结构面的力学性质
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
结构面性质
结构面结构面是具有极低的或没有抗拉强度的不连续面。
结构要素或构造形迹的形象和相对位移的踪迹，反映了地壳运动影响下地应力作用的性质和特征。
由于矿物微区测试技术的引入，结构面力学性质的鉴定工作逐步得到深入和发展。
根据受应力作用岩石的组构类型（或干涉色对比）和产生的应力矿物特征，可推断结构面的应力性质。
按力学性质分为下列5种：①压性结构面,简称挤压面。
岩块或地块受挤压产生的结构面，其走向与主压应力作用面平行，并具有明显的挤压特征。
如单式或复式褶皱轴面、逆断层或逆掩断层面、片理面、挤压带和一部分劈理等。
②张性结构面，简称张裂面。
岩块或地块由于引张作用而产生的垂直于主张应力的破裂面，或受挤压而产生的平行于主压应力的破裂面。
③扭性结构面，简称扭裂面，岩块或地块遭受挤压而产生的一对与主压应力作用面斜交的破裂面。
如平移断层面等。
④压性兼扭性结构面，简称压扭面。
指既具有压性又具有扭性的结构面。
如扭动构造体系中挤压面兼具水平位移的破裂面，以及各种旋卷构造体系中与整个体系作相同方向扭动的压性结构面。
由于区域扭动而发生的两组扭裂面，当扭动按原来方向持续进行时，其中与扭动方向夹角较大的一组，有时转变为挤压面，这种由初次扭裂面转变成的二次挤压面，可称为扭性兼压性结构面，简称为扭压面。
⑤张性兼扭性结构面，简称张扭面，指既具张性又具有扭性的结构面。
如扭动构造体系中，与压性结构面同时存在的具有水平位移的张裂面，以及各种旋卷构造体系中，与整个体系中作相同方向扭动的张裂面。
由于区域扭动而发生的两组扭裂面，当扭动按原方向持续进行时,两组扭裂面中，与扭动方向夹角较小的一组,有时转变为张裂面，这种由初次扭裂面转变成的二次张裂面，可称为扭性兼张性结构面，简称扭张面。
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。
《岩石力学与工程》蔡美峰版考试知识点
地应力是存在于地层中的为受工程扰动的天然应力。
也称为岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。
地质软岩：单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软化及风化膨胀性一类岩体的总称。
工程软岩：工程力作用下能产生显著性变形的工程岩体。
声发射：材料在受到外载荷作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，发生声响。
岩石岩石地下工程：地下岩石中开挖并临时获永久修建的各种工程。
围岩：在岩石地下地下工程中，由于受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体。
锚喷支护：锚杆与喷射混凝土联合支护的简称。
边坡：岩体、土体在自然重力作用或人为作用而形成一定倾斜度的临空面。
岩石：自然界各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物。
容重：岩石单位体积的重量。
根据含水情况将岩石的容重分为天然容重、干容重、饱和容重。
孔隙性：天然岩石中包含着数量不等、成因各异的孔隙和裂隙。
孔隙率：指岩石孔隙的体积与岩石总体积的比值，以百分数表示。
分为总孔隙率、总开孔隙率、大开孔隙率、小开孔隙率、和闭孔隙率。
孔隙率愈大，岩石力学性能越差。
水理性：岩石与水相互作用时所表现的性质。
包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。
岩石强度：岩石在各种载荷作用下达到破坏时所能承受的最大应力。
单轴抗压强度：岩石在单轴压缩载荷作用下达到破坏前所能承受的最大压应力。
岩石破坏形式：x状共轭斜面剪切破坏。
这种破坏形式是最常见的破坏形式；单斜面剪切破坏。
这两种破坏都是由于破坏面上的剪应力超过极限引起的。
拉伸破坏：横向拉应力超过岩石抗拉极限引起的。
流变破坏：岩石的三轴抗压强度：岩石在三向荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力。
莫尔强度包络线：同一种岩石对应各种应力状态下破坏莫尔应力圆外公切线。
直线型、抛物线型、双曲线型。
点载荷试验：试验所获得的强度指标值可以用做岩石分级的一个指标。
点载荷实验装置是便携式的，可带到岩土工程现场去做实验。
点载荷试验对试件的要求不严格。
缺点是要根据经验公式进行换算。
结构面的力学性质课件
