结构面的基本性能
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。
4.3.2 结构面的力学效应
nh
若已知Eeff和Ee，也可根据上式求 得nh。
三. 岩体的应力-应变曲线分析
(3)按等价连续体确定
结构面间距s，相互平行，结构
σ
面法向刚度系数Kn，把岩体看作等 价连续体，设弹模为En，则
s
σ =σ +σ
En Eer Kns
σ
En
=
Eer Kns Eer + Kns
四 . 岩体力学性能的现场测试
将式(6)对β求导，并令值为零，可求 得当β=45°+ϕj/2时，σ1-σ3有最小值， 即
σ 1min
=
σ 3tg 2 ⎜⎜⎝⎛ 45° +
ϕj 2
⎟⎟⎠⎞ +
2c jtg⎜⎜⎝⎛ 45° +
ϕj 2
⎟⎟⎠⎞
二 . 结构面的力学效应
当β=ϕj或90°时，σ1可无限增大，结构 面均不会破坏（实际是不能无限增大 的，因为当σ1增大到一定值时切岩石破 坏）。 因此，当倾角β满足ϕj<β<90°时，才可 能沿结构面破坏（必要条件）。
令
ζ = (σ1 + σ 3 )sin ϕ j + 2c j cosϕ j
σ1 −σ3
则式(5)变为
sin(2β −ϕ j ) = ζ
二 . 结构面的力学效应
解上式得
τ
( ) ⎪⎧β1
⎨
⎪β ⎩
2
= =
1 2
ϕ
j
1π
2
+ +
1 2 ϕ
arcsin ζ
j
− 1 arcsinζ 2
τ=σntgϕ+c
τ=σntgϕj+cj
结构面的力学性质资料共48页文档
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
48
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为
结构面抗剪试验
结构面抗剪试验引言：结构面抗剪试验是土木工程中常用的一种试验方法，用于评估结构面的抗剪性能。
结构面主要存在于岩石、混凝土等材料中，其抗剪性能的好坏直接影响着工程的安全性和稳定性。
本文将介绍结构面抗剪试验的基本原理、试验方法、试验结果分析以及应用前景。
一、结构面抗剪试验的基本原理结构面抗剪试验是通过施加剪切力来模拟结构面在实际工程中所承受的力学作用，以评估其抗剪性能。
在试验中，通过加载设备施加垂直于结构面的剪切力，观察结构面的破坏行为和承载能力。
二、结构面抗剪试验的方法1. 横向剪切试验：将结构面样本置于加载设备中，施加横向剪切力，观察结构面的破坏形态和承载能力。
该方法适用于评估结构面的整体抗剪性能。
2. 剪切箱试验：将结构面样本置于剪切箱中，施加剪切力，并通过测量位移和应变等参数来评估结构面的抗剪性能。
该方法适用于对结构面进行力学性能分析和参数研究。
三、结构面抗剪试验的结果分析结构面抗剪试验的结果主要包括破坏形态、承载能力和应力-应变曲线等。
通过分析这些结果，可以评估结构面的抗剪性能，并为工程设计提供参考依据。
1. 破坏形态：结构面在抗剪试验中的破坏形态通常表现为剪切破坏、剥离破坏或剪切剥离共同作用的破坏形态。
破坏形态的观察可以揭示结构面的强度、韧性和稳定性等特性。
2. 承载能力：结构面的承载能力是指结构面在抗剪试验中所能承受的最大剪切力。
承载能力的高低直接影响着结构的安全性和稳定性。
3. 应力-应变曲线：结构面在抗剪试验中的应力-应变曲线可以反映其力学性能。
通常情况下，应力-应变曲线呈现出线性阶段和非线性阶段，其中线性阶段称为弹性阶段，非线性阶段称为塑性阶段。
四、结构面抗剪试验的应用前景结构面抗剪试验在工程领域中具有广泛的应用前景。
通过对结构面的抗剪性能进行评估，可以为工程设计提供可靠的理论依据。
例如，在岩体工程中，评估岩石结构面的抗剪性能可以为岩体稳定性分析和支护设计提供重要参考。
此外，结构面抗剪试验还可以应用于混凝土结构、土体工程等领域。
结构面的抗剪强度
成因类 型
沉积 结构 面
原 生 岩浆 结 岩结 构 构面 面
变质 结构 面
地质类型 产状
主要特征 分布
性质
1层理层面 2软弱夹层 3不整合面、假整合面 4沉积间断面
一般与岩层产 状一致，为层 间结构面
海相岩层中此类结构 面分布稳定，陆相岩 层中呈交错状，易尖 灭
层面、软弱夹层等结构面较为平 整；不整合面及沉积间断面多由 碎屑泥质物构成，且不平整
❖2、间距(d)则是指同一组结构面法线方向上两相
邻结构面的平均距离。
Kd与d互为倒数关系 如果测线水平布置，且与结构面法线的夹角为α， 结构面的倾角为β时:
Kd
L sin
n
cos
sin
K
' d
cos
结构面间距分级表
描述 极密集的间距 很密集的间距
密集的间距 中等的间距 宽的间距 很宽的间距 极宽的间距
1侵入体与围岩接触面 2岩脉岩墙接触面 3原生冷凝节理
岩脉受构造结构 面控制，而原生 节理受岩体接触 面控制
接触面延伸较远，比 较稳定，而原生节理 往往短小密集
与围岩接触面可具熔合及破碎两 种不同的特征，原生节理一般为 张裂面，较粗糙不平
1片理 2片岩软弱夹层
产状与岩层或构 造方向一致
