巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)、變形性質(zhì)

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1、巖石力學(xué)與工程ROCKMECHANICSANDENGINEERING結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)性質(zhì)——巖體結(jié)構(gòu)1巖體結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)面類型3結(jié)構(gòu)面分級及其特性4巖體結(jié)構(gòu)類型上次課內(nèi)容:3.2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)為什么要研究結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)？1引起工程巖體失穩(wěn)破壞（意大利瓦依昂水庫庫岸滑坡）（中國拓溪水庫庫岸滑坡）2控制巖體變形3控制地下水滲透4影響巖體中應(yīng)力分布1結(jié)構(gòu)面法向變形與剛度2結(jié)構(gòu)面切向變形與剛度3結(jié)構(gòu)面的抗剪強度3.2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)3.2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)(法向變形)一、結(jié)構(gòu)面的法向變形：在法向載荷作用下，巖石粗糙結(jié)構(gòu)面的接觸面積和接觸點數(shù)隨著載荷的增加而增

2、加，結(jié)構(gòu)面的間隙減小，應(yīng)力與法向變形之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系；1、Goodman（1974）提出的法向應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面閉合量的關(guān)系：ξ為原位壓力；δmax為最大的可能閉和量；s和t為參數(shù)t法向剛度Kn:單位法向變形的法向應(yīng)力的梯度.（Goodman,1974）式中Kn0：結(jié)構(gòu)面的初始剛度3.2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)2、班迪斯（Bandis,1984）:通過大量的天然的,不同風(fēng)化程度和表面粗糙度的非充填結(jié)構(gòu)面實驗研究.雙曲線型法向應(yīng)力與法向變形的關(guān)系.式中：a、b為常數(shù)3.2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)(法向變形)3.法向變形的特征①曲線形狀，先凹，后陡；可由初始法向剛度和最大閉合量確定

3、②初始階段，結(jié)構(gòu)面變形為主，當(dāng)σn=σc/3時結(jié)構(gòu)面變形基本完成③最大閉合量小于張開度。3.2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)3.2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)(剪切變形)1.兩種類型A.粗糙結(jié)構(gòu)面（無充填物），剪應(yīng)力上升較快，當(dāng)剪應(yīng)力達到峰值后抗剪能力下降較大，并產(chǎn)生不規(guī)則的峰后變形或滯滑現(xiàn)象。B.平坦結(jié)構(gòu)面（有充填物），初始階段剪切變形曲線斜率逐漸減小，曲線沒有明顯的峰值出現(xiàn)，最后恒定二、結(jié)構(gòu)面的剪切變形：在法向應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面在剪切作用下產(chǎn)生切向變形。剪切剛度：1974年Goodman提出：式中：Kt0－初始剪切剛度τs－產(chǎn)生較大剪切位移時的剪應(yīng)力漸近值3.2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)

4、(剪切變形)2.剪切變形曲線從形式上可劃分為:彈性區(qū)、剪應(yīng)力峰值區(qū)和塑性區(qū)。在結(jié)構(gòu)面剪切過程中，伴隨有微凸體的變形、劈裂、結(jié)構(gòu)面間的相互錯動，變形有時是不可恢復(fù)的。3.2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)（剪切變形）3.剪切變形特征①兩種類型：a.堅硬、無充填物－脆性變形有明顯的峰值、應(yīng)力降b.軟弱、有充填物－塑性變形無明顯的峰值、應(yīng)力降②風(fēng)化結(jié)構(gòu)面，峰值位移變大、剪切剛度變?、垭S法向應(yīng)力減小、剪切規(guī)模增大，剪切剛度減小3.2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)(剪切變形)4.剪脹:剪切過程中產(chǎn)生的法向移動分量.①巖石強度高，凸臺角i小，法向力N小，發(fā)生剪脹現(xiàn)象(b)②巖石強度低，凸臺角i大，

5、法向力N大，發(fā)生剪斷現(xiàn)象(c)三.結(jié)構(gòu)面的抗剪強度(庫侖準(zhǔn)則)結(jié)構(gòu)面剪切強度3.2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)(抗剪強度)是結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)力和摩擦角。3.2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)(抗剪強度)結(jié)構(gòu)面的抗剪強度C,ф:結(jié)構(gòu)面上的粘結(jié)力和摩擦角?n:結(jié)構(gòu)面上的法向應(yīng)力ф=фb+iфb:巖石平坦表面摩擦角i:結(jié)構(gòu)面上的凸臺斜坡角JCS為結(jié)構(gòu)面抗壓強度JRC為結(jié)構(gòu)面粗糙系數(shù)JRC在0-20間變化:平坦近平滑結(jié)構(gòu)面為5;平坦起伏結(jié)構(gòu)面為10;粗糙起伏結(jié)構(gòu)面為20;抗剪強度公式(Barton)考慮了:法向力（?n）、粗糙度（JRC）、結(jié)構(gòu)面強度（JCS）四、結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的尺寸效應(yīng)1、隨著

6、試塊面積增加，平均峰值剪應(yīng)力呈減小趨勢，平均摩擦角下降；2、隨著結(jié)構(gòu)面面積增大，峰值強度時的位移量增大；3、隨著尺度增加，剪切破壞由脆性向延性轉(zhuǎn)化；4、尺寸加大，峰值剪脹角減??；5、隨結(jié)構(gòu)面粗糙度減小，尺寸效應(yīng)減小。3.2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)五、充填物對結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)影響1、隨夾層厚度增大，強度迅速降低；2、隨夾層顆粒增大，強度增大，但超過30mm以后變化不大；3、隨含水量增加，使粘結(jié)力和摩擦力下降，強度下降4、泥化夾層的影響，時效性，恒定荷載下產(chǎn)生蠕變。3.2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)3.3巖體的變形特征1巖體受壓變形性質(zhì)2巖體受剪變形性質(zhì)3巖體各向異性特征一、巖體的

7、單軸和三軸壓縮下變形特征（1）巖體應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線①在加載過程，結(jié)構(gòu)面壓密與閉合，應(yīng)力－應(yīng)變曲線，呈上凹型。②中途卸載有彈性后效現(xiàn)象和不可恢復(fù)殘余變形。這是結(jié)構(gòu)面閉合、滑移、錯動造成的。③完全卸載，再加載形成形式上的“開環(huán)型”曲線，這也是彈性后效造成的。④峰值強度后，巖體開始破壞，應(yīng)力下降較緩慢，仍有殘余應(yīng)力，這是巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)。3.3巖體的變形特征（單軸和三軸壓縮變形特征）（2）卸載時荷載不降至零時的應(yīng)力－應(yīng)變曲線①卸荷不降至零時的循環(huán)加載應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈“閉環(huán)型”。②隨著外荷加大、循環(huán)次數(shù)增多，閉環(huán)后移，這是結(jié)構(gòu)面逐級被壓密與嚙合，這是結(jié)構(gòu)面逐級被壓

8、密與嚙合所致。③閉環(huán)逐漸變窄→演變呈一條線，這是壓密程度越來越高，