结构面的分类
01
02
03
04
按成因分类
可分为原生结构面、次生结构 面和构造结构面等。
按规模分类
可分为大、中、小三个级别， 其中大型结构面影响区域稳定 ，中型结构面影响工程岩体稳 定性，小型结构面影响岩体的 强度和稳定性。
按产状分类
可分为走向、倾向和斜向结构 面等。
03 影响因素
04 试验方法
05 工程应用
结构面的弹性模量是指结 构面在弹性变形阶段，所 受应力与应变之比。
结构面的泊松比是指结构 面在单向受拉或受压时， 横向应变与纵向应变之比 。
结构面的弹性模量和泊松 比主要受岩性、胶结物性 质、胶结程度等因素的影 响。
通过室内试验和现场试验 ，可以测定结构面的弹性 模量和泊松比。室内试验 常用的方法有单轴压缩试 验和三轴压缩试验，现场 试验常用的方法有岩石压 缩试验和大型压缩试验。
结构面的弯曲变形
弯曲变形是指结构面在垂直于 其平面的方向上产生的弯曲， 通常由重力、温度变化等外部 因素引起。
弯曲变形会导致结构面中间部 位凸起或凹陷，从而影响结构 的承载能力和稳定性。
弯曲变形的程度可以通过挠度 计进行测量，并根据测量结果 对结构进行相应的加固或调整 。
结构面的拉伸与压缩
拉伸与压缩是指结构面在平行于其平面的方向上产生的伸长或缩短，通常由地震、 车辆荷载等外部因素引起。
结构面的产状、形态、粗糙度、充填情况等特征对岩体工程地质灾害的发生和发 展有重要影响，例如：陡倾角结构面、张开度较大的结构面、粗糙的结构面等都 可能引发岩体工程地质灾害。
05
结构面研究的意义与展望
结构面研究的意义
岩石力学复习资料
9． 结构面的剪切变形、法向变形与结构面的哪些因素有关？答：结构面的剪切变形、法向变形与岩石强度、结构面粗糙性和法向力有关。
10.结构面力学性质的尺寸效应体现在哪几个方面？答：结构面试块长度增加，平均峰值摩擦角降低，试块面积增加，剪切应力呈现出减小趋势。
此外，还体现在以下几个方面：（1）随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度时的位移量增大；（2）试块尺寸增加， 剪切破坏形式由脆性破坏向延伸破坏转化；（3）尺寸增加，峰值剪胀角减小，结构面粗糙度减小，尺寸效应也减小。
12.具有单结构面的岩体其强度如何确定？答：具有单结构面的岩体强度为结构面强度与岩体强度二者之间的最低值。
结构面强度为：σ1 = σ3+2 ⋅ (C j +σ3⋅tg φj )(1 -tg φj ctg β ) ⋅ sin 2β岩体强度为：σ=1 + sin φσ +2 ⋅C ⋅ cos φ 1- sinφ3 1 - sin φ118.岩体质量分类有和意义？答：为了在工程设计与施工中能区分岩体质量的好坏和表现在稳定性上的差别，需要对岩体做出合理分类，作为选择工程结构参数、科学管理生产以及评价经济效益的依据之一，也是岩石力学与工程应用方面的基础性工作。
19.CSIR 分类法和Q 分类法各考虑的是岩体的哪些因素？答: 岩体地质力学分类是由岩体强度、RQD 值、节理间距、单位长度的节理条数及地下水５种指标分别记分，然后累加各项指标的记分，得出该岩体的总分来评价该岩体的质量。
CSIR=A+B+C+D+E＋FA——岩体强度（最高15分）；B——RQD 值（最高分20分）；C——节理间距（最高分20 分）D——单位长度的节理条数（最高分30 分）E——地下水条件（最高分15 分）。
F——节理方向修正分（最低－60，见表2-17b）巴顿岩体质量（Q）分类由Barton 等人提出的分类方法：Q ＝RQD⋅J r⋅Jw J n J aSRF考虑因素: RQD——岩石质量指标；J n——节理组数；J r——节理粗糙系数；J a——节理蚀变系数；J w——节理水折减系数；SRF——应力折减系数。
岩体力学——精选推荐
一、绪论1、工程岩体力学研究的根本目的和任务。
根本目的：评价和研究岩体的稳定性。
任务：研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体的变形和稳定性。
2、工程力学的研究内容：（1）岩块、岩体的地质特征；（2）岩石的物理、水理及热学特性；（3）岩块的力学性质；（4）结构面的力学性质；（5）岩体的力学性质；（6）岩体的天然应力分布规律；（7）岩体工程问题：地基、边坡、洞室岩体；（8）岩体性质改善与加固。
3、岩体力学的研究方法：（1）工程地质方法：研究岩块、岩体的地质与结构特征，为岩体力学研究提供地质资料和地质模型。
分为：a、岩矿鉴定：了解岩石的岩性、矿物成分及结构构造及成因环境。
b、地层、构造：了解岩体的地质成因、空间分布及各种结构面的发育情况，分析岩体构造变形及应力状态。
