结构面的变形与强度性质.
岩石力学---第二章 岩体的力学性质
①结构面的接触是点接触，接触点为边长为h的正方形，接触 点有n个； ②每个接触点所受的力是相等的； ③每个接触点的力学特性是相同的。
点接触荷载表面平均位移：
m1 Q 2 m d212
EA
nEh2
弹性位移， 作用于结构面上的均布载荷;
m与接触面形状有关的系数，当接触面为圆形，m0.96
3、充填结构面抗剪强度
当结构面中充填有某种软弱物质时，随着充填厚度的增大， 结构面的抗剪强度显著下降，一旦充填物厚度超过结构面表面 起伏幅值时，则结构面抗剪强度由充填物的厚度缩控制。
第四节 结构面的力学效应
一、单结构面力学效应
1 2121 213co 2 s
1213sin2
结构面抗剪强度符合库仑准则：
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。
Kn L
dL 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
KK aK b K n
切割度:表示岩体被结构面切割的程度。
Xe
a A
a：结构面面积；A：假想断面面积
当岩体中存在多组结构面时，此时切割度为：
结构面抗剪强度与与结构面位置关系：
1
3
0 j 45 j 90
2
例2-1 某岩石边坡由闪长岩组成，其抗剪强度指标 C40k0g/cm2,
30 , 边坡内有一结构面。结构面强度性质 Cj 20k0 g /cm 2,j 20,
结构面倾角 45,为防止下滑，而采取加固措施，使边坡获得侧 向应力 310k0g/cm2。求边坡极限抗压强度；如果结构面倾角为30 度，求极限抗压强度是增大还是减小？
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。
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。
岩体力学结构面的变形与强度性质
各种结构面抗剪强度指标的变化范围
结构面剪切刚度直剪试验结果
五、粗糙起伏无充填的结构面的强度特征
充填粘土的断层，岩壁风化 15
5
33
0
充填粘土的断层，岩壁轻微 18
8
风化
新鲜花岗片麻岩不连续结构 20
10ห้องสมุดไป่ตู้
面
玄武岩与角砾岩接触面
20
8
37
0
40
0
45
0
致密玄武岩水平不连续结构 20
7
面
玄武岩张开节理面
20
8
38
0
45
0
玄武岩不连续面
12.7
4.5
0
结构面法向刚度直剪试验结果
岩 组
绢 英 岩
绢英 化花 岗岩
（一）规则锯齿形结构面
1. 当法向应力较低时 I 单个凸起体滑移面上的应力：
剪胀效应：结构面在剪切过程中,由 于起伏度的存在,结构面的摩擦角由 b 增大到( b + i ) 的现象。
剪胀：结构面在剪切过程中产生的 法向位移分量的现象。原因在于在 剪应力作用下,沿凸起的滑移,除产生 切向位移外,还产生沿向上的移动。
经验估算结构面特征法向刚度knmpacm剪切刚度ksmpacm抗剪强度参数摩擦角粘聚力cmpa充填粘土的断层岩壁风化15充填粘土的断层岩壁轻微风化18201040玄武岩与角砾岩接触面20玄武岩张开节理面20玄武岩不连续面12745结构类型未浸水抗剪强度浸水抗剪强度24mpa摩擦角cmpa摩擦角cmpa法向刚度kn1mpacm剪切刚度ks1mpacm平直粗糙有陡坎4041015020363801401643526290起伏不平粗糙有4244020027383901702334824199波状起伏粗糙3940012015363701101322544667平直粗糙3839007011353600800922462246平直粗糙有陡坎404202503538390260304213648108起伏大粗糙有陡坎43480350504041030043357867113波状起伏粗糙3940015023373801302738583863平直粗糙38400090153637008013211434558平直粗糙有陡坎404503004438410300341114772112起伏大粗糙有陡坎444803505540440360446116959120波状起伏粗糙4041025035384102103070844884平直粗糙3941015020374001501751904665结构面法向刚度直剪试验结果二剪切变形性质剪切应力剪切位移法向应力结构面剪切试验示意图结构面剪切位移剪切应力曲线峰值剪切强度残余剪切强度剪切位移一剪切变形特征二剪切变形本构方程卡尔哈韦kalhaway方程通过大量试验发现峰值前的剪应力剪位移曲线可用双曲线拟合三剪切刚度及其确定方法定义
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。
