第6講-結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)與巖體力學(xué)性質(zhì)

1、二、結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì) 為何要研究結(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、法向變形與法向剛度 （1）法向變形特征曲線(xiàn)形狀：先上凹緩升，后陡升。歸結(jié)為接觸微凸體的彈性變形壓碎間接拉裂隙產(chǎn)生新的接觸點(diǎn)和面的增加。初始階段，結(jié)構(gòu)面變形為主，當(dāng)n=c / 3時(shí)結(jié)構(gòu)面變形基本完成最大閉合量小于張開(kāi)度。卸除荷載后，有明顯的遲滯和非彈性效應(yīng)。（2）法向應(yīng)力與法向變形關(guān)系（Goodman,1974 ） 式中： ：原位壓力，由測(cè)量結(jié)構(gòu)面法向變形的初始條件確定 ：最大可能閉合量 ：與結(jié)構(gòu)面幾何特征、巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)（3）法向剛度Kn （Good

2、man，1974）式中Kn0：結(jié)構(gòu)面的初始剛度Bandis (1984) 提出非充填節(jié)理法向應(yīng)力與法向變形關(guān)系式中：a、b為常數(shù) 法向剛度Kn:Bandis得出由初始法向剛度和最大閉合量表達(dá)的經(jīng)驗(yàn)公式：（1）剪切變形特征A.粗糙結(jié)構(gòu)面（無(wú)充填物），剪應(yīng)力上升較快，當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到峰值后抗剪能力下降較大，并產(chǎn)生不規(guī)則的峰后變形或粘滑現(xiàn)象。B.平坦結(jié)構(gòu)面（或有充填物），初始階段剪切變形曲線(xiàn)斜率逐漸減小，曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的峰值出現(xiàn)，最終恒定，或出現(xiàn)剪切硬化。C.隨著法向應(yīng)力減小、剪切規(guī)模增大，剪切剛度減小2、剪切變形與剪切剛度（2）剪切變形方程 1975，卡爾哈維（Kalhaway)提出：式中：m=1/k0

3、, k0：初始剪切剛度 n=1/0, 0產(chǎn)生較大剪切位移時(shí)的 剪應(yīng)力漸近值 （3）剪切剛度Kt剪切剛度：1974年Goodman提出：式中：Kt0初始剪切剛度 s產(chǎn)生較大剪切位移時(shí)的剪應(yīng)力漸近值 對(duì)于較堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)面，剪切剛度一般為常數(shù)；對(duì)松軟結(jié)構(gòu)面，剪切剛度隨法向應(yīng)力的大小而改變。1）平直結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度3、結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度2）粗糙節(jié)理面的剪切強(qiáng)度兩種情況：巖石強(qiáng)度高，爬坡角i小，法向力N小，發(fā)生剪脹現(xiàn)象(b)巖石強(qiáng)度低，爬坡角i大，法向力N大，發(fā)生剪斷現(xiàn)象(c)剪脹： (無(wú)粘結(jié)），剪斷：（有粘結(jié)）4、結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的尺寸效應(yīng)Barton和Bandis（1982）的試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著試塊長(zhǎng)度增大

4、，平均峰值摩擦角降低；隨著試塊面積增大，平均峰值剪切應(yīng)力降低，達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)的位移量增大；隨著試塊尺寸增加，剪切破壞形式由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)化；隨著試塊尺寸增加，峰值剪脹角變小；隨著結(jié)構(gòu)面粗糙度減小或法向應(yīng)力增大，尺寸效應(yīng)降低。2-3 巖體的強(qiáng)度性質(zhì) 一、巖體強(qiáng)度 巖體強(qiáng)度是指巖體抵抗外力破壞的能力。 分為： 抗壓強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度二、巖體強(qiáng)度的測(cè)定（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試）1、巖體單向抗壓強(qiáng)度和準(zhǔn)巖體強(qiáng)度（1）單向抗壓強(qiáng)度c試件：邊長(zhǎng)(0.51.5）m，高度不小于邊長(zhǎng)的立方塊。P試件破壞時(shí)的作用力，NA試件橫截面面積，m2（2）準(zhǔn)巖體強(qiáng)度 完整性系數(shù)：式中：Vpm、 Vpr分別為彈性波在巖體和巖石

5、中傳播的縱波速度。準(zhǔn)巖體抗壓強(qiáng)度: 準(zhǔn)巖體抗拉強(qiáng)度: c 、t為巖石試件的單軸抗壓強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度。2、巖體三軸抗壓強(qiáng)度試件尺寸：一般 h 2a，矩形截面。加載裝置：千斤頂，壓力枕。等圍壓（常規(guī)三軸試驗(yàn)）真三軸試驗(yàn)對(duì)于多節(jié)理巖體 影響較大3、巖體抗剪強(qiáng)度（1）雙千斤頂法式中：、試件剪切面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；F試件剪切面面積；N法向力；Q斜向力；橫向推力與剪切面的夾角，通常為150。 （2） 單千斤頂法 現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法施加垂直荷載的情況下采用單千斤頂法。 應(yīng)力代入強(qiáng)度準(zhǔn)則，經(jīng)整理可得： 結(jié)構(gòu)面上的應(yīng)力狀態(tài)：結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度準(zhǔn)則：三、結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度效應(yīng)1、單結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度效應(yīng)設(shè)結(jié)構(gòu)面的方向角為 則當(dāng) 當(dāng)對(duì) 求一

