3結構面的力學性質

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第3章 構造面的力學性質,3-1 構造面的類型及其特征3-2 構造面法向變形與剛度,3-3 構造面切向變形與剛度3-4 構造面的抗剪強度,3-1 構造面的類型及其特征,一、構造面的概念 構造面是指巖體中存在著的各種不同成因和不同特性的地質界面，包括物質的分界面、不連續面如節理、片理、斷層、不整合面等。構造面具有肯定的方向、延展較大、厚度小的二維面狀地質界面。,二、構造面的類型,火成構造面,原生構造面,構造構造面,次生構造面,沉積構造面,變質構造面,1、按構造面按成因可分為,1原生構造面：在成巖過程中形成的構

2、造面,A、沉積構造面是沉積巖在成巖過程中形成的各種地質界面，包括層面、層理、沉積連續面不整合面、假整合面，及原生脆弱夾層等。,B、火成構造面為巖漿侵入、噴溢冷凝所形成的各種構造面，如流層、流線、火山巖流接觸面、各種蝕變帶、擠壓裂開帶以及原生節理等。這些構造面的產狀受侵入巖體與圍巖接觸面所掌握。,C、變質構造面為巖體在變質作用過程中所形成的構造面，如片理、片麻理、板理及脆弱夾層等。變質構造面的產狀與巖層根本全都，延展性較差，但它們一般分布密集。片理構造面是變質構造面中最常見的，其面常常是光滑的，但形態呈波浪狀.片麻理面常呈凹凸不平狀，構造面也比較粗糙，變質巖中的脆弱夾層主要是片狀礦物，如黑云母、

3、綠泥石、滑石等的富集帶，其抗剪強度低，遇水后性質就更差.,2構造構造面,各類巖體在構造運動作用下形成的各種構造面，如劈理、節理、斷層、層間錯動面等。,節理面在走向延展及縱深進展上，其范圍都是有限的，大者一般不過上百米，小者僅有幾厘米張節理面一般粗糙，參差不齊，寬窄不一，延展性較差，剪節理面一般平直光滑，延展性相對較好，節理面上常見有擦痕和各種泥質薄膜，如高嶺石、綠泥石、滑石等，因此，剪節理面盡管接觸嚴密，但卻易于滑動。,斷層面的規模相差比較懸殊，有的深切巖石圈幾十公里，有的僅限于地殼表層或只在地表數十米但是，相對工程而言，斷層面一般是延展性較好的構造面斷層面(或簾)的物質成分主要是構造巖，如斷

4、層泥、糜棱巖、角礫巖、壓碎巖等層間錯動帶是在層狀巖體中常見的一種構造構造面，其產狀一般與巖層全都。,延展性較好，構造面中的物質，因受構造錯動的影響，多呈裂開狀、鱗片狀，且含泥質物。,3次生構造面,在地表條件下，由于外力(如風化、地下水、卸荷、爆破等)的作用而形成的各種界面，如卸荷裂隙、爆裂開隙、風化裂隙、風化夾層及泥化夾層等 卸荷裂隙一般發生在巖體有臨空面條件的地區，特殊是在深切河谷處，延展性不好，常在地表2040m內發育，裂隙面粗糙不平，常為張開型，充填物多為泥質碎屑 爆裂開隙是礦山工程中常見的一種次生構造面，爆裂開隙的延展與分布視所在地區巖體特性及爆破的大小而異一般爆裂開隙的延展范圍是有限

5、的，且多呈一組相互平行的、弧狀的裂隙面分布 風化裂隙及風化夾層一般是沿原生夾層和原有構造面發育，多是短小密集，延展性差，僅限于地表肯定深度 泥化夾層是由于水的作用使夾層內的松軟物質泥化而成，其產狀與巖層根本全都，泥化程度視地下水作用條件而異泥化夾層一般都是強度很低的，它們是導致巖體失穩破壞的常見因素,2、按構造面按受力條件可分為,A、壓性構造面：由壓應力擠壓而成，其走向與最大主應力方向垂直。如片理面、褶皺軸面、壓性節理面等。,B、張性構造面：在拉應力作用下產生的構造面，其走向與最大主應力方向全都。構造面是張開的，構造面壁粗糙。如張斷裂面、張性節理面。,C、扭性構造面：由純剪或壓張應力引起的剪應

