岩体力学结构面的变形与强度性质课件

变形性质法向变形、剪切变形（特征、本构方程）强度性质平直无充填结构面、粗糙起伏无充填结构面、非贯通断续结构面、有充填物的软弱结构面第三章结构面的变形与强度性质3.1 概述研究结构面变形和强度特性的意义如何？具有十分重要的工程实践意义1）岩石工程实践表明，有相当一部分工程岩体的失稳破坏是沿软弱结构面破坏的。结构面的强度性质是评价岩体稳定性的关键。2）结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组成部分，控制着工程岩体的变形特性。3）结构面是岩体中渗透水流的主要通道。工程岩体结构面的变形又将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。4）工程岩体中应力的分布受结构面及其力学性质的影响。某露天矿边坡3.2 结构面的变形性质一、法向变形性质 结构面（一）法向变形特征结构面法向加载变形特征：结构面的法向闭合变形 V jV j =Vt Vr1)加载初期,n V j 迅速,应力-变形曲线呈上凹型。当 n 某值时,n Vt 曲线变陡,并与 n Vr 曲线大致平行 结构面已基本上完全闭合,其变形主要是岩块产生变形 。这时 V j则趋于结构面最大闭合量 Vm2)初始压缩阶段,含结构面的岩块变形主要由结构面闭合造成。试验表明,当n=1MPa 时,Vt Vr 5 30,结构面的变形占很大部分。其大小还取决于结构面的类型及其风化变质程度等因素。3)从n c 3 时起,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。4)结构面 n V j 曲线大致为以V j =Vm为渐近线的非线性曲线。结构面闭合曲线可用初始法向刚度及最大闭合量来确定。5)结构面的初始法向刚度为n Vj 曲线原点处的切线斜率，即：6)结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（）。）。因为结构面是凹凸不平的，无论多高的法向压力，两壁面间不可能达到100的接触。试验表明，结构面两壁面一般只能达到4070左右的接触。结构面法向加荷、卸荷变形特征：1)结构面卸荷 n V j 曲线为以V j =Vm为渐近线的非线性曲线。卸荷后有很大的残余变形（松胀变形）。该残余变形的大小主要决定于结构面的张开度结构面的张开度(e)、粗糙度、粗糙度（JRC）、壁岩强度）、壁岩强度(JCS)及加、卸载循环次数及加、卸载循环次数等因素。2)结构面的卸荷刚度比岩块的加载刚度大。卸载变形特征：n循环荷载条件下结构面的 V j 曲线未风化结构面中风化结构面3)随着循环次数的增加,n V j 曲线逐渐变陡，且整体向左移。4)每次循环荷载所得的曲线形状十分相似，且其特征与加荷方式及其受力历史无关。（二）结构面法向变形本构方程结构面的变形本构方程指结构面的应力-结构面变形关系，其能够反映结构面的变形性质和变形过程。2.班迪斯(Bandis等，1983)方程研究大量试验曲线后，提出：与试验曲线的比较与试验曲线的比较:两曲线起点在原点,与试验结果较接近。适用性适用性：较适合于未经滑错位移的嵌合（如层面）结构面的法向变形特征3.孙广忠（1988）方程（三）法向刚度(normal stiffness)及其确定方法定义：指在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力，数值上等于 n V j 曲线上一点的切线斜率，即：意义：反映结构面法向变形性质的重要参数，是岩体力学性质参数估算及岩体稳定性计算中必不可少的指标之一。K n 现场变形试验 中心孔承压板法Hoek直剪仪装置示意图 室内压缩试验-直剪试验可在压力机上进行，也可在携带式剪力仪或中型剪力仪上配合结构面剪切试验一起进行。