岩体结构面的力学变形性质幻灯片.ppt

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1、岩体结构面的力学变形性质第1页，共26页，编辑于2022年，星期六岩体力学性质岩体力学性质岩体结构岩体结构o1 岩体结构岩体结构o2 结构面类型结构面类型o3 结构面分级及其特性结构面分级及其特性o4 岩体结构类型岩体结构类型上次课内容上次课内容:第2页，共26页，编辑于2022年，星期六3.2 3.2 结构面的力学性质结构面的力学性质 为什么为什么要研究要研究结构面结构面的力学的力学性质？性质？1 1 引起工程岩体失稳破坏引起工程岩体失稳破坏（意大利（意大利 瓦依昂瓦依昂 水库水库 库岸滑坡）库岸滑坡）（中国（中国 拓溪拓溪 水库水库 库岸滑坡）库岸滑坡）2 2 控制岩体变形控制岩体变形3

2、3 控制地下水渗透控制地下水渗透4 4 影响岩体中应力分布影响岩体中应力分布第3页，共26页，编辑于2022年，星期六o1结构面法向变形与刚度结构面法向变形与刚度o2结构面切向变形与刚度结构面切向变形与刚度o3结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度3.2 结构面的力学性质第4页，共26页，编辑于2022年，星期六3.2 结构面的力学性质(法向变形法向变形)l一、结构面的法向变形：一、结构面的法向变形：在法向载荷作用下，岩在法向载荷作用下，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加，结构面的间隙减小，应力与法向变增加而增加，结构面的间隙减小，应力与

3、法向变形之间呈现指数关系；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）提出的法向应力与结构面闭合量的关系：量的关系：为原位压力；为原位压力；max为最大的可能闭和量；为最大的可能闭和量；s和和t为参数为参数t第5页，共26页，编辑于2022年，星期六法向刚度法向刚度Kn:Kn:单位法向变形的单位法向变形的法向应力的梯度法向应力的梯度.（Goodman,1974Goodman,1974）式中式中K Kn0n0：结构面的初始刚度：结构面的初始刚度3.2 结构面的力学性质第6页，共26页，编辑于2022年，星期六2 2、班迪斯（班迪斯（Bandis,1984Band

4、is,1984）:通过大量的通过大量的天然的天然的,不同风不同风化程度化程度和和表面粗糙度表面粗糙度的的非充填结构面非充填结构面实验研究实验研究.双曲线型法向应力与法向变形的关系双曲线型法向应力与法向变形的关系.式中：式中：a a、b b为常数为常数 3.2 结构面的力学性质 (法向变形法向变形)第7页，共26页，编辑于2022年，星期六3.3.法向变形的特征法向变形的特征曲线形状，先凹，后陡；可由曲线形状，先凹，后陡；可由初始法向刚度初始法向刚度和和最大闭合量最大闭合量确定确定初始阶段，结构面变形为主，当初始阶段，结构面变形为主，当n n=c c/3/3时结构面变形基本完成时结构面变形基本完

5、成最大闭合量最大闭合量小于小于张开度。张开度。3.2 结构面的力学性质第8页，共26页，编辑于2022年，星期六3.2 结构面的力学性质(剪切变形剪切变形)1.1.两种类型两种类型A.A.粗糙结构面粗糙结构面（无充填物），剪（无充填物），剪应力上升较快，当剪应力达到应力上升较快，当剪应力达到峰值后抗剪能力下降较大，并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产生不规则的峰后变形或滞滑现象。现象。B B.平坦结构面平坦结构面（有充填物），初（有充填物），初始阶段剪切变形曲线斜率逐始阶段剪切变形曲线斜率逐渐减小，曲线没有明显的峰渐减小，曲线没有明显的峰值出现，最后恒定值出现，最后恒定二、

