第5讲岩体结构与结构面性质.ppt

1 1 岩体岩体结构构2 2 结构面的几何性构面的几何性质与力学性与力学性质3 3 岩体的岩体的强度性度性质4 4 岩体的岩体的变形性形性质5 5 岩体岩体质量量评价及其分价及其分类本章内容：本章内容：§2-1 岩体岩体结构构结构面：是指岩体中存在着的各构面：是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地种不同成因和不同特性的地质界界面，包括物面，包括物质的分界面、不的分界面、不连续面如面如节理、片理、断理、片理、断层、不整合、不整合面等结构体：由构体：由结构面在岩体中切割构面在岩体中切割而成的几何体称而成的几何体称为结构体（岩石构体（岩石块体）岩体：岩体：结构面和构面和结构体的地构体的地质统一体图2-1 岩体岩体结构示意构示意 一、一、结构面构面（（1）地）地质成因成因类型型u 原生原生结构面构面：岩体在成岩：岩体在成岩过程中形成的程中形成的结构面￿ ￿￿￿￿￿￿￿￿￿沉沉积结构面构面是沉是沉积岩在沉岩在沉积和成岩和成岩过程中形成的，有程中形成的，有层理面理面、、软弱弱夹层、、沉沉积间断面断面和和不整合面不整合面等￿ ￿1、成因、成因类型型火成火成结构面是岩构面是岩浆侵入及冷凝侵入及冷凝过程中形成的程中形成的结构面，包括岩构面，包括岩浆岩岩体与体与围岩的接触面、各期岩岩的接触面、各期岩浆岩之岩之间的接触面和原生冷凝的接触面和原生冷凝节理等理等（如：流（如：流层、流、流线、火山岩流接触面、、火山岩流接触面、蚀变带、原生、原生节理等）。

理等）￿ ￿u变质结构面构面在在变质过程中形成（分程中形成（分为残留残留结构面和重构面和重结晶晶结构构面），如：片理、片麻理、板理、面），如：片理、片麻理、板理、软弱弱夹层等￿ ￿u构造构造结构面构面￿￿￿￿是岩体形成后在构造是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面，力作用下形成的各种破裂面，包括断包括断层、、节理、劈理和理、劈理和层间错动面等￿ ￿u   次生次生结构面构面￿￿￿￿是岩体形是岩体形成后在外成后在外营力作用下力作用下产生的生的结构面，包括卸荷裂隙、构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生化裂隙、次生夹泥泥层和泥化和泥化夹层等    ￿￿    ￿￿（（2）力学成因）力学成因类型型u剪性剪性结构面构面是剪是剪应力力形成的，破裂面两形成的，破裂面两侧岩岩体体产生相生相对滑移，如逆滑移，如逆断断层、平移断、平移断层以及多以及多数正断数正断层等张性性结构面是由拉构面是由拉应力形成力形成的，如粘土岩失水收的，如粘土岩失水收缩节理、理、岩岩浆岩中的冷凝岩中的冷凝节理等￿ ￿平移断平移断层正断正断层逆断逆断层 2、分、分级级序序分分级依据依据地地质类型型对岩体岩体稳定影响定影响ⅠⅠ级延伸数公里以上（最延伸数公里以上（最长达上达上千公里），破碎千公里），破碎带宽度数米度数米~数十米数十米区域性深大断裂区域性深大断裂影响区域影响区域稳定性；如通定性；如通过工程区，形成岩体力学作工程区，形成岩体力学作用用边界界ⅡⅡ级延伸数百米延伸数百米~数公里，破碎数公里，破碎带宽度几厘米度几厘米~几米几米大中型断大中型断层、不整合、不整合面、面、层间错动带、、软弱弱夹层等等控制工程岩体力学控制工程岩体力学边界条界条件和破坏方式，与件和破坏方式，与ⅢⅢ级结构面构面组合直接威合直接威胁工程工程稳定定ⅢⅢ级延伸十米延伸十米~数十米，无破碎数十米，无破碎带，面内不含泥，，面内不含泥，仅在一个在一个地地质年代的地年代的地层中分布中分布小断小断层、、软弱弱夹层、、层间错动带等等控制工程岩体力学控制工程岩体力学边界条界条件和破坏方式，直接威件和破坏方式，直接威胁工程工程稳定定ⅣⅣ级延展数厘米延展数厘米~数米数米，未，未错动，有，有的呈弱的呈弱结合状合状态，，统计结构面构面节理、劈理、片理、理、劈理、片理、层理、卸荷裂隙、理、卸荷裂隙、风化裂化裂隙隙控制岩体的控制岩体的结构、完整性构、完整性和物理力学性和物理力学性质 ⅤⅤ级微米微米~毫米毫米，，细小或小或隐微裂微裂面，面，统计结构面构面微小微小节理、理、隐微裂隙。

