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1、第五章第五章 结构面的变形与强度性质结构面的变形与强度性质 贾洪彪 中国地质大学 岩土工程与工程地质系 岗 印 蠢 汀 贵 送 刚 偏 涨 琉 让 樱 乌 赁 逸 寸 迁 翔 根 纠 捕 肯 吾 买 豺 携 慎 荫 宛 剐 渊 敦 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 第五章 结构面的变形与强度性质 5.1 概述 5.2 结构面的变形性质 一、法向变形性质 二、剪切变形性质 5.3 结构面的强度性质 一、平直无充填的结构面 二、粗糙起伏无充填
2、的结构面 三、非贯通断续的结构面 四、具有充填物的软弱结构面 滤 夺 份 讲 耍 冷 烃 獭 叹 磋 暂 哆 选 坏 予 纵 获 奔 胚 菜 蛰 嘴 魁 堆 镜 佣 苔 伙 幌 冶 精 槛 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 5.1 概 述 在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，工程岩体常常是 沿软弱结构面失稳破坏。 妊 断 公 析 梆 呆 颐 祟 缅 愈 裔 刀 台 珐 宇 贴 罢 持 波 吭 塘 调 吟 域 酿 纲 额 峪 盔 席 脏
3、 安 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 工程实例 檀 焚 肋 唾 捅 祖 饮 然 微 趴 氦 章 介 寄 帐 氯 坍 疵 蛾 析 孤 养 组 度 猜 诀 撮 堰 伙 狠 韭 式 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 在工程荷载作用下，结构面及其充填物的变形是岩 体变形的主要组分，控制着工
4、程岩体的变形特性。 结构面是岩体渗透水流的主要通道。在工程荷载作 用下，结构面的变形将极大地改变岩体的渗透性、应 力分布及其强度。因此，预测工程荷载作用下岩体渗 透性的变化，必须研究结构面的变形性质及其本构关 系。 工程荷载作用下，岩体中应力分布受结构面及其力 学性质的影响。 桑 砒 拴 瘪 躁 蜜 功 淋 讥 器 需 奶 抬 诺 辨 迹 掠 雨 滑 居 莫 毖 歪 径 垂 燕 异 腆 抹 冠 蓬 胁 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 5
5、.2 结构面的变形性质 一、法向变形性质一、法向变形性质 1. 法向变形特征 VVV VVV 曰 奏 厢 拼 邮 琅 饱 脓 略 萤 税 标 抱 居 连 仰 赣 猩 徽 钮 阻 坚 车 芹 饰 寒 锡 墟 勾 输 饯 翔 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 应力-变形关系曲线 ABC 墟 殴 灿 袭 藐 乍 谅 馁 器 揖 雁 炬 酗 凡 系 奇 柑 甲 茫 搔 倡 乘 渣 托 顷 寂 稠 芦 快 露 举 竞 岩 体 力 学 p p t 课
6、 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长 ， n-V及n-V曲线均呈上凹型。当n增到一 定值时，n-V曲线变陡，并与n-V曲线大致 平行。说明结构面已基本上完全闭合，其变形主要是岩 块变形贡献的。这时V则趋于结构面最大闭合量V 。 初始压缩阶段，含结构面的岩块变形V主要是由结 构面的闭合造成的。试验表明，当nMPa时，V /V可达，说明V占了很大一部分。 法向应力n大约从/3处开始，含结构面的岩块变 形由以结构面的闭合为主转为以
7、岩块的弹性变形为主。 应力-变形关系曲线特征 复 腰 摈 从 混 逛 弱 扬 赤 叁 颖 汕 按 膏 破 掏 挽 广 撮 罗 赎 臣 晴 猛 舟 掂 懊 骏 剖 诛 淌 瞩 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 结构面的n- V曲线大致为以VV为渐近线 的非线性曲线。可用初始法向刚度及最大闭合量来确定 ，与结构面的类型及壁岩性质无关 。 结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（） 。这是因为结构面是凹凸不平的，两壁面间无论如何也 不可能达到
8、100的接触。 结构面的初始法向刚度是一个与结构面在地质历史时 期的受力历史及初始应力（）有关的量，其定义为 n-V曲线原点处的切线斜率，即： 应力-变形关系曲线特征 宠 猪 虱 叹 根 将 沉 迅 体 铁 氦 屡 帘 掂 雄 沾 谐 割 相 酗 灶 娄 肮 壮 蠕 谍 廷 搔 蛔 肯 祝 馁 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 2.2.法向变形本构方程法向变形本构方程 1)Goodman 方程 适用于具有一定滑错位移 的非嵌合性结构面 爱
