第七章 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)

1、資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì) 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面類型及特征 結(jié)構(gòu)面： 是具有一定方向，厚度較小，延展性較大 的二維地質(zhì)界面。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面類型及特征 結(jié)構(gòu)面類型劃分 按結(jié)構(gòu)面成因劃分 原生結(jié)構(gòu)面。 構(gòu)造結(jié)構(gòu)面。 次生結(jié)構(gòu)面。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面類型及特征 原生結(jié)構(gòu)面：成巖過程中形成的結(jié)構(gòu)面。 構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：在各種構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的 結(jié)構(gòu)面，如節(jié)理、斷裂、劈理以及層間錯動引 起的破碎帶等。 次生結(jié)構(gòu)面：在各種次生作用下形成的結(jié)構(gòu) 面，如風(fēng)化裂隙、冰凍裂隙以及重力卸載裂隙 等。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面類型及特征 原生結(jié)構(gòu)面又細(xì)分為： 沉積結(jié)構(gòu)面：沉積巖層在

2、成巖過程中形成的 結(jié)構(gòu)面，如層理、層面、假整合和不整合等。 火成結(jié)構(gòu)面：巖漿侵入活動及冷凝過程中形 成的，如巖漿巖的流層、流紋、冷卻收縮形成 的張裂隙；火成巖體與圍巖的接觸面。 變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：受變質(zhì)作用形成的結(jié)構(gòu)面，如 片理、板理等。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面類型及特征 結(jié)構(gòu)面類型劃分 按結(jié)構(gòu)面受力條件劃分 壓性結(jié)構(gòu)面。 張性結(jié)構(gòu)面。 扭性結(jié)構(gòu)面。 壓扭性結(jié)構(gòu)面。 張扭性結(jié)構(gòu)面。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面類型及特征 壓性結(jié)構(gòu)面：由壓應(yīng)力擠壓構(gòu)成，其走向與 最大主應(yīng)力方向垂直。 張性結(jié)構(gòu)面：在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生，其走向 與最大主應(yīng)力方向一致。 扭性結(jié)構(gòu)面：由純剪或壓張應(yīng)力引起的剪應(yīng) 力所形成的結(jié)

3、構(gòu)面。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面類型及特征 壓扭性結(jié)構(gòu)面：既有壓性結(jié)構(gòu)面的特征，也 有扭性結(jié)構(gòu)面的特征。 張扭性結(jié)構(gòu)面：既有張性結(jié)構(gòu)面的特征，也 有扭性結(jié)構(gòu)面的特征。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面類型及特征 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面類型及特征 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面類型及特征 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面類型及特征 二、結(jié)構(gòu)面的分類 按工程尺寸的分類（絕對分類） 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面類型及特征 按工程尺寸的分類（相對分類） 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面類型及特征 按力學(xué)觀點(diǎn)的分類 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的狀態(tài) 結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)： 結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、形態(tài)、延展尺度、密集程度 以及結(jié)構(gòu)面的接觸

4、類型、膠結(jié)、充填情況是影 響巖體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的重要因素。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的狀態(tài) 結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀：對巖體是否沿著某一結(jié)構(gòu)面 滑動其控制作用。 結(jié)構(gòu)面的形態(tài)：決定巖體沿結(jié)構(gòu)面滑動時抗 滑力的大小。 結(jié)構(gòu)面的延展尺度：決定巖體的強(qiáng)度。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的狀態(tài) 結(jié)構(gòu)面的密集程度：決定了巖體的被切割程 度，極大影響著巖體的強(qiáng)度。 結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)與充填情況：對巖體的強(qiáng)度有 很大影響。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的密集程度 描述結(jié)構(gòu)面密集程度的基本概念 v裂隙度:沿測線方向單位長度所穿過的結(jié)構(gòu)面 數(shù)量。 n L d :d節(jié)理平均間距 :L測線長度 L n K 節(jié)理數(shù):n 資源與環(huán)境工程學(xué)院