微裂隙常包含在岩常包含在岩块内内 控制岩控制岩块的力学性的力学性质  二、二、结构体构体1、、结构体分构体分级￿ ￿I级结构体：构体：由由I级结构面切割成的构面切割成的结构体构体(地地质体体)II级结构体：由构体：由I级结构体构体经II级结构面切割而成的构面切割而成的结构体构体(山体山体)III级结构体：构体：II级结构体再构体再经III级结构面切割而成的构面切割而成的结构构体IV级结构体：构体：III级结构体再构体再经IV级结构面切割而成的构面切割而成的结构构体（完整岩石或岩体（完整岩石或岩块） 2、、结构体的构体的块度度 结构体的构体的块度通常指最小度通常指最小结构体的尺寸在岩体工构体的尺寸在岩体工程程稳定性分析中，定性分析中，结构体的构体的块度决定了工程度决定了工程围岩的破岩的破坏方式，从而决定了支坏方式，从而决定了支护和加固方法在开挖和加固方法在开挖过程中程中结构体的构体的块度影响施工及度影响施工及临时支支护三、岩体三、岩体结构构类型型按岩体按岩体I级结构构被被大大规模模结构面分割的构面分割的形形态特征可将岩体特征可将岩体结构分构分为块状状结构和板构和板层状状结构。

构I级岩体岩体结构构整体整体结构构￿ ￿板板层状状结构构￿ ￿块状状结构构￿ ￿碎裂碎裂结构构散体散体结构构块状碎裂状碎裂结构构层状碎裂状碎裂结构构块状状结构构将大将大规模模结构面切割成的岩体构面切割成的岩体结构定构定义为I级结构；在构；在I级结构基构基础上，次上，次级结构面切割成的岩体构面切割成的岩体结构定构定义为II级结构按岩体按岩体II级结构被次构被次级结构面切割的构面切割的程度程度和和形形态特征，可将岩体特征，可将岩体结构划分：构划分：II级岩体岩体结构构Vpm—岩体岩体弹性性波波纵波速度波速度（（m/s)Vpr —岩石岩石弹性性波波纵波速度波速度（（m/s)岩体完整性系数岩体完整性系数￿￿￿￿￿￿表征表征岩体岩体结构特征的构特征的一个重要参数一个重要参数1 1、整体、整体结构构完整性系数完整性系数￿ ￿> 0.75结构面构面间距距￿ ￿> 1.5 m 岩性岩性单一，一，节理不理不发育，无育，无软弱弱结构面或构面或夹泥，泥，层面面结合良好合良好，渗流，渗流对岩体特性影响不大，岩体特性影响不大，结构尺寸大于工程构尺寸大于工程尺寸岩土工程特征：整体岩土工程特征：整体强度高，岩体度高，岩体稳定，可定，可视为均均质、、各向同性的各向同性的连续介介质。

2 2、、块状状结构构完整性系数完整性系数￿￿￿￿0.35～～0.75结构面构面间距距￿￿￿￿0.7～～1.5 m节理理发育，有若干育，有若干贯通微通微张裂隙将岩体切割成柱状、裂隙将岩体切割成柱状、块状状或菱形等或菱形等结构体工程范构体工程范围内，有两内，有两组以上以上节理明理明显发育，育，构成影响工程构成影响工程稳定性的危定性的危险岩岩块，其尺寸小于工程几何尺寸其尺寸小于工程几何尺寸岩土工程特征：整体性岩土工程特征：整体性强度高，度高，结构面相互构面相互牵制，岩体基制，岩体基本本稳定，接近定，接近弹性各向同性体性各向同性体4 4、碎裂、碎裂结构构 构造构造发育，各种育，各种结构面与断裂交叉构面与断裂交叉发育，且多育，且多为泥泥质充充填岩体破碎，呈填岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有状或片状，局部裹有坚硬的大硬的大块或条或条块状岩石，属不均一的不状岩石，属不均一的不连续介介质，，稳定性很差定性很差 岩体岩体完整性系数完整性系数 结构面构面间距距 块状碎裂状碎裂结构构 <0.36 <0.5m 层状碎裂状碎裂结构构 <0.4 <0.5m5、散体、散体结构构完整性系数：完整性系数：<0.2<0.2主要主要为各种各种剧烈烈风化或化或挤压破碎的岩体或土体。

