岩体结构面的力学变形性质学习教案.pptx

《岩体结构面的力学变形性质学习教案.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩体结构面的力学变形性质学习教案.pptx（25页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、会计学1岩体结构岩体结构(jigu)面的力学变形性质面的力学变形性质第一页，共25页。3.2 3.2 结构面的力学结构面的力学(l xu)(l xu)性质性质 为什么为什么要研究要研究结构面结构面的力学的力学(l xu)性性质？质？1 1 引起引起(ynq)(ynq)工程岩体失稳破坏工程岩体失稳破坏（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 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1页/共25页第二页，共25页。n n1结构面法向变形(bin xng

2、)与刚度n n2结构面切向变形(bin xng)与刚度n n3结构面的抗剪强度3.2 结构(jigu)面的力学性质第2页/共25页第三页，共25页。3.2 结构面的力学性质(xngzh)(法向变形)l一、结构面的法向变形：在法向载荷作用下，岩石一、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粗糙结构面的接触(jich)面积和接触面积和接触(jich)点点数随着载荷的增加而增加，结构面的间隙减小，应数随着载荷的增加而增加，结构面的间隙减小，应力与法向变形之间呈现指数关系；力与法向变形之间呈现指数关系；l1、Goodman（1974）提出的法向应力与结构面闭）提出的法向应力与结构面闭合

3、量的关系：合量的关系：为原位压力为原位压力(yl)；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3页/共25页第四页，共25页。法向刚度法向刚度(n(n d)Kn:d)Kn:单位法向变单位法向变形的法向应力的梯形的法向应力的梯度度.（Goodman,1974Goodman,1974）式中式中Kn0Kn0：结构面的：结构面的初始刚度初始刚度(n(n d)d)3.2 结构(jigu)面的力学性质第4页/共25页第五页，共25页。2 2、班迪斯（、班迪斯（Bandis,1984Bandis,1984）:通过通过大量大量(dling)(dling)的天然的的天然的,不同风不同

4、风化程度和表面粗糙度的非充填结化程度和表面粗糙度的非充填结构面实验研究构面实验研究.双曲线型法向应力与法向变形的双曲线型法向应力与法向变形的关系关系.式中：式中：a a、b b为常数为常数 3.2 结构面的力学性质(xngzh)(法向变形)第5页/共25页第六页，共25页。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；可由初始法向刚度和最大闭合量确定初始法向刚度和最大闭合量确定初始阶段，结构面变形为主，当初始阶段，结构面变形为主，当n=c/3n=c/3时结构面变形基本完成时结构面变形基本完成(wn chng)(wn chng)最大闭合量小于张开度。最大闭合

5、量小于张开度。3.2 结构(jigu)面的力学性质第6页/共25页第七页，共25页。3.2 结构面的力学(l xu)性质(剪切变形)1.1.两种类型两种类型A.A.粗糙结构面（无充填物），粗糙结构面（无充填物），剪应力上升较快，当剪应剪应力上升较快，当剪应力达到峰值后抗剪能力下力达到峰值后抗剪能力下降较大，并产生不规则的降较大，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象。峰后变形或滞滑现象。B.B.平坦平坦(pngtn)(pngtn)结构面（有结构面（有充填物），初始阶段剪切充填物），初始阶段剪切变形曲线斜率逐渐减小，变形曲线斜率逐渐减小，曲线没有明显的峰值出现，曲线没有明显的峰值出现，最后恒定最后恒定

6、二、结构二、结构(jigu)面的剪切变形：在法向应力作用下，面的剪切变形：在法向应力作用下，结构结构(jigu)面在剪切作用下产生切向变形。面在剪切作用下产生切向变形。第7页/共25页第八页，共25页。剪切刚度：剪切刚度：剪切刚度：剪切刚度：1974197419741974年年年年GoodmanGoodmanGoodmanGoodman提出：提出：提出：提出：式中：式中：式中：式中：Kt0Kt0Kt0Kt0初始剪切刚度初始剪切刚度初始剪切刚度初始剪切刚度 s s s s产生较大产生较大产生较大产生较大(jio d)(jio d)(jio d)(jio d)剪切位移时的剪切位移时的剪切位移时的剪

