巖體結構與結構面性質

巖體結構與結構面性質第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六1巖體結構2結構面的幾何性質與力學性質3巖體的強度性質4巖體的變形性質5巖體質量評價及其分類本章內容：第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六§2-1巖體結構結構面：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(xù)面如節(jié)理、片理、斷層、不整合面等。結構體：由結構面在巖體中切割而成的幾何體稱為結構體（巖石塊體）。巖體：結構面和結構體的地質統(tǒng)一體。圖2-1巖體結構示意第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六

一、結構面（1）地質成因類型

原生結構面：巖體在成巖過程中形成的結構面。

沉積結構面是沉積巖在沉積和成巖過程中形成的，有層理面、軟弱夾層、沉積間斷面和不整合面等。1、成因類型第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六火成結構面是巖漿侵入及冷凝過程中形成的結構面，包括巖漿巖體與圍巖的接觸面、各期巖漿巖之間的接觸面和原生冷凝節(jié)理等（如：流層、流線、火山巖流接觸面、蝕變帶、原生節(jié)理等）。第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六變質結構面在變質過程中形成（分為殘留結構面和重結晶結構面），如：片理、片麻理、板理、軟弱夾層等。第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六構造結構面是巖體形成后在構造應力作用下形成的各種破裂面，包括斷層、節(jié)理、劈理和層間錯動面等。第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六

次生結構面是巖體形成后在外營力作用下產(chǎn)生的結構面，包括卸荷裂隙、風化裂隙、次生夾泥層和泥化夾層等。

第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六（2）力學成因類型剪性結構面是剪應力形成的，破裂面兩側巖體產(chǎn)生相對滑移，如逆斷層、平移斷層以及多數(shù)正斷層等。張性結構面是由拉應力形成的，如粘土巖失水收縮節(jié)理、巖漿巖中的冷凝節(jié)理等。平移斷層正斷層逆斷層第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六2、分級級序分級依據(jù)地質類型對巖體穩(wěn)定影響Ⅰ級延伸數(shù)公里以上（最長達上千公里），破碎帶寬度數(shù)米~數(shù)十米區(qū)域性深大斷裂影響區(qū)域穩(wěn)定性；如通過工程區(qū)，形成巖體力學作用邊界Ⅱ級延伸數(shù)百米~數(shù)公里，破碎帶寬度幾厘米~幾米大中型斷層、不整合面、層間錯動帶、軟弱夾層等控制工程巖體力學邊界條件和破壞方式，與Ⅲ級結構面組合直接威脅工程穩(wěn)定Ⅲ級延伸十米~數(shù)十米，無破碎帶，面內不含泥，僅在一個地質年代的地層中分布小斷層、軟弱夾層、層間錯動帶等控制工程巖體力學邊界條件和破壞方式，直接威脅工程穩(wěn)定Ⅳ級延展數(shù)厘米~數(shù)米，未錯動，有的呈弱結合狀態(tài)，統(tǒng)計結構面節(jié)理、劈理、片理、層理、卸荷裂隙、風化裂隙控制巖體的結構、完整性和物理力學性質Ⅴ級微米~毫米，細小或隱微裂面，統(tǒng)計結構面微小節(jié)理、隱微裂隙。常包含在巖塊內控制巖塊的力學性質第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六

二、結構體1、結構體分級I級結構體：由I級結構面切割成的結構體(地質體)。II級結構體：由I級結構體經(jīng)II級結構面切割而成的結構體(山體)。III級結構體：II級結構體再經(jīng)III級結構面切割而成的結構體。IV級結構體：III級結構體再經(jīng)IV級結構面切割而成的結構體（完整巖石或巖塊）。第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六

2、結構體的塊度

結構體的塊度通常指最小結構體的尺寸。在巖體工程穩(wěn)定性分析中，結構體的塊度決定了工程圍巖的破壞方式，從而決定了支護和加固方法。在開挖過程中結構體的塊度影響施工及臨時支護。第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六三、巖體結構類型按巖體I級結構被大規(guī)模結構面分割的形態(tài)特征可將巖體結構分為塊狀結構和板層狀結構。I級巖體結構整體結構板層狀結構塊狀結構碎裂結構散體結構塊狀碎裂結構層狀碎裂結構塊狀結構將大規(guī)模結構面切割成的巖體結構定義為I級結構；在I級結構基礎上，次級結構面切割成的巖體結構定義為II級結構。按巖體II級結構被次級結構面切割的程度和形態(tài)特征，可將巖體結構劃分：II級巖體結構第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六Vpm—巖體彈性波縱波速度（m/s)Vpr—巖石彈性波縱波速度（m/s)巖體完整性系數(shù)

表征巖體結構特征的一個重要參數(shù)第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六1、整體結構完整性系數(shù)>0.75結構面間距>1.5m

巖性單一，節(jié)理不發(fā)育，無軟弱結構面或夾泥，層面結合良好，滲流對巖體特性影響不大，結構尺寸大于工程尺寸。巖土工程特征：整體強度高，巖體穩(wěn)定，可視為均質、各向同性的連續(xù)介質。第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六2、塊狀結構完整性系數(shù)0.35～0.75結構面間距0.7～1.5m節(jié)理發(fā)育，有若干貫通微張裂隙將巖體切割成柱狀、塊狀或菱形等結構體。工程范圍內，有兩組以上節(jié)理明顯發(fā)育，構成影響工程穩(wěn)定性的危險巖塊，其尺寸小于工程幾何尺寸。巖土工程特征：整體性強度高，結構面相互牽制，巖體基本穩(wěn)定，接近彈性各向同性體。第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六4、碎裂結構

