岩体力学-结构面剪切强度特性

1、结构面的剪切强度特性 结构面的受力特点与岩石不同，结构面的抗剪强度是保持岩体稳定的关键，所以要重点讨论。结构面的剪切强度与其形态特征（光滑、粗糙、凸凹度等）有着密切联系。 本节按结构面的形态特征分别讨论结构面的面摩擦，楔效应摩擦，转动摩擦和滚动摩擦等强度特性。,一、结构面的面摩擦效应 结构面的面摩擦强度指结构面（表面平整光滑形成面接触）表面在正应力和剪切力的作用下，所表现出的抵抗剪切位移破坏的最大摩擦力。 1、结构面的面摩擦强度 在正应力和剪切力的作用下，平整结构面的摩擦强度是与其表面的摩擦系数有关的函数，即（剪切）摩擦强度=tan （418） 2、摩擦强度的由来摩擦试验 R N 试验仪器直剪

2、仪 T 正压力 常数 剪切力T 由小至大直至节理产生位移破坏,3、判断物体滑动与否 作用在结构面上有正应力N和剪切力T，合力R， 与正压力夹角为，稳定，极限 = ， 破坏。（419） 4、摩擦系数 结构面发生摩擦时，可产生静、动摩擦两种 情况，从而形成静摩擦系数和动摩擦系数。 N 1）静摩擦系数最大摩擦力与相 R 应的法向力之比,由图412可知， Tmax/N=tanmax=tans 图4-12结构面的面摩擦效应 （式中分别为将位移前的最大正压力，摩擦力及,Tmax,合力夹角） 即fs=tans ，s节理面的静摩擦角 2）动摩擦系数岩块移动的最小摩擦力与相 应正应力之比Tmin /N =tan

3、min=tank 一旦节理面上的岩块开始滑动，其摩擦力常会 减小，这样求得相应的动摩擦系数fk=tank 其中k为节理面的动摩擦角。 3）动、静摩擦系数大小的影响因素： 与结构面性质（强度、硬度），接触面的光滑程度，结构面的湿度，结构面中充填物的粘结程度，滑移速度，温度和振动状态等有关。 4）结构面由静止到滑动的规律,如图413所示，当物体受合力与 正压力夹角=s 时，物体开始 滑动时s转为k，由此得出结论： 物体由静止到滑动，静摩擦系数s 减小到动摩擦系数k，即 ks 。 物体（结构面）在剪切力和正压力作用下滑动维持一个常数值（匀速运动）。 当剪切力移开（撤除）后，运动停止，其运动位移不可恢

4、复。 当再次加载=s ，物体再次滑动。 二、结构面的楔摩擦效应,静摩擦角,动摩擦角,自然界中岩体结构面的表面大多数都是起伏 （齿形凸凹）不平的，当受到拉、剪应力作用 时，这种起伏不平状态将给结构面强度产生一个 附加的值（即附加强度，它与起伏不平的斜面有关，故称作楔效应摩擦）。 楔效应摩擦指由齿型结构面所产生的附加强度。 楔效应摩擦可分为规则齿状结构面摩擦及不规则齿状结构面摩擦两种。分述如下： （一）规则齿形结构面的楔效应摩擦 规则齿形结构面就是将起伏不平的结构面表面形态简化成具有相同角度的规则齿形，来分析其强度特性。在该方法中以帕顿强度公式和勒单尼强度公式最为经典。已被岩体力学界的工程技术人员

5、所公认，所以在此作以介绍 。,1、帕顿的结构面强度公式 图414（b）为一简化成 规则齿形节理面试件。 1）假设 （1）结构面的各接触面有相同的坡面角； （2）齿面与水平面的夹角（坡面角、爬坡角）为； （3）试件受力为剪切力T 和正压力N 共同作用（限制性直剪试验）； （4）齿面上受剪切力 T和正压力N作用； （5）不断施加剪切力 T ，试件沿结构面齿面,图414（b）,AB发生破坏（被剪断） NSin NCOS 2）求：齿面上的剪切力T 和 正压力N T （1）正应力： Tcos 在OCD中，OC=N COS ， 在OGF中，FG=Tsin，则N= NCOS+Tsin。 （2）剪切力： 在

6、OCD 中，DC=- NSin （DC向与T方向相反） 在OGF中，OG = TCOS 则T=- NSin+ TCOS 。,合力（N、T）,A,B,A,N,C,N,D,O,Tsin,F,G,T,3）结构面的总摩擦角 显然，在正压力N和剪切力T作用下的直剪试验，结构面的破坏将沿着一个低强度的齿面AB产生，此时试件发生破坏，对于作用在齿形斜面（ AB ）上的N和T必须满足其摩擦强度条件。 即tanj = T/ N (j为齿形斜面上的摩擦角),将T和N代人则tanj = TCOS NSin/ NCOSTsin，将其展开得： NCOStanj +Tsintanj = TCOS- NSin 整理得 N（

7、COStanj +Sin）= T（COS-sintanj ） 同时，结构面沿着一个低强度的齿面AB产生破坏，还必须满足试件外部的正压力和剪切力作用条件， 即tan= T/N =（COS-sintanj ）/（COStanj +Sin）,即 右侧同除以cos sin/cos=tan 由上试得出： (tanj+tan)/（1-tanj .tan）= tan(j+) 故： tan= tan(j+) =(j+) （424） 岩体（结构面）在外力作用下的总摩擦角。 4）结构面上总摩擦角及其它角度关系 由公式424可得出的结论 ： 规则齿形结构面破坏规律：-五方面,（1）具有角的规则齿形结构面，直剪试验时