7、切位移时的剪应力渐近值剪应力渐近值剪应力渐近值剪应力渐近值 3.2 结构(jigu)面的力学性质(剪切变形)2.2.剪切变形曲线剪切变形曲线(qxin)(qxin)从形式上可划分为从形式上可划分为:弹性区、弹性区、剪应力峰值区和塑性区。在结构面剪切过程中，伴随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。有时是不可恢复的。第8页/共25页第九页，共25页。3.2 3.2 结构结构(jigu)(jigu)面的力学性质面的力学性质（剪切变形）（剪切变形）3.3.3.3.剪切变形特征剪切变形

8、特征剪切变形特征剪切变形特征两种类型两种类型两种类型两种类型(lixng)(lixng)(lixng)(lixng)：a.a.a.a.坚硬、无充填物脆性变形坚硬、无充填物脆性变形坚硬、无充填物脆性变形坚硬、无充填物脆性变形 有明显的峰值、应力降有明显的峰值、应力降有明显的峰值、应力降有明显的峰值、应力降b.b.b.b.软弱、有充填物塑性变形软弱、有充填物塑性变形软弱、有充填物塑性变形软弱、有充填物塑性变形 无明显的峰值、应力降无明显的峰值、应力降无明显的峰值、应力降无明显的峰值、应力降风化结构面，峰值位移变大、风化结构面，峰值位移变大、风化结构面，峰值位移变大、风化结构面，峰值位移变大、剪切刚

9、度变小剪切刚度变小剪切刚度变小剪切刚度变小随法向应力减小、剪切规模增随法向应力减小、剪切规模增随法向应力减小、剪切规模增随法向应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小大，剪切刚度减小大，剪切刚度减小大，剪切刚度减小第9页/共25页第十页，共25页。3.2 结构面的力学性质(xngzh)(剪切变形)4.4.剪胀剪胀:剪切过程剪切过程(guchng)(guchng)中产生的法向移中产生的法向移动分量动分量.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(xinxing)(b)(xinxing)(b)岩石强度低，凸台角岩石强度低，凸台角i i大，法向

10、力大，法向力N N大，发生剪断现象大，发生剪断现象(xinxing)(c)(xinxing)(c)第10页/共25页第十一页，共25页。三三三三.结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度(库仑库仑库仑库仑(kln)(kln)(kln)(kln)准则准则准则准则)结构面剪切强度结构面剪切强度结构面剪切强度结构面剪切强度3.2 结构面的力学性质(xngzh)(抗剪强度)是结构是结构(jigu)面的粘结力和摩擦角。面的粘结力和摩擦角。第11页/共25页第十二页，共25页。3.2 结构面的力学性质(xngzh)(抗剪强度)结构结构(jigu)面的抗剪强度面的抗剪强度C,:C,:

11、结构面上的粘结力和结构面上的粘结力和 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:岩石平坦岩石平坦(pngtn)(pngtn)表面摩表面摩擦角擦角 i:i:结构面上的凸台斜坡角结构面上的凸台斜坡角第12页/共25页第十三页，共25页。JCS为结构(jigu)面抗压强度JRC为结构(jigu)面粗糙系数JRCJRC在在0-200-20间变化间变化(binhu):(binhu):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;抗剪强度抗剪强度(qingd)公式公式(Barto

12、n)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13页/共25页第十四页，共25页。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、随着试块面积增加，平均峰值、随着试块面积增加，平均峰值(fn zh)剪剪应力呈减小趋势，平均摩擦角下降；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、随着结构面面积增大，峰值(fn zh)强度强度时的位移量增大；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、随着尺度增加，剪切破坏由脆性向延性转化；化；4、尺寸加大，峰值、尺寸加大，峰值(fn zh)剪胀角减

13、小；剪胀角减小；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(l xu)性质第14页/共25页第十五页，共25页。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、随夹层厚度增大，强度迅速降低；、随夹层厚度增大，强度迅速降低；2、随夹层颗粒、随夹层颗粒(kl)增大，强度增大，但超增大，强度增大，但超过过30mm以后变化不大；以后变化不大；3、随含水量增加，使粘结力和摩擦力下降，、随含水量增加，使粘结力和摩擦力下降，强度下降强度下降4、泥化夹层的影响，时效性，恒定荷载下产、泥化夹层的影响，时效性，恒定荷载下产生蠕变。生蠕变。3.2

