第五章結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)

1、第五章結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)1、巖體穩(wěn)定性分析 和地下水滲流分析 通常把巖體視為由巖塊（結(jié)構(gòu)體）與結(jié)構(gòu)面組成的地質(zhì) 體。2、巖體工程中的 軟弱夾層 問題：如黃河小浪底水庫工程左壩肩的泥化夾層；葛洲壩水利工程壩基的泥化夾層；黑河水庫左壩肩單薄山梁的斷層引發(fā)的滲漏問題；長江三峽自然坡中的軟弱夾層等。這些軟弱結(jié)構(gòu)面在不同程度上影響和控制著工程巖體的穩(wěn)定性。因此，結(jié)構(gòu)面變形與強(qiáng)度性 質(zhì)的研究，在工程實踐中具十分重要的實際意義：1）大量工程實踐表明：在工程荷載（小于 10Mpa）范圍內(nèi)，工程巖體的失穩(wěn)破壞有相當(dāng)一部分是沿軟弱結(jié)構(gòu)面破壞的。因此，結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度性質(zhì)的研究是評價巖體穩(wěn)定性的關(guān)鍵。2）在工程荷載

2、作用，結(jié)構(gòu)面及其充填物的變形是巖體變形的主要組成部分，控制著工程巖體 的變形特性。3）結(jié)構(gòu)面是巖體中滲透水流的主要通道。4）工程荷載作用下，巖體中的應(yīng)力分布受結(jié)構(gòu)面及其力學(xué)性質(zhì)的影響。第一節(jié) 結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)（特性）結(jié)構(gòu)面的變形包括法向變形和剪切變形兩個方面。一、結(jié)構(gòu)面的法向變形1 .法向變形特征（Normal deformation ）設(shè)不含結(jié)構(gòu)面巖塊的變形為 Vr，含結(jié)構(gòu)面巖塊的變形為 V，那么結(jié)構(gòu)面的法向閉合變形 V為： V” V - vr由結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力 dn與變形的關(guān)系曲線可得如下特征：1 ） d n f, V曲線呈上凹型；d nT d 0, d n V變陡，與d n V大致變形；2

3、 ）初始壓縮階段， V主要由結(jié)構(gòu)面閉合造成的;3）試驗研究表明，當(dāng) 口 口開始，含結(jié)構(gòu)面巖塊的變形由以結(jié)構(gòu)面的閉合t巖塊的彈性變 n 3 c形;4 ） d n - A V曲線的漸近線大致為： V=Vm5 ）結(jié)構(gòu)面的最大閉合量小于結(jié)構(gòu)面的張開度（e）。w :bff遜-z總3U 左:b.亠二-Tg52#圖5.1典型巖塊和結(jié)構(gòu)面法向變形曲線含結(jié)構(gòu)面的巖塊和不含結(jié)構(gòu)面的巖塊在法向上加荷、卸荷后的應(yīng)力一變形曲線，見教材P76-77（Ban dis 等，1983 ）。2 .法向變形本構(gòu)方程（法向應(yīng)力與變形之間的關(guān)系）這方面的研究目前仍處于探索階段，已提出的本構(gòu)方程都在試驗的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的經(jīng)驗方程，女口

4、Goodman Bandis及孫廣忠等人。1）古德曼（Goodman 1974）雙曲線函數(shù)擬合結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力d n與閉合變形A V （ mr）間的本構(gòu)關(guān)系：1或 Vj -Vm -Vi式中：di為結(jié)構(gòu)面所受的初始應(yīng)力。n2）班迪斯等（Ban dis等，1983）53.Vja b. Vj1為Wj-bab =Vm54#由初始法向強(qiáng)度的定義得:#1aKnW VjVmVj#3 .法向剛度的確定(normal stiffness )#1)定義：K1為在法向應(yīng)力作用下， 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生單位法向變形所需的應(yīng)力。Kn(Mpa/cm)試驗(室內(nèi)壓縮試驗、現(xiàn)場壓縮變形試驗如中心孔承壓板法)求得結(jié)構(gòu)面的(T n一 V 曲

5、線T K1。中心孔承壓極法: tun )#圖5.2法向剛度Kn的確定#2)不同法向應(yīng)力下結(jié)構(gòu)面的法向剛度Kn：由法向剛度的定義:KnBandis的本構(gòu)方程士 nTViKniVm. VjVmVjKni K n心Vj 2(1寸)m<rnVm又 V代入K.得:KniVm + j二Kni:-n2(1 - )KniVmG式中，Ki、Vm可通過室內(nèi)含結(jié)構(gòu)面巖塊壓縮試驗求得。如無試驗資料時，可用Ban dis (1983)提出的經(jīng)驗方程求取:55<i.養(yǎng)杵變貯瞰”舉性韭曲也圖5.3結(jié)構(gòu)面剪切變形的基本模型圖5.4不同b n下的灰?guī)r節(jié)理面剪切變形曲線0. 2U. 40.i*- * I認(rèn)利飛 Awl

6、 甘E -卜聃單*b. Kit圖5.5 Ks的確定示意圖Jcs、Kni=-7.15 41.75JRC +0.02 IJ匕丿Vm =A - B(JRC) C(JCS)D其中，e為結(jié)構(gòu)面的張開度；JRC為結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)；JCS為結(jié)構(gòu)面的壁巖強(qiáng)度。二、結(jié)構(gòu)面的剪切變形1 剪切變形特征1)非線性的，可分為脆性變形和塑性變形如圖5.3所示。 有一定寬度的破碎帶、軟弱夾層及含較厚 充填物的裂隙、節(jié)理等軟弱結(jié)構(gòu)面的 t A u曲 線多屬于塑性變形型； 無充填且較粗糙的硬性結(jié)構(gòu)面則屬于脆性變形型。2) 峰值位移：uf受其風(fēng)化程度的影響如圖5.4 所示;3) 剪切剛度Ks受風(fēng)化程度的影響;4) Ks具明顯的