6、结构面的剪切变形：二、结构面的剪切变形：在法向应力作用下，结构面在法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形。在剪切作用下产生切向变形。第9页，共26页，编辑于2022年，星期六剪切刚度：剪切刚度：19741974年年GoodmanGoodman提出提出：式中：式中：K Kt0t0初始剪切刚度初始剪切刚度 s s产生较大剪切位移时的剪应力渐近值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(剪切变形剪切变形)2.2.剪切变形曲线剪切变形曲线 从形式上可划分为从形式上可划分为:弹性区、剪应力弹性区、剪应力峰值区和塑性区。在结构面剪切过程中，伴随有微凸峰值区和塑性区。在结构面剪切过

7、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。不可恢复的。第10页，共26页，编辑于2022年，星期六3.2 3.2 结构面的力学性质结构面的力学性质（剪切变形）（剪切变形）3.3.剪切变形特征剪切变形特征两种类型：两种类型：a.a.坚硬、无充填物坚硬、无充填物脆性变形脆性变形 有明显的峰值、应力降有明显的峰值、应力降b.b.软弱、有充填物软弱、有充填物塑性变形塑性变形 无明显的峰值、应力降无明显的峰值、应力降风化结构面，峰值位移变大、剪风化结构面，峰值位移变大、剪切刚度变小切刚度变小随法向应力减小、剪切规模增大，随法向

8、应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小剪切刚度减小第11页，共26页，编辑于2022年，星期六3.2 结构面的力学性质(剪切变形剪切变形)4.4.剪胀剪胀:剪切过程中产生的法向移动分量剪切过程中产生的法向移动分量.岩石强度高，凸台角岩石强度高，凸台角i i小，法向力小，法向力N N小，发生剪胀现象小，发生剪胀现象(b)(b)岩石强度低，岩石强度低，凸台凸台角角i i大，法向力大，法向力N N大，发生剪断现象大，发生剪断现象(c)(c)第12页，共26页，编辑于2022年，星期六三三.结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度(库仑准则库仑准则)结构面结构面剪切强度3.2 结构面的力学性质(抗剪强度抗剪强度

9、)是结构面的粘结力和摩擦角。是结构面的粘结力和摩擦角。第13页，共26页，编辑于2022年，星期六3.2 结构面的力学性质(抗剪强度抗剪强度)结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度C,:C,:结构面结构面上的粘结力和上的粘结力和 摩擦角摩擦角 n:n:结构面上的法向应力结构面上的法向应力 =b+i b+i b b:岩石平坦表面摩擦角岩石平坦表面摩擦角 i:i:结构面上的凸台斜坡角结构面上的凸台斜坡角第14页，共26页，编辑于2022年，星期六JCS为结构面抗压强度JRC为结构面粗糙系数JRCJRC在在0-200-20间变化间变化:平坦近平滑结构面为平坦近平滑结构面为5;5;平坦起伏结构面为平坦起伏结

10、构面为10;10;粗糙起伏结构面为粗糙起伏结构面为20;20;抗剪强度公式抗剪强度公式(Barton)考虑了考虑了:法向力法向力（n n）、粗糙度、粗糙度（JRCJRC）、结构面强度（）、结构面强度（JCSJCS）第15页，共26页，编辑于2022年，星期六四、结构面力学性质的尺寸效应四、结构面力学性质的尺寸效应1 1、随着试块面积增加，、随着试块面积增加，平均峰值剪应力平均峰值剪应力呈减小趋势，平均呈减小趋势，平均摩擦角下降；摩擦角下降；2 2、随着结构面面积增大，峰值强度时的、随着结构面面积增大，峰值强度时的位移量增大位移量增大；3 3、随着尺度增加，剪切破坏由、随着尺度增加，剪切破坏由脆

