结构面的变形与强度性质课件.ppt

1、3.1 概 述 在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，工程岩体常常是沿软弱结构面失稳破坏。工程实例过高水压力使坝基岩体沿倾斜软弱结构面滑动过高水压力使坝基岩体沿倾斜软弱结构面滑动工程荷载下，工程荷载下，结构面结构面及其及其充填物的变形充填物的变形是岩体变形是岩体变形的主要组分，控制着工程的主要组分，控制着工程岩体的变形岩体的变形特性。特性。结构面是岩体渗透水流的主要通道。其变形将极大结构面是岩体渗透水流的主要通道。其变形将极大地改变岩体的地改变岩体的渗透性渗透性、应力分布应力分布及其及其强度强度。因此，预测工程荷载下岩体渗透性的变化，必须研因此，预测工程荷载下岩体渗透性的变化，必须研究结构面

2、的变形性质及其本构关系。究结构面的变形性质及其本构关系。工程荷载工程荷载作用下，岩体中作用下，岩体中应力分布应力分布受结构面及其力受结构面及其力学性质的影响。学性质的影响。 3.2 结构面的变形性质1. 法向变形特征法向变形特征 VVVVVV应力-变形关系曲线 ABC 1)n增加，结构面闭合变形迅速增长，n-V、n-V曲线上凹上凹。 增到一定值，n-V变陡，与n-V近平行。说明结构面已基本上完全闭合，其变形主要是岩块变形贡献。这时，V趋于结构面最大闭合量V。应力-变形关系曲线特征A BC2)初始压缩阶段，V主要由结构面闭合造成。 nMPa时， V/V达， 即V占很大一部分。 n约从/3处开始，

3、含结构面的岩块变形由以结构面的闭合为主转为以岩块的弹性变形为主。应力-变形关系曲线特征A BC应力-变形关系曲线特征3）n- V非线性曲线，VV为渐近线。用Kni及V确定，与结构面类型及壁岩性质无关 。4）结构面的V始终小于结构面的张开度（）。因为结构面凹凸不平，两壁面间不可能达到100的接触。应力-变形关系曲线特征5） Kni ：n-V曲线原点处切线斜率，与结构面地质历史时期受力历史及初始应力 （）有关0jVjnniVK)(jnVf1)Goodman 方程方程适用有一定滑错位移的非嵌合性非嵌合性结构面nimmjijmjnVVVVVV112) Bardis方程方程jjnVbaVbVabVajn

4、jn 1 /1mmjnVabVV,时当niVjVjnniKaaVabaVKjj11)1(10202) Bardis方程方程jjnVbaVjmjmninVVVVK适合未经滑错位移的嵌合嵌合结构面(如层面)的法向变形法向刚度法向刚度n（normal stiffness）： n下，结构面产生单位法向变形所需应力，数值上=n- V曲线上一点的切线斜率。(MPa/cm) jnnVK确定方法试验法3.法向刚度及其确定方法法向刚度及其确定方法室内变形试验现场变形试验本构方程和经验估算现场变形试验中心孔承压板法 VVVKniininin11经验估算由Bandis方程估算jmjmninVVVVKnmnimnjV

5、KVV21nmninninVKKK2)1()(mjnijnnVVKVKBandis经验方程求Kni，Vm DmnieJCSCJRCBAVeJCSJRCK)(02.075.115.7壁岩强度JCS 回弹值。岩石重度；RRJCS01. 100088. 0)lg(几种结构面的抗剪参数表 岩体结构面直剪试验结果表 便携式直剪仪 脆性变形型 塑性变形型 结构面变形与风化程度有关 结构面的剪切刚度，随法向应力增大而增大，随结构面规模增大而降低。1、剪切变形特征剪切变形特征 卡尔哈韦（ Kalhaway）方程2. 剪切变形本构方程剪切变形本构方程ultsinKmunmu1,1 剪切刚度KS（shear st

6、iffness）：反映结构面剪切变形性质的重要参数，其值=峰值前-u曲线上任一点的切线斜率。3.剪切刚度及其确定方法剪切刚度及其确定方法确定方法试验法 室内试验 现场试验经验估算法（Barton方程）uKs结构面残余强度rrnstgLKnJCSJRClg1003.3 结构面的强度性质 结构面强度分：抗拉强度和抗剪强度。 结构面的抗拉强度非常小，常忽略不计，所以一般认为结构面是不能抗拉的。 在工程荷载作用下，岩体破坏常沿某些软弱结构面的滑动破坏。 在岩体力学中，重点研究结构面的抗剪强度。 一、平直无充填的结构面一、平直无充填的结构面 二、粗糙起伏无充填的结构面二、粗糙起伏无充填的结构面 三、非贯

7、通断续的结构面三、非贯通断续的结构面 四、具有充填物的软弱结构面四、具有充填物的软弱结构面 平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。 特点：面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。 这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：jjCtg 剪切特点： 当较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡爬坡效应，增大了 当较大时，将剪断凸起剪断凸起而运动，也增大了1、规则锯齿形结构面、规则锯齿形结构面 1）较小，剪胀作用iiiinnsincoscossin)(itgb)(btgnnPatton

8、公式2）较大，啃断效用CtgtgitgCb)(1法向应力1时，结构面的抗剪强度。剪断凸起的条件：2、不规则起伏结构面、不规则起伏结构面 自然界岩体中绝大多数结构面的粗糙起伏形态不规则，起伏角非常数。其强度包络线不是折线，而是曲线形式。 巴顿（arton，1973）提出剪胀角并代替起伏角 剪胀角（angle of dilatancy）：剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角uVtgd1Barton 方程：88.3278. 1 lg2ddtgJCSJRCudtg2 uJCSJRCtglg 一般结构面基本摩擦角u。上式右边的第二项是结构面的基本摩擦角u ，而第一项系数取。Ladanyi & Archa

9、mbault方程：uSrSuStgVaatgVa111CtguVVAAarSS剪断率剪胀率凸起岩石抗剪强度uSrSuStgVaatgVa111)(itguCtgrV很大时，凸起全部被剪断， AsA (as 1 ),无剪胀发生, =V/ u=0,则有:从以上讨论知,阿氏与莱氏公式是图中曲线3。V很小时，凸起不被剪断， As=0 (as=0)且tgi= =V/ u,有: 假设沿整个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面的线连续性系数为1tgKtgKCKCKjj)1 ()1 (1111裂面岩桥裂面岩桥 Ctg bbtgCtgKtgKCKCKjj)1 ()1 (1111裂面岩桥裂面岩桥 Ctg tgKtgKtgCKCKCjbjb)1()1(1111 包括泥化夹层和各种类型的夹泥层，形成与水水的作用和各类滑错作用的作用和各类滑错作用有关。结构面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度充填物的物质成分、结构及充填程度和厚度和厚度等因素密切相关。