A第5章結構面變形與強度

1、第五章第五章結構面變形與強度結構面變形與強度2015-03-17結構面的變形與強度性質 概述概述 結構面的變形性質結構面的變形性質 一、法向變形性質 二、剪切變形性質 結構面的強度性質結構面的強度性質 一、平直無充填的結構面 二、粗糙起伏無充填的結構面 三、非貫通斷續(xù)的結構面 四、具有充填物的軟弱結構面概概 述述 在工程荷載(一般小于10MPa)范圍內，工程巖體常常是沿軟弱結構面失穩(wěn)破壞。工程實例工程實例在工程荷載作用下，結構面及其充填物的變形是巖體變形的主要組分，控制著工程巖體的變形特性。結構面是巖體滲透水流的主要通道。在工程荷載作用下，結構面的變形將極大地改變巖體的滲透性、應力分布及其強度

2、。因此，預測工程荷載作用下巖體滲透性的變化，必須研究結構面的變形性質及其本構關系。工程荷載作用下，巖體中應力分布受結構面及其力學性質的影響。結構面的變形性質結構面的變形性質1. 法向變形特征法向變形特征 VVVVVV應力-變形關系曲線 ABC 開始時隨著法向應力增加，結構面閉合變形迅速增長， n-V及n-V曲線均呈上凹型。當n增到一定值時，n-V曲線變陡，并與n-V曲線大致平行。說明結構面已基本上完全閉合，其變形主要是巖塊變形貢獻的。這時V則趨于結構面最大閉合量V。 初始壓縮階段，含結構面的巖塊變形V主要是由結構面的閉合造成的。試驗表明，當nMPa時，V/V可達，說明V占了很大一部分。 法向應

3、力n大約從/3處開始，含結構面的巖塊變形由以結構面的閉合為主轉為以巖塊的彈性變形為主。應力-變形關系曲線特征 結構面的n- V曲線大致為以VV為漸近線的非線性曲線?？捎贸跏挤ㄏ騽偠燃白畲箝]合量來確定，與結構面的類型及壁巖性質無關 。 結構面的最大閉合量始終小于結構面的張開度（）。這是因為結構面是凹凸不平的，兩壁面間無論如何也不可能達到100的接觸。 結構面的初始法向剛度是一個與結構面在地質歷史時期的受力歷史及初始應力（）有關的量，其定義為n-V曲線原點處的切線斜率，即：0jVjnniVK應力-變形關系曲線特征)(jnVf1)Goodman 1)Goodman 方程方程適用于具有一定滑錯位移的非

4、嵌合性結構面nimmjijmjnVVVVVV112) Bandis方程方程jjnVbaVbVabVajnjn 1 /1mmjnVabVV,時當niVjVjnniKaaVabaVKjj11)1(10202) Bandis方程方程雙曲線雙曲線jjnVbaVjmjmninVVVVK適合于未經滑錯位移的嵌合結構面(如層面)的法向變形,未充填節(jié)理。法向剛度n（normal stiffness）是指在法向應力作用下，結構面產生單位法向變形所需要的應力，在數值上等于n- V曲線上一點的切線斜率。(MPa/mm) jnnVK確定方法試驗法試驗法3. 法向剛度及其確定方法法向剛度及其確定方法室內變形試驗室內變形

5、試驗現場變形試驗現場變形試驗本構方程和經驗估算本構方程和經驗估算現場變形試驗現場變形試驗中心孔承壓板法中心孔承壓板法 VVVKniininin11經驗估算經驗估算由由Bandis方程估算方程估算jmjmninVVVVKnmnimnjVKVV21nmninninVKKK2)1()(mjnijnnVVKVKBandis經驗方程求經驗方程求Kni，Vm DmnieJCSCJRCBAVeJCSJRCK)(02.075.115.7壁巖強度壁巖強度JCS 回彈值。巖石重度；RRJCS01. 100088. 0)lg(幾種結構面的抗剪參數表幾種結構面的抗剪參數表 巖體結構面直剪試驗結果表巖體結構面直剪試驗結

