節(jié)理面的力學性質(zhì)

1、2.4結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)主要包括三個方面:1、法向壓縮變形;2、切向剪切變形;3、抗剪強度。在法向荷載作用 下，巖石粗糙結(jié)構(gòu)面的接觸面積和接觸點數(shù)隨荷載增大而增加，結(jié)構(gòu)面間隙呈非線性減小， 血力與法向變形之間呈指數(shù)關(guān)系。非嚙合結(jié)構(gòu)面法向變形Goodman (1974)通過試驗，得出法向應(yīng)力CT n 與結(jié)構(gòu)面閉合量6 n有如下關(guān)系：式中，§稱為原位壓力，由測量結(jié)構(gòu)面 法向變形的初始條件決定；5 max是最大可 能閉合量；s、t是與結(jié)構(gòu)面幾何待征、巖 石力學性質(zhì)有關(guān)的兩個參數(shù)。非嚙合結(jié)構(gòu)面4法向變形剛度Km反映 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生單位法向變形 的法向應(yīng)力梯度，它不僅 取決于巖石本身

2、的力學性 質(zhì)，更主要取決于粗糙結(jié) 構(gòu)面接觸點數(shù)、接觸面積 和結(jié)構(gòu)面兩側(cè)微凸體相互 嚙合程度。通常情況下， 法向變形剛度不是一個常 數(shù),與應(yīng)力水平有關(guān)。石石力學、法向變形Goodman (1974)的研究結(jié)果:p _ p ( nOmax +”卅2 匚心o()nOmax式中：心為結(jié)構(gòu)面初始剛度。7巖石力學、法向變形Band is等人(1984)通過對大量的天然、不同 風化程度和表面粗糙程度的非充填結(jié)構(gòu)面的 試驗研究，提出雙曲線型關(guān)系式：a-b8nK =宜=1" 込 (° -礙尸)_2KMmax + 內(nèi)1h7巖石力學、法向變形JCSK簡=0.02()+ 1J5JRC - 0.7n

3、O益。+ SC)-nQ式中：JCS為單軸抗壓強度；JRC為結(jié)構(gòu)面 的粗糙系數(shù)；A、B、C、D為常數(shù)，取決于結(jié) 構(gòu)面的受載歷史。7巖石力學、剪切變形在一定的法向應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面在剪切作用下產(chǎn)生切向變形。通常有兩種基本形式:1、對非充填粗糙結(jié)構(gòu)面，隨剪切變形發(fā)生，剪切應(yīng)力相對上升較快，當達到剪應(yīng)力峰值后，結(jié)構(gòu)面抗剪能力出現(xiàn)較大的下降，并產(chǎn)生不規(guī)則的峰后 變形（曲線A）或滯滑現(xiàn)象.、剪切變形、剪切變形AB2、對于平坦（或有充 填物）的結(jié)構(gòu)面，初始階 段的剪切變形曲線呈現(xiàn) 下凹型，隨著剪切變形 的持續(xù)發(fā)展，剪切應(yīng)力 逐漸升高但沒有明顯的 峰值出現(xiàn)，最終達恒定 值，有時也出現(xiàn)剪切硬、剪切變形化（曲線B

4、）。、剪切變形剪切變形曲線從形式上可劃分成彈性區(qū)（ 峰前應(yīng)力上升區(qū)）、剪應(yīng)力峰值區(qū)和塑性區(qū) （峰后應(yīng)力降低區(qū)或恒應(yīng)力區(qū)）（Goodman, 1974）o在結(jié)構(gòu)面剪切過程中，伴隨有微凸體的彈 性變形、劈裂、磨粒的產(chǎn)生與遷移、結(jié)構(gòu)面 的相對錯動等多種力學過程。因此，剪切變 形一般是不可恢復的，即便在“彈性區(qū)”， 剪切變形也不可能完全恢復。巖石力學、剪切變形剪切剛度Kt:通常將彈性區(qū)內(nèi)單位變形的應(yīng) 力梯度稱為剪切剛度。根據(jù)Goodman (1974)研究結(jié)果K產(chǎn)薯譏(1二SStTs式中，Kto是初始剪切剛度，T s是產(chǎn)生較大剪 切位移時的剪應(yīng)力漸近值。試驗結(jié)果表明，較 堅硬的結(jié)構(gòu)面，剪切剛度一般是常

