坚 面 软 板 体 块 元硬 弱 状 状 ）结 结 结 结干 构 夹 构 构 构净 面 泥 面 体 体 的 的 （ （ 于 ， 长 1短 5的 夹 厚 轴） 层 比 的大 ）
岩体强度=岩块强度+节理强度
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图1 节理岩体的强度特征与岩石强度的区别 Ⅰ－岩石；Ⅱ－节理化岩体：Ⅲ－节理
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。
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二、结构面的规模
❖ 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。
变质结 1片理 构面 2片岩软弱夹层
产状与岩层或构 造方向一致
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
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
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
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
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
结构面的基本性能汇总.
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岩石力学之
结构面的性质
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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 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
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
坚硬结构面干净的 结构面 软弱结构面夹泥的，夹层 岩体结构要素（单元） 块状结构体（短轴的） 结构体 于15的） 板状结构体（长厚比大
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岩体强度=岩块强度+节理强度
图1 节理岩体的强度特征与岩石强度的区别 Ⅰ－岩石；Ⅱ－节理化岩体：Ⅲ－节理
变质结 构面
1片理 2片岩软弱夹层 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 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
产状与岩层或构 造方向一致
片理短小，分布极密， 片岩软弱夹层延展较 远，具固定层次 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
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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 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
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
坚硬结构面干净的 结构面 软弱结构面夹泥的，夹层 岩体结构要素（单元） 块状结构体（短轴的） 结构体 于15的） 板状结构体（长厚比大
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岩体强度=岩块强度+节理强度
图1 节理岩体的强度特征与岩石强度的区别 Ⅰ－岩石；Ⅱ－节理化岩体：Ⅲ－节理
变质结 构面
1片理 2片岩软弱夹层 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 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
产状与岩层或构 造方向一致
片理短小，分布极密， 片岩软弱夹层延展较 远，具固定层次 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
第三章 结构面
n
r
j
t
2) 结构面的卸荷刚度比岩块的加载刚度大。
卸载变形特征： 3)随着循环次数的增加, n j 曲线逐渐变陡， V 且整体向左移。
未 风 化 结 构 面
中 风 化 结 构 面
4) 每次循环荷载所得的
曲线形状十分相似，且 其特征与加荷方式及其 受力历史无关。
循环荷载条件下结构面的 j 曲线 n V
结构面的法向加载变形特征
30
2) 初始压缩阶段,含结构面的岩块变形 20 主要由结构面闭合造成。试验表明,当 15 10 n 1MPa 时, t r 5 ~ 30,结构面的 ΔV ΔV V V 5 变形占很大部分。其大小还取决于结构 面的类型及其风化变质程度等因素。 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Vm j V
含结构面岩块 压缩试验求解
K ni Kn n 2 1 Vni + n K m
班迪斯经验方程求解：K ni ,Vm
JCS 岩壁 K ni 7.15 +1.75 JRC +0.02 强度 e D 结构面粗 JCS 糙度系数 Vm A +B( JRC ) +C e
A1
结构面 A2 3 锚固点 压力传感器 变形传感器 参考点
σn(MPa) 12 Δσ 10
多点位移计
An
8
6 4 2 0
A22
A11
Kn i +1 V Vi V
ni +1 ni n
500
ΔVi+1 ΔVi
1000
t
n
与试验曲线的比较:本曲线起点不 在原点,而试验曲线起点在原点。 σi 适用性：较适合于具有一定滑错 0 ΔVj Vm 位移的非嵌合性结构面的法向变 结构面法向变形曲线(Goodman方程 形特征。
r
j
t
2) 结构面的卸荷刚度比岩块的加载刚度大。
卸载变形特征： 3)随着循环次数的增加, n j 曲线逐渐变陡， V 且整体向左移。
未 风 化 结 构 面
中 风 化 结 构 面
4) 每次循环荷载所得的
曲线形状十分相似，且 其特征与加荷方式及其 受力历史无关。
循环荷载条件下结构面的 j 曲线 n V
结构面的法向加载变形特征
30
2) 初始压缩阶段,含结构面的岩块变形 20 主要由结构面闭合造成。试验表明,当 15 10 n 1MPa 时, t r 5 ~ 30,结构面的 ΔV ΔV V V 5 变形占很大部分。其大小还取决于结构 面的类型及其风化变质程度等因素。 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Vm j V
含结构面岩块 压缩试验求解
K ni Kn n 2 1 Vni + n K m
班迪斯经验方程求解：K ni ,Vm
JCS 岩壁 K ni 7.15 +1.75 JRC +0.02 强度 e D 结构面粗 JCS 糙度系数 Vm A +B( JRC ) +C e
A1
结构面 A2 3 锚固点 压力传感器 变形传感器 参考点
σn(MPa) 12 Δσ 10
多点位移计
An
8
6 4 2 0
A22
A11
Kn i +1 V Vi V
ni +1 ni n
500
ΔVi+1 ΔVi
1000
t
n
与试验曲线的比较:本曲线起点不 在原点,而试验曲线起点在原点。 σi 适用性：较适合于具有一定滑错 0 ΔVj Vm 位移的非嵌合性结构面的法向变 结构面法向变形曲线(Goodman方程 形特征。
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。
结构面的力学性质课件
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
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
结构面的概念
结构面的概念
结构面是指地球表面上的一个平面区域，它是由于地壳在构造运动过程中发生滑移、断裂、褶皱等而形成的。
结构面是非常重要的地质学概念，它在地壳运动过程中发挥着重要作用。
结构面可以被看做地层的边界，两侧地层可能会因为运动而平移，出现垂直错位或平行错位的现象。
结构面还可被看做断层或逆冲断层的面，这些断层或逆冲断层上有沉积物的褶皱，沉积物会因为运动而变形。