岩体结构面力学性质与岩体强度研究
岩体结构面力学性质与岩体强度研究综述摘要：根据野外工程地质调查对工程岩体质量进行评析，在此基础上，运用hoek–brown准则求解工程岩体强度。
并根据岩块的咬合状态及这些块体的表面特征，提出了节理岩体强度的确定方法，关键词: 岩体结构面；力学性质；岩体强度；中图分类号：k826.16 文献标识码：a 文章编号：岩体中存在着纵横交错的各类地质结构面，在力学上则表现为存在着不连续面、弱面或软弱夹层，这些结构面对岩体强度和岩体工程的稳定性起着重要的控制作用。
因此结构面的力学性质和岩体的强度是息息相关的。
1 结构面的力学性质岩体结构面(structural plane)是指岩体内开裂的和易开裂的面，如层理、节理、断层、片理等，又称不连续面。
岩体结构面力学特征的研究与岩石力学的发展息息相关。
因为工程岩体之所以失稳，影响因素很多，但最关键的问题在于岩体内存在着一些软弱结构面。
目前普遍采用统计分析的方法，找出其分布规律，并应用到工程稳定性分析中。
1.1 结构面抗剪强度结构面的抗剪强度是表征岩体的结构面力学性质的重要指标，作为表征结构面力学性质的重要指标之一，通常在现场或实验室内测定。
对于起伏较大的粗糙结构面，按barton公式计算时，jrc值往往是根据结构面产状与标准轮廓线(isrm轮廓线)对比来确定的，由于视觉上的判断易造成较大的误差，国内外学者经过大量的研究，采用各种测量仪表观测和计算机处理。
如barr等人使用粗糙位形标测仪和数字化坐标记录仪测定，得出标准曲线jrc值和分维值d的关系，应用分形理论从一个崭新的角度描述了节理粗糙系数jrc和jrc尺寸效应的特征。
1.2 结构面的变形关于岩体不连续结构面的变形分析问题，自20世纪60年代初期开始至今已经建立了许多不同层次上的离散模型和数值方法。
以有限单元法为基础，并引入能反映岩体结构不连续性特征的模型以弥补有限元关于不连续性处理的不足，如结合单元法，节理单元法，desai等提出的薄层单元法以及用于模拟多节理岩体的等效连续体模型和损伤模型等。
《岩石力学》复习资料
《岩石力学》复习资料1.1 简述岩石与岩体的区别与联系。
答:岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体,力学性质可在实验室测得；岩体是指由背诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面切割的岩块组成的集合体，力学性质一般在野外现场进行测定，因此更接近岩体的实际情况，反映岩体的实际强度。
1.2 岩体的力学特征是什么？答：（1)不连续性：岩体受结构面的隔断,多为不连续介质，但岩块本身可作为连续介质看待；（2)各向异性：结构面有优先排列位向的趋势,随着受力岩体的结构趋向不同力学性质也各异；(3）不均匀性：结构面的方向、分布、密度及岩块的大小、形状和镶嵌状况等在各部位都很不一致，造成岩体的不均匀性；（4)岩块单元的可移动性：岩体的变形破坏往往取决于组成岩体的岩石块单元体的移动,这与岩石块本身的变形破坏共同组成岩体的变形破坏；（5）力学性质受赋存条件的影响：在一定的地质环境中，岩体赋存有不同于自重应力场的地应力场、水、气、温度以及地质历史遗留的形迹等。
1.3 岩石可分为哪三大类?它们各自的基本特点是什么?答：（1）岩浆岩：由岩浆冷凝形成的岩石，强度高、均匀性好；（2）沉积岩：由母岩在地表经风化剥蚀后产生，后经搬运、沉积和结硬成岩作用而形成的岩石,具有层理构造，强度不稳定，且具有各向异性；（3）变质岩：由岩浆岩、沉积岩或变质岩在地壳中受高温、高压及化学活动性流体的影响发生变质而形成的岩石.力学性质与变质作用的程度、性质以及原岩性质有关。
1.4 简述岩体力学的研究任务与研究内容。
研究任务：①建模与参数辨别;②确定试验方法、仪器与信息处理；③现场测试；④实际应用；研究内容：①岩石与岩体的物理力学性质(岩石的物质组成和结构特征，岩石的物理、水理性质，岩块在不同应力状态作用下的变形和强度特征,结构面的变性特征和强度参数的确定等）;②岩石和岩体的本构关系(岩块的本构关系，岩体结构面分类和典型结构面本构关系,岩体的本构关系）；③工程岩体的应力、变形和强度理论（岩体初始应力测量及分布规律，岩体中应力、应变和位移计算，岩体破坏机理、强度理论和工程稳定性维护与评价）：④岩石(岩块）室内实验（室内实验是岩石力学研究的基本手段）;⑤岩体测试和工程稳定监测（岩体原位力学实验原理和方法，岩体结构面分布规律的统计测试,岩体的应力、应变、位移检测方法及测试数据的分析利用,工程稳定准则和安全预测理论与方法)。
岩体力学考试纲要
岩体力学考试纲要第一章：绪论主要以各类建筑工程和采矿工程为服务对象。
