岩体力学性质-结构面力学性质

3.1概述3.2岩体结构基本类型3.3岩体结构面及其充填特征3.4结构面的力学性质3.5岩体的变形特性3.6岩体的强度特性3.7岩体的水力学性质3.8岩体质量评价及其分类第三章岩体力学性质上次课内容：主要讲了岩体结构类型、岩体结构面的类型及其形态这节课接着讲：结构面的力学性质、岩体的变形强度特征。3.4结构面的力学性质结构面力学性质主要包括三个方面：①法向变形与刚度；②剪切变形与刚度；③抗剪强度。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3.4结构面的力学性质1）（Goodman,1974）法向应力与法向变形的关系

式中：：原位压力：最大可能闭合量s，t：与结构面几何特征、岩石力学性质有关的两个参数3.4.1法向变形与法向刚度在法向荷载作用下，岩石粗糙结构面的接触面积和接触点数随荷载增大而增加，结构面间隙呈非线性减小，应力与法向变形之间呈指数关系。法向刚度Kn

（Goodman,1974）式中Kn0：结构面的初始刚度实质：每点的切线斜率3.4.1法向变形与法向刚度2）班迪斯（Bandis,1984）通过对大量的天然、不同风化程度和表面粗糙程度的非充填结构面进行试验研究，提出了双曲线型法向应力与法向变形的关系

式中：a、b为常数法向刚度kn

3.4.1法向变形与法向刚度1)剪切变形两种类型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。3.4.2剪切变形与剪切刚度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，最恒定。2）剪切刚度Kt剪切刚度：1974年Goodman提出：式中：Kt0－初始剪切刚度

τs－产生较大剪切位移时的剪应力渐近值剪切变形曲线从形式上可划分成“弹性区”、剪应力峰值区和“塑性区”。通过将弹性区单位变形的应力梯度称为剪切刚度Kt。3.4.2剪切变形与剪切刚度3）剪切变形方程1975，卡尔哈维（Kalhaway)提出：式中：m=1/k0,k0:初始剪切刚度;n=1/τ0,τ0－产生较大剪切位移时的剪应力渐近值

4）剪切变形特征①两种类型：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②风化结构面，峰值位移变大、剪切刚度变小③随法向应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小3.4.2剪切变形与剪切刚度①岩石强度↑，爬坡角i↓，法向力N↓，发生剪胀现象(b)②岩石强度↓，爬坡角i↑，法向力N↑，发生剪断现象(c)结构面的剪切变形与岩石强度、结构面粗糙性和法向力有关。4）剪胀现象与剪断现象3.4.2剪切变形与剪切刚度3.4.3结构面的抗剪强度C,ф:结构面上的粘结力和摩擦角n:

结构面上的法向应力ф=фb+i;фb:岩石平坦表面摩擦角;i:结构面上的凹台斜坡角;结构面剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗剪强度的因素是多方面的，一般可用库仑准则表述：3.4.3结构面的抗剪强度低法向应力时的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法向应力时，凸台剪断，结构面的抗剪强度最终变成残余抗剪强度。凸台起伏形成的粗糙度和岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。Barton和Choubey(1977)提出结构面的抗剪强度公式：式中，JCS是结构面的抗压强度，φb是岩石表面的基本摩擦角，JRC为结构面粗糙性系数。3.4.3结构面的抗剪强度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;3.4.3结构面的抗剪强度结构面力学性质具有尺寸效应：随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度时的位移量增大；由于尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化；尺寸加大，峰值剪胀角减小；随结构面粗糙度减小，尺寸效应也减小。另外，夹层的厚度、矿物颗粒的大小、含水量等影响。软弱夹层的存在表现出时效性，应注意事项本长期极限强度的变化和预测，保证岩体长期稳定性。岩体的单轴和三轴压缩变形特征开始阶段有上凹形；中途卸载回弹变形有滞后现象，有残余变形；随着外载荷的增加，残余变形量的增长速度变小，累积残余变形增大；岩体内的结构面数量越多，岩体更破碎，岩体弹性越差，回弹变形能力弱；岩体的破坏呈现出柔性特征，应力下降比较缓慢；由于岩体的结构效应，破坏后保留一定的残余强度3.5岩体的变形特性岩体的变形模量卸载时变形过程出现闭环形式，随着外载荷的增加，闭环向后移动；（结构面被压密，滞后变形变小）最后闭环曲线变成一条线（岩体的结构效应消失）；外载荷卸到零时，弹性变形恢复，释放弹性能；3.5岩体的变形特性岩体的剪切变形有关的工程问题：边坡滑坡、坝基底部滑移等；表现为沿着结构面的滑移，沿着薄弱部位剪切破坏；3.5岩体的变形特性①在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，上凹型。②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。③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。④随后产生稳定滑移岩体各向异性变形特征构成岩体各向异性的两个基本要素：物质成分和物质结构的方向性；节理、结构面和层面的方向性；3.5岩体的变形特性右图是说明节理方向对岩体强度和变形模量影响的试验模型。为模拟节理贯通的不同程度，块休单元之间没有完全分离，x=1表示贯通，x=0为完整试件。当结构面与X方向的夹角为：15°和75°时：脆性破坏；60°，45°和30°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；3.5岩体的变形特性强度变形模量3.6岩体的强度特性岩体强度有抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。但对于裂隙岩体来说，其抗拉强度很小，加上岩体抗拉强度测试技术难度大。所以目前对岩体抗拉强度研究很少，本节主要讨论岩体的抗压强度和抗剪强度。岩体的强度不同于岩块的强度，也不同于结构面的强度，它介于二者之间，一方面受岩石材料性质的影响，另一方面受结构面特征（数量、方向、间距、性质等）和赋存条件（地应力、水、温度等）的控制。（1）岩体单轴抗压强度测定（2）岩体抗剪强度测定P、T分别为垂直及斜向千斤顶施加荷载；F为试体受剪截面。3.6.1岩体强度的测定（现场原位试验）（3）岩体三轴压缩试验

等围压真三轴试验对于多节理岩体影响较大

3.6.1岩体强度的测定（现场原位试验）(1)单节理的力学效应设结构面的强度条件:设节理的方向角为:节理面上的应力(图）

3.6.2结构面的力学效应结构面应力状态：强度条件：3.6.2结构面的力学效应应力带入强度准则，经整理可得：令则①当（节理的存在不影响岩体的强度）②当可见③对求一阶导数，并令其为零得

此时节理面对岩体的强度削弱最大，岩体有最小强度

3.6.2结构面的力学效应④对岩体强度有影响的节理方位角：

直接在图量取，也可以由正弦定律推出：3.6.2结构面的力学效应⑤几点讨论

岩石节理同时破坏，岩体强度等于岩块强度岩块先破坏，岩体强度等于岩块强度节理先破坏，岩体强度小于岩块强度或3.6.2结构面的力学效应

或利用用弹性波来查明岩体内的节理、裂隙的分布情况。弹性波穿过岩体时，遇到裂隙便发生绕射或吸少，导致传播速度降低。裂隙越多，波速降低越大，小尺寸试件含裂隙少，波速大。准岩体强度3.6.3岩体强度估算岩体强度是岩体工程设计的重要参数，而做原位试验又十分费时、费钱，难以大量进行，一般根据地质资料及室内试验资料进行估算，常用的有两种方法。3.6.3岩体强度估算根据弹性波在岩石试块和岩体中的传播速度比，可以判断岩体中裂隙发育程度，其平方定义为完整性系数：Hoek-Brown经验强度准则其中:m,s为与岩体结构有关的参数3.6.3岩体强度估算Hoek曾指出，