第三章 结构面

t
n
与试验曲线的比较:本曲线起点不 在原点,而试验曲线起点在原点。 σi 适用性：较适合于具有一定滑错 0 ΔVj Vm 位移的非嵌合性结构面的法向变 结构面法向变形曲线(Goodman方程 形特征。
若n j m ，则 V V
初始
2. 班迪斯(Bandis等，1983)方程 研究大量试验曲线后，提出： 1 n j V n a j V b a V j b 1 a b n j V
（二）结构面法向变形本构方程 N 结构面的变形本构方程－－指结构面的应力- 结构面V n 变形关系，其能够反映结构面的变形性质和变 形过程。 N 1. 古德曼(Goodman)方程 σn 结构面初 j V 始应力 +1 ni V V 双曲线型 m j V 或 j V m m i 1 V
n
法向变形ΔV（mm）
m
闭合变形ΔVj（mm）
（b）
结构面的法向加载变形特征
30
5) 结构面的初始法向刚度为n 曲 Vj 25 20 线原点处的切线斜率，即：
B-A 法向应力σn（MPa）
n K ni V V j j 0
（一）剪切变形特征 τ f 1)结构面的 u曲线为非线性曲线 剪 脆性变形型 切 按剪切变形机理分： 应 a 塑性变形型 力 b 特点：无明显的峰值强度和应力 塑性变形型 下降段,峰值强度与残余强度相 f u 剪切位移 差很小,曲线的斜率是连续变化 0 Δu 的,且具有流变性。 典型的结构面剪切变形曲线 软弱结构面：有一定宽度的构造破碎带、挤压带、软弱
结构面法向变形本构方程
σn
双曲线型
n 法向 1 ΔVj Kni 0 Vm a V 刚度 j j 0 V V 0 结构面法向变形曲线 j 1 a j b V
n
r
j
t
2) 结构面的卸荷刚度比岩块的加载刚度大。
卸载变形特征： 3)随着循环次数的增加, n j 曲线逐渐变陡， V 且整体向左移。
未 风 化 结 构 面
中 风 化 结 构 面
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。
循环荷载条件下结构面的 j 曲线 n V
0.300.34 0.360.44 0.210.30 0.150.17
21～143
11～147 61～169 70～84 51～90
45～58
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
剪切应力 结构面剪切试验示意图
剪切位移 结构面剪切位移－剪切应力曲线
0.110.13 0.080.09
0.260.30 0.300.43 0.130.27
22～54 22～46
42～136 35～78 38～58
46～67 22～46
48～108 67～113 38～63
平直，粗糙
绢 英 化 花 岗 岩 花 岗 岩 平直，粗糙，有陡坎 起伏大，粗糙，有陡 坎 波状起伏，粗糙
V n K niVm j 结构面法
3. 孙广忠（1988）方程
j Vm 1 V e
(
n Kn
)
结构面法向变形本构方程 结构面的 法向刚度
（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 要的应力，数值上等于n j 曲线上一点的切线斜率， V
Kn (MPa / cm)
σn（MPa）
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。 室内变形试验
确定 试验法 方法
现场变形试验
0
Kn
1
本构方程和经验估算
ΔVj（mm）
• 现场变形试验 —— 中心孔承压板法
Rc自动记录仪 A0 σn Td 1混凝土 2 岩体 υ τ Tp
r t
B A 含嵌合结 法向应力σn（MPa） 25 岩块 构面岩块
（a） 3)从n c 3 时起,含结构面的岩块变形 30 由以结构面的闭合为主转为以岩块的弹 法向应力σ （MPa） B-A最 25 性变形为主。 20 闭大 4)结构面n j 曲线大致为以 j Vm V V 15 合 为渐近线的非线性曲线。结构面闭合曲 量 10 V 线可用初始法向刚度及最大闭合量来确 5 定。 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
嵌合结构面
法向应力σ （MPa） B-A B A 结构面法向加荷、卸荷 ΔV ΔV 变形特征： ΔV 1)结构面卸荷n j 曲线 V 为以 j Vm为渐近线的非 V 线性曲线。卸荷后有很大的0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.140.160.18 0.20 残余变形（松胀变形）。 法向变形ΔV（mm） 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。
Vm j V
含结构面岩块 压缩试验求解
K ni Kn n 2 1 Vni + n K m
班迪斯经验方程求解：K ni ,Vm
JCS 岩壁 K ni 7.15 +1.75 JRC +0.02 强度 e D 结构面粗 JCS 糙度系数 Vm A +B( JRC ) +C e
结构面法向刚度直剪试验结果
岩 组 绢 英 岩 结构类型 未浸水抗剪强度 摩擦角 粘聚力 c(MPa) υ(°) 平直，粗糙，有陡坎 起伏，不平，粗糙， 有 陡坎 波状起伏，粗糙 浸水抗剪强度 摩擦角 ф(°) 粘聚力 c(MPa) 0.140.16 0.170.23
＝n 2.4MPa
法向刚度Kn 剪切刚度Ks （MPa· -1 （MPa· -1 cm ） cm ） 43～52 34～82 62～90 41～99
