岩体力学第五章 结构面的变形与强度性质

• 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。 • 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
• 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
合结构面(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（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 σ ｎ - Ｖ ｊ 曲线上一点的切线斜率 。 n
V j n 1 i V m V j 1 V j V m V m 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
n
1 a / V j b 1
n
V j a bV j
a b V j
Kn V j (MP a/cm)
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
Kn
切向
n Kn Vi 1 Vi V
ni 1 ni
• 卡尔哈韦（ Kalhaway 1975）方程
u m nu 1 1 mu , n u K si ult m nu m nu
1 1 •结构面的初始剪切刚度( 1)为τ -△u曲线原点 Ksi , n 1 m m ,n K si 处的切线斜率， ult 为水平渐近线在 ult轴上的截距 K si
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 ｎΔ Ｖｔ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。
（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
Kn
K ni n 1 K niVm n
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，它是工程岩体区别 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，我们发现工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿着松 软结构面破坏的，因此，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。
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。
新鲜
风化
2. 剪切变形本构方程
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，重点要搞清楚结构面在法向应力 和剪应力作用下的应力－应变特征及法向刚度（Kn）、 剪切刚度（Ks）的定义与测定方法。 在结构面强度性质中，重点要搞清楚平直结构面和粗糙 起伏结构面的剪切强度特征、强度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。
n
当 n 时, V j Vm b a Vm
K ni n V j 1 a (1 b aV j ) 2 V j 0 1 a V j 0
a 1 K ni
n
K niVm V j 较适合于未经滑错位移的嵌 Vm V j
结构面长度 r 结构面残余强度 残余摩擦角
参数
§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。 • 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。
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υ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： n K ni V j V 0
上式为法向应力σ≥σ1时， 结构面的抗剪强度，其包络 线如图所示。剪断凸起的条 件为：
C 1 tg ( b i ) tg
小结：双直线强度
•
tg (b i )
tg C
C 1 tg ( b i ) tg
（σ<σ1)
（σ≥σ1）
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
工程实例
工程实例
§ 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 Ｖ ｒ ，含结构面的岩块变形为Δ Ｖ ｔ ，则结构面 的变形（法向闭合变形）Δ Ｖｊ为： Δ Ｖｊ＝Δ Ｖｔ－Δ Ｖｒ
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 2d u
可概化为图5-14的模型：
n sin i cosi n cosi 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。
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）
• •
• •
一、平直无充填的结构面 二、粗糙起伏无充填的结构面 1、规则锯齿形结构面 2、不规则起伏结构面 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

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。 • 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。
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，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
Ks u
经验估算法（Barton方程）
100 JCS JRClg Ks ntg r L n
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。
2.法向变形本构方程 n f (V j )
（1)Goodman (1974)方程
• 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 ห้องสมุดไป่ตู้
1
d
• Barton 方程：Barton 通过大量结构面剪切试验，用
1 aS V tgu aS r 1 1 aS Vtgu
• 当很小时，凸起不被剪断， As=>0 (as=>0)且V =V/ u =tgi,则有: tg (u i) • 当很大时，凸起全部被剪断， AsA (as 1 ),无剪胀发生, =V/u=0,则有: V
JCS u •Barton方程 tg JRC lg
• 式中：υu－结构面的基本摩擦角 • 一般认为υu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υu。 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υu＝ 30°，或用结构面的残余摩擦角代替。

• Ladanyi & Archambault 提出：
1 aS V tgu aS r 1 1 aS Vtgu A 两参数较难 剪断率 a
S S
A
剪胀率 V V 凸起岩石抗剪强度 tg C
r
确定，提出 经验公式