6、階導(dǎo)數(shù)，并令其為零得： ( 可見(jiàn) )此時(shí)結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體的強(qiáng)度削弱最大，巖體有最小強(qiáng)度: 結(jié)構(gòu)面的存在不影響巖體的強(qiáng)度令 ，兩種可能的情況或 節(jié)理先破壞，巖體強(qiáng)度小于巖塊強(qiáng)度巖塊先破壞，巖體強(qiáng)度等于巖塊強(qiáng)度2、多結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度效應(yīng)巖體中具有兩組以上結(jié)構(gòu)面時(shí)，沿最容易破壞的一組結(jié)構(gòu)面首先破壞。（1）根據(jù)結(jié)構(gòu)面傾角逐組判斷是否有可能該組節(jié)理破壞（2）若該組結(jié)構(gòu)面傾角滿(mǎn)足上式，根據(jù)應(yīng)力判斷會(huì)否發(fā)生破壞3、當(dāng)C=0時(shí)節(jié)理面的強(qiáng)度效應(yīng)這時(shí)庫(kù)侖準(zhǔn)則 推導(dǎo)得： 此時(shí)巖體的強(qiáng)度只靠碎塊之間的摩擦力來(lái)提供，已知 ，可計(jì)算出維持巖體極限穩(wěn)定的側(cè)向擠壓力，即巖所需的最小支護(hù)力四、巖體的強(qiáng)度特征 1、巖體的強(qiáng)度取決于結(jié)構(gòu)面

7、的強(qiáng)度和巖石的強(qiáng)度，巖體的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)介于結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)和巖石強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)之間。 2、巖體強(qiáng)度受加載方向與結(jié)構(gòu)面夾角的控制，因此，表現(xiàn)出巖體強(qiáng)度的各向異性。 3、當(dāng)含有四組以上結(jié)構(gòu)面時(shí)，巖體的強(qiáng)度趨于各向同性。五、巖體的破壞判據(jù)（強(qiáng)度準(zhǔn)則）1、耶格爾判據(jù)節(jié)理面極限應(yīng)力平衡方程：（1）當(dāng)節(jié)理面傾角滿(mǎn)足12 ,且j /2時(shí)，節(jié)理才會(huì)對(duì)巖體產(chǎn)生影響，這時(shí)巖體的強(qiáng)度取決于節(jié)理的強(qiáng)度；（2）450j/2時(shí)，巖體強(qiáng)度最低，其莫爾圓直徑最小。（3）當(dāng)2 時(shí)，巖體強(qiáng)度與節(jié)理無(wú)關(guān)，取決于巖石的強(qiáng)度。耶格爾判據(jù)2、霍克布朗經(jīng)驗(yàn)判據(jù)式中:c完整巖石單軸抗壓強(qiáng)度； m霍克布朗常數(shù)，反映巖石的堅(jiān)硬性。 m的變化范圍為

8、0.001（強(qiáng)烈破壞巖石）-25（堅(jiān)硬而完整的巖石） 。 s巖體完整性系數(shù)，s的變化范圍為0（節(jié)理化巖體）-1（完整巖石） 。2-4 巖體的變形性質(zhì) 一、巖體的單軸和三軸壓縮變形特性 1、巖體的單軸和三軸壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線(xiàn)典型的巖體應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線(xiàn)4個(gè)階段：（1）裂隙壓密階段（OA）：曲線(xiàn)上凹（2）彈性變形階段（AB）:呈直線(xiàn)（3）塑性變形階段（BC）：曲線(xiàn)下凹（4）破壞后階段（CD）： 殘余強(qiáng)度D 峰值強(qiáng)度CABCD在屈服點(diǎn)前，變形曲線(xiàn)與抗壓變形相似，上凹型。屈服點(diǎn)后，某個(gè)結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)體首先剪壞，出現(xiàn)一次應(yīng)力下降。峰值前可能發(fā)現(xiàn)多次應(yīng)力升降。升降程度與結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度有關(guān)，巖體

9、越破碎，應(yīng)力降反而不明顯。當(dāng)應(yīng)力增加到一定水平時(shí)，巖體剪切變形已積累到一定程度，沒(méi)剪破的部位以瞬間破壞方式出現(xiàn)，并伴有一次大的應(yīng)力降。隨后產(chǎn)生穩(wěn)定滑移。二、巖體的剪切變形特征三、巖體各向異性變形特征2、特征：垂直層面方向巖體變形模量E明顯小于平行層面方向巖體的變形模量E 。(a)垂直層面加力(b)平行層面加力1、構(gòu)成巖體變形各向異性的兩個(gè)基本要素：（1）物質(zhì)成分和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方向性（2）結(jié)構(gòu)面的方向性四、巖體變形參數(shù)原位測(cè)定常用靜力法：承壓板試驗(yàn)（千斤頂荷載試驗(yàn)）、徑向荷載試驗(yàn)、水壓法等。目的：測(cè)定巖體的變形指標(biāo)E、和關(guān)系。試驗(yàn)方法：靜力法、動(dòng)力法（彈性波測(cè)量法）1、表面承壓板試驗(yàn)試驗(yàn)裝置由四部分組成：墊板（承壓板）、加荷裝置（千斤頂或壓力枕）、傳力裝置（傳力支柱、傳力柱墊板）、變形測(cè)量裝置（測(cè)微計(jì)）2、鉆孔承壓板法 表面承壓板法測(cè)得的巖體變形模量偏低，這是由于工程巖體表面附近巖體大多發(fā)生了不同程度的松動(dòng)。為了排除松動(dòng)的影響，采用孔底承壓板法測(cè)定巖體變形模量。測(cè)定結(jié)果表明：孔底承壓板法測(cè)得的原位巖體變形參數(shù)比表面承壓板試驗(yàn)測(cè)定值高很多，甚至高達(dá)10余倍。采用小量藥包爆炸激發(fā)地震波，在距震源一定距離設(shè)置檢波器，檢測(cè)彈性波。根據(jù)彈性波波速算出動(dòng)彈性模量Ed和動(dòng)泊