岩体力学地质大学贾洪彪结构面的变形与强度性质
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• 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：
tgj Cj
二、粗糙起伏无充填的结构面
• 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。
• • 二、粗糙起伏无充填的结构面 • • 四、具有充填物的软弱结构面
一、平直无充填的结构面
• 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：
K ni
Vnj
Vj0
2.法向变形本构方程 nf(Vj)
1)Goodman 方程
n
V j Vm V
j
1 i
V j
Vm Vm i
1
n
适用于具有一定滑错位移 的非嵌合性结构面
t tg(b C 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。
• 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αｄ（angle of dilatancy） 的定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹
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ΔVｊ则趋于结构面最大闭合 量Vｍ。 • 初始压缩阶段，含结构面的岩块变形ΔVｔ主要是由 结构面的闭合造成的。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
第五章 结构面的变形与强度性质
贾洪彪
中国地质大学 岩土工程与工程地质系
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
2) Bardis方程
n
Vj abVj
1 n a / V j b
1a
b n V j
当n 时 , Vj V m
baV m
K n i V n j V j 0 a (1 b1 a V j)2 V j 0a 1
a 1K ni
2) Bardis方程
n
Vj abVj
C
tgφ
裂面
岩桥
裂面
岩桥
K 1 C j ( 1 K 1 ) C K 1 tj g ( 1 K 1 ) tg
C
tgφ
C bK 1Cj (1K 1)C
tg bK 1tg j (1K 1)tg
C bt g b
四、具有充填物的软弱结构面
• 具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥 层，其形成多与水的作用和各类滑错作用有关。这类结构 面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度和 厚度
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）。
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。
•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
ΔVｔ
ΔVｒ
ΔVｊ
ΔVｊ＝ΔVｔ－ΔVｒ
应力-变形关系曲线
AB C
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，
σn-ΔV及σn-ΔVｊ曲线均呈上凹型。当σn增到一定 值时，σn-ΔVｔ曲线变陡，并与σn-ΔVｒ曲线大致
tg (ui)
•当很大时，凸起全部被剪
断发，生,VA=sVA/ (aus =10,)则,无有剪: 胀
rtg C
•从以上讨论可知,阿氏与莱 氏公式是图中曲线3。
三、非贯通断续的结构面
• 假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面 的线连续性系数为Ｋ1
裂面
岩桥
裂面
岩桥
K 1 C j ( 1 K 1 ) C K 1 tj g ( 1 K 1 ) tg
1 1 a S 1 V a S tV g tug ua Sr
剪断率 a S
AS A
剪胀率 V V
凸起岩石抗剪强度
r
u tg
C
1 1 a S 1 V a S tV g tug ua Sr
•当很小时，凸起不被剪断， As=>0 (as=>0)且tgi= V=V/ u,则有:
角，即：
d
tg1V u
Barton 方程：
d
JRC lgJCS
2
tg1.78d 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°。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。
tg 2 d u
tg JRlg C JCS u
Ladanyi & Archambault方程：
Kn
Kni
1KniVmnn
2
Bandis经验方程求Kni，Vm
Kn i7.151.75JRC 0.02 JeCS
Vm
AB(JRC )CJCSD e
壁岩强度JCS
lgJ( C)S0.0 0 0R 881.0 1 岩石重度；
R回弹值。
几种结构面的抗剪参数表
岩体结构面直剪试验结果表
便携式直剪仪
§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。
σ
τ
τ
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τ
• ②当σ较大时，将剪断凸起而运动，也增大了τ
1、规则锯齿形结构面 1）σ较小，剪胀作用
n sinicois n coissini
nnt
g () b
tg (b i)
Patton公式
2）σ较大，啃断效用
t g C
上式为法向应力σ≥σt时，结构面的抗剪强度。 剪断凸起的条件为：
• 剪切刚度KS（shear stiffness） 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。
确 试验法 室内试验
定
方
现场试验
法 经验估算法（Barton方程）
Ks 1L00ntgJRCJlgCn Sr r 结构面残余强度
Ks
u
§5.3 结构面的强度性质
确 试验法 Fra Baidu bibliotek 方
现场变形试验
法 本构方程和经验估算
现场变形试验——中心孔承压板法
Kn V ni i1 1 V nii Vn
经验估算——由Bandis方程估算
n
KnV i mVj Vm Vj
Vj
nVm
KnV i m
n
K n ( V n j)( 1 V K j nV im )2
适合于未经滑错
位移的嵌合结构 面(如层面)的法向 变形
n
KnV i mVj Vm Vj
3.法向刚度及其确定方法
法向刚度Ｋn（normal stiffness）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。
Kn
n
Vj
(MPa/mm)
室内变形试验
二、结构面的剪切变形性质
1、剪切变形特征 • 脆性变形型 • 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。
2. 剪切变形本构方程 • 卡尔哈韦（ Kalhaway）方程
u
m nu
m 1 ,n 1
K si
ult
3.剪切刚度及其确定方法
• 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：