6、力所形成的構造面，構造面壁較光滑，開口或閉口都有可能，往往成對消失。如x型斷層面，x型節理面。,D、壓扭性構造面：既有壓性構造面的特征，又有扭性構造面的特征，但常以其中一種為主。,E、張扭性構造面：兼有張性和扭性構造面的雙重特征。往往成鋸齒狀。,三、構造面的分級,構造面的發育程度、規模大小、組合形式等是打算構造體的外形、方位和大小，掌握巖體穩定性的重要因素。尤以構造面的規模是最重要的掌握因素。按構造面發育程度和規模可以劃分為如下五級：,I 級構造面-區域構造起掌握作用的斷裂帶,級構造面-延展性強而寬度有限的地質界面,級構造面-局部性的斷裂構造,級構造面-節理面,V 級構造面-細小的構造面,構造

7、面的幾何特征是反映構造面的外貌，由以下要素組成：,1、走向:構造面與水平面的交線方向，用方位角表示。,2、傾斜:構造面的傾斜方向和傾斜角度。,3、連續性。,4、粗糙度:說明構造面的粗糙程度。,5、起伏度:包括起伏波的幅度和長度。起伏波的幅度是指相鄰兩波峰連線與其下波槽的最大距離a,起伏波的長度是指相鄰兩波峰之距離。,四、構造面的幾何特征,構造面的產狀、形態、延展尺度、密集程度以及膠結與充填狀況等是影響巖體強度和穩定性的重要因素。,1、構造面產狀：指構造面的走向、傾向和傾角，對巖體是否沿某一構造面滑移起掌握作用。,2、構造面形態：打算構造面抗滑力的大小，當構造面的起伏程度大，粗糙度高時，其抗滑力

8、就大。,3、構造面的延展尺度：在工程巖體范圍力，延展度大的構造面掌握著巖體的強度。構造面延展狀況不同，其力學效應也不同。,五、構造面的狀態,(1)非貫穿性構造面,(2)半貫穿性構造面,(3)貫穿性構造面,4、構造面的密集程度：指巖體中各種構造面的發育程度。衡量密集度的指標為巖體裂隙度K和切割度Xe。,1巖體裂隙度K沿取樣方向單位長度上的節理數量,式中：n為長度l內的節理數量.,當取樣線垂直節理的走向時，d為節理走向的垂直間距。按節理的垂直間距d將巖體分為：,d 180cm 整體構造；d=3080cm 塊狀構造,d 30cm 碎裂狀構造；d 6.5cm 極裂開構造,當巖體中有幾組不同方向的節理時

9、，如下圖兩組節理Ka、Kb，則沿取樣方向x上的節理平均間距max和mbx為,式中：,n,為取樣線,l,內的節理組數量.,該取樣線上的裂隙度,K,為各組節理的裂隙度K,i之和。即：,K越大，構造面越密集。不同測線上的K值差異越大，巖體各向異性越明顯。按K的大小，可將節理分成：疏節理K=01 m-1；密節理K=110 m-1；特別密集節理K=10100 m-1；壓碎或糜棱化帶K=1001000 m-1；,2切割度Xe指巖體被節理分割的程度。,假設巖體僅有一個構造面，可沿構造面在巖體中取一個貫穿性的假想平直斷面，則構造面面積a與該斷面面積A之比，即為該巖體的切割度。,可見,當:,0Xe1,巖體局部切

10、割；,Xe1,巖體被整個切割；,Xe0,即巖體為完整連續體。,巖體按切割度分類：,Xe0.10.2 完整巖體；,Xe0.20.4弱節理化巖體；,Xe0.40.6中等節理化巖體；,Xe0.60.8強節理化巖體；,Xe0.81.0完全節理化巖體；,巖體被某組構造面切割的程度Xr為：,假設巖體沿某斷面上同時存在著面積為a1、a2an的n個構造面時，則巖體沿該斷面的切割度為,式中：K為巖體的裂隙度；,Xe,為沿某一平面的切割度。,5、構造面的膠結狀況及充填狀況,(1)膠結構造面,泥質膠結：強度最低，在脫水狀況下有肯定的強度，遇水發生泥化、軟化，強度明顯降低。,可溶鹽類膠結：枯燥時有肯定的強度，遇水發生