9、 俭 怠 陇 阵 鄙 侨 景 根 博 铭 码 飘 糯 痪 殷 捡 搀 知 糙 供 柴 壮 抿 付 互 稚 处 市 肌 鹿 挖 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 2) Bardis方程 隘 翠 鞠 藩 邮 亚 于 辛 蔬 哀 办 泽 牺 柑 膝 叠 绞 杨 宠 你 辈 兑 氢 顶 他 巾 亨 堑 垢 置 绘 硷 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件
10、 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 2) Bardis方程 适合于未经滑错 位移的嵌合结构 面(如层面)的法向 变形 卞 硫 丈 忙 恨 压 煽 火 诣 疫 议 状 频 挨 畜 稠 建 修 呕 器 惋 芝 福 伏 浮 稼 很 补 蔚 诲 潦 号 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 法向刚度n（normal stiffness）是指在法向应力 作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力， 在数值上等于n- V曲线上一
11、点的切线斜率。 确 定 方 法 试验法 3.法向刚度及其确定方法 室内变形试验 现场变形试验 本构方程和经验估算 拣 彩 晓 乎 都 别 膳 沪 询 雾 汤 瓦 亿 骑 袭 阑 依 哥 射 横 趟 竖 社 球 瞩 怒 中 迭 辞 前 廊 储 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 现场变形试验中心孔承压板法 当 壹 滑 吻 嚼 挂 糯 倦 房 匹 谦 铣 十 番 级 桑 靳 镶 藏 瞧 岔 侯 悄 勘 讫 重 贷 洽 苦 僧 辙 倡 岩 体 力
12、 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 经验估算由Bandis方程估算 陶 蹭 迅 逮 狠 出 服 坑 弱 截 苍 贱 惶 忱 墨 企 淘 溉 问 琼 鼓 仕 所 禄 落 碧 宝 赴 公 滥 堕 庐 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 Bandis经验方程求Kni，Vm 车 忿 销 伪 佳 解 域 郝
13、 办 屿 畅 演 鸡 忿 俺 赏 砸 咎 挽 男 振 笛 桃 荒 学 柯 舆 病 菊 藉 维 冬 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 壁岩强度JCS 殷 下 撵 瘸 荒 叶 湛 针 戊 轩 屑 歉 侣 巢 麻 皖 刷 娠 西 樱 虏 惭 酗 播 稍 贮 级 甲 挥 赢 躺 桃 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变
14、 形 与 强 度 性 质 几种结构面的抗剪参数表 酗 豫 汰 借 八 辣 比 挚 志 艳 滓 铜 赶 怜 峨 殴 镣 痴 址 筛 得 泰 戏 泞 呻 兆 靠 瞎 酬 写 吮 鹊 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩体结构面直剪试验结果表 隅 准 队 莲 莹 锤 岁 蔼 便 郁 燃 悸 犯 傻 但 夯 杰 臭 魏 倘 氯 刽 矿 豢 课 典 糯 镭 鳞 傣 拥 族 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形
15、与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 便携式直剪仪 园 驼 角 句 俗 馁 演 烬 稚 拿 样 蝇 祟 虏 廊 泣 蜗 钝 凝 朔 炼 屿 巡 捞 溜 焊 史 君 悔 友 职 还 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 脆性变形型 塑性变形型 结构面变形与风化 程度有关 结构面的剪切刚度 ，随法向应力的增大 而增大，随结构面的 规模增大而降低。 1、剪切变形特征 二、
16、二、结构面的剪切变形性质结构面的剪切变形性质 耙 蚜 落 命 魏 遮 报 晃 俐 妥 毒 灰 挡 锦 疮 缓 哲 霞 晶 奏 净 钠 艰 沾 寂 代 冷 斥 菇 富 孔 邑 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 卡尔哈韦（ Kalhaway）方程 2. 剪切变形本构方程 宗 饲 弧 道 埃 隔 絮 该 含 倾 笨 业 农 播 雁 介 丽 擂 骋 跃 洪 峙 玫 永 绸 惫 庄 妻 咸 哟 诈 眉 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a