片理短小，分布极密， 结构面光滑平直，片理在岩层深
2、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。
• 特点：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕 镜面等。
二、结构面特征及其对岩体力学性质的影响
（一） 结构面的产状
• 走向、倾向、倾角 • 结构面与最大主应力间
岩体力学第二章 岩块、结构面及岩体的地质特征
2h i arctg( ) L
第二章 岩块、结构面和岩体的地质特征
结构面的粗糙度用粗 糙度系JRC表示 (joint roughness coefficient) 。 随粗糙度的增大，结 构面的摩擦角也增大。 根据标准粗糙度剖面 将结构面的粗糙度系 数划分为10级。
第二章 岩块、结构面和岩体的地质特征
第二章 岩块与岩体的地质特征
一、几个基本概念 二、岩块的物质组成与结构特征 三、结构面特征
四、岩体的结构特征
第二章 岩块与岩体的地质特征
一、 几个基本概念
1.岩石（Rock）矿物、岩屑的集合体。 2.结构面（Structural Plane） 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。 分异面和不连续面
3.岩块（Rock block 或 Rock）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。
பைடு நூலகம்
4.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。
思考题一
1、岩块与岩体有哪些区别？ 2、试比较土与岩有那些异同点？
《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）
波速比
风化系数
第二章 岩块、结构面和岩体的地质特征
§ 2.3 结构面特征
.结构面（Structural Plane） 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。包括物质分异面和不连 续面，如层面、不整合面、节理面、断层、片理面等 软弱结构面
一、结构面的成因类型 (一)地质成因类型
第五章结构面的变形与强度性质
第五章结构面的变形与强度性质1、岩体稳定性分析和地下水渗流分析通常把岩体视为由岩块（结构体）与结构面组成的地质体。
2、岩体工程中的软弱夹层问题：如黄河小浪底水库工程左坝肩的泥化夹层；葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层；黑河水库左坝肩单薄山梁的断层引发的渗漏问题；长江三峡自然坡中的软弱夹层等。
这些软弱结构面在不同程度上影响和控制着工程岩体的稳定性。
因此，结构面变形与强度性质的研究，在工程实践中具十分重要的实际意义：1）大量工程实践表明：在工程荷载（小于10Mpa）范围内，工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。
因此，结构面的强度性质的研究是评价岩体稳定性的关键。
2）在工程荷载作用，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。
4）工程荷载作用下，岩体中的应力分布受结构面及其力学性质的影响。
第一节结构面的变形性质（特性）结构面的变形包括法向变形和剪切变形两个方面。
一、结构面的法向变形1．法向变形特征（Normal deformation）设不含结构面岩块的变形为ΔVr，含结构面岩块的变形为ΔVt，那么结构面的法向闭合变形ΔVj为：ΔVj=ΔVt－ΔVr由结构面法向应力σn与变形的关系曲线可得如下特征：1）σn↑，ΔVj↑↑，曲线呈上凹型；σn→σ0，σn－ΔVt变陡，与σn－ΔVr大致变形；2）初始压缩阶段，ΔVt主要由结构面闭合造成的；3）试验研究表明，当开始，含结构面岩块的变形由以结构面的闭合→岩块的弹性变形；4）σn－ΔVj曲线的渐近线大致为：ΔVj=Vm5）结构面的最大闭合量小于结构面的张开度（e）。
图5.1 典型岩块和结构面法向变形曲线含结构面的岩块和不含结构面的岩块在法向上加荷、卸荷后的应力—变形曲线，见教材P76-77（Bandis等，1983）。
2．法向变形本构方程（法向应力与变形之间的关系）这方面的研究目前仍处于探索阶段，已提出的本构方程都在试验的基础上总结出来的经验方程，如Goodman，Bandis及孙广忠等人。
第四章 岩体的基本力学性能
Tan =T/N=( NCOSβ－TSINβ)/(N SINβ+ TCOSβ) —岩体在外力作用下的总摩擦角。
2019/6/7
山东科技大学
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• 在这样的状态下，结构面不沿着平行剪切力Ｔ的ＡＢ
面发生，而是沿着一个低强度面 AB （齿面） 产生。
此时，试件发生破坏，齿形面上的力也满足其摩擦强 度条件。
