5 结构面的变形与强度性质(中国地质大学)

n 
1 a / V j  b 1

n 

V j a  bV j
 a b V j

n

当 n  时, V j  Vm  b  a Vm
K ni   n   V j    1   2  a ( 1  b a  V )  j  V j 0   1   a   V j 0
• 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。 • 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：

  tg j  C j

• 结构面的抗剪强度：结构面的微咬合作用和胶粘作用， 且与结构面的壁岩性质及其平直光滑程度密切相关。 • 抗剪能力弱的情况：若壁岩中含有大量片状或鳞片状 矿物如云母、绿泥石、粘土矿物、滑石及蛇纹石等矿 物时，其摩擦强度较低。摩擦角一般在20°～30°之 间，小者仅10°～20°，粘聚力在0～0.1MPa之间。 • 抗剪能力强的情况：壁岩为硬质岩石如石英岩、花岗 岩及砂砾岩和灰岩等时，其摩擦角可达30°～40°， 粘聚力一般在0.05～0.1MPa之间。 • 结构面愈平直，擦痕愈细腻，其抗剪强度愈接近于下 限，粘聚力可降低至0.05MPa以下，甚至趋于零。反之， 其抗剪强度就接近于上限值
S

 A
A

  tg   a   1  aS V u S r   tg 1  1  aS V u
• 当很小时，凸起不被剪断，  =V/ u =tgi,则 As=>0 (as=>0)且V 有:   tg (u  i) • 当很大时，凸起全部被剪断，  AsA (as 1 ),无剪胀发生, V =V/ u=0,则有:
第五章 结构面的变形与强度性质


岩体中存在大量断层、节理等结构面，是工程岩体区别于 深部岩体和其它工程材料的显著标志之一



在工程实践中，工程岩体的失稳破坏有相当一部分沿着结 构面破坏，
结构面的存在不仅影响岩体的变形与强度性质，而且还控 制着岩体的变形与破坏机理。所以，结构面力学性质的研 究是岩体力学研究中的重要内容之一。
  100 JCS Ks   ntg  JRClg  r    L  n  

 r  结构面残余强度 结构面长度 残余摩擦角

参数

§5.3 结Βιβλιοθήκη Baidu面的强度性质
• 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。



本章主要内容
• §5.1 概述 • §5.2 结构面的变形性质 • § 5.3 结构面的强度性质

本章要点


在结构面变形性质中：
◆结构面在法向应力和剪应力作用下的应力－应变特征

◆法向刚度（Kn）、剪切刚度（Ks）的定义与测定方法


在结构面强度性质中：
◆平直结构面和粗糙起伏结构面的剪切强度特征、强度

K si  ult 处的切线斜率， 轴上的截距 K si  ult 为水平渐近线在

3.剪切刚度及其确定方法
• 剪切刚度KS（shear stiffness）  • 是反映结构面剪切变形性质的重要参数， K s  u 其数值等于峰值前τ -u曲线上任一点的切
线斜率。

确 定 方 法

试验法 室内试验 现场试验 经验估算法（Barton方程）

 a  1 K ni

n

K niVm V j 较适合于未经滑错位移的嵌合结  Vm  V j 构面(如层面)的法向变形特征。

3)孙广忠(1988)方程
V j  Vm (1  e
Kn--法向刚度
 n Kn

)

3.法向刚度及其确定方法
法向刚度Ｋｎ是指在法向应力作用下，结构面产生单位法

可概化为图5-14的模型：

 n   sin i   cos i  n   cos i   sin i

 n   ntg ( )
b

  tg (b  i)
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：

  tg  C
•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

二、粗糙起伏无充填的结构面
σ

τ
剪切特点：

τ

• ① 当σ较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了τ
• ②当σ较大时，将剪断凸起而运动，即啃断效应,也增大了τ • 经验值 试验资料统计：粗糙起伏无充填的结构面在干燥状态 下的φ值一般为：40°~48°，C值在0.1~0.55MPa

1、规则锯齿形结构面 （1） 当σ较小时
• 结构面的σ ｎ- Δ Ｖｊ曲线大致为以Δ Ｖｊ＝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）。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（σ ｉ）有关 的量，其定义为 σ ｎ-Ｖｊ曲线原点处的切线斜率，即：
向变形所需要的应力，在数值上等于 σ
点的切线斜率。
Kn  n  V j (M Pa/cm)
ｎ-

 Ｖ ｊ 曲线上一

室内变形试验 确 定 方 法 试验法
压力机、携带式剪力仪

现场变形试验
中心孔承压板法

本构方程和经验估算

便携式直剪仪

Ks Kn

法向

切向

（1）现场变形试验——中心孔承压板法

Ks

法向

• 工程荷载作用下，岩体中应力分布受结构面及其力学性质的影响。

§ 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σ ｎ-Δ Ｖ，设不含结构面的岩块变形为Δ Ｖｒ，含结构 面的岩块变形为Δ Ｖｔ，则结构面的变形（法向闭合变形） Δ Ｖｊ为： Δ Ｖｊ＝Δ Ｖｔ－Δ Ｖｒ

