结构面的变形与强度性质
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• 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。
第二节 结构面的变形性质
• 一、法向变形性质 • 1、法向变形的特征 • 为了测试得到结构面的应力-变形曲线，取含结构面
和不含结构面的两块试件做变形试验，得变形曲线 σn-ΔV，设不含结构面的岩块变形为ΔVr(包括岩块 和结构面的变形)，设不含结构面的岩块变形为 ΔVt(仅仅只包括岩块的变形)。则结构面的法向闭合 变形ΔVj为： • ΔVj＝ΔVr-ΔVt • 应力-变形关系曲线见下图，表现出以下特征：
• (3)法向应力σn大约从σc/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。
• 结构面加载、卸载的应力-变形关系曲线如下图。
• 卸荷的应力-变形关系曲线特征:
• （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 变形不能恢复，不能恢复部分称为松胀变形。
• 结构面类型 摩擦角(°)粘聚力(MPa)结构面类型 摩擦角 (°)粘聚力(MPa)泥化结构面10～200～0.05云母片岩片理 面10～200～0.05粘土岩层面20～300.05～0.10页岩节理 面(平直)18～290.10～0.19泥灰岩层面20～300.05～0.10 砂 岩 节 理 面 ( 平 直 )32 ～ 380.05 ～ 1.0 凝 灰 岩 层 面 20 ～ 300.05 ～ 0.10 灰 岩 节 理 面 ( 平 直 )350.2 页 岩 层 面 20 ～ 300.05～0.10石英正长闪长岩节理面(平直)32～350.02～ 0.08砂岩层面30～400.05～0.10粗糙结构面40～480.08～ 0.30砾岩层面30～400.05～0.10辉长岩、花岗岩节理面 30～380.20～0.40石灰岩层面30～400.05～0.10花岗岩节 理面(粗糙)420.4千板岩千枚理面280.12石灰岩卸荷节理面 (粗糙)370.04滑石片岩、片理面10～200～0.05(砂岩、花 岗岩)岩石／混凝土接触面55～600～0.48
•
• （2）确定方法： • 试验法：室内变形试验、现场变形试验 • 本构方程和经验估算法，见下式： •
• 二、结构面的剪切变形性质
• 1、剪切变形特征
• 粗糙结构面，呈脆性变形型，如右图中a 线，有峰值和明显的应力降 平直结构面， 呈塑性变形型，如右图中b线，无峰值和明 显的应力降
• 2、剪切变形本构方程
• 在这一章中我们将学习以下内容： • 一、概述 • 二、结构面的变形性质 • 三、结构面的强度性质
• 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。
• 一、平直无充填的结构面
• 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。其特点是面 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：
•
• 各种结构面抗剪强度指标的变化范围
• (1)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，σnΔVt曲线变陡，并与σn-ΔVr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ΔVj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。
第一节 概述
• 在工程荷载范围内(一般小于10MPa)，工程 岩体常常是沿软弱结构面失稳破坏。这方面 的工程实例很多。
• 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。
• （1)Goodman 方程
• 较适用于具有一定滑错位移的非嵌合性 结构面。
• （2) Bardis方程
• 较适合于未经滑错位移的嵌合结构面(如层 面)的法向变形特征。
• 3、法向刚度及其确定方法 • （1）定义：法向刚度Kn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，数值上
等于σｎ- Ｖｊ曲线上一点的切线斜率。
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）卸荷后留下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。
• （3）随着循环次数的增加，σn-ΔVj曲线逐渐变陡， 且整体向左移。
• （4）每次循环荷载所得的ห้องสมุดไป่ตู้线形状十分相似，且其 特征与加荷方式及其受力历史无关。
• 2、法向变形本构方程
• 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。因此，通常近考虑结构面的 抗剪强度。
• 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，在岩体力学中结构面的 抗剪强度通常是研究的重点内容。
• 条件不同、性质不同的结构面其发生剪切作用的机 理不同，因此其抗剪强度的确定方法也不同，下面 将分四种类型来介绍结构面的抗剪强度。
• 卡尔哈韦（Kalhaway）方程
• 3.剪切刚度及其确定方法 • （1）定义：剪切刚度KS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τu曲线上任一点的切线斜率。
