結(jié)構(gòu)面力學性質(zhì)與巖體力學性質(zhì)

關(guān)于結(jié)構(gòu)面力學性質(zhì)與巖體力學性質(zhì)第一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三1、法向變形與法向剛度（1）法向變形特征①曲線形狀：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—新的接觸點和面的增加。②初始階段，結(jié)構(gòu)面變形為主，當σn=σc/3時結(jié)構(gòu)面變形基本完成③最大閉合量小于張開度。④卸除荷載后，有明顯的遲滯和非彈性效應(yīng)。第二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三（2）法向應(yīng)力與法向變形關(guān)系（Goodman,1974）

式中：：原位壓力，由測量結(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、巖石力學性質(zhì)有關(guān)的兩個參數(shù)第三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三（3）法向剛度Kn

（Goodman，1974）式中Kn0：結(jié)構(gòu)面的初始剛度第四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三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的經(jīng)驗公式：第五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三（1）剪切變形特征A.粗糙結(jié)構(gòu)面（無充填物），剪應(yīng)力上升較快，當剪應(yīng)力達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斜率逐漸減小，曲線沒有明顯的峰值出現(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第六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三（2）剪切變形方程1975，卡爾哈維（Kalhaway)提出：式中：m=1/k0,k0：初始剪切剛度

n=1/τ0,

τ0－產(chǎn)生較大剪切位移時的

剪應(yīng)力漸近值第七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三（3）剪切剛度Kt剪切剛度：1974年Goodman提出：式中：Kt0－初始剪切剛度

τs－產(chǎn)生較大剪切位移時的剪應(yīng)力漸近值對于較堅硬結(jié)構(gòu)面，剪切剛度一般為常數(shù)；對松軟結(jié)構(gòu)面，剪切剛度隨法向應(yīng)力的大小而改變。第八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三1）平直結(jié)構(gòu)面的剪切強度3、結(jié)構(gòu)面的抗剪強度第九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三2）粗糙節(jié)理面的剪切強度兩種情況：①巖石強度高，爬坡角i小，法向力N小，發(fā)生剪脹現(xiàn)象(b)②巖石強度低，爬坡角i大，法向力N大，發(fā)生剪斷現(xiàn)象(c)剪脹：(無粘結(jié)），剪斷：（有粘結(jié)）第十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三4、結(jié)構(gòu)面力學性質(zhì)的尺寸效應(yīng)Barton和Bandis（1982）的試驗結(jié)果表明：①隨著試塊長度增大，平均峰值摩擦角降低；②隨著試塊面積增大，平均峰值剪切應(yīng)力降低，達到峰值強度時的位移量增大；③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；④隨著試塊尺寸增加，峰值剪脹角變?。虎蓦S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。第十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三§2-3巖體的強度性質(zhì)

一、巖體強度巖體強度是指巖體抵抗外力破壞的能力。分為：抗壓強度抗剪強度抗拉強度第十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三二、巖體強度的測定（現(xiàn)場測試）1、巖體單向抗壓強度和準巖體強度（1）單向抗壓強度σc試件：邊長(0.5～1.5）m，高度不小于邊長的立方塊。P—試件破壞時的作用力，NA—試件橫截面面積，m2第十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三（2）準巖體強度完整性系數(shù)：式中：Vpm、Vpr分別為彈性波在巖體和巖石中傳播的縱波速度。準巖體抗壓強度:準巖體抗拉強度:σc、σt為巖石試件的單軸抗壓強度和單軸抗拉強度。第十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三2、巖體三軸抗壓強度試件尺寸：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）真三軸試驗對于多節(jié)理巖體影響較大第十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三3、巖體抗剪強度（1）雙千斤頂法式中：σ、τ—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；α—橫向推力與剪切面的夾角，通常為150。第十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三

（2）單千斤頂法

現(xiàn)場無法施加垂直荷載的情況下采用單千斤頂法。第十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三

