3結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,第3章 構(gòu)造面的力學(xué)性質(zhì),3-1 構(gòu)造面的類型及其特征3-2 構(gòu)造面法向變形與剛度,3-3 構(gòu)造面切向變形與剛度3-4 構(gòu)造面的抗剪強(qiáng)度,3-1 構(gòu)造面的類型及其特征,一、構(gòu)造面的概念 構(gòu)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(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。構(gòu)造面具有肯定的方向、延展較大、厚度小的二維面狀地質(zhì)界面。,二、構(gòu)造面的類型,火成構(gòu)造面,原生構(gòu)造面,構(gòu)造構(gòu)造面,次生構(gòu)造面,沉積構(gòu)造面,變質(zhì)構(gòu)造面,1、按構(gòu)造面按成因可分為,1原生構(gòu)造面：在成巖過(guò)程中形成的構(gòu)

2、造面,A、沉積構(gòu)造面是沉積巖在成巖過(guò)程中形成的各種地質(zhì)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(gòu)造面為巖漿侵入、噴溢冷凝所形成的各種構(gòu)造面，如流層、流線、火山巖流接觸面、各種蝕變帶、擠壓裂開(kāi)帶以及原生節(jié)理等。這些構(gòu)造面的產(chǎn)狀受侵入巖體與圍巖接觸面所掌握。,C、變質(zhì)構(gòu)造面為巖體在變質(zhì)作用過(guò)程中所形成的構(gòu)造面，如片理、片麻理、板理及脆弱夾層等。變質(zhì)構(gòu)造面的產(chǎn)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(gòu)造面是變質(zhì)構(gòu)造面中最常見(jiàn)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(gòu)造面也比較粗糙，變質(zhì)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(qiáng)度低，遇水后性質(zhì)就更差.,2構(gòu)造構(gòu)造面,各類巖體在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下形成的各種構(gòu)造面，如劈理、節(jié)理、斷層、層間錯(cuò)動(dòng)面等。,節(jié)理面在走向延展及縱深進(jìn)展上，其范圍都是有限的，大者一般不過(guò)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(duì)較好，節(jié)理面上常見(jiàn)有擦痕和各種泥質(zhì)薄膜，如高嶺石、綠泥石、滑石等，因此，剪節(jié)理面盡管接觸嚴(yán)密，但卻易于滑動(dòng)。,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(shù)十米但是，相對(duì)工程而言，斷層面一般是延展性較好的構(gòu)造面斷層面(或簾)的物質(zhì)成分主要是構(gòu)造巖，如斷

4、層泥、糜棱巖、角礫巖、壓碎巖等層間錯(cuò)動(dòng)帶是在層狀巖體中常見(jiàn)的一種構(gòu)造構(gòu)造面，其產(chǎn)狀一般與巖層全都。,延展性較好，構(gòu)造面中的物質(zhì)，因受構(gòu)造錯(cuò)動(dòng)的影響，多呈裂開(kāi)狀、鱗片狀，且含泥質(zhì)物。,3次生構(gòu)造面,在地表?xiàng)l件下，由于外力(如風(fēng)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(kāi)隙、風(fēng)化裂隙、風(fēng)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(nèi)發(fā)育，裂隙面粗糙不平，常為張開(kāi)型，充填物多為泥質(zhì)碎屑 爆裂開(kāi)隙是礦山工程中常見(jiàn)的一種次生構(gòu)造面，爆裂開(kāi)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(kāi)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(fēng)化裂隙及風(fēng)化夾層一般是沿原生夾層和原有構(gòu)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(nèi)的松軟物質(zhì)泥化而成，其產(chǎn)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(qiáng)度很低的，它們是導(dǎo)致巖體失穩(wěn)破壞的常見(jiàn)因素,2、按構(gòu)造面按受力條件可分為,A、壓性構(gòu)造面：由壓應(yīng)力擠壓而成，其走向與最大主應(yīng)力方向垂直。如片理面、褶皺軸面、壓性節(jié)理面等。,B、張性構(gòu)造面：在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的構(gòu)造面，其走向與最大主應(yīng)力方向全都。構(gòu)造面是張開(kāi)的，構(gòu)造面壁粗糙。如張斷裂面、張性節(jié)理面。,C、扭性構(gòu)造面：由純剪或壓張應(yīng)力引起的剪應(yīng)

