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1、1 1岩石力学Rock Mechanics2 22.4 结构面的力学性质岩石力学3 3结构面的力学性质主要包括三个方面：1、法向压缩变形；2、切向剪切变形；3、抗剪强度。岩石力学4 4一、法向变形在法向荷载作用 下，岩石粗糙结构 面的接触面积和接 触点数随荷载增大 而增加，结构面间 隙呈非线性减小， 应力与法向变形之 间呈指数关系。岩石力学5 5一、法向变形Goodman(1974)通过试验，得出法向应力n 与结构面闭合量n有如下关系：式中，称为原位压力，由测量结构面 法向变形的初始条件决定；max是最大可 能闭合量；s、t是与结构面几何待征、岩 石力学性质有关的两个参数。岩石力学6 6一、法
2、向变形法向变形刚度Kn，反映 结构面产生单位法向变形 的法向应力梯度，它不仅 取决于岩石本身的力学性 质，更主要取决于粗糙结 构面接触点数、接触面积 和结构面两侧微凸体相互 啮合程度。通常情况下， 法向变形刚度不是一个常 数,与应力水平有关。岩石力学7 7一、法向变形Goodman(1974)的研究结果：式中：Kn0为结构面初始刚度。岩石力学8 8一、法向变形Bandis等人(1984)通过对大量的天然、不同 风化程度和表面粗糙程度的非充填结构面的 试验研究，提出双曲线型关系式：岩石力学9 9一、法向变形式中：JCS为单轴抗压强度；JRC为结构面 的粗糙系数；A、B、C、D为常数，取决于结 构
3、面的受载历史。岩石力学1010二、剪切变形1、对非充填粗糙结构 面，随剪切变形发生，剪 切应力相对上升较快，当 达到剪应力峰值后，结构 面抗剪能力出现较大的下 降，并产生不规则的峰后 变形(曲线A)或滞滑现象.在一定的法向应力作用下，结构面在剪切作 用下产生切向变形。通常有两种基本形式：岩石力学11112、对于平坦(或有充 填物)的结构面，初始阶 段的剪切变形曲线呈现 下凹型，随着剪切变形 的持续发展，剪切应力 逐渐升高但没有明显的 峰值出现，最终达恒定 值，有时也出现剪切硬 化(曲线B）。二、剪切变形岩石力学1212剪切变形曲线从形式上可划分成弹性区 ( 峰前应力上升区)、剪应力峰值区和塑性
4、区 (峰后应力降低区或恒应力区)(Goodman， 1974)。在结构面剪切过程中，伴随有微凸体的弹 性变形、劈裂、磨粒的产生与迁移、结构面 的相对错动等多种力学过程。因此，剪切变 形一般是不可恢复的，即便在“弹性区”， 剪切变形也不可能完全恢复。二、剪切变形岩石力学1313二、剪切变形剪切刚度Kt:通常将弹性区内单位变形的应 力梯度称为剪切刚度。根据Goodman(1974) 研究结果式中，Kt0是初始剪切刚度，s是产生较大剪 切位移时的剪应力渐近值。试验结果表明，较 坚硬的结构面，剪切刚度一般是常数；松软结 构面，剪切刚度随法向应力的大小而改变。岩石力学1414二、剪切变形结构面简化分析模
5、型岩石力学1515三、抗剪强度1、库仑准则结构面最重要的力学性质之一是抗剪强度， 从结构面的变形分析可以看出，结构面在剪切 过程中的力学机制比较复杂，构成结构面抗剪 强度的因素是多方面的，大量试验结果表明， 结构面抗剪强度一般可以用库仑准则表述：岩石力学1616三、抗剪强度凸台模型的抗强度曲线岩石力学1717三、抗剪强度2、巴顿（Barton)模型：试验表明，低法向应力时的剪切，结构面有 剪切位移和剪胀；高法向应力时，凸台剪断， 结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪 切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强 度对结构面的抗剪强度起着重要作用。Barton经试验研究提出了考虑三个基本因 素(
6、法向力n、粗糙度JRC、结构面强度 JCS)的结构面抗剪强度公式。岩石力学1818三、抗剪强度式中，JCS是结构面的抗压强度，b是岩石 表面的基本摩擦角，JRC为结构面粗糙性系数 ，根据10种典型剖面对比确定，目前可根据 分形几何理论定量确定。岩石力学1919三、抗剪强度JRC值根据结构 面的粗糙性在0 20间变化， 平坦近平滑结 构面为5，平坦 起伏结构面为 10。粗糙起伏 结构面为20岩石力学2020三、抗剪强度3、结构面力学性质的尺寸效应Barton等(1982)用不同尺寸的结构面的试验 结果表明，当结构面的试块长度从56cm增加 到3640cm时，平均峰值摩擦角降低812。 随试块面积
7、增加，平均峰值剪切应力呈减少趋 势。尺寸效应还体现在以下几个方面：随结 构面尺寸增大，达到峰值强度时的位移量增大 由于尺寸增加，剪切破坏形式由脆性破坏向 延性转化；随尺寸加大，峰值剪胀角减小； 随结构面粗糙度减小，尺寸效应也在减小。岩石力学2121三、抗剪强度4、变形历史的影响第一次进行新鲜结构面剪切试验时，试样具 有很高的抗剪强度，沿同一方向重复进行到第7 次剪切试验时，试样还保留峰值与残余值的区 别，当进行到第15次时，已看不出峰值与残余 值的区别，说明在重复剪切过程中结构面上凸 台被剪断、磨损，岩粒、碎屑的产生与迁移， 使结构面的抗剪力学行为逐渐由凸台粗糙度和 起伏度控制转化为由结构面上碎岩屑的力学性 质所控制。岩石力学2222三、抗剪强度5、结构面充填物的影响结构面内充填物的厚度小于主力凸台高度 时，结构面的抗剪性能与非充填时的力学特 性相类似；结构面充填厚度大于主力凸台高度时，结 构面的抗剪强度取决于充填材料，充填物的 厚度、颗粒大小与级配、矿物组分和含水程 度都会对充填结构面的力学性质有不同程度 的影响。
