第5讲 岩体结构与结构面性质.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,二,章,岩体的力学性质,1 岩体,结构,2,结构面的几何性质与力学性质,3,岩体的强度性质,4,岩体的变形性质,5,岩体质量评价及其分类,本章内容：,2,-,1,岩体结构,结构面：,是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的,地质界面,，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、不整合面等。,结构体,：由结构面在岩体中切割而成的几何体称为结构体（岩石块体）。,岩体,：结构面和结构体的地质统一体。,图,2-1,岩体结构示意,一、结构面,（,1,）地质成因类型,原生结构面,：岩体在成岩过程中形成的结构面。,沉积结构面,是沉积岩在沉积和成岩过程中形成的，有,层理面,、,软弱夹层,、,沉积间断面,和,不整合面,等。,1,、成因类型,火成结构面,是岩浆侵入及冷凝过程中形成的结构面，包括岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等（如：流层、流线、火山岩流接触面、蚀变带、原生节理等）。,变质结构面,在变质过程中形成（分为残留结构面和重结晶结构面），如：片理、片麻理、板理、软弱夹层等。,构造结构面,是岩体形成后在构造应力作用下形成的各种破裂面，包括断层、节理、劈理和层间错动面等。,次生结构面,是岩体形成后在外营力作用下产生的结构面，包括卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层等。,（,2,）力学成因类型,剪性结构面,是剪应力形成的，破裂面两侧岩体产生相对滑移，如逆断层、平移断层以及多数正断层等。,张性结构面,是由拉应力形成的，如粘土岩失水收缩节理、岩浆岩中的冷凝节理等。,平移断层,正断层,逆断层,2,、分级,级序,分级依据,地质类型,对岩体稳定影响,级,延伸,数公里,以上（最长达上千公里），破碎带宽度数米,数十米,区域性深大断裂,影响区域稳定性,；如通过工程区，,形成岩体力学作用边界,级,延伸,数百米,数公里，破碎带宽度几厘米,几米,大中型断层、不整合面、层间错动带、软弱夹层等,控制工程岩体力学边界条件和破坏方式,，,与,级结构面组合直接威胁工程稳定,级,延伸,十米,数十米,，无破碎带，面内不含泥，仅在一个地质年代的地层中分布,小断层、软弱夹层、层间错动带等,控制工程岩体力学边界条件和破坏方式，直接威胁工程稳定,级,延展数,厘米,数米,，未错动，有的呈弱结合状态，统计结构面,节理、劈理、片理、层理、卸荷裂隙、风化裂隙,控制岩体的结构、完整性和物理力学性质,级,微米,毫米,，细小或隐微裂面，统计结构面,微小节理、隐微裂隙。常包含在岩块内,控制岩块的力学性质,二、结构体,1,、结构体分级,I,级结构体,：,由,I,级结构面切割成的结构体,(,地质体,),。,II,级结构体,：由,I,级结构体经,II,级结构面切割而成的结构体,(,山体,),。,III,级结构体,：,II,级结构体再经,III,级结构面切割而成的结构体。,IV,级结构体,：,III,级结构体再经,IV,级结构面切割而成的结构体（完整岩石或岩块）。,2,、结构体的块度,结构体的块度通常指最小结构体的尺寸。在岩体工程稳定性分析中，,结构体的块度决定了工程围岩的破坏方式，从而决定了支护和加固方法,。在开挖过程中结构体的块度影响施工及临时支护。,三、岩体结构类型,按,岩体,I,级结构,被,大规模,结构面分割的,形态特征可将岩体结构,分为,块状结构,和,板层状结构。