8、，在较低正应力作用下，结构面表现出爬坡效应的破坏特征。 （2）爬坡效应破坏的总摩擦角等于结构面的摩擦角j和爬坡角（坡面角）之和， 即=j （3）在结构面极限应力状态时，齿形斜面 （AB）上的正压力N和剪切力T的合力应与作用在该平面上的正压力N间的夹角j ，即结构面的摩擦角。 （4）作用在齿形斜面上（AB）的正压力N 又与外部正压力N 夹角为，即爬坡角。,（5）斜面上的合力与作用在外部的正压力N 间的夹角为=j 。 5）结构面的变形曲线 在上述分析中并没有考虑正应力大小给与的影响。如果加大作用在结构面上的正压力增大，帕顿认为：结构面将出现剪断齿尖的破坏特征（扩容量减小，随剪切力上升，变形梯度变小

9、，曲线变缓）。因此，此时的强度表达式应用另一条直线描述：= Cj+tanj ， 式中Cj、j分别为剪断齿尖时表现出的粘结力和内摩擦角。其实，剪断齿尖曲线公式就是莫尔库仑强度包络线的表达式。综合帕顿对规则齿形,结构面强度的描述，可发现 结构面强度其为一条折线方 程，表现了不同的破坏机理 采用不同的强度公式。 如下：T tan(j) （爬坡效应） T Cj tanj （切齿效应） 式中：T 为两条强度线的交点，表示区别爬坡效应与切齿效应的正应力值。实质为两强度转折点，说明直剪试验时，结构面是由爬坡转为齿尖开始剪断的效果。 由上述两式转换,（由T代替表示两条强度线的交点的强度） 由（426）式作出图

10、414（c）曲线：OAB 为 结构面剪切最大强度包络线。 残余剪切强度：如果在每一个正压力下，结构面受剪初始破坏后，位移继续发生（剪切力将降低的值）并记录每个试样的残余剪切力（每一正压力下，剪切位移开始时的剪切力），即可画出残余剪切力下的残余破坏包络线 OC 。 6）规则齿形结构面楔摩擦的扩容 前述在进行变形分析时可知，结构面上下齿形面壁相对位移时，不仅沿剪切力方向产生位移U，而且也沿垂直方向产生垂直位移V，,由图415（b）得出： 在剪切位移下，结构 面上半块试件（面壁） 将沿爬坡角产生位移， 当齿形越过齿尖将沿 另外一个齿形斜面位移，因此，在水平位移（U）与垂直位移（V）的坐标下，将表现出

11、齿形的轮廓线，最终形成扩容曲线 OA。 2、勒单尼提出的结构面强度公式 勒单尼在分析了规则齿形结构面剪切过程中的受力状态，提出了结构面的剪切抵抗能力是由四部分组成。,图415,1）剪切扩容所提供的分量正压力增大，水平力（剪切力）增大； 2）水平推力作用于齿形斜面所产生的剪切抵抗分量； 3）在无扩容条件下，正压力产生的剪切抵抗分量； 4）剪断齿尖而产生的剪切抵抗分量。 勒单尼公式表现了规则齿形结构面在剪切过程 中，爬坡同时又切齿的破坏机理，但参数太多，表达过于复杂，虽合理，但少用。 （二）不规则齿形结构面的楔效应摩擦强度,天然节理面，多数都呈不规则齿状起伏，其起伏状态通常可用节理表面的起伏度和粗

12、糙度加以描述。 1977年巴顿根据大量试验，经统计分析提出了经验公式 434 n 节理面上的正应力 该公式包括三个参数： 1、节理面粗糙度系数（JRC） (Joint Roughness Coefficient)图416，,巴顿按粗糙度分成110级，JRC分别取值020（02，241820）每2格为一级取10cm 长剖面。 2、节理面面壁的单轴抗压强度（JCS）依表现风化程度而定：轻岩块，重节理面。 3、（节理面）基本内摩擦角b（相当于平整 或光滑节理面的摩擦角），用残余剪切实验求得，多数为 25 35。 如已知结构面在正应力下的 抗剪强度，则粗糙度系数为： 三、结构面的转动摩擦效应(自学),

13、四、结构面的滚动摩擦效应 由少 （自学） 五、结构面强度的尺寸效应 图421为地下巷道，它周 围岩体处于完整及被结构面 到多 切割成不同结构体的单元块 体。由图可得出的结论（结 构面强度的尺寸效应）： 到更多 岩体中的结构面，对岩体力学特性的影响与单元块体大小有关，即通常所说的结构面的尺寸效应。 巴顿对结构面的尺寸效应问题进行了大量研究研究结果，如图422曲线结构面的尺寸效应规律,结构面的尺寸效应如下： 1、随结构面面积的增大， 峰值剪应力将随之减小， 裂隙度切割度增大。 2、随结构面面积的增大， 峰值剪应力对应的剪切位移，也将随之增大。 刚度减小。 3、随着结构面面积的增大，结构面的剪切位移曲线由脆断型向软弱型过渡,因破碎糜棱