節(jié)理面的力學(xué)性質(zhì)

1、巖石力學(xué)Rock Mechanics12.4 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)2結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)主要包括三個(gè)方面：1、法向壓縮變形；2、切向剪切變形；3、抗剪強(qiáng)度。3一、法向變形在法向荷載作用下，巖石粗糙結(jié)構(gòu)面的接觸面積和接觸點(diǎn)數(shù)隨荷載增大而增加，結(jié)構(gòu)面間隙呈非線性減小，應(yīng)力與法向變形之間呈指數(shù)關(guān)系。4一、法向變形Goodman(1974)通過試驗(yàn)，得出法向應(yīng)力n與結(jié)構(gòu)面閉合量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；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(xué)性質(zhì)有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)。5一、法向變形 法向變形剛度Kn，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

2、巖石本身的力學(xué)性質(zhì)，更主要取決于粗糙結(jié)構(gòu)面接觸點(diǎn)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(gè)常數(shù),與應(yīng)力水平有關(guān)。6一、法向變形Goodman(1974)的研究結(jié)果：式中：Kn0為結(jié)構(gòu)面初始剛度。7一、法向變形Bandis等人(1984)通過對大量的天然、不同風(fēng)化程度和表面粗糙程度的非充填結(jié)構(gòu)面的試驗(yàn)研究，提出雙曲線型關(guān)系式：8一、法向變形式中：JCS為單軸抗壓強(qiáng)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。9二、剪切變形 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(dāng)達(dá)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

3、，并產(chǎn)生不規(guī)則的峰后變形(曲線A)或滯滑現(xiàn)象.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：102、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(dá)恒定值，有時(shí)也出現(xiàn)剪切硬化(曲線B）。二、剪切變形11 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)。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(cuò)動等多種力學(xué)過程。因此，剪切變形一般是不可恢復(fù)的，即便在“彈性

4、區(qū)”，剪切變形也不可能完全恢復(fù)。二、剪切變形12二、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)果式中，Kt0是初始剪切剛度，s是產(chǎn)生較大剪切位移時(shí)的剪應(yīng)力漸近值。試驗(yàn)結(jié)果表明，較堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)面，剪切剛度一般是常數(shù)；松軟結(jié)構(gòu)面，剪切剛度隨法向應(yīng)力的大小而改變。13二、剪切變形結(jié)構(gòu)面簡化分析模型14三、抗剪強(qiáng)度1、庫侖準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)面最重要的力學(xué)性質(zhì)之一是抗剪強(qiáng)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(xué)機(jī)制比較復(fù)雜，構(gòu)成結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的因素是多方面的，大量試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度一般可以用庫侖準(zhǔn)則表述：15三、抗剪強(qiáng)度凸臺

5、模型的抗強(qiáng)度曲線16三、抗剪強(qiáng)度2、巴頓（Barton)模型：試驗(yàn)表明，低法向應(yīng)力時(shí)的剪切，結(jié)構(gòu)面有剪切位移和剪脹；高法向應(yīng)力時(shí)，凸臺剪斷，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度最終變成殘余抗剪強(qiáng)度。在剪切過程中，凸臺起伏形成的粗糙度以及巖石強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度起著重要作用。Barton經(jīng)試驗(yàn)研究提出了考慮三個(gè)基本因素(法向力n、粗糙度JRC、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度JCS)的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度公式。17三、抗剪強(qiáng)度式中，JCS是結(jié)構(gòu)面的抗壓強(qiáng)度，b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。18三、抗剪強(qiáng)度JRC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

6、5，平坦起伏結(jié)構(gòu)面為10。粗糙起伏結(jié)構(gòu)面為2019三、抗剪強(qiáng)度3、結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的尺寸效應(yīng)Barton等(1982)用不同尺寸的結(jié)構(gòu)面的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)面的試塊長度從56cm增加到3640cm時(shí)，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(gè)方面：隨結(jié)構(gòu)面尺寸增大，達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)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；隨尺寸加大，峰值剪脹角減?。浑S結(jié)構(gòu)面粗糙度減小，尺寸效應(yīng)也在減小。20三、抗剪強(qiáng)度4、變形歷史的影響第一次進(jìn)行新鮮結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)時(shí)，試樣具有很高的抗剪強(qiáng)度，沿同一方向重復(fù)進(jìn)行到第7次剪切試驗(yàn)時(shí)，試樣還保留峰值與殘余值的區(qū)別，當(dāng)進(jìn)行到第15次時(shí)，已看不出峰值與殘余值的區(qū)別，說明在重復(fù)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(xué)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(xué)性質(zhì)所控制。21三、抗剪強(qiáng)度5、結(jié)構(gòu)面充填物的影響結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填物的厚度小于主力凸臺高度時(shí)，結(jié)構(gòu)