岩体结构与结构面性质课件

第第二二章章 岩体的力学性质岩体的力学性质11 1 岩体岩体结构结构2 2 结构面的几何性质与力学性质结构面的几何性质与力学性质3 3 岩体的强度性质岩体的强度性质4 4 岩体的变形性质岩体的变形性质5 5 岩体质量评价及其分类岩体质量评价及其分类本章内容：本章内容：22-1 岩体结构岩体结构结构面：结构面：是指岩体中存在着的各是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的种不同成因和不同特性的地质界地质界面面，包括物质的分界面、不连续，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、不整合面如节理、片理、断层、不整合面等。面等。结构体结构体：由结构面在岩体中切割：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为结构体（岩石而成的几何体称为结构体（岩石块体）。块体）。岩体岩体：结构面和结构体的地质统：结构面和结构体的地质统一体。一体。图图2-1 岩体结构示意岩体结构示意3 一、结构面一、结构面（1 1）地质成因类型）地质成因类型u 原生结构面原生结构面：岩体在成岩过程中形成的结构面。：岩体在成岩过程中形成的结构面。沉积结构面沉积结构面是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有层理面层理面、软弱夹层软弱夹层、沉积间断面沉积间断面和和不整合面不整合面等。等。1 1、成因类型、成因类型4火成结构面火成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（如：流层、流线、火山岩流接触面、蚀变带、原生节理等）。（如：流层、流线、火山岩流接触面、蚀变带、原生节理等）。567u变质结构面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在变质过程中形成（分为残留结构面和重结晶结构面），如：片理、片麻理、板理、软弱夹层等。面），如：片理、片麻理、板理、软弱夹层等。8u构造结构面构造结构面 是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面，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。包括断层、节理、劈理和层间错动面等。9u次生结构面次生结构面 是岩体形是岩体形成后在外营力作用下产生的成后在外营力作用下产生的结构面，包括卸荷裂隙、风结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。夹层等。10（2 2）力学成因类型）力学成因类型u剪性结构面剪性结构面是剪应力是剪应力形成的，破裂面两侧岩形成的，破裂面两侧岩体产生相对滑移，如逆体产生相对滑移，如逆断层、平移断层以及多断层、平移断层以及多数正断层等。数正断层等。张性结构面张性结构面是由拉应力形成是由拉应力形成的，如粘土岩失水收缩节理、的，如粘土岩失水收缩节理、岩浆岩中的冷凝节理等。岩浆岩中的冷凝节理等。平移断层平移断层正断层正断层逆断层逆断层11 2 2、分级、分级级序级序分级依据分级依据地质类型地质类型对岩体稳定影响对岩体稳定影响级级延伸延伸数公里数公里以上（最长达上以上（最长达上千公里），破碎带宽度数米千公里），破碎带宽度数米数十米数十米区域性深大断裂区域性深大断裂影响区域稳定性影响区域稳定性；如通过；如通过工程区，工程区，形成岩体力学作形成岩体力学作用边界用边界级级延伸延伸数百米数百米数公里，破碎数公里，破碎带宽度几厘米带宽度几厘米几米几米大中型断层、不整合大中型断层、不整合面、层间错动带、软面、层间错动带、软弱夹层等弱夹层等控制工程岩体力学边界条控制工程岩体力学边界条件和破坏方式件和破坏方式，与与级结级结构面组合直接威胁工程稳构面组合直接威胁工程稳定定级级延伸延伸十米十米数十米数十米，无破碎，无破碎带，面内不含泥，仅在一个带，面内不含泥，仅在一个地质年代的地层中分布地质年代的地层中分布小断层、软弱夹层、小断层、软弱夹层、层间错动带等层间错动带等控制工程岩体力学边界条控制工程岩体力学边界条件和破坏方式，直接威胁件和破坏方式，直接威胁工程稳定工程稳定级级延展数延展数厘米厘米数米数米，未错动，有，未错动，有的呈弱结合状态，统计结构面的呈弱结合状态，统计结构面节理、劈理、片理、层节理、劈理、片理、层理、卸荷裂隙、风化裂理、卸荷裂隙、风化裂隙隙控制岩体的结构、完整性控制岩体的结构、完整性和物理力学性质和物理力学性质 级级微米微米毫米毫米，细小或隐微裂，细小或隐微裂面，统计结构面面，统计结构面微小节理、隐微裂隙。