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1、 变形性质法向变形、剪切变形（特征、本构方程）强度性质平直无充填结构面、粗糙起伏无充填结构面、非贯通断续结构面、有充填物的软弱结构面第五章 结构面的变形与强度性质1）岩石工程实践表明，有相当一部分工程岩体的失稳破坏是沿软弱结构面破坏的。结构面的强度性质是评价岩体稳定性的关键。第一节 概述研究结构面变形和强度特性的意义如何？具有十分重要的工程实践意义2）结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组成部分，控制着工程岩体的变形特性。3）结构面是岩体中渗透水流的主要通道。工程岩体结构面的变形又将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。4）工程岩体中应力的分布受结构面及其力学性质的影响。某露天矿边坡n法
2、向应力n（MPa）法向应力n（MPa）NVrNNVt第二节 结构面的变形性质一、法向变形性质 结构面（一）法向变形特征n结构面法向加载变形特征：结构面的法向闭合变形 V jV j =Vt Vr1)加载初期,n V j 迅速,应力-变形曲线呈上凹型。当 n 某值时,n Vt 曲线变陡,并与 n Vr 曲线大致平行 结构面已基本上完全闭合,其变形主要是岩块产生变形 。这时 V j则趋于结构面最大闭合量 VmA3025 岩块2015B含嵌合结构面岩块1050302520151050（b）Vr Vt0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6法向变形V（mm）（a）B-AVm0.1 0.2 0.3
3、0.4 0.5 0.6闭合变形Vj（mm）法向应力n（MPa）法向应力n（MPa）最结构面的法向加载变形特征2)初始压缩阶段,含结构面的岩块变形主要由结构面闭合造成。试验表明,当n=1MPa 时,Vt Vr 5 30,结构面的变形占很大部分。其大小还取决于结构面的类型及其风化变质程度等因素。3)从n c 3 时起,含结构面的岩块变形由以结构面的闭合为主转为以岩块的弹性变形为主。4)结构面 n V j 曲线大致为以V j =Vm为渐近线的非线性曲线。结构面闭合曲线可用初始法向刚度及最大闭合量来确定。闭合量A3025 岩块20B含嵌合结构面岩块0201510515105030250.1 0.2 0
4、.3 0.4 0.5 0.6闭合变形Vj（mm）（b）VmVr Vt0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6法向变形V（mm）（a）B-A大法向应力n（MPa）nV结构面的法向加载变形特征5)结构面的初始法向刚度为n Vj 曲线原点处的切线斜率，即：K ni =j V j 0302520151050（b）6)结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（）。因为结构面是凹凸不平的，无论多高的法向压力，两壁面间不可能达到100的接触。试验表明，结构面两壁面一般只能达到4070左右的接触。B-AVm0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6闭合变形Vj（mm）法向应力n（MPa）结构面法向加
5、荷、卸荷变形特征：残余变形（松胀变形）。1)结构面卸荷 n V j 曲线为以V j =Vm为渐近线的非线性曲线。卸荷后有很大的该残余变形的大小主要决定于结构面的张开度(e)、粗糙度（JRC）、壁岩强度(JCS)及加、卸载循环次数等因素。2)结构面的卸荷刚度比岩块的加载刚度大。0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.140.160.18 0.20法向变形V（mm）岩块嵌合结构面AB-AVrVjBVt卸载变形特征：n循环荷载条件下结构面的 V j 曲线未风化结构面中风化结构面3)随着循环次数的增加,n V j 曲线逐渐变陡，且整体向左移。4)每次循环荷载所得的曲线形状十