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一、结构面定量描述的基本参数
结构面是没有或有极低抗拉强度的力学不连续面， 包括一切地质分离面。
结构面的８个描述参数： 1．产状：结构面的空间分布状态。由走向，倾向
和倾角所组成得三要素描述。一般只用倾向和倾角 来描述。
走向：节理面与水平面相交的交线方向，用方位角表示。 例如 N30°E。
三、岩体破碎程度分类
岩体破碎程度的分类，是表达结构面对岩体完 整性影响的一种评价。
缪勒的半定量和半定性的评价方法。
（一）裂隙度K
（1）裂隙度K是沿着取样线方向，单位长度上 节理的数量。
设有一取样线，其长度为l，在沿l长度内出现节
理数n， 则 ｋ＝ｎ／l
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在进行变形分析时，结构面的上下2个岩块产生相 对位移，不仅沿着剪力方向产生位移u，而且沿垂 直方向产生位移v，意味着在剪切过程中将产生结 构面的扩容现象。从图4-15（b）得出如下的特性: 在剪切力的作用下，结构面的上半块试件将沿爬坡 角产生位移，当齿形越过齿尖时将沿齿形的另外一 个斜面产生位移。因此，在水平位移和垂直位移的 坐标下，将表现出齿形的轮廓线。
学时分配： 6 学时。
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降低岩体强度
岩体结构要素 结 结 （构 构 单 坚 面 软 板 体 块 元硬 弱 状 状 ）结 结 结 结干 构 夹 构 构 构净 面 泥 面 体 体 的 的 （ （ 于 ， 长 1短 5的 夹 厚 轴） 层 比 的大 ）
岩体强度=岩块强度+节理强度
WUST
图1 节理岩体的强度特征与岩石强度的区别 Ⅰ－岩石；Ⅱ－节理化岩体：Ⅲ－节理
2、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。
❖ 特点：连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕镜面等。
WUST
二、结构面的规模
❖ Ⅰ级 指大断层或区域性断层。控制工程建设地区的地壳稳定 性，直接影响工程岩体稳定性；
❖ Ⅱ级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面。
变质结 1片理 构面 2片岩软弱夹层
产状与岩层或构 造方向一致
构造结构面
1节理（X型节理、张节 理） 2断层（冲断层、捩断 层、横断层） 3层间错动 4羽状裂隙、劈理
产状与构造线呈 一定关系，层间 错动与岩层一致
片理短小，分布极密， 片岩软弱夹层延展较 远，具固定层次
结构面光滑平直，片理在岩层深部 往往闭合成隐蔽结构面，片岩软弱 夹层具片状矿物，呈鳞片状
国内外较大的坝基滑动及滑坡很多由此 类结构面所造成的，如奥斯汀、圣·弗 朗西斯、马尔帕塞坝的破坏，瓦依昂水 库附近的巨大滑坡
接触面延伸较远，比 较稳定，而原生节理 往往短小密集
与围岩接触面可具熔合及破碎两种 不同的特征，原生节理一般为张裂 面，较粗糙不平
一般不造成大规模的岩体破坏，但有时 与构造断裂配合，也可形成岩体的滑移， 如有的坝肩局部滑移
在变质较浅的沉积岩，如千枚岩等路堑 边坡常见塌方。片岩夹层有时对工程及 地下洞体稳定也有影响
张性断裂较短小，剪 切断裂延展较远，压 性断裂规模巨大，但 有时为横断层切割成 不连续状
张性断裂不平整，常具次生充填， 呈锯齿状，剪切断裂较平直，具羽 状裂隙，压性断层具多种构造岩， 成带状分布，往往含断层泥、糜棱 岩
对岩体稳定影响很大，在上述许多岩体 破坏过程中，大都有构造结构面的配合 作用。此外常造成边坡及地下工程的塌 方、冒顶
次生结构面
1卸荷裂隙 2风化裂隙 3风化夹层 4泥化夹层 5次生夹泥层
受地形及原结构 面控制
分布上往往呈不连续 状，透镜状，延展性 差，且主要在地表风 化带内发育
一般为泥质物充填，水理性质很差
3.次生结构面 是岩体形成后在外营力作用下产生的结构面，
包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。
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(二)力学成因类型
1、张性结构面是由拉应力形成的，如羽毛状张裂面、纵张及 横张破裂面、岩浆岩中的冷凝节理等
❖ 特点：张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙，起伏 度大及破碎带较宽,易被充填,常含水丰富，导水性强
在天然及人工边坡上造成危害，有时对 坝基、坝肩及浅埋隧洞等工程亦有影响， 但一般在施工中予以清基处理
WUST
WUST
WUST
WUST
WUST
WUST
WUST
WUST
WUST
WUST
WUST
WUST
WUST
WUST
(一)地质成因类型
1.
