岩体力学-第四章岩体的基本力学性能2

岩体力学RockMassMechanics第四章岩体的基本力学性能李旺林2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第四章岩体的基本力学性能第一节岩体结构面的分析第二节结构面的变形特性第三节结构面的剪切强度特性第四节结构面的力学效应第五节岩体力学性能的现场测试2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性结构面的类型：1.重新胶结的结构面2.未胶结的结构面1）未充填的结构面2）充填的结构面(厚、薄）结构面的变形：1、法向变形2、剪切变形2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性一结构面的法向变形1.结构面法向弹性变形结构面由两个岩壁组成，平滑——面接触粗糙——部分接触、点接触结构面弹性变形指接触面或者接触点的弹性变形。2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性一结构面的法向变形1.结构面法向弹性变形1）假设条件（1）有n个点接触，假设边长为h面接触（2）每个接触面受力相同（3）每个接触面力学特性相同2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性2）计算公式半无限体上作用一个集中力的布辛涅斯克的解m：接触面的形态系数，方形m=0.95μ：hEQ95.01AEmQ122025.02020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性3）讨论(1)最大法向弹性变形的限制条件:作用在试件上的正应力:正方形的边长:接触点材料的单轴抗压强度cnhd22dc2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性（2）结构面壁法向弹性变形公式双面壁20.9dnEh201.8dnEh2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性(3)影响因素a.与外荷载成正比b.结构面的力学特性成正比c.结构面的表面形态两者相互牵连'cE，，hn,0n201.8dnEh2020/1/1岩体力学（2011-202学年）结构面法向弹性变形例题已知岩体试件的尺寸:15*15*15cm，作用在试件上的外荷载P=200KN。测得试件总的变形为0.043cm，岩石的=175(MPa)，结构面面壁强度为岩石的0.8倍，岩石的弹性模量E=1.0*104(MPa)cc试求:结构面产生最大弹性变形时，接触的个数n及边长h(不计结构面厚度对变形的影响)2020/1/1岩体力学（2011-202学年）分析：1）岩体的变形由两部分组成：岩石和结构面；2）要求的是最大的弹性变形，必须满足结构面的面壁强度的条件；3）求n、h两个未知数，应该联合应用变形和强度条件。第二节结构面的变形特性2020/1/1岩体力学（2011-202学年）结构面法向弹性变形例题cm013.0105.110200EdPdEdPdE42岩cm03.0013.0043.0节cmEdhnhnEd121003.0102008.18.103.08.1422解:2020/1/1岩体力学（2011-202学年）结构面法向弹性变形例题最大的变形，作用在接触点的应力，满足极限强度条件，即:2c2cc2cm29.141758.0102008.0Phn8.0hnP两式相除2020/1/1岩体力学（2011-202学年）结构面法向弹性变形例题强度校核:满足要求答:产生最大弹性法向变形时，n=10(个)h=1.2cm个10ncm12hncm2.1cm19.11229.14hnhnh22220010138.91750.8140101.2PMPaMPanh2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性2、结构面的法向闭合变形1）结构面的弹性变形和非弹性变形古德曼(R.E.Goodman)试验：试样切割成粗糙和波状起伏的切缝，将此缝上下两块试样重合装上，称配称切缝试样；将上半块旋转90°装上，称非配称切缝试样，2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性2）配称节理面弹性变形齿合变形3）非配称节理面弹性变形齿合变形压碎变形2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性二、结构面的剪切位移特性剪切变形比法向闭合变形更为重要，影响岩体稳定性1.剪切位移曲线1)剪切刚度sKu'fKuufsu2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性2）影响因素(1)正应力(2)表面形态(3)填充厚度2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性3）曲线类型(1)脆断型结构面重新胶结(2)切齿型硬性结构面沿一个突出物被剪断(3)间断起伏型硬性结构面沿多个突出物被剪断(4)软弱型结构面充填2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性2.剪切位移曲线的本构方程1）常用的计算模型（脆断型）(1)变刚度模型峰值剪应变不变sfKU2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性(2)常刚度模型剪切刚度不变sfKU2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第二节结构面的变形特性2）常用的计算模型（软弱型）2020/1/1岩体力学（2011-202学年）结构面的剪切强度与结构面的形态相关。（1）面摩擦效应：结构面表面平整（2）楔摩擦效应：结构面表面起伏不平（3）转动摩擦效应：结构面有块状充填物，或节理岩体被节理切割成碎块状（4）滚动摩擦效应：结构面充填物多边或圆状第三节结构面的剪切强度特性2020/1/1岩体力学（2011-202学年）一.