c、赋水特性：了解岩体中水分的形成、赋存与运移规律。
（2）物理实验方法：提供岩体的物理力学参数；评价岩体的变形和稳定性；岩石力学的变形与强度的机制。
分为：室内岩石物理力学试验；原位岩体力学试验、监测；天然应力测量；工程岩体物理模型试验。
（3）数学力学分析方法：建立岩体力学模型，采用适当的分析方法预测岩体在不同力场作用下的变形与稳定性。
分为：a、力学模型：本构关系、强度准则刚体力学；弹性力学；弹塑性力学；断裂力学；损伤力学；流变力学等b、分析方法：块体极限平衡法；数值模拟法等系统论；信息论；人工智能专家系统；灰色系统等二、岩块和岩体的地质特征1、岩石：由具有一定结构构造的矿物集合体组成。
2、岩块：由地质作用形成的，具有一定的岩矿组合和较强的连接强度、不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小单元。
3、结构面：地质历史发展过程中，在地质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。
包括：物质分异面和不连续面。
软弱结构面：在结构面中，那些规模较大、强度低、易变形的结构面称为软弱结构面。
4、岩体：在地质历史过程中形成的、由岩石块体和结构面网络组成的、具有一定的岩石成分和结构，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。
岩体力学第五章 结构面的变形与强度性质
Δ Ｖｔ
Δ Ｖｒ
Δ Ｖｊ
应力-变形关系曲线
A B
应力-变形关系曲线特征
• 开始时随着法向应力增加， 结构面闭合变形迅速增长。当σ ｎ增到一定值时，σ ｎΔ Ｖｔ曲线变陡，并与σ ｎ-Δ Ｖｒ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Δ Ｖｊ则趋于结构面最大闭合量Ｖｍ。
• 初始压缩阶段，含结构面的岩块变形Δ Ｖｔ主要由结构 面闭合造成。试验表明，当σ ｎ＝１ＭＰａ时， Δ Ｖｔ ／ Δ Ｖｒ可达５～３０，说明Δ Ｖj占了很大一部分。 • 法向应力σ ｎ大约从σ ｃ/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。
应力-变形关系曲线特征
（2）经验估算
由Bandis 方程估算
n
V j
K niVm V j Vm V j
K niVm n
nVm
Kn
n K ni ( V j ) (1 V j Vm ) 2
Kn
K ni n 1 K niVm n
n
当 n 时, V j Vm b a Vm
K ni n V j 1 a (1 b aV j ) 2 V j 0 1 a V j 0
a 1 K ni
n
K niVm V j 较适合于未经滑错位移的嵌 Vm V j
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、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ⅴ级
连续性极差，刚性接触的细 微小节理、隐微裂隙和 小或隐微裂面，统计结构面。 线理等。
资源与环境工程学院
结构面类型及特征
①按工程尺寸的分类（相对分类）
工程结构 尺寸/ m L 平 硐 小型基础 隧 斜 洞 坡 Φ =3 b=3 Φ =30 h=100 h=40 h=40 h=100 h=300 影响带直径/ m D 10 10 100 100 >100 >100 300 300 细小 0~0.2 0~2 0~2.5 0~6 结构面长度/ m 中等 0.2~2 2~20 2.5~25 6~60 大型 >2 >20 >25 >60
Ⅱ级
主要包括不整合面、假 属于软弱结 整合面、原生软弱夹层、 构面，形成 层间错动带、断层侵入 块裂边界。 接触带、风化夹层等。 各种类型的断层、原生 软弱夹层、层间错动带 等。 多数属于坚 硬结构面， 少数属软弱 结构面。
Ⅲ级
Ⅳ级
节理、劈理、片理、层 理、卸荷裂隙、风化裂 隙等。
坚硬结构面。 划分Ⅱ类岩体结构的基本依据，是岩体力 学性质、结构效应的基础。破坏岩体的完 整性，与其他结构面结合形成不同类型的 边坡破坏方式。 坚硬结构面 分布随机，降低岩块强度，是岩块力学性 质效应基础。若十分密集，又因风化，可 形成松散介质。
结构面类型及特征
结构面：
是具有一定方向，厚度较小，延展性较大 的二维地质界面。
资源与环境工程学院
结构面类型及特征
结构面类型划分
• 按结构面成因划分 ①原生结构面。 ②构造结构面。 ③次生结构面。
资源与环境工程学院
结构面类型及特征
