CH2第二章岩石力学-PPT资料83页

要掌握岩体的力学特性，更重要的是掌握结构面的 特性
一 结构面
1.1 结构面的分类
结构面是在地球长期地质历史中形成的 ，成因复杂，其 分类方法也有多种。按地质成因的不同，可将结构面分 为如下三类：
1. 原生结构面：在成岩过程中形成的结构面。又分为 (a) 沉积结构面。 如层理面。 (b) 火成结构面。如岩浆与其他岩体的接触面。 (c) 变质结构面。如片理。
ss s 1 3 m 2 in C j f3 /1 ( f2 f)
用图解法亦可得该结论
（3）多节理的力学效应 （叠加）
两组以上的节理同样处理，分三种情况： A仅有一组节理符合 12条件时，沿该节理破坏；
B两组节理最符合 12 时，考察 s1 s3 大小，沿应力圆直
对结构面表面光滑平整和 表面粗糙两种情形，则显 然，表面光滑时较容易发 生滑坡；表面粗糙时则边 坡稳定性显著提高，不容 易发生滑坡。 因此，结构面表面的粗糙 度，对这类工程的稳定性， 有显著影响。
粗糙度大——抗滑力大
3、结构面的延展尺度和规模
延展尺度： 主要指结构面本身的长度。可分为 1. 细小——延展尺度＜1米； 2. 中等——延展尺度 1米 – 10米； 3. 巨大——延展尺度＞10米.
存在，因此，强度相对较高。 工程现场的岩石，尺寸要大得多，节理、裂隙和断层等
都可能包含在其中。
结构面——岩石节理
岩体
定义：由结构面和结构体组成的地质体，是定义岩体不可缺一 的两个要素。 结构面：指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界 面，包括物质的分界面、不连续面，如节理、片理、断层、不 整合面等。 结构体：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为结构体（岩 石）。
以上结果是正应力较小 时候的情形。
当正应力较大时，则显然，齿将被剪掉。此时的 结果类似于没有结构面的岩石试验：摩擦角没有 提高，但出现凝聚力C′（称视凝聚力）。
此时的强度方程：
tstgj C
总结：
tCj stgj
1. 结构面平直： tr stgr残余抗剪强度
（2）岩体的破坏准则
设结构面的强度条件： tcj stgj
设节理的方向角为：
前已证明，单元体中任一面上的应力可表示为：
ss1s3s1s3co 2s
2
2
t s1s3 sin2
2
所以，岩体沿结构面破坏的强度准则为：
ss ss 1 23 (s 2i tn g jc2 o ) s C j1 23 tg j
2218 02j 21
s 22j si 1n (m cjcoj)tsin j
t
m
结论
• 1 或 2
岩体强度取决于岩石强度，而与节理面的存在无关
• 12
岩体会首先沿着节理破坏，岩体强度取决于结构面 强度
三、结构面的力学效应
令 f tgj 则
s1s312fC cj o2tfss3 in 2
1)当 j s1s3

2
s1s3

可见只有j 2 上式才有意义，即岩体才有可能沿节理破坏
2)对 求一阶导数，并令其为零得
ta2n1 45j
f
2
此时节理面对岩体的强度削弱最大，岩体有最小强度
完整性系数：<0.2 岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体介 质。
二 结构面的强度
结构面对岩体强度的主要影响是，岩体容易沿着结构面 发生剪切破坏，产生滑移。因此，对结构面，一般不做 压缩和拉伸强度试验，而做直接剪切试验。
1、平直结构面的抗剪强度 使用不同的试样，施加
不同的正应力si，可以
因此：室内试验的结果不能代表现场的工程岩石。
为什么相差如此之大？是偶然还是普遍情形？
回答：普遍。尺寸较大的现场岩石，其强度通常都远低 于小块岩石的强度。
原因何在？ 现场岩石中的断层、层面、节理、裂隙等各种软弱结构
面，是造成岩石强度下降的主要原因。 室内试验的小试块，只包含微裂隙，不会有断层、节理
散体结构
（1）整体结构
岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥， 层面 结合良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺 寸大于工程尺寸。
完整性系数 > 0.75 结构面间距 > 1.0 m 岩土工程特征：整体性强度高，岩体稳定，可视为 均质、各向同性的连续介质。
（2）块状结构
节理发育，有若干软弱夹层或贯通微张裂隙将岩体切割成柱 状、块状或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上节理明显 发育，构成影响工程稳定性的可能危险岩块，其尺寸小于工程 几何尺寸。
贯通情况： 主要指结构面长度与岩石工程尺度之间的关系。可 分为
1. 非贯通
2. 半贯通
3. 贯通
结构面是否贯通，对岩石工程的稳定性有很大影响。
4、结构面的密集度
结构面发育的密集程度，通常可以用两个指标来衡量： 1.裂隙度 k ——指单位长度上节理的条数； 2.切割度d——岩体被结构面切割分离的程度，结构面
爬坡(爬坡角)：沿斜面的滑动现象称为 爬坡；粗糙角i又称爬坡角。
2、粗糙结构面的抗剪强度
于是，作用在锯齿上的正应力si和剪应力
ti，可分别由下式计算：
si scoi stsiin
ti tcoi sssiin
在推力T达到极大值，试样即将发生破坏
的式瞬：间，正应力si和剪应力ti应该满足下
面积与评价断面面积之比。
统计结构面密集程度的方法——详细观测线法。
（1）裂隙度K
单组结构面 多组结构面
a.单组节理
设观测线长度为 ，在 上出现的
节理的个数为n，
则 k n
节理之间的平均间距为
d l 1 nk
10m
实例： k=4/10=0.4/m d=1/k=2.5m
b.多组节理
大多数结构面，两表面之间相互还有一定粘结力。因此， 试验所得结果，C值一般不为零。(等同于抗剪断试验)。
抗剪断试验以后，如果对这同一组试样再做一次直剪试 验（抗摩擦试验，即残余抗剪强度），此时所得的C值等 于零。
tCpstanp
r 为残余摩擦角，一般比 峰值摩擦角 p 小。
2、粗糙结构面的抗剪强度
Xe

