第3章zsl结构面的变形与强度性质

2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林1第3章结构面的变形与强度性质张树林长春工程学院勘查与测绘学院2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林2第3章结构面的变形与强度性质•§3.1概述•§3.2结构面的变形性质一、法向变形性质二、剪切变形性质•§3.3结构面的强度性质一、平直无充填的结构面二、粗糙起伏无充填的结构面三、碎块岩体结构面强度四、非贯通断续的结构面五、具有充填物的软弱结构面2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林3§3.1概述•在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，工程岩体常常是沿软弱结构面失稳破坏。2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林4工程实例2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林5•在工程荷载作用下，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组分，控制着工程岩体的变形特性。•结构面是岩体渗透水流的主要通道。在工程荷载作用下，结构面的变形将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。因此，预测工程荷载作用下岩体渗透性的变化，必须研究结构面的变形性质及其本构关系。•工程荷载作用下，岩体中应力分布受结构面及其力学性质的影响。2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林6§3.2结构面的变形性质一、法向变形性质1.法向变形特征ΔVｊΔVｔΔVｒΔVｊ＝ΔVｔ－ΔVｒAEmQ)1(2（1）结构面的法向弹性变形对带有一条结构面岩体的试块，在试块上均布压缩荷载作用下，按弹性理论中布辛涅斯克的解答，荷载表面平均位移δ为：Q－作用在接触面上的力；A－接触面面积；μ、E－为结构面面壁泊松比和弹性模量；m－与荷载面积形状有关的系数，当为方形面积时，m=0.95。2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林7若试块的边长为d，结构面中两壁接触面积为nh2（h2为每个接触面的面积；n为接触面的个数）；作用于试块上的压缩荷载为σ，则作用于结构面上的总荷载为σd2，而作用于结构面上的力为σd2/n；则结构面的法向弹性变形δ0为：nhEdm)1(2220由于结构面是由两个面壁所组成，因此，结构面的法向弹性变形δ0应是荷载表面平均位移δ的二倍，即δ0=2δ。根据结构面面壁力学的特点，沃尔多夫（Waldorf)认为m(1－μ2)可近似等于0.9，则结构面的法向弹性变形为：nhEd208.12019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林82019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林9(2)结构面的法向闭合变形（非弹性）结构面的法向变形除弹性变形之外还有其他特征的变形（啮合变形、压碎变形）。结构面面壁之间的接触：点接触→面接触点接触即齿顶接触，开始是齿顶的压缩→压碎→闭合，形成面接触。古德曼（R.E.Goodman）通过如下实验对此进行研究。①完整岩石试样（高9.04cm，直径4.44cm）②切缝岩石试样试验曲线。（配称、非配称）完整岩石试样试验曲线，在第三次荷载循环条件下轴向应力—位移曲线，图3-1a（A）线。2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林10试验方法（最大闭合变形Vmc的确定）步骤：（1）备制试件；（2）作无结构面σ-δ曲线（A）；（3）将试件切开，并配称接触再作曲线（B）；（4）非配称接触，作曲线（C）；（5）两种结构面的可压缩性比较。a.无结构面b.径向劈裂d.非配称接触c.配称接触2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林11切缝岩石试样：切割一条平行底面成粗糙和波状起伏的切缝（模拟结构面的粗糙状态）的岩石试样。切缝岩石试样上下两半块试件重合装上—配称节理岩石试样，此试样的再压缩曲线图3-1a（B）线。这时粗糙度起主要的作用。切缝岩石试样上半块试件沿轴向旋转90°装上—非配称节理岩石试样，此试样的再压缩曲线图3-1a（C）线。这时齿顶接触，压碎。起伏程度（i角)起主要的作用。P点岩石开始产生纵向破裂。比较（A）、（B）、（C）三条曲线：曲线（A）表明试件再压缩下作用下的弹性变形；曲线（B）除反映试件弹性变形外，从（B）-（A）曲线还说明产生结构面的啮合变形；曲线（C）除出现弹性变形、咬合变形之外，还将出现结构面压碎变形。从（C）-（B）曲线可推演出变形量的大小。2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林12图3－1一条张开裂缝的压缩变形曲线2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林13古德曼根据压缩荷载与变形的关系曲线，拟合得出了配称试验和非配称试验的本构方程：配称试验：△Vj=0.0037+0.0018㏒10σ(Vmc=0.0119)非配称试验：△Vj=－0.003+0.0079㏒10σ(Vmc=0.0387)式中：σ—作用于试件上的压缩荷载（MPa）；△Vj—结构面的闭合变形（cm）；….Vmc—结构面可能出现的最大闭合变形（cm）。2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林14•开始时随着法向应力增加，结构面闭合变形迅速增长，σn-ΔV及σn-ΔVｊ曲线均呈上凹型。当σn增到一定值时，σn-ΔVｔ曲线变陡，并与σn-ΔVｒ曲线大致平行。说明结构面已基本上完全闭合，其变形主要是岩块变形贡献的。这时ΔVｊ则趋于结构面最大闭合量Vｍ。•初始压缩阶段，含结构面的岩块变形ΔVｔ主要是由结构面的闭合造成的。试验表明，当σn＝１MPa时，ΔVｔ/ΔVｒ可达５~３０，说明ΔVｔ占了很大一部分。•法向应力σn大约从σｃ/3处开始，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。应力-变形关系曲线特征2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林15•结构面的σn-ΔVｊ曲线大致为以ΔVｊ＝Vｍ为渐近线的非线性曲线。