11、溶解，強度降低。,鈣質膠結：強度較高，且不受水的影響，但遇酸性水強度降低。,鐵質膠結：強度較高，但易風化，力學性能不穩定。,硅質膠結：強度高，力學性能穩定。,可見，膠結構造面隨膠結物的成分不同，其力學效應有很大差異。,(2)非膠結構造面,分為有充填物的構造面和無充填物的構造面。,無充填物的構造面：其強度主要取決于構造面兩側巖石的力學性質及構造面粗糙度。,有充填物的構造面：其強度除與充填物、構造面兩側巖壁接觸面的力學特性有關外，主要取決于充填物的成分和厚度。,A、充填物成分：質粘土、砂質、角礫質等。,B、充填物厚度對構造面強度影響特殊顯著。按厚度可將有充填物的構造面分為：,薄膜充填：充填物厚度多

12、在1mm以下，多系次生蝕變礦物與風化礦物構成，如滑石、粘土礦物等；,斷續充填：充填物不連續，厚度多小于構造面的起伏差，使構造面強度降低。,連續充填：充填物厚度一般大于起伏差，構造面強度主要受充填物強度掌握，因此，常構成巖體的主要滑動面。,厚層充填：充填厚度較大，一般幾十厘米至數米，構成脆弱帶，如斷層泥。有時表現為巖體沿接觸面滑移，有時為脆弱充填物本身塑性流淌，常導致重大工程事故。,構造面變形,法向變形,剪切變形,3-2 構造面法向變形與剛度,法向應力與法向變形的關系,式中：,：原位壓力,：最大可能閉合量,s，t：與構造面幾何特征、巖石力學性質有關的兩個參數,法向剛度kn 的表達式,1Goodm

13、an,1974,式中Kn0：構造面的初始剛度,法向剛度kn，反映構造面產生單位法向變形的法向應力梯度,不是一個常數，與應力水平有關,實質：每點的切線斜率,2班迪斯Bandis,1984,法向應力與法向變形的關系,式中：a、b為常數,法向剛度kn,Bandis,1984,實質：每點的切線斜率,曲線外形，先凹，后陡；可由初始,法向剛度和最大閉合量確定。,初始階段，構造面變形為主，,當n=c/3時構造面變形根本完成,最大閉合量小于張開度。,法向變形的特征,1)兩種類型,a.粗糙構造面無充填物，剪應力上升較快，當剪應力到達峰值后抗剪力量下降較大，并產生不規章的峰后變形或滯滑現象。,b.平坦構造面有充填

14、物，初始階段剪切變形曲線斜率漸漸減小，曲線沒有明顯的峰值消失，最恒定。,3.3 剪切變形與剪切剛度,2剪切剛度Kt,剪切剛度：,1974年Goodman提出：,式中：Kt0初始剪切剛度,s產生較大剪切位移時的剪應力漸近值,3剪切變形方程,1975，卡爾哈維Kalhaway)提出：,式中：m=1/k0,k0:初始剪切剛度,n=1/0,0產生較大剪切位移時的剪應力漸近值,4剪切變形特征,兩種類型：,a.堅硬、無充填物脆性變形,有明顯的峰值、應力降,b.脆弱、有充填物塑性變形,無明顯的峰值、應力降,風化構造面，峰值位移變大、剪切剛度變小,隨法向應力減小、剪切規模增大，剪切剛度減小,3-4 構造面的抗

15、剪強度,構造面最重要的力學性質之一是抗剪強度。構造面在剪切過程中的力學機制比較簡單，構成構造面抗剪強度因素是多方面的，大量試驗結果說明，構造面抗剪強度一般可用莫爾庫倫準則表示：,式中：c、分別是構造面上的粘結力和摩擦角，b+i,b是巖石平坦外表根本摩擦角，i是構造面的爬坡角；是作用在構造面上的法向正應力。,剪脹,現象與,剪斷,現象,巖石強度，爬坡角i，法向力N，發生剪脹現象(b),巖石強度，爬坡角i，法向力N，發生剪斷現象(c),如圖為構造面有凸臺的模型的剪應力與法向應力的關系曲線，它近似呈雙直線的特構造面受剪初期，剪切力上升較快；隨著剪力和剪切變形增加，構造面上局部凸臺被剪斷，此后剪切力上升，梯度變小，直至到達峰值抗剪強度,不規章粗糙構造面的抗剪強度,Barton強度準則,考慮到三個根本因素法向力、粗糙度JRC、構造面抗壓強度JCS的影響，Barton(1977)提出確定不規章粗糙構造面抗剪強度公式：,式中：b巖石外表根本摩擦角。JRC為構造面粗糙性系數020，Barton將其分為10級，平坦近平滑構造面為5，平坦起伏構造面為10，粗糙起伏構造面為20。,