在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的原则。
第二章：岩块和岩体的地质特征第一节：概述岩体力学研究的对象是在各种地质作用下形成的天然岩体。
重点：讨论岩块、结构面和岩体的地质特征，影响岩块与岩体物理力学性质的主要地质因素以及岩体工程分类等问题。
第二节：岩块1.岩块（rock或rock block）：是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。
2.岩石是由具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集体组成的。
含硬度大的粒柱状矿物（如石英、长石、闪角石、辉石等）愈多时，岩块强度愈高；含硬度小的片状矿物（如云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等）愈多时，则岩块强度愈低。
3.一般随石英含量增加，岩块的强度和抗变形性能都明显增加。
4.岩块的结构：是指岩石内矿物颗粒的大小、形状和排列方式及微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。
5.岩石的粒间连结分结晶连结和胶结连结两类。
6.微结构面：是指存在于矿物颗粒内部或颗粒间的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层面及片理面、片麻理面等。
7.岩块的构造是指：矿物集合体之间及其他组分之间的排列组合方式。
8.岩块的风化程度可通过定性指标和某些定量指标来表述。
定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程度及开挖锤击技术等；定量指标主要有风化空隙率指标和波速指标。
第三节结构面1.结构面（structural plane）：是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。
结构面根据地质成因的不同可以划分为原生结构面、构造结构面和次生结构面三类。
2.岩体的破坏方式有：剪切破坏和拉张破坏两中基本类型。
按破裂面的力学成因可分为剪性结构面和张性结构面两类。
3.结构面的规模大小不仅影响岩体的力学性质，而且影响工程岩体力学作用及其稳定性。
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• 较适用于具有一定滑错位移的非嵌合性 结构面。
• （2) Bardis方程
• 较适合于未经滑错位移的嵌合结构面(如层 面)的法向变形特征。
• 3、法向刚度及其确定方法 • （1）定义：法向刚度Kn是指在法向应力作用下，
结构面产生单位法向变形所需要的应力，数值上
等于σｎ- Ｖｊ曲线上一点的切线斜率。
• 结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。由于结构面 的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所以一般认为 结构面是不能抗拉的。因此，通常近考虑结构面的 抗剪强度。
• 在工程荷载作用下，岩体破坏常以沿某些软弱结构 面的滑动破坏为主。因此，在岩体力学中结构面的 抗剪强度通常是研究的重点内容。
• 条件不同、性质不同的结构面其发生剪切作用的机 理不同，因此其抗剪强度的确定方法也不同，下面 将分四种类型来介绍结构面的抗剪强度。
• 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。
第二节 结构面的变形性质
• 一、法向变形性质 • 1、法向变形的特征 • 为了测试得到结构面的应力-变形曲线，取含结构面
和不含结构面的两块试件做变形试验，得变形曲线 σn-ΔV，设不含结构面的岩块变形为ΔVr(包括岩块 和结构面的变形)，设不含结构面的岩块变形为 ΔVt(仅仅只包括岩块的变形)。则结构面的法向闭合 变形ΔVj为： • ΔVj＝ΔVr-ΔVt • 应力-变形关系曲线见下图，表现出以下特征：
• 在这一章中我们将学习以下内容： • 一、概述 • 二、结构面的变形性质 • 三、结构面的强度性质
• 在结构面变形性质中，重点要搞清楚结构面 在法向应力和剪应力作用下的应力－应变特 征及法向刚度（Kn）、剪切刚度（Ks）的 定义与测定方法。
• 在结构面强度性质中，重点要搞清楚平直结 构面和粗糙起伏结构面的剪切强度特征、强 度表达式和强度曲线特征，了解一般结构面 剪切强度参数（c、φ值）的经验值。
• 卡尔哈韦（Kalhaway）方程
• 3.剪切刚度及其确定方法 • （1）定义：剪切刚度KS是反映结构面剪切
