3结构面的力学性质

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1、单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第3章 构造面的力学性质,3-1 构造面的类型及其特征3-2 构造面法向变形与刚度,3-3 构造面切向变形与刚度3-4 构造面的抗剪强度,3-1 构造面的类型及其特征,一、构造面的概念 构造面是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。构造面具有肯定的方向、延展较大、厚度小的二维面状地质界面。,二、构造面的类型,火成构造面,原生构造面,构造构造面,次生构造面,沉积构造面,变质构造面,1、按构造面按成因可分为,1原生构造面：在成岩过程中形成的构

2、造面,A、沉积构造面是沉积岩在成岩过程中形成的各种地质界面，包括层面、层理、沉积连续面不整合面、假整合面，及原生脆弱夹层等。,B、火成构造面为岩浆侵入、喷溢冷凝所形成的各种构造面，如流层、流线、火山岩流接触面、各种蚀变带、挤压裂开带以及原生节理等。这些构造面的产状受侵入岩体与围岩接触面所掌握。,C、变质构造面为岩体在变质作用过程中所形成的构造面，如片理、片麻理、板理及脆弱夹层等。变质构造面的产状与岩层根本全都，延展性较差，但它们一般分布密集。片理构造面是变质构造面中最常见的，其面常常是光滑的，但形态呈波浪状.片麻理面常呈凹凸不平状，构造面也比较粗糙，变质岩中的脆弱夹层主要是片状矿物，如黑云母、

3、绿泥石、滑石等的富集带，其抗剪强度低，遇水后性质就更差.,2构造构造面,各类岩体在构造运动作用下形成的各种构造面，如劈理、节理、断层、层间错动面等。,节理面在走向延展及纵深进展上，其范围都是有限的，大者一般不过上百米，小者仅有几厘米张节理面一般粗糙，参差不齐，宽窄不一，延展性较差，剪节理面一般平直光滑，延展性相对较好，节理面上常见有擦痕和各种泥质薄膜，如高岭石、绿泥石、滑石等，因此，剪节理面尽管接触严密，但却易于滑动。,断层面的规模相差比较悬殊，有的深切岩石圈几十公里，有的仅限于地壳表层或只在地表数十米但是，相对工程而言，断层面一般是延展性较好的构造面断层面(或帘)的物质成分主要是构造岩，如断

4、层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等层间错动带是在层状岩体中常见的一种构造构造面，其产状一般与岩层全都。,延展性较好，构造面中的物质，因受构造错动的影响，多呈裂开状、鳞片状，且含泥质物。,3次生构造面,在地表条件下，由于外力(如风化、地下水、卸荷、爆破等)的作用而形成的各种界面，如卸荷裂隙、爆裂开隙、风化裂隙、风化夹层及泥化夹层等 卸荷裂隙一般发生在岩体有临空面条件的地区，特殊是在深切河谷处，延展性不好，常在地表2040m内发育，裂隙面粗糙不平，常为张开型，充填物多为泥质碎屑 爆裂开隙是矿山工程中常见的一种次生构造面，爆裂开隙的延展与分布视所在地区岩体特性及爆破的大小而异一般爆裂开隙的延展范围是有限

5、的，且多呈一组相互平行的、弧状的裂隙面分布 风化裂隙及风化夹层一般是沿原生夹层和原有构造面发育，多是短小密集，延展性差，仅限于地表肯定深度 泥化夹层是由于水的作用使夹层内的松软物质泥化而成，其产状与岩层根本全都，泥化程度视地下水作用条件而异泥化夹层一般都是强度很低的，它们是导致岩体失稳破坏的常见因素,2、按构造面按受力条件可分为,A、压性构造面：由压应力挤压而成，其走向与最大主应力方向垂直。如片理面、褶皱轴面、压性节理面等。,B、张性构造面：在拉应力作用下产生的构造面，其走向与最大主应力方向全都。构造面是张开的，构造面壁粗糙。如张断裂面、张性节理面。,C、扭性构造面：由纯剪或压张应力引起的剪应