6、分相似，且其特征与加荷方式及其受力历史无关。iV j n i=+1V V =V V V j m m i或（二）结构面法向变形本构方程NNVt结构面的变形本构方程指结构面的应力-结构面变形关系，其能够反映结构面的变形性质和变n结构面法向变形曲线(Goodman方程)双曲线型适用性：较适合于具有一定滑错位移的非嵌合性结构面的法向变形特征。形过程。1.古德曼(Goodman)方程结构面初始应力m j 1 n与试验曲线的比较:本曲线起点不在原点,而试验曲线起点在原点。0nVjVm n =V ja bV j 1 a n j若 n ，则V j m =Vb=a n 法向 =Kni =1a()V V j 0
7、V j 0a=2.班迪斯(Bandis等，1983)方程结构面法向变形本构方程初始 Vm研究大量试验曲线后，提出：1 n =a Vj b=bVab刚度j 1 b aVj1 1a KniVjn0双曲线型Vm结构面法向变形曲线(Bandis 方程)n=n =Vm V j结构面法向变形本构方程1K niaVma=b=VjabVjK niVm V j 结构面法向变形本构方程与试验曲线的比较:两曲线起点在原点,与试验结果较接近。适用性：较适合于未经滑错位移的嵌合（如层面）结构面的法向变形特征nVjVm结构面法向变形曲线(Bandis 方程)0双曲线型3.孙广忠（1988）方程)n KnV j =Vm(1
8、 e结构面法向变形本构方程结构面的法向刚度n（MPa）方法（三）法向刚度(normal stiffness)及其确定方法定义：指在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力，数值上等于 n V j 曲线上一点的切线斜率，即：Kn =(MPa/cm)意义：反映结构面法向变形性质的重要参数，是岩体力学性质参数估算及岩体稳定性计算中必不可少的指标之一。K n室内变形试验确定 试验法现场变形试验本构方程和经验估算01KnVj（mm）结构面岩体 A1 Tp ni+1 niVi+1 Vi参考点Kn =nVA0多点位移计An 现场变形试验 中心孔承压板法Rc自动记录仪n1混凝土2A2锚固点 压力传感
9、器Td3变形传感器n(MPa)050010001500V(mm)64210812A11A22Vi逐级循环加载Vi+1n（MPa）Hoek直剪仪装置示意图0Vj（mm）1 室内压缩试验-直剪试验可在压力机上进行，也可在携带式剪力仪或中型剪力仪上配合结构面剪切试验一起进行。Kn nKn =Kn =Kni(1 VK niVm V j n =Vm)nV +K ni =7.15+1.75 JRC+0.02 Vm =A+B(JRC)+C j2K n =1 K ni m n 含结构面岩块压缩试验求解K ni2 经验估算V jVm V j班迪斯经验方程求解：K ni,VmJCS e DJCS e 结构面粗糙度
10、系数岩壁强度结构面特征法向刚度Kn（MPa/cm）剪切刚度Ks（MPa/cm）抗剪强度参数摩擦角()粘聚力c(MPa)充填粘土的断层，岩壁风化155330充填粘土的断层，岩壁轻微风化188370新鲜花岗片麻岩不连续结构面2010400玄武岩与角砾岩接触面208450致密玄武岩水平不连续结构面207380玄武岩张开节理面208450玄武岩不连续面12.74.50结构面法向刚度经验值岩组结构类型未浸水抗剪强度浸水抗剪强度n 2.4MPa摩擦角()粘聚力c(MPa)摩擦角()粘聚力c(MPa)法向刚度Kn-1（MPacm ）剪切刚度Ks-1（MPacm ）绢英岩平直，粗糙，有陡坎40410.150.
11、20 36380.140.1643526290起伏，不平，粗糙，有陡坎42440.200.27 38390.170.2334824199波状起伏，粗糙39400.120.15 36370.110.1322544667平直，粗糙38390.070.11 35360.080.0922462246绢英化花岗岩平直，粗糙，有陡坎40420.250.35 38390.260.304213648108起伏大，粗糙，有陡坎43480.350.50 40410.300.43357867113波状起伏，粗糙39400.150.23 37380.130.2738583863平直，粗糙38400.090.15 36
