[教育]巖體力學ppt課件cha5結(jié)構面的變形與強度性質(zhì)

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

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)構面失穩(wěn)破壞。,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),工程實例,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),在工程荷載作用下，結(jié)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(jié)構面是巖體滲透水流的主要通道。在工程荷載作用下，結(jié)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(jié)構面的變形性質(zhì)及其本構關系。工程荷載作用下，巖體中應力分布受結(jié)構面及其力學性質(zhì)的影響。,§ 5.2 結(jié)構面的變形性質(zhì),一、法向變形性質(zhì)1. 法向變形特征,ΔVｊ＝ΔVｔ－ΔVｒ,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),應力-變形關系曲線,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),開始時隨著法向應力增加，結(jié)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(jié)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(jié)構面最大閉合量Vｍ。初始壓縮階段，含結(jié)構面的巖塊變形ΔVｔ主要是由結(jié)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(jié)構面的巖塊變形由以結(jié)構面的閉合為主轉(zhuǎn)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(jié)構面的變形與強度性質(zhì),結(jié)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(jié)構面的類型及壁巖性質(zhì)無關 。結(jié)構面的最大閉合量始終小于結(jié)構面的張開度（ｅ）。這是因為結(jié)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(jié)構面的初始法向剛度是一個與結(jié)構面在地質(zhì)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(jié)構面的變形與強度性質(zhì),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(jié)構面,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),2) Bardis方程,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),2) Bardis方程,,適合于未經(jīng)滑錯位移的嵌合結(jié)構面(如層面)的法向變形,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),法向剛度Ｋn（normal stiffness）是指在法向應力作用下，結(jié)構面產(chǎn)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(nèi)變形試驗,現(xiàn)場變形試驗,本構方程和經(jīng)驗估算,,,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),現(xiàn)場變形試驗——中心孔承壓板法,,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),經(jīng)驗估算——由Bandis方程估算,,,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),Bandis經(jīng)驗方程求Kni，Vm,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),壁巖強度JCS,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),幾種結(jié)構面的抗剪參數(shù)表,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),巖體結(jié)

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

9、是反映結(jié)構面剪切變形性質(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(nèi)試驗 現(xiàn)場試驗經(jīng)驗估算法（Barton方程）,,,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),§5.3 結(jié)構面的強度性質(zhì),結(jié)構面強度分為抗拉強度和抗剪強度。結(jié)構面的抗拉強度非常小，?？珊雎圆挥?，所以一般認為結(jié)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(jié)構面的滑動破

10、壞。在巖體力學中，重點研究結(jié)構面的抗剪強度。,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),一、平直無充填的結(jié)構面二、粗糙起伏無充填的結(jié)構面三、非貫通斷續(xù)的結(jié)構面四、具有充填物的軟弱結(jié)構面,一、平直無充填的結(jié)構面,平直無充填的結(jié)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(jié)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(jié)構面的變形與強度性質(zhì),第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),二、粗糙起伏無充填的結(jié)構面,剪切特點：① 當σ較小時，上盤巖塊上下運動，產(chǎn)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(jié)構面的變形與強度性質(zhì),1、規(guī)則鋸齒形結(jié)構面 1）σ較小，剪脹作用,,,Patton公式,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),2）σ較大，啃斷效

12、用,上式為法向應力σ≥σt時，結(jié)構面的抗剪強度。剪斷凸起的條件為：,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),2、不規(guī)則起伏結(jié)構面,自然界巖體中絕大多數(shù)結(jié)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(jié)構面的變形與強度性質(zhì),巴頓（Ｂarton，1973）對８種不同粗糙起伏的結(jié)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(jié)構面的變形與強度性質(zhì),Barton 方程：,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),大量的試驗資料表明，一般結(jié)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(jié)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(jié)構面的變形與強度性質(zhì),第五章 結(jié)構面的變形與強度性

14、質(zhì),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(jié)構面,假設沿整個剪切面上的應力分布是均勻的，結(jié)構面的線連續(xù)性系數(shù)為Ｋ1,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),,第五章 結(jié)構面的變形與強度性質(zhì),四、具有充填物的軟弱