14、结构面的力学(l xu)性质第15页/共25页第十六页，共25页。3.3 3.3 岩体的变形岩体的变形(bin xng)(bin xng)特征特征1 1岩体受压变形性质岩体受压变形性质2 2岩体受剪变形性质岩体受剪变形性质3 3岩体各向异性岩体各向异性(xin y xn)(xin y xn)特征特征第16页/共25页第十七页，共25页。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 1 1）岩体应力应变全过程曲线）岩体应力应变全过程曲线）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，

15、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。上凹型。上凹型。中途卸载有弹性后效现象和不可恢复残余中途卸载有弹性后效现象和不可恢复残余中途卸载有弹性后效现象和不可恢复残余中途卸载有弹性后效现象和不可恢复残余(cny)(cny)(cny)(cny)变形。变形。变形。变形。这是结构面闭合、滑移、错动造成的。这是结构面闭合、滑移、错动造成的。这是结构面闭合、滑移、错动造成的。这是结构面闭合、滑移、错动造成的。完全卸载，再加载形成形完全卸载，再加载形成形完全卸载

16、，再加载形成形完全卸载，再加载形成形 式上的式上的式上的式上的“开环型开环型开环型开环型”曲线，这曲线，这曲线，这曲线，这 也是弹性后效造成的。也是弹性后效造成的。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，岩体开始破峰值强度后，岩体开始破峰值强度后，岩体开始破 坏，应力下降较缓慢，仍坏，应力下降较缓慢，仍坏，应力下降较缓慢，仍坏，应力下降较缓慢，仍有残余有残余有残余有残余(cny)(cny)(cny)(cny)应力，这是岩体结构效应。应力，这是岩体结构效应。应力，这是岩体结构效应。应力，这是岩体结构效应。3.3 3.3 岩体的变形岩体的变形(bin xng)(b

17、in xng)特征（单特征（单轴和三轴压缩变形轴和三轴压缩变形(bin xng)(bin xng)特征）特征）第17页/共25页第十八页，共25页。（2 2 2 2）卸载时荷载不降至零时的应力应变曲线）卸载时荷载不降至零时的应力应变曲线）卸载时荷载不降至零时的应力应变曲线）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“闭闭闭闭环型环型环型环型”。随着外荷加大、循环次数增多，闭环后移，这是结随着外荷加大、循环次数增多，闭环后移，这是结随着外荷加大、循环次数

18、增多，闭环后移，这是结随着外荷加大、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密与构面逐级被压密与啮合，这是结构面逐级被压密与构面逐级被压密与啮合，这是结构面逐级被压密与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。啮合所致。啮合所致。啮合所致。闭环逐渐变窄闭环逐渐变窄闭环逐渐变窄闭环逐渐变窄演变呈一条线，演变呈一条线，演变呈一条线，演变呈一条线，这是压密程度越来越高，弹性这是压密程度越来越高，弹性这是压密程度越来越高，弹性这是压密程度越来越高，弹性 后效变小的原因。后效变小的原因。后效变小的原因。后效变小的原因。当卸荷至零持续一定时间后，当卸荷至零持续一定

19、时间后，当卸荷至零持续一定时间后，当卸荷至零持续一定时间后，有较大有较大有较大有较大(jio d)(jio d)(jio d)(jio d)回弹变形，这是弹性后效。回弹变形，这是弹性后效。回弹变形，这是弹性后效。回弹变形，这是弹性后效。3.3 3.3 岩体的变形岩体的变形(bin xng)(bin xng)特征（单特征（单轴和三轴压缩变形轴和三轴压缩变形(bin xng)(bin xng)特征）特征）第18页/共25页第十九页，共25页。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

20、体体体变变变变形形形形机机机机理理理理、以及现场岩体力学测试中求得。以及现场岩体力学测试中求得。以及现场岩体力学测试中求得。以及现场岩体力学测试中求得。从图，变形模量可按下式求得：从图，变形模量可按下式求得：从图，变形模量可按下式求得：从图，变形模量可按下式求得：式中式中式中式中 应力应力应力应力;a a a a 岩体永久（残余岩体永久（残余岩体永久（残余岩体永久（残余(cny)(cny)(cny)(cny)）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(tzhng

