1、岩体力学性质岩体力学性质岩体结构岩体结构o 1 岩体结构岩体结构o 2 结构面类型结构面类型o 3 结构面分级及其特性结构面分级及其特性o 4 岩体结构类型岩体结构类型上次课内容上次课内容:3.2 3.2 结构面的力学性质结构面的力学性质 为什么为什么要研究要研究结构面结构面的力学的力学性质？性质？1 1 引起工程岩体失稳破坏引起工程岩体失稳破坏（意大利（意大利 瓦依昂瓦依昂 水库水库 库岸滑坡）库岸滑坡）（中国（中国 拓溪拓溪 水库水库 库岸滑坡）库岸滑坡）2 2 控制岩体变形控制岩体变形3 3 控制地下水渗透控制地下水渗透4 4 影响岩体中应力分布影响岩体中应力分布o 1结构面法向变形与刚
2、度结构面法向变形与刚度o 2结构面切向变形与刚度结构面切向变形与刚度o 3结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度法向变形法向变形l一、结构面的法向变形：一、结构面的法向变形：在法向载荷作用下，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；法向变形之间呈现指数关系；1、Goodman（1974）提出的法向应力与结构面）提出的法向应力与结构面闭合量的关系：闭合量的关系：nnnsmax 为原位压力；为原位压力；max为最大的可能闭和量；为最大的可能闭
3、和量；s和和t为参数为参数t法向刚度法向刚度Kn:Kn:单位法向变形的单位法向变形的法向应力的梯度法向应力的梯度.（Goodman,1974Goodman,1974）式中式中K Kn0n0：结构面的初始刚度：结构面的初始刚度20max00maxnnnnnKKKK2 2、班迪斯班迪斯（Bandis,1984Bandis,1984）:通过大量的通过大量的天然的天然的,不不同风化程度同风化程度和和表面粗糙度表面粗糙度的的非充填结构面非充填结构面实验研实验研究究.双曲线型法向应力与法向变形的关系双曲线型法向应力与法向变形的关系.式中：式中：a a、b b为常数为常数 nnnba法向变形法向变形21()
4、nnnnKab3.3.法向变形的特征法向变形的特征曲线形状，先凹，后陡；可由曲线形状，先凹，后陡；可由初始法向刚度初始法向刚度和和最大闭合量最大闭合量确定确定初始阶段，结构面变形为主，当初始阶段，结构面变形为主，当n n=c c/3/3时结构面变形基本完成时结构面变形基本完成最大闭合量最大闭合量小于小于张开度。张开度。剪切变形剪切变形)1.1.两种类型两种类型A.A.粗糙结构面粗糙结构面（无充填物），（无充填物），剪应力上升较快，当剪应剪应力上升较快，当剪应力达到峰值后抗剪能力下力达到峰值后抗剪能力下降较大，并产生不规则的降较大，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象。峰后变形或滞滑现象。B B.平
5、坦结构面平坦结构面（有充填物），（有充填物），初始阶段剪切变形曲线斜初始阶段剪切变形曲线斜率逐渐减小，曲线没有明率逐渐减小，曲线没有明显的峰值出现，最后恒定显的峰值出现，最后恒定二、结构面的剪切变形：二、结构面的剪切变形：在法向应力作用下，在法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形。结构面在剪切作用下产生切向变形。剪切刚度：剪切刚度：19741974年年GoodmanGoodman提出提出：式中：式中：K Kt0t0初始剪切刚度初始剪切刚度 s s产生较大剪切位移时的剪应力渐近值产生较大剪切位移时的剪应力渐近值 ttK01ttsKK剪切变形剪切变形)2.2.剪切变形曲线剪切变形曲线 从形
6、式上可划分为从形式上可划分为:弹性区、弹性区、剪应力峰值区和塑性区。在结构面剪切过程中，剪应力峰值区和塑性区。在结构面剪切过程中，伴随有微凸体的变形、劈裂、结构面间的相互伴随有微凸体的变形、劈裂、结构面间的相互错动，变形有时是不可恢复的。错动，变形有时是不可恢复的。3.2 3.2 结构面的力学性质结构面的力学性质（剪切变形）（剪切变形）3.3.剪切变形特征剪切变形特征两种类型：两种类型：a.a.坚硬、无充填物坚硬、无充填物脆性变形脆性变形 有明显的峰值、应力降有明显的峰值、应力降b.b.软弱、有充填物软弱、有充填物塑性变形塑性变形 无明显的峰值、应力降无明显的峰值、应力降风化结构面，峰值位移变