5、數(shù)；松軟結(jié) 構(gòu)面，剪切剛度隨法向應(yīng)力的大小而改變。嚴椰、心' 巖石力學、剪切變形結(jié)構(gòu)面簡化分析模型(b)圖2-8結(jié)構(gòu)面剪切力學模型抗剪強度1、庫侖準則結(jié)構(gòu)面最重要的力學性質(zhì)之一是抗剪強度， 從結(jié)構(gòu)面的變形分析可以看出，結(jié)構(gòu)面在剪切 過程中的力學機制比較復雜，構(gòu)成結(jié)構(gòu)面抗剪 強度的因素是多方面的，大量試驗結(jié)果表明， 結(jié)構(gòu)面抗剪強度一般可以用庫侖準則表述：廠=c + crntg(p = C + cr/g(© + 0抗剪強度凸臺模型的抗強度曲線完全接融剪斷凸合抗剪強度2、巴頓(Barton)模型：IDiIDi試驗表明，低法向應(yīng)力時的剪切，結(jié)構(gòu)面有 剪切位移和剪脹；高法向應(yīng)力時，凸臺

6、剪斷， 結(jié)構(gòu)面抗剪強度最終變成殘余抗剪強度。在剪 切過程中，凸臺起伏形成的粗糙度以及巖石強 度對結(jié)構(gòu)面的抗剪強度起著重要作用。1=Barton經(jīng)試驗研兗握出了考慮三個基本因 素(法向力or n、粗糙度JRC、結(jié)構(gòu)面強度 JCS)的結(jié)構(gòu)面抗剪強度公式。二抗剪強度JCST = antgJRClg()+ ©1=式中，JCS是結(jié)構(gòu)面的抗壓強度，（pb是巖石 表面的基本摩擦角，JRC為結(jié)構(gòu)面粗糙性系 數(shù)，根據(jù)10種典型剖面對比確定，目前可根 據(jù)分形幾何理論定量確定?？辜魪姸菾RC值根據(jù)結(jié)構(gòu) 面的粗糙性在 020間變化,平坦近平滑結(jié)構(gòu)面為5,平坦起伏結(jié)構(gòu)面為10o粗糙起伏結(jié)構(gòu)面為20二抗剪強度-

7、13、結(jié)構(gòu)面力學性質(zhì)的尺寸效應(yīng)IDiBarton等(1982)用不同尺寸的結(jié)構(gòu)面的試驗 結(jié)果表明，當結(jié)構(gòu)面的試塊長度從56cm增加 到3640cm時，平均峰值摩擦角降低812。 隨試塊面積增加，平均峰值剪切應(yīng)力呈減少趨 勢。尺寸效應(yīng)還體現(xiàn)在以下幾個方面：隨結(jié) 構(gòu)面尺寸增大，達到峰值強度時的位移量增大 由于尺寸增加，剪切破壞形式由脆性破壞向 延性轉(zhuǎn)化；隨尺寸加去窿值剪胺角渝??； 隨結(jié)構(gòu)面粗糙度減小，尺寸效應(yīng)也在減小。巖石力學I4、變形歷史的影響IDi第一次進行新鮮結(jié)構(gòu)面剪切試驗時，試樣具 有很高的抗剪強度，沿同一方向重復進行到第7 次剪切試驗時，試樣還保留峰值與殘余值的區(qū) 別，當進行到第15次時，已看不出峰值與殘余 值的區(qū)別，說明在重復剪切過程中結(jié)構(gòu)面上凸 臺被剪斷、磨損，巖粒、碎屑的產(chǎn)生與遷移， 使結(jié)構(gòu)面的抗剪力學行為逐漸由凸臺粗糙度和起伏度控制轉(zhuǎn)化為由結(jié)構(gòu)面上碎巖屑的力學性 質(zhì)所控制。2D塚力學5、結(jié)構(gòu)面充填物的影響結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填物的