[教育]巖體力學(xué)ppt課件cha5結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)

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

2、;5.1 概 述,在工程荷載(一般小于10MPa)范圍內(nèi)，工程巖體常常是沿軟弱結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)破壞。,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),工程實(shí)例,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),在工程荷載作用下，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面是巖體滲透水流的主要通道。在工程荷載作用下，結(jié)構(gòu)面的變形將極大地改變巖體的滲透性、應(yīng)力分布及其強(qiáng)度。因此，預(yù)測工程荷載作用下巖體滲透

3、性的變化，必須研究結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)及其本構(gòu)關(guān)系。工程荷載作用下，巖體中應(yīng)力分布受結(jié)構(gòu)面及其力學(xué)性質(zhì)的影響。,§ 5.2 結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì),一、法向變形性質(zhì)1. 法向變形特征,ΔVｊ＝ΔVｔ－ΔVｒ,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),應(yīng)力-變形關(guān)系曲線,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),開始時(shí)隨著法向應(yīng)力增加，結(jié)構(gòu)面閉合變形迅速增長， σn-ΔV及σn-ΔVｊ曲線均呈上凹型。當(dāng)σn增到一定值時(shí)，σn-ΔVｔ曲線變陡，并與σn

4、-ΔVｒ曲線大致平行。說明結(jié)構(gòu)面已基本上完全閉合，其變形主要是巖塊變形貢獻(xiàn)的。這時(shí)ΔVｊ則趨于結(jié)構(gòu)面最大閉合量Vｍ。初始壓縮階段，含結(jié)構(gòu)面的巖塊變形ΔVｔ主要是由結(jié)構(gòu)面的閉合造成的。試驗(yàn)表明，當(dāng)σn＝１MPa時(shí)，ΔVｔ/ΔVｒ可達(dá)５~３０，說明ΔVｔ占了很大一部分。法向應(yīng)力σn大約從σｃ/3處開始，含結(jié)構(gòu)面的巖塊變形由以結(jié)構(gòu)面的閉合為主轉(zhuǎn)為以巖塊的彈性變形為主。,應(yīng)力-變形關(guān)系曲線特征,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面的類型及壁巖性質(zhì)無關(guān) 。結(jié)構(gòu)面的最大閉合量始終小于結(jié)構(gòu)面的張開度（ｅ）。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面是凹凸不平的，兩壁面間無論如何也不可能達(dá)到100％的接觸。結(jié)構(gòu)面的初始法向剛度是一個(gè)與結(jié)構(gòu)面在地質(zhì)歷史時(shí)期的受力歷史及初始應(yīng)力（σｉ）有關(guān)的量，其定義為σn-Vｊ曲線原點(diǎn)處的切線斜率，即：,應(yīng)力-變形關(guān)系曲線特征,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),2.法

6、向變形本構(gòu)方程,1)Goodman 方程,適用于具有一定滑錯(cuò)位移的非嵌合性結(jié)構(gòu)面,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),2) Bardis方程,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),2) Bardis方程,,適合于未經(jīng)滑錯(cuò)位移的嵌合結(jié)構(gòu)面(如層面)的法向變形,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),法向剛度Ｋn（normal stiffness）是指在法向應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生單位法向變形所需要的應(yīng)力，在數(shù)值上等于σn- ?Vｊ曲線上一點(diǎn)的切線斜率。,確定

7、方法,試驗(yàn)法,3.法向剛度及其確定方法,室內(nèi)變形試驗(yàn),現(xiàn)場變形試驗(yàn),本構(gòu)方程和經(jīng)驗(yàn)估算,,,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),現(xiàn)場變形試驗(yàn)——中心孔承壓板法,,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),經(jīng)驗(yàn)估算——由Bandis方程估算,,,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),Bandis經(jīng)驗(yàn)方程求Kni，Vm,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),壁巖強(qiáng)度JCS,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),幾種結(jié)構(gòu)面的抗剪參數(shù)表,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),巖體結(jié)

8、構(gòu)面直剪試驗(yàn)結(jié)果表,,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),便攜式直剪儀,,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),脆性變形型塑性變形型結(jié)構(gòu)面變形與風(fēng)化程度有關(guān)結(jié)構(gòu)面的剪切剛度，隨法向應(yīng)力的增大而增大，隨結(jié)構(gòu)面的規(guī)模增大而降低。,1、剪切變形特征,二、結(jié)構(gòu)面的剪切變形性質(zhì),第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),卡爾哈韋（ Kalhaway）方程,2. 剪切變形本構(gòu)方程,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),剪切剛度KS（shear stiffness）

9、是反映結(jié)構(gòu)面剪切變形性質(zhì)的重要參數(shù)，其數(shù)值等于峰值前τ-?u曲線上任一點(diǎn)的切線斜率。,3.剪切剛度及其確定方法,,,確定方法,試驗(yàn)法 室內(nèi)試驗(yàn) 現(xiàn)場試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)估算法（Barton方程）,,,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),§5.3 結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度性質(zhì),結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度分為抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)面的抗拉強(qiáng)度非常小，?？珊雎圆挥?jì)，所以一般認(rèn)為結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面的滑動(dòng)破

10、壞。在巖體力學(xué)中，重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),一、平直無充填的結(jié)構(gòu)面二、粗糙起伏無充填的結(jié)構(gòu)面三、非貫通斷續(xù)的結(jié)構(gòu)面四、具有充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面,一、平直無充填的結(jié)構(gòu)面,平直無充填的結(jié)構(gòu)面包括剪應(yīng)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(diǎn)是面平直、光滑，只具微弱的風(fēng)化蝕變。堅(jiān)硬巖體中的剪破裂面還發(fā)育有鏡面、擦痕及應(yīng)力礦物薄膜等。

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

12、用,上式為法向應(yīng)力σ≥σt時(shí)，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。剪斷凸起的條件為：,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),2、不規(guī)則起伏結(jié)構(gòu)面,自然界巖體中絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)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(qiáng)度包絡(luò)線不是折線，而是曲線形式。,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),巴頓（Ｂarton，1973）對８種不同粗糙起伏的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了試驗(yàn)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(shí)剪

13、切位移的軌跡線與水平線的夾角，即：,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),Barton 方程：,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),大量的試驗(yàn)資料表明，一般結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角?u＝２５°～３５°。因此，上式右邊的第二項(xiàng)應(yīng)當(dāng)就是結(jié)構(gòu)面的基本摩擦角?u ，而第一項(xiàng)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(qiáng)度,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性

14、質(zhì),當(dāng)?很大時(shí)，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(dāng)?很小時(shí)，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(jié)構(gòu)面,假設(shè)沿整個(gè)剪切面上的應(yīng)力分布是均勻的，結(jié)構(gòu)面的線連續(xù)性系數(shù)為Ｋ1,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),,第五章 結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì),四、具有充填物的軟弱