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 • § 3.3 结构面的强度性质
第3章 结构面的变形与强度性质
§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。如马尔帕塞坝溃 坝、瓦依昂库岸滑坡等。
• 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 结构面的变形又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。
工程实例
工程实例
秭归县千将坪滑坡
2003年7月13日零时20分
K1>30%时； 则： Cj=Cjg
j= jg K1<30%时； 则： Cj=Cjc+(Cjg- Cjc)x/30
4) 参数反演法
j= jc+(jg-jc) x/30
应力-变形关系曲线
AB
应力-变形关系曲线特征
• 开始时随着法向应力增加，
结构面闭合变形迅速增长。当σｎ增到一定值时，σｎΔＶｔ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主要由结构 面闭合造成。试验表明，当σｎ＝１ＭＰａ时， ΔＶｔ ／ ΔＶｒ可达５～３０，说明ΔＶｔ占了很大一部分。
裂面
岩桥
裂面
岩桥
K1C j (1 K1)C K1tg j (1 K1)tg
C
tgφ
裂面
岩桥
裂面
岩桥
K1C j (1 K1)C K1tg j (1 K1)tg
Cb
tgφb
Cb K1C j (1 K1)C
tgb K1tg j (1 K1)tg
Cb tgb
四、具有充填物的软弱结构面
2
几种结构面的抗剪参数表
岩体结构面直剪试验结果表
便携式直剪仪
二、结构面的剪切变形性质
1、剪切变形特征
• 粗糙结构面，呈脆性变形型 • 平直结构面，呈塑性变形型 • 结构面变形与风化程度有关 • 结构面的剪切刚度，随法向应力的增大而增大，随结构
面的规模增大而降低。
2. 剪切变形本构方程 • 卡尔哈韦（ Kalhaway）方程
统计方法求得
d
JRC 2
lg
JCS
tg1.78d 32.88
• 大量的试验资料表明，一般结构面的基本摩擦角u＝ ２５°～３５°之间。因此，上式右边的第二项应当
就是结构面的基本摩擦角u ，而第一项的系数取整 数２。经这样处理后，上式变为：
tg2d u
•Barton方程
tg
JRC
lg
• 具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥 层，其形成多与水的作用和各类滑错作用有关。这类结构 面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度和 厚度
软弱结构面强度参数的确定方法：
1）原位试验
2）工程地质类比法
3）地质力学法,如A.M.Rooertson等，1970提出
用泥化夹层泥化部分K1及其性质（Cjg、 jg） 确定其Cj、 j：
• 当很大时，凸起全部被剪断， =AVVs/Au(a=s0,则1 )有,无:剪胀发生,
r tg C
• 从以上讨论可知,阿氏与莱氏 公式是图中曲线3。
三、非贯通断续的结构面
• 这类结构面由裂隙面和非贯通的岩桥组成。在 剪切过程中，一般认为两者都起抗剪作用。
• 通过的裂隙面和岩桥都起抗剪作用。假设沿整 个剪切面上的应力分布是均匀的，结构面的线 连续性系数为Ｋ1，则整个结构面的抗剪强度
• 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：
K ni
n
V
j
Vj 0
卸荷的应力-变形关系曲线
•结 构 面 的 卸 荷 变 形 曲 线 (σn-ΔVj) 仍 为 一 以 ΔVj ＝ Vm 为 渐 近 线 的 非 线 性 曲 线。卸荷后留下很大的残 余变形不能恢复，能恢复 部分称为松胀变形。
所示。剪断凸起的条件为：
C
1 tg( i) tg
b
小结：双直线强度
• tg(b i) （σ<σ1)
tg C （σ≥σ1）
C
1 tg( i) tg
b
2、不规则起伏结构面
• 自然界岩体中绝大多数结构面的粗糙起伏形 态是不规则的，起伏角也不是常数。其强度 包络线不是折线，而是曲线形式。
ntg
J
RClg
JCS
n
r
r 结构面残余强度
§3.3 结构面的强度性质
• 结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。 • 由于结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不
计，所以一般认为结构面是不能抗拉的。 • 在工程荷载作用下，岩体破坏常以沿某些软
弱结构面的滑动破坏为主。 • 因此，在岩体力学中一般很少研究结构面的
3)孙广忠方程
n
V j Vm (1 e
Kn )
3.法向刚度及其确定方法
法向刚度Ｋｎ（normal stiffness）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。
Kn
n
V j
(MPa/cm)
室内变形试验
确 试验法 定 方
现场变形试验
n sin i cosi n cosi sin i
n
ntg
( b
)
tg(b i)
Patton公式
• （2） 当σ较大时，由于啃断作用，则结构面的 抗剪强度为：
tg C
•式中 ，Ｃ分别为结构面壁岩的内摩擦角和内聚力。
上式为法向应力σ≥σ1时，结构 面的抗剪强度，其包络线如图
法 本构方程和经验估算
（1）现场变形试验——中心孔承压板法
Kn
ni1 ni
Vi1 Vi
n
V
（2）经验估算
由Bandis 方程估算
n
K niVmV j Vm V j
V j
nVm K niVm n
Kn
n
(V j )
K ni (1 V j Vm ) 2
Kn
1
K ni
n K niVm n
JCS
u
• Ladanyi & Archambault 提出：
1 aS V tgu aS r 1 1 aS Vtgu
剪断率
aS
AS
A
剪胀率 V V
凸起岩石抗剪强度 r tg C
1 aS V tgu aS r 1 1 aS Vtgu
• 当很小时，凸起不被剪断， =tAgsi=,则>0有(a: s=>0)且tgV(=u Vi)/ u
抗拉强度，重点是研究它的抗剪强度。
• • 二、粗糙起伏无充填的结构面
1、 2、 • • 四、具有充填物的软弱结构面
一、平直无充填的结构面
• 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。
• 特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。 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。
• 巴顿（Ｂarton，1973）对８种不同粗糙起 伏的结构面进行了试验研究，提出了剪胀 角的概念并用以代替起伏角，剪胀角αｄ （angle of dilatancy）的定义为剪切时 剪切位移的轨迹线与水平线的夹角，即：
d
tg 1 V
• Barton 方程：Barton 通过大量结构面剪切试验，用
2) Bardis方程
n
V j a bV j
n
1 a / V j
b
1 a b
n V j
当 n 时, V j Vm
b a Vm
K ni
nHale Waihona Puke V jV j 01
a(1 b aV j ) 2 V j 0
1 a
a 1 K ni
n
K niVmV j Vm V j
较适合于未经滑错位移的嵌 合结构面(如层面)的法向变 形特征。
• 这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩 擦强度接近，即：
tg j C j
二、粗糙起伏无充填的结构面
σ
τ
τ
剪切特点：
• ① 当σ较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应， 增大了τ
• ②当σ较大时，将剪断凸起而运动，也增大了τ
• 经验值
1、规则锯齿形结构面 （1） 当σ较小时
可概化为图5-14的模型：
u
m nu
m 1 ,n 1
K si
ult
3.剪切刚度及其确定方法
• 剪切刚度KS（shear stiffness） 是反映结构面剪切变形性质的重要 参数，其数值等于峰值前τ-u曲 线上任一点的切线斜率。
Ks
u
确 试验法 室内试验
定
方
现场试验
法 经验估算法（Barton方程）
Ks
100 L
•随着循环次数的增加， σ整n-体ΔV向j曲左线移逐。渐变陡，且
•每次循环荷载所得的曲 线形状十分相似，且其特 征与加荷方式及其受力历 史无关。
2.法向变形本构方程 n f (V j )
（1)Goodman 方程
n
V j Vm V
j
1 i