最常见的结构面就是断层面。
断层面是岩石层面上的一条平面，沿着这个平面两侧的岩石发生了错动。
断层面被认为是地球地壳运动的形成因素之一，因为它们是由于构造的变形运动而形成的。
地震就是由于构造运动导致断层面滑动而产生的。
除了断层面，结构面还可以是折皱面、褶皱面、滑动面等。
这些面都是地质学家所关注的重要点，因为它们几乎涉及了所有的地壳运动过程。
在实际应用中，结构面对地质勘探和开采有着重要的作用。
比如在找矿过程中，勘探人员会查找地质构造的分布情况。
在采矿过程中，工
人需要注意结构面的分布情况，以便更好地控制采矿过程中的岩石运动。
总之，结构面是地质勘探和开采过程中的重要概念，它有助于我们理解地球地壳运动的形成过程。
在实际应用中，我们需要仔细研究结构面的类型、分布和变形，以便更好地掌握地层构造情况，从而更好地开展地质勘探和开采工作。
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2(C j 3 tg j ) (1 tg j ctg ) sin 2
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Dip (面的倾角) and Strike (走向) The 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 an inclined plane.
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
产状与构造线呈 一定关系，层间 错动与岩层一致
对岩体稳定影响很大，在上述许多岩体 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
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
硬性结 构面
分布随机，降低岩 块强度，是岩块力 学性质效应基础。 若十分密集，又因 风化，形成松散介 质。
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Ⅳ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。 Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力 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。 Ⅴ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。 Ⅰ-Ⅲ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臵，直接表示在不同比例尺的工程地质图上 。 Ⅳ-Ⅴ级结构面为统计结构面：只能在野外有明显的岩层露头地
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 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 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
产状与岩层或构 造方向一致
影响区域稳定性
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级 序
分级依据
地质类型
力学属性
对岩体稳定性影响
不整合面
延伸数百 米至数公 里， II 级 假整合面 原生软弱夹 层 属于软弱 结构面 形成块裂 边界 控制山体稳定性 与I级结构面可形 成大规模的块体破 坏，即控制岩体变 形和破坏方式。
破碎带宽 度比较窄， 几厘米至 层间错动带 数米 风化夹层
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级 序
分级依据
地质类型
力学属 性
对岩体稳定性影响
延展十米或数 各种类型 十米， 的断层 III 级 无破碎带， 原生软弱 夹层
多数属 于坚硬 结构面 少数属 软弱结 构面。
控制岩体的稳定性
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级 分级依据 序
地质类型
力学属性 对岩体稳定性影响
延伸数十公里
深度可切穿一 个构造层 破碎带宽度在 数米、数十米 以上
I 级
属于软弱 区域性深大 结构面， 是岩体变形或破坏 断裂 的控制条件， 构成独立 或大断裂 的力学介 形成岩体力学作用 质单元 边界。
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
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延展数米，
未错动， IV 级
不夹泥，
坚硬结 构面
有的呈弱结合 状态，统计结 卸荷裂隙 构面 等。
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级 序
分级依据
地质类型
力学属 性
对岩体稳定性影响
V 级
微小节理 连续性极差、 刚性接触的细 隐微裂隙 小或隐微裂面， 统计结构面 线理等。
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二、结构面的规模
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
沉积结 构面
一般与岩层产状 一致，为层间结 构面
原 生 结 构 面
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
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主
要
特
征
成因类型
地质类型
产 状 分 布 海相岩层中此类结构 面分布稳定，陆相岩 层中呈交错状，易尖 灭 性 质 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
工程地质评价
国内外较大的坝基滑动及滑坡很多由此 层面、软弱夹层等结构面较为平整； 类结构面所造成的，如奥斯汀、圣·弗 不整合面及沉积间断面多由碎屑泥 朗西斯、马尔帕塞坝的破坏，瓦依昂水 质物构成，且不平整 库附近的巨大滑坡
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Hale Waihona Puke 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。
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基本内容
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结构面概述 结构面的变形特性
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结构面的强度特性
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1 结构面概述
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岩体强度=岩块强度+节理强度
图1 节理岩体的强度特征与岩石强度的区别 Ⅰ－岩石；Ⅱ－节理化岩体：Ⅲ－节理
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1.2
结构面特征
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
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岩石力学之
结构面的性质
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片理短小，分布极密， 片岩软弱夹层延展较 远，具固定层次 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
2(C j 3 tg j ) (1 tg j ctg ) sin 2
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Dip (面的倾角) and Strike (走向) The 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 an inclined plane.