12、370.080.13211434558花岗岩平直，粗糙，有陡坎40450.300.44 38410.300.341114772112起伏大，粗糙，有陡坎44480.350.55 40440.360.446116959120波状起伏，粗糙40410.250.35 38410.210.3070844884平直，粗糙39410.150.20 37400.150.1751904665结构面法向刚度直剪试验结果二、剪切变形性质剪切应力剪切位移法向应力结构面剪切试验示意图结构面剪切位移剪切应力曲线峰值剪切强度残余剪切强度剪应力剪切位移按剪切变形机理分：软弱结构面：有一定宽度的构造破碎带、挤压带、软弱夹层及
13、含较厚充填物的裂隙、节理、泥化夹层和夹泥层等脆性变 特点：有明显的峰值强度和应力下降段。开始时,形型 u 快至某值后趋于稳定，残余强度明显低于峰值强度。硬性结构面：无充填、较粗糙（一）剪切变形特征1)结构面的 u曲线为非线性曲线 剪切应塑性变形型 力特点：无明显的峰值强度和应力下降段,峰值强度与残余强度相差很小,曲线的斜率是连续变化 0的,且具有流变性。f脆性变形型ab塑性变形型u f 剪切位移u典型的结构面剪切变形曲线(MPa)剪切刚度Ks(MPa/mm)100.0110n=01.0.10M0010Pa1.652.31101010-4-2 n(MPa)Ks(MPa/mm)2.42.01.61
14、.20.80.402.81.20.80.40 n(MPa)1.531.020.510.250.2 0.4 0.6风化Ks(MPa/mm)1.891.050.660.40 u(mm)6.871.84新鲜0.92 4.020.460.230.2 0.4 0.6 u(mm)（a）（b）5)剪切刚度随法向应力的增大而增大剪切刚度：在剪切应力作用下，峰值前结构面产生单位剪切位移所需要的剪应力。2)峰值位移 u f 受风化程度的影响：风化后，结构面两壁互锁程度变差，结构面较平直，其峰值位移增大。3)同类结构面，风化后剪切刚度降低。4)剪切刚度具有明显的尺寸效应：剪切刚度随结构面的规模增大而降低。1010-
15、1 100 101 102103 104 105 106结构面规模L(m)bandis等人试验（5-24）式模型102110010-1210-31 ult1K si,n=m=um+nu=（二）剪切变形本构方程卡尔哈韦（Kalhaway）方程通过大量试验，发现峰值前的剪应力-剪位移曲线可用双曲线拟合双曲线形状函数初始剪切刚度水平渐近线在剪应力轴上的截距（MPa）Kn =携带式剪切仪、（三）剪切刚度及其确定方法K s定义：在剪切应力作用下，峰值前结构面产生单位剪切位移所需要的应力，数值上等于峰值前 u曲线上一点的切线斜率，即：u(MPa/cm)意义：反映结构面剪切变形性质的重要参数，是岩体力学性质
16、参数估算及岩体稳定性计算中必不可少的指标之一。确定方法试验法经验估算室内剪切试验 0中型剪切仪现场剪切试验 与结构面法向变形试验装置一样u（mm）1Ks+r=n经验方程（巴顿和乔贝，1977）结构面的残余摩擦角100 JCS K s n tg JRC lgL被剪切结构面的长度结构面剪切刚度直剪试验结果峰值强度和残余强度莫尔图r=tgr=C+tg p峰值强度莫尔图 p=C+tgp第三节 结构面的强度性质结构面剪切位移剪切应力曲线残余剪切强度剪应力剪切位移结构面强度包括抗拉强度和抗剪强度;抗拉强度非常小,常忽略不计;而工程岩体的破坏常以沿软弱结构面滑动破坏为主;重点是研究抗剪强度一、结构面的抗剪强
17、度指标(C,)峰值剪切强度各种结构面抗剪强度指标的变化范围二、影响结构面抗剪强度的主要因素结构面的形态、连续性、胶结充填特征及岩壁的性质、次生变化和受力历史（反复剪切次数）等等。三、结构面类型（复习）根据结构面形态、充填情况和连续性等的分类及其特点类型（4类）：平直无充填的结构面、粗糙起伏无充填的结构面、非贯通断续的结构面和有充填的软弱结构面特点：平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。特点：面平直、光滑，只有微弱的风化蚀变。坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。粗糙起伏无充填的结构面特点：有明显的粗糙起伏度。非贯通断