• • （2）确定方法 • 试验法：室内试验、现场试验 • 经验估算法（Barton方程），见下式：
第三节 结构面的抗剪强度
第二节 结构面的变形性质
• 一、法向变形性质 • 1、法向变形的特征 • 为了测试得到结构面的应力-变形曲线，取含结构面
和不含结构面的两块试件做变形试验，得变形曲线 σn-ΔV，设不含结构面的岩块变形为ΔVr(包括岩块 和结构面的变形)，设不含结构面的岩块变形为 ΔVt(仅仅只包括岩块的变形)。则结构面的法向闭合 变形ΔVj为： • ΔVj＝ΔVr-ΔVt • 应力-变形关系曲线见下图，表现出以下特征：
• (3)法向应力σn大约从σc/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。
• 结构面加载、卸载的应力-变形关系曲线如下图。
• 卸荷的应力-变形关系曲线特征:
• （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 变形不能恢复，不能恢复部分称为松胀变形。
• 结构面类型 摩擦角(°)粘聚力(MPa)结构面类型 摩擦角 (°)粘聚力(MPa)泥化结构面10～200～0.05云母片岩片理 面10～200～0.05粘土岩层面20～300.05～0.10页岩节理 面(平直)18～290.10～0.19泥灰岩层面20～300.05～0.10 砂 岩 节 理 面 ( 平 直 )32 ～ 380.05 ～ 1.0 凝 灰 岩 层 面 20 ～ 300.05 ～ 0.10 灰 岩 节 理 面 ( 平 直 )350.2 页 岩 层 面 20 ～ 300.05～0.10石英正长闪长岩节理面(平直)32～350.02～ 0.08砂岩层面30～400.05～0.10粗糙结构面40～480.08～ 0.30砾岩层面30～400.05～0.10辉长岩、花岗岩节理面 30～380.20～0.40石灰岩层面30～400.05～0.10花岗岩节 理面(粗糙)420.4千板岩千枚理面280.12石灰岩卸荷节理面 (粗糙)370.04滑石片岩、片理面10～200～0.05(砂岩、花 岗岩)岩石／混凝土接触面55～600～0.48
•
• （2）确定方法： • 试验法：室内变形试验、现场变形试验 • 本构方程和经验估算法，见下式： •
• 二、结构面的剪切变形性质
• 1、剪切变形特征
• 粗糙结构面，呈脆性变形型，如右图中a 线，有峰值和明显的应力降 平直结构面， 呈塑性变形型，如右图中b线，无峰值和明 显的应力降
• 2、剪切变形本构方程
• 在这一章中我们将学习以下内容： • 一、概述 • 二、结构面的变形性质 • 三、结构面的强度性质
• 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。
• 一、平直无充填的结构面
• 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。其特点是面 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：
•
• 各种结构面抗剪强度指标的变化范围
• (1)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，σnΔVt曲线变陡，并与σn-ΔVr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ΔVj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。
第一节 概述
• 在工程荷载范围内(一般小于10MPa)，工程 岩体常常是沿软弱结构面失稳破坏。这方面 的工程实例很多。
• 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。
• （1)Goodman 方程
• 较适用于具有一定滑错位移的非嵌合性 结构面。
• （2) Bardis方程
• 较适合于未经滑错位移的嵌合结构面(如层 面)的法向变形特征。
• 3、法向刚度及其确定方法 • （1）定义：法向刚度Kn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，数值上
等于σｎ- Ｖｊ曲线上一点的切线斜率。
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）卸荷后留下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。
• （3）随着循环次数的增加，σn-ΔVj曲线逐渐变陡， 且整体向左移。
• （4）每次循环荷载所得的ห้องสมุดไป่ตู้线形状十分相似，且其 特征与加荷方式及其受力历史无关。
• 2、法向变形本构方程
• 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。因此，通常近考虑结构面的 抗剪强度。
• 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，在岩体力学中结构面的 抗剪强度通常是研究的重点内容。
• 条件不同、性质不同的结构面其发生剪切作用的机 理不同，因此其抗剪强度的确定方法也不同，下面 将分四种类型来介绍结构面的抗剪强度。
• 卡尔哈韦（Kalhaway）方程
• 3.剪切刚度及其确定方法 • （1）定义：剪切刚度KS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τu曲线上任一点的切线斜率。
• • （2）确定方法 • 试验法：室内试验、现场试验 • 经验估算法（Barton方程），见下式：
第三节 结构面的抗剪强度