a A
n
a ai
i
5、结构面的充填物
结构面强度与有无充填物及充填物的性质密 切相关。
1.2 岩体结构的类型
岩体结构：指岩体中结构面和结构体的形态及组合特征。 按岩体被结构面分割的程度或结构体的形态特征，可将岩体结 构划分为以下几种基本类型：
岩体结构
整体结构 块状结构 层状结构 碎裂结构
构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填。 岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条块状岩 石，属不均一的不连续介质，稳定性很差。
岩体 镶嵌结构 层状碎裂结构 破碎结构
完整性系数 <0.36 <0.4 <0.3
结构面间距 <0.5m <1m <0.5m
（5）散体结构
主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结构 面相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层泥， 呈松散堆积或压密堆积。
径小的节理发生破坏；
C如果都不符合 12，则岩体强度取决于岩石强度，不受
节理存在的影响。
（4）当Cj=0时节理面的力学效应
这时库仑准则
t stgj
由强度准则公式推导可得：
s1 tg
s3 tg j
2. 构造结构面 指由地球构造活动所产生的结构面。包含：节理、
劈理、断层等。
3. 次生结构面 指在次生作用下形成的结构面。如风化裂隙、泥
化夹层等。
1.2 结构面的几何特征
结构面的存在，会使岩体的性质发生很大变化，强 度大大降低。然而，随着结构面产状、形态、延展 尺度、规模大小、发育程度等因素的变化，岩体强 度也会发生极大变化。
完整性系数 0.35～0.75 结构面间距 0.5～1.0 m 岩土工程特征：整体性强度较高，结构面相互牵制，岩体基 本稳构
由中厚（0.25～0.5 m）及薄层（<0.25m）的均一、坚硬、软弱 或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成的岩体。结构面以层理、 片理、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状互相紧 密叠合。
第二章 岩体力学性质与岩体分类
2.1 岩体的特点
前一章讨论了岩石的力学性质。有关结果都是由岩石试 块在实验室试验所获得的。
室内试验的结果能否反映现实工程中材料的力学性质？ 在机械行业中，回答是肯定的。
岩石工程中呢？奥地利岩石力学专家Müller的例子：花 岗岩，室内试验的岩石抗压强度为250MPa;根据边坡破 坏情况反推的现场岩石的抗压强度：1.25MPa。
设结构面表面不平，并具有角度为i(粗糙 角)的规则齿状突起。于是，在直剪试验 中，在推力T的作用下，上半部分就会沿 齿向上移动。
两个概念：
剪胀：在沿斜面滑动时，将产生沿水平 方向的切向位移u和垂直方向的法向位移 v，导致整个岩块体积膨胀(膨胀是由新 增空隙所致)，这种体积膨胀现象称为剪 胀。
完整性系数：层状 0.3～0.6; 薄层状 <0.4 结构面间距：层状 0.3～0.5 m ；薄层状 <0.3 m 岩土工程特征：工程范围内，一组节理明显发育，在层内具有均 一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连续介质。 其变形和强度特征受层面及岩层组合控制，岩体稳定性较差。
（4）碎裂结构
2. 结构面粗糙：
正应力较小时: （i也称爬坡角）
tstg(j i)
正应力较大时（锯齿被剪断）：
tstgj Cj
三、结构面的力学效应