1、2.4 结构面的力学性质岩石力学岩石力学结构面的力学性质主要包括三个方面：结构面的力学性质主要包括三个方面：1 1、法向压缩变形；、法向压缩变形；2 2、切向剪切变形；、切向剪切变形；3 3、抗剪强度。、抗剪强度。岩石力学岩石力学一、法向变形一、法向变形在法向荷载作用在法向荷载作用下，岩石粗糙结构下，岩石粗糙结构面的接触面积和接面的接触面积和接触点数随荷载增大触点数随荷载增大而增加，结构面间而增加，结构面间隙呈非线性减小，隙呈非线性减小，应力与法向变形之应力与法向变形之间呈指数关系。间呈指数关系。岩石力学岩石力学一、法向变形一、法向变形Goodman(1974)Goodman(1974)通过试
2、验，得出法向应力通过试验，得出法向应力nn与结构面闭合量与结构面闭合量nn有如下关系：有如下关系：max()tnnns式中，式中，称为原位压力，由测量结构面称为原位压力，由测量结构面法向变形的初始条件决定；法向变形的初始条件决定；maxmax是最大可是最大可能闭合量；能闭合量；s s、t t是与结构面几何待征、岩是与结构面几何待征、岩石力学性质有关的两个参数。石力学性质有关的两个参数。岩石力学岩石力学一、法向变形一、法向变形 法向变形刚度法向变形刚度KnKn，反映，反映结构面产生单位法向变形结构面产生单位法向变形的法向应力梯度，它不仅的法向应力梯度，它不仅取决于岩石本身的力学性取决于岩石本身的
3、力学性质，更主要取决于粗糙结质，更主要取决于粗糙结构面接触点数、接触面积构面接触点数、接触面积和结构面两侧微凸体相互和结构面两侧微凸体相互啮合程度。通常情况下，啮合程度。通常情况下，法向变形刚度不是一个常法向变形刚度不是一个常数数, ,与应力水平有关。与应力水平有关。岩石力学岩石力学一、法向变形一、法向变形Goodman(1974)Goodman(1974)的研究结果：的研究结果：20max00max()nnnnnKKKK式中：式中：K Kn0n0为结构面初始刚度。为结构面初始刚度。岩石力学岩石力学一、法向变形一、法向变形BandisBandis等人等人(1984)(1984)通过对大量的天然
4、、不同通过对大量的天然、不同风化程度和表面粗糙程度的非充填结构面的风化程度和表面粗糙程度的非充填结构面的试验研究，提出双曲线型关系式：试验研究，提出双曲线型关系式：2200max1()(1)nnnnnnnnnnnabKabKK岩石力学岩石力学一、法向变形一、法向变形式中：式中：JCSJCS为单轴抗压强度；为单轴抗压强度；JRCJRC为结构面为结构面的粗糙系数；的粗糙系数；A A、B B、C C、D D为常数，取决于结为常数，取决于结构面的受载历史。构面的受载历史。00max00.02()1.750.7()()nnDnJCSKJRCJCSAB JRCC岩石力学岩石力学二、剪切变形二、剪切变形 1
5、 1、对、对非充填粗糙结构非充填粗糙结构面面，随剪切变形发生，剪，随剪切变形发生，剪切应力相对上升较快，当切应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构达到剪应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后降，并产生不规则的峰后变形变形( (曲线曲线A)A)或滞滑现象或滞滑现象. .在一定的法向应力作用下，结构面在剪切作在一定的法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形。通常有两种基本形式：用下产生切向变形。通常有两种基本形式：岩石力学岩石力学2 2、对于、对于平坦平坦( (或有充或有充填物填物) )的结构面的结构面，初始阶，初始阶段的剪切变形曲线呈现段的剪
6、切变形曲线呈现下凹型，随着剪切变形下凹型，随着剪切变形的持续发展，剪切应力的持续发展，剪切应力逐渐升高但没有明显的逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达恒定峰值出现，最终达恒定值，有时也出现剪切硬值，有时也出现剪切硬化化( (曲线曲线B B）。）。二、剪切变形二、剪切变形岩石力学岩石力学 剪切变形曲线从形式上可划分成剪切变形曲线从形式上可划分成弹性区弹性区 ( (峰前应力上升区峰前应力上升区) )、剪应力峰值区和塑性区剪应力峰值区和塑性区 ( (峰后应力降低区或恒应力区峰后应力降低区或恒应力区)(Goodman)(Goodman，1974)1974)。在结构面剪切过程中，伴随有微凸体的弹在结构面
7、剪切过程中，伴随有微凸体的弹性变形、劈裂、磨粒的产生与迁移、结构面性变形、劈裂、磨粒的产生与迁移、结构面的相对错动等多种力学过程。因此，剪切变的相对错动等多种力学过程。因此，剪切变形一般是不可恢复的，即便在形一般是不可恢复的，即便在“弹性区弹性区”，剪切变形也不可能完全恢复。剪切变形也不可能完全恢复。二、剪切变形二、剪切变形岩石力学岩石力学二、剪切变形二、剪切变形 剪切刚度剪切刚度K Kt t: :通常将弹性区内单位变形的应通常将弹性区内单位变形的应力梯度称为剪切刚度。力梯度称为剪切刚度。根据根据Goodman(1974) Goodman(1974) 研究结果研究结果式中，式中，K Kt0t0
