岩体结构面的力学、变形性质

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1、岩石力学与工程ROCKMECHANICSANDENGINEERING结构面的力学性质岩体力学性质——岩体结构1岩体结构2结构面类型3结构面分级及其特性4岩体结构类型上次课内容:3.2结构面的力学性质为什么要研究结构面的力学性质？1引起工程岩体失稳破坏（意大利瓦依昂水库库岸滑坡）（中国拓溪水库库岸滑坡）2控制岩体变形3控制地下水渗透4影响岩体中应力分布1结构面法向变形与刚度2结构面切向变形与刚度3结构面的抗剪强度3.2结构面的力学性质3.2结构面的力学性质(法向变形)一、结构面的法向变形：在法向载荷作用下，岩石粗糙结构面的接触面积和接触点数随着载荷的增加而增

2、加，结构面的间隙减小，应力与法向变形之间呈现指数关系；1、Goodman（1974）提出的法向应力与结构面闭合量的关系：ξ为原位压力；δmax为最大的可能闭和量；s和t为参数t法向刚度Kn:单位法向变形的法向应力的梯度.（Goodman,1974）式中Kn0：结构面的初始刚度3.2结构面的力学性质2、班迪斯（Bandis,1984）:通过大量的天然的,不同风化程度和表面粗糙度的非充填结构面实验研究.双曲线型法向应力与法向变形的关系.式中：a、b为常数3.2结构面的力学性质(法向变形)3.法向变形的特征①曲线形状，先凹，后陡；可由初始法向刚度和最大闭合量确定

3、②初始阶段，结构面变形为主，当σn=σc/3时结构面变形基本完成③最大闭合量小于张开度。3.2结构面的力学性质3.2结构面的力学性质(剪切变形)1.两种类型A.粗糙结构面（无充填物），剪应力上升较快，当剪应力达到峰值后抗剪能力下降较大，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象。B.平坦结构面（有充填物），初始阶段剪切变形曲线斜率逐渐减小，曲线没有明显的峰值出现，最后恒定二、结构面的剪切变形：在法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形。剪切刚度：1974年Goodman提出：式中：Kt0－初始剪切刚度τs－产生较大剪切位移时的剪应力渐近值3.2结构面的力学性质

4、(剪切变形)2.剪切变形曲线从形式上可划分为:弹性区、剪应力峰值区和塑性区。在结构面剪切过程中，伴随有微凸体的变形、劈裂、结构面间的相互错动，变形有时是不可恢复的。3.2结构面的力学性质（剪切变形）3.剪切变形特征①两种类型：a.坚硬、无充填物－脆性变形有明显的峰值、应力降b.软弱、有充填物－塑性变形无明显的峰值、应力降②风化结构面，峰值位移变大、剪切刚度变小③随法向应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小3.2结构面的力学性质(剪切变形)4.剪胀:剪切过程中产生的法向移动分量.①岩石强度高，凸台角i小，法向力N小，发生剪胀现象(b)②岩石强度低，凸台角i大，

5、法向力N大，发生剪断现象(c)三.结构面的抗剪强度(库仑准则)结构面剪切强度3.2结构面的力学性质(抗剪强度)是结构面的粘结力和摩擦角。3.2结构面的力学性质(抗剪强度)结构面的抗剪强度C,ф:结构面上的粘结力和摩擦角n:结构面上的法向应力ф=фb+iфb:岩石平坦表面摩擦角i:结构面上的凸台斜坡角JCS为结构面抗压强度JRC为结构面粗糙系数JRC在0-20间变化:平坦近平滑结构面为5;平坦起伏结构面为10;粗糙起伏结构面为20;抗剪强度公式(Barton)考虑了:法向力（n）、粗糙度（JRC）、结构面强度（JCS）四、结构面力学性质的尺寸效应1、随着

6、试块面积增加，平均峰值剪应力呈减小趋势，平均摩擦角下降；2、随着结构面面积增大，峰值强度时的位移量增大；3、随着尺度增加，剪切破坏由脆性向延性转化；4、尺寸加大，峰值剪胀角减小；5、随结构面粗糙度减小，尺寸效应减小。3.2结构面的力学性质五、充填物对结构面力学性质影响1、随夹层厚度增大，强度迅速降低；2、随夹层颗粒增大，强度增大，但超过30mm以后变化不大；3、随含水量增加，使粘结力和摩擦力下降，强度下降4、泥化夹层的影响，时效性，恒定荷载下产生蠕变。3.2结构面的力学性质3.3岩体的变形特征1岩体受压变形性质2岩体受剪变形性质3岩体各向异性特征一、岩体的

7、单轴和三轴压缩下变形特征（1）岩体应力－应变全过程曲线①在加载过程，结构面压密与闭合，应力－应变曲线，呈上凹型。②中途卸载有弹性后效现象和不可恢复残余变形。这是结构面闭合、滑移、错动造成的。③完全卸载，再加载形成形式上的“开环型”曲线，这也是弹性后效造成的。④峰值强度后，岩体开始破坏，应力下降较缓慢，仍有残余应力，这是岩体结构效应。3.3岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特征）（2）卸载时荷载不降至零时的应力－应变曲线①卸荷不降至零时的循环加载应力－应变曲线呈“闭环型”。②随着外荷加大、循环次数增多，闭环后移，这是结构面逐级被压密与啮合，这是结构面逐级被压

8、密与啮合所致。③闭环逐渐变窄→演变呈一条线，这是压密程度越来越高，