结构面的力学性质

1 K a max ,
Kb
1 m bx
,K n
1 m nx
,
K越大,结构面越密集。不同测线上得K值差别越大,岩体各向异 性越明显。按K得大小,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);
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得结构面,其走向 与最大主应力方向一致。结构面就是张开得,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得剪应力所形 成得结构面,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。
伏程度大,粗糙度高时,其抗滑力就大。
3、结构面得延展尺度:在工程岩体范围力,延展度大得结
构面控制着岩体得强度。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、结构面得状态
4、结构面得密集程度:指岩体中各种结构面得发育程度。衡 量密集度得指标为岩体裂隙度K和切割度Xe。
(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) 得作用而形成得各种界面,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得地区,特别就是在 深切河谷处,延展性不好,常在地表20～40m内发育,裂隙面粗 糙不平,常为张开型,充填物多为泥质碎屑、
因此,常构成岩体得主要滑动面。 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。
§2 结构面得变形特性
结构面变形
法向变形 剪切变形
一、节理得法向变形
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。
沉积结构面 火成结构面 变质结构面
(1)原生结构面:在成岩过程中形成得结构面。
A、沉积结构面就是沉积岩在成岩过程中形成得各种地质界面, 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、喷溢冷凝所形成得各种结构面,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。这些结构面得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得结构面,如片 理、片麻理、板理及软弱夹层等。变质结构面得产状与岩层基 本一致,延展性较差,但她们一般分布密集。片理结构面就是变 质结构面中最常见得,其面常常就是光滑得,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,变质岩中得软弱 夹层主要就是片状矿物,如黑云母、绿泥石、滑石等得富集带, 其抗剪强度低,遇水后性质就更差、
当岩体中有几组不同方向得节理时,
如图所示两组节理Ka、Kb,则沿取样方 向x上得节理平均间距max和mbx为
m ax
da cos a
,
m bx
db cos b
, m nx
dn cos n
,
式中:n为取样线l内得节理组数量、
该取样线上得裂隙度K为各组节理得裂隙度Ki之和。即:
K Ka Kb Kn
A( V )t
Vmc V
当A=1,t=1时,上式为:
V
V
mcVmc
1
△V 与1/σ得关系曲线如图(c)、
一、节理得法向变形
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σ-△V曲线(如图(a)中得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得裂 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 σ-△V曲线(如图(a)中得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σ-△V曲线(如图(a)中得C线)。 (5)利用曲线得差值求切缝得压缩量。
得压缩荷载。
一、节理得法向变形
2、节理得闭合变形 Goodman 于1974年通过试验,得出法向应力σ与结构面闭合量△V有如
式中:ξ为原位压力,由测量法 向变形得初始条件决定; Vmc 为最大可能得闭合量; A、t就 是与结构面几何特征、岩石力 学性质有关得参数。
每一接触面会产生压缩变形,其压缩量δ可按弹性理论中得布辛涅斯克
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得系数; d为块体得边长;E为弹性模
量;n为接触面得个数;h2为每个接触面得面积;σ、d2 为作用于节理上
(1)岩体裂隙度K——沿取样方向 单位长度上得节理数量
Kn l
d 1 l Kn
式中:n为长度l内得节理数量、 当取样线垂直节理得走向时,d为节理走向 得垂直间距。按节理得垂直间距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
爆破裂隙就是矿山工程中常见得一种次生结构面,爆破裂隙 得延展与分布视所在地区岩体特性及爆破得大小而异、一般 爆破裂隙得延展范围就是有限得,且多呈一组相互平行得、弧 状得裂隙面分布、
风化裂隙及风化夹层一般就是沿原生夹层和原有结构面发 育,多就是短小密集,延展性差,仅限于地表一定深度、
泥化夹层就是由于水得作用使夹层内得松软物质泥化而成, 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 化夹层一般都就是强度很低得,她们就是导致岩体失稳破坏得 常见因素、
(2)构造结构面
各类岩体在构造运动作用下形成得各种结构面,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,其范围都就是有限得,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。