表达式和强度曲线特征 ◆了解一般结构面剪切强度参数（c、φ值）的经验值。

第五章 结构面的变形与强度性质

§5.1 概 述
•在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，工程岩体常常是沿软弱结构 面失稳破坏。如马尔帕塞坝溃坝、瓦依昂库岸滑坡等。 •在工程荷载作用下，结构面及其充填物的变形是岩体变 形的主要 组分，控制着工程岩体的变形特性。 • 结构面是岩体渗透水流的主要通道。在工程荷载作用下结构面的 变形又将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。因此，预 测工程荷载作用下岩体渗透性的变化，必须研究结构面的变形性质 及其本构关系。

1 

C tg ( b  i )  tg

小结：双直线强度
  tg (b  i ) （σ<σ1)   tg  C （σ≥σ ） 1
 
1

C tg ( b  i )  tg

2、不规则起伏结构面
• 自然界岩体中绝大多数结构面的粗糙起伏形态是不规则的， 起伏角也不是常数。其强度包络线不是折线，而是曲线形式。

抗剪强度指标分散。其影响因素包括： 结构面的形态、连续性、胶结充填特征、

壁岩性质、次生变化、受力历史（反复剪 切）

• •

二、粗糙起伏无充填的结构面 1、 2、 四、具有充填物的软弱结构面

• •

一、平直无充填的结构面
• 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。

• 初始压缩阶段，含结构面的岩块变形 Δ Ｖｔ 主要由结构面闭合造 成。试验表明，当σ ｎ＝１ＭＰａ时，Δ Ｖｔ/Δ Ｖｒ可达５～３０， 说明Δ Ｖj占了很大一部分。 • 法向应力 σ ｎ 大约从 σ ｃ /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。

应力-变形关系曲线特征

• 巴顿（Ｂarton，1973）对８种不同粗糙起伏的结 构面进行了试验研究，提出了剪胀角的概念并用 以 代 替 起 伏 角 ， 剪 胀 角 α ｄ （ angle of dilatancy）的定义为剪切时剪切位移的轨迹线与 水平线的夹角，即：
 V   tg     
1

d

• Barton 方程：Barton 通过大量结构面剪切试验，用

2.法向变形本构方程  n  f (V j )
（1)Goodman (1974)方程
  V j  n   1 i  Vm  V j    1 V j  Vm  Vm i

n

较适用于具有一定滑 错位移的非嵌合性结 构面。

2) Bardis(1983)方程

新鲜

风化

2. 剪切变形本构方程
• 卡尔哈韦（ Kalhaway 1975）方程

u  m  nu 1 1 m  , n    u u  K  si ult m  nu m  nu 1)为τ -1 1 1 •结构面的初始剪切刚度 ( Ksi m , n  △u曲线原点 m ,n 



• Ladanyi & Archambault 提出：
  tg   a   1  aS V u S r   tg 1  1  aS V u
剪断率 剪胀率 凸起岩石抗剪强度
aS   V

r

两参数较难 V 确定，提出   经验公式  tg   C

Kn

切向

 n Kn   Vi 1  Vi V

 ni1   ni

（2）经验估算 由Bandis 方程估算
n 
V j 

K niVm V j Vm  V j

K niVm   n

 nVm

Kn 

 n K ni   (V j ) (1  V j Vm ) 2

•Barton方程

JCS      tg  JRC lg  u    

•Barton方程

JCS      tg  JRC lg  u    

• 式中：φu－结构面的基本摩擦角 • 一般认为φu等于结构面壁岩平直表面的摩擦角，可用 倾斜试验求得。 • 方法：取结构面壁岩试块，将试块锯成两半，去除岩 粉并风干后合在一起，使试块缓缓地加大其倾角直到 上盘岩块开始下滑为止，此时的试块倾角即为φu。对 每种岩石，进行试验的试块数需10块以上。在没有试 验资料时，常取φu＝30°，或用结构面的残余摩擦角 代替。

Kn 

K ni  n  1   K n iVm   n     
2

几种结构面的抗剪参数表

岩体结构面直剪试验结果表

强度

切向

二、结构面的剪切变形性质
1、剪切变形特征
• 硬性结构面，呈脆性变形型(a)

• 软弱结构面，呈塑性变形型(b)
• 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。
K ni   n   V j      V 0
j

卸荷的应力-变形关系曲线

•以ΔVj=Vm为渐近线的曲线,存在很大残余变形,即松胀变形 •结构面的卸荷刚度大于岩块加荷刚度

•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。

Δ Ｖｔ

Δ Ｖｒ

Δ Ｖｊ

应力-变形关系曲线
A
B

应力-变形关系曲线特征
• 开始时随着法向应力增加， 结构面闭合变形迅速增长。当σ ｎ增到一定值时，σ ｎ -Δ Ｖ ｔ 曲 线变陡，并与σ ｎ-Δ Ｖｒ曲线大致平行。说明结构面已基本上完 全闭合，其变形主要是岩块变形贡献的。这时Δ Ｖｊ则趋于结构 面最大闭合量Ｖｍ。
统计方法求得
JRC JCS d  lg 2     tg 1.78 d  32.88
• 大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角u＝２５°～ ３５°之间。因此，上式右边的第二项应当就是结构面的基 本摩擦角u ，而第一项的系数取整数２。经这样处理后，上 式变为：

   tg 2 d  u 