,I,级,岩体结构,整体结构,板层状结构,块状结构,碎裂结构,散体结构,块状碎裂结构,层状碎裂结构,块状结构,将大规模结构面切割成的岩体结构定义为,I,级结构,；在,I,级结构基础上，次级结构面切割成的岩体结构定义为,II,级结构,。,按岩体,II,级结构被次级结构面切割的,程度,和,形态特征，可将岩体结构划分：,II,级岩体结构,V,pm,岩体弹性,波,纵波速度,（,m/s,),V,pr,岩石弹性,波,纵波速度,（,m/s,),岩体完整性系数,表征,岩体结构特征,的,一个重要参数,1、整体结构,完整性系数,0.75,结构面间距,1.5 m,岩性单一，节理不发育，无软弱结构面或夹泥，,层面结合良好,，渗流对岩体特性影响不大，结构尺寸大于工程尺寸。,岩土工程特征：整体强度高，岩体稳定，可视为均质、各向同性的连续介质。,2、块状结构,完整性系数,0.35,0.75,结构面间距,0.7,1.5 m,节理发育，有若干贯通微张裂隙将岩体切割成柱状、块状或菱形等结构体。工程范围内，有两组以上节理明显发育，构成影响工程稳定性的危险岩块，其尺寸小于工程几何尺寸。,岩土工程特征：整体性强度高，结构面相互牵制，岩体基本稳定，接近弹性各向同性体。,4、碎裂结构,构造发育，各种结构面与断裂交叉发育，且多为泥质充填。岩体破碎，呈块状或片状，局部裹有坚硬的大块或条块状岩石，属不均一的不连续介质，稳定性很差。,岩体,完整性系数,结构面间距,块状碎裂结构,0.36,0.5,m,层状碎裂结构,0.4,0.5,m,5、散体结构,完整性系数：,0.2,主要为各种剧烈风化或挤压破碎的岩体或土体。结构面相当发育，呈网状，岩体极度破碎，并混有断层泥，呈松散堆积或压密堆积。,岩土工程特征：稳定性极差，岩体属性接近松散体介质。,完整性系数：层状,0.3,0.6,;,薄层状,0.4,结构面间距：层状,0.25,0.5 m,；薄层状,0.25,m,由中厚（,0.25,0.5,m）,及薄层（0.25,m）,的均一、坚硬、软弱或软硬相间的沉积岩或沉积变质岩形成的岩体。结构面以层理、片理、,节理为主，往往有层间错动，结构体呈板状、片状互相紧密叠合。,岩土工程特征：工程范围内，一组节理明显发育，在层内具有均一的地质特征与力学特性，属各向异性、层内均质的连续介质。其变形和强度特征受层面及岩层组合控制，岩体稳定性较差。,3、,板,层状结构,1,、产状,结构面产状三要素：走向、倾向、倾角；,与主应力之间的关系：控制岩体的破坏机理与强度。,2-2,岩体结构面的几何与力学性质,一、结构面的几何性质,结构面的分步密度反映,结构面发育,的密集程度，以裂隙度和切割度表示。,裂隙度,K,：,沿取样线方向单位长度上的结构面数量。,设取样线长度为,L,单位,m,该长度内出现的结构面数量,n,，沿取样线方向结构面平均间距为,d,，则,K=n/L,，,d=1/K=L/n,线密度,K,d,：若取样线垂直结构面，则裂隙度被称为线密度。,间距,d,：同一组结构面法线方向上结构面平均距离。,K,d,=n/L,d,，,d=1/K,d,=L,d,/n,2,、分布密度,多组结构面裂隙度,K,的计算：,K,a,=1/m,ax,=cos,a,/d,a,，,K,b,=1/m,bx,=cos,b,/d,b,，,，,K,n,=1/m,nx,=cos,n,/d,n,K=K,a,+K,b,+K,n,切割度,X,e,：岩体被节理割裂分离的程度。当岩体仅含一个节理时，眼节理面在岩体中取一贯通整体的平直断面，节理面积,a,与该断面面积,A,之比成为岩体的切割度,X,e,。,若沿着岩体某断面上同时存在面积为,a,1,，,a,2,，,，,a,n,的几个节理面，则岩体沿该断面的切割度为,X,e,=,（,a,1,+a,2,+a,n,）,/,A,某组节理切割的程度可用,X,v,表示：,X,v,=X,e,.K,3,、张开度,结构面的张开度是指结构面两壁面间的垂直距离。,结构面的形态可以用侧壁的起伏形态及粗糙度来反映。