結(jié)構(gòu)面的變形與強度性質(zhì)

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1、1、巖體穩(wěn)定性分析和地下水滲流分析通常把巖體視為由巖塊（結(jié)構(gòu)體）與結(jié)構(gòu)面組成的地質(zhì)體。2、巖體工程中的軟弱夾層問題：如黃河小浪底水庫工程左壩肩的泥化夾層；葛洲壩水利工程壩基的泥化夾層；黑河水庫左壩肩單薄山梁的斷層引發(fā)的滲漏問題；長江三峽自然坡中的軟弱夾層等。這些軟弱結(jié)構(gòu)面在不同程度上影響和控制著工程巖體的穩(wěn)定性。因此，結(jié)構(gòu)面變形與強度性質(zhì)的研究，在工程實踐中具十分重要的實際意義：1）大量工程實踐表明：在工程荷載（小于10Mpa）范圍內(nèi)，工程巖體的失穩(wěn)破壞有相當一部分是沿軟弱結(jié)構(gòu)面破壞的。因此，結(jié)構(gòu)

2、面的強度性質(zhì)的研究是評價巖體穩(wěn)定性的關(guān)鍵。2）在工程荷載作用，結(jié)構(gòu)面及其充填物的變形是巖體變形的主要組成部分，控制著工程巖體的變形特性。3）結(jié)構(gòu)面是巖體中滲透水流的主要通道。4）工程荷載作用下，巖體中的應(yīng)力分布受結(jié)構(gòu)面及其力學(xué)性質(zhì)的影響。第一節(jié)?結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)（特性）結(jié)構(gòu)面的變形包括法向變形和剪切變形兩個方面。一、結(jié)構(gòu)面的法向變形1．法向變形特征（Normaldeformation）設(shè)不含結(jié)構(gòu)面巖塊的變形為ΔVr，含結(jié)構(gòu)面巖塊的變形為ΔVt，那么結(jié)構(gòu)面的法向閉合變形ΔVj為：ΔVj=ΔVt－ΔV

3、r由結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力σn與變形的關(guān)系曲線可得如下特征：1）σn↑，ΔVj↑↑，曲線呈上凹型；σn→σ0，σn－ΔVt變陡，與σn－ΔVr大致變形；2）初始壓縮階段，ΔVt主要由結(jié)構(gòu)面閉合造成的；3）試驗研究表明，當開始，含結(jié)構(gòu)面巖塊的變形由以結(jié)構(gòu)面的閉合→巖塊的彈性變形；4）σn－ΔVj曲線的漸近線大致為：ΔVj=Vm5）結(jié)構(gòu)面的最大閉合量小于結(jié)構(gòu)面的張開度（e）。含結(jié)構(gòu)面的巖塊和不含結(jié)構(gòu)面的巖塊在法向上加荷、卸荷后的應(yīng)力—變形曲線，見教材P76-77（Bandis等，1983）。2．法向變形本構(gòu)方

4、程（法向應(yīng)力與變形之間的關(guān)系）這方面的研究目前仍處于探索階段，已提出的本構(gòu)方程都在試驗的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的經(jīng)驗方程，如Goodman，Bandis及孫廣忠等人。1）古德曼（Goodman，1974）雙曲線函數(shù)擬合結(jié)構(gòu)面法向應(yīng)力σn與閉合變形ΔVj（mm）間的本構(gòu)關(guān)系：?或?????式中：σi為結(jié)構(gòu)面所受的初始應(yīng)力。2）班迪斯等（Bandis等，1983）?當σn→∞時，ΔVj→?????由初始法向強度的定義得：??3．法向剛度的確定（normalstiffness）1）定義：Kn為在法向應(yīng)力作用下，

5、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生單位法向變形所需的應(yīng)力。????（Mpa/cm）試驗（室內(nèi)壓縮試驗、現(xiàn)場壓縮變形試驗如中心孔承壓板法）求得結(jié)構(gòu)面的σn－ΔVj曲線→Kn。中心孔承壓極法：?2）不同法向應(yīng)力下結(jié)構(gòu)面的法向剛度Kn：由法向剛度的定義：?又?代入Kn得：?式中，Kni、Vm可通過室內(nèi)含結(jié)構(gòu)面巖塊壓縮試驗求得。如無試驗資料時，可用Bandis（1983）提出的經(jīng)驗方程求?。?其中，e為結(jié)構(gòu)面的張開度；JRC為結(jié)構(gòu)面的粗糙度系數(shù)；JCS為結(jié)構(gòu)面的壁巖強度。二、結(jié)構(gòu)面的剪切變形1．剪切變形特征1）非線性的，可分為脆

6、性變形和塑性變形如圖5.3所示。①有一定寬度的破碎帶、軟弱夾層及含較厚充填物的裂隙、節(jié)理等軟弱結(jié)構(gòu)面的τ—Δu曲線多屬于塑性變形型；②無充填且較粗糙的硬性結(jié)構(gòu)面則屬于脆性變形型。2）峰值位移受其風(fēng)化程度的影響如圖5.4所示；3）剪切剛度Ks受風(fēng)化程度的影響；4）Ks具明顯的尺寸效應(yīng)；5）Ks隨σn↑而↑。2．剪切變形本構(gòu)方程卡爾哈韋（Kalhaway，1975）τ—Δu曲線用雙曲函數(shù)擬合得：?m，n為雙曲線的形狀系數(shù)，3．剪切剛度的確定Ks（shearstiffness）??（峰值τ—Δu曲線上任

7、一點的切線斜率如圖5.5所示）此外，巴頓（Barton，1977）和喬貝（Choubey，1977）提出的Ks經(jīng)驗公式：?式中：L為剪切結(jié)構(gòu)面的長度；?????φr為結(jié)構(gòu)面的殘余摩擦角。第二節(jié)?結(jié)構(gòu)面的強度性質(zhì)（力學(xué)性質(zhì)）重點研究它的抗剪強度。影響結(jié)構(gòu)面抗剪強度的因素：結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、連續(xù)性、膠結(jié)充填特征及壁巖性質(zhì)、次生變化和受力歷史等等。根據(jù)結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、充填情況及連續(xù)性等特征，將其劃分為四類：?一、平直無充填的結(jié)構(gòu)面包括：剪性破裂面如剪節(jié)理、剪裂隙；脆性斷層；發(fā)育較好的層理面與片理面。特點：平直

8、、光滑，只具有微弱的風(fēng)化蝕變。抗剪強度：τ=σtgφj+Cj（有些教材為τ=σtgφ，因平直、光滑無充填C=0）σ為法向應(yīng)力；φj、Cj為結(jié)構(gòu)面的摩擦角和粘聚力。二、粗糙起伏無充填的結(jié)構(gòu)面特點：具有明顯的粗糙起伏度。當σn較小時→剪脹效應(yīng)（爬坡效應(yīng)）τ↑當σn↑→一定值時→啃斷效應(yīng)?????τ↑1．規(guī)則鋸齒形結(jié)構(gòu)面（理想模型）1）設(shè)起伏角i，起伏差h，齒摩擦角φb且Cb=0根據(jù)力的平衡：（滑移面上的σn和τn）?又由Coulomb-Navier判據(jù)：τn=σntgφb∴??????