t
30
B A 含嵌合结 法向应力σn（MPa） 25 岩块 构面岩块 20 15 10 5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 法向变形ΔV（mm） （a）
ΔVr ΔVt

n
30
B-A 法向应力σn（MPa）
N
25 20 15 10
Vm
5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 （b） 闭合变形ΔVj（mm）
40～41 0.15～0.20 36～38 42～44 0.20～0.27 38～39
39～40 0.12～0.15 36～37 38～39 0.07～0.11 35～36
40～42 0.25～0.35 38～39 43～48 0.35～0.50 40～41 39～40 0.15～0.23 37～38
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
第二节 结构面的变形性质
N 一、法向变形性质 结构面 V n （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 j N V j t V V Vr r V
1)加载初期, n j 迅速 , V 应力-变形曲线呈上凹型。 当 n 某值时, n 曲线变 Vt 陡,并与n 曲线大致平 Vr 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 j则趋于结构面 V 最大闭合量 Vm
15 10 Vm 5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 闭合变形ΔVj（mm） （b）
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，无论多高的法向压力，两壁面 不可能达到100％的接触。试验表明，结构面两壁面一般 能达到40％～70％左右的接触。
岩块
Vm
a b
b
a
()
1
1 a
a
(Bandis 方程)
Kni
结构面法向变形本构方程
1 a K ni b a Vm
σn
n
j V
双曲线型
a Vj b
Vm j 向变形本 V 构方程 与试验曲线的比较:两曲线起点在原点, 与试验结果较接近。 0 VΔVj m 适用性：较适合于未经滑错位移的嵌合结构面法向变形曲线 (Bandis 方程) （如层面）结构面的法向变形特征
第五章 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
第一节 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 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。 3） 结构面是岩体中渗透水流的主要通道。工程岩体结构 的变形又将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强
A1
结构面 A2 3 锚固点 压力传感器 变形传感器 参考点
σn(MPa) 12 Δσ 10
多点位移计
An
8
6 4 2 0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱA22
A11
Kn i +1 V Vi V
ni +1 ni n
500
ΔVi+1 ΔVi
1000
结构面的法向加载变形特征
30
2) 初始压缩阶段,含结构面的岩块变形 20 主要由结构面闭合造成。试验表明,当 15 10 n 1MPa 时, t r 5 ~ 30,结构面的 ΔV ΔV V V 5 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。 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
平直，粗糙
平直，粗糙，有陡坎 起伏大，粗糙，有陡 坎 波状起伏，粗糙 平直，粗糙
38～40 0.09～0.15 36～37
40～45 0.30～0.44 38～41 44～48 0.35～0.55 40～44 40～41 0.25～0.35 38～41 39～41 0.15～0.20 37～40
0.080.13
及含较厚充填物的裂隙、节理、泥化夹层和夹泥层等
脆性变 特点：有明显的峰值强度和应力下降段。开始时 形型 快 u 至某值后趋于稳定，残余强度明显低于峰值强度 硬性结构面：无充填、较粗糙
1500 ΔV(mm)
逐级循环加载
• 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。
σn（MPa）
0
1
Hoek直剪仪装置示意图
Kn ΔVj（mm）
• 经验估算 n Kn Kni 2 j Kn V (1 m ) V jV K niVm j V n
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) 5 8 10 8 7 8 4.5 33 37 40 45 38 45 0 0 0 0 0 0 0
充填粘土的断层，岩壁风化 15 充填粘土的断层，岩壁轻微 18 风化 新鲜花岗片麻岩不连续结构 20 面 20 玄武岩与角砾岩接触面 致密玄武岩水平不连续结构 20 面 20 玄武岩张开节理面 玄武岩不连续面 12.7