6、力所形成的构造面，构造面壁较光滑，开口或闭口都有可能，往往成对消失。如x型断层面，x型节理面。,D、压扭性构造面：既有压性构造面的特征，又有扭性构造面的特征，但常以其中一种为主。,E、张扭性构造面：兼有张性和扭性构造面的双重特征。往往成锯齿状。,三、构造面的分级,构造面的发育程度、规模大小、组合形式等是打算构造体的外形、方位和大小，掌握岩体稳定性的重要因素。尤以构造面的规模是最重要的掌握因素。按构造面发育程度和规模可以划分为如下五级：,I 级构造面-区域构造起掌握作用的断裂带,级构造面-延展性强而宽度有限的地质界面,级构造面-局部性的断裂构造,级构造面-节理面,V 级构造面-细小的构造面,构造

7、面的几何特征是反映构造面的外貌，由以下要素组成：,1、走向:构造面与水平面的交线方向，用方位角表示。,2、倾斜:构造面的倾斜方向和倾斜角度。,3、连续性。,4、粗糙度:说明构造面的粗糙程度。,5、起伏度:包括起伏波的幅度和长度。起伏波的幅度是指相邻两波峰连线与其下波槽的最大距离a,起伏波的长度是指相邻两波峰之距离。,四、构造面的几何特征,构造面的产状、形态、延展尺度、密集程度以及胶结与充填状况等是影响岩体强度和稳定性的重要因素。,1、构造面产状：指构造面的走向、倾向和倾角，对岩体是否沿某一构造面滑移起掌握作用。,2、构造面形态：打算构造面抗滑力的大小，当构造面的起伏程度大，粗糙度高时，其抗滑力

8、就大。,3、构造面的延展尺度：在工程岩体范围力，延展度大的构造面掌握着岩体的强度。构造面延展状况不同，其力学效应也不同。,五、构造面的状态,(1)非贯穿性构造面,(2)半贯穿性构造面,(3)贯穿性构造面,4、构造面的密集程度：指岩体中各种构造面的发育程度。衡量密集度的指标为岩体裂隙度K和切割度Xe。,1岩体裂隙度K沿取样方向单位长度上的节理数量,式中：n为长度l内的节理数量.,当取样线垂直节理的走向时，d为节理走向的垂直间距。按节理的垂直间距d将岩体分为：,d 180cm 整体构造；d=3080cm 块状构造,d 30cm 碎裂状构造；d 6.5cm 极裂开构造,当岩体中有几组不同方向的节理时

9、，如下图两组节理Ka、Kb，则沿取样方向x上的节理平均间距max和mbx为,式中：,n,为取样线,l,内的节理组数量.,该取样线上的裂隙度,K,为各组节理的裂隙度K,i之和。即：,K越大，构造面越密集。不同测线上的K值差异越大，岩体各向异性越明显。按K的大小，可将节理分成：疏节理K=01 m-1；密节理K=110 m-1；特别密集节理K=10100 m-1；压碎或糜棱化带K=1001000 m-1；,2切割度Xe指岩体被节理分割的程度。,假设岩体仅有一个构造面，可沿构造面在岩体中取一个贯穿性的假想平直断面，则构造面面积a与该断面面积A之比，即为该岩体的切割度。,可见,当:,0Xe1,岩体局部切

10、割；,Xe1,岩体被整个切割；,Xe0,即岩体为完整连续体。,岩体按切割度分类：,Xe0.10.2 完整岩体；,Xe0.20.4弱节理化岩体；,Xe0.40.6中等节理化岩体；,Xe0.60.8强节理化岩体；,Xe0.81.0完全节理化岩体；,岩体被某组构造面切割的程度Xr为：,假设岩体沿某断面上同时存在着面积为a1、a2an的n个构造面时，则岩体沿该断面的切割度为,式中：K为岩体的裂隙度；,Xe,为沿某一平面的切割度。,5、构造面的胶结状况及充填状况,(1)胶结构造面,泥质胶结：强度最低，在脱水状况下有肯定的强度，遇水发生泥化、软化，强度明显降低。,可溶盐类胶结：枯燥时有肯定的强度，遇水发生