8、是初始剪切刚度，是初始剪切刚度，ss是产生较大剪是产生较大剪切位移时的剪应力渐近值。试验结果表明，较切位移时的剪应力渐近值。试验结果表明，较坚硬的结构面，剪切刚度一般是常数；松软结坚硬的结构面，剪切刚度一般是常数；松软结构面，剪切刚度随法向应力的大小而改变。构面，剪切刚度随法向应力的大小而改变。0(1)tttsKK岩石力学岩石力学二、剪切变形二、剪切变形结构面简化分析模型结构面简化分析模型岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度1 1、库仑准则、库仑准则结构面最重要的力学性质之一是抗剪强度，结构面最重要的力学性质之一是抗剪强度，从结构面的变形分析可以看出，结构面在剪切从结构面的变形分析可以看出
9、，结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗剪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，大量试验结果表明，强度的因素是多方面的，大量试验结果表明，结构面抗剪强度一般可以用库仑准则表述：结构面抗剪强度一般可以用库仑准则表述：()nnbCtgCtgi岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度凸台模型的抗强度曲线凸台模型的抗强度曲线岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度2 2、巴顿（、巴顿（Barton)Barton)模型：模型：试验表明，低法向应力时的剪切，结构面有试验表明，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，剪切位移和剪胀；高法向应力时
10、，凸台剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。度对结构面的抗剪强度起着重要作用。BartonBarton经试验研究提出了考虑三个基本因经试验研究提出了考虑三个基本因素素( (法向力法向力nn、粗糙度、粗糙度JRCJRC、结构面强度、结构面强度JCSJCS) )的结构面抗剪强度公式。的结构面抗剪强度公式。岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度式中，式中，JCSJCS是结构面的抗压强度，是结构面的抗压强度，bb是岩石是岩石表面的基本摩擦角
11、，表面的基本摩擦角，JRCJRC为结构面粗糙性系为结构面粗糙性系数，根据数，根据1010种典型剖面对比确定，目前可根种典型剖面对比确定，目前可根据分形几何理论定量确定。据分形几何理论定量确定。g()nbnJCStg JRCl岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度JRCJRC值根据结构值根据结构面的粗糙性在面的粗糙性在0 02020间变化，间变化，平坦近平滑结平坦近平滑结构面为构面为5 5，平坦，平坦起伏结构面为起伏结构面为1010。粗糙起伏。粗糙起伏结构面为结构面为2020岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度3 3、结构面力学性质的尺寸效应、结构面力学性质的尺寸效应BartonBarto
12、n等等(1982)(1982)用不同尺寸的结构面的试验用不同尺寸的结构面的试验结果表明，当结构面的试块长度从结果表明，当结构面的试块长度从5 56cm6cm增加增加到到363640cm40cm时，平均峰值摩擦角降低时，平均峰值摩擦角降低8 81212。随试块面积增加，平均峰值剪切应力呈减少趋随试块面积增加，平均峰值剪切应力呈减少趋势。尺寸效应还体现在以下几个方面：随结势。尺寸效应还体现在以下几个方面：随结构面尺寸增大，达到峰值强度时的位移量增大构面尺寸增大，达到峰值强度时的位移量增大由于尺寸增加，剪切破坏形式由脆性破坏向由于尺寸增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性转化；随尺寸加大，峰值剪胀角减小
13、；延性转化；随尺寸加大，峰值剪胀角减小；随结构面粗糙度减小，尺寸效应也在减小。随结构面粗糙度减小，尺寸效应也在减小。岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度4 4、变形历史的影响、变形历史的影响第一次进行新鲜结构面剪切试验时，试样具第一次进行新鲜结构面剪切试验时，试样具有很高的抗剪强度，沿同一方向重复进行到第有很高的抗剪强度，沿同一方向重复进行到第7 7次剪切试验时，试样还保留峰值与残余值的区次剪切试验时，试样还保留峰值与残余值的区别，当进行到第别，当进行到第1515次时，已看不出峰值与残余次时，已看不出峰值与残余值的区别，说明在重复剪切过程中结构面上凸值的区别，说明在重复剪切过程中结构面上凸
14、台被剪断、磨损，岩粒、碎屑的产生与迁移，台被剪断、磨损，岩粒、碎屑的产生与迁移，使结构面的抗剪力学行为逐渐由凸台粗糙度和使结构面的抗剪力学行为逐渐由凸台粗糙度和起伏度控制转化为由结构面上碎岩屑的力学性起伏度控制转化为由结构面上碎岩屑的力学性质所控制。质所控制。岩石力学岩石力学三、抗剪强度三、抗剪强度5 5、结构面充填物的影响、结构面充填物的影响结构面内充填物的结构面内充填物的厚度小于主力凸台高度厚度小于主力凸台高度时，结构面的抗剪性能与非充填时的力学特时，结构面的抗剪性能与非充填时的力学特性相类似；性相类似； 结构面充填结构面充填厚度大于主力凸台高度厚度大于主力凸台高度时，结时，结构面的抗剪强度取决于充填材料，充填物的构面的抗剪强度取决于充填材料，充填物的厚度、颗粒大小与级配、矿物组分和含水程厚度、颗粒大小与级配、矿物组分和含水程度都会对充填结构面的力学性质有不同程度度都会对充填结构面的力学性质有不同程度的影响。的影响。
