岩体力学课件第五章结构面的变形与强度性质

1、n岩体中存在大量断层、节理等结构面，它是工程岩体区别 于深部岩体和其它工程材料的显著标志之一。在工程实践 中，我们发现工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿着松 软结构面破坏的，因此，结构面的存在不仅影响岩体的变 形与强度性质，而且还控制着岩体的变形与破坏机理。所 以，结构面力学性质的研究是岩体力学研究中的重要内容 之一。 第五章 结构面的变形与强度性质 本章主要内容 5.1 概述概述 5.2 结构面的变形性质结构面的变形性质 5.3 结构面的强度性质结构面的强度性质 n在结构面变形性质中，重点要搞清楚结构面在法向应力 和剪应力作用下的应力应变特征及法向刚度（Kn）、 剪切刚度（Ks）的定义与测定

2、方法。 n在结构面强度性质中，重点要搞清楚平直结构面和粗糙 起伏结构面的剪切强度特征、强度表达式和强度曲线特 征，了解一般结构面剪切强度参数（c、值）的经验值。 本章要点 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。如马尔帕塞坝溃 坝、瓦依昂库岸滑坡等。 第五章 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 结构面的变形又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

3、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。 工程实例 工程实例 5.2 结构面的变形性质 1. 法向变形特征法向变形特征 两块试件（含结构面、不含结构面）做变形试验， 得变形曲线-，设不含结构面的岩块变形为 ，含结构面的岩块变形为，则结构面 的变形（法向闭合变形）为： 应力-变形关系曲线 A B 开始时随着法向应力增加， 结构面闭合变形迅速增长。当增到一定值时，- 曲线变陡，并与-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。这时则趋于结构面最大闭合量。 应力-变形关系曲线特征 初始压缩阶段，含结构面的岩块变形主要由结构 面

4、闭合造成。试验表明，当时， 可达，说明j占了很大一部分。 法向应力大约从/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岩块的弹性变形为主。 结构面的- 曲线大致为以为渐近 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-曲线原点处的 切线斜率，即： 0 j V j n ni V K 应力-变形关系曲线特征 卸荷的应力-变形关系曲

5、线 以Vj=Vm为渐近线的曲 线,存在很大残余变形,即 松胀变形 结构面的卸荷刚度大于岩 块加荷刚度 随着循环次数的增加， n-Vj曲线逐渐变陡，且 整体向左移。 每次循环荷载所得的曲线 形状十分相似。 )( jn Vf （1)Goodman (1974)方程 较适用于具有一定滑 错位移的非嵌合性结 构面。 n immj i jm j n VVV VV V 1 1 2) Bardis(1983)方程 j j n Vba V b V a bVa jnj n 1 / 1 m mjn Vab VV ,时当 ni V j V j n ni Ka aVabaV K j j 1 1 )1( 1 0 2 0

6、 jm jmni n VV VVK 较适合于未经滑错位移的嵌 合结构面(如层面)的法向变 形特征。 3)孙广忠(1988)方程 )1( n n K mj eVV Kn-法向刚度 法向刚度（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- 曲线上一点的切线斜率。 (MPa/cm) j n n V K 确 定 方 法 试验法 3.法向刚度及其确定方法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 压力机、携带式剪力仪 中心孔承压板法 便携式直剪仪 法向 切向 Ks Kn 切向 VVV K n ii nini n 1

7、 1 Ks Kn 法向 （2）经验估算 由Bandis 方程估算 2 )1()( mj ni j n n VV K V K jm jmni n VV VVK nmni mn j VK V V 2 1 nmni n ni n VK K K 几种结构面的抗剪参数表 强度切向 硬性结构面，呈脆性变形型(a) 软弱结构面，呈塑性变形型(b) 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、剪切变形特征剪切变形特征 风化新鲜 2. 剪切变形本构方程剪切变形本构方程 卡尔哈韦（ Kalhaway 1975）方程 ultsi n K m unm u 1

8、, 1 结构面的初始剪切刚度(Ksi)为-u曲线原点 处的切线斜率，为水平渐近线在轴上的截距 ultsi n K m unm u 1 , 1 ultsi n K m unm u 1 , 1 残余摩擦角 3.3.剪切刚度及其确定方法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） u K s 结构面残余强度 r rns tg L K n JCS JRClg 100 结构面长度 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。 由于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，岩体破坏常以沿某

9、些软 弱结构面的滑动破坏为主。 因此，在岩体力学中一般很少研究结构面的 抗拉强度，重点是研究它的抗剪强度。 一、平直无充填的结构面 二、粗糙起伏无充填的结构面 1、规则锯齿形结构面 2、不规则起伏结构面 三、非贯通断续的结构面 四、具有充填物的软弱结构面 抗剪强度指标分散。其影响因素包括： 结构面的形态、连续性、胶结充填特征、 壁岩性质、次生变化、受力历史（反复剪 切） 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。 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、剪裂隙 等，发育较好的层理面与片理面。 这类结构面的抗剪强度

10、大致与人工磨制 面的摩擦强度接近，即： jj Ctg 结构面的抗剪强度：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。 抗剪能力弱的情况：若壁岩中含有大量片状或 鳞片状矿物如云母、绿泥石、粘土矿物、滑石 及蛇纹石等矿物时，其摩擦强度较低。摩擦角 一般在2030之间，小者仅1020， 粘聚力在00.1MPa之间。 抗剪能力强的情况：壁岩为硬质岩石如石英岩、 花岗岩及砂砾岩和灰岩等时，其摩擦角可达 3040，粘聚力一般在0.050.1MPa之间。 结构面愈平直，擦痕愈细腻，其抗剪强度愈接 近于下限，粘聚力可降低至0.05MPa以下，甚 至趋于零。反之，其抗剪强度就

11、接近于上限值 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，即啃断效应,也增大了 经验值 试验资料统计：粗糙起伏无充填的结构面在干燥状态 下的值一般为：4048，C值在0.10.55MPa 1 1、规则锯齿形结构面、规则锯齿形结构面 可概化为图5-14的模型： （1） 当较小时 ii ii n n sincos cossin )(itgb )( b tg nn Patton公式 （2） 当较大时，由于啃断作用，则结构面的 抗剪强度为： Ctg tgitg C b )( 1 式中 ，分别为结构面壁岩的内摩擦角和内聚力。 上式为法向应力1时， 结构面的抗

12、剪强度，其包络 线如图所示。剪断凸起的条 件为： 小结：双直线强度 )(itgb Ctg tgitg C b )( 1 （1） （0 (as=0)且 =V/ u =tgi,则有: 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。 uS rSuS tgVa atgVa 11 1 )(itg u V V Ctg r 这类结构面由裂隙面和非贯通的岩桥组成。在 剪切过程中，一般认为两者都起抗剪作用。 通过的裂隙面和岩桥都起抗剪作用。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，则整个结构面的抗剪强度 为： tgKtgKCKCK jj )1 ()1 ( 1111 裂面岩桥裂面岩桥 Ctg bb tgC tgKtgKCKCK jj )1 ()1 ( 1111 裂面岩桥 裂面岩桥 Cbtgb tgKtgKtg CKCKC jb jb )1( )1( 11 11 非贯通岩面内聚力 内摩擦系数 非贯通断续的结构面