巖體力學性質(zhì)-結(jié)構(gòu)面力學性質(zhì)

3.1概述3.2巖體結(jié)構(gòu)基本類型3.3巖體結(jié)構(gòu)面及其充填特征3.4結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)3.5巖體的變形特性3.6巖體的強度特性3.7巖體的水力學性質(zhì)3.8巖體質(zhì)量評價及其分類第三章巖體力學性質(zhì)上次課內(nèi)容：主要講了巖體結(jié)構(gòu)類型、巖體結(jié)構(gòu)面的類型及其形態(tài)這節(jié)課接著講：結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)、巖體的變形強度特征。3.4結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)結(jié)構(gòu)面力學性質(zhì)主要包括三個方面：①法向變形與剛度；②剪切變形與剛度；③抗剪強度。為什么要研究結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)？1引起工程巖體失穩(wěn)破壞（意大利瓦依昂水庫庫岸滑坡）（中國拓溪水庫庫岸滑坡）2控制巖體變形3控制地下水滲透4影響巖體中應力分布3.4結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)1）（Goodman,1974）法向應力與法向變形的關(guān)系

式中：：原位壓力：最大可能閉合量s，t：與結(jié)構(gòu)面幾何特征、巖石力學性質(zhì)有關(guān)的兩個參數(shù)3.4.1法向變形與法向剛度在法向荷載作用下，巖石粗糙結(jié)構(gòu)面的接觸面積和接觸點數(shù)隨荷載增大而增加，結(jié)構(gòu)面間隙呈非線性減小，應力與法向變形之間呈指數(shù)關(guān)系。法向剛度Kn

（Goodman,1974）式中Kn0：結(jié)構(gòu)面的初始剛度實質(zhì)：每點的切線斜率3.4.1法向變形與法向剛度2）班迪斯（Bandis,1984）通過對大量的天然、不同風化程度和表面粗糙程度的非充填結(jié)構(gòu)面進行試驗研究，提出了雙曲線型法向應力與法向變形的關(guān)系

式中：a、b為常數(shù)法向剛度kn

3.4.1法向變形與法向剛度1)剪切變形兩種類型a.粗糙結(jié)構(gòu)面（無充填物），剪應力上升較快，當剪應力達到峰值后抗剪能力下降較大，并產(chǎn)生不規(guī)則的峰后變形或滯滑現(xiàn)象。3.4.2剪切變形與剪切剛度b.平坦結(jié)構(gòu)面（有充填物），初始階段剪切變形曲線斜率逐漸減小，曲線沒有明顯的峰值出現(xiàn)，最恒定。2）剪切剛度Kt剪切剛度：1974年Goodman提出：式中：Kt0－初始剪切剛度

τs－產(chǎn)生較大剪切位移時的剪應力漸近值剪切變形曲線從形式上可劃分成“彈性區(qū)”、剪應力峰值區(qū)和“塑性區(qū)”。通過將彈性區(qū)單位變形的應力梯度稱為剪切剛度Kt。3.4.2剪切變形與剪切剛度3）剪切變形方程1975，卡爾哈維（Kalhaway)提出：式中：m=1/k0,k0:初始剪切剛度;n=1/τ0,τ0－產(chǎn)生較大剪切位移時的剪應力漸近值

4）剪切變形特征①兩種類型：a.堅硬、無充填物－脆性變形：有明顯的峰值、應力降b.軟弱、有充填物－塑性變形：無明顯的峰值、應力降②風化結(jié)構(gòu)面，峰值位移變大、剪切剛度變小③隨法向應力減小、剪切規(guī)模增大，剪切剛度減小3.4.2剪切變形與剪切剛度①巖石強度↑，爬坡角i↓，法向力N↓，發(fā)生剪脹現(xiàn)象(b)②巖石強度↓，爬坡角i↑，法向力N↑，發(fā)生剪斷現(xiàn)象(c)結(jié)構(gòu)面的剪切變形與巖石強度、結(jié)構(gòu)面粗糙性和法向力有關(guān)。4）剪脹現(xiàn)象與剪斷現(xiàn)象3.4.2剪切變形與剪切剛度3.4.3結(jié)構(gòu)面的抗剪強度C,ф:結(jié)構(gòu)面上的粘結(jié)力和摩擦角n:

結(jié)構(gòu)面上的法向應力ф=фb+i;фb:巖石平坦表面摩擦角;i:結(jié)構(gòu)面上的凹臺斜坡角;結(jié)構(gòu)面剪切過程中的力學機制比較復雜，構(gòu)成結(jié)構(gòu)面抗剪強度的因素是多方面的，一般可用庫侖準則表述：3.4.3結(jié)構(gòu)面的抗剪強度低法向應力時的剪切，結(jié)構(gòu)面有剪切位移和剪脹；高法向應力時，凸臺剪斷，結(jié)構(gòu)面的抗剪強度最終變成殘余抗剪強度。凸臺起伏形成的粗糙度和巖石強度對結(jié)構(gòu)面的抗剪強度起著重要作用。Barton和Choubey(1977)提出結(jié)構(gòu)面的抗剪強度公式：式中，JCS是結(jié)構(gòu)面的抗壓強度，φb是巖石表面的基本摩擦角，JRC為結(jié)構(gòu)面粗糙性系數(shù)。3.4.3結(jié)構(gòu)面的抗剪強度JRC在0-20間變化:平坦近平滑結(jié)構(gòu)面為5;平坦起伏結(jié)構(gòu)面為10;粗糙起伏結(jié)構(gòu)面為20;3.4.3結(jié)構(gòu)面的抗剪強度結(jié)構(gòu)面力學性質(zhì)具有尺寸效應：隨著結(jié)構(gòu)面尺寸的增大，達到峰值強度時的位移量增大；由于尺寸的增加，剪切破壞形式由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)化；尺寸加大，峰值剪脹角減?。浑S結(jié)構(gòu)面粗糙度減小，尺寸效應也減小。另外，夾層的厚度、礦物顆粒的大小、含水量等影響。軟弱夾層的存在表現(xiàn)出時效性，應注意事項本長期極限強度的變化和預測，保證巖體長期穩(wěn)定性。巖體的單軸和三軸壓縮變形特征開始階段有上凹形；中途卸載回彈變形有滯后現(xiàn)象，有殘余變形；隨著外載荷的增加，殘余變形量的增長速度變小，累積殘余變形增大；巖體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面數(shù)量越多，巖體更破碎，巖體彈性越差，回彈變形能力弱；巖體的破壞呈現(xiàn)出柔性特征，應力下降比較緩慢；由于巖體的結(jié)構(gòu)效應，破壞后保留一定的殘余強度3.5巖體的變形特性巖體的變形模量卸載時變形過程出現(xiàn)閉環(huán)形式，隨著外載荷的增加，閉環(huán)向后移動；（結(jié)構(gòu)面被壓密，滯后變形變?。┳詈箝]環(huán)曲線變成一條線（巖體的結(jié)構(gòu)效應消失）；外載荷卸到零時，彈性變形恢復，釋放彈性能；3.5巖體的變形特性巖體的剪切變形有關(guān)的工程問題：邊坡滑坡、壩基底部滑移等；表現(xiàn)為沿著結(jié)構(gòu)面的滑移，沿著薄弱部位剪切破壞；3.5巖體的變形特性①在屈服點前，變形曲線與抗壓變形相似，上凹型。②屈服點后，某個結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)體首先剪壞，隨之出現(xiàn)一次應力下降。峰值前可能發(fā)現(xiàn)多次應力升降。升降程度與結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)體強度有關(guān)，巖體越破碎，應力降反而不明顯。③當應力增加到一定應力水平時，巖體剪切變形已積累到一定程度，沒剪破的部位以瞬間破壞方式出現(xiàn)，并伴有一次大的應力降。④隨后產(chǎn)生穩(wěn)定滑移巖體各向異性變形特征構(gòu)成巖體各向異性的兩個基本要素：物質(zhì)成分和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方向性；節(jié)理、結(jié)構(gòu)面和層面的方向性；3.5巖體的變形特性右圖是說明節(jié)理方向?qū)r體強度和變形模量影響的試驗模型。為模擬節(jié)理貫通的不同程度，塊休單元之間沒有完全分離，x=1表示貫通，x=0為完整試件。當結(jié)構(gòu)面與X方向的夾角為：15°和75°時：脆性破壞；60°，45°和30°時，出現(xiàn)短暫彈性，變形模量降低，出現(xiàn)延性破壞；圍壓升高，變形模量增大；破壞形式隨著角度變化；當結(jié)構(gòu)面平行于中間主應力時，中間主應力對于強度的影響不大，但是其它情況下的影響較大；3.5巖體的變形特性強度變形模量3.6巖體的強度特性巖體強度有抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度。但對于裂隙巖體來說，其抗拉強度很小，加上巖體抗拉強度測試技術(shù)難度大。所以目前對巖體抗拉強度研究很少，本節(jié)主要討論巖體的抗壓強度和抗剪強度。巖體的強度不同于巖塊的強度，也不同于結(jié)構(gòu)面的強度，它介于二者之間，一方面受巖石材料性質(zhì)的影響，另一方面受結(jié)構(gòu)面特征（數(shù)量、方向、間距、性質(zhì)等）和賦存條件（地應力、水、溫度等）的控制。（1）巖體單軸抗壓強度測定（2）巖體抗剪強度測定P、T分別為垂直及斜向千斤頂施加荷載；F為試體受剪截面。3.6.1巖體強度的測定（現(xiàn)場原位試驗）（3）巖體三軸壓縮試驗