11、溶解，强度降低。,钙质胶结：强度较高，且不受水的影响，但遇酸性水强度降低。,铁质胶结：强度较高，但易风化，力学性能不稳定。,硅质胶结：强度高，力学性能稳定。,可见，胶结构造面随胶结物的成分不同，其力学效应有很大差异。,(2)非胶结构造面,分为有充填物的构造面和无充填物的构造面。,无充填物的构造面：其强度主要取决于构造面两侧岩石的力学性质及构造面粗糙度。,有充填物的构造面：其强度除与充填物、构造面两侧岩壁接触面的力学特性有关外，主要取决于充填物的成分和厚度。,A、充填物成分：质粘土、砂质、角砾质等。,B、充填物厚度对构造面强度影响特殊显著。按厚度可将有充填物的构造面分为：,薄膜充填：充填物厚度多

12、在1mm以下，多系次生蚀变矿物与风化矿物构成，如滑石、粘土矿物等；,断续充填：充填物不连续，厚度多小于构造面的起伏差，使构造面强度降低。,连续充填：充填物厚度一般大于起伏差，构造面强度主要受充填物强度掌握，因此，常构成岩体的主要滑动面。,厚层充填：充填厚度较大，一般几十厘米至数米，构成脆弱带，如断层泥。有时表现为岩体沿接触面滑移，有时为脆弱充填物本身塑性流淌，常导致重大工程事故。,构造面变形,法向变形,剪切变形,3-2 构造面法向变形与刚度,法向应力与法向变形的关系,式中：,：原位压力,：最大可能闭合量,s，t：与构造面几何特征、岩石力学性质有关的两个参数,法向刚度kn 的表达式,1Goodm

13、an,1974,式中Kn0：构造面的初始刚度,法向刚度kn，反映构造面产生单位法向变形的法向应力梯度,不是一个常数，与应力水平有关,实质：每点的切线斜率,2班迪斯Bandis,1984,法向应力与法向变形的关系,式中：a、b为常数,法向刚度kn,Bandis,1984,实质：每点的切线斜率,曲线外形，先凹，后陡；可由初始,法向刚度和最大闭合量确定。,初始阶段，构造面变形为主，,当n=c/3时构造面变形根本完成,最大闭合量小于张开度。,法向变形的特征,1)两种类型,a.粗糙构造面无充填物，剪应力上升较快，当剪应力到达峰值后抗剪力量下降较大，并产生不规章的峰后变形或滞滑现象。,b.平坦构造面有充填

14、物，初始阶段剪切变形曲线斜率渐渐减小，曲线没有明显的峰值消失，最恒定。,3.3 剪切变形与剪切刚度,2剪切刚度Kt,剪切刚度：,1974年Goodman提出：,式中：Kt0初始剪切刚度,s产生较大剪切位移时的剪应力渐近值,3剪切变形方程,1975，卡尔哈维Kalhaway)提出：,式中：m=1/k0,k0:初始剪切刚度,n=1/0,0产生较大剪切位移时的剪应力渐近值,4剪切变形特征,两种类型：,a.坚硬、无充填物脆性变形,有明显的峰值、应力降,b.脆弱、有充填物塑性变形,无明显的峰值、应力降,风化构造面，峰值位移变大、剪切刚度变小,随法向应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小,3-4 构造面的抗

15、剪强度,构造面最重要的力学性质之一是抗剪强度。构造面在剪切过程中的力学机制比较简单，构成构造面抗剪强度因素是多方面的，大量试验结果说明，构造面抗剪强度一般可用莫尔库伦准则表示：,式中：c、分别是构造面上的粘结力和摩擦角，b+i,b是岩石平坦外表根本摩擦角，i是构造面的爬坡角；是作用在构造面上的法向正应力。,剪胀,现象与,剪断,现象,岩石强度，爬坡角i，法向力N，发生剪胀现象(b),岩石强度，爬坡角i，法向力N，发生剪断现象(c),如图为构造面有凸台的模型的剪应力与法向应力的关系曲线，它近似呈双直线的特构造面受剪初期，剪切力上升较快；随着剪力和剪切变形增加，构造面上局部凸台被剪断，此后剪切力上升，梯度变小，直至到达峰值抗剪强度,不规章粗糙构造面的抗剪强度,Barton强度准则,考虑到三个根本因素法向力、粗糙度JRC、构造面抗压强度JCS的影响，Barton(1977)提出确定不规章粗糙构造面抗剪强度公式：,式中：b岩石外表根本摩擦角。JRC为构造面粗糙性系数020，Barton将其分为10级，平坦近平滑构造面为5，平坦起伏构造面为10，粗糙起伏构造面为20。,