7、尺寸效應(yīng)；5) Ks隨詁而仁2 .剪切變形本構(gòu)方程卡爾哈韋(Kalhaway , 1975) t A u曲線用雙曲函數(shù)擬合得:T =m n沁m , n為雙曲線的形狀系數(shù)，1 1m ,n =K xi' ult3 剪切剛度的確定Ks (shear stiffness )K S二一一(峰值t A u曲線上任S少u的切線斜率如圖5.5所示)此外，巴頓（Barton , 1977）和喬貝（Choubey, 1977）提出的Ks經(jīng)驗公式: 100JCS .Ksntg（JRCIgr ）Ln式中：L為剪切結(jié)構(gòu)面的長度；0 r為結(jié)構(gòu)面的殘余摩擦角。第二節(jié) 結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度性質(zhì)（力學(xué)性質(zhì)）重點研究它的抗剪強(qiáng)度

8、。影響結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的因素：結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、連續(xù)性、膠結(jié)充填特征及壁巖性質(zhì)、次生變化和受力歷史等等。根據(jù)結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、充填情況及連續(xù)性等特征，將其劃分為四類：平直（光滑）無充填的結(jié)構(gòu)面；粗糙起伏無充填的結(jié)構(gòu)面（硬性結(jié)構(gòu)面）;非貫通斷續(xù)的結(jié)構(gòu)面；有充填的軟弱結(jié)構(gòu)面一、平直無充填的結(jié)構(gòu)面包括：剪性破裂面如剪節(jié)理、剪裂隙；脆性斷層；發(fā)育較好的層理面與片理面。特點：平直、光滑，只具有微弱的風(fēng)化蝕變?？辜魪?qiáng)度：t = b tg 0 j+Cj （有些教材為t = b tg 0,因平直、光滑無充填 C=0）b為法向應(yīng)力；0j、C為結(jié)構(gòu)面的摩擦角和粘聚力。二、粗糙起伏無充填的結(jié)構(gòu)面特點：具有明顯的粗糙起伏度。當(dāng)

9、b n較小時T剪脹效應(yīng)（爬坡效應(yīng)）T f當(dāng)b n fl定值時T啃斷效應(yīng)T f1 規(guī)則鋸齒形結(jié)構(gòu)面（理想模型）1 ）設(shè)起伏角i，起伏差h,齒摩擦角0 b且Cb=0根據(jù)力的平衡：（滑移面上的b n和T n）% = sin i cosiJn = £cosi "sin i又由 Coulomb-Navier 判據(jù)：t n= b ntg 0 b(r)用射化用吃山甲亍凸星怵！況"M坍錮慎込幅箱圖5.6粗糙起伏無填充結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度分析圖IT = b tg (0 b + i )說明：式為法向應(yīng)力6較低時的情況，同時說明，因為起伏度的存在可增大結(jié)構(gòu)面的摩擦角，0 bT 0 b +

10、i。2)當(dāng)法向應(yīng)力6 定值6 i后，凸起被剪斷，此時：T =6 tg 0 b+C0、C為結(jié)構(gòu)面壁巖的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。由和可得剪斷凸起的條件：C"-'1 :tg( b i) - tg當(dāng)ctVcti時(較小)，兀=cf，tg仲b+i);當(dāng)ct >ct1 時，i=cT'tg0+C.2 不規(guī)則起伏結(jié)構(gòu)面絕大多數(shù)粗糙無充填的結(jié)構(gòu)面將是不規(guī)則起伏的。1)巴頓(Barton , 1982 )的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度公式V與認(rèn)為應(yīng)采用剪脹角來表示該種結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。剪脹角(ad) (Angle of dilation ):結(jié)構(gòu)面在剪切變形過程中所發(fā)生的(垂直)法向位移切向(水平)位

11、移之比的反正切值。即:tg () 也U通過大量的詳細(xì)實驗研究，他得出了T與a以及JCS與a之間的關(guān)系：= ；：tg(1.78： 32.88 )彳 JRC JCS阡TtgJCS 丄二.-；tg(JRCIgu)<T式中：0 u為巖石基本內(nèi)摩擦角(平滑鋸開面的內(nèi)摩擦角)。2)萊旦依等(Ladanyi 等，1970)_坊(1 _as)(V +tg©u) +asr1 - (1 - as)Vtg%as剪斷率；V剪脹率。三、非貫通斷續(xù)的結(jié)構(gòu)面由裂隙面和非貫通的巖橋組成。假定剪切面上應(yīng)力分布均勻，則t =KC+(1- K) C+b Ktg 0 j+(1- K)tg 0 式中：K 線連續(xù)性系數(shù)(或裂隙連通率)；C, 0j裂隙面的粘聚力與摩擦角；C 0 巖石的粘聚力與摩擦角。(目前已有人用斷裂力學(xué)理論開展此方面的研究。四、具有充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面(參泥化夾層、各種夾泥層，其力學(xué)性質(zhì)常與充填物的成分、結(jié)構(gòu)及充填程度和厚度等有關(guān)。見孫廣忠的巖體結(jié)構(gòu)力學(xué))1 物質(zhì)成分的影響按充填物的顆粒成分，該結(jié)構(gòu)面大致可分為如下幾種類型：泥化夾層；夾泥層；碎屑夾泥層；碎屑夾層。變形機(jī)制：塑性曲線型T脆性曲線型一般來說，軟弱結(jié)構(gòu)面的