18、续的结构面特点：由裂隙面和非贯通的岩桥组成。有充填的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层，其形成与水和各种滑错作用有关。抗剪强度 ：=ntg j+C j与结构面壁岩性质及其平直光滑程度密切相关。o o石等片状或鳞片状矿物的壁岩，抗剪强度低：o岩等，抗剪强度较高：结构面愈平直、愈光滑，其抗剪强度愈小，粘聚力可接近零。四、平直无充填的结构面的强度特征 n n抗剪强度主要来源：结构面的微咬合作用和胶粘作用，18040/m20016014012010080602010050050平直光滑结构面剪应力-剪位移曲线结构面上凸起体的平均高度小/k1 0 0P a于510-3cm、宽度小于210-2 cm
19、 的称为光滑结构面，岩体中的扭性x节理常呈这种形状。右图为这种结构面在法向应力较低条件下剪切时的剪应力-剪位移曲线，由图可知，剪应力随剪位移增长至最大值后保持常量不变；剪切峰值强度等于残余强度。而且在剪切过程中，垂直位移大体为零，不发生压缩或剪胀。各种结构面抗剪强度指标的变化范围结构面剪切刚度直剪试验结果五、粗糙起伏无充填的结构面的强度特征起伏度的存在，使其抗剪破坏机理因法向应力大小而不同，抗剪 n强度相差较大：1.当 n 较小时,上盘岩块在剪力作用下,沿结构面滑动(滑动破坏),产生爬坡效应（剪胀效应）,增大了。2.当 n 较大时，上盘岩块在剪力作用下，剪断凸起而平衡，产生啃断效应，增大了。o
20、 oCj=0.10.55MPa=tg(b +i)起伏角起伏差 b齿面摩擦角齿面粘聚力 Cb =0 n =sin i+cos i n =cos i sin i结构面强度 n =n tg b服从莫尔库仑判据：佩顿公式抗剪强度表达式1.当法向应力较低时 I单个凸起体滑移面上的应力：（一）规则锯齿形结构面剪胀效应：结构面在剪切过程中,由于起伏度的存在,结构面的摩擦角由 b 增大到(b +i)的现象。剪胀：结构面在剪切过程中产生的法向位移分量的现象。原因在于在剪应力作用下,沿凸起的滑移,除产生切向位移外,还产生沿向上的移动。强度包络线以上是两种极端情况。实际上,由于结构面的风化差异、起伏差异等,不论法向
21、力多大,总有部分凸起被剪断,部分不被剪断。所有其强度包络线为曲线,不是折线=C+tg 2.当法向应力较大时 I齿无法发生相对滑移,而凸起被剪断抗剪强度：=C+tg 起伏角起伏差齿面粘聚力 Cb =0结构面壁岩的内聚力和内摩擦角凸起被剪断的条件：巴顿提出不规则结构面的抗剪强度的三个参数，即1.巴顿公式（二）不规则起伏结构面JRC 结构面粗糙度系数。它表示结构面的粗糙程度,巴顿将结构面的粗糙程度分为10级,其值分别定为020,而粗糙程度剖面的长度是以10cm为准。JCS 结构面壁岩的单轴抗压强度。在壁岩风化较轻时,可利用岩芯进行常规单轴抗压强度测试求得;当壁岩受风化时,岩块d强度不能代表节理壁面的
22、强度，这时可用i 回弹试验求得。b 基本内摩擦角。可以从平的未风化岩石的表面残余剪切实验求出，事实上对于多数光滑未风化的岩石表面来说，值为2535。u d =1 d =tg V 巴顿提出：以剪胀角 d代替起伏角 i。剪胀角定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角，即：试验研究统计得到：)JRC JC Slg2=tg(1.78 d +32.88o=tg JRClg+u d =o oou 的获取：（1）倾斜试验（2）无试验资料时，取值为30，或者用结构面的残余摩擦角代替JR C JC Slg2巴顿不规则粗糙结构面的抗剪强度公式JCS 2 基本摩擦角 A=as =1 1&=1 j j tgii=t