應(yīng)力代入強度準則，經(jīng)整理可得：結(jié)構(gòu)面上的應(yīng)力狀態(tài)：結(jié)構(gòu)面強度準則：三、結(jié)構(gòu)面的強度效應(yīng)1、單結(jié)構(gòu)面的強度效應(yīng)設(shè)結(jié)構(gòu)面的方向角為第十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三

則①當②當③對求一階導數(shù)，并令其為零得：(可見)此時結(jié)構(gòu)面對巖體的強度削弱最大，巖體有最小強度:

→結(jié)構(gòu)面的存在不影響巖體的強度令，第十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三兩種可能的情況或

節(jié)理先破壞，巖體強度小于巖塊強度巖塊先破壞，巖體強度等于巖塊強度第二十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三2、多結(jié)構(gòu)面的強度效應(yīng)巖體中具有兩組以上結(jié)構(gòu)面時，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)面傾角滿足上式，根據(jù)應(yīng)力判斷會否發(fā)生破壞第二十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三3、當C=0時節(jié)理面的強度效應(yīng)這時庫侖準則推導得：

此時巖體的強度只靠碎塊之間的摩擦力來提供，已知，可計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力第二十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三四、巖體的強度特征1、巖體的強度取決于結(jié)構(gòu)面的強度和巖石的強度，巖體的抗剪強度包絡(luò)線介于結(jié)構(gòu)面強度包絡(luò)線和巖石強度包絡(luò)線之間。2、巖體強度受加載方向與結(jié)構(gòu)面夾角θ的控制，因此，表現(xiàn)出巖體強度的各向異性。

3、當含有四組以上結(jié)構(gòu)面時，巖體的強度趨于各向同性。第二十三頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三五、巖體的破壞判據(jù)（強度準則）1、耶格爾判據(jù)節(jié)理面極限應(yīng)力平衡方程：（1）當節(jié)理面傾角β滿足β1≤β≤β2

,且φj

<β

<π/2時，節(jié)理才會對巖體產(chǎn)生影響，這時巖體的強度取決于節(jié)理的強度；（2）β＝450＋φj/2時，巖體強度最低，其莫爾圓直徑最小。（3）當β<β1或β>β2

時，巖體強度與節(jié)理無關(guān)，取決于巖石的強度。第二十四頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三耶格爾判據(jù)第二十五頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三2、霍克－布朗經(jīng)驗判據(jù)式中:σc——完整巖石單軸抗壓強度；m——霍克－布朗常數(shù)，反映巖石的堅硬性。m的變化范圍為0.001（強烈破壞巖石）-25（堅硬而完整的巖石）。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）。第二十六頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三§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的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線第二十七頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三典型的巖體應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線4個階段：（1）裂隙壓密階段（OA）：曲線上凹（2）彈性變形階段（AB）:呈直線（3）塑性變形階段（BC）：曲線下凹（4）破壞后階段（CD）：殘余強度σD峰值強度σCABσCD第二十八頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三①在屈服點前，變形曲線與抗壓變形相似，上凹型。②屈服點后，某個結(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)體強度有關(guān)，巖體越破碎，應(yīng)力降反而不明顯。③當應(yīng)力增加到一定水平時，巖體剪切變形已積累到一定程度，沒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。④隨后產(chǎn)生穩(wěn)定滑移。二、巖體的剪切變形特征第二十九頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三三、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)面的方向性第三十頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三四、巖體變形參數(shù)原位測定常用靜力法：承壓板試驗（千斤頂荷載試驗）、徑向荷載試驗、水壓法等。目的：測定巖體的變形指標E、μ和σ－ε關(guān)系。試驗方法：靜力法、動力法（彈性波測量法）第三十一頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三1、表面承壓板試驗試驗裝置由四部分組成：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）、變形測量裝置（測微計）第三十二頁，共三十五頁，編輯于2023年，星期三2、鉆孔承壓板法表面承壓板法測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。為了排除松動的影響，采用孔底承壓板法測定巖體變形模量。測定結(jié)果表明：孔底承壓板法測得的原位巖體變形參數(shù)比表面承壓板試驗測定值高很多，甚