岩体结构面强度性质

岩体结构面往往是经受多次地壳构造运动作用而形成的，而由于地应力大小和方向都会有变化，并由于岩体的相互制约，它仍然具有一定强度。但其强度总小于其侧岩强度。它的抗拉强度很低，特别是那些没有填充物的结构面，在一定范围内，可认为没有抗拉强度；有充填物的结构面，其抗拉强度与充填物性质有关。在工程荷载作用下，工程破坏常以沿着某些软弱结构面的滑动破坏为主，如重力坝坝基及坝肩岩体的滑动破坏、岩体滑坡等等。因此抗剪强度是结构面强度性质研究的重点。

实验研究表明，结构面抗剪强度的影响因素是非常复杂而多变的，从而致使结构面的抗剪强度性质也很复杂。影响结构面抗剪强度的因素主要包括结构面形态、连续性、胶结充填情况及壁岩性质、次生变化和受力历史等等。下面按无充填的结构面和有充填软弱结构面分述如下。

1.无充填的结构面强度性质

无充填的结构面根据结构面形态分为：平直无充填的结构面和粗糙起伏无充填的结构面两类。

（1）平直无充填的结构面。平直无充填的结构面特点是结构面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。如剪应力作用下形成的剪节理、发育较好的层理面与片理面。坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物膜。平直无充填结构面的抗剪强度可按式（4-1）确定。

式中τf——结构面抗剪强度（MPa） ；

σ——结构面上法向应力（MPa）；

c、 φ——分布为结构面的粘聚力（MPa）和内摩擦角（°）。

研究表明，结构面的抗剪强度主要来源于结构面的微咬合作用和胶粘作用且与结构面的壁岩性质及其平直光滑程度密切相关。硬质岩石（如石英岩、花岗岩、砂砾岩等）形成的壁岩相对于含有大量片状或鳞片状矿物的软质岩形成的壁岩来说，其摩擦强度较高，但粘聚强度偏低。结构面愈平直，擦痕愈细腻，其抗剪强度愈低。

（2）粗糙起伏无充填结构面。粗糙起伏无充填结构面特点是具有明显的粗糙起伏度，这是影响结构面抗剪强度的一个重要因素。

粗面起伏不平状况可用“起伏度”来表示，其具体标志是起伏差（h）和起伏角（i）（图4-3）。设有典型化锯齿状结构面，在剪应力（τ）及正应力（σ）作用下，每一锯齿的结构面上便产生剪应力（τn）及正应力（σn）：

图4-3　粗糙起伏无充填结构面的抗剪强度分析图
（a）理想化模型； （b）单个凸起体受力情况； （c）剪切强度包络线

假定锯齿状结构面剪切破坏服从库仑定律，并忽略其凝聚力（c=0），则

将式（4-2）和式（4-3）两式代入式（4-4），该结构面抗剪强度为：

式中 φ——齿面摩擦角（°）。

式（4-5）是法向应力较低时锯齿形起伏结构面的抗剪强度表达式，它所描述的强度包络线如图4-3 （c）中①所示。可以看出，具有一定起伏度的锯齿状结构面，其抗剪强度随该面起伏角（i）增加而增大。当起伏角趋近于零时，其抗剪强度最低。应指出，具有一定起伏度的结构面，其抗剪强度较高的力学效应，仅在开始剪切时的岩体抬动膨胀阶段出现，一旦岩体剪切破坏，在滑动剪切中，这种起伏度的力学效应就逐步地基本消失。

2.有充填软弱结构面强度性质

具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层，其形成多与水的作用和各类滑错作用有关。这类结构面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度和厚度等因素有关。按充填物的颗粒成分，可将有充填的结构面分为泥化夹层、夹泥层、碎屑夹泥层及碎屑夹层等几种类型。充填物的颗粒成分不同，结构面的抗剪强度及变形机理也不同。图4-4为不同颗粒成分夹层的剪切变形曲线。表4-3为不同充填夹层的抗剪强度指标值。由图4-4可知，粘粒含量较高的泥化夹层，其剪切变形（曲线Ⅰ）为典型的塑性变形型，特点是强度低且随位移变化小，屈服后无明显的峰值和应力降。随着夹层中粗碎屑成分的增多，夹层的剪切变形逐渐向脆性变形型过渡（曲线Ⅱ-Ⅴ），峰值强度也逐渐增高。至曲线Ⅴ的夹层，碎屑含量最高，峰值强度也相应为最大，峰值后有明显的应力降。这些说明充填物的颗粒成分对结构面的剪切变形机理及抗剪强度都有明显的影响。表4-3也说明了结构面的抗剪强度随粘粒含量增加而降低，随粗碎屑含量增多而增大的规律。充填物厚度对结构面强度的影响也较大。图4-5为平直结构面内充填物厚度与其摩擦系数f和粘聚力c的关系曲线。由图4-5显示，充填物较薄时，随着厚度增加，摩擦系数迅速降低，而粘聚力开始时迅速升高，升到一定值后又逐渐降低。当充填物厚度达到一定值时，摩擦系数和粘聚力都趋于某一稳定值。这时，结构面强度主要取决于充填夹层的强度，而不再随充填物厚度的增大而降低。据实验研究表明，这一稳定值接近于充填物的内摩擦系数和内聚力，因此，可用充填物的抗剪强度来代替结构面的抗剪强度。对于平直的粘土质夹泥层来说，充填物的临界厚度大约为0.5 ～ 2mm。

图4-4　不同颗粒成分夹层τ-u曲线

表4-3　不同夹层物质成分的结构面抗剪强度（据孙广忠，1988）

结构面的充填程度可用充填物厚度d与结构面的平均起伏差h之比来表示，d/h被称为充填度。一般情况下，充填度越小，结构面的抗剪强度越高；反之，随充填度的增加，其抗剪强度降低。图4-6为填度与摩擦系数的关系曲线。图中显示，当充填度小于100%时，充填度对结构面强度影响很大，摩擦系数f随充填度d/h增大迅速降低。当d/h大于200%时，结构面的抗剪强度才趋于稳定，这时，结构面的强度达到最低点且其强度主要取决于充填物性质。

图4-5　充填物厚度与抗剪强度关系

（据孙广忠，1988）

图4-6　加泥充填度对摩擦系数的影响示意图（据孙广忠，1988）

由上述可知，当充填物厚度和充填度达到某一临界值时，结构面的抗剪强度最低且取决于充填物的强度。在这种情况下，可将充填物的强度视为结构面的抗剪强度，而不必考虑结构面粗糙起伏度的影响。

除此之外，充填物的结构特征及含水率对结构面的强度也有明显影响。一般来说，充填物结构疏松且具定向排列时，结构面的抗剪强度最低，反之，抗剪强度较高。含水率的影响也是如此，即结构面的抗剪强度随充填物含水率的增高而降低。