岩体力学-3-岩体的力学特性-王亚军-2020

结构面密度（间距）的工程意义：控制着岩体的完整 性和岩块的块度，是反映岩体的完整程度和岩石块体 大小的重要指标。结构面发育愈密集，岩体的完整性 愈差，岩块的块度愈小，进而岩体的力学性质差，渗 透性增强。
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结构面的张开度
结构面的张开度是指结构面裂口开口处张开的程度。
－－指结构面两壁间的垂直距离。如果岩壁间具有粘土或其他充填物，称为
▲这些次生作用是指风化作用和地下水作用。 ▲风化作用参与形成风化夹层； ▲地下水作用形成泥化夹层。
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结 构 面 的 类 型 及 其 特 征
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3.1.2 结构面的自然特征
上小节介绍的是结构面的类型，本小节将介绍结构面的自 然特征。
我们前面提到，岩体的变形和破坏主要由结构面控制，因此， 必须了解结构面的自然特征，才能进一步研究岩体受力后变 形和破坏的规律。
第二级凹凸度即粗糙度，反映面上普遍微量的凹凸 不平状态。
对结构面来讲，一般可分为极粗糙、粗糙、一般、 光滑、镜面五个等级：
平均基线长度
（三）结构面的空间分布
结构面的空间分布包括四个方面：
（1）结构面的产状（即方位）及其变化； （2）结构面的延展性； （3）结构面密集的程度； （4）结构面空间组合关系。
形态有关。
连续 充填物连续，且充填物厚度大于结构面的起伏差。结 充填 构面力学性质主要取决于充填物性质。
厚层 充填物厚度远大于结构面的起伏差，可达几十cm以上。 充填 结构面力学性质很差，岩体易于沿这种结构面滑移而
失稳。
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（二）结构面的形态特征
结构面在三维空间展布的几何属性称结构面的形态， 是地质营力作用下地质体发生变形和破坏遗留下来 的产物。
●由于结构面的长短是相对于岩体尺寸而言的，因而它与岩体 尺寸有密切关系。
按结构面的延展特性，可分为三种型式：（如图3-8）
(a)非贯通性的； (b)半贯通性的； (c) 贯通性的。
结构面的延展性 可用切割度Xe来 表示，
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切割度Xe
假设有一平直的断面，它与考虑的结构面重叠而且完全地横 贯所考虑的岩体，令其面积为A，则结构面的面积a与它之间 的比率，即为切割度：
（1）结构面的地质成因类型 （2）结构面的自然特征 （3）结构面的力学性质
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几个基本概念： 岩块、结构面、岩体
1. 结构面 (Structural Plane、discontinuities)
－－指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延 伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。 包括：层面、不整合面、节理、断层、片理面、劈理、软弱夹层、 卸荷裂隙和风化裂隙等。
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（3）次生结构面
次生结构面：指岩体在外营力（如风化、卸荷、 应力变化、地下水、人工爆破等）作用下而形成 的结构面。
风化裂隙和卸荷裂隙是两种最主要的次生结构面。 风化裂隙：由风化作用在地壳的表部形成的裂隙。 卸荷裂隙：指岩体的表面某一部分被剥蚀掉，引起重力和构
造应力的释放或调整，使得岩体向自由空间膨胀而产生的 平行于地表面的张裂隙。
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软弱夹层
软弱夹层是结构面的一种（其它两种是物质分界面 和断裂面）。
软弱夹层：指在坚硬岩层中夹有力学强度低、泥质 或炭质含量高、遇水易软化、延伸较长和厚度较薄 的软弱岩层。
软弱夹层在数量上虽然只占岩体中很小的比例，但 却是岩体中的薄弱部位，常常是工程中的隐患，应 特别注意。
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起伏度
侧壁的起伏度可以用起伏角i表示：
平均起伏差
另外，起伏角的大小也可以表示出前述结构面的三 种几何形态：
● i=0°时，结构面为平直型的； ● i=10°～20°时，结构面为波浪型； ● i更大时，结构面变为锯齿型； ● i=90°时，结构面为台阶型的。
粗糙度
粗糙度：指结构面的粗糙程度。
用粗糙度系数－－ JRC（Joint Roughness Coefficient )表示
法向变形刚度：图3-10中变形曲线的斜率称为法向变形刚度。
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法向变形刚度的表达式
根据Goodman（1974）的研究，法向变形刚度可由下式表达：
Kn
Kno
(
K
no max K no max
n
)2
(3-8)
式中：Kno —结构面的初始刚度。
●张性断层（也称正断层）； ●压性断层（也称逆断层）； ●剪性（扭性）断层（也称平移断层）。
②节理：一般又称为裂隙，它普遍存在于岩体或岩层中。 节理可分为：张节理，剪节理，层面节理。
③劈理：实际上就是密集的构造微节理，是沿着平行或大致平行的矿物定向 排列或某些平行薄层能劈开的软弱面。
④由层间错动而引起的破碎层。
充填结构面的宽度。
结构面两壁面一般不是紧密接触的，
结构面实际接触面积减少，导致结
构面粘聚力降低，渗透性增大。