等圍壓真三軸試驗對于多節(jié)理巖體影響較大

3.6.1巖體強度的測定（現(xiàn)場原位試驗）(1)單節(jié)理的力學效應設結(jié)構(gòu)面的強度條件:設節(jié)理的方向角為:節(jié)理面上的應力(圖）

3.6.2結(jié)構(gòu)面的力學效應結(jié)構(gòu)面應力狀態(tài)：強度條件：3.6.2結(jié)構(gòu)面的力學效應應力帶入強度準則，經(jīng)整理可得：令則①當（節(jié)理的存在不影響巖體的強度）②當可見③對求一階導數(shù)，并令其為零得

此時節(jié)理面對巖體的強度削弱最大，巖體有最小強度

3.6.2結(jié)構(gòu)面的力學效應④對巖體強度有影響的節(jié)理方位角：

直接在圖量取，也可以由正弦定律推出：3.6.2結(jié)構(gòu)面的力學效應⑤幾點討論

巖石節(jié)理同時破壞，巖體強度等于巖塊強度巖塊先破壞，巖體強度等于巖塊強度節(jié)理先破壞，巖體強度小于巖塊強度或3.6.2結(jié)構(gòu)面的力學效應

或利用用彈性波來查明巖體內(nèi)的節(jié)理、裂隙的分布情況。彈性波穿過巖體時，遇到裂隙便發(fā)生繞射或吸少，導致傳播速度降低。裂隙越多，波速降低越大，小尺寸試件含裂隙少，波速大。準巖體強度3.6.3巖體強度估算巖體強度是巖體工程設計的重要參數(shù)，而做原位試驗又十分費時、費錢，難以大量進行，一般根據(jù)地質(zhì)資料及室內(nèi)試驗資料進行估算，常用的有兩種方法。3.6.3巖體強度估算根據(jù)彈性波在巖石試塊和巖體中的傳播速度比，可以判斷巖體中裂隙發(fā)育程度，其平方定義為完整性系數(shù)：Hoek-Brown經(jīng)驗強度準則其中:m,s為與巖體結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)3.6.3巖體強度估算Hoek曾指出，