6、力所形成的構(gòu)造面，構(gòu)造面壁較光滑，開(kāi)口或閉口都有可能，往往成對(duì)消失。如x型斷層面，x型節(jié)理面。,D、壓扭性構(gòu)造面：既有壓性構(gòu)造面的特征，又有扭性構(gòu)造面的特征，但常以其中一種為主。,E、張扭性構(gòu)造面：兼有張性和扭性構(gòu)造面的雙重特征。往往成鋸齒狀。,三、構(gòu)造面的分級(jí),構(gòu)造面的發(fā)育程度、規(guī)模大小、組合形式等是打算構(gòu)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(gòu)造面的規(guī)模是最重要的掌握因素。按構(gòu)造面發(fā)育程度和規(guī)模可以劃分為如下五級(jí)：,I 級(jí)構(gòu)造面-區(qū)域構(gòu)造起掌握作用的斷裂帶,級(jí)構(gòu)造面-延展性強(qiáng)而寬度有限的地質(zhì)界面,級(jí)構(gòu)造面-局部性的斷裂構(gòu)造,級(jí)構(gòu)造面-節(jié)理面,V 級(jí)構(gòu)造面-細(xì)小的構(gòu)造面,構(gòu)造

7、面的幾何特征是反映構(gòu)造面的外貌，由以下要素組成：,1、走向:構(gòu)造面與水平面的交線方向，用方位角表示。,2、傾斜:構(gòu)造面的傾斜方向和傾斜角度。,3、連續(xù)性。,4、粗糙度:說(shuō)明構(gòu)造面的粗糙程度。,5、起伏度:包括起伏波的幅度和長(zhǎng)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(zhǎng)度是指相鄰兩波峰之距離。,四、構(gòu)造面的幾何特征,構(gòu)造面的產(chǎn)狀、形態(tài)、延展尺度、密集程度以及膠結(jié)與充填狀況等是影響巖體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的重要因素。,1、構(gòu)造面產(chǎn)狀：指構(gòu)造面的走向、傾向和傾角，對(duì)巖體是否沿某一構(gòu)造面滑移起掌握作用。,2、構(gòu)造面形態(tài)：打算構(gòu)造面抗滑力的大小，當(dāng)構(gòu)造面的起伏程度大，粗糙度高時(shí)，其抗滑力

8、就大。,3、構(gòu)造面的延展尺度：在工程巖體范圍力，延展度大的構(gòu)造面掌握著巖體的強(qiáng)度。構(gòu)造面延展?fàn)顩r不同，其力學(xué)效應(yīng)也不同。,五、構(gòu)造面的狀態(tài),(1)非貫穿性構(gòu)造面,(2)半貫穿性構(gòu)造面,(3)貫穿性構(gòu)造面,4、構(gòu)造面的密集程度：指巖體中各種構(gòu)造面的發(fā)育程度。衡量密集度的指標(biāo)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(zhǎng)度上的節(jié)理數(shù)量,式中：n為長(zhǎng)度l內(nèi)的節(jié)理數(shù)量.,當(dāng)取樣線垂直節(jié)理的走向時(shí)，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(gòu)造；d=3080cm 塊狀構(gòu)造,d 30cm 碎裂狀構(gòu)造；d 6.5cm 極裂開(kāi)構(gòu)造,當(dāng)巖體中有幾組不同方向的節(jié)理時(shí)

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(nèi)的節(jié)理組數(shù)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(gòu)造面越密集。不同測(cè)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(shè)巖體僅有一個(gè)構(gòu)造面，可沿構(gòu)造面在巖體中取一個(gè)貫穿性的假想平直斷面，則構(gòu)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(jiàn),當(dāng):,0Xe1,巖體局部切

10、割；,Xe1,巖體被整個(gè)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(qiáng)節(jié)理化巖體；,Xe0.81.0完全節(jié)理化巖體；,巖體被某組構(gòu)造面切割的程度Xr為：,假設(shè)巖體沿某斷面上同時(shí)存在著面積為a1、a2an的n個(gè)構(gòu)造面時(shí)，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(gòu)造面的膠結(jié)狀況及充填狀況,(1)膠結(jié)構(gòu)造面,泥質(zhì)膠結(jié)：強(qiáng)度最低，在脫水狀況下有肯定的強(qiáng)度，遇水發(fā)生泥化、軟化，強(qiáng)度明顯降低。,可溶鹽類膠結(jié)：枯燥時(shí)有肯定的強(qiáng)度，遇水發(fā)生

