关于异性规则锯齿形结构面抗剪强度的探究

1、关于规则锯齿形异性结构面抗剪强度的探究 团队成员：邢远闯 谢中识 宋英杰 周若云 陈玮 指导老师：李长冬论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论目录论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论论文引言论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论1.1岩石结构面 在岩体建造与改造过程中，经受了各种复杂的地质作用，因而在岩体中发育有断层、节理和各种裂隙等结构面，极大地削弱了岩体的力学性质及其稳定性，使岩体物理性质十分复杂。 结构面的变形与强度性质往往对工程岩体的变形和稳定性起着控制性作用。在国内外已建和在建的岩体工程中普遍存在着由于岩石结构面而产生的工程问题，因此结

2、构面抗剪强度性质的研究在工程实践中具有十分重要的实际意义。论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论1.2规则锯齿形异性结构面 之前国内外可见的关于岩石结构面抗剪强度的研究大多偏向于同性结构面的性质研究，相对来讲异性结构面的相关研究较少，故有一定进一步研究的价值。 参考同性材料的实验方法及分析思路，我们针对锯齿状异性结构面的抗剪强度参数的确定以及参数关于结构面的起伏角和材料的关系进行了探究。论文引言论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论破坏机理论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论一般性的剪切破坏机理 由于起伏度的存在，结构面的剪切破坏机理因法向应力大小不同而异。图示是锯齿形结构面的直剪受力

3、模型，N，S分别为法向力和剪切力；为法向应力，为剪切应力；A为结构面的剪切面积；为结构面起伏角。 当法向应力较小时，在剪切过程中，上盘岩体主要是沿结构面产生滑动破坏，这时由于剪胀效应（或称爬坡效应），增加了结构面的摩擦强度。此时剪应力可表示为tan(b+) (1) 其中，b为结构面基本内摩擦角。论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论 随着法向应力增大，爬坡越来越困难。当法向应力达到一定值后，其破坏将由沿结构面滑动转化为剪断凸起而破坏，因其所谓的啃断效应，从而也增大了结构面的抗剪强度。此时剪应力可表示为tan+C (2) 其中，为结构面内摩擦角，C为结构面黏聚力。 而实际上，在锯齿形结构面的剪

4、切过程中，爬坡效应和啃断效应是会同时存在的，剪切强度公式既要反映结构面在剪切过程中的爬坡效应，又要反应剪切过程中的啃断效应，故剪应力可表示为 tan（b+f()+g() (3) 其中，f(),g()需要由实验数据具体确定。 需要指出的是，在更一般的情况下，式（2）中的也同样是正应力的函数，但在变化范围较小的情况下，其影响效果可以忽略，故在此次试验中，为方便起见，不考虑正应力对内摩擦角的影响。论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论实验研究论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论3.1异性结构面直剪试验 实验采用改装后的携带式剪切仪，如图所示，仪器主要由上下剪切盒、加荷系统、和量表构成。该仪器适

5、用于测定岩体结构面、软弱岩石、特殊土的峰值与残余值抗剪强度参数。 本次实验采用制样模具进行实验样品制备。采用砂，水泥，水按照（2:1:0.5）的比例及单独石膏制备长、宽、高分别为7cm、7cm、5cm，表面不同起伏角分别为5、10、15、20、25、30的水泥砂浆与石膏结构面试块。每个角度分别制六组样品，进行直剪试验。论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论3.2实验过程 实验时，现在试块上施加法向压力N，然后在水平方向逐级施加水平剪力S,直至试块破坏。用同样起伏角的试块，在不同法向应力下进行直剪试验，可得到不同下的抗剪强度，且在-坐标中绘制出试块强度包络线。论文引言破坏机理实验研究研究结果论

6、文结论3.3实验数据处理论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论 由不同起伏角对应的强度包络线，我们得到了不同起伏角与内摩擦角和黏聚力C的对应关系，作出对应关系图。分别的拟合公式为=45.202+0.015，C=-0.0295+0.0112。论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论研究结果论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论4.1规则锯齿形异性结构面抗剪强度公式的确定 前文已经提到，锯齿形结构面的抗剪强度一般是由莫尔-库伦原理所确定的，即存在既能体现出爬坡阶段，又能体现出啃断阶段的抗剪强度公式，即式（3）tan

7、（b+f()+g() 式中b+f()表示锯齿形结构面的综合内摩擦角，并被认为是结构面起伏角的函数，g()表示锯齿形结构面的黏聚力，也被认为是结构面起伏角的函数。 根据之前研究出综合内摩擦角、黏聚力与起伏角的函数关系，显然在此次异性结构面的直剪试验测量结果下的b+f()=45.202+0.015，g()=-0.0295+0.0112，即式（3）可确定为 tan（45.202+0.015)-0.0295+0.0112 （3*）论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论4.2同异性结构面的对比 为了与异性结构面的相关参数进行比对，同时也对相同规格、相同材料配比、相同实验条件的石膏和水泥砂浆进行了同性结

8、构面的直剪试验，并得到了相应的数据。相关处理方法与异性结构面类似故不再赘述，只把最后得到的抗剪强度参数与起伏角的对应关系列表并作图。论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论4.2同异性结构面的对比 从图表中可以发现，除掉个别由于不可避免的实验误差所造成的异常点以外，异性结构面的抗剪强度参数的确呈现出“中和”的特点，即介于两种同性结构面的对应参数之间，之前的猜想得到了部分的印证。 但是，从图中可以观察到，异性结构面的抗剪强度参数中黏聚力接近于软弱面石膏，而内摩擦角的相对大小则更偏向于强硬面水泥砂浆。论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论 鉴于以上事实，做出这样的解释： 对于黏聚力而言，其对抗剪强度的控制阶段主要体现在啃断阶段，而在啃断的过程中，主要是相对软弱的石膏面被破坏，所以最终表现出异性结构面的黏聚力更偏向于石膏同性结构面的相应参数。 对于内摩擦角而言，其对抗剪强度的控制阶段则主要体现在爬坡阶段，而在爬坡摩擦的过程中，表面粗糙的水泥砂浆面则极大地提高了结构面的整体粗糙度，所以最终表现出异性结构面的内摩擦角更偏向于水泥砂浆同性结构面的相应参数。论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论论文结论论文引言破坏机理实验研究研究结果论文结论123 规则锯齿形异性结构面的剪切过程同样由爬坡阶段和啃断阶段两种过程组成，其剪切强度也可以用同时体现两