破碎的岩体或土体结构面构面相当相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层泥，呈松泥，呈松散堆散堆积或或压密堆密堆积岩土工程特征：岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体介定性极差，岩体属性接近松散体介质完整性系数：完整性系数：层状状￿ ￿0.3～～0.6;￿;￿薄薄层状状<0.4<0.4结构面构面间距：距：层状状￿ ￿0.25～～0.5 m ；薄；薄层状状<0.25￿<0.25￿m由中厚（由中厚（0.25～～0.5 m））及薄及薄层（（<0.25<0.25m））的均一、的均一、坚硬、硬、软弱或弱或软硬相硬相间的沉的沉积岩或沉岩或沉积变质岩形成的岩体岩形成的岩体结构面以构面以层理、片理、理、片理、节理理为主，往往有主，往往有层间错动，，结构体呈板状、片状构体呈板状、片状互相互相紧密叠合岩土工程特征：工程范岩土工程特征：工程范围内，一内，一组节理明理明显发育，在育，在层内具内具有均一的地有均一的地质特征与力学特性，属各向异性、特征与力学特性，属各向异性、层内均内均质的的连续介介质其变形和形和强度特征受度特征受层面及岩面及岩层组合控制，岩体合控制，岩体稳定性定性较差。

差3 3、、板板层状状结构构 1、、产状状结构面构面产状三要素：走向、状三要素：走向、倾向、向、倾角；角；与主与主应力之力之间的关系：控制岩体的破坏机理与的关系：控制岩体的破坏机理与强度 §2-2 岩体岩体结构面的几何与力学性构面的几何与力学性质一、一、结构面的几何性构面的几何性质结构面的分步密度反映构面的分步密度反映结构面构面发育的密集程度，以裂隙度和切育的密集程度，以裂隙度和切割度表示割度表示①①裂隙度裂隙度K ：沿取：沿取样线方向方向单位位长度上的度上的结构面数量构面数量设取取样线长度度为L,单位位m,该长度内出度内出现的的结构面数量构面数量n，沿取，沿取样线方向方向结构面平均构面平均间距距为d′，，则K=n/L ，， d′ =1/K=L/n线密度密度Kd：若取：若取样线垂直垂直结构面，构面，则裂隙度被称裂隙度被称为线密度间距距d：同一：同一组结构面法构面法线方向上方向上结构面平均距离构面平均距离Kd=n/Ld ，， d =1/Kd=Ld /n2、分布密度、分布密度多多组结构面裂隙度构面裂隙度K 的的计算：算：Ka=1/max =cosξa/da ，，Kb=1/mbx =cosξb/db ，，······，，Kn=1/mnx =cosξn/dn K=Ka+Kb+···+Kn切割度切割度Xe：岩体被：岩体被节理割裂分离的程度。

当岩体理割裂分离的程度当岩体仅含一个含一个节理理时，，眼眼节理面在岩体中取一理面在岩体中取一贯通整体的平直断面，通整体的平直断面，节理面理面积a与与该断面面断面面积A之比成之比成为岩体的切割度岩体的切割度Xe若沿着岩体某断面上同若沿着岩体某断面上同时存在面存在面积为a1，，a2，，…，，an的几个的几个节理面，理面，则岩体沿岩体沿该断面的切割度断面的切割度为Xe=（（ a1+a2+…+an））/A某某组节理切割的程度可用理切割的程度可用Xv表示：表示：Xv= Xe .K3、、张开度开度结构面的构面的张开度是指开度是指结构面两壁面构面两壁面间的垂直距离的垂直距离 结构面的形构面的形态可以用可以用侧壁的起伏形壁的起伏形态及粗糙度来反映及粗糙度来反映 结构面构面侧壁的起伏形壁的起伏形态分分为：平直的、台：平直的、台阶状的、状的、锯齿状的、波状状的、波状的和不的和不规则状的4、形、形态侧壁的起伏程度可用起伏角壁的起伏程度可用起伏角i表示：表示：可以用可以用线密度来估算岩体密度来估算岩体质量指量指标RQD (rock quality designation) ：：RQD的原始定的原始定义为：：长度大于度大于10cm的岩心的岩心长度之和与度之和与钻孔孔总进尺尺的百分比，按下式的百分比，按下式计算：算： 结构面的粗糙度用粗糙度系数构面的粗糙度用粗糙度系数JRC (Joint Roughness Coefficient)表示。

表示根据根据标准粗糙度剖面将准粗糙度剖面将结构面的粗构面的粗糙度系数划分糙度系数划分为10级随粗糙度的随粗糙度的增大，增大，结构面的摩擦角也增大构面的摩擦角也增大 标准粗糙度剖面准粗糙度剖面见右右图                                                                                                                                                                                                                            二、二、结构面的力学性构面的力学性质￿ ￿为何要何要研究研究结构面的构面的力学性力学性质？？1 引起工程岩体失引起工程岩体失稳破坏破坏2 控制岩体控制岩体变形形3 控制地下水渗透控制地下水渗透4 影响岩体中影响岩体中应力分布力分布（（1）法向）法向变形特征形特征①①曲曲线形状，先凹，后陡；形状，先凹，后陡；归结为接触接触微凸体的微凸体的弹性性变形、形、压碎、碎、间接拉裂隙接拉裂隙产生、新的接触点和面的增加。

