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1、第五章 结构面的变形与强度性质1、岩体稳定性分析和地下水渗流分析通常把岩体视为由岩块（结构体）与结构面组成的地质体。2、岩体工程中的软弱夹层问题：如黄河小浪底水库工程左坝肩的泥化夹层；葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层；黑河水库左坝肩单薄山梁的断层引发的渗漏问题；长江三峡自然坡中的软弱夹层等。这些软弱结构面在不同程度上影响和控制着工程岩体的稳定性。因此，结构面变形与强度性质的研究，在工程 实践中具十分重要的实际意义：1）大量工程实践表明：在工程荷载（小于10Mpa）范围内，工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。因此，结构面的强度性质的研究是评价岩体稳定性的关键。2）在工程荷载作用，结构
2、面及其充填物的变形是岩体变形的主要组成部分，控制着工程岩体的变形特性。3）结构面是岩体中渗透水流的主要通道。4）工程荷载作用下，岩体中的应力分布受结构面及其力学性质的影响。第一节结构面的变形性质（特性）结构面的变形包括法向变形和剪切变形两个方面。一、结构面的法向变形1 .法向变形特征（Normal deformation ）设不含结构面岩块的变形为 Vr,含结构面岩块的变形为 V,那么结构面的法向闭合变形 V为： V” V- vr由结构面法向应力dn与变形的关系曲线可得如下特征：1） d nf, V曲线呈上凹型；d nTd o, d n V变陡，与d n V大致变形；2 ）初始压缩阶段， V主
3、要由结构面闭合造成的；3）试验研究表明，当口 开始，含结构面岩块的变形由以结构面的闭合t岩块的弹性变n 3c形；4 ） d n - AV曲线的渐近线大致为： V=Vmm5）结构面的最大闭合量小于结构面的张开度（e）。A15总TgA逊 -z出 1 IL 2 0. 3 U.4 a. 5HI合愛幣吐匕【U, S 2 0. 3 0. 4 0- 5 0, 法向4:比住“硕言II嵌汁帖HW块w :bff3:馬图5.1典型岩块和结构面法向变形曲线含结构面的岩块和不含结构面的岩块在法向上加荷、卸荷后的应力一变形曲线，见教材P76-77（Ban dis 等，1983 ）。2.法向变形本构方程（法向应力与变形之间
4、的关系） 这方面的研究目前仍处于探索阶段，已提出的本构方程都在试验的基础上总结出来的经验方程，女口 Goodman Bandis及孙广忠等人。1）古德曼（Goodman 1974）双曲线函数拟合结构面法向应力dn与闭合变形A V （ mr）间的本构关系：V,亠jj或Vj-Vm -VAi式中：dj为结构面所受的初始应力。n2）班迪斯等（Ban dis等，1983）由初始法向强度的定义得:Va b. V.jb =VmmWj-bj3 法向刚度的确定(normal stiffness )1）定义：K1为在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需的应力。KnW VjVmVjm(Mpa/cm)试验（室内
5、压缩试验、现场压缩变形试验如中心孔承压板法）求得结构面的(Tn V 曲线 t Ki。中心孔承压极法:图52法向刚度Kn的确定2）不同法向应力下结构面的法向刚度Kn：由法向刚度的定义:士nTViBan dis的本构方程KniVm Vm m. jV Vmj KrnVm(1寸)K.Vm；j 代入得:niKni二ni(1 - ) :-nKniVmGni mG式中，KVm可通过室内含结构面岩块压缩试验求得。如无试验资料时，可用Ban dis （1983）提出的经验方程求取:JVm=A - B(JRC) C(jCs)d養杵变贮瞰”舉性韭曲也图5.3结构面剪切变形的基本模型 有一定宽度的破碎带、软弱夹层及含
6、较厚充填物 的裂隙、节理等软弱结构面的T A u曲线多属于塑性变 形型； 无充填且较粗糙的硬性结构面则属于脆 性变形型。2) 峰值位移：uf受其风化程度的影响如图5.4所示；3) 剪切刚度Ks受风化程度的影响；MPa i MTd mr0. 2U. 40. *I认利飞 AwlE-rmQ516 2S甘JCS、Kn i=-7.15 41.75JRC +0.02 I 匕丿其中，e为结构面的张开度；JRC为结构面的粗糙度系数；JCS为结构面的壁岩强度。二、结构面的剪切变形1剪切变形特征1)非线性的，可分为脆性变形和塑性变形如图5.3所示。4) Ks具明显的尺寸效应;5) Ks随詁而仁卜聃单*bKit图5