微小节理、隐微裂隙。常包含在岩块内常包含在岩块内 控制岩块的力学性质控制岩块的力学性质 12 二、结构体二、结构体1 1、结构体分级、结构体分级 I级结构体级结构体：由由I级结构面切割成的结构体级结构面切割成的结构体(地质体地质体)。II级结构体级结构体：由：由I级结构体经级结构体经II级结构面切割而成的结构体级结构面切割而成的结构体(山体山体)。III级结构体级结构体：II级结构体再经级结构体再经III级结构面切割而成的结构级结构面切割而成的结构体。体。IV级结构体级结构体：III级结构体再经级结构体再经IV级结构面切割而成的结构级结构面切割而成的结构体（完整岩石或岩块）。体（完整岩石或岩块）。13 2 2、结构体的块度、结构体的块度 结构体的块度通常指最小结构体的尺寸。在岩体结构体的块度通常指最小结构体的尺寸。在岩体工程稳定性分析中，工程稳定性分析中，结构体的块度决定了工程围岩的结构体的块度决定了工程围岩的破坏方式，从而决定了支护和加固方法破坏方式，从而决定了支护和加固方法。在开挖过程。在开挖过程中结构体的块度影响施工及临时支护。中结构体的块度影响施工及临时支护。14三、岩体结构类型三、岩体结构类型按按岩体岩体I级结构级结构被被大规模大规模结构面分割的结构面分割的形态特征可将岩体结构形态特征可将岩体结构分为分为块块状结构状结构和和板层状结构。板层状结构。I I级级岩体结构岩体结构整体结构整体结构 板层状结构板层状结构 块状结构块状结构 碎裂结构碎裂结构散体结构散体结构块状碎裂结构块状碎裂结构层状碎裂结构层状碎裂结构块状结构块状结构将大规模结构面切割成的岩体结构定义为将大规模结构面切割成的岩体结构定义为I级结构级结构；在；在I级结构基础级结构基础上，次级结构面切割成的岩体结构定义为上，次级结构面切割成的岩体结构定义为II级结构级结构。按岩体按岩体II级结构被次级结构面切割的级结构被次级结构面切割的程度程度和和形态特征，可将岩体结形态特征，可将岩体结构划分：构划分：IIII级岩体结构级岩体结构15Vpm岩体弹性岩体弹性波波纵波速度纵波速度（m/s)Vpr 岩石弹性岩石弹性波波纵波速度纵波速度（m/s)岩体完整性系数岩体完整性系数 表征表征岩体结构特征岩体结构特征的的一个重要参数一个重要参数161 1、整体结构、整体结构完整性系数完整性系数 0.75 0.75结构面间距结构面间距 1.5 m 1.5 m 岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥，岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥，层面层面结合良好结合良好，渗流对岩体特性影响不大，结构尺寸大于工，渗流对岩体特性影响不大，结构尺寸大于工程尺寸。程尺寸。岩土工程特征：整体强度高，岩体稳定，可视为均质、岩土工程特征：整体强度高，岩体稳定，可视为均质、各向同性的连续介质。各向同性的连续介质。172 2、块状结构、块状结构完整性系数完整性系数 0.350.350.750.75结构面间距结构面间距 0.70.71.5 m1.5 m节理发育，有若干贯通微张裂隙将岩体切割成柱状、块状节理发育，有若干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，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危险岩块，其尺寸小于工程几何尺寸。构成影响工程稳定性的危险岩块，其尺寸小于工程几何尺寸。岩土工程特征：整体性强度高，结构面相互牵制，岩体基岩土工程特征：整体性强度高，结构面相互牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体。本稳定，接近弹性各向同性体。184 4、碎裂结构、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。块状岩石，属不均一的不连续介质，稳定性很差。岩体岩体完整性系数完整性系数 结构面间距结构面间距 块状碎裂结构块状碎裂结构 0.36 0.5m 层状碎裂结构层状碎裂结构 0.4 0.5m19205、散体结构、散体结构完整性系数：完整性系数：0.20.2主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结构面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。散堆积或压密堆积。岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体介质。岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体介质。2122完整性系数：层状完整性系数：层状 0.30.30.60.6;薄层状薄层状0.40.4结构面间距：层状结构面间距：层状 0.250.250.5 m 0.5 m；薄层状；薄层状0.25 0.25 m m由中厚（由中厚（0.250.250.5 0.5 m m）及薄层（及薄层（0.250.25m m）的均一、坚硬、软的均一、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、理、片理、节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状互相紧密叠合。互相紧密叠合。岩土工程特征：工程范围内，一组节理明显发育，在层内具岩土工程特征：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。较差。3 3、板板层状结构层状结构2324 1 1、产状、产状结构面产状三要素：走向、倾向、倾角；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。与主应力之间的关系：控制岩体的破坏机理与强度。2-2 岩体结构面的几何与力学性质岩体结构面的几何与力学性质一、结构面的几何性质一、结构面的几何性质25结构面的分步密度反映结构面的分步密度反映结构面发育结构面发育的密集程度，以裂隙度和切的密集程度，以裂隙度和切割度表示。割度表示。裂隙度裂隙度K：沿取样线方向单位长度上的结构面数量。沿取样线方向单位长度上的结构面数量。设取样线长度为设取样线长度为L,单位单位m,该长度内出现的结构面数量该长度内出现的结构面数量n，沿取，沿取样线方向结构面平均间距为样线方向结构面平均间距为d，则，则K=n/L ，d=1/K=L/n线密度线密度Kd：若取样线垂直结构面，则裂隙度被称为线密度。：若取样线垂直结构面，则裂隙度被称为线密度。间距间距d：同一组结构面法线方向上结构面平均距离。：同一组结构面法线方向上结构面平均距离。Kd=n/Ld ，d=1/Kd=Ld/n2 2、分布密度、分布密度26多组结构面裂隙度多组结构面裂隙度K 的计算：的计算：Ka=1/max=cosa/da，Kb=1/mbx=cosb/db，Kn=1/mnx=cosn/dn K=Ka+Kb+Kn27切割度切割度Xe：岩体被节理割裂分离的程度。当岩体仅含一个节理时，：岩体被节理割裂分离的程度。当岩体仅含一个节理时，眼节理面在岩体中取一贯通整体的平直断面，节理面积眼节理面在岩体中取一贯通整体的平直断面，节理面积a与该断面面与该断面面积积A之比成为岩体的切割度之比成为岩体的切割度Xe。若沿着岩体某断面上同时存在面积为若沿着岩体某断面上同时存在面积为a1，a2，an的几个节理面，的几个节理面，则岩体沿该断面的切割度为则岩体沿该断面的切割度为Xe=（a1+a2+an）/A某组节理切割的程度可用某组节理切割的程度可用Xv表示：表示：Xv=Xe.K283 3、张开度、张开度结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。29结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。结构面侧壁的起伏形态分为：平直的、台阶状的、锯齿状的、波状结构面侧壁的起伏形态分为：平直的、台阶状的、锯齿状的、波状的和不规则状的。的和不规则状的。4 4、形态、形态侧壁的起伏程度可用起伏角侧壁的起伏程度可用起伏角i表示：表示：30可以用线密度来估算岩体质量指标可以用线密度来估算岩体质量指标RQD(rock quality designation)：RQD的原始定义为：长度大于的原始定义为：长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比，按下式计算：的百分比，按下式计算：31结构面的粗糙度用粗糙度系数结构面的粗糙度用粗糙度系数JRC(Joint Roughness Coefficient)表示。表示。根据标准粗糙度剖面将结构面的粗根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为糙度系数划分为10级。随粗糙度的级。随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。增大，结构面的摩擦角也增大。标准粗糙度剖面见右图。标准粗糙度剖面见右图。32二、结构面的力学性质二、结构面的力学性质 为何要为何要研究结研究结构面的构面的力学性力学性质？质？