[教育]巖體力學ppt課件cha5結構面的變形與強度性質

1、第五章 結構面的變形與強度性質賈洪彪中國地質大學巖土工程與工程地質系,第五章 結構面的變形與強度性質,§5.1 概述§5.2 結構面的變形性質 一、法向變形性質 二、剪切變形性質§ 5.3 結構面的強度性質 一、平直無充填的結構面 二、粗糙起伏無充填的結構面 三、非貫通斷續(xù)的結構面 四、具有充填物的軟弱結構面,§

2、;5.1 概 述,在工程荷載(一般小于10MPa)范圍內，工程巖體常常是沿軟弱結構面失穩(wěn)破壞。,第五章 結構面的變形與強度性質,工程實例,第五章 結構面的變形與強度性質,第五章 結構面的變形與強度性質,在工程荷載作用下，結構面及其充填物的變形是巖體變形的主要組分，控制著工程巖體的變形特性。結構面是巖體滲透水流的主要通道。在工程荷載作用下，結構面的變形將極大地改變巖體的滲透性、應力分布及其強度。因此，預測工程荷載作用下巖體滲透

3、性的變化，必須研究結構面的變形性質及其本構關系。工程荷載作用下，巖體中應力分布受結構面及其力學性質的影響。,§ 5.2 結構面的變形性質,一、法向變形性質1. 法向變形特征,ΔVｊ＝ΔVｔ－ΔVｒ,第五章 結構面的變形與強度性質,應力-變形關系曲線,第五章 結構面的變形與強度性質,開始時隨著法向應力增加，結構面閉合變形迅速增長， σn-ΔV及σn-ΔVｊ曲線均呈上凹型。當σn增到一定值時，σn-ΔVｔ曲線變陡，并與σn

4、-ΔVｒ曲線大致平行。說明結構面已基本上完全閉合，其變形主要是巖塊變形貢獻的。這時ΔVｊ則趨于結構面最大閉合量Vｍ。初始壓縮階段，含結構面的巖塊變形ΔVｔ主要是由結構面的閉合造成的。試驗表明，當σn＝１MPa時，ΔVｔ/ΔVｒ可達５~３０，說明ΔVｔ占了很大一部分。法向應力σn大約從σｃ/3處開始，含結構面的巖塊變形由以結構面的閉合為主轉為以巖塊的彈性變形為主。,應力-變形關系曲線特征,第五章 結構面的變形與強度性質,結構面的σn-

5、 ΔVｊ曲線大致為以ΔVｊ＝Vｍ為漸近線的非線性曲線?？捎贸跏挤ㄏ騽偠燃白畲箝]合量來確定，與結構面的類型及壁巖性質無關 。結構面的最大閉合量始終小于結構面的張開度（ｅ）。這是因為結構面是凹凸不平的，兩壁面間無論如何也不可能達到100％的接觸。結構面的初始法向剛度是一個與結構面在地質歷史時期的受力歷史及初始應力（σｉ）有關的量，其定義為σn-Vｊ曲線原點處的切線斜率，即：,應力-變形關系曲線特征,第五章 結構面的變形與強度性質,2.法

6、向變形本構方程,1)Goodman 方程,適用于具有一定滑錯位移的非嵌合性結構面,第五章 結構面的變形與強度性質,2) Bardis方程,第五章 結構面的變形與強度性質,2) Bardis方程,,適合于未經滑錯位移的嵌合結構面(如層面)的法向變形,第五章 結構面的變形與強度性質,法向剛度Ｋn（normal stiffness）是指在法向應力作用下，結構面產生單位法向變形所需要的應力，在數(shù)值上等于σn- ?Vｊ曲線上一點的切線斜率。,確定

7、方法,試驗法,3.法向剛度及其確定方法,室內變形試驗,現(xiàn)場變形試驗,本構方程和經驗估算,,,第五章 結構面的變形與強度性質,現(xiàn)場變形試驗——中心孔承壓板法,,第五章 結構面的變形與強度性質,經驗估算——由Bandis方程估算,,,第五章 結構面的變形與強度性質,Bandis經驗方程求Kni，Vm,第五章 結構面的變形與強度性質,壁巖強度JCS,第五章 結構面的變形與強度性質,幾種結構面的抗剪參數(shù)表,第五章 結構面的變形與強度性質,巖體結

