节理面的力学性质.ppt

1 岩石力学 RockMechanics 2 2 4结构面的力学性质 3 结构面的力学性质主要包括三个方面 1 法向压缩变形 2 切向剪切变形 3 抗剪强度 4 一 法向变形 在法向荷载作用下 岩石粗糙结构面的接触面积和接触点数随荷载增大而增加 结构面间隙呈非线性减小 应力与法向变形之间呈指数关系 5 一 法向变形 Goodman 1974 通过试验 得出法向应力 n与结构面闭合量 n有如下关系 式中 称为原位压力 由测量结构面法向变形的初始条件决定 max是最大可能闭合量 s t是与结构面几何待征 岩石力学性质有关的两个参数 6 一 法向变形 法向变形刚度Kn 反映结构面产生单位法向变形的法向应力梯度 它不仅取决于岩石本身的力学性质 更主要取决于粗糙结构面接触点数 接触面积和结构面两侧微凸体相互啮合程度 通常情况下 法向变形刚度不是一个常数 与应力水平有关 7 一 法向变形 Goodman 1974 的研究结果 式中 Kn0为结构面初始刚度 8 一 法向变形 Bandis等人 1984 通过对大量的天然 不同风化程度和表面粗糙程度的非充填结构面的试验研究 提出双曲线型关系式 9 一 法向变形 式中 JCS为单轴抗压强度 JRC为结构面的粗糙系数 A B C D为常数 取决于结构面的受载历史 10 二 剪切变形 1 对非充填粗糙结构面 随剪切变形发生 剪切应力相对上升较快 当达到剪应力峰值后 结构面抗剪能力出现较大的下降 并产生不规则的峰后变形 曲线A 或滞滑现象 在一定的法向应力作用下 结构面在剪切作用下产生切向变形 通常有两种基本形式 11 2 对于平坦 或有充填物 的结构面 初始阶段的剪切变形曲线呈现下凹型 随着剪切变形的持续发展 剪切应力逐渐升高但没有明显的峰值出现 最终达恒定值 有时也出现剪切硬化 曲线B 二 剪切变形 12 剪切变形曲线从形式上可划分成弹性区 峰前应力上升区 剪应力峰值区和塑性区 峰后应力降低区或恒应力区 Goodman 1974 在结构面剪切过程中 伴随有微凸体的弹性变形 劈裂 磨粒的产生与迁移 结构面的相对错动等多种力学过程 因此 剪切变形一般是不可恢复的 即便在 弹性区 剪切变形也不可能完全恢复 二 剪切变形 13 二 剪切变形 剪切刚度Kt 通常将弹性区内单位变形的应力梯度称为剪切刚度 根据Goodman 1974 研究结果 式中 Kt0是初始剪切刚度 s是产生较大剪切位移时的剪应力渐近值 试验结果表明 较坚硬的结构面 剪切刚度一般是常数 松软结构面 剪切刚度随法向应力的大小而改变 14 二 剪切变形 结构面简化分析模型 15 三 抗剪强度 1 库仑准则结构面最重要的力学性质之一是抗剪强度 从结构面的变形分析可以看出 结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂 构成结构面抗剪强度的因素是多方面的 大量试验结果表明 结构面抗剪强度一般可以用库仑准则表述 16 三 抗剪强度 凸台模型的抗强度曲线 17 三 抗剪强度 2 巴顿 Barton 模型 试验表明 低法向应力时的剪切 结构面有剪切位移和剪胀 高法向应力时 凸台剪断 结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度 在剪切过程中 凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用 Barton经试验研究提出了考虑三个基本因素 法向力 n 粗糙度JRC 结构面强度JCS 的结构面抗剪强度公式 18 三 抗剪强度 式中 JCS是结构面的抗压强度 b是岩石表面的基本摩擦角 JRC为结构面粗糙性系数 根据10种典型剖面对比确定 目前可根据分形几何理论定量确定 19 三 抗剪强度 JRC值根据结构面的粗糙性在0 20间变化 平坦近平滑结构面为5 平坦起伏结构面为10 粗糙起伏结构面为20 20 三 抗剪强度 3 结构面力学性质的尺寸效应Barton等 1982 用不同尺寸的结构面的试验结果表明 当结构面的试块长度从5 6cm增加到36 40cm时 平均峰值摩擦角降低8 12 随试块面积增加 平均峰值剪切应力呈减少趋势 尺寸效应还体现在以下几个方面 随结构面尺寸增大 达到峰值强度时的位移量增大 由于尺寸增加 剪切破坏形式由脆性破坏向延性转化 随尺寸加大 峰值剪胀角减小 随结构面粗糙度减小 尺寸效应也在减小 21 三 抗剪强度 4 变形历史的影响第一次进行新鲜结构面剪切试验时 试样具有很高的抗剪强度 沿同一方向重复进行到第7次剪切试验时 试样还保留峰值与残余值的区别 当进行到第15次时 已看不出峰值与残余值的区别 说明在重复剪切过程中结构面上凸台被剪断 磨损 岩粒 碎屑的产生与迁移 使结构面的抗剪力学行为逐渐由凸台粗糙度和起伏度控制转化为由结构面上碎岩屑的力学性质所控制 22 三 抗剪强度 5 结构面充填物的影响结构面内充填物的厚度小于主力凸台