,结构面侧壁的起伏形态分为：平直的、台阶状的、锯齿状的、波状的和不规则状的。,4,、形态,侧壁的起伏程度可用起伏角,i,表示：,可以用线密度来估算岩体质量指标,RQD(rock quality designation),：,RQD,的原始定义为：长度大于,10cm,的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比，按下式计算：,结构面的粗糙度用粗糙度系数,JRC(Joint Roughness Coefficient),表示。根据标准粗糙度剖面将结构面的粗糙度系数划分为,10,级。随粗糙度的增大，结构面的摩擦角也增大。,标准粗糙度剖面见右图。,二、结构面的力学性质,为何要研究结构面的力学性质？,1,引起工程岩体失稳破坏,2,控制岩体变形,3,控制地下水渗透,4,影响岩体中应力分布,（,1,）法向变形特征,曲线形状，先凹，后陡；归结为接触微凸体的弹性变形、压碎、间接拉裂隙产生、新的接触点和面的增加。,初始阶段，结构面变形为主，,当,n,=,c,/,3,时结构面变形基本完成,最大闭合量小于张开度。,卸除荷载后，有明显的迟滞和非弹性效应。,1,、法向变形与法向刚度,（,2,）法向应力与法向变形,的关系,（,Goodman,1974,）,式中：,：原位压力,：最大可能闭合量,s,，,t,：与结构面几何特征、岩石力学性质有关的两个参数,1,、法向变形与法向刚度,（,3,）法向刚度,K,n,（,Goodman,1974,）,式中,K,n0,：结构面的初始刚度,Bandis(1984),提出的非充填节理,法向应力与法向变形,的关系,式中：,a,、,b,为常数,法向刚度,K,n:,Bandis,得出由初始法向刚度和最大,闭合量表达的经验公式：,（,1,）剪切变形特征,A.,粗糙结构面（且无充填物），剪应力上升较快，当剪应力达到峰值后抗剪能力下降较大，并产生不规则的峰后变形或粘滑现象。,B.,平坦结构面（或有充填物），初始阶段剪切变形曲线斜率逐渐减小，曲线没有明显的峰值出现，最终恒定，或出现剪切硬化。,C.,随着法向应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小,2,、剪切变形与剪切刚度,（,2,）剪切变形方程,1975,，卡尔哈维（,Kalhaway),提出：,式中：,m=1/k,0,k,0,:,初始剪切刚度,n=1/,0,0,产生较大剪切位移时的,剪应力渐近值,（,3,）剪切刚度,K,t,剪切刚度：,1974,年,Goodman,提出：,式中：,K,t0,初始剪切刚度,s,产生较大剪切位移时的剪应力渐近值,对于较坚硬结构面，剪切刚度一般,为常数；对松软结构面，剪切刚度,随法向应力的大小而改变。,1,）,平直结构面,的剪切强度,3,、结构面的抗剪强度,2,）,粗糙起伏结构面,的剪切强度,两种情况：剪胀、剪断,剪胀：,(,无粘结），,剪断：,（有粘结）,2,）,剪胀,现象与,剪断,现象,岩石强度高，爬坡角,i,小，法向力,N,小，发生剪胀现象,(b),岩石强度低，爬坡角,i,大，法向力,N,大，发生剪断现象,(c),4,、结构面力学性质的尺寸效应,Barton,和,Bandis,（,1982,）的试验结果表明：,随着试块长度的增大，平均峰值摩擦角降低；,随着试块面积的增大，平均峰值剪切应力降低，达到峰值强度时的位移量增大；,随着试块尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化；,随着试块尺寸的增加，峰值剪胀角变小；,随着结构面粗糙度的减小或法向应力的增大，尺寸效应降低。,作业,1,、简述结构面的级别及其特点。,2,、说出描述结构面状态的指标。,3,、结构面的剪切变形、法向变形与结构面的哪些因素有关？,