经验估算结构面特征法向刚度Kn（MPa/cm）剪切刚度Ks（MPa/cm）抗剪强度参数摩擦角()粘聚力c(MPa)充填粘土的断层，岩壁风化155330充填粘土的断层，岩壁轻微风化188370新鲜花岗片麻岩不连续结构面2010400玄武岩与角砾岩接触面208450致密玄武岩水平不连续结构面207380玄武岩张开节理面208450玄武岩不连续面12.74.50结构面法向刚度经验值岩组结构类型未浸水抗剪强度浸水抗剪强度n 2.4MPa摩擦角()粘聚力c(MPa)摩擦角()粘聚力c(MPa)法向刚度Kn-1（MPacm ）剪切刚度Ks-1（MPacm ）绢英岩平直，粗糙，有陡坎4041 0.150.20 36380.140.1643526290起伏，不平，粗糙，有陡坎4244 0.200.27 38390.170.2334824199波状起伏，粗糙3940 0.120.15 36370.110.1322544667平直，粗糙3839 0.070.11 35360.080.0922462246绢英化花岗岩平直，粗糙，有陡坎4042 0.250.35 38390.260.304213648108起伏大，粗糙，有陡坎 4348 0.350.50 40410.300.43357867113波状起伏，粗糙3940 0.150.23 37380.130.2738583863平直，粗糙3840 0.090.15 36370.080.13211434558花岗岩平直，粗糙，有陡坎4045 0.300.44 38410.300.341114772112起伏大，粗糙，有陡坎 4448 0.350.55 40440.360.446116959120波状起伏，粗糙4041 0.250.35 38410.210.3070844884平直，粗糙3941 0.150.20 37400.150.1751904665结构面法向刚度直剪试验结果二、剪切变形性质剪切应力剪切位移法向应力结构面剪切试验示意图结构面剪切位移剪切应力曲线峰值剪切强度残余剪切强度剪应力剪切位移（一）剪切变形特征（二）剪切变形本构方程卡尔哈韦（Kalhaway）方程通过大量试验，发现峰值前的剪应力-剪位移曲线可用双曲线拟合（三）剪切刚度及其确定方法K s定义：在剪切应力作用下，峰值前结构面产生单位剪切位移所需要的应力，数值上等于峰值前 u曲线上一点的切线斜率，即：意义：反映结构面剪切变形性质的重要参数，是岩体力学性质参数估算及岩体稳定性计算中必不可少的指标之一。经验方程（巴顿和乔贝，1977）结构面剪切刚度直剪试验结果峰值强度和残余强度莫尔图r=tgr=C+tg p峰值强度莫尔图 p=C+tgp第三节 结构面的强度性质结构面强度包括抗拉强度和抗剪强度;抗拉强度非常小,常忽略不计;而工程岩体的破坏常以沿软弱结构面滑动破坏为主;重点是研究抗剪强度一、结构面的抗剪强度指标(C,)结构面剪切位移剪切应力曲线残余剪切强度剪应力剪切位移峰值剪切强度各种结构面抗剪强度指标的变化范围二、影响结构面抗剪强度的主要因素结构面的形态、连续性、胶结充填特征及岩壁的性质、次生变化和受力历史（反复剪切次数）等等。三、结构面类型（复习）根据结构面形态、充填情况和连续性等的分类及其特点类型（4类）：平直无充填的结构面、粗糙起伏无充填的结构面、非贯通断续的结构面和有充填的软弱结构面粗糙起伏无充填的结构面特点：有明显的粗糙起伏度。非贯通断续的结构面特点：由裂隙面和非贯通的岩桥组成。有充填的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层，其形成与水和各种滑错作用有关。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，只有微弱的风化蚀变。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。特点：四、平直无充填的结构面的强度特征结构面上凸起体的平均高度小于510-3cm、宽度小于210-2 cm 的称为光滑结构面，岩体中的扭性x节理常呈这种形状。右图为这种结构面在法向应力较低条件下剪切时的剪应力-剪位移曲线，由图可知，剪应力随剪位移增长至最大值剪应力随剪位移增长至最大值后后保持常量不变；剪切保持常量不变；剪切峰峰值强度值强度等于残余强度。而且在等于残余强度。而且在剪切过剪切过程中，垂直位移大体为程中，垂直位移大体为零，不零，不发生压缩或剪胀。发生压缩或剪胀。各种结构面抗剪强度指标的变化范围结构面剪切刚度直剪试验结果五、粗糙起伏无充填的结构面的强度特征1.当法向应力较低时 I单个凸起体滑移面上的应力：（一）规则锯齿形结构面剪胀效应：结构面在剪切过程中,由于起伏度的存在,结构面的摩擦角由 b 增大到(b +i)的现象。