A第5章結(jié)構(gòu)面變形與強(qiáng)度

1、第五章第五章結(jié)構(gòu)面變形與強(qiáng)度結(jié)構(gòu)面變形與強(qiáng)度2015-03-17結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì) 概述概述 結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì) 一、法向變形性質(zhì) 二、剪切變形性質(zhì) 結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度性質(zhì)結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度性質(zhì) 一、平直無充填的結(jié)構(gòu)面 二、粗糙起伏無充填的結(jié)構(gòu)面 三、非貫通斷續(xù)的結(jié)構(gòu)面 四、具有充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面概概 述述 在工程荷載(一般小于10MPa)范圍內(nèi)，工程巖體常常是沿軟弱結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)破壞。工程實(shí)例工程實(shí)例在工程荷載作用下，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面是巖體滲透水流的主要通道。在工程荷載作用下，結(jié)構(gòu)面的變形將極大地改變巖體的滲透性、應(yīng)力分布及其強(qiáng)度

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

3、力n大約從/3處開始，含結(jié)構(gòu)面的巖塊變形由以結(jié)構(gòu)面的閉合為主轉(zhuǎn)為以巖塊的彈性變形為主。應(yīng)力-變形關(guān)系曲線特征 結(jié)構(gòu)面的n- V曲線大致為以VV為漸近線的非線性曲線。可用初始法向剛度及最大閉合量來確定，與結(jié)構(gòu)面的類型及壁巖性質(zhì)無關(guān) 。 結(jié)構(gòu)面的最大閉合量始終小于結(jié)構(gòu)面的張開度（）。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面是凹凸不平的，兩壁面間無論如何也不可能達(dá)到100的接觸。 結(jié)構(gòu)面的初始法向剛度是一個(gè)與結(jié)構(gòu)面在地質(zhì)歷史時(shí)期的受力歷史及初始應(yīng)力（）有關(guān)的量，其定義為n-V曲線原點(diǎn)處的切線斜率，即：0jVjnniVK應(yīng)力-變形關(guān)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(jié)構(gòu)面nimmjijmjnVVVVVV112) Bandis方程方程jjnVbaVbVabVajnjn 1 /1mmjnVabVV,時(shí)當(dāng)niVjVjnniKaaVabaVKjj11)1(10202) Bandis方程方程雙曲線雙曲線jjnVbaVjmjmninVVVVK適合于未經(jīng)滑錯位移的嵌合結(jié)構(gòu)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(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生單位法向變形所需要的應(yīng)力，在數(shù)值上等于n- V曲線上一點(diǎn)的切線斜率。(MPa/mm) jnnVK確定方法試驗(yàn)法試驗(yàn)法3. 法向剛度及其確定方法法向剛度及其確定方法室內(nèi)變形試驗(yàn)室內(nèi)變形

5、試驗(yàn)現(xiàn)場變形試驗(yàn)現(xiàn)場變形試驗(yàn)本構(gòu)方程和經(jīng)驗(yàn)估算本構(gòu)方程和經(jīng)驗(yàn)估算現(xiàn)場變形試驗(yàn)現(xiàn)場變形試驗(yàn)中心孔承壓板法中心孔承壓板法 VVVKniininin11經(jīng)驗(yàn)估算經(jīng)驗(yàn)估算由由Bandis方程估算方程估算jmjmninVVVVKnmnimnjVKVV21nmninninVKKK2)1()(mjnijnnVVKVKBandis經(jīng)驗(yàn)方程求經(jīng)驗(yàn)方程求Kni，Vm DmnieJCSCJRCBAVeJCSJRCK)(02.075.115.7壁巖強(qiáng)度壁巖強(qiáng)度JCS 回彈值。巖石重度；RRJCS01. 100088. 0)lg(幾種結(jié)構(gòu)面的抗剪參數(shù)表幾種結(jié)構(gòu)面的抗剪參數(shù)表 巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)結(jié)果表巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)結(jié)

6、果表 便攜式直剪儀 脆性變形型 塑性變形型 結(jié)構(gòu)面變形與風(fēng)化程度有關(guān) 結(jié)構(gòu)面的剪切剛度，隨法向應(yīng)力的增大而增大，隨結(jié)構(gòu)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(gòu)方程剪切變形本構(gòu)方程ultsinKmunmu1,1 剪切剛度KS（shear stiffness）是反映結(jié)構(gòu)面剪切變形性質(zhì)的重要參數(shù)，其數(shù)值等于峰值前-u曲線上任一點(diǎn)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(yàn)法 室內(nèi)試驗(yàn) 現(xiàn)場試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)估算法（Barton方程）uKs結(jié)構(gòu)面殘余強(qiáng)度rrnstgLKnJCSJRClg100結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度性質(zhì)結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度性

7、質(zhì) 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度分為抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。 結(jié)構(gòu)面的抗拉強(qiáng)度非常小，?？珊雎圆挥?jì)，所以一般認(rèn)為結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面的滑動破壞。 在巖體力學(xué)中，重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。 一、平直無充填的結(jié)構(gòu)面 二、粗糙起伏無充填的結(jié)構(gòu)面 三、非貫通斷續(xù)的結(jié)構(gòu)面 四、具有充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面 平直無充填的結(jié)構(gòu)面包括剪應(yīng)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(diǎn)是面平直、光滑，只具微弱的風(fēng)化蝕變。堅(jiān)硬巖體中的剪破裂面還發(fā)育有鏡面、擦痕及應(yīng)力礦物薄膜等。 這類結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度大致與人工磨制面的摩擦強(qiáng)度接近，即：jjCtg 剪切特點(diǎn)： 當(dāng)較小

8、時(shí)，上盤巖塊上下運(yùn)動，產(chǎn)生爬坡效應(yīng)，增大了 當(dāng)較大時(shí)，將剪斷凸起而運(yùn)動，也增大了1 1、規(guī)則鋸齒形結(jié)構(gòu)面、規(guī)則鋸齒形結(jié)構(gòu)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(yīng)力t時(shí)，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。剪斷凸起的條件為：2 2、不規(guī)則起伏結(jié)構(gòu)面、不規(guī)則起伏結(jié)構(gòu)面 自然界巖體中絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)面的粗糙起伏形態(tài)是不規(guī)則的，起伏角也不是常數(shù)。其強(qiáng)度包絡(luò)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(jié)構(gòu)面進(jìn)行了試驗(yàn)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(shí)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(yàn)資料表明，一般結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角u。因此，上式右邊的第二項(xiàng)應(yīng)當(dāng)就是結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角u ，而第一項(xiàng)的系數(shù)取整數(shù)。Ladanyi & Archambault方程：uSrSuStgVaatgVa111CtguVVAAarSS剪斷率剪斷率剪脹率剪脹率凸起巖石抗剪強(qiáng)度凸起巖石抗剪強(qiáng)度uSrSuStgVaatgVa111)(itguCtgrV當(dāng)很大時(shí)，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(dāng)很小時(shí)，凸起不被剪斷， As=0 (as=0)且tgi= =V/ u,則有: 假設(shè)沿整個(gè)剪切面上的應(yīng)力分布是均勻的，結(jié)構(gòu)面的線連續(xù)性系數(shù)為1tgKtgKCKCKjj)1 ()1 (1111裂面巖橋裂面巖橋 Ctg bbtgCtgKtgKCKCKjj)1 ()1 (1111裂面巖橋裂