变形性质的重要参数，其数值等于峰值前τu曲线上任一点的切线斜率。
• • （2）确定方法 • 试验法：室内试验、现场试验 • 经验估算法（Barton方程），见下式：
第三节 结构面的抗剪强度
• 一、平直无充填的结构面
• 平直无充填的结构面包括剪应力作用下形 成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等， 发育较好的层理面与片理面。其特点是面 平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。坚硬 岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及 应力矿物薄膜等。这类结构面的抗剪强度 大致与人工磨制面的摩擦强度接范围
• (3)法向应力σn大约从σc/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。
• 结构面加载、卸载的应力-变形关系曲线如下图。
• 卸荷的应力-变形关系曲线特征:
• （1）结构面的卸荷变形曲线(σn-ΔVj)仍为一以ΔVj＝ Vm为渐近线的非线性曲线。卸荷后留下很大的残余 变形不能恢复，不能恢复部分称为松胀变形。
第五章 结构面的变形与强度性质
• 岩体中存在大量断层、节理等结构面，它是 工程岩体区别于深部岩体和其它工程材料的 显著标志之一。在工程实践中，我们发现工 程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿着松软 结构面破坏的，因此，结构面的存在不仅影 响岩体的变形与强度性质，而且还控制着岩 体的变形与破坏机理。所以，结构面力学性 质的研究是岩体力学研究中的重要内容之一。
• (1)开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长， σn-ΔV及σn-ΔVj曲线均呈上凹型。当σn增到一定值时，σnΔVt曲线变陡，并与σn-ΔVr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ΔVj则 趋于结构面最大闭合量Vm。
• (2)初始压缩阶段，含结构面的岩块变形ΔVt主要是由结构面 的闭合造成的。试验表明，当σn＝1MPa时， ΔVt/ΔVr可达 5～30，说明ΔVt占了很大一部分。
•
• （2）确定方法： • 试验法：室内变形试验、现场变形试验 • 本构方程和经验估算法，见下式： •
• 二、结构面的剪切变形性质
• 1、剪切变形特征
• 粗糙结构面，呈脆性变形型，如右图中a 线，有峰值和明显的应力降 平直结构面， 呈塑性变形型，如右图中b线，无峰值和明 显的应力降
• 2、剪切变形本构方程
• 结构面类型 摩擦角(°)粘聚力(MPa)结构面类型 摩擦角 (°)粘聚力(MPa)泥化结构面10～200～0.05云母片岩片理 面10～200～0.05粘土岩层面20～300.05～0.10页岩节理 面(平直)18～290.10～0.19泥灰岩层面20～300.05～0.10 砂 岩 节 理 面 ( 平 直 )32 ～ 380.05 ～ 1.0 凝 灰 岩 层 面 20 ～ 300.05 ～ 0.10 灰 岩 节 理 面 ( 平 直 )350.2 页 岩 层 面 20 ～ 300.05～0.10石英正长闪长岩节理面(平直)32～350.02～ 0.08砂岩层面30～400.05～0.10粗糙结构面40～480.08～ 0.30砾岩层面30～400.05～0.10辉长岩、花岗岩节理面 30～380.20～0.40石灰岩层面30～400.05～0.10花岗岩节 理面(粗糙)420.4千板岩千枚理面280.12石灰岩卸荷节理面 (粗糙)370.04滑石片岩、片理面10～200～0.05(砂岩、花 岗岩)岩石／混凝土接触面55～600～0.48
第一节 概述
• 在工程荷载范围内(一般小于10MPa)，工程 岩体常常是沿软弱结构面失稳破坏。这方面 的工程实例很多。
• 在工程荷载作用下，结构面及其充填物的变形是岩 体变形的主要组分，控制着工程岩体的变形特性。
• 结构面是岩体渗透水流的主要通道。在工程荷载作 用下结构面的变形又将极大地改变岩体的渗透性、 应力分布及其强度。因此，预测工程荷载作用下岩 体渗透性的变化，必须研究结构面的变形性质及其 本构关系。
• （2）卸荷后留下残余变形的大小主要取决于结构面 的张开度(e)、粗糙度(JRC)、壁岩强度(JCS)及加、 卸载循环次数等因素。
• （3）随着循环次数的增加，σn-ΔVj曲线逐渐变陡， 且整体向左移。
• （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。
• 2、法向变形本构方程