剪胀：结构面在剪切过程中产生的法向位移分量的现象。原因在于在剪应力作用下,沿凸起的滑移,除产生切向位移外,还产生沿向上的移动。以上是两种极端情况。实际上,由于结构面的风化差异、起伏差异等,不论法向力多大,总有部分凸起被剪断,部分不被剪断。所有其强度包络线为曲线,不是折线巴顿提出不规则结构面的抗剪强度的三个参数，即1.巴顿公式（二）不规则起伏结构面JRC 结构面粗糙度系数。它表示结构面的粗糙程度,巴顿将结构面 的粗糙程度分为10级,其值分别定为020,而粗糙程度剖面 的长度是以10cm为准。JCS 结构面壁岩的单轴抗压强度。在壁岩风化较轻时,可利用岩 芯进行常规单轴抗压强度测试求得;当壁岩受风化时,岩块d 强度不能代表节理壁面的强度，这时可用回弹试验求得。b 基本内摩擦角。可以从平的未风化岩石的表面残余剪切实验 求出，事实上对于多数光滑未风化的岩石表面来说，值为 2535。巴顿提出：以剪胀角 d代替起伏角 i。剪胀角定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角，即：试验研究统计得到：六、非贯通断续的结构面结构面组成：裂隙面和岩桥。假定：剪切面上的应力均匀分布，结构面的线连续性系数为 K 1 结构面充填物颗粒成分不同，其抗剪强度和变形破坏机理不同其力学性质与充填物的物质成分、结构、充填程度、厚度等因素密切相关。曲线：泥化夹层，典型的塑性变形型，强度低且随位移变化小，屈服后无明显的峰值和应力降。随着粗碎屑成分的增加，结构面的剪切变形由塑性变形向脆性变形过渡，峰值逐渐明显，并且峰值强度增高。曲线：粗碎屑含量最高，峰值强度最大，峰值后有明显的应力降。七、具有充填物的软弱结构面上表说明：结构面的抗剪强度随粘粒含量增加而降低，随粗碎屑含量增多而增大。充填物厚度对结构面抗剪强度的影响 摩擦系数 f()：随着充填物厚度的增加，其值降低；当厚度 f达到某值时，其值趋于稳定。粘聚力 C：当厚度较小时，其值随充填物厚度增加而增大，达到某值后逐渐降低，并趋于某稳定值。当厚度达到某值时，结构面的抗剪强度主要取决于充填物的抗剪强度，而不再受厚度增加的影响。该情况下，可将充填物的抗剪强度视为结构面的抗剪强度，不在考虑粗糙起伏度的影响。充填物的结构特征及含水量对结构面抗剪强度的影响充填物结构疏松，且定向排列时，结构面抗剪强度低，反之，结构面抗剪强度高。充填物含水量增高，结构面抗剪强度低。某些工程泥化夹层的抗剪强度参数结构面抗剪强度参数是工程岩体稳定性分析评价的重要指标，在工程实际中，常采用试验法、参数反演法和工程地质类比法等综合确定。试验法：室内实验和原位试验。室内实验室内实验是在现场取代表性结构面试件进行室内剪切实验,求取Cj、j值。优点优点：简捷、快速,边界条件明确,容易控制；缺点缺点：试样尺寸小,代表性差,且受被测试件的扰动影响大。原位试验原位试验是在现场进行结构面剪切试验，求取其Cj、j值。大型工程中常用原位试验求结构面的抗剪强度参数。优优点点是：对岩体扰动小，尽可能地保持了它的天然结构和环境状态，使测出的岩土体力学参数直观、准确；缺缺点点:试验设备笨重、操作复杂、工期长、费用高。八、结构面抗剪强度参数的确定参数反演法：反演或称反分析是通过恢复已破坏斜坡的原始状态，在分析其破坏机理的基础上，建立极限平衡方程（即稳定性系数Ks=1左右，对于处于蠕滑阶段的滑坡，一般假定稳定系数0.98，基岩滑坡考虑滑坡局部应力集中、产生渐进破坏，可假定稳定系数0.9）；然后反求滑动面的Cj、j 值。适应于:滑坡模型和边界条件清楚，且有多个滑动体可供实测的地方。在进行反演分析时应特别注意以下几点：应尽可能地模拟滑坡蠕滑时的边界条件，尤其是地下水水位，如果难以做到，则可取勘探时雨季最高地下水位；选择分析剖面与主滑剖面一致；用作反演分析的刚体极限平衡理论方法，应与稳定性计算方法一致，一般采用设计规范所推荐的不平衡推力法。求结构面的抗剪强度参数。工程地质类比法：在结构面类型及地质特征基本相似的情况下，将过去已有的并在实际中成功应用的结构面剪切强度参数值（经验数据）运用到拟分析问题中。如三峡地区曾经进行了大量的结构面剪切强度试验，取得了大量的试验数据,为以后同类问题分析提供了大量的经验数据。在工程实际中常用以上三种方法所求得的结构面抗剪强度参数值，结合具体工程地质条件与受力状态综合确定结构面的抗剪强度参数。