5结构面的力学效应

第五节结构面的力学效应1、节理岩体强度分析2、结构面对岩体强度的影响3、岩体强度的确定方法3.3岩体的强度岩石力学31313131313131313结构面的产状对岩体的强度产生影响。三种可能破坏形式：（1）结构面破坏；（2）岩块破坏；（3）岩块与结构面同时破坏。1、节理岩体强度分析岩体由结构面和岩块组成，其强度必然受到岩块和结构面强度及其组合方式的控制；一般情况下岩体强度既不同于岩块强度，也不同于结构面强度。带有节理的岩体在破坏时有可能沿岩块内部破坏，也可能沿节理破坏，在节理较多且分布条件下，多数会沿节理破坏。无论岩体沿节理破坏还是岩块内部破坏均符合摩尔—库仑理论：jjftgc结构面是一个方向，在莫尔圆上是一个点。所以，稳定问题是点与直线的位置问题。岩体强度包括:抗压、抗拉、抗剪强度。岩体抗拉一般不研究，不允许岩体中有拉应力出现。因此主要讨论岩体的抗压强度和抗剪强度。岩体破坏本质一般是剪切破坏（也有张拉破坏）。一、节理岩体强度分析结构面的强度条件当节理稳定或处于极限平衡时：jjftgcjjftgc莫尔园上的点坐标：整理得：23213131sincos2cos222sin21310cos)cos(sin)sin(cos31jjjjcjjftgc1、节理与岩石的抗剪强度线无关系；2、沿节理破坏必需满足与莫尔圆交点为其节理方向，且该点的正压力与剪应力刚好达到节理的强度；3、一般情况下直线与莫尔圆相割。例题：例：假设洞室边墙处的节理面倾角=500。如图，内摩擦角=400，粘结力C=0，即无粘结力，由实测知道洞室处平均垂直应力，试计算岩石锚杆在边墙处应提供多大水平应力时才能维持边墙的平衡？若运用强度包络线理论，结构面包络线及岩块包络线分别表达如下，岩体破坏不仅要考虑岩块的稳定性还需要重点了解结构面的稳定情况，此时需要重点探讨结构面的产状情况。2、结构面对岩体强度的影响分析一、结构面方位对岩体强度的影响图解法，利用正玄定理(见图）由图可见，当β1ββ2时，岩体沿弱面滑动破坏，而且当时，岩体的强度最低，单轴压力强度等于σs1时，岩体就破坏，弱面的抗剪强度为τs1。如果β增大或减小，岩体的强度都提高。当β1β或ββ2时，岩体就不沿弱面破坏，而沿新产生的裂面破坏，这个新产生的裂面和主应力夹角为这时岩体的单轴强度提高。2450s2450e实际上岩体强度在很大程度上取决于结构面的强度，结构面的性质对裂隙岩体具有控制作用：1）结构面方位对岩体强度的影响2、破坏方式的图解判断（1）、无论多少，岩体不破坏。=ntgj+cj=ntg+c3113（2）12时沿结构面破坏；（3）1或2时，既不沿结构面破坏，也不切岩石破坏。13311221=ntgj+cj=ntg+c三、单结构面强度效应（4）、1或2时剪切岩石破坏。（5）＝1或＝2时沿结构面与岩石同时破坏；31311221=ntgj+cj=ntg+c三、单结构面强度效应岩石力学263、岩体破坏的解析法确定（1）沿结构面破坏：对岩体强度有影响的节理方位：β1≤β≤β2J313J221sin2JmCffctg岩石力学27对岩体强度有影响的节理方位角：β1≤β≤β2β1、β2可以直接在图上量取，也可以由正弦定律推求：1311313213()sin1sin[]22()sin1sin[]222JJJJJJJJCctgarcCctgarc岩石力学28（2）岩石（岩块）破坏：对岩体强度无影响的节理方位：β≤β1或β≥β200013000303000001sin2cos1sin1sin2(+)+(1ctg)sin2(=+)42mCCff岩石力学29（3）岩体强度当β＝β1或β＝β2时，岩石结构面同时破坏，岩体强度等于岩块强度当β＜β1或β＞β2时，岩块先破坏，岩体强度等于岩块强度：当β1＜β＜β2结构面先破坏时，岩体强度小于岩块强度J313J2()1sin2JmCffctg030130002(+)+(1ctg)sin2mCff岩石力学30（3）单结构面岩体强度强度取完整岩石强度和结构面强度的小值（两者的强度都按直线型考虑）030J3133000J2(+)2()min(+)(1ctg)sin21sin2JmCfCfffctg，岩体单轴抗压强度：0c000J22min()(1ctg)sin21sin2JmCCffctg，若沿结构面破坏，应满足下列条件：则有，由上式可知：（1）岩体的强度(σ1-σ3)随结构面倾角β的变化而变化，见图。（2）当β→φj或β→90°时，岩体不可能沿结构面破坏，而只能产生剪断岩体破坏。只有当φj≤β≤90°时，岩体才能沿结构面破坏。（3）当β=45°＋φj/2时，岩体强度取得最低值，为：（4）岩体的三轴强度为：当σ3=0，可得岩体的单轴强度为：岩石力学34多结构面的岩体强度：分步运用单结构面理论，分别绘出每一组结构面单独存在时的强度包络线和应力莫尔圆，岩体到底沿哪组结构面破坏，由σ1与各组结构面的夹角所决定。四、多结构面强度效应根据叠加原理多结构面的组合使得受力状态极其复杂，若不计受力后沿结构面滑动对应力分布的影响，则可将多组结构面分别按单一结构面考虑确定其强度，最后综合考虑岩石和各组结构面的强度，取其最小值。随着结构面产状的改变，岩体的破坏方式有：沿结构面的滑动（试件a），部分穿切岩石材料，部分沿结构面滑动（试件b），结构面张开（试件d）和产生新的张裂隙面而破坏（试件c）等。因此，对同一岩体，如果不分析结构面的产状与工程力方向的关系对破坏机制的影响，而采用同一破坏准则来处理问题，必然导致错误的结论。多节理的力学效应（叠加）两组以上的节理同样处理，不过岩体总是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。两组节理力学模型σ1与β的关系曲线二、结构面的粗糙程度对岩体强度的影响：齿接触摩擦包括:（1）规则（2）不规则（1）规则齿不规则齿接触（1977N·Barton）经验公式：])lg(tan[bnnJCSJRC)lg(nbpJCSJRCJRC为节理粗糙系数JCS为节理壁抗压强度)lg(nbpJCSJRC具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层和各种类型的夹泥层，其形成多与水的作用和各类滑错作用有关。这类结构面的力学性质常与充填物的物质成分、结构及充填程度和厚度等因素密切相关。见下图。充填物强度与颗粒粗细的关系内摩擦角、内聚力与充填厚度的关系曲线内摩擦角随充填度增大而减小不同夹层物质成分的结构面抗剪强度夹层成分抗剪强度系数、摩擦系数(f)、粘聚力C(kPa)：泥化夹层和夹泥层0.15～0.255～20；碎屑夹泥层0.3～0.420～40；碎屑夹层0.5～0.60～100；含铁锰质角砾碎屑夹层0.6～0.8530～150。3）结构面内充水对岩体强度的影响