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1、,结构面的力学性质,岩体力学性质岩体结构,1 岩体结构2 结构面类型3 结构面分级及其特性4 岩体结构类型,上次课内容:,3.2 结构面的力学性质,为什么要研究结构面的力学性质？,1 引起工程岩体失稳破坏（意大利 瓦依昂 水库 库岸滑坡）（中国 拓溪 水库 库岸滑坡）2 控制岩体变形3 控制地下水渗透4 影响岩体中应力分布,1结构面法向变形与刚度2结构面切向变形与刚度3结构面的抗剪强度,3.2 结构面的力学性质,3.2 结构面的力学性质(法向变形),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面积和接触点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；
2、1、Goodman（1974）提出的法向应力与结构面闭合量的关系：,为原位压力；max为最大的可能闭和量；s和t为参数,t,法向刚度Kn:单位法向变形的法向应力的梯度.（Goodman,1974）式中Kn0：结构面的初始刚度,3.2 结构面的力学性质,2、班迪斯（Bandis,1984）:通过大量的天然的,不同风化程度和表面粗糙度的非充填结构面实验研究.双曲线型法向应力与法向变形的关系.式中：a、b为常数,3.2 结构面的力学性质(法向变形),3.法向变形的特征曲线形状，先凹，后陡；可由初始法向刚度和最大闭合量确定初始阶段，结构面变形为主，当n=c/3时结构面变形基本完成最大闭合量小于张开度。
3、,3.2 结构面的力学性质,3.2 结构面的力学性质(剪切变形),1.两种类型A.粗糙结构面（无充填物），剪应力上升较快，当剪应力达到峰值后抗剪能力下降较大，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象。B.平坦结构面（有充填物），初始阶段剪切变形曲线斜率逐渐减小，曲线没有明显的峰值出现，最后恒定,二、结构面的剪切变形：在法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形。,剪切刚度：1974年Goodman提出：式中：Kt0初始剪切刚度 s产生较大剪切位移时的剪应力渐近值,3.2 结构面的力学性质(剪切变形),2.剪切变形曲线 从形式上可划分为:弹性区、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
4、的变形、劈裂、结构面间的相互错动，变形有时是不可恢复的。,3.2 结构面的力学性质（剪切变形）,3.剪切变形特征两种类型：a.坚硬、无充填物脆性变形 有明显的峰值、应力降b.软弱、有充填物塑性变形 无明显的峰值、应力降风化结构面，峰值位移变大、剪切刚度变小随法向应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小,3.2 结构面的力学性质(剪切变形),4.剪胀:剪切过程中产生的法向移动分量.,岩石强度高，凸台角i小，法向力N小，发生剪胀现象(b)岩石强度低，凸台角i大，法向力N大，发生剪断现象(c),三.结构面的抗剪强度(库仑准则)结构面剪切强度,3.2 结构面的力学性质(抗剪强度),是结构面的粘结力和摩擦角
5、。,3.2 结构面的力学性质(抗剪强度),结构面的抗剪强度,C,:结构面上的粘结力和 摩擦角n:结构面上的法向应力=b+i b:岩石平坦表面摩擦角 i:结构面上的凸台斜坡角,JCS为结构面抗压强度JRC为结构面粗糙系数,JRC在0-20间变化:平坦近平滑结构面为5;平坦起伏结构面为10;粗糙起伏结构面为20;,抗剪强度公式(Barton),考虑了:法向力（n）、粗糙度（JRC）、结构面强度（JCS）,四、结构面力学性质的尺寸效应1、随着试块面积增加，平均峰值剪应力呈减小趋势，平均摩擦角下降；2、随着结构面面积增大，峰值强度时的位移量增大；3、随着尺度增加，剪切破坏由脆性向延性转化；4、尺寸加大
6、，峰值剪胀角减小；5、随结构面粗糙度减小，尺寸效应减小。,3.2 结构面的力学性质,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；2、随夹层颗粒增大，强度增大，但超过30mm以后变化不大；3、随含水量增加，使粘结力和摩擦力下降，强度下降4、泥化夹层的影响，时效性，恒定荷载下产生蠕变。,3.2 结构面的力学性质,3.3 岩体的变形特征,1岩体受压变形性质2岩体受剪变形性质3岩体各向异性特征,一、岩体的单轴和三轴压缩下变形特征（1）岩体应力应变全过程曲线 在加载过程，结构面压密与闭合，应力应变曲线，呈上凹型。中途卸载有弹性后效现象和不可恢复残余变形。这是结构面闭合、滑移、错动造成
7、的。完全卸载，再加载形成形 式上的“开环型”曲线，这 也是弹性后效造成的。峰值强度后，岩体开始破 坏，应力下降较缓慢，仍有残余应力，这是岩体结构效应。,3.3 岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特征）,（2）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“闭环型”。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啮合所致。闭环逐渐变窄演变呈一条线，这是压密程度越来越高，弹性 后效变小的原因。当卸荷至零持续一定时间后，有较大回弹变形，这是弹性后效。,3.3 岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特征）,岩体的变形模量 可以从室内应力应
8、变关系、岩体变形机理、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：式中 应力;a 岩体永久（残余）变形的应变 b 岩体弹性变形应变;,3.3 岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特征）,0,二、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。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，应力降反而不明显。当应力增加到一定应力水平时，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 现，并伴有一次大的应力降。随后产生稳定滑移,3.3 岩体的变形特征（剪切变形特征）,有关的工程问
9、题：边坡滑坡、坝基底部滑移等；,三、岩体各向异性变形特征 试件模型：12mmX12mmX36mm的块体单元 分离度xx1表示贯通，x 0为完整试件，x为分离度岩体力学性质具有各向异性，变形、破坏机制、强度特征不同。工程布置要考虑如何扬长避短，充分发挥岩体自身强度，维持工程稳定性。,3.3 岩体的变形特征（各向异性变形特征）,岩体各向异性变形特征,当结构面与最小主应力X方向的夹角为：15和75 时：脆性破坏60，45 和60 时，出现短暂弹性，变形模量降低，出现延性破坏；围压升高，变形模量增大；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影响不大，但是其它情况下的影响较大；,岩体的水力学性质,渗流的特点：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连续介质）岩体的渗流具有非均质性和各项异性；一般符合达西定律；受到应力场的影响显著；在裂隙交叉处具有“偏流效应”，偏向宽大裂隙的一侧；,结束语,