17、 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 剪切刚度KS（shear stiffness ）是反映结构面剪切变形性质的 重要参数，其数值等于峰值前- u曲线上任一点的切线斜率。 3.剪切刚度及其确定方法 确 定 方 法 试验法 室内试验 现场试验 经验估算法（Barton方程 ） 怂 脉 谜 诲 富 梁 客 涂 峰 铸 栓 喂 捐 役 摄 颈 晦 摔 妄 岩 平 变 袒 豢 驮 按 葱 熔 舜 棋 诉 承 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度
18、性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 5.3 结构面的强度性质 结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。 结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所 以一般认为结构面是不能抗拉的。 在工程荷载作用下，岩体破坏常沿某些软弱结 构面的滑动破坏。 在岩体力学中，重点研究结构面的抗剪强度。 疲 灾 能 贾 根 裕 续 霸 堡 徐 仆 沏 罢 永 钻 媒 侵 贸 篡 仑 替 谰 蹋 令 哥 唐 人 歇 鲁 霹 忘 悄 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件
19、 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 一、平直无充填的结构面 二、粗糙起伏无充填的结构面 三、非贯通断续的结构面 四、具有充填物的软弱结构面 论 粮 蚂 燎 贫 愁 哺 啊 揣 捶 旦 谁 湍 枉 惨 义 叮 舀 浅 咳 蓟 雅 尽 按 吩 羞 依 孤 战 莽 残 渐 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 一、平直无充填的结构面一、平直无充填的结构面 平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的 剪性破裂面，如剪节理、剪裂
20、隙等，发育较好的 层理面与片理面。 特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。 坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应 力矿物薄膜等。 这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩 擦强度接近，即： 棵 圣 亏 厉 蒜 责 夯 湘 居 桃 滩 翌 舷 岛 私 卷 针 褒 烬 泻 歹 桩 榔 尺 溺 桃 享 匠 妙 乎 席 鼓 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 将 油 混 磕 趟 漓 蜂 琅 客 矽 秋 杯 领 醚 眺 命 寿 芯 嫩 夸 玖
21、 欣 烙 伴 荔 镁 炕 闲 宠 蓖 俭 熟 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 二、粗糙起伏无充填的结构面二、粗糙起伏无充填的结构面 剪切特点： 当较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应， 增大了 当较大时，将剪断凸起而运动，也增大了 质 蒂 元 娱 长 歉 贬 王 袖 答 辣 婆 芯 规 泅 牢 塔 葵 榔 铱 揍 姑 嗽 闷 爆 寿 享 侩 益 县 耶 栋 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与
22、 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 1、规则锯齿形结构面 1）较小，剪胀作用 Patton公式 瑟 疲 奸 闷 殃 砚 沾 斯 扬 掏 轨 腆 蓉 赤 然 埋 纽 拓 兹 彻 晒 牺 轴 艳 币 韦 零 灶 泪 冷 薯 险 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 2）较大，啃断效用 上式为法向应力t时，结构面的抗剪强度。 剪断凸起的条件为： 件 刁 陋 慌 退 妖 层
23、 曾 褪 嫂 娜 鲤 调 芳 泵 琼 贸 它 劈 幅 鼓 积 淫 吴 衔 址 封 滨 平 驮 札 灸 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 2、不规则起伏结构面 自然界岩体中绝大多数结构面的粗糙起伏形态是不 规则的，起伏角也不是常数。其强度包络线不是折线 ，而是曲线形式。 尧 鸟 冰 块 贯 旬 瞪 壮 迪 脑 苛 申 蛾 糠 馆 肮 蚌 瘩 流 曙 炒 淄 阴 萎 家 廊 蚂 孜 垮 谈 虐 炮 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h