描述结构面的张开度，常采用 下面的术语：
①很密闭，张开度小于
0.1mm； ②密闭，张开度在0.1～1mm
之间；
③中等张开，张开度在1～ 5mm之间；
④张开，张开度大于5mm。
3.1.3结构面的力学性质
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研究结构面变形和强度特性的意义如何？
具有十分重要的工程实践意义
1） 岩石工程实践表明，有相当一部分工程岩体的失稳破 坏是沿软弱结构面破坏的。结构面的强度性质是评价岩体 稳定性的关键。 2） 结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组成部分， 控制着工程岩体的变形特性。
3） 结构面是岩体中渗透水流的主要通道。工程岩体结构面 的变形又将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。 4） 工程岩体中应力的分布受结构面及其力学性质的影响。
3. 岩体(Rockmass)－－是指地质历史过程中形成的， 由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构，并 赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中 的地质体。
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3.1.1 结构面的类型
结构面按照地质成因不同，可划分为三类： (1)原生结构面:岩体在成岩过程中形成的结构面
按其特征和岩体成因密切程度可分为： 岩浆结构面：指岩浆侵入及冷凝过程中所形成的原生结构面，
软弱夹层的类型
从成因上，软弱夹层也可划分为三种类型：
●原生软弱夹层：是指在成岩过程中形成的软弱夹层。 ●构造软弱夹层：主要是沿原有的弱面或软弱夹层经构造错 动而形成的，也有的沿断裂面错动或再次错动而成，如断层 破碎带等。 ●次生软弱夹层：是沿着薄层状岩石、岩体间接触面或原有
软弱面或软弱夹层，由次生作用参与形成的软弱夹层。
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一、压缩变形
在法向荷载作用下，粗糙 结构面的接触面积和接触 点数随荷载增大而增加， 结构面间隙呈非线性减小， 应力与法向变形之间呈 指数关系（图3-10示）。
●这种非线性力学行为归结于 接触微凸体弹性变形、压碎 和间接拉裂隙的产生，以及 新的接触点、接触面积的增加。
●当荷载去除时，将引起明显 的后滞和非弹性效应。
线密度的测量方法
实际测定结构面的线密度时， 测线的长度可在20～50m之间。
●如果测线不可能沿结构面法线方向 布置时，应使测线水平，并与结构面 走向垂直。
●此时，如实际测线长度为L， 结构面的倾角为，则（图3-9）：
K= n / Lsinα (3-5)
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实例： K=4/10=0.4/m d=1/K=2.5m
充填物的粒度成分对结构面的强度也有影响：
●粗颗粒含量愈高，力学性能愈好； ●细颗粒愈多，则力学性能愈差。
根据其充填物厚度和连续性，充填结构面可分为：
薄膜 结构面两壁附着一层极薄的矿物膜，其厚度多小于 充填 1mm。多为性质不良矿物，明显降低结构面的强度。 断续 充填物不连续，且充填物厚度小于结构面的起伏差。 充填 结构面力学性质与充填物性质、壁岩性质及结构面的
（1）完整的：Xe=10～20%； （2）弱节理化：Xe=20～40%； （3）中等节理化：Xe=40～60%； （4）强节理化：Xe=60～80%； （5）完全节理化：Xe=80～100%。
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结构面密度
结构面的密度，是指岩体中结构面发育的程度。 它可以用结构面的裂隙度、间距或体密度表示。
●裂隙度也称为结构面的线密度。
如原生节理、流纹面 沉积结构面：指沉积过程中所形成的物质分界面。
如层面、层理、夹层、不整合面等 变质结构面：指在区域变质作用中形成的结构面，如片理
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层 面
片 理 9
（2）构造结构面
指岩体受地壳运动（构造应力）作用所形成的结构面。
构造结构面包括： ①断层：位移显著的构造结构面 断层因应力条件不同而具有不同的特征。根据应力场的特性，可分为：
本小节将介绍三方面内容：
（1）充填胶结特征； （2）结构面形态特征； （3）结构面的空间分布。
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（一）充填胶结特征
结构面的充填胶结可以分为无充填和有充填两类。 无充填结构面
●它们处于闭合状态，岩块之间接合较为紧密。 有充填结构面
●根据充填物的成分，分两种情况：
①若硅质、铁质、钙质以及部分岩脉充填胶结结构面，其强度经常不低于岩 体的 强度，这种结构面就不属于弱面的范围。
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结构面间距
结构面间距：结构面间距是指同一组结构面在法线方向上， 该组结构面的平均间距。
●如以d来表示，则 d=l / n =1 / K (3-6) ●即结构面的间距为线密度的倒数。
Watkins（1970）根据结构面间距对结构面（不连续面）进 行的分类，如表3-2所示（P52）。
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Xe= a / A
（3-1）
切割度也可以说明岩体连续性的好坏：
●Xe愈小，则岩体连续性愈好； ●反之，则愈差。
岩体中经常出现成组的平行结构面，同一切割面上