1 引起工程岩体失稳破坏引起工程岩体失稳破坏2 控制岩体变形控制岩体变形3 控制地下水渗透控制地下水渗透4 影响岩体中应力分布影响岩体中应力分布33（1）法向变形特征）法向变形特征曲线形状，先凹，后陡；归结为接触曲线形状，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。产生、新的接触点和面的增加。初始阶段，结构面变形为主，初始阶段，结构面变形为主，当当n=c/3时结构面变形基本完成时结构面变形基本完成最大闭合量小于张开度。最大闭合量小于张开度。卸除荷载后，有明显的迟滞和非弹性卸除荷载后，有明显的迟滞和非弹性效应。效应。1 1、法向变形与法向刚度、法向变形与法向刚度 34（2）法向应力与法向变形）法向应力与法向变形的关系的关系（Goodman,1974）式中：式中：原位压力：原位压力 ：最大可能闭合量：最大可能闭合量s，t：与结构面几何特征、岩石力学性：与结构面几何特征、岩石力学性质有关的两个参数质有关的两个参数1 1、法向变形与法向刚度、法向变形与法向刚度 35（3）法向刚度）法向刚度Kn（Goodman,1974）式中式中Kn0：结构面的初始刚度：结构面的初始刚度36Bandis(1984)提出的非充填节理提出的非充填节理法向应力与法向变形法向应力与法向变形的关系的关系 式中：式中：a、b为常数为常数 法向刚度法向刚度Kn:Bandis得出由初始法向刚度和最大得出由初始法向刚度和最大闭合量表达的经验公式：闭合量表达的经验公式：37（1）剪切变形特征）剪切变形特征A.粗糙结构面（且无充填物），粗糙结构面（且无充填物），剪应力上升较快，当剪应力达剪应力上升较快，当剪应力达到峰值后抗剪能力下降较大，到峰值后抗剪能力下降较大，并产生不规则的峰后变形或粘并产生不规则的峰后变形或粘滑现象。滑现象。B.平坦结构面（或有充填物），平坦结构面（或有充填物），初始阶段剪切变形曲线斜率逐初始阶段剪切变形曲线斜率逐渐减小，曲线没有明显的峰值渐减小，曲线没有明显的峰值出现，最终恒定，或出现剪切出现，最终恒定，或出现剪切硬化。硬化。C.随着法向应力减小、剪切规模随着法向应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小增大，剪切刚度减小2 2、剪切变形与剪切刚度、剪切变形与剪切刚度38（2）剪切变形方程）剪切变形方程1975，卡尔哈维（，卡尔哈维（Kalhaway)提出：提出：式中：式中：m=1/k0,k0:初始剪切刚度初始剪切刚度 n=1/0,0产生较大剪切位移时的产生较大剪切位移时的 剪应力渐近值剪应力渐近值 39（3）剪切刚度）剪切刚度Kt剪切刚度：剪切刚度：1974年年Goodman提出：提出：式中：式中：Kt0初始剪切刚度初始剪切刚度 s产生较大剪切位移时的产生较大剪切位移时的剪应力渐近值剪应力渐近值 对于较坚硬结构面，剪切刚度一般对于较坚硬结构面，剪切刚度一般为常数；对松软结构面，剪切刚度为常数；对松软结构面，剪切刚度随法向应力的大小而改变。随法向应力的大小而改变。401）平直结构面平直结构面的剪切强度的剪切强度3、结构面的抗剪强度、结构面的抗剪强度2）粗糙起伏结构面粗糙起伏结构面的剪切强度的剪切强度两种情况：剪胀、剪断两种情况：剪胀、剪断剪胀：剪胀：(无粘结），无粘结），剪断：剪断：（有粘结）（有粘结）412）剪胀剪胀现象与现象与剪断剪断现象现象岩石强度高，爬坡角岩石强度高，爬坡角i小，法向力小，法向力N小，发生剪胀现象小，发生剪胀现象(b)岩石强度低，爬坡角岩石强度低，爬坡角i大，法向力大，法向力N大，发生剪断现象大，发生剪断现象(c)424、结构面力学性质的尺寸效应、结构面力学性质的尺寸效应Barton和和Bandis（1982）的试验结果表明：）的试验结果表明：随着试块长度的增大，平均峰值摩擦角降低；随着试块长度的增大，平均峰值摩擦角降低；随着试块面积的增大，平均峰值剪切应力降低，达到峰值强度时随着试块面积的增大，平均峰值剪切应力降低，达到峰值强度时的位移量增大；的位移量增大；随着试块尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化；随着试块尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化；随着试块尺寸的增加，峰值剪胀角变小；随着试块尺寸的增加，峰值剪胀角变小；随着结构面粗糙度的减小或法向应力的增大，尺寸效应降低。随着结构面粗糙度的减小或法向应力的增大，尺寸效应降低。43作业作业1 1、简述结构面的级别及其特点。、简述结构面的级别及其特点。2 2、说出描述结构面状态的指标。、说出描述结构面状态的指标。3 3、结构面的剪切变形、法向变形与结构面的哪些因素有关、结构面的剪切变形、法向变形与结构面的哪些因素有关？44