岩体力学 岩体结构面性质

无限增大。
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②压缩变形
压应力结构面间隙呈非线性减小(P85图4-5)，应力-变
形指数关系。
σ
σn
n
啮 合 结 构 面
非 啮 合 结 构 面
δn
Kn
1
o
δ max ' (b)
δ
max
n
(a)
图4-5 结构面法向变形曲线
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σ
σn
n
法向应力与结构面闭合量的关系式。
δn
③ 古德曼经验公式（4-7）式
结构面的密集程度
裂隙度 K
切割度 Xe
（1）裂隙度K :同一组结构面沿取样线方向单位长度上的节理数量
a.单组节理(具有同一走向）
设取样线长度为l ，在l上 出现的节理条数为n，则
实例： k=4/20=0.2/m d=1/k=5m
K n
L
20m
l
节理延取样线方向的平均间距为
l 1 d n K
b.两组节理
K K1 K 2 1 1 cos a cosb ma mb da db
ma: 沿取样线节理平均间距; da: 节理垂直间距； c.多组节理
K
i 1
n
cos i di
两组节理的裂隙度计算图
（2）切割度 Xe：节理在岩体内的贯通程度。
假设在岩体中取一平直断 面，总截面积为A，其中 被节理面切割的面积为a ；则切割度为
峰值 残余
剪强度相差较大。
原因： 局部连接部分和啮合部 分岩石的粘结力起了抗剪作 用。
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o
δt
图4-7 局部连接或啮合台阶状 结构面剪切变形曲线
②规则齿状结构面的剪胀现象(P 87 图4-8)
σ
n
δ t τ
δ
图4-8 规则齿状结构面的剪切
n
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③齿状结构面的简化力学模型P88图4-9a。
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残余强度明显低于峰值强度。
②塑性变形型：B
τ
A
τ 带、挤压带、软弱夹层及
含有较厚充填物的裂隙、 节理、泥化夹层和夹泥层 等软弱结构面。 特点：
(a)
σn δt 具有一定宽度的构造破碎
B Ks
1
o
(b)
δ
t
图4-6 结构面的剪切变形曲线 曲线无明显的峰值强度和应力降。
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。
o
σn
图4-11 凸台模型的剪应力与法向应力的关系曲线
n tan j c j
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i不是常数
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δ
n d tan t
1
σ
n
δ t τ
n
n tan j c j
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作业
• 课后习题2、3、4
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)
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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
啮 合 结 构 面
δn
σ
σn
o
n
δ max '
(a)
啮 合 结 构 面 啮 合 结 构 面
(
图4-5 结构面法向变形曲 非
δn
Kn
1
o
δ max ' (b)
δ
max
n
(a)
图4-5 结构面法向变形曲线
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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 τ σn
Ⅰ级结构面 Ⅱ级结构面
软弱结构面
实测结构面 统计结构面
Ⅲ级结构面
Ⅳ级结构面 Ⅴ型结构面
坚硬结构面
§2.3结构面的自然特征及基本参数
结构面的自然特征
坚硬结构面填充
有充填 1. 充填胶结特征 无充填
（硅质、铁质、钙质）
软弱结构面填充 （蒙脱石、高岭石、绿泥石）
此外，影响结构面强度因素还有填 充填物颗粒粒度大小、充填物厚度
o
δ
图4-10 粘土软质夹层泥化夹层 剪应力τ 与位移δ 关系曲线
剪切破坏充填物夹层剪切破坏，塑性破坏或近于塑 性破坏。
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3) 结构面的剪切刚度 结构面剪切变形中峰前应力上升区内单位变形的应力梯度。
Ks t
试验研究表明：
τ σn
δt
τ
A
①较坚硬结构面的剪切刚度多
为常数； ②松软结构面的剪切刚度则随 法向应力变化而变化。 ③剪切刚度古德曼表达式：
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4．影响结构面力学性质的因素P92
结构面两侧结构体的力学性质； 结构面几何特征； 填充物的力学性质； 结构面的尺寸大小； 前期变形历史； 含水量； 后期加载过程。
1) 尺寸效应;
2) 前期变形历史;
3) 含水量; 4) 时效性。
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4.2.3 岩体中结构体的特征
1．岩体中不同规模的结构面切割出不同大小的结构体。 2．结构体形状:
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。
散体结构－>软硬结构面混杂，结构面无序排列
岩体结构随工程规模的不同而改变(P96图4-16)。
5 4
3 1 2
图4-16 岩体结构与硐室工程尺寸之间的关系
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1-完整结构；2-板裂结构；3-块裂结构；4-断续结构；5-碎裂结构
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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。
不可恢复！
τ τ σn
δt
A
B Ks
1
o
(a) (b)
δ
t
图4-6 结构面的剪切变形曲线
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1) 平直光滑且局部连结或啮合台阶状结构面的剪切变形 τ ①曲线（P87图4-7） 峰值抗剪强度与残余抗
δ max '
(a)
啮 合 结 构 面 啮 合 结 构 面
(
δn
K n 0 max n K n K n0 K n 0 max
(a)
σn
图4-5 结构面法向变形曲 非

