岩体力学结构面的变形与强度性质
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n 1MPa 时, Vt Vr 5 ~ 30,结构面的变形占
很大部分。其大小还取决于结构面的类型及其风
化变质程度等因素。
3)从n c 3 时起,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。 4)结构面σ n − ∆V j 曲线大致为以 ∆V j = Vm为渐近线的非线性曲线。 结构面闭合曲线可用初始法向刚度及最 大闭合量来确定。
0.300.34 11～147 0.360.44 61～169 0.210.30 70～84
0.150.17 51～90
72～112 59～120 48～84
46～65
二、剪切变形性质
剪切位移
法向应力
剪
应
力
峰值剪切强度 残余剪切强度
5) 结构面的初始法向刚度为n Vj 曲 线原点处的切线斜率，即：
6) 结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（ｅ）。 因为结构面是凹凸不平的，无论多高的法向Biblioteka Baidu力，两壁面间不可能达到 100％的接触。试验表明，结构面两壁面一般只能达到40％～70％左右 的接触。
结构面法向加荷、卸荷变形特征：
1)结构面卸荷 n V j 曲线 为以 V j Vm为渐近线的非 线性曲线。卸荷后有很大的 残余变形（松胀变形）。
3） 结构面是岩体中渗透水流的主要通道。工程岩体结构面 的变形又将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。 4） 工程岩体中应力的分布受结构面及其力学性质的影响。
某露天矿边坡
3.2 结构面的变形性质
一、法向变形性质 结构面 （一）法向变形特征 结构面法向加载变形特征：
结构面的法向闭合变形 V j
• 现场变形试验 —— 中心孔承压板法
• 室内压缩试验--直剪试验
可在压力机上进行，也可在携带式剪力仪或 中型剪力仪上配合结构面剪切试验一起进行。
Hoek直剪仪装置示意图
• 经验估算
结构面法向刚度经验值
结构面特征
法向刚度 剪切刚度 抗剪强度参数
Kn
Ks
（MPa/cm）（MPa/cm） 摩擦角(°) 粘聚力c(MPa)
适用性：较适合于未经滑错位移的嵌合 （如层面）结构面的法向变形特征
3. 孙广忠（1988）方程
（三）法向刚度(normal stiffness)及其确定方法 K n
定义：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，数值上等于 n V j 曲线上一点的切线斜率，即：
意义：反映结构面法向变形性质的重要参数，是 岩体力学性质参数估算及岩体稳定性计算中必不可 少的指标之一。
V j Vt Vr
1)加载初期, σ n
V j 迅速 ,应力-变
形曲线呈上凹型。当 n 某值时, σ n
Vt 曲线变陡,并与 n Vr 曲线大致平
行 结构面已基本上完全闭合,其变形主
要是岩块产生变形 。这时 V j则趋于结
构面最大闭合量 Vm
2) 初始压缩阶段,含结构面的岩块变形 主要由结构面闭合造成。试验表明,当
其特征与加荷方式及其
受力历史无关。
循环荷载条件下结构面的 n V j 曲线
（二）结构面法向变形本构方程
结构面的变形本构方程－－指结构面的应力- 结构面变形关系，其能够 反映结构面的变形性质和变形过程。
2. 班迪斯(Bandis等，1983)方程 研究大量试验曲线后，提出：
与试验曲线的比较:两曲线起点在原点, 与试验结果较接近。
充填粘土的断层，岩壁风化 15
5
33
0
充填粘土的断层，岩壁轻微 18
8
风化
新鲜花岗片麻岩不连续结构 20
10
面
玄武岩与角砾岩接触面
20
8
37
0
40
0
45
0
致密玄武岩水平不连续结构 20
7
面
玄武岩张开节理面
20
8
38
0
45
0
玄武岩不连续面
12.7
4.5
0
结构面法向刚度直剪试验结果
岩 组
绢 英 岩
绢英 化花 岗岩
第三章 结构面的变形与强度性质
• 变形性质
法向变形、剪切变形（特征、本构方程）
• 强度性质
平直无充填结构面、粗糙起伏无充填结构面、 非贯通断续结构面、有充填物的软弱结构面
3.1 概述