断层面得规模相差比较悬殊,有得深切岩石圈几十公里,有得 仅限于地壳表层或只在地表数十米、但就是,相对工程而言,断 层面一般就是延展性较好得结构面、断层面(或帘)得物质成分 主要就是构造岩,如断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等、层 间错动带就是在层状岩体中常见得一种构造结构面,其产状一 般与岩层一致。
延展性较好,结构面中得物质,因受构造错动得影响,多呈破碎 状、鳞片状,且含泥质物。
值τP后, δ突然增大,表面试件已沿结构面破坏,此后τ迅速下降,并 趋于一常量(残余强度)。
可见,胶结结构面随胶结物得成分不同,其力学效应有 很大差别。
5、结构面得胶结情况及充填情况
(2)非胶结结构面 分为有充填物得结构面和无充填物得结构面。
无充填物得结构面:其强度主要取决于结构面两侧岩石得力学性质及结构 面粗糙度。
有充填物得结构面:其强度除与充填物、结构面两侧岩壁接触面得力学特 性有关外,主要取决于充填物得成分和厚度。
D、压扭性结构面:既有压性结构面得特征,又有扭性结 构面得特征,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得双重特征。 往往成锯齿状。
三、结构面得分级
结构面得发育程度、规模大小、组合形式等就是决定结构 体得形状、方位和大小,控制岩体稳定性得重要因素。尤以结 构面得规模就是最重要得控制因素。按结构面发育程度和规 模可以划分为如下五级:
“配称切缝试件”——“B-A” “非配称切缝试件”——“C-A”
二、节理得切向变形
在一定得法向应力作用下,结构面在剪切作用下产生切向变形,其变形特 征用试验时施加得剪应力τ与相应得剪切位移δ得关系来描述。τ-δ曲线特征 取决于结构面得基本特征(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 力出现较大得下降,并产生不规则得峰后变形或滞滑现象。 (2)平坦得结构面或结构面有充填物(B):
Xe
a1
a2 an A
岩体按切割度分类: Xe＝0、1～0、2 完整岩体; Xe＝0、2～0、4弱节理化岩体; Xe＝0、4～0、6中等节理化岩体; Xe＝0、6～0、8强节理化岩体; Xe＝0、8～1、0完全节理化岩体; 岩体被某组结构面切割得程度Xr为:
Xr K Xe
式中:K为岩体得裂隙度; Xe为 沿某一平面得切割度。
(2)切割度Xe——指岩体被节理分割得程度。
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 性得假想平直断面,则结构面面积a与该断面面积A之比,即为该 岩体得切割度。
Xe
a A
可见,当: 0<Xe<1, 岩体部分切割; Xe＝1, 岩体被整个切割; Xe＝0, 即岩体为完整连续体。
如果岩体沿某断面上同时存在着面积为a1、a2…an得n个结 构面时,则岩体沿该断面得切割度为
初始阶段得剪切变形曲线呈下凹型,随着剪切变形得发展,剪切应力逐渐升 高但无明显得峰值出现,最终达到恒定值。
§3 结构面得抗剪强度
结构面最重要得力学性质之一就是抗剪强度。结 构面在剪切过程中得力学机制比较复杂,构成结构面 抗剪强度因素就是多方面得,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:
五、结构面得状态
5、结构面得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得强度,遇水发 生泥化、软化,强度明显降低。 可溶盐类胶结:干燥时有一定得强度,遇水发生溶解,强度 降低。 钙质胶结:强度较高,且不受水得影响,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。
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得结构
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,厚度多小于结构面得起伏差,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,
I 级结构面--区域构造起控制作用得断裂带
Ⅱ 级结构面--延展性强而宽度有限得地质界面
Ⅲ 级结构面--局部性得断裂构造
Ⅳ 级结构面--节理面
V 级结构面--细小得结构面
四、结构面得几何特征
结构面得几何特征就是反映结构面得外貌,由下列要素组成: 1、走向:结构面与水平面得交线方向,用方位角表示。 2、倾斜:结构面得倾斜方向和倾斜角度。 3、连续性。 4、粗糙度:表明结构面得粗糙程度。 5、起伏度:包括起伏波得幅度和长度。起伏波得幅度就是指 相邻两波峰连线与其下波槽得最大距离a,起伏波得长度就是 指相邻两波峰之距离。
c tg
式中:c、φ分别就是结构面上得粘结力和摩擦角, φ ＝ φb + β , φb就是岩石平坦表面基本摩擦角,β就是 结构面得爬坡角;σ就是作用在结构面上得法向正应 力。
一、平直结构面得抗剪强度
结构面呈平直状,没有波状起伏。
1、平直结构面得剪切变形曲线 (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; (3)τ达到峰
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
五、结构面得状态
结构面得产状、形态、延展尺度、密集程度以及胶结 与充填情况等就是影响岩体强度和稳定性得重要因素。
1、结构面产状:指结构面得走向、倾向和倾角,对岩体就
是否沿某一结构面滑移起控制作用。
2、结构面形态:决定结构面抗滑力得大小,当结构面得起
结构面的力学性质
§1 结构面得类型及其特征
一、结构面得概念
结构面就是指岩体中存在着得各种不同成因和不同特性 得地质界面,包括物质得分界面、不连续面如节理、片理、断层、 不整合面等。 结构面具有一定得方向、延展较大、厚度小得二 维面状地质界面。
二、结构面得类型
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