23、g 2.莱旦依阿彻姆包特公式进行了结构面从剪胀到啃断的理论和试验研究=&剪断率 剪胀率(1 as)(V+tgu)+as r1 (1 as)tguas凸起体岩石的抗剪强度sAV=Vu&K r =C+tg1 V u LV壁岩的单轴抗压强度讨 论：1 =&()()1 s ua V tg +&tgi1 1sa =Vj js ra=1 (1 )s ua V tg tgi=&0sa Vu()utgi tg +()utg i =+抗剪强度：0V=&（2）很高，凸起体全部被剪断 1sa Vr tg C =+（1）很小，凸起体基本不被剪断Vu1 tgi tgu抗剪强度：L K抗剪强度包络线结构面抗剪强度曲线法向
24、力很小：=tg(u +i)法向力很大：=tg+C=(1 as)(V+tgu)+as r1 (1 as)tgu&()()1 1(1 )j jK C K C tg =+1 1(1 )b jtg K tg K tg =+岩桥裂隙由裂隙面和岩桥组成的非贯通结构面裂隙贯通结构面六、非贯通断续的结构面结构面组成：裂隙面和岩桥。假定：剪切面上的应力均匀分布，结构面的线连续性系数为 K 1整个结构面的抗剪强度：+tg=K1Cj+(1 K1)C+K1tgj+(1 K1)tg Cb=K1Cj+(1 K1)C令=Cb+tgb不同颗粒成分夹层剪切变形曲线粗碎屑增加u峰值强度残余强度其抗剪强度和变形破坏机理不同充填程度
25、、厚度等因素密切相关。结构面充填物颗粒成分不同，结构面 曲线：泥化夹层，典型的塑性变形型，强度低且随位移变化小，屈服后无明显的峰值和应力降。随着粗碎屑成分的增加，结构面的剪切变形由塑性变形向脆性变形过渡，峰值逐渐明显，并且峰值强度增高。曲线：粗碎屑含量最高，峰值强度最大，峰值后有明显的应力降。七、具有充填物的软弱结构面其力学性质与充填物的物质成分、结构、上表说明：结构面的抗剪强度随粘粒含量增加而降低，随粗碎屑含量增多而增大。充填物厚度对结构面抗剪强度的影响Cfd平直结构面充填物厚度与抗剪强度关系 摩擦系数 f()：随着充填物厚度的增加，其值降低；当厚度 f达到某值时，其值趋于稳定。粘聚力 C：
26、当厚度较小时，其值随充填物厚度增加而增大，达到某值后逐渐降低，并趋于某稳定值。当厚度达到某值时，结构面的抗剪强度主要取决于充填物的抗剪强度，而不再受厚度增加的影响。该情况下，可将充填物的抗剪强度视为结构面的抗剪强度，不在考虑粗糙起伏度的影响。充填物的结构特征及含水量对结构面抗剪强度的影响充填物结构疏松，且定向排列时，结构面抗剪强度低，反之，结构面抗剪强度高。充填物含水量增高，结构面抗剪强度低。某些工程泥化夹层的抗剪强度参数结构面抗剪强度参数是工程岩体稳定性分析评价的重要指标，在工程实际中，常采用试验法、参数反演法和工程地质类比法等综合确定。试验法：室内实验和原位试验。室内实验是在现场取代表性结
27、构面试件进行室内剪切实验,求取Cj、j值。优点：简捷、快速,边界条件明确,容易控制；缺点：试样尺寸小,代表性差,且受被测试件的扰动影响大。原位试验是在现场进行结构面剪切试验，求取其Cj、j值。大型工程中常用原位试验求结构面的抗剪强度参数。优点是：对岩体扰动小，尽可能地保持了它的天然结构和环境状态，使测出的岩土体力学参数直观、准确；缺点:试验设备笨重、操作复杂、工期长、费用高。八、结构面抗剪强度参数的确定参数反演法：反演或称反分析是通过恢复已破坏斜坡的原始状态，在分析其破坏机理的基础上，建立极限平衡方程（即稳定性系数Ks=1左右，对于处于蠕滑阶段的滑坡，一般假定稳定系数0.98，基岩滑坡考虑滑坡
28、局部应力集中、产生渐进破坏，可假定稳定系数0.9）；然后反求滑动面的Cj、j 值。适应于:滑坡模型和边界条件清楚，且有多个滑动体可供实测的地方。在进行反演分析时应特别注意以下几点：应尽可能地模拟滑坡蠕滑时的边界条件，尤其是地下水水位，如果难以做到，则可取勘探时雨季最高地下水位；选择分析剖面与主滑剖面一致；用作反演分析的刚体极限平衡理论方法，应与稳定性计算方法一致，一般采用设计规范所推荐的不平衡推力法。求结构面的抗剪强度参数。工程地质类比法：在结构面类型及地质特征基本相似的情况下，将过去已有的并在实际中成功应用的结构面剪切强度参数值（经验数据）运用到拟分析问题中。如三峡地区曾经进行了大量的结构面剪切强度试验，取得了大量的试验数据,为以后同类问题分析提供了大量的经验数据。在工程实际中常用以上三种方法所求得的结构面抗剪强度参数值，结合具体工程地质条件与受力状态综合确定结构面的抗剪强度参数。