研究结构面变形和强度特性的意义如何？ 具有十分重要的工程实践意义 1） 岩石工程实践表明，有相当一部分工程岩体的失稳破 坏是沿软弱结构面破坏的。结构面的强度性质是评价岩体 稳定性的关键。 2） 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。
46～67 22～46 48～108 67～113 38～63 45～58
平直，粗糙，有陡坎 40～45 0.30～0.44 38～41 起伏大，粗糙，有陡坎 44～48 0.35～0.55 40～44
波状起伏，粗糙
40～41 0.25～0.35 38～41
平直，粗糙
39～41 0.15～0.20 37～40
陡坎
波状起伏，粗糙
39～40 0.12～0.15 36～37
平直，粗糙
38～39 0.07～0.11 35～36
平直，粗糙，有陡坎 40～42 0.25～0.35 38～39
起伏大，粗糙，有陡坎 43～48 0.35～0.50 40～41
波状起伏，粗糙
39～40 0.15～0.23 37～38
平直，粗糙
该残余变形的大小主要决定于结构面的张开度(e)、粗糙度 （JRC）、壁岩强度(JCS)及加、卸载循环次数等因素。
2) 结构面的卸荷刚度比岩块的加载刚度大。
中
卸载变形特征：
风 化
未
结
3)随着循环次数的增加,
风 化
构 面
n V j 曲线逐渐变陡，
结
且整体向左移。
构 面
4) 每次循环荷载所得的 曲线形状十分相似，且
花 岗 岩
结构类型
未浸水抗剪强度
摩擦角 粘聚力 φ(°) c(MPa)
浸水抗剪强度
摩擦角 粘聚力 ф(°) c(MPa)
＝n 2.4MPa
法向刚度Kn
剪切刚度Ks
（MPa·cm ） -1 （MPa·cm ） -1
平直，粗糙，有陡坎 40～41 0.15～0.20 36～38
起伏，不平，粗糙，有 42～44 0.20～0.27 38～39
38～40 0.09～0.15 36～37
0.140.16 43～52 0.170.23 34～82
0.110.13 22～54 0.080.09 22～46 0.260.30 42～136 0.300.43 35～78 0.130.27 38～58 0.080.13 21～143
62～90 41～99
很大部分。其大小还取决于结构面的类型及其风
化变质程度等因素。
3)从n c 3 时起,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。 4)结构面σ n − ∆V j 曲线大致为以 ∆V j = Vm为渐近线的非线性曲线。 结构面闭合曲线可用初始法向刚度及最 大闭合量来确定。
0.300.34 11～147 0.360.44 61～169 0.210.30 70～84
0.150.17 51～90
72～112 59～120 48～84
46～65
二、剪切变形性质
剪切位移
法向应力
剪
应
力
峰值剪切强度 残余剪切强度
5) 结构面的初始法向刚度为n Vj 曲 线原点处的切线斜率，即：
6) 结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（ｅ）。 因为结构面是凹凸不平的，无论多高的法向Biblioteka Baidu力，两壁面间不可能达到 100％的接触。试验表明，结构面两壁面一般只能达到40％～70％左右 的接触。
结构面法向加荷、卸荷变形特征：
1)结构面卸荷 n V j 曲线 为以 V j Vm为渐近线的非 线性曲线。卸荷后有很大的 残余变形（松胀变形）。
3） 结构面是岩体中渗透水流的主要通道。工程岩体结构面 的变形又将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。 4） 工程岩体中应力的分布受结构面及其力学性质的影响。
某露天矿边坡
3.2 结构面的变形性质
一、法向变形性质 结构面 （一）法向变形特征 结构面法向加载变形特征：
结构面的法向闭合变形 V j
• 现场变形试验 —— 中心孔承压板法
• 室内压缩试验--直剪试验
可在压力机上进行，也可在携带式剪力仪或 中型剪力仪上配合结构面剪切试验一起进行。
Hoek直剪仪装置示意图
• 经验估算
结构面法向刚度经验值
结构面特征
法向刚度 剪切刚度 抗剪强度参数
Kn
Ks