21、)(tzhng)（单轴（单轴和三轴压缩变形特征和三轴压缩变形特征(tzhng)(tzhng)）0第19页/共25页第二十页，共25页。二、二、二、二、岩体剪切变形特征岩体剪切变形特征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，上凹型。在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，上凹型。在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，上凹型。在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，上凹型。屈服点后，某个结构面或结构体首先剪坏，随之出现一屈服点后，某个结构面或结构体首先剪坏，随之出现一屈服点后，某个结构面或结构体首先剪坏，随之出现一屈服点后，某个结构面或结构体首先剪坏，随之出现一次应力下降。峰值前

22、可能发现多次应力升降。升降程次应力下降。峰值前可能发现多次应力升降。升降程次应力下降。峰值前可能发现多次应力升降。升降程次应力下降。峰值前可能发现多次应力升降。升降程度与结构面或结构体强度有关，岩体越破碎，应力降度与结构面或结构体强度有关，岩体越破碎，应力降度与结构面或结构体强度有关，岩体越破碎，应力降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。反而不明显。反而不明显。反而不明显。当应力增加当应力增加当应力增加当应力增加(zngji)(zngji)(zngji)(zngji)到一定应力水平时，到一定应力水平时，到一定应力水平时，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

23、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，并伴有一次大的应力降。现，并伴有一次大的应力降。现，并伴有一次大的应力降。现，并伴有一次大的应力降。随后产生稳定滑移随后产生稳定滑移随后产生稳定滑移随后产生稳定滑移3.3 3.3 岩体的变形岩体的变形(bin xng)(bin xng)特征（剪切变形特征（剪切变形(bin xng)(bin xng)特征）特征）l有关的工程问题：边坡滑坡、坝基有关的工程问题：边坡滑坡、坝基(b j)底部滑移等；底部滑

24、移等；第20页/共25页第二十一页，共25页。三、三、岩体各向异性变形特征岩体各向异性变形特征(tzhng)(tzhng)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各向异性，岩体力学性质具有各向异性，变形、破坏机制、强度特征变形、破坏机制、强度特征(tzhng)(tzhng)不同。不同。工程布置要考虑如何扬长避短，工程布置要考虑如何扬长避短，充分发挥岩体自身强度，维充分发挥岩体自身强度，维持工程稳定性。持工程稳定性

25、。3.3 3.3 岩体的变形岩体的变形(bin xng)(bin xng)特征（各向异性变形特征（各向异性变形(bin xng)(bin xng)特征）特征）第21页/共25页第二十二页，共25页。l岩体各向异性变形岩体各向异性变形(bin xng)特征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：1515和和75 75 时：脆性破坏时：脆性破坏60 60，45 45 和和60 60 时，出现短暂弹性时，出现短暂弹性(tnxng)(tnxng)，变，变形模量降低，出现延性破坏；形模量降低，出现延性破坏；围压升高，变形模量增大；围压升高，变形模量增大；破坏形式随着

26、角度变化；破坏形式随着角度变化；当结构面平行于中间主应力时，中间主应力对于强度的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大；影响不大，但是其它情况下的影响较大；第22页/共25页第二十三页，共25页。岩体的水力学性质岩体的水力学性质(xngzh)(xngzh)渗流的特点：渗流的特点：渗流的特点：渗流的特点：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；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；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；岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和岩石孔隙水为

27、特色；岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和岩石孔隙水为特色；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；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；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）连续介质）连续介质）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；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；一般符合达西定律；一般符合达西定律；一般符合达西定律；一般符合达西定律；受到应力场的影响显著；受到应力场的影响显著；受到应力场的影响显著；受到应力场的影响显著；在裂隙交叉处具有在裂隙交叉处具有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流效应偏流效应”，偏向，偏向，偏向，偏向(pinxing)(pinxing)宽大裂隙宽大裂隙宽大裂隙宽大裂隙的一侧；的一侧；的一侧；的一侧；第23页/共25页第二十四页，共25页。结束语结束语第24页/共25页第二十五页，共25页。