7、大、风化结构面，峰值位移变大、剪切刚度变小剪切刚度变小随法向应力减小、剪切规模增随法向应力减小、剪切规模增大，剪切刚度减小大，剪切刚度减小剪切变形剪切变形)4.4.剪胀剪胀:剪切过程中产生的法向移动分量剪切过程中产生的法向移动分量.岩石强度高，凸台角岩石强度高，凸台角i i小，法向力小，法向力N N小，发生剪胀现象小，发生剪胀现象(b)(b)岩石强度低，岩石强度低，凸台凸台角角i i大，法向力大，法向力N N大，发生剪断现象大，发生剪断现象(c)(c)三三.结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度(库仑准则库仑准则)结构面结构面剪切强度抗剪强度抗剪强度)tannc ,c是结构面的粘结力和摩擦角。是结构
8、面的粘结力和摩擦角。抗剪强度抗剪强度)n n 结构面的抗剪强度结构面的抗剪强度C,:C,:结构面结构面上的粘结力和上的粘结力和 摩擦角摩擦角 n:n:结构面上的法向应力结构面上的法向应力 =b+i b+i b b:岩石平坦表面摩擦角岩石平坦表面摩擦角 i:i:结构面上的凸台斜坡角结构面上的凸台斜坡角 tannc bnnJCSJRClgtanJCS为结构面抗压强度JRC为结构面粗糙系数JRCJRC在在0-200-20间变化间变化:平坦近平滑结构面为平坦近平滑结构面为5;5;平坦起伏结构面为平坦起伏结构面为10;10;粗糙起伏结构面为粗糙起伏结构面为20;20;抗剪强度公式抗剪强度公式(Barto
9、n)考虑了考虑了:法向力法向力（n n）、粗糙度、粗糙度（JRCJRC）、结构面强度（）、结构面强度（JCSJCS）四、结构面力学性质的尺寸效应四、结构面力学性质的尺寸效应1 1、随着试块面积增加，、随着试块面积增加，平均峰值剪应力平均峰值剪应力呈减小趋势，呈减小趋势，平均摩擦角下降；平均摩擦角下降；2 2、随着结构面面积增大，峰值强度时的、随着结构面面积增大，峰值强度时的位移量增大位移量增大；3 3、随着尺度增加，剪切破坏由、随着尺度增加，剪切破坏由脆性向延性脆性向延性转化；转化；4 4、尺寸加大，、尺寸加大，峰值剪胀角峰值剪胀角减小；减小；5 5、随结构面粗糙度减小，、随结构面粗糙度减小，
10、尺寸效应减小。尺寸效应减小。五、充填物对结构面力学性质影响五、充填物对结构面力学性质影响1 1、随夹层、随夹层厚度厚度增大，强度迅速降低；增大，强度迅速降低；2 2、随夹层、随夹层颗粒颗粒增大，强度增大，但超过增大，强度增大，但超过30mm30mm以后变化以后变化不大；不大；3 3、随、随含水量含水量增加，使粘结力和摩擦力下降，强度下降增加，使粘结力和摩擦力下降，强度下降4 4、泥化夹层泥化夹层的影响，时效性，恒定荷载下产生蠕变。的影响，时效性，恒定荷载下产生蠕变。3.3 3.3 岩体的变形特征岩体的变形特征o1 1岩体受压变形性质岩体受压变形性质o2 2岩体受剪变形性质岩体受剪变形性质o3
11、3岩体各向异性特征岩体各向异性特征一、岩体的单轴和三轴压缩下变形特征一、岩体的单轴和三轴压缩下变形特征（1 1）岩体应力应变全过程曲线）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，呈在加载过程，结构面压密与闭合，应力应变曲线，呈上凹型。上凹型。中途卸载有中途卸载有弹性后效弹性后效现象和不可恢复现象和不可恢复残余变形残余变形。这是结构面闭合、。这是结构面闭合、滑移、错动造成的。滑移、错动造成的。完全卸载，再加载形成形完全卸载，再加载形成形 式上的式上的“开环型开环型”曲线，这曲线，这 也是弹性后效造成的。也是弹性后效造成的。峰值强度后，岩体开始破峰值强度后，岩体开始破 坏
12、，坏，应力下降较缓慢，仍应力下降较缓慢，仍有残余应力，有残余应力，这是这是岩体结构效应岩体结构效应。3.3 3.3 岩体的变形特征岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变（单轴和三轴压缩变形特征）形特征）（2 2）卸载时荷载不降至零时的应力应变曲线）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卸荷不降至零时的循环加载应力应变曲线呈“闭环型闭环型”。随着外荷加大、循环次数增多，随着外荷加大、循环次数增多，闭环后移闭环后移，这是结构面逐，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。级被压密与啮合，这是结构面逐级被压密与啮合所致。闭环逐渐变窄闭环逐渐变窄演变呈一条
