结构面的变形与强度性质.ppt

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1、第五章结构面的变形与强度性质§5.1概述§5.2结构面的变形性质§5.3结构面的强度性质§5.2结构面的变形性质一、法向变形性质1.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σｎ-ΔＶ，设不含结构面的岩块变形为ΔＶｒ，含结构面的岩块变形为ΔＶｔ，则结构面的变形（法向闭合变形）ΔＶｊ为：ΔＶｊΔＶｔΔＶｒΔＶｊ＝ΔＶｔ－ΔＶｒAB图5-1典型岩块和结构面法向变形曲线开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长。当σｎ增到一定值时，σｎ-ΔＶｔ曲线变陡，并与σｎ-ΔＶｒ曲线大致平行。说明结构面已

2、基本上完全闭合，其变形主要是岩块变形贡献的。这时ΔＶｊ则趋于结构面最大闭合量Ｖｍ。结构面的法向变形特点：初始压缩阶段，含结构面的岩块变形ΔＶｔ主要由结构面闭合造成。试验表明，当σｎ＝１ＭＰａ时，ΔＶｔ／ΔＶｒ可达５～３０，说明ΔＶｔ占了很大一部分。法向应力σｎ大约从σｃ/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σｎ-ΔＶｊ曲线大致为以ΔＶｊ＝Ｖｍ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（ｅ

3、）。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（σｉ）有关的量，其定义为σｎ-Ｖｊ曲线原点处的切线斜率，即：卸荷的应力-变形关系曲线随着循环次数的增加，σn-ΔVj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，且其特征与加荷方式及其受力历史无关。2.法向变形本构方程（1)Goodman方程较适用于具有一定滑错位移的非嵌合性结构面。2)Bardis方程3)孙广忠方程其中Kn为结构面的法向刚度。上式所描述的

4、σn-ΔVj曲线与试验曲线大致相似这种方法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。这一过程所描述的曲线如图5-5所示。图5-5结构面σn-ΔVj曲线（Bandis方程）法向刚度Ｋｎ（normalstiffness）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σｎ-Ｖｊ曲线上一点的切线斜率。确定方法试验法3.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（1）现场变形试验——中心孔承压板法（2）经验估算由Bandis方程估算几种结构面的抗剪参数表岩体结构面直

5、剪试验结果表便携式直剪仪粗糙结构面，呈脆性变形型平直结构面，呈塑性变形型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、剪切变形特征二、结构面的剪切变形性质卡尔哈韦（Kalhaway）方程2.剪切变形本构方程图5-13剪切刚度Ks的确定示意图剪切刚度KS（shearstiffness）是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前τ-u曲线上任一点的切线斜率。3.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）§5.3结构面的强度

6、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。试验研究表明：结构面抗剪强度的影响因素是非常复杂而多变的，从而致使结构面的抗剪强度特性也很复杂，抗剪强度指标较分散(表5-4)。影响结构面抗剪强度的因素主要包括结构面的形态、连续性、胶结充填特征及壁岩性质、次生变化和受力历史(反复剪切次数)等等。一、平直无充填的结构面二、粗

7、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一、平直无充填的结构面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。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。这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：二、粗糙起伏无充填的结构面剪切特点：①当σ较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了τ②当σ较大时，将剪断凸起而运动，也增大了τ经验

8、值σττ1、规则锯齿形结构面可概化为图5-14的模型：（1）当σ较小时Patton公式（2）当σ较大时，由于啃断作用，则结构面的抗剪强度为：式中，Ｃ分别为结构面壁岩的内摩擦角和内聚力。上式为法向应力σ≥σ1时，结构面的抗剪强度，其包络线如图所示。剪断凸起的条件为：小结：双直线强度（σ≥σ1）（σ<σ1)2、不规则起伏结构面自然界岩体中绝大