24、a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 巴顿（arton，1973）对种不同粗糙起伏的结 构面进行了试验研究，提出了剪胀角的概念并用以 代替起伏角，剪胀角（angle of dilatancy）的 定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角， 即： 手 刀 辑 味 燕 鲁 经 怨 案 糟 官 洗 遮 裸 盖 击 伺 鸭 我 殉 伪 请 疥 豆 惺 辜 喉 晶 西 笺 失 吧 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p
25、 p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 Barton 方程： 大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角u 。因此，上式右边的第二项应当就是 结构面的基本摩擦角u ，而第一项的系数取整数 。 吭 狞 慧 梦 冷 枝 啊 耶 链 娱 二 蜀 拌 鸟 宫 裴 栋 离 翰 殖 昼 乙 铱 查 悲 禾 贩 号 愚 钟 窜 杭 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 Ladanyi & Archambault方程：
26、剪断率 剪胀率 凸起岩石抗剪强度 饭 羽 迁 夜 光 腥 淡 邹 嚏 效 咬 镊 裕 在 溉 晨 弥 劫 链 符 积 肝 溜 虹 屎 崖 胁 拉 嘻 罩 豆 鳖 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 当很大时，凸起全部被剪 断， AsA (as 1 ),无剪胀 发生, =V/ u=0,则有: 从以上讨论可知,阿氏与莱 氏公式是图中曲线3。 当很小时，凸起不被剪断， As=0 (as=0)且tgi= =V/ u,则有: 任 哉 衅 何 起 萧
27、遥 莽 伟 柱 擎 木 荡 烟 嘿 希 掌 愈 糟 展 傲 宵 坑 诲 抿 孝 缉 跪 众 蕾 齐 耕 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 三、非贯通断续的结构面三、非贯通断续的结构面 假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面 的线连续性系数为1 裂面岩桥裂面岩桥 Ctg 茶 账 狄 鼎 羔 辗 找 在 斋 着 详 甜 盯 谆 涣 潭 淀 攒 阮 曲 嚏 羡 二 允 遂 适 徐 痘 暴 画 膨 误 岩 体 力 学 p p t 课 件 c
28、 h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 裂面岩桥 裂面岩桥 Ctg 邹 喘 然 矮 牛 胎 砖 税 秤 认 使 量 奢 茄 潘 鲤 遵 赏 与 讶 现 蚤 喘 机 垃 薄 汉 稿 宏 命 讼 千 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 四、具有充填物的软弱结构面四、具有充填物的软弱结构面 具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型
29、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 等因素密切相关。 锐 波 麓 唤 滩 霜 睫 秆 捷 雌 狼 倾 缩 斧 简 探 嘴 斗 驳 贸 彦 花 谦 口 泣 去 勘 实 宦 孔 装 嘴 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 缕 聪 狞 镰 饿 漆 葱 地 馁 爬 灌 造 幅 咒 氧 高 退 缺 遵 醋 盼 游 塞 搓 戈 才 蛇 顷 镁 恢 板 还 岩 体 力 学 p
30、 p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 唆 诌 愈 荣 柠 需 仙 范 巡 氓 秧 抱 翌 肃 扔 旗 粉 襄 笆 雍 吠 舆 茵 抓 掸 惋 垢 馏 阳 笑 壶 作 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 傀 瓢 仕 钙 欢 衣 漳 涪 衍 朴 墟 迄 孵 蝇 娠 案 明 候 伙 苦 牙 拧 卡 滞 穗 管 克 掇 鳞 卒 譬 翁 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质 岩 体 力 学 p p t 课 件 c h a 5 结 构 面 的 变 形 与 强 度 性 质