6、果表 便攜式直剪儀 脆性變形型 塑性變形型 結構面變形與風化程度有關 結構面的剪切剛度，隨法向應力的增大而增大，隨結構面的規(guī)模增大而降低。1、剪切變形特征剪切變形特征 卡爾哈韋（ Kalhaway）方程2. 剪切變形本構方程剪切變形本構方程ultsinKmunmu1,1 剪切剛度KS（shear stiffness）是反映結構面剪切變形性質的重要參數，其數值等于峰值前-u曲線上任一點的切線斜率。3.3.剪切剛度及其確定方法剪切剛度及其確定方法確定方法試驗法 室內試驗 現場試驗經驗估算法（Barton方程）uKs結構面殘余強度rrnstgLKnJCSJRClg100結構面的強度性質結構面的強度性

7、質 結構面強度分為抗拉強度和抗剪強度。 結構面的抗拉強度非常小，常可忽略不計，所以一般認為結構面是不能抗拉的。 在工程荷載作用下，巖體破壞常沿某些軟弱結構面的滑動破壞。 在巖體力學中，重點研究結構面的抗剪強度。 一、平直無充填的結構面 二、粗糙起伏無充填的結構面 三、非貫通斷續(xù)的結構面 四、具有充填物的軟弱結構面 平直無充填的結構面包括剪應力作用下形成的剪性破裂面，如剪節(jié)理、剪裂隙等，發(fā)育較好的層理面與片理面。 特點是面平直、光滑，只具微弱的風化蝕變。堅硬巖體中的剪破裂面還發(fā)育有鏡面、擦痕及應力礦物薄膜等。 這類結構面的抗剪強度大致與人工磨制面的摩擦強度接近，即：jjCtg 剪切特點： 當較小

8、時，上盤巖塊上下運動，產生爬坡效應，增大了 當較大時，將剪斷凸起而運動，也增大了1 1、規(guī)則鋸齒形結構面、規(guī)則鋸齒形結構面 1）較小，剪脹作用iiiinnsincoscossin)(itgb)(btgnnPatton公式2）較大，啃斷效用CtgtgitgCbt)(上式為法向應力t時，結構面的抗剪強度。剪斷凸起的條件為：2 2、不規(guī)則起伏結構面、不規(guī)則起伏結構面 自然界巖體中絕大多數結構面的粗糙起伏形態(tài)是不規(guī)則的，起伏角也不是常數。其強度包絡線不是折線，而是曲線形式。 巴頓（arton，1973）對種不同粗糙起伏的結構面進行了試驗研究，提出了剪脹角的概念并用以代替起伏角，剪脹角（angle of

9、 dilatancy）的定義為剪切時剪切位移的軌跡線與水平線的夾角，即：uVtgd1Barton 方程：88.3278. 1 lg2ddtgJCSJRCudtg2 uJCSJRCtglg 大量的試驗資料表明，一般結構面的基本摩擦角u。因此，上式右邊的第二項應當就是結構面的基本摩擦角u ，而第一項的系數取整數。Ladanyi & Archambault方程：uSrSuStgVaatgVa111CtguVVAAarSS剪斷率剪斷率剪脹率剪脹率凸起巖石抗剪強度凸起巖石抗剪強度uSrSuStgVaatgVa111)(itguCtgrV當很大時，凸起全部被剪斷， AsA (as 1 ),無剪脹發(fā)生, =V/ u=0,則有:從以上討論可知,阿氏與萊氏公式是圖中曲線3。V當很小時，凸起不被剪斷， As=0 (as=0)且tgi= =V/ u,則有: 假設沿整個剪切面上的應力分布是均勻的，結構面的線連續(xù)性系數為1tgKtgKCKCKjj)1 ()1 (1111裂面巖橋裂面巖橋 Ctg bbtgCtgKtgKCKCKjj)1 ()1 (1111裂面巖橋裂