構造發(fā)育，各種結構面與斷裂交叉發(fā)育，且多為泥質充填。巖體破碎，呈塊狀或片狀，局部裹有堅硬的大塊或條塊狀巖石，屬不均一的不連續(xù)介質，穩(wěn)定性很差。

巖體完整性系數(shù)

結構面間距

塊狀碎裂結構<0.36<0.5m

層狀碎裂結構<0.4<0.5m第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六5、散體結構完整性系數(shù)：<0.2主要為各種劇烈風化或擠壓破碎的巖體或土體。結構面相當發(fā)育，呈網(wǎng)狀，巖體極度破碎，并混有斷層泥，呈松散堆積或壓密堆積。巖土工程特征：穩(wěn)定性極差，巖體屬性接近松散體介質。第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六完整性系數(shù)：層狀0.3～0.6;薄層狀<0.4結構面間距：層狀0.25～0.5m；薄層狀<0.25m由中厚（0.25～0.5m）及薄層（<0.25m）的均一、堅硬、軟弱或軟硬相間的沉積巖或沉積變質巖形成的巖體。結構面以層理、片理、節(jié)理為主，往往有層間錯動，結構體呈板狀、片狀互相緊密疊合。巖土工程特征：工程范圍內，一組節(jié)理明顯發(fā)育，在層內具有均一的地質特征與力學特性，屬各向異性、層內均質的連續(xù)介質。其變形和強度特征受層面及巖層組合控制，巖體穩(wěn)定性較差。3、板層狀結構第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六1、產(chǎn)狀結構面產(chǎn)狀三要素：走向、傾向、傾角；與主應力之間的關系：控制巖體的破壞機理與強度?！?-2巖體結構面的幾何與力學性質一、結構面的幾何性質第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六結構面的分步密度反映結構面發(fā)育的密集程度，以裂隙度和切割度表示。①裂隙度K

：沿取樣線方向單位長度上的結構面數(shù)量。設取樣線長度為L,單位m,該長度內出現(xiàn)的結構面數(shù)量n，沿取樣線方向結構面平均間距為d′，則K=n/L，d′=1/K=L/n線密度Kd：若取樣線垂直結構面，則裂隙度被稱為線密度。間距d：同一組結構面法線方向上結構面平均距離。Kd=n/Ld

，d=1/Kd=Ld/n2、分布密度第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六多組結構面裂隙度K

的計算：Ka=1/max=cosξa/da

，Kb=1/mbx=cosξb/db，······，Kn=1/mnx=cosξn/dn

K=Ka+Kb+···+Kn第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六切割度Xe：巖體被節(jié)理割裂分離的程度。當巖體僅含一個節(jié)理時，眼節(jié)理面在巖體中取一貫通整體的平直斷面，節(jié)理面積a與該斷面面積A之比成為巖體的切割度Xe。若沿著巖體某斷面上同時存在面積為a1，a2，…，an的幾個節(jié)理面，則巖體沿該斷面的切割度為Xe=（a1+a2+…+an）/A某組節(jié)理切割的程度可用Xv表示：Xv=Xe.K第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六3、張開度結構面的張開度是指結構面兩壁面間的垂直距離。第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六結構面的形態(tài)可以用側壁的起伏形態(tài)及粗糙度來反映。結構面?zhèn)缺诘钠鸱螒B(tài)分為：平直的、臺階狀的、鋸齒狀的、波狀的和不規(guī)則狀的。4、形態(tài)側壁的起伏程度可用起伏角i表示：第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六可以用線密度來估算巖體質量指標RQD(rockqualitydesignation)：RQD的原始定義為：長度大于10cm的巖心長度之和與鉆孔總進尺的百分比，按下式計算：第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六結構面的粗糙度用粗糙度系數(shù)JRC(JointRoughnessCoefficient)表示。根據(jù)標準粗糙度剖面將結構面的粗糙度系數(shù)劃分為10級。隨粗糙度的增大，結構面的摩擦角也增大。標準粗糙度剖面見右圖。

第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六二、結構面的力學性質為何要研究結構面的力學性質？1引起工程巖體失穩(wěn)破壞2控制巖體變形3控制地下水滲透4影響巖體中應力分布第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六（1）法向變形特征①曲線形狀，先凹，后陡；歸結為接觸微凸體的彈性變形、壓碎、間接拉裂隙產(chǎn)生、新的接觸點和面的增加。②初始階段，結構面變形為主，當σn=σc/3時結構面變形基本完成③最大閉合量小于張開度。④卸除荷載后，有明顯的遲滯和非彈性效應。1、法向變形與法向剛度第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六（2）法向應力與法向變形的關系（Goodman,1974）

式中：：原位壓力：最大可能閉合量s，t：與結構面幾何特征、巖石力學性質有關的兩個參數(shù)1、法向變形與法向剛度第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六（3）法向剛度Kn

（Goodman,1974）式中Kn0：結構面的初始剛度第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六Bandis(1984)提出的非充填節(jié)理法向應力與法向變形的關系

式中：a、b為常數(shù)法向剛度Kn:Bandis得出由初始法向剛度和最大閉合量表達的經(jīng)驗公式：第37頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六（1）剪切變形特征A.粗糙結構面（且無充填物），剪應力上升較快，當剪應力達到峰值后抗剪能力下降較大，并產(chǎn)生不規(guī)則的峰后變形或粘滑現(xiàn)象。B.平坦結構面（或有充填物），初始階段剪切變形曲線斜率逐漸減小，曲線沒有明顯的峰值出現(xiàn)，最終恒定，或出現(xiàn)剪切硬化。C.隨著法向應力減小、剪切規(guī)模增大，剪切剛度減小2、剪切變形與剪切剛度第38頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六（2）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/τ0,

τ0－產(chǎn)生較大剪切位移時的

剪應力漸近值第39頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六（