结构面的变形与强度性质

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1、1、岩体稳定性分析和地下水渗流分析通常把岩体视为由岩块（结构体）与结构面组成的地质体。2、岩体工程中的软弱夹层问题：如黄河小浪底水库工程左坝肩的泥化夹层；葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层；黑河水库左坝肩单薄山梁的断层引发的渗漏问题；长江三峡自然坡中的软弱夹层等。这些软弱结构面在不同程度上影响和控制着工程岩体的稳定性。因此，结构面变形与强度性质的研究，在工程实践中具十分重要的实际意义：1）大量工程实践表明：在工程荷载（小于10Mpa）范围内，工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。因此，结构

2、面的强度性质的研究是评价岩体稳定性的关键。2）在工程荷载作用，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组成部分，控制着工程岩体的变形特性。3）结构面是岩体中渗透水流的主要通道。4）工程荷载作用下，岩体中的应力分布受结构面及其力学性质的影响。第一节 结构面的变形性质（特性）结构面的变形包括法向变形和剪切变形两个方面。一、结构面的法向变形1．法向变形特征（Normaldeformation）设不含结构面岩块的变形为ΔVr，含结构面岩块的变形为ΔVt，那么结构面的法向闭合变形ΔVj为：ΔVj=ΔVt－ΔV

3、r由结构面法向应力σn与变形的关系曲线可得如下特征：1）σn↑，ΔVj↑↑，曲线呈上凹型；σn→σ0，σn－ΔVt变陡，与σn－ΔVr大致变形；2）初始压缩阶段，ΔVt主要由结构面闭合造成的；3）试验研究表明，当开始，含结构面岩块的变形由以结构面的闭合→岩块的弹性变形；4）σn－ΔVj曲线的渐近线大致为：ΔVj=Vm5）结构面的最大闭合量小于结构面的张开度（e）。含结构面的岩块和不含结构面的岩块在法向上加荷、卸荷后的应力—变形曲线，见教材P76-77（Bandis等，1983）。2．法向变形本构方

4、程（法向应力与变形之间的关系）这方面的研究目前仍处于探索阶段，已提出的本构方程都在试验的基础上总结出来的经验方程，如Goodman，Bandis及孙广忠等人。1）古德曼（Goodman，1974）双曲线函数拟合结构面法向应力σn与闭合变形ΔVj（mm）间的本构关系： 或     式中：σi为结构面所受的初始应力。2）班迪斯等（Bandis等，1983） 当σn→∞时，ΔVj→     由初始法向强度的定义得：  3．法向刚度的确定（normalstiffness）1）定义：Kn为在法向应力作用下，

5、结构面产生单位法向变形所需的应力。    （Mpa/cm）试验（室内压缩试验、现场压缩变形试验如中心孔承压板法）求得结构面的σn－ΔVj曲线→Kn。中心孔承压极法： 2）不同法向应力下结构面的法向刚度Kn：由法向刚度的定义： 又 代入Kn得： 式中，Kni、Vm可通过室内含结构面岩块压缩试验求得。如无试验资料时，可用Bandis（1983）提出的经验方程求取： 其中，e为结构面的张开度；JRC为结构面的粗糙度系数；JCS为结构面的壁岩强度。二、结构面的剪切变形1．剪切变形特征1）非线性的，可分为脆

6、性变形和塑性变形如图5.3所示。①有一定宽度的破碎带、软弱夹层及含较厚充填物的裂隙、节理等软弱结构面的τ—Δu曲线多属于塑性变形型；②无充填且较粗糙的硬性结构面则属于脆性变形型。2）峰值位移受其风化程度的影响如图5.4所示；3）剪切刚度Ks受风化程度的影响；4）Ks具明显的尺寸效应；5）Ks随σn↑而↑。2．剪切变形本构方程卡尔哈韦（Kalhaway，1975）τ—Δu曲线用双曲函数拟合得： m，n为双曲线的形状系数，3．剪切刚度的确定Ks（shearstiffness）  （峰值τ—Δu曲线上任

7、一点的切线斜率如图5.5所示）此外，巴顿（Barton，1977）和乔贝（Choubey，1977）提出的Ks经验公式： 式中：L为剪切结构面的长度；     φr为结构面的残余摩擦角。第二节 结构面的强度性质（力学性质）重点研究它的抗剪强度。影响结构面抗剪强度的因素：结构面的形态、连续性、胶结充填特征及壁岩性质、次生变化和受力历史等等。根据结构面的形态、充填情况及连续性等特征，将其划分为四类： 一、平直无充填的结构面包括：剪性破裂面如剪节理、剪裂隙；脆性断层；发育较好的层理面与片理面。特点：平直

8、、光滑，只具有微弱的风化蚀变。抗剪强度：τ=σtgφj+Cj（有些教材为τ=σtgφ，因平直、光滑无充填C=0）σ为法向应力；φj、Cj为结构面的摩擦角和粘聚力。二、粗糙起伏无充填的结构面特点：具有明显的粗糙起伏度。当σn较小时→剪胀效应（爬坡效应）τ↑当σn↑→一定值时→啃断效应     τ↑1．规则锯齿形结构面（理想模型）1）设起伏角i，起伏差h，齿摩擦角φb且Cb=0根据力的平衡：（滑移面上的σn和τn） 又由Coulomb-Navier判据：τn=σntgφb∴