11、性向延性脆性向延性转化；转化；4 4、尺寸加大，、尺寸加大，峰值剪胀角峰值剪胀角减小；减小；5 5、随结构面粗糙度减小，、随结构面粗糙度减小，尺寸效应减小。尺寸效应减小。3.2 结构面的力学性质第16页，共26页，编辑于2022年，星期六五、充填物对结构面力学性质影响五、充填物对结构面力学性质影响1 1、随夹层、随夹层厚度厚度增大，强度迅速降低；增大，强度迅速降低；2 2、随夹层、随夹层颗粒颗粒增大，强度增大，但超过增大，强度增大，但超过30mm30mm以后变化不以后变化不大；大；3 3、随、随含水量含水量增加，使粘结力和摩擦力下降，强度下降增加，使粘结力和摩擦力下降，强度下降4 4、泥化夹层

12、泥化夹层的影响，时效性，恒定荷载下产生蠕变。的影响，时效性，恒定荷载下产生蠕变。3.2 结构面的力学性质第17页，共26页，编辑于2022年，星期六3.3 3.3 岩体的变形特征岩体的变形特征o1 1岩体受压变形性质岩体受压变形性质o2 2岩体受剪变形性质岩体受剪变形性质o3 3岩体各向异性特征岩体各向异性特征第18页，共26页，编辑于2022年，星期六一、岩体的单轴和三轴压缩下变形特征一、岩体的单轴和三轴压缩下变形特征（1 1）岩体应力应变全过程曲线）岩体应力应变全过程曲线 在加载过程，结构面压密与闭合，应力应变曲线，呈在加载过程，结构面压密与闭合，应力应变曲线，呈上凹型。上凹型。中途卸载有

13、中途卸载有弹性后效弹性后效现象和不可恢复现象和不可恢复残余变形残余变形。这是结构面闭合、滑移、。这是结构面闭合、滑移、错动造成的。错动造成的。完全卸载，再加载形成形完全卸载，再加载形成形 式上的式上的“开环型开环型”曲线，这曲线，这 也是弹性后效造成的。也是弹性后效造成的。峰值强度后，岩体开始破峰值强度后，岩体开始破 坏，坏，应力下降较缓慢，仍应力下降较缓慢，仍有残余应力，有残余应力，这是这是岩体结构效应岩体结构效应。3.3 3.3 岩体的变形特征岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特（单轴和三轴压缩变形特征）征）第19页，共26页，编辑于2022年，星期六（2 2）卸载时荷载不降至零时的应力应

14、变曲线）卸载时荷载不降至零时的应力应变曲线卸荷不降至零时的循环加载应力应变曲线呈卸荷不降至零时的循环加载应力应变曲线呈“闭环型闭环型”。随着外荷加大、循环次数增多，随着外荷加大、循环次数增多，闭环后移闭环后移，这是结构面逐级被，这是结构面逐级被压密与啮合，这是结构面逐级被压密与啮合所致。压密与啮合，这是结构面逐级被压密与啮合所致。闭环逐渐变窄闭环逐渐变窄演变呈一条线，演变呈一条线，这是压密程度越来越高，这是压密程度越来越高，弹性弹性 后效变小后效变小的原因。的原因。当卸荷至零持续一定时间后，当卸荷至零持续一定时间后，有较大回弹变形，这是有较大回弹变形，这是弹性后效。弹性后效。3.3 3.3 岩

15、体的变形特征岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特征）（单轴和三轴压缩变形特征）第20页，共26页，编辑于2022年，星期六岩体的变形模量岩体的变形模量岩体的变形模量岩体的变形模量 可可可可以以以以从从从从室室室室内内内内应应应应力力力力应应应应变变变变关关关关系系系系、岩岩岩岩体体体体变变变变形形形形机机机机理理理理、以以以以及及及及现现现现场场场场岩岩岩岩体体体体力力力力学学学学测测测测试中求得。试中求得。试中求得。试中求得。从图，从图，从图，从图，变形模量变形模量变形模量变形模量可按下式求得：可按下式求得：可按下式求得：可按下式求得：式中式中式中式中 应力应力应力应力;a a a a 岩体