13、线，演变呈一条线，这是压密程度越来越高，这是压密程度越来越高，弹性弹性 后效变小后效变小的原因。的原因。当卸荷至零持续一定时间后，当卸荷至零持续一定时间后，有较大回弹变形，这是有较大回弹变形，这是弹性后效。弹性后效。3.3 3.3 岩体的变形特征岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形（单轴和三轴压缩变形特征）特征）abE3.3 3.3 岩体的变形特征岩体的变形特征（单轴和三轴压缩变形特征）（单轴和三轴压缩变形特征）0二、二、岩体剪切变形特征岩体剪切变形特征在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，上凹型上凹型。屈服点后，屈服点后，某个结构面或结构体首先剪坏某个结构面或
14、结构体首先剪坏，随之出现一，随之出现一次应力下降。峰值前可能发现次应力下降。峰值前可能发现多次应力升降多次应力升降。升降程。升降程度与结构面或结构体强度有关，岩体越破碎，应力降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。反而不明显。当应力增加到一定应力水平时，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没剪破的部位以瞬间破坏方式出 现，并现，并伴有一次大的应力降。伴有一次大的应力降。随后产生随后产生稳定滑移稳定滑移3.3 3.3 岩体的变形特征岩体的变形特征（剪切变形特征）（剪切变形特征）l有关的工程问题：边坡
15、滑坡、坝基底部滑移等；有关的工程问题：边坡滑坡、坝基底部滑移等；三、三、岩体各向异性变形特征岩体各向异性变形特征 试件模型：试件模型：12mmX12mmX36mm12mmX12mmX36mm的块的块体单元体单元 分离度分离度x xx x1 1表示贯通，表示贯通，x x 0 0为完整试为完整试件，件，x x为分离度为分离度岩体力学性质具有岩体力学性质具有各向异性各向异性，变形、破坏机制、强度特征变形、破坏机制、强度特征不同。不同。工程布置要考虑如何工程布置要考虑如何扬长避短扬长避短，充分发挥岩体自身强度，维充分发挥岩体自身强度，维持工程稳定性。持工程稳定性。3.3 3.3 岩体的变形特征岩体的变
16、形特征（各向异性变形特征）（各向异性变形特征）l岩体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当结构面与最小主应力X X方向的夹角为：方向的夹角为：1.1.1515和和75 75 时：脆性破坏时：脆性破坏60 60，45 45 和和60 60 时，出现短暂弹性，变形模时，出现短暂弹性，变形模量降低，出现延性破坏；量降低，出现延性破坏；围压升高，变形模量增大；围压升高，变形模量增大；破坏形式随着角度变化；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；度的影响不大，但是其它情况下的
17、影响较大；岩体的水力学性质岩体的水力学性质渗流的特点：渗流的特点：n取决于岩体结构面和岩块的性质；取决于岩体结构面和岩块的性质；n岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和岩石孔隙水为特色；岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和岩石孔隙水为特色；n岩体的裂隙网络渗流具有定向性；岩体的裂隙网络渗流具有定向性；n岩体一般可以看成非连续介质（对于密集裂隙可以看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）成等校连续介质）n岩体的渗流具有非均质性和各项异性；岩体的渗流具有非均质性和各项异性；n一般符合达西定律；一般符合达西定律；n受到应力场的影响显著；受到应力场的影响显著；n在裂隙交叉处具有在裂隙交叉处具有“偏流效应偏流效应”，偏向宽大裂隙的一，偏向宽大裂隙的一侧；侧；结束语结束语
