巖體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)面性質(zhì)

巖體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)面性質(zhì)第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六1巖體結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)面的幾何性質(zhì)與力學(xué)性質(zhì)3巖體的強度性質(zhì)4巖體的變形性質(zhì)5巖體質(zhì)量評價及其分類本章內(nèi)容：第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六§2-1巖體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)面：是指巖體中存在著的各種不同成因和不同特性的地質(zhì)界面，包括物質(zhì)的分界面、不連續(xù)面如節(jié)理、片理、斷層、不整合面等。結(jié)構(gòu)體：由結(jié)構(gòu)面在巖體中切割而成的幾何體稱為結(jié)構(gòu)體（巖石塊體）。巖體：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的地質(zhì)統(tǒng)一體。圖2-1巖體結(jié)構(gòu)示意第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六

一、結(jié)構(gòu)面（1）地質(zhì)成因類型

原生結(jié)構(gòu)面：巖體在成巖過程中形成的結(jié)構(gòu)面。

沉積結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面是巖漿侵入及冷凝過程中形成的結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)面在變質(zhì)過程中形成（分為殘留結(jié)構(gòu)面和重結(jié)晶結(jié)構(gòu)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(gòu)造結(jié)構(gòu)面是巖體形成后在構(gòu)造應(yīng)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(jié)構(gòu)面是巖體形成后在外營力作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)面，包括卸荷裂隙、風(fēng)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(xué)成因類型剪性結(jié)構(gòu)面是剪應(yīng)力形成的，破裂面兩側(cè)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(jié)構(gòu)面是由拉應(yīng)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(zhì)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(xué)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(xué)邊界條件和破壞方式，與Ⅲ級結(jié)構(gòu)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(nèi)不含泥，僅在一個地質(zhì)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(xué)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(jié)合狀態(tài)，統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面節(jié)理、劈理、片理、層理、卸荷裂隙、風(fēng)化裂隙控制巖體的結(jié)構(gòu)、完整性和物理力學(xué)性質(zhì)Ⅴ級微米~毫米，細小或隱微裂面，統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面微小節(jié)理、隱微裂隙。常包含在巖塊內(nèi)控制巖塊的力學(xué)性質(zhì)第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六

二、結(jié)構(gòu)體1、結(jié)構(gòu)體分級I級結(jié)構(gòu)體：由I級結(jié)構(gòu)面切割成的結(jié)構(gòu)體(地質(zhì)體)。II級結(jié)構(gòu)體：由I級結(jié)構(gòu)體經(jīng)II級結(jié)構(gòu)面切割而成的結(jié)構(gòu)體(山體)。III級結(jié)構(gòu)體：II級結(jié)構(gòu)體再經(jīng)III級結(jié)構(gòu)面切割而成的結(jié)構(gòu)體。IV級結(jié)構(gòu)體：III級結(jié)構(gòu)體再經(jīng)IV級結(jié)構(gòu)面切割而成的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體的塊度

結(jié)構(gòu)體的塊度通常指最小結(jié)構(gòu)體的尺寸。在巖體工程穩(wěn)定性分析中，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)類型按巖體I級結(jié)構(gòu)被大規(guī)模結(jié)構(gòu)面分割的形態(tài)特征可將巖體結(jié)構(gòu)分為塊狀結(jié)構(gòu)和板層狀結(jié)構(gòu)。I級巖體結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)板層狀結(jié)構(gòu)塊狀結(jié)構(gòu)碎裂結(jié)構(gòu)散體結(jié)構(gòu)塊狀碎裂結(jié)構(gòu)層狀碎裂結(jié)構(gòu)塊狀結(jié)構(gòu)將大規(guī)模結(jié)構(gòu)面切割成的巖體結(jié)構(gòu)定義為I級結(jié)構(gòu)；在I級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，次級結(jié)構(gòu)面切割成的巖體結(jié)構(gòu)定義為II級結(jié)構(gòu)。按巖體II級結(jié)構(gòu)被次級結(jié)構(gòu)面切割的程度和形態(tài)特征，可將巖體結(jié)構(gòu)劃分：II級巖體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)完整性系數(shù)>0.75結(jié)構(gòu)面間距>1.5m

巖性單一，節(jié)理不發(fā)育，無軟弱結(jié)構(gòu)面或夾泥，層面結(jié)合良好，滲流對巖體特性影響不大，結(jié)構(gòu)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(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)。第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六2、塊狀結(jié)構(gòu)完整性系數(shù)0.35～0.75結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體。工程范圍內(nèi)，有兩組以上節(jié)理明顯發(fā)育，構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

構(gòu)造發(fā)育，各種結(jié)構(gòu)面與斷裂交叉發(fā)育，且多為泥質(zhì)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(zhì)，穩(wěn)定性很差。

巖體完整性系數(shù)

結(jié)構(gòu)面間距

塊狀碎裂結(jié)構(gòu)<0.36<0.5m

層狀碎裂結(jié)構(gòu)<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(jié)構(gòu)完整性系數(shù)：<0.2主要為各種劇烈風(fēng)化或擠壓破碎的巖體或土體。結(jié)構(gòu)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(zhì)。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(jié)構(gòu)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(zhì)巖形成的巖體。結(jié)構(gòu)面以層理、片理、節(jié)理為主，往往有層間錯動，結(jié)構(gòu)體呈板狀、片狀互相緊密疊合。巖土工程特征：工程范圍內(nèi)，一組節(jié)理明顯發(fā)育，在層內(nèi)具有均一的地質(zhì)特征與力學(xué)特性，屬各向異性、層內(nèi)均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)。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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀三要素：走向、傾向、傾角；與主應(yīng)力之間的關(guān)系：控制巖體的破壞機理與強度?！?-2巖體結(jié)構(gòu)面的幾何與力學(xué)性質(zhì)一、結(jié)構(gòu)面的幾何性質(zhì)第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六結(jié)構(gòu)面的分步密度反映結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面數(shù)量。設(shè)取樣線長度為L,單位m,該長度內(nèi)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)面數(shù)量n，沿取樣線方向結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面，則裂隙度被稱為線密度。間距d：同一組結(jié)構(gòu)面法線方向上結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面的張開度是指結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面的形態(tài)可以用側(cè)壁的起伏形態(tài)及粗糙度來反映。結(jié)構(gòu)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(cè)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)劃分為10級。隨粗糙度的增大，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)為何要研究結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)？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(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)面變形為主，當σn=σc/3時結(jié)構(gòu)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(yīng)。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(yīng)力與法向變形的關(guān)系（Goodman,1974）

式中：：原位壓力：最大可能閉合量s，t：與結(jié)構(gòu)面幾何特征、巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)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(jié)構(gòu)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(yīng)力與法向變形的關(guān)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(jié)構(gòu)面（且無充填物），剪應(yīng)力上升較快，當剪應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)力漸近值第39頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六（