16、永久岩体永久岩体永久岩体永久（残余）（残余）（残余）（残余）变形的应变变形的应变变形的应变变形的应变 b b b b 岩体弹性变形应变岩体弹性变形应变岩体弹性变形应变岩体弹性变形应变;3.3 3.3 岩体的变形特征岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特征）（单轴和三轴压缩变形特征）0第21页，共26页，编辑于2022年，星期六二、二、岩体剪切变形特征岩体剪切变形特征在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，上凹型上凹型。屈服点后，屈服点后，某个结构面或结构体首先剪坏某个结构面或结构体首先剪坏，随之出现一次应，随之出现一次应力下降。峰值前可能发现力下降。峰值前可能发现

17、多次应力升降多次应力升降。升降程度与结构面。升降程度与结构面或结构体强度有关，岩体越破碎，应力降反而不明显。或结构体强度有关，岩体越破碎，应力降反而不明显。当应力增加到一定应力水平时，当应力增加到一定应力水平时，岩体剪切变形已积累到一定程度岩体剪切变形已积累到一定程度 没剪破的部位以瞬间破坏方式出没剪破的部位以瞬间破坏方式出 现，并现，并伴有一次大的应力降。伴有一次大的应力降。随后产生随后产生稳定滑移稳定滑移3.3 3.3 岩体的变形特征岩体的变形特征（剪切变形特征）（剪切变形特征）l有关的工程问题：边坡滑坡、坝基底部滑移等；有关的工程问题：边坡滑坡、坝基底部滑移等；第22页，共26页，编辑于

18、2022年，星期六三、三、岩体各向异性变形特征岩体各向异性变形特征 试件模型：试件模型：12mmX12mmX36mm12mmX12mmX36mm的块体单元的块体单元 分离度分离度x xx x1 1表示贯通，表示贯通，x x 0 0为完整试件，为完整试件，x x为分离度为分离度岩体力学性质具有岩体力学性质具有各向异性各向异性，变，变形、破坏机制、强度特征不同。形、破坏机制、强度特征不同。工程布置要考虑如何工程布置要考虑如何扬长避短扬长避短，充分发挥岩体自身强度，维持充分发挥岩体自身强度，维持工程稳定性。工程稳定性。3.3 3.3 岩体的变形特征岩体的变形特征（各向异性变形特征）（各向异性变形特征

19、）第23页，共26页，编辑于2022年，星期六l岩体各向异性变形特征岩体各向异性变形特征当结构面与最小主应力当结构面与最小主应力X X方向的夹角为：方向的夹角为：1.1.1515和和75 75 时：脆性破坏时：脆性破坏2.2.60 60，45 45 和和60 60 时，出现短暂弹性，变形模量降低，出时，出现短暂弹性，变形模量降低，出现延性破坏；现延性破坏；3.3.围压升高，变形模量增大；围压升高，变形模量增大；4.4.破坏形式随着角度变化；破坏形式随着角度变化；5.5.当结构面平行于中间主应力时，中间主应力对于强度当结构面平行于中间主应力时，中间主应力对于强度的影响不大，但是其它情况下的影响较

20、大；的影响不大，但是其它情况下的影响较大；第24页，共26页，编辑于2022年，星期六 岩体的水力学性质岩体的水力学性质渗流的特点：渗流的特点：n取决于岩体结构面和岩块的性质；取决于岩体结构面和岩块的性质；n岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和岩石孔隙水为特色；岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和岩石孔隙水为特色；n岩体的裂隙网络渗流具有定向性；岩体的裂隙网络渗流具有定向性；n岩体一般可以看成非连续介质（对于密集裂隙可以看成等校岩体一般可以看成非连续介质（对于密集裂隙可以看成等校连续介质）连续介质）n岩体的渗流具有非均质性和各项异性；岩体的渗流具有非均质性和各项异性；n一般符合达西定律；一般符合达西定律；n受到应力场的影响显著；受到应力场的影响显著；n在裂隙交叉处具有在裂隙交叉处具有“偏流效应偏流效应”，偏向宽大裂隙的一侧；，偏向宽大裂隙的一侧；第25页，共26页，编辑于2022年，星期六结束语结束语第26页，共26页，编辑于2022年，星期六