岩体力学 教学课件 ppt 作者 刘佑荣 唐辉明 主编第3章 结构面的变形与强度性质.ppt

§3.1 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。如马尔帕塞坝溃坝、瓦依昂库岸滑坡等。 工程实例 工程实例 § 3.2 结构面的变形性质 一、法向变形性质 1. 法向变形特征 两块试件（含结构面、不含结构面）做变形试验，得变形曲线σｎ-ΔＶ，设不含结构面的岩块变形为ΔＶｒ，含结构面的岩块变形为ΔＶｔ，则结构面的变形（法向闭合变形）ΔＶｊ为： 开始时随着法向应力增加， 结构面闭合变形迅速增长。当σｎ增到一定值时，σｎ-ΔＶｔ曲线变陡，并与σｎ-ΔＶｒ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ΔＶｊ则趋于结构面最大闭合量Ｖｍ。 结构面的σｎ- ΔＶｊ曲线大致为以ΔＶｊ＝Ｖｍ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（ｅ）。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（σｉ）有关 的量，其定义为σｎ-Ｖｊ曲线原点处的 切线斜率，即： 卸荷的应力-变形关系曲线 （1)Goodman 方程 2) Bardis方程 3)孙广忠方程 法向刚度Ｋｎ（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σｎ- ?Ｖｊ曲线上一点的切线斜率。 （1）现场变形试验——中心孔承压板法 （2）经验估算 几种结构面的抗剪参数表 岩体结构面直剪试验结果表 二、结构面的剪切变形性质 粗糙结构面，呈脆性变形型 平直结构面，呈塑性变形型 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。 卡尔哈韦（ Kalhaway）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τ-?u曲线上任一点的切线斜率。 §3.3 结构面的强度性质 结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。 由于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，岩体破坏常以沿某些软弱结构面的滑动破坏为主。 因此，在岩体力学中一般很少研究结构面的抗拉强度，重点是研究它的抗剪强度。 一、平直无充填的结构面 二、粗糙起伏无充填的结构面 1、规则锯齿形结构面 2、不规则起伏结构面 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： ① 当σ较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了τ ②当σ较大时，将剪断凸起而运动，也增大了τ 经验值 1、规则锯齿形结构面 可概化为图5-14的模型： （1） 当σ较小时 （2） 当σ较大时，由于啃断作用，则结构面的抗剪强度为： 小结：双直线强度 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（Ｂarton，1973）对８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αｄ（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：Barton 通过大量结构面剪切试验，用统计方法求得 大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角?u＝２５°～３５°之间。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２。经这样处理后，上式变为： Ladanyi Archambault 提出： 当?很小时，凸起不被剪断， ?As=0 (as=0)且 =?V/ ?u =tgi,则有: 当?很大时，凸起全部被剪断， ?As?A (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。 三、非贯通断续的结构面 这类结构面由裂隙面和非贯通的岩桥组成。在剪切过程中，一般认为两者都起抗剪作用。 通过的裂隙面和岩桥都起抗剪作用。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Ｋ1，则整个结构面的抗剪