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1、 一、结构面的面摩擦效应结构面的面摩擦强度一一指结构面（表面平整光 滑形成面接触）表面在正应力和剪切力的作用下, 所表现出的抵抗剪切位移破坏的最大摩擦力。 1、结构面的面摩擦强度(4-18)R吨勺2在正应力和剪切力的作用下，平整结构面的摩擦 强度是与其表面的摩擦系数有关的函数，即（剪 切）摩攥頑度产/CT P tanp 2、摩擦强度的由来一摩擦试验 试验仪器 正压力O 剪切力T直剪仪 T_常数由小至大直至节理产生位移破坏 3、判断物体滑动与否作用在结构面上有正应力N和剪切力T,合力R,与正压力夹角为QG稳定mVcp,极限皿二申，破坏（X 申。（419）4、摩擦系数结构面发生摩擦时，可产生静、动
2、摩擦两种情况，从而形成静摩擦系数和动摩擦系数。N1）静摩擦系数一一最大摩擦力与相 a应的法向力之比，由图4一12可知，几-,勺 Tmax/Ntana皿期tantp s图4-12结构面的面摩擦效应（式中分别为将位移前的最大正压力，摩擦力及合力夹角）艮既二M s，（P2）动摩擦系数节理面的静摩擦角岩块移动的最小摩擦力与相应正应力之比Tmin /N二tana就亍坳妙k 一旦节理面上的岩块开始滑动，其摩擦力常会 减小，这样求得相应的动摩擦系数办二加k 其中卩&为节理面的动摩擦角。3）动、静摩擦系数大小的影响因素:与结构面性质（强度、硬度）,接触面的光 滑程度，结构面的湿度，结构面中充填物的粘结 程度，
3、滑移速度，温度和振动状态等有关。4）结构面由静止到滑动的规律如图4一13所示，当物体受合力与物体由静止到滑动，静摩擦系数减小到动摩擦系数0 0即（P k（P s。正压力夹角a =（p $时，物体开始 滑动时卩s转为卩由此得出结论:物体（结构面）在剪切力和正压力作用下滑动维持一个常数值（匀速运动）O当剪切力移开（撤除）后，运动停止，其运动位移不可恢复。当再次加载a二，物体再次滑动。二、结构面的楔摩擦效应自然界中岩体结构面的表面大多数都是起伏附加的（齿形凸凹）不平的，当受到拉、剪应力作用 时，这种起伏不平状态将给结构面强度产生一个 关；M轆轆它与起伏不平的斜面有樱效应摩擦指由齿型结构面所产生的附加
4、强 度。 楔效应摩擦可分为规则齿状结构面摩擦及不 规则齿状结构面摩擦两种。分述如下：（一）规则齿形结构面的楔效应摩擦 规则齿形结构面就是将起伏不平的结构面表面其蕖角中尼 同法。在 相方典以 有该篦 具在为， 晩*-认 化性式公析单技 分勒程 来和工 ，式的 形公界 齿度学。 则强窃 规顿体介 1、帕顿的结构面强度公式 图414 (b)为一简化成规则齿形节理面试件。1)假设-(1)结构面的各接触面有相同的坡面角; (2)齿面与水平面的夹角(坡面角、爬坡角)为卩；L(3)试件受力为剪切力T和正压力N共同作用 邙艮制性直剪试验)； (4)齿面上受剪切力和正压力N，作用；-(5)不断施加剪切力T ,试
5、件沿结构面齿面AB发生破坏（被剪断）2）求：齿面上的剪切力和正压力2（1）正应力：在AOCD 中，0C二NCOSjB ,在AOGF中,FG=Tsm(3,贝収二 NCOS卩+Tsm(3。（2）剪切力:（Tdc向与卩方向相反）在 A0CD 中，DC=-NSinp 在A0GF 中，0G = TCOSP 则T!=-NSinp + TCOSp。 3)结构面的总摩擦角爭显然，在正压力N，和剪切力T，作用下的直剪试验，结构面 的破坏将沿着一个低强度的齿面AE产生，此时试件发生 破坏，对于作用在齿形斜面(AfB )上的N，和丁必须满足 其摩擦强度条件。黑竽晴二r/ Np丿为齿形斜面上的摩擦角)，将和N 竺右则
6、tan叭二 TCOSP -NSinp / NCOSp +Tsinp,将其展 开得： NCOSp tan 丿 +Tsinptan0 y = TCOSP NSinp同时，结构面沿着一个低强度的齿面AE产生破坏，还必 须满足试件外部的正压力和剪切力作用条件，整理得 N （COS卩 tan（p y +Sin卩）二 T （COSP -sin3tan（p 丿）即 tan二 T/N二（COS卩-sm3tan 7 ） / （COSp tan y +Sin卩）Tcos tan 0+sin Btan / = =sin p tan(ptsin /3 tan cp. +_7 cos J3T sin戸/ cos牛 ta
7、n戸sin Q .1 一tan cp.cos J37由上试得出：（tan.+tan/?）/ （1-tan.tan/?） = tan+P）故： tanp= tan（pj+P）：二（伤+Q _ （4一24）（P体（结构面）在外力作用下的总摩擦角。 4）结构面上总摩擦角卩及其它角度关系由公式424可得出的结论：规则齿形结构面破坏规律：一五方面-(1)具有0角的规则齿形结构面，直剪试验时， 在较低正应力作用下，结构面表现出爬坡效应的 破坏特征。 (2)爬坡效应破坏的总摩擦角卩等于结构面的摩 擦角卩溯爬坡角(坡面角)0之和，即卩=P j+ P (3)在结构面极限应力状态时，齿形斜面 (A，B)上的正压力
