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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(xù)面如節(jié)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(xù)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(jié)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(tài)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(jié)理、斷層、層間錯動面等。,節(jié)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(jié)理面一般粗糙，參差不齊，寬窄不一，延展性較差，剪節(jié)理面一般平直光滑，延展性相對較好，節(jié)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(jié)理面盡管接觸嚴密，但卻易于滑動。,斷層面的規(guī)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(fā)生在巖體有臨空面條件的地區(qū)，特殊是在深切河谷處，延展性不好，常在地表2040m內發(fā)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(qū)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(fā)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(wěn)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(jié)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(jié)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(jié)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(fā)育程度、規(guī)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(wěn)定性的重要因素。尤以構造面的規(guī)模是最重要的掌握因素。按構造面發(fā)育程度和規(guī)模可以劃分為如下五級：,I 級構造面-區(qū)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(jié)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(xù)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(tài)、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(wěn)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(tài)：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(tài),(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(fā)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(jié)理數量,式中：n為長度l內的節(jié)理數量.,當取樣線垂直節(jié)理的走向時，d為節(jié)理走向的垂直間距。按節(jié)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(jié)理時

9、，如下圖兩組節(jié)理Ka、Kb，則沿取樣方向x上的節(jié)理平均間距max和mbx為,式中：,n,為取樣線,l,內的節(jié)理組數量.,該取樣線上的裂隙度,K,為各組節(jié)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(jié)理分成：疏節(jié)理K=01 m-1；密節(jié)理K=110 m-1；特別密集節(jié)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(jié)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(xù)體。,巖體按切割度分類：,Xe0.10.2 完整巖體；,Xe0.20.4弱節(jié)理化巖體；,Xe0.40.6中等節(jié)理化巖體；,Xe0.60.8強節(jié)理化巖體；,Xe0.81.0完全節(jié)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(fā)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(fā)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(wěn)定。,硅質膠結：強度高，力學性能穩(wěn)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(xù)充填：充填物不連續(xù)，厚度多小于構造面的起伏差，使構造面強度降低。,連續(xù)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(guī)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(guī)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(fā)生剪脹現象(b),巖石強度，爬坡角i，法向力N，發(fā)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(guī)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(guī)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。,