5结构面的变形与强度性质

第五章结构面的变形与强度性质

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

一、法向变形性质

二、剪切变形性质

•§5.3 结构面的强度性质

一、平直无充填的结构面

二、粗糙起伏无充填的结构面

三、非贯通断续的结构面

四、具有充填物的软弱结构面

§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。

工程实例

•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。

•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。

应力-变形关系曲线

A B C

•开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长，σn -ΔV 及σn -ΔV ｊ曲线均呈上凹型。当σn 增到一定值时，σn -ΔV ｔ曲线变陡，并与σn -ΔV ｒ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ΔV ｊ则趋于结构面最大闭合量V ｍ。

•初始压缩阶段，含结构面的岩块变形ΔV ｔ主要是由结构面的闭合造成的。试验表明，当σn ＝１MPa 时，ΔV ｔ/ΔV ｒ可达５~３０，说明ΔV ｔ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。

应力-变形关系曲线特征

结构面在循环荷载下的变形特征:

(1)结构面的卸荷变形曲线(σn-ΔVj)仍为一以ΔVj＝Vm为渐近线的非线性曲线。

(2)对比岩块和结构面的卸荷曲线可知，结构面的卸荷刚度比岩块的加荷刚度大

(3)随着循环次数的增加，σn-ΔVj曲线逐渐变陡，且整体向左移，每次循环下的结构面变形均显示出滞后和非弹性变形

(4)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。

松胀变形

孙广忠(1988)提出了如下的指数方程：

几种结构面的法向刚度经验值

壁岩强度JCS

回弹值。

岩石重度；

----+=R R JCS g g 01

.100088.0)lg(

回弹仪

•脆性变形型

无充填且较粗糙的硬

性结构面。

特点：开始剪切变形

增加慢，曲线陡，

峰值后剪切变形增

加快，有明显峰值

强度和应力降。残

余强度明显低于峰

值且稳定。

1、剪切变形特征（1）曲线均为非线性曲线。二、结构面的剪切变形性质

脆塑

有一定宽度的构造破碎带、挤压带、软弱夹层以及含有较厚充填物的裂隙、节理、泥化夹层和夹泥层等。

特点：无明显峰值强度和应力降，峰值强度与残余强度相差小，曲线斜率连续变化，具流

变性。

（3）同类结构面，风化的结构面剪切刚度比未风化的小1/2~1/4。

（4）结构面的剪切刚度有尺寸效应。结构面规模越大刚度越低。

（5）结构面的剪切刚度，

随法向应力的增大而增大。

§5.3 结构面的强度性质

•结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。

•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，岩体破坏常沿某些软弱结构面的滑动破坏。

•在岩体力学中，重点研究结构面的抗剪强度。

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、粗糙起伏无充填的结构面•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：j

j C tg +=f s t

结构面的抗剪强度主要来源于：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。

若壁岩中含有大量片状或鳞片状矿物时，其摩擦强度较低。摩擦角一般在10°～30°之间，粘聚力在0～0.1MPa之间。

而壁岩为硬质岩石时，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。

（空化现象）

以上两种是在两种极端的情况下得出的。因为即使在极低的法向应力下，结构面的凸起也不可能完全不遭受破坏；而在较高的法向应力下，凸起也不可能全都被剪断。因此，上图所示的折线强度包络线，在实际中是极其少见的，而绝大多数是一条连续光滑的曲线。

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。

结构面的基本摩擦角φu ，一般认为等于结构面壁岩平直表面的摩擦角，可用倾斜试验求得。方法是取结构面壁岩试块，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。