8、廊剪切力的合力应与作用 在该平面上的正压力M间的夹角卩j,即结构面的 摩撫侖。 (4)作用在齿形斜面上(A，B)的正压力，又与 外部正压力夹角为0 ,即爬坡角。 （5）斜面上的合力与作用在外部的正压力N间 的夹角为（P（P j+P。 5）结构面的变形曲线i= 在上述分析中并没有考虑正应力大小给与的 影响。如果加大作用在结构面上的正压力增大， 帕顿认为：结构面将出现剪断齿尖的破坏特征（扩容量减小，随剪切力上升，变形梯度变小， 曲线变缓）。因此，此时的强度表达式应用另一 条直线描述：T二Cj+O tan（p j , 式中q、j分别为剪断齿尖时表现出的粘结 力和内摩擦角。其实，剪断齿尖曲线公式就是莫
9、 尔一库仑强度包络线的表达式。综合帕顿对规则齿形结构面强度的描述，可发现结构面强度其为一条折线方程，表现了不同的破坏机理采用不同的强度公式。如下：ua T r= Cj + a tan（p 丿（切齿效应）Cj式中：o 丫为两条强度线的交点，表示区别爬 坡效应与切齿效应的正应力值。实质为两强度转 折点，说明直剪试验时，结构面是由爬坡转为齿 尖开始剪断的效果。由上述两式转换的值）并记录每个试样的残余剪切力（每一正压 力下，剪切位移开始时的剪切力），即可画出残 余剪切力下的残余破坏包络线oc o6）规则齿形结构面楔摩擦的扩容前述在进行变形分析时可知，结构面上下齿形面壁相对位移时，不仅沿剪切力方向产生位
10、移U, 而且也沿垂直方向产生垂直位移V,由图4一15 (b)得出:在剪切位移下,结构面上半块试件(面壁)将沿爬坡角产生位移,当齿形越过齿尖将沿另外一个齿形斜面位移，因此，在水平位移(U)与垂直位移(V)的坐标下，将表现出齿形的轮廓线，最终形成扩容曲线0乩 2、勒单尼提出的结构面强度公式 勒单尼在分析了规则齿形结构面剪切过程中 的受力状态，提出了结构面的剪切抵抗能力是由 四部分组成。 1) 力 2) 畐剪切扩容所提供的分量正压力增大，水平（剪切力）增大； 3) 4)水平推力作用于齿形斜面所产生的剪切抵抗分 在无扩容条件下，正压力产生的剪切抵抗分量; 剪断齿尖而产生的剪切抵抗分量。勒单尼公式表现了
11、规则齿形结构面在剪切过程 中，爬坡同时又切齿的破坏机理，但参数太多， 表达过于复杂，虽合理，但少用。（二）不规则齿形结构面的楔效应摩擦强度天然节理面，多数都呈不规则齿状起伏，其 起伏状态通常可用节理表面的起伏度和粗糙度加 以描速。1977年巴顿根据大量试验，经统计分析提出 了经验公式4一34TCSz = crn tanJ7?Clg()+(ph cn an节理面上的正应力该公式包括三个参数： 1、节理面粗糙度系数(JRC) (Joint Roughness Coefficient)图4 16,巴顿按粗糙度分成110级，JRC分别取值020（02, 241820）每2格为一级取10cm长剖面。 2
12、、节理面面壁的单轴抗压强度（JCS）依表现 风化程度而定：轻岩块，重节理面。 3、（节理面）基本内摩擦角p b （相当于平整T1 an()(phJRC=旦lg()bn或光滑节理面的摩擦角），用残余剪切实验求得, 多数为2535 o如已知结构面在正应力下的抗剪强度，则粗糙度系数为： 三、结构面的转动摩擦效应（自学）四、结构面的滚动摩擦效应（自学）五、结构面强度的尺寸效应 图421为地下巷道，它周 围岩体处于完整及被结构面 切割成不同结构体的单元块 体。由图可得出的结论（结 构面强度的尺寸效应）：地下巷道(d)（e）图421岩体单元的尺寸效应到更多岩体中的结构面，对岩体力学特性的影响与单元块 体大
13、小有关，即通常所说的结构面的尺寸效应。巴顿对结构面的尺寸效应问题进行了大量研究研究 结果，如图422曲线结构面的尺寸效应规律午结构面的尺寸效应如下:f 1、随结构面面积的增大，峰值剪应力将随之减小，裂隙度切割度增大。2、随结构面面积的增大，峰值剪应力对应的剪切位移，也将随之增大。 刚度减小。3、随着结构面面积的增大，结构面的剪切位移 曲线由脆断型向软弱型过渡，因破碎糜棱岩充填了 其中，使之体现充填物特性。4、随着结构面面积的增大，其扩容量有随之减小 i的趋势，一齿面磨蚀破碎剪胀减小的原因。目前，结构面的尺寸效应属岩体力学中的难题，其产生的机理还没有定论，不社，肴两种说法（论点）有一定说服力，在此作一简单介绍。 1）巴顿说：认为产生结构面尺寸效应的主要因素 是结构面面壁强度一建立在岩石兪验上。2）剪切面积比说：认为结构面的接触面积远小于 岩块的面积，故剪切抵抗力要比岩块小得多。