岩体在成岩过程中形成的结构面。
❖ 沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理面、
软弱夹层、沉积间断面和不整合面等。
❖ 岩浆结构面是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括岩
浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷
凝节理等。
❖ 变质结构面在变质过程中形成，分为残留结构面和重结晶结
构面。
2.构造结构面 是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破
裂面，包括断层、节理、劈理和层间错动面等。
1.2 结构面特征
(一)地质成因类型 原生结构面 构造结构面 次生结构面
(二)力学成因类型 张性结构面 剪性结构面
WUST
WUST
成因类型
地质类型
沉积 结构面
层面、层理、沉积间断面（不整合面、 假整合面）、原生软弱夹层
原
生
结
火成
流层、流线、火山岩流接触面，蚀变
构
结构面 带、挤压破碎带、原生节理
面
变质 结构面
片理、板理、软弱夹层
成因类型
构 造 结 构 面
WUST
地质类型 劈理 节理 断层
层间破碎夹层
成因类型
次 生 结 构 面
WUST
地质类型 卸荷裂隙
爆破裂隙 风化裂隙 风化夹层 泥化夹层
WUST
成因类型
地质类型
沉积结 构面
1层理层面 2软弱夹层 3不整合面、假整合面 4沉积间断面
原Hale Waihona Puke 生 结 构I 级深度可切穿一 个构造层
区域性深大 断裂
结构面， 构成独立
是岩体变形或破坏 的控制条件，
破碎带宽度在 或大断裂 数米、数十米 以上
图片欣赏
WUST
图片欣赏
WUST
图片欣赏
WUST
图片欣赏
WUST
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WUST
基本内容
1
结构面概述
2
结构面的变形特性
3
结构面的强度特性
WUST
1 结构面概述
WUST
1.1 几个基本概念
❖ 岩石（Rock）矿物、岩屑...... ❖结构面（Structural Plane）...... ❖岩块（Rock block 或 Rock）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。 ❖岩体（Rockmass） ......
结构面：断层、节理、褶皱……统称节理，由于节理的存 在，造成了介质的不连续，因而这些界面又称为不连续面 或结构面。
WUST
岩体
完整性很好——连续介质力学方法 非常破碎——土力学方法 两者之间——裂隙体力学方法
岩体不连续性，各向异性
岩浆岩 结构面
1侵入体与围岩接触面 2岩脉岩墙接触面 3原生冷凝节理
面
产状
一般与岩层产状 一致，为层间结 构面
岩脉受构造结构 面控制，而原生 节理受岩体接触 面控制
主要特征 分布
性质
工程地质评价
海相岩层中此类结构 面分布稳定，陆相岩 层中呈交错状，易尖 灭
层面、软弱夹层等结构面较为平整； 不整合面及沉积间断面多由碎屑泥 质物构成，且不平整
❖ Ⅲ级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好 的层面及层间错动等。
Ⅱ、Ⅲ级结构面控制着工程岩体力学作用的边界条件和 破坏方式，它们的组合往往构成可能滑移岩体的边界面，直 接威胁工程安全稳定性
WUST
级 序
分级依据
地质类型 力学属性 对岩体稳定性影响
延伸数十公里
属于软弱 影响区域稳定性