结构面的面摩擦效应结构面表面平整，荷载作用表现为摩擦特性T=Rsinα判别准则=RcosαtanαT/A=R/Acosαtanατ=σtanαtanα？tanφ第三节结构面的剪切强度特性2020/1/1岩体力学（2011-202学年）二.结构面的楔摩擦效应1.规则齿形结构面的抗剪强度(楔效应)——帕顿Patton公式第三节结构面的剪切强度特性2020/1/1岩体力学（2011-202学年）(1)考虑爬坡角β的影响'cossin'sincos'cos'sin'sin'cosNNTTNTNNTTNT第三节结构面的剪切强度特性2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第三节结构面的剪切强度特性'''sin'cos'sin'cos'cos'sin'cos'sinsincossinsincoscoscossinsincosjjjjjjjjjjTNtgTNtgNNtgNTtgNTNNtgtg低应力状态2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第三节结构面的剪切强度特性(2)考虑正应力的影响若加大正应力，帕顿认为会出现切齿现象，这是其内摩擦角不同于结构面的内摩擦角，可近似取结构面的内摩擦角σj。爬坡切齿TjTjjtgCtg2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第三节结构面的剪切强度特性(3)Patton公式的讨论a、折线表示的强度判据b、为不同破坏机理的分界点TjTjjjTTjjCtgCtgtgtg2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第三节结构面的剪切强度特性不同爬坡角的影响c、不同爬坡角的影响为固有属性，一般不随应力变化而变,TjCd.不足之处无法表现既爬坡又切齿的破坏机理jTjjjTTjjCtgCtgtgtg2020/1/1岩体力学（2011-202学年）Patton公式例题已知试件的尺寸为40×40×40cm,作用在结构面试件上的应力=10(MPa)。结构面的强度参数=5.0(MPa)=27°，爬坡角β=15°试求:结构面的极限剪应力njcjβ2020/1/1岩体力学（2011-202学年）解：由Patton公式可知：（爬坡效应）（切齿效应）TfjTfjjtgCtg＜第三节结构面的剪切强度特性2020/1/1岩体力学（2011-202学年）Patton公式例题解:两种方法求解a.按的大小，确定其破坏机理，根据不同的破坏机理，按不同的公式计算极限剪应力T2020/1/1岩体力学（2011-202学年）Patton公式例题(爬坡效应)则:005.012.8422710jTjjncMPatgtgtgtgMPa010429.00fnjtgtgMPa2020/1/1岩体力学（2011-202学年）Patton公式例题b.按两种破坏机理，分别计算极限剪应力，取小值爬坡效应:切齿效应:MPa00.9jMPa00.9MPa1.1027tg100.5tgcj0jnjj则,当β=15°时,其极限剪应力为9.00(MPa)2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第三节结构面的剪切强度特性2.规则齿形结构面的抗剪强度(楔效应)——勒单尼Ladany公式1)公式推导在正应力N和剪应力S的作用下，结构面抗剪强度是由四个分量组合成，同时考虑了结构面在剪切过程中的既爬坡又切齿的破坏机理。2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第三节结构面的剪切强度特性(1)剪切扩容提供的摩阻力剪切扩容现象规则齿状结构面，剪切过程产生水平位移的同时，沿齿形斜面向上移动，水平力（Sl）所产生的能力与正压力N产生的能量相等β——爬坡角1SNtg2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第三节结构面的剪切强度特性(2)水平推力作用于齿形斜面提供的摩阻力由于齿形斜面，水平力产生垂直于斜面的分量，该分量会产生剪切抵抗的附加值。2nSStgtg2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第三节结构面的剪切强度特性(3)无扩容条件下正压力的剪切抵抗分量（S3）无扩容条件下正压力提供的摩阻力n3tgNS2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第三节结构面的剪切强度特性(4)剪断齿尖而产生的剪切抵抗分量切齿所需的力004ACtgNS2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第三节结构面的剪切强度特性结构面的剪切强度剪切面积比—被剪断齿的面积与剪切面的总面积比,合理地分摊了结构面在剪切过程中，爬坡和切齿破坏机理所作出的贡献。4321SSSSSsa2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第三节结构面的剪切强度特性sns00nsnnsns00sns00sns4s321a1tgtgi1aCtga1tgtgiASa1tgtgi1aACNtga1tgtgiNSaACNtga1NtgtgtgisNtgiaSa1SSSS2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第三节结构面的剪切强度特性2)公式讨论(1)物理意义明确，同时考虑爬坡和切齿效应，弥补了Patton公式的不足；(2)引入剪切面积比的重要概念，使强度公式更合理；(3)不足之处a.参数太多，不易求；b.公式复杂；c.描述的只是规则齿型结构面。sa2020/1/1岩体力学（2011-202学年）第三节结构面的剪切强度特性3.不规则齿形结构面的抗剪强度——巴顿（Barton）公式结构面的表面形态很少是规则的Barton经过三百块天然结构面的剪