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
产状与构造线呈 一定关系，层间 错动与岩层一致
对岩体稳定影响很大，在上述许多岩体 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
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
硬性结 构面
分布随机，降低岩 块强度，是岩块力 学性质效应基础。 若十分密集，又因 风化，形成松散介 质。
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Ⅳ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。 Ⅳ级结构面主要控制着岩体的结构、完整性和物理力 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。 Ⅴ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。 Ⅰ-Ⅲ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臵，直接表示在不同比例尺的工程地质图上 。 Ⅳ-Ⅴ级结构面为统计结构面：只能在野外有明显的岩层露头地
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 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 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
产状与岩层或构 造方向一致
影响区域稳定性
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地质类型
力学属性
对岩体稳定性影响
不整合面
延伸数百 米至数公 里， II 级 假整合面 原生软弱夹 层 属于软弱 结构面 形成块裂 边界 控制山体稳定性 与I级结构面可形 成大规模的块体破 坏，即控制岩体变 形和破坏方式。
破碎带宽 度比较窄， 几厘米至 层间错动带 数米 风化夹层
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地质类型
力学属 性
对岩体稳定性影响
延展十米或数 各种类型 十米， 的断层 III 级 无破碎带， 原生软弱 夹层
多数属 于坚硬 结构面 少数属 软弱结 构面。
控制岩体的稳定性
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级 分级依据 序
地质类型
力学属性 对岩体稳定性影响
延伸数十公里
深度可切穿一 个构造层 破碎带宽度在 数米、数十米 以上
I 级
属于软弱 区域性深大 结构面， 是岩体变形或破坏 断裂 的控制条件， 构成独立 或大断裂 的力学介 形成岩体力学作用 质单元 边界。
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
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延展数米，
未错动， IV 级
不夹泥，
坚硬结 构面
有的呈弱结合 状态，统计结 卸荷裂隙 构面 等。
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分级依据
地质类型
力学属 性
对岩体稳定性影响
V 级
微小节理 连续性极差、 刚性接触的细 隐微裂隙 小或隐微裂面， 统计结构面 线理等。
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二、结构面的规模
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
沉积结 构面
一般与岩层产状 一致，为层间结 构面
原 生 结 构 面
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
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成因类型
地质类型
产 状 分 布 海相岩层中此类结构 面分布稳定，陆相岩 层中呈交错状，易尖 灭 性 质 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
工程地质评价
国内外较大的坝基滑动及滑坡很多由此 层面、软弱夹层等结构面较为平整； 类结构面所造成的，如奥斯汀、圣·弗 不整合面及沉积间断面多由碎屑泥 朗西斯、马尔帕塞坝的破坏，瓦依昂水 质物构成，且不平整 库附近的巨大滑坡
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Hale Waihona Puke 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。
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基本内容
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结构面概述 结构面的变形特性
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结构面的强度特性
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1 结构面概述
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岩体强度=岩块强度+节理强度
图1 节理岩体的强度特征与岩石强度的区别 Ⅰ－岩石；Ⅱ－节理化岩体：Ⅲ－节理
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1.2
结构面特征
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
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岩石力学之
结构面的性质
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片理短小，分布极密， 片岩软弱夹层延展较 远，具固定层次 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