岩体结构面的力学、变形性质

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岩石力学与工程ROCKMECHANICSANDENGINEERING结构面的力学性质 岩体力学性质——岩体结构1岩体结构2结构面类型3结构面分级及其特性4岩体结构类型上次课内容: 3.2结构面的力学性质为什么要研究结构面的力学性质？1引起工程岩体失稳破坏（意大利瓦依昂水库库岸滑坡）（中国拓溪水库库岸滑坡）2控制岩体变形3控制地下水渗透4影响岩体中应力分布 1结构面法向变形与刚度2结构面切向变形与刚度3结构面的抗剪强度3.2结构面的力学性质 3.2结构面的力学性质(法向变形)一、结构面的法向变形：在法向载荷作用下，岩石粗糙结构面的接触面积和接触点数随着载荷的增加而增加，结构面的间隙减小，应力与法向变形之间呈现指数关系；1、Goodman（1974）提出的法向应力与结构面闭合量的关系：ξ为原位压力；δmax为最大的可能闭和量；s和t为参数t 法向刚度Kn:单位法向变形的法向应力的梯度.（Goodman,1974）式中Kn0：结构面的初始刚度3.2结构面的力学性质 2、班迪斯（Bandis,1984）:通过大量的天然的,不同风化程度和表面粗糙度的非充填结构面实验研究.双曲线型法向应力与法向变形的关系.式中：a、b为常数3.2结构面的力学性质(法向变形) 3.法向变形的特征①曲线形状，先凹，后陡；可由初始法向刚度和最大闭合量确定②初始阶段，结构面变形为主，当σn=σc/3时结构面变形基本完成③最大闭合量小于张开度。3.2结构面的力学性质 3.2结构面的力学性质(剪切变形)1.两种类型A.粗糙结构面（无充填物），剪应力上升较快，当剪应力达到峰值后抗剪能力下降较大，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象。B.平坦结构面（有充填物），初始阶段剪切变形曲线斜率逐渐减小，曲线没有明显的峰值出现，最后恒定二、结构面的剪切变形：在法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形。 剪切刚度：1974年Goodman提出：式中：Kt0－初始剪切刚度τs－产生较大剪切位移时的剪应力渐近值3.2结构面的力学性质(剪切变形)2.剪切变形曲线从形式上可划分为:弹性区、剪应力峰值区和塑性区。在结构面剪切过程中，伴随有微凸体的变形、劈裂、结构面间的相互错动，变形有时是不可恢复的。 3.2结构面的力学性质（剪切变形）3.剪切变形特征①两种类型：a.坚硬、无充填物－脆性变形有明显的峰值、应力降b.软弱、有充填物－塑性变形无明显的峰值、应力降②风化结构面，峰值位移变大、剪切刚度变小③随法向应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小 3.2结构面的力学性质(剪切变形)4.剪胀:剪切过程中产生的法向移动分量.①岩石强度高，凸台角i小，法向力N小，发生剪胀现象(b)②岩石强度低，凸台角i大，法向力N大，发生剪断现象(c) 三.结构面的抗剪强度(库仑准则)结构面剪切强度3.2结构面的力学性质(抗剪强度)是结构面的粘结力和摩擦角。 3.2结构面的力学性质(抗剪强度)结构面的抗剪强度C,ф:结构面上的粘结力和摩擦角n:结构面上的法向应力ф=фb+iфb:岩石平坦表面摩擦角i:结构面上的凸台斜坡角 JCS为结构面抗压强度JRC为结构面粗糙系数JRC在0-20间变化:平坦近平滑结构面为5;平坦起伏结构面为10;粗糙起伏结构面为20;抗剪强度公式(Barton)考虑了:法向力（n）、粗糙度（JRC）、结构面强度（JCS） 四、结构面力学性质的尺寸效应1、随着试块面积增加，平均峰值剪应力呈减小趋势，平均摩擦角下降；2、随着结构面面积增大，峰值强度时的位移量增大；3、随着尺度增加，剪切破坏由脆性向延性转化；4、尺寸加大，峰值剪胀角减小；5、随结构面粗糙度减小，尺寸效应减小。3.2结构面的力学性质 五、充填物对结构面力学性质影响1、随夹层厚度增大，强度迅速降低；2、随夹层颗粒增大，强度增大，但超过30mm以后变化不大；3、随含水量增加，使粘结力和摩擦力下降，强度下降4、泥化夹层的影响，时效性，恒定荷载下产生蠕变。3.2结构面的力学性质 3.3岩体的变形特征1岩体受压变形性质2岩体受剪变形性质3岩体各向异性特征 一、岩体的单轴和三轴压缩下变形特征（1）岩体应力－应变全过程曲线①在加载过程，结构面压密与闭合，应力－应变曲线，呈上凹型。②中途卸载有弹性后效现象和不可恢复残余变形。这是结构面闭合、滑移、错动造成的。③完全卸载，再加载形成形式上的“开环型”曲线，这也是弹性后效造成的。④峰值强度后，岩体开始破坏，应力下降较缓慢，仍有残余应力，这是岩体结构效应。3.3岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特征） （2）卸载时荷载不降至零时的应力－应变曲线①卸荷不降至零时的循环加载应力－应变曲线呈“闭环型”。②随着外荷加大、循环次数增多，闭环后移，这是结构面逐级被压密与啮合，这是结构面逐级被压密与啮合所致。③闭环逐渐变窄→演变呈一条线，这是压密程度越来越高，弹性后效变小的原因。④当卸荷至零持续一定时间后，有较大回弹变形，这是弹性后效。3.3岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特征） 岩体的变形模量可以从室内应力—应变关系、岩体变形机理、以及现场岩体力学测试中求得。从图，变形模量可按下式求得：式中—应力;a—岩体永久（残余）变形的应变b—岩体弹性变形应变;3.3岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特征）0 二、岩体剪切变形特征①在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，上凹型。②屈服点后，某个结构面或结构体首先剪坏，随之出现一次应力下降。峰值前可能发现多次应力升降。升降程度与结构面或结构体强度有关，岩体越破碎，应力降反而不明显。③当应力增加到一定应力水平时，岩体剪切变形已积累到一定程度没剪破的部位以瞬间破坏方式出现，并伴有一次大的应力降。④随后产生稳定滑移3.3岩体的变形特征（剪切变形特征）有关的工程问题：边坡滑坡、坝基底部滑移等； 三、岩体各向异性变形特征试件模型：12mmX12mmX36mm的块体单元分离度xx＝1表示贯通，x＝0为完整试件，x为分离度①岩体力学性质具有各向异性，变形、破坏机制、强度特征不同。②工程布置要考虑如何扬长避短，充分发挥岩体自身强度，维持工程稳定性。3.3岩体的变形特征（各向异性变形特征） 岩体各向异性变形特征当结构面与最小主应力X方向的夹角为：15°和75°时：脆性破坏60°，45°和60°时，出现短暂弹性，变形模量降低，出现延性破坏；围压升高，变形模量增大；破坏形式随着角度变化；当结构面平行于中间主应力时，中间主应力对于强度的影响不大，但是其它情况下的影响较大； 岩体的水力学性质渗流的特点：取决于岩体结构面和岩块的性质；岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和岩石孔隙水为特色；岩体的裂隙网络渗流具有定向性；岩体一般可以看成非连续介质（对于密集裂隙可以看成等校连续介质）岩体的渗流具有非均质性和各项异性；一般符合达西定律；受到应力场的影响显著；在裂隙交叉处具有“偏流效应”，偏向宽大裂隙的一侧； 结束语