11、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，但遇酸性水強(qiáng)度降低。,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。,可見(jiàn)，膠結(jié)構(gòu)造面隨膠結(jié)物的成分不同，其力學(xué)效應(yīng)有很大差異。,(2)非膠結(jié)構(gòu)造面,分為有充填物的構(gòu)造面和無(wú)充填物的構(gòu)造面。,無(wú)充填物的構(gòu)造面：其強(qiáng)度主要取決于構(gòu)造面兩側(cè)巖石的力學(xué)性質(zhì)及構(gòu)造面粗糙度。,有充填物的構(gòu)造面：其強(qiáng)度除與充填物、構(gòu)造面兩側(cè)巖壁接觸面的力學(xué)特性有關(guān)外，主要取決于充填物的成分和厚度。,A、充填物成分：質(zhì)粘土、砂質(zhì)、角礫質(zhì)等。,B、充填物厚度對(duì)構(gòu)造面強(qiáng)度影響特殊顯著。按厚度可將有充填物的構(gòu)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(fēng)化礦物構(gòu)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(gòu)造面的起伏差，使構(gòu)造面強(qiáng)度降低。,連續(xù)充填：充填物厚度一般大于起伏差，構(gòu)造面強(qiáng)度主要受充填物強(qiáng)度掌握，因此，常構(gòu)成巖體的主要滑動(dòng)面。,厚層充填：充填厚度較大，一般幾十厘米至數(shù)米，構(gòu)成脆弱帶，如斷層泥。有時(shí)表現(xiàn)為巖體沿接觸面滑移，有時(shí)為脆弱充填物本身塑性流淌，常導(dǎo)致重大工程事故。,構(gòu)造面變形,法向變形,剪切變形,3-2 構(gòu)造面法向變形與剛度,法向應(yīng)力與法向變形的關(guān)系,式中：,：原位壓力,：最大可能閉合量,s，t：與構(gòu)造面幾何特征、巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的兩個(gè)參數(shù),法向剛度kn 的表達(dá)式,1Goodm

13、an,1974,式中Kn0：構(gòu)造面的初始剛度,法向剛度kn，反映構(gòu)造面產(chǎn)生單位法向變形的法向應(yīng)力梯度,不是一個(gè)常數(shù)，與應(yīng)力水平有關(guān),實(shí)質(zhì)：每點(diǎn)的切線斜率,2班迪斯Bandis,1984,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,1984,實(shí)質(zhì)：每點(diǎn)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(gòu)造面變形為主，,當(dāng)n=c/3時(shí)構(gòu)造面變形根本完成,最大閉合量小于張開(kāi)度。,法向變形的特征,1)兩種類型,a.粗糙構(gòu)造面無(wú)充填物，剪應(yīng)力上升較快，當(dāng)剪應(yīng)力到達(dá)峰值后抗剪力量下降較大，并產(chǎn)生不規(guī)章的峰后變形或滯滑現(xiàn)象。,b.平坦構(gòu)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(méi)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(chǎn)生較大剪切位移時(shí)的剪應(yīng)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(chǎn)生較大剪切位移時(shí)的剪應(yīng)力漸近值,4剪切變形特征,兩種類型：,a.堅(jiān)硬、無(wú)充填物脆性變形,有明顯的峰值、應(yīng)力降,b.脆弱、有充填物塑性變形,無(wú)明顯的峰值、應(yīng)力降,風(fēng)化構(gòu)造面，峰值位移變大、剪切剛度變小,隨法向應(yīng)力減小、剪切規(guī)模增大，剪切剛度減小,3-4 構(gòu)造面的抗

15、剪強(qiáng)度,構(gòu)造面最重要的力學(xué)性質(zhì)之一是抗剪強(qiáng)度。構(gòu)造面在剪切過(guò)程中的力學(xué)機(jī)制比較簡(jiǎn)單，構(gòu)成構(gòu)造面抗剪強(qiáng)度因素是多方面的，大量試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，構(gòu)造面抗剪強(qiáng)度一般可用莫爾庫(kù)倫準(zhǔn)則表示：,式中：c、分別是構(gòu)造面上的粘結(jié)力和摩擦角，b+i,b是巖石平坦外表根本摩擦角，i是構(gòu)造面的爬坡角；是作用在構(gòu)造面上的法向正應(yīng)力。,剪脹,現(xiàn)象與,剪斷,現(xiàn)象,巖石強(qiáng)度，爬坡角i，法向力N，發(fā)生剪脹現(xiàn)象(b),巖石強(qiáng)度，爬坡角i，法向力N，發(fā)生剪斷現(xiàn)象(c),如圖為構(gòu)造面有凸臺(tái)的模型的剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線，它近似呈雙直線的特構(gòu)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(gòu)造面上局部凸臺(tái)被剪斷，此后剪切力上升，梯度變小，直至到達(dá)峰值抗剪強(qiáng)度,不規(guī)章粗糙構(gòu)造面的抗剪強(qiáng)度,Barton強(qiáng)度準(zhǔn)則,考慮到三個(gè)根本因素法向力、粗糙度JRC、構(gòu)造面抗壓強(qiáng)度JCS的影響，Barton(1977)提出確定不規(guī)章粗糙構(gòu)造面抗剪強(qiáng)度公式：,式中：b巖石外表根本摩擦角。JRC為構(gòu)造面粗糙性系數(shù)020，Barton將其分為10級(jí)，平坦近平滑構(gòu)造面為5，平坦起伏構(gòu)造面為10，粗糙起伏構(gòu)造面為20。,