岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第五章 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

第一节概述

在岩体稳定性和地下水渗流分析中，通常把岩体视为岩块(结构体)与结构面组成的割裂体。在国内外已建和在建的岩体工程中普遍存在有软弱夹层问题。如黄河小浪底水库工程左坎肩砂岩中由薄层粘土岩泥化形成的泥化夹层；葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层，还有长江三峡自然岸坡中的各种软弱夹层等。都不同程度地影响和控制着所在工程岩体的稳定性。因此，岩体结构面力学和水力学性质的研究，是岩体力学和工程地质学中重要的研究课题之一，其中结构面变形与强度性质的研究，在工程实践中具有十分重要的实际意义，这主要有以下几方面的原因。

(1)大量的工程实践表明：在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。如法国的马尔帕塞坝坝基岩体、意大利瓦依昂水库库岸滑坡、中国拓溪水库塘岩光滑坡等等，都是岩体沿某些软弱结构面滑移失稳而造成的。这时，结构面的强度性质是评价岩体稳定性的关键。

(2)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。

(3)结构面是岩体中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。

(4)工程荷载作用下，岩体中的应力分布也受结构面及其力学性质的影响。

由于岩体中的结构面是在各种不同地质作用中形成和发展的。因此，结构面的变形和强度性质与其成因及发育特征密切相关。结构面的成因类型及其特征在第二章第二节中已有详细介绍，本章主要讨论结构面的变形与强度性质。结构面的变形与强度性质主要通过室内外岩体力学试

第二节结构面的变形性质

一、结构面的法向变形性质

(一)法向变形特征

在同一种岩体中分别取一件不含结构面的完整岩块试件和一件含结构面的岩块试件。然后，分别对这两种试件施加连续法向压应力，可得到如图5-1

果设不含结构面岩块的变形为ΔVr，含结构面岩块的变形为ΔVt，则结构面的法向闭合变形Δ

Vj为：

(5-1)

利用(5-1)式，可得到结构面的σn-ΔVj曲线，如图5-1(b)所示。从图所示的资料及试验研究可知，结构面的法向变形有以下特征。

图5-1 (据Goodman，1976)

(1)开始时随着法向应力的增加，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曲线大致平行。说明这时结构面已基本上完全闭合，其变形主要是岩块变形贡献的。而ΔVj则趋于结构面最大闭合量Vm(图5-1(b))。

(2)从变形上看，在初始压缩阶段，含结构面岩块的变形ΔVt主要是由结构面的闭合造成的。有试验表明，当σn＝1MPa时，ΔVt／ΔVr可达5～30，说明ΔVt占了很大一部分。当然，具体ΔVt／ΔVr的大小还取决于结构面的类型及其风化变质程度等因素。

(3)试验研究表明，当法向应力大约在(1/ 3)σc处开始，含结构面岩块的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)结构面的σn-ΔVj曲线大致为一以ΔVj＝Vm为渐近线的非线性曲线(双曲线或指数曲线)。试验研究表明：σn-ΔVj曲线的形状与结构面的类型及壁岩性质无关，其曲线形状可用初始法向刚度及最大闭合量Vm来确定。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-ΔVj曲线原点处的切线斜率，即：

(5-2)

(5)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，两壁面间无论多高的压力(两壁岩石不产生破坏的条件下)，也不可能达到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。

如果分别对不含结构面和含结构面岩块连续施加一定的法向荷载后，逐渐卸荷，则可得到如图5-25-3为几种风化和未风化的不同类型结构面，在三次循环荷载下的σn-ΔVj

图5-2 石灰岩中嵌合和非嵌合的结构面加载、卸载曲线(据Bandis等，1983)

图5-3 循环荷载条件下结构面的σn-ΔVj曲线 (据Bandis等，1983)

a.未风化结构面；

b.中风化结构面

(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。卸荷后留下很大的残余变形(图5-2)不能恢复，不能恢复部分称为松胀变形。据研究，这种残余变形的大小主要取决于结构面的张开度(e)、粗糙度(JRC)、壁岩强度(JCS)及加、卸载循环次数等因素。

(2)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(图5-2)。

(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(图5-3)。

(4)每次循环荷载所得的曲线形状十分相似(图5-3)，且其特征与加荷方式及其受力历史无关。

(二)法向变形本构方程

为了反映结构面的变形性质与变形过程，需要研究其应力-变形关系，即结构面的变形本构方程。但这方面的研究目前仍处于探索阶段，已提出的本构方程都是在试验的基础上总结出来的经验方程。如Goodman，Bandis及孙广忠等人提出的方程。

古德曼(Goodman，1974)提出用如下的双曲函数拟合结构面法向应力σn(MPa)与闭合变形ΔVj(mm)间的本构关系：

(5-3)

或

(5-4)

式中：σi为结构面所受的初始应力。

图5-4 结构面法向变形曲线 Goodman方程

(5-3)式或(5-4)式所描述的曲线如图5-4所示，为一以ΔVj＝Vm为渐近线的双曲线。这一曲线与图5-1所示的试验曲线相比较，其区别在于Goodman方程所给曲线的起点不在原点，而是在σn轴左边无穷远处，另外就是出现了一个所谓的初始应力σi。这些虽然与试验曲线有一定的出入，但对于那些具有一定滑错位移的非嵌合性结构面，大致可以用(5-3)式或(5-4)式来描述其法向变形本构关系。

班迪斯等(Bandis等,1983)在研究了大量试验曲线的基础上，提出了如下的本构方程：

(5-5)

式中：a,b为系数，为求a，b，改写式(5-5)：

(5-6)

或

(5-7)

由(5-7)式，当σn→∞时，则ΔVj→Vm＝a/b，所以有：

b＝a/Vm (5-8)

由初始法向刚度的定义(5-2)