2
Kn
1
o
δ x ' (b)
δ
max
n
图4-5 结构面法向变形曲线
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σ
σn
Xe
a A
多处不连续切割叠加：
a
a
i 1
n
i
结构面的力学性质
变形性质法向、剪切变形， 强度性质抗剪强度。 1．结构面的法向变形
nmin
o
σt
（闭合）
（张开）
n
①法向变形 拉伸变形和压
缩变形。 P84图4-4： 初始受拉结构面张开 失去抵抗能力张开度可
σn
图4-4 结构面法向应力-应变曲线
4．结构体形状与区域构造运动强度密切相关。
轻微构造运动柱状六面体。
强烈构造运动角柱状、楔锥体。
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4.2.4 岩体结构基本类型
块裂结构－>块状结构体 板裂结构－>板状结构体 碎裂结构－>结构面贯通切割 II 级 过 渡 型
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I 级 岩 体 结 构
断续结构－>结构面断续切割 完整结构－>无明显结构面切割
平直型 波浪型
2.几何形态特征
凹凸度
（量化指标）
锯齿型 台阶型
起伏度（起伏角i) 粗糙度(五级）
不规则型
平直型
波浪型
锯齿型
台阶型 不规则型
结构面基本状态参 数
产状（即方位）及其变化 延展性
密集程度
结构面的产状及其变化：结构面的走向与倾向及其变化 结构面的延展性：结构面在某一方向上的连续性或结构 面连续段长短的程度。 分为非贯通性的、半贯通性及贯通性的结构面
δt
A
B Ks
1
o
(a) (b)
δ
t
图4-6 结构面的剪切变形曲线
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①脆性变形型：A
τ
δt
A
τ 无充填粗糙硬性结构面
特点： 。
σn
B Ks
1
开始时剪切变形 随应力增加缓慢，曲 线较陡；
(a)
o
(b)
δ
t
峰值后剪切变形增加较快，有明显的峰值强度 图4-6 结构面的剪切变形曲线 和应力降。 有峰后变形不规则或滞滑现象，当应力降至一 定值后趋于稳定。
二、岩体中的结构面及自然特征
§2.1结构面的分类
岩浆结构面
原生结构面
沉积结构面
变质结构面 断层
按成因分类
构造结构面
节理
劈理
次生结构面(风化、卸载、应力 变化、人工爆破、泥化夹层)
贯通型结构面
按规模分类
半贯通型结构面（显现结构面） 非贯通型结构面（隐微结构面）
§2.2结构面的分级
根据结构面发育程度和规模可划分为五级
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o
(a)
B Ks
1
(b)
δ
t
图4-6 结构面的剪切变形曲线
K s K s 0 1 s
3．结构面的抗剪强度
①定义: 结构面发生剪切错动或滑动时的极限剪应力。
②结构面抗剪强度（与莫尔－库仑破坏准则相似）。
n tan j c j
o
n
n
σ

t
(a)
n
图4-5 结构面法向变形
σn
n n 0 s 0 n max
啮 合 结 构 面
非 啮 合 结 构 面
δn
Kn
1
o
δ max ' (b)
δ
max
n
(a)
图4-5 结构面法向变形曲线
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σ
σn
n
啮 合 结 构 面
δn
σ
o
n
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)
b
断，剪切应力上升梯度减小，
+i
直到达到峰值抗剪强度。
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