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第五章 结构面的变形与强度性质贾洪彪中国地质大学岩土工程与工程地质系第五章 结构面的变形与强度性质5.1 概述概述5.2 结构面的变形性质结构面的变形性质 一、法向变形性质 二、剪切变形性质 5.3 结构面的强度性质结构面的强度性质 一、平直无充填的结构面 二、粗糙起伏无充填的结构面 三、非贯通断续的结构面 四、具有充填物的软弱结构面5.1 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。工程实例在工程荷载作用下，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组分，控制着工程岩体的变形特性。结构面是岩体渗透水流的主要通道。在工程荷载作用下，结构面的变形将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。因此，预测工程荷载作用下岩体渗透性的变化，必须研究结构面的变形性质及其本构关系。工程荷载作用下，岩体中应力分布受结构面及其力学性质的影响。5.2 结构面的变形性质一、法向变形性质1.法向变形特征法向变形特征 VVVVVV应力-变形关系曲线 ABC开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长，n-V及n-V曲线均呈上凹型。当n增到一定值时，n-V曲线变陡，并与n-V曲线大致平行。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的。这时V则趋于结构面最大闭合量V。初始压缩阶段，含结构面的岩块变形V主要是由结构面的闭合造成的。试验表明，当nMPa时，V/V可达，说明V占了很大一部分。法向应力n大约从/3处开始，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-变形关系曲线特征结构面的n-V曲线大致为以VV为渐近线的非线性曲线。可用初始法向刚度及最大闭合量来确定，与结构面的类型及壁岩性质无关。结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（）。这是因为结构面是凹凸不平的，两壁面间无论如何也不可能达到100的接触。结构面的初始法向刚度是一个与结构面在地质历史时期的受力历史及初始应力（）有关的量，其定义为n-V曲线原点处的切线斜率，即：应力-变形关系曲线特征2.2.法向变形本构方程法向变形本构方程1)Goodman 方程适用于具有一定滑错位移的非嵌合性结构面2)Bardis方程2)Bardis方程适合于未经滑错位移的嵌合结构面(如层面)的法向变形法向刚度n（normal stiffness）是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，在数值上等于n-V曲线上一点的切线斜率。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 经验估算由Bandis方程估算Bandis经验方程求Kni，Vm 壁岩强度JCS 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，随法向应力的增大而增大，随结构面的规模增大而降低。1、剪切变形特征剪切变形特征二、结构面的剪切变形性质卡尔哈韦（Kalhaway）方程2.剪切变形本构方程剪切变形本构方程剪切刚度KS（shear stiffness）是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前-u曲线上任一点的切线斜率。3.3.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）5.3 结构面的强度性质结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，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二、粗糙起伏无充填的结构面三、非贯通断续的结构面四、具有充填物的软弱结构面一、平直无充填的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。特点是面平直、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：二、粗糙起伏无充填的结构面 剪切特点：当较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了当较大时，将剪断凸起而运动，也增大了1 1、规则锯齿形结构面、规则锯齿形结构面 1）较小，剪胀作用Patton公式2）较大，啃断效用上式为法向应力t时，结构面的抗剪强度。剪断凸起的条件为：2、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是不规则的，起伏角也不是常数。其强度包络线不是折线，而是曲线形式。巴顿（arton，1973）对种不同粗糙起伏的结构面进行了试验研究，提出了剪胀角的概念并用以 代 替 起 伏 角，剪 胀 角（angle of dilatancy）的定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角，即：Barton 方程：大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角u。因此，上式右边的第二项应当就是结构面的基本摩擦角u，而第一项的系数取整数。Ladanyi&Archambault方程：剪断率剪胀率凸起岩石抗剪强度当很大时，凸起全部被剪断，AsA(as 1),无剪胀发生,=V/u=0,则有:从以上讨论可知,阿氏与莱氏公式是图中曲线3。当很小时，凸起不被剪断，As=0(as=0)且tgi=V/u,则有:三、非贯通断续的结构面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1裂面岩桥裂面岩桥 Ctg 裂面岩桥裂面岩桥 Ctg 四、具有充填物的软弱结构面具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层，其形成多与水的作用和各类滑错作用水的作用和各类滑错作用有关。这类结构面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度和充填物的物质成分、结构及充填程度和厚度厚度等因素密切相关。