生、新的接触点和面的增加②②初始初始阶段，段，结构面构面变形形为主，主，当当σn=σc / 3时结构面构面变形基本完成形基本完成③③最大最大闭合量小于合量小于张开度④④卸除荷卸除荷载后，有明后，有明显的的迟滞和非滞和非弹性性效效应1、法向、法向变形与法向形与法向刚度度￿ ￿（（2）法向）法向应力与法向力与法向变形的关系形的关系（（Goodman,1974 ）） 式中：式中： ：原位：原位压力力 ：最大可能：最大可能闭合量合量s，，t：与：与结构面几何特征、岩石力学性构面几何特征、岩石力学性质有关的两个参数有关的两个参数1、法向、法向变形与法向形与法向刚度度￿ ￿（（3）法向）法向刚度度Kn （（Goodman,1974））式中式中Kn0：：结构面的初始构面的初始刚度度Bandis (1984) 提出的非充填提出的非充填节理法向理法向应力与法向力与法向变形的关系形的关系 式中：式中：a、、b为常数常数 法向法向刚度度Kn:Bandis得出由初始法向得出由初始法向刚度和最大度和最大闭合量表达的合量表达的经验公式：公式：（（1）剪切）剪切变形特征形特征A.粗糙粗糙结构面（且无充填物），构面（且无充填物），剪剪应力上升力上升较快，当剪快，当剪应力达力达到峰到峰值后抗剪能力下降后抗剪能力下降较大，大，并并产生不生不规则的峰后的峰后变形或粘形或粘滑滑现象。

象B.平坦平坦结构面（或有充填物），构面（或有充填物），初始初始阶段剪切段剪切变形曲形曲线斜率逐斜率逐渐减小，曲减小，曲线没有明没有明显的峰的峰值出出现，最，最终恒定，或出恒定，或出现剪切剪切硬化C.随着法向随着法向应力减小、剪切力减小、剪切规模模增大，剪切增大，剪切刚度减小度减小2、剪切、剪切变形与剪切形与剪切刚度度（（2）剪切）剪切变形方程形方程1975，卡，卡尔哈哈维（（Kalhaway)提出：提出：式中：式中：m=1/k0, k0:初始剪切初始剪切刚度度 n=1/τ0, τ0－－产生生较大剪切位移大剪切位移时的的 剪剪应力力渐近近值 （（3）剪切）剪切刚度度Kt剪切剪切刚度：度：1974年年Goodman提出：提出：式中：式中：Kt0－初始剪切－初始剪切刚度度 τs－－产生生较大剪切位移大剪切位移时的的剪剪应力力渐近近值 对于于较坚硬硬结构面，剪切构面，剪切刚度一般度一般为常数；常数；对松松软结构面，剪切构面，剪切刚度度随法向随法向应力的大小而改力的大小而改变。

1）平直）平直结构面的剪切构面的剪切强度度3、、结构面的抗剪构面的抗剪强度度2）粗糙起伏）粗糙起伏结构面的剪切构面的剪切强度度两种情况：剪两种情况：剪胀、剪断、剪断剪剪胀：： (无粘无粘结），），剪断：剪断：（有粘（有粘结））2）剪）剪胀现象与剪断象与剪断现象象①①岩石岩石强度高，爬坡角度高，爬坡角i小，法向力小，法向力N小，小，发生剪生剪胀现象象(b)②②岩石岩石强度低，爬坡角度低，爬坡角i大，法向力大，法向力N大，大，发生剪断生剪断现象象(c)4、、结构面力学性构面力学性质的尺寸效的尺寸效应Barton和和Bandis（（1982）的）的试验结果表明：果表明：①①随着随着试块长度的增大，平均峰度的增大，平均峰值摩擦角降低；摩擦角降低；②②随着随着试块面面积的增大，平均峰的增大，平均峰值剪切剪切应力降低，达到峰力降低，达到峰值强度度时的位移量增大；的位移量增大；③③随着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尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化；化；④④随着随着试块尺寸的增加，峰尺寸的增加，峰值剪剪胀角角变小；小；⑤⑤随着随着结构面粗糙度的减小或法向构面粗糙度的减小或法向应力的增大，尺寸效力的增大，尺寸效应降低。

降低作作业1 1、、简述述结构面的构面的级别及其特点及其特点2 2、、说出描述出描述结构面状构面状态的指的指标3 3、、结构面的剪切构面的剪切变形、法向形、法向变形与形与结构面的哪些因素有关构面的哪些因素有关？？。