（MPa/cm）（MPa/cm） 摩擦角(°) 粘聚力c(MPa)
适用性：较适合于未经滑错位移的嵌合 （如层面）结构面的法向变形特征
3. 孙广忠（1988）方程
（三）法向刚度(normal stiffness)及其确定方法 K n
定义：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，数值上等于 n V j 曲线上一点的切线斜率，即：
意义：反映结构面法向变形性质的重要参数，是 岩体力学性质参数估算及岩体稳定性计算中必不可 少的指标之一。
V j Vt Vr
1)加载初期, σ n
V j 迅速 ,应力-变
形曲线呈上凹型。当 n 某值时, σ n
Vt 曲线变陡,并与 n Vr 曲线大致平
行 结构面已基本上完全闭合,其变形主
要是岩块产生变形 。这时 V j则趋于结
构面最大闭合量 Vm
2) 初始压缩阶段,含结构面的岩块变形 主要由结构面闭合造成。试验表明,当
其特征与加荷方式及其
受力历史无关。
循环荷载条件下结构面的 n V j 曲线
（二）结构面法向变形本构方程
结构面的变形本构方程－－指结构面的应力- 结构面变形关系，其能够 反映结构面的变形性质和变形过程。
2. 班迪斯(Bandis等，1983)方程 研究大量试验曲线后，提出：
与试验曲线的比较:两曲线起点在原点, 与试验结果较接近。
充填粘土的断层，岩壁风化 15
5
33
0
充填粘土的断层，岩壁轻微 18
8
风化
新鲜花岗片麻岩不连续结构 20
10
面
玄武岩与角砾岩接触面
20
8
37
0
40
0
45
0
致密玄武岩水平不连续结构 20
7
面
玄武岩张开节理面
20
8
38
0
45
0
玄武岩不连续面
12.7
4.5
0
结构面法向刚度直剪试验结果
岩 组
绢 英 岩
绢英 化花 岗岩
第三章 结构面的变形与强度性质
• 变形性质
法向变形、剪切变形（特征、本构方程）
• 强度性质
平直无充填结构面、粗糙起伏无充填结构面、 非贯通断续结构面、有充填物的软弱结构面
3.1 概述
研究结构面变形和强度特性的意义如何？ 具有十分重要的工程实践意义 1） 岩石工程实践表明，有相当一部分工程岩体的失稳破 坏是沿软弱结构面破坏的。结构面的强度性质是评价岩体 稳定性的关键。 2） 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。
46～67 22～46 48～108 67～113 38～63 45～58
平直，粗糙，有陡坎 40～45 0.30～0.44 38～41 起伏大，粗糙，有陡坎 44～48 0.35～0.55 40～44
波状起伏，粗糙
40～41 0.25～0.35 38～41
平直，粗糙
39～41 0.15～0.20 37～40
陡坎
波状起伏，粗糙
39～40 0.12～0.15 36～37
平直，粗糙
38～39 0.07～0.11 35～36
平直，粗糙，有陡坎 40～42 0.25～0.35 38～39
起伏大，粗糙，有陡坎 43～48 0.35～0.50 40～41
波状起伏，粗糙
39～40 0.15～0.23 37～38
平直，粗糙
该残余变形的大小主要决定于结构面的张开度(e)、粗糙度 （JRC）、壁岩强度(JCS)及加、卸载循环次数等因素。
2) 结构面的卸荷刚度比岩块的加载刚度大。
中
卸载变形特征：
风 化
未
结
3)随着循环次数的增加,
风 化
构 面
n V j 曲线逐渐变陡，
结
且整体向左移。
构 面
4) 每次循环荷载所得的 曲线形状十分相似，且
花 岗 岩
结构类型
未浸水抗剪强度
摩擦角 粘聚力 φ(°) c(MPa)
浸水抗剪强度
摩擦角 粘聚力 ф(°) c(MPa)
＝n 2.4MPa
法向刚度Kn
剪切刚度Ks
（MPa·cm ） -1 （MPa·cm ） -1
平直，粗糙，有陡坎 40～41 0.15～0.20 36～38
起伏，不平，粗糙，有 42～44 0.20～0.27 38～39
38～40 0.09～0.15 36～37
0.140.16 43～52 0.170.23 34～82
0.110.13 22～54 0.080.09 22～46 0.260.30 42～136 0.300.43 35～78 0.130.27 38～58 0.080.13 21～143
62～90 41～99