tgj Cj
二、粗糙起伏无充填的结构面
• 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。
• • 二、粗糙起伏无充填的结构面 • • 四、具有充填物的软弱结构面
一、平直无充填的结构面
• 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：
K ni
Vnj
Vj0
2.法向变形本构方程 nf(Vj)
1)Goodman 方程
n
V j Vm V
j
1 i
V j
Vm Vm i
1
n
适用于具有一定滑错位移 的非嵌合性结构面
t tg(b C 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。
• 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αｄ（angle of dilatancy） 的定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹
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ΔVｊ则趋于结构面最大闭合 量Vｍ。 • 初始压缩阶段，含结构面的岩块变形ΔVｔ主要是由 结构面的闭合造成的。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
第五章 结构面的变形与强度性质
贾洪彪
中国地质大学 岩土工程与工程地质系
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
2) Bardis方程
n
Vj abVj
1 n a / V j b
1a
b n V j
当n 时 , Vj V m
baV m
K n i V n j V j 0 a (1 b1 a V j)2 V j 0a 1
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2) Bardis方程
n
Vj abVj
C
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裂面
岩桥
裂面
岩桥
K 1 C j ( 1 K 1 ) C K 1 tj g ( 1 K 1 ) tg
C
tgφ
C bK 1Cj (1K 1)C
tg bK 1tg j (1K 1)tg
C bt g b
四、具有充填物的软弱结构面
• 具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥 层，其形成多与水的作用和各类滑错作用有关。这类结构 面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度和 厚度
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）。
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。
•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
ΔVｔ
ΔVｒ
ΔVｊ
ΔVｊ＝ΔVｔ－ΔVｒ
应力-变形关系曲线
AB C
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，
σn-ΔV及σn-ΔVｊ曲线均呈上凹型。当σn增到一定 值时，σn-ΔVｔ曲线变陡，并与σn-ΔVｒ曲线大致
tg (ui)
•当很大时，凸起全部被剪
断发，生,VA=sVA/ (aus =10,)则,无有剪: 胀
rtg C
•从以上讨论可知,阿氏与莱 氏公式是图中曲线3。
三、非贯通断续的结构面
• 假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面 的线连续性系数为Ｋ1
裂面
岩桥
裂面
岩桥
K 1 C j ( 1 K 1 ) C K 1 tj g ( 1 K 1 ) tg
1 1 a S 1 V a S tV g tug ua Sr
剪断率 a S
AS A
剪胀率 V V
凸起岩石抗剪强度
r
u tg
C
1 1 a S 1 V a S tV g tug ua Sr
•当很小时，凸起不被剪断， As=>0 (as=>0)且tgi= V=V/ u,则有:
角，即：
d
tg1V u
Barton 方程：
d
JRC lgJCS
2
tg1.78d 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°。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。
tg 2 d u
tg JRlg C JCS u
Ladanyi & Archambault方程：
Kn
Kni
1KniVmnn
2
Bandis经验方程求Kni，Vm
Kn i7.151.75JRC 0.02 JeCS
Vm
AB(JRC )CJCSD e
壁岩强度JCS
lgJ( C)S0.0 0 0R 881.0 1 岩石重度；
R回弹值。
几种结构面的抗剪参数表
岩体结构面直剪试验结果表
便携式直剪仪
§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。
σ
τ
τ
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τ
• ②当σ较大时，将剪断凸起而运动，也增大了τ
1、规则锯齿形结构面 1）σ较小，剪胀作用
n sinicois n coissini
nnt
g () b
tg (b i)
Patton公式
2）σ较大，啃断效用
t g C
上式为法向应力σ≥σt时，结构面的抗剪强度。 剪断凸起的条件为：
• 剪切刚度KS（shear stiffness） 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。
确 试验法 室内试验
定
方
现场试验
法 经验估算法（Barton方程）
Ks 1L00ntgJRCJlgCn Sr r 结构面残余强度
Ks
u
§5.3 结构面的强度性质
确 试验法 Fra Baidu bibliotek 方
现场变形试验
法 本构方程和经验估算
现场变形试验——中心孔承压板法
Kn V ni i1 1 V nii Vn
经验估算——由Bandis方程估算
n
KnV i mVj Vm Vj
Vj
nVm
KnV i m
n
K n ( V n j)( 1 V K j nV im )2
适合于未经滑错
位移的嵌合结构 面(如层面)的法向 变形
n
KnV i mVj Vm Vj
3.法向刚度及其确定方法
法向刚度Ｋn（normal stiffness）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。
Kn
n
Vj
(MPa/mm)
室内变形试验
二、结构面的剪切变形性质
1、剪切变形特征 • 脆性变形型 • 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。
2. 剪切变形本构方程 • 卡尔哈韦（ Kalhaway）方程
u
m nu
m 1 ,n 1
K si
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3.剪切刚度及其确定方法