7、.4不同b n下的灰岩节理面剪切变形曲线2 .剪切变形本构方程卡尔哈韦(Kalhaway , 1975) T a u曲线用双曲函数拟合得:T =S少u的切线斜率如图5.5所示）此外，巴顿（Barton , 1977）和乔贝（Choubey, 1977）提出的匕经验公式：100 JCSKsntg（JRCIgr ）Ln式中：L为剪切结构面的长度；0 r为结构面的残余摩擦角。第二节结构面的强度性质（力学性质）重点研究它的抗剪强度。影响结构面抗剪强度的因素： 结构面的形态、连续性、胶结充填特征及壁岩性质、次生变化 和受力历史等等。根据结构面的形态、充填情况及连续性等特征，将其划分为四类：平直（光滑）无
8、充填的结构面；粗糙起伏无充填的结构面（硬性结构面）;非贯通断续的结构面；有充填的软弱结构面一、平直无充填的结构面 包括：剪性破裂面如剪节理、剪裂隙；脆性断层；发育较好的层理面与片理面。 特点：平直、光滑，只具有微弱的风化蚀变。抗剪强度：T = b tg 0 j+q （有些教材为T = b tg 0,因平直、光滑无充填C=0）b 为法向应力； 0j、 C 为结构面的摩擦角和粘聚力。二、粗糙起伏无充填的结构面特点：具有明显的粗糙起伏度。当 b n 较小时 T 剪胀效应（爬坡效应）Tf当b n fl定值时T啃断效应Tf1规则锯齿形结构面（理想模型）1 ）设起伏角i,起伏差h,齿摩擦角o b且Cb=0
9、根据力的平衡：（滑移面上的b n和T n）% = Asin i cosiJn =cosi sin in又由 Coulomb-Navier 判据：T n= b ntg 0 b(r)用射化用吃山甲亍凸星怵！况M坍锢慎込幅箱图5.6粗糙起伏无填充结构面的抗剪强度分析图IT = b tg (0 b + i )说明：式为法向应力6较低时的情况，同时说明，因为起伏度的存在可增大结构面的摩擦角，0 bT0 b+ i。2)当法向应力6定值6 i后，凸起被剪断，此时：T =6 tg 0 b+C0、C为结构面壁岩的内摩擦角和内聚力。由和可得剪断凸起的条件：Cff I 4.-：tggi) - tg当 ctVcti
10、时(较小)，兀=cf，tg 仲 b+i);当 ctct时，i=cTtgO+C.2不规则起伏结构面绝大多数粗糙无充填的结构面将是不规则起伏的1)巴顿(Barton , 1982 )的结构面抗剪强度公式V与认为应采用剪胀角来表示该种结构面的抗剪强度剪胀角(ad) (Angle of dilation )：结构面在剪切变形过程中所发生的(垂直)法向位移切向(水平)位移之比的反正切值。即：:tg ()也U通过大量的详细实验研究，他得出了T与a以及JCS与a之间的关系:T彳阡 tg：tg(1.78： 32.88 )JRc JcSJCS丄二.-；tg(JRCIgu)T式中：o u为岩石基本内摩擦角(平滑锯
11、开面的内摩擦角)。2)莱旦依等(Ladanyi 等，1970)_坊(1 _as)(V +tgu)坦红1 - (1 - as)Vtg%as剪断率；V剪胀率。三、非贯通断续的结构面由裂隙面和非贯通的岩桥组成。假定剪切面上应力分布均匀，则T =KC+(1- K) C+b Ktg 0 j+(1- K)tg 0式中：K 线连续性系数(或裂隙连通率)；C, 0j裂隙面的粘聚力与摩擦角；C 0岩石的粘聚力与摩擦角。(目前已有人用断裂力学理论开展此方面的研究。四、具有充填物的软弱结构面(参泥化夹层、各种夹泥层，其力学性质常与充填物的成分、结构及充填程度和厚度等有关。 见孙广忠的岩体结构力学)1物质成分的影响按充填物的颗粒成分，该结构面大致可分为如下几种类型： 泥化夹层；夹泥层；碎屑夹泥层；碎屑夹层。变形机制：塑性曲线型T脆性曲线型般来说，软弱结构面的抗剪强度T,随充填物的粘土含量f而随碎屑成分增加和颗粒增大而f。2 .充填程度及厚度的影响充填度：充填物厚度d与面起伏差h之比(d/h)。般地，d/ h越小，丁越大；反之，抗剪强度越小。3 充填物的结构特征结构疏松且具定向排列时，结构面的抗剪强度较低，反之，t较高。4 .水的影响指的是充填物中的水对结构面强度的影响。用含水率表征，T随含水率的增高而J。