可用初始法向刚度及最大闭合量来确定，与结构面的类型及壁岩性质无关。•结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（ｅ）。这是因为结构面是凹凸不平的，两壁面间无论如何也不可能达到100％的接触。•结构面的初始法向刚度是一个与结构面在地质历史时期的受力历史及初始应力（σｉ）有关的量，其定义为σn-Vｊ曲线原点处的切线斜率，即：0jVjnniVK应力-变形关系曲线特征2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林162.结构面闭合变形的本构方程首先，规定结构面的两个物理条件：①张开结构面没有抗拉强度；②承受荷载时有一个可能压缩量的极限值（Vmc），且Vmce（e为结构面厚度）。见图3－1（b）。压力与变形关系曲线可用以下状态方程描述：古德曼通过试验用如下的方法来描述结构面闭合变形，得出结构面闭合变形的本构方程。tmcVVVA（△VjVcm）（3-3）2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林17式中ξ为原位压力，可由所测的法向变形△V的初始条件确定。当△Vj=0时，ξ为曲线与纵轴上的截距得数值。见图3－1－a。当A=t=1时，式（3-3）变为双曲线形式。见图3－1－b。)(1)(mcmcVVV（3-4）此直线在△V轴上的截距为Vmc，直线的斜率为ξVmc。见图3－1－c。当A与t不等于1时，则曲线类型相对比较复杂，可通过拟合的方法求得A与t，确定曲线方程。2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林181)(mcmcVVV当A=t=1时，有tmcVVVA)(最大闭合mcV圖3－1－a、b、c2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林19此外，还可用指数形式来描述结构面法向闭合变形，其本构方程，式（3－11）：式中：V0为结构面可能出现的最大闭合变形；Kn0为结构面的法向初始刚度。0001ln)1(0VVKeVVjnKjn或者写成通过对上式（3－11）的求导，可得结构面的法向刚度Kn与其法向初始刚度Kn0的关系，即)123(00jnjnVVKVK2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林20法向刚度Ｋn（normalstiffness）是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，在数值上等于σn-Vｊ曲线上一点的切线斜率。确定方法试验法3.法向刚度及其确定方法室内变形试验现场变形试验本构方程和经验估算2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林21现场变形试验——中心孔承压板法VVVKni1ini1nin2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林22经验估算——由Bandis方程估算2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林23Bandis经验方程求Kni，VmDmnieJCSC)JRC(BAVeJCS02.0JRC75.115.7K2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林24壁岩强度JCS回弹值。岩石重度；R01.1R00088.0)JCSlg(HT225W全自动数字回弹仪2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林252019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林26几种结构面的抗剪参数表2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林27岩体结构面直剪试验结果表2019/12/20長春工程學院勘測學院張樹林28便携式直剪仪（一）结构面剪切位移曲线1、结构面“τ－δ”曲线分为4类。见图4－8(a)有重新胶结的结构面或齿状闭合结构面的剪切变形特性－脆断型；(b)具有硬性结构面的剪切变形特性－切齿型；(c)先后剪断数个突出物的结构面－似切齿型；(d)有厚层泥质充填物时结构面的变形特征—软弱型，属于“塑断型”。从某种意义上说，在剪切力作用下的变形比法向闭合变形更为重要，它直接影响岩体的强度。二、结构面的剪切变形性质图3－10四种典型的结构面强度和位移关系曲线a-胶结结构面b-齿状结构面c-充填齿状结构面d-复位式由于结构面剪切变形的复杂性，可通过简化,用剪切刚度来描述结构面的剪切变形。若设剪切位移是作用在结构面上的正应力和剪应力的函数，则剪切刚度Ks可用下式表示：由上式可见结构面的剪切变形特性，除和结构面的结构特征有关外，亦和作用在结构面上的正应力和剪应力有关。在进行结构面的剪切试验时，不仅存在剪切位移，同时法向变形也发生变化，即存在法向位移—剪胀，即扩容现象。见图3-13-0。u)u,(fuKs2.结构面的扩容曲线结构面的扩容曲线“△V－△U”曲线可分为三段。见图3-3-0(a)体积压缩阶段。施加正应力和剪应力初期体积压缩，扩容曲线基本成水平线，且很短；（不同的σ时，最大压缩量Vmc分别为o－a、o－b、o－c、o－d）(b)体积匀速增大阶段。曲线斜率△V/△U有逐渐增大的趋势，其平均斜率被称作结构面的平均爬坡角。以σ=A为例，即剪应力τ峰值前的3-1段。(c)体积增大速率变缓阶段。剪应力τ即将峰值时曲线斜率逐渐变缓，这是剪断部分突出物的所至。2.正应力对结构面的扩容的影响随正应力的增大，压缩增大，扩容减小，第二阶段曲线斜率随之减小，平均爬坡角随之减小。abcd△V△U△UVmcσ=0τ00σ=0σ=Aσ=Bσ=Cσ=Dσ=Aσ=Bσ=Cσ=D123456不容许剪胀（途径3,4,5,6）不容许剪胀（途径0,1,2）图3-3-0不同正应力下结构面的剪切位移曲线和扩容曲线（二）结构面剪切位移曲线的本构方程1、脆断型和软弱型剪位移曲线的本构方程。⑴脆断型剪切位移曲线的本构方程这类剪位移曲线可简化成两段或三段直线表示。见（图3-13-1）①②③④图3-13-1（a）属于常刚度型的曲线。它的特点是随正应力的增加，结构面的剪切刚度不变，但是，与峰值剪应力所对应的剪切位移将随正应力的增加而增大。见图3-13-1。②图3-13-1（b）属于变刚度型的曲线。它的特点是随正应力的增加，结构面的剪切刚度将随之增大，但是，与峰值剪应力所对应的剪切位移随正应力的增加可看成近似相等。见图3-13-1。②③④△Uτ0△Uτ0图3-13-1脆断型结构面剪切位移曲线模型（b）（a）最高最高最低最低UpUtKs⑵软弱型剪切位移曲线的本构方程卡尔哈韦(Kalhawa