①原生结构面：成岩过程中形成的结构面。
②构造结构面：在各种构造应力作用下形成的 结构面，如节理、断裂、劈理以及层间错动引 起的破碎带等。 ③次生结构面：在各种次生作用下形成的结构
资源与环境工程学院
结构面的密集程度
切割度:表示岩体被结构面切割的程度。
a : 结构面面积；
A : 假想断面面积
a Xe A
当岩体中存在多组结构面时，此时切割度为：
Xe a1 a2 an A
资源与环境工程学院
结构面的密集程度
不同切割度对应岩体的贯通类型
非贯通
半贯通
贯通
资源与环境工程学院
洞 穴 小型水坝 大型水坝 高斜坡
注：Φ — 洞径；b — 基础宽度；h —工程结构体高度；
资源与环境工程学院
结构面类型及特征
②按力学观点的分类
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
资源与环境工程学院
结构面的状态
结构面的状态：
结构面的产状、形态、延展尺度、密集程度
以及结构面的接触类型、胶结、充填情况是影
响岩体强度和稳定性的重要因素。
面，如风化裂隙、冰冻裂隙以及重力卸载裂隙
等。
资源与环境工程学院
结构面类型及特征
原生结构面又细分为：
①沉积结构面：沉积岩层在成岩过程中形成的 结构面，如层理、层面、假整合和不整合等。 ②火成结构面：岩浆侵入活动及冷凝过程中形 成的，如岩浆岩的流层、流纹、冷却收缩形成 的张裂隙；火成岩体与围岩的接触面。 ③变质结构面：受变质作用形成的结构面，如 片理、板理等。
资源与环境工程学院
结构面类型及特征
④压扭性结构面：既有压性结构面的特征，也 有扭性结构面的特征。 ⑤张扭性结构面：既有张性结构面的特征，也 有扭性结构面的特征。
资源与环境工程学院
结构面类型及特征
资源与环境工程学院
结构面类型及特征
资源与环境工程学院
结构面类型及特征
资源与环境工程学院
结构面类型及特征
资源与环境工程学院
结构面的接触类型、胶结与充填
资源与环境工程学院
结构面类型及特征
结构面类型划分
• 按结构面受力条件划分 ①压性结构面。 ②张性结构面。 ③扭性结构面。 ④压扭性结构面。 ⑤张扭性结构面。
资源与环境工程学院
结构面类型及特征
①压性结构面：由压应力挤压构成，其走向与 最大主应力方向垂直。 ②张性结构面：在拉应力作用下产生，其走向 与最大主应力方向一致。 ③扭性结构面：由纯剪或压张应力引起的剪应 力所形成的结构面。
很大影响。
资源与环境工程学院
结构面的密集程度
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。
K
n L L n
n : 节理数
L : 测线长度
d
d : 节理平均间距
资源与环境工程学院
结构面的密集程度
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。
K K a Kb K n
资源与环境工程学院
结构面的状态
①结构面的产状：对岩体是否沿着某一结构面 滑动其控制作用。 ②结构面的形态：决定岩体沿结构面滑动时抗
滑力的大小。 ③结构面的延展尺度：决定岩体的强度。
资源与环境工程学院
结构面的状态
④结构面的密集程度：决定了岩体的被切割程 度，极大影响着岩体的强度。 ⑤结构面的胶结与充填情况：对岩体的强度有
二、结构面的分类
①按工程尺寸的分类（绝对分类）
结构面分级及其特性 级序 Ⅰ级 分级依据 延伸数十公里，深度可切穿 一个构造层，破碎带宽度在 数米至数十米以上。 延伸数百米至数公里，破碎 带宽度比较窄，几厘米至数 米。 延伸数十米，无破碎带，面 内不含泥，有的具泥膜。仅 在一个地质时代的地层中分 布，有时仅仅在某一种岩性 中分布。 延伸数米，未错动，不含 泥，有的呈弱结合状态，统 计结构面。 地质类型 主要指区域性深大断裂 或大断裂 力学属性 属于软弱结 构面，构成 独立的力学 介质单元 对岩体稳定性的作用 影响区域稳定性，山体稳定性，如直接通 过工程区，是岩体变形或破坏的控制条 件，形成岩体力学作用边界 控制山体稳定性，与Ⅰ级结构面可形成大 规模的块体破坏，即控制岩体变形和破坏 方式。 控制岩体稳定性，与Ⅰ、Ⅱ级结构面组合 可形成不同规模的块体破坏。划分Ⅱ类岩 体结构的重要依据。
结构面的接触类型、胶结与充填
结构面的接触类型、胶结与充填情况对岩 体对强度的影响
资源与环境工程学院
结构面的接触类型、胶结与充填
胶结物成分对岩体对强度的影响：
•泥质胶结：强度最低，在脱水情况具有一定强 度，遇水发生泥化和软化，强度显著降低。 •可溶盐类胶结：干燥时具有一定强度，遇水溶 解，强度降低。 •钙质胶结：强度较高，且不受水的影响，但在 酸性水作用下，强度降低。