5、 結(jié)構(gòu)面的密集程度 當(dāng)巖體中存在多組節(jié)理時，此時裂隙度K為各 組節(jié)理裂隙度之和。 nba KKKK 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的密集程度 切割度:表示巖體被結(jié)構(gòu)面切割的程度。 A a X e :a結(jié)構(gòu)面面積； :A 假想斷面面積 當(dāng)巖體中存在多組結(jié)構(gòu)面時，此時切割度為： A aaa X n e 21 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的密集程度 不同切割度對應(yīng)巖體的貫通類型 非貫通半貫通貫通 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的接觸類型、膠結(jié)與充填 結(jié)構(gòu)面的接觸類型、膠結(jié)與充填情況對巖 體對強(qiáng)度的影響 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的接觸類型、膠結(jié)與充填 膠結(jié)物成分對巖體對強(qiáng)度的影響： 泥質(zhì)膠結(jié)：強(qiáng)度最低，在脫水

6、情況具有一定強(qiáng) 度，遇水發(fā)生泥化和軟化，強(qiáng)度顯著降低。 可溶鹽類膠結(jié)：干燥時具有一定強(qiáng)度，遇水溶 解，強(qiáng)度降低。 鈣質(zhì)膠結(jié)：強(qiáng)度較高，且不受水的影響，但在 酸性水作用下，強(qiáng)度降低。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的接觸類型、膠結(jié)與充填 鐵質(zhì)膠結(jié)：強(qiáng)度較高，但易風(fēng)化，力學(xué)性能不 穩(wěn)定。 硅質(zhì)膠結(jié)：強(qiáng)度高，力學(xué)性能穩(wěn)定。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的接觸類型、膠結(jié)與充填 膠結(jié)物厚度對巖體對強(qiáng)度的影響： 薄膜充填：充填物為極薄的一層礦物薄膜，強(qiáng) 度較低。 斷續(xù)充填：充填物不連續(xù)，厚度小于結(jié)構(gòu)面起 伏度。結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度受兩側(cè)巖性及結(jié)構(gòu)面形態(tài)控 制。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的接觸類型、膠結(jié)與充填 連續(xù)充填：

7、充填物連續(xù)，厚度略大于結(jié)構(gòu)面起 伏度。結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度受充填物強(qiáng)度控制。 厚層充填：充填物厚度大，在巖體中形成軟弱 帶。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的法向變形 結(jié)構(gòu)面的變形特征 結(jié)構(gòu)面的法向變形 1、結(jié)構(gòu)面彈性變形 結(jié)構(gòu)面的接觸是點(diǎn)接觸，接觸點(diǎn)為邊長為h 的正方形，接觸點(diǎn)有n個； 每個接觸點(diǎn)所受的力是相等的； 每個接觸點(diǎn)的力學(xué)特性是相同的。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的法向變形 點(diǎn)接觸荷載表面平均位移： 2 222 11 hnE dm AE mQ m與接觸面形狀有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)接觸面為圓形， 96. 0m 當(dāng)接觸面為方形，,95. 0mm隨長寬比的增大而減小。 彈性位移，作用于結(jié)構(gòu)面上的均布載荷; d

8、 結(jié)構(gòu)面邊長， h 接觸點(diǎn)邊長;n接觸點(diǎn)個數(shù); 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的法向變形 沃爾多夫認(rèn)為，, 9 . 01 2 m故有： nEh d 2 0 8 . 1 通常認(rèn)為，當(dāng)結(jié)構(gòu)面閉合時，其彈性變形量為： nEh dm 22 0 12 2 0 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的法向變形 2、結(jié)構(gòu)面的閉合變形 古德曼假定： 結(jié)構(gòu)面是張開的，張開的結(jié)構(gòu)面沒有強(qiáng)度； 結(jié)構(gòu)面間的壓縮量有限。 e 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的法向變形 V VVmc 1 mc t mc VV VV V A 1 mcmc VVV 當(dāng)：1 tA 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的法向變形 結(jié)構(gòu)面的配稱與非配稱試驗(yàn)： 資源與環(huán)境工程學(xué)院