8、構面直剪試驗結果表,,第五章 結構面的變形與強度性質,便攜式直剪儀,,第五章 結構面的變形與強度性質,脆性變形型塑性變形型結構面變形與風化程度有關結構面的剪切剛度，隨法向應力的增大而增大，隨結構面的規(guī)模增大而降低。,1、剪切變形特征,二、結構面的剪切變形性質,第五章 結構面的變形與強度性質,卡爾哈韋（ Kalhaway）方程,2. 剪切變形本構方程,第五章 結構面的變形與強度性質,剪切剛度KS（shear stiffness）

9、是反映結構面剪切變形性質的重要參數(shù)，其數(shù)值等于峰值前τ-?u曲線上任一點的切線斜率。,3.剪切剛度及其確定方法,,,確定方法,試驗法 室內試驗 現(xiàn)場試驗經驗估算法（Barton方程）,,,第五章 結構面的變形與強度性質,§5.3 結構面的強度性質,結構面強度分為抗拉強度和抗剪強度。結構面的抗拉強度非常小，?？珊雎圆挥?，所以一般認為結構面是不能抗拉的。在工程荷載作用下，巖體破壞常沿某些軟弱結構面的滑動破

10、壞。在巖體力學中，重點研究結構面的抗剪強度。,第五章 結構面的變形與強度性質,第五章 結構面的變形與強度性質,一、平直無充填的結構面二、粗糙起伏無充填的結構面三、非貫通斷續(xù)的結構面四、具有充填物的軟弱結構面,一、平直無充填的結構面,平直無充填的結構面包括剪應力作用下形成的剪性破裂面，如剪節(jié)理、剪裂隙等，發(fā)育較好的層理面與片理面。特點是面平直、光滑，只具微弱的風化蝕變。堅硬巖體中的剪破裂面還發(fā)育有鏡面、擦痕及應力礦物薄膜等。

11、這類結構面的抗剪強度大致與人工磨制面的摩擦強度接近，即：,第五章 結構面的變形與強度性質,第五章 結構面的變形與強度性質,二、粗糙起伏無充填的結構面,剪切特點：① 當σ較小時，上盤巖塊上下運動，產生爬坡效應，增大了τ②當σ較大時，將剪斷凸起而運動，也增大了τ,,,,,,σ,τ,τ,,第五章 結構面的變形與強度性質,1、規(guī)則鋸齒形結構面 1）σ較小，剪脹作用,,,Patton公式,第五章 結構面的變形與強度性質,2）σ較大，啃斷效

12、用,上式為法向應力σ≥σt時，結構面的抗剪強度。剪斷凸起的條件為：,第五章 結構面的變形與強度性質,2、不規(guī)則起伏結構面,自然界巖體中絕大多數(shù)結構面的粗糙起伏形態(tài)是不規(guī)則的，起伏角也不是常數(shù)。其強度包絡線不是折線，而是曲線形式。,第五章 結構面的變形與強度性質,巴頓（Ｂarton，1973）對８種不同粗糙起伏的結構面進行了試驗研究，提出了剪脹角的概念并用以代替起伏角，剪脹角αｄ（angle of dilatancy）的定義為剪切時剪

13、切位移的軌跡線與水平線的夾角，即：,第五章 結構面的變形與強度性質,Barton 方程：,第五章 結構面的變形與強度性質,大量的試驗資料表明，一般結構面的基本摩擦角?u＝２５°～３５°。因此，上式右邊的第二項應當就是結構面的基本摩擦角?u ，而第一項的系數(shù)取整數(shù)２。,Ladanyi & Archambault方程：,剪斷率剪脹率凸起巖石抗剪強度,第五章 結構面的變形與強度性質,第五章 結構面的變形與強度性

14、質,當?很大時，凸起全部被剪斷， ?As?A (as ?1 ),無剪脹發(fā)生, =?V/ ?u=0,則有:,從以上討論可知,阿氏與萊氏公式是圖中曲線3。,當?很小時，凸起不被剪斷， ?As=>0 (as=>0)且tgi= =?V/ ?u,則有:,三、非貫通斷續(xù)的結構面,假設沿整個剪切面上的應力分布是均勻的，結構面的線連續(xù)性系數(shù)為Ｋ1,第五章 結構面的變形與強度性質,,第五章 結構面的變形與強度性質,四、具有充填物的軟弱