第三节 结构面的抗剪强度

第三节
结构面的抗剪强度
· 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，通常仅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。
岩桥
库仑-纳维 尔定律：
tgb Cb
其中：
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 厚度等因素密切相关。
结构面强度与颗粒粗细的关系
内摩擦角、内聚力与充填厚度的关系曲线
2

Barton 通过大量结构面剪切试验，用统计方法求得 壁岩强度 Barton方程：
粗糙度系数 又
d
JRC JCS lg 2
基本摩擦角
故
tg2d u
三、非贯通断续的结构面 这类结构面由裂隙面和非贯通的岩桥组成。在剪切 过程中，一般认为两者都起抗剪作用。即通过的裂隙面 和岩桥都起抗剪作用。 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，则整个结构面的抗剪强度为： 裂隙面
二、粗糙起伏无充填的结构面 这种类型的结构面，其剪切特点是： （1）当法向应力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。 由于结构面的粗糙起伏情况比较复杂，因此抗剪强 度的确定也比较困难。 下面就先讨论理想的简单的条件（规则锯齿形结构 面 ），再讨论一般的情况（不规则起伏结构面）。
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。 抗剪强度：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：
内摩擦角 随充填度 增大而减 小
不同夹层物质成分的结构面抗剪强度
抗剪强度指标 夹层成分
摩擦系数(f) 泥化夹层和夹泥层
碎屑夹泥层 碎屑夹wenku.baidu.com 含铁锰质角砾碎屑夹层
粘聚力C(kPa) 5～20
20～40 0～100 30～150
0.15～0.25
0.3～0.4 0.5～0.6 0.6～0.85
作业7 有一规则锯齿形结构面,起伏角i=35°，齿面摩 擦角φb=20°，粘聚力Cb=0，两壁岩石的内摩擦角 φ=28°，内聚力C=32kPa，若沿此结构面进行剪切， 试问在法向应力σ为多大时才能剪断凸起？
1、规则锯齿形结构面
（1）σ较小，剪胀作用,其强度遵循Patton公式： 结构面上的应力：
由库仑-纳维尔判据得： n 将τ n、σ n代入上式得：
ntgb
（2）σ较大，啃断作用，其强度接近岩块的强度，即：
式中：φ 、Ｃ分别 为结构面壁岩的内摩 擦角和内聚力。
综合上二式，结构面的抗剪强度包络线如下图所示。
剪断凸起的条件为：
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，见下图。
这类结构面的强度包 络线不是折线，而是 曲线形式。
巴顿（Barton）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——剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角， 即： 或 d JRC lg JCS