9、 結(jié)構(gòu)面的切向變形 結(jié)構(gòu)面的剪切變形 1、結(jié)構(gòu)面粗糙、無充填物的剪切變形(a)。 2、結(jié)構(gòu)面含有較厚充填物的剪切變形(b)。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的切向變形 充填物濕度對結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度曲線影響很大。 當(dāng)充填物干燥時，曲線b會向曲線a過渡。 0u a b 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的切向變形 結(jié)構(gòu)面剪切變形理想化模型 0u A BC 峰值抗剪強(qiáng)度 殘余抗剪強(qiáng)度 起始彈性段 應(yīng)力降低段 殘余變形段（塑性段） 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的切向變形 0u 高低 恒剛度抗剪強(qiáng)度曲線 0u 高低 恒位移抗剪強(qiáng)度曲線 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度 結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度 平直結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度 殘余抗

10、剪強(qiáng)度 rr tg殘余內(nèi)摩擦角 r pp tgC 峰值內(nèi)聚力， p C峰值內(nèi)摩擦角 p 峰值抗剪強(qiáng)度 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度 若結(jié)構(gòu)面間有水存在： tguC 結(jié)構(gòu)面間水壓u ）或內(nèi)摩擦角（ rp ）或內(nèi)聚力（0 p CC 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度 規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度： N N TT itg b 基本摩擦角， b 結(jié)構(gòu)面爬坡角i 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度 itg b 基本摩擦角， b 結(jié)構(gòu)面爬坡角i iNiTT iTiNN sincos sincos b tgNT 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度 規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度理想曲線： 0 A B C視

11、內(nèi)聚力 i b T bbT tgitgC 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度 不規(guī)則粗糙結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度： b JCS JRCtg lg 結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)JRC 結(jié)構(gòu)面兩壁表面抗壓強(qiáng)度JCS 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度 充填結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度 當(dāng)結(jié)構(gòu)面中充填有某種軟弱物質(zhì)時，隨著 充填厚度的增大，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度顯著下降， 一旦充填物厚度超過結(jié)構(gòu)面表面起伏幅值時， 則結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度由充填物的厚度縮控制。 資源與環(huán)境工程學(xué)院 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng) 單結(jié)構(gòu)面力學(xué)效應(yīng) jj Ctg 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度符合庫侖準(zhǔn)則： 2sin 2 1 31 2cos 2 1 2 1 3131 巖石內(nèi)任意點(diǎn)應(yīng)力關(guān)系： 單

12、結(jié)構(gòu)面力學(xué)效應(yīng) 資源與環(huán)境工程學(xué)院 單結(jié)構(gòu)面力學(xué)效應(yīng) 2sin1 2 3 31 ctgtg tgC j jj 沿結(jié)構(gòu)面破壞力學(xué)條件： 當(dāng)： j 2 1 2 j 資源與環(huán)境工程學(xué)院 單結(jié)構(gòu)面力學(xué)效應(yīng) 沿結(jié)構(gòu)面破壞范圍： 資源與環(huán)境工程學(xué)院 單結(jié)構(gòu)面力學(xué)效應(yīng) 31 31 1 sin2 arcsin 2 1 2 jjjj ctgC j 2 21 31 31 2 sin2 arcsin 2 1 2 90 jjjj ctgC 資源與環(huán)境工程學(xué)院 單結(jié)構(gòu)面力學(xué)效應(yīng) 當(dāng)結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度曲線相切時： 24 j j ctgtg2 j jj j j C sin1 cos2 sin1 sin1 31 或 jj jj tgtg tgC 2 3 31 1 2 資源與環(huán)境工程學(xué)院 單結(jié)構(gòu)面力學(xué)效應(yīng) 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度與與結(jié)構(gòu)面位置及圍壓的關(guān)系： 資源與環(huán)境工程學(xué)院 多結(jié)構(gòu)面力學(xué)效應(yīng) 多結(jié)構(gòu)面力學(xué)效應(yīng) 資源與環(huán)境工程學(xué)院 作業(yè) 例 某巖石邊坡由閃長巖組成，其抗剪強(qiáng)度 指標(biāo)C=400kg/cm2，=30，邊坡內(nèi)有一結(jié)構(gòu) 面，結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度性質(zhì)Cj=200kg/cm2，j=20， 結(jié)構(gòu)面傾角= 40。為防止下