高等岩石力学-3结构面+岩体的力学特性

高等岩石力学安全科学与工程矿业工程硕士学位课程重庆大学许江绪论第一篇基础知识篇第二篇基本理论篇第三篇计算机技术应用篇第四篇工程技术应用篇课程目录：第1章地质学基础第2章岩石的物理力学属性第3章结构面力学特性第4章岩体力学特性第一篇基础知识篇第3章结构面力学特性§1法向变形§2剪切变形§3抗剪强度§4影响结构面力学特性的主要因素第3章结构面力学特性§1法向变形§2剪切变形§3抗剪强度§4影响结构面力学特性的主要因素第3章结构面力学特性1.1法向变形曲线1.2Goodman法向应力与结构面闭合量间的关系式1.3Bandis法向应力与结构面法向变形间的关系式§1法向变形1.1法向变形曲线1.2Goodman法向应力与结构面闭合量间的关系式基本关系式：其中：法向变形刚度：基本关系式：法向刚度表达式：初始法向刚度与最大变形量表达式：1.3Bandis法向应力与结构面法向变形间的关系式§1法向变形§2剪切变形§3抗剪强度§4影响结构面力学特性的主要因素第3章结构面力学特性2.1结构面剪切变形曲线2.2结构面剪切变形曲线的分区2.3剪切刚度2.4结构面剪切凸台力学模型§2剪切变形非充填粗糙结构面平坦或有充填物结构面结构面剪切变形曲线2.1结构面剪切变形曲线2.1结构面剪切变形曲线在一定的法向应力作用下，结构面在剪切力作用下将产生切向变形，且通常有以下两种基本形式：非充填粗糙结构面：随剪切变形发生，剪切应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象；平坦(或有充填物)的结构面：初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型，随着剪切变形的持续发展，剪切应力逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达到恒定值，有时也出现剪切硬化。2.2结构面剪切变形曲线的分区弹性区：峰值应力上升区剪应力峰值区：塑性区：峰后应力降低区或恒应力区弹性区弹性区塑性区塑性区剪应力峰值区特别强调：剪切变形曲线从形式上可划分成“弹性区”(即峰前应力上升区)、剪应力峰值区和“塑性区”(即峰后应力降低区或恒应力区。但在结构面剪切过程中，由于伴随有微凸体的弹性变形、劈裂、磨粒的产生与迁移、结构面的相对错动等多种力学过程，因此，剪切变形一般是不可恢复的，即便在“弹性区”，剪切变形也不可能完全恢复。2.2结构面剪切变形曲线的分区2.3剪切刚度2.4结构面剪切凸台力学模型对于凹凸不平的结构面，可简化成下图所示的结构面剪切凸台力学模型，其剪切结构面上有一凸台，模型上半部作用有剪切力S和法向力N，模型下半部固定不动。在剪应力作用下，模型上半部将沿凸台斜面滑动，除有切向运动外，还将产生向上的移动．把这种剪切过程中产生的法向移动分量称之为剪胀。在剪切变形过程中，由于剪应力与法向应力的复合作用，可使凸台剪断或拉断，此时剪胀现象消失；当法向应力较大或结构面剪应力持续增加，最终将使凸台沿根部剪断或拉断。因此，结构面的剪切变形与岩石强度、结构面粗糙度（凸台角i）和法向力密切有关。§2剪切变形§1法向变形§2剪切变形§3抗剪强度§4影响结构面力学特性的主要因素第3章结构面力学特性3.1抗剪强度与法向力间的关系3.2Barton结构面的抗剪强度公式3.3结构面抗剪强度的尺寸效应3.4结构面抗剪强度与其变形历史相关3.5充填物厚度与成分对结构面抗剪强度的影响§3抗剪强度根据结构面剪切凸台力学模型，结构面抗剪强度与法向应力间的关系曲线（其中φb为岩石平坦表面基本摩擦角，i为结构面凸台斜坡角）为：3.1抗剪强度与法向力间的关系大量试验结果表明，结构面抗剪强度与法向力间的关系一般也可表述为线性关系，即可用库仑准则表述为：式中：c和分别是结构面上的粘结力和摩擦角是作用在结构面上的法向应力tanncn3.1抗剪强度与法向力间的关系3.2Barton的结构面抗剪强度公式结构面的抗剪强度公式：式中：JRC是结构面壁岩石的单轴抗压强度是岩石表面的基本摩擦角JRC为结构面的粗糙性系数bnnJCSJRClgtanb右图为Barton和Choubey给出的10种典型剖面及其JRC取值计算公式：JRC取值：nbpJCSJRClog3.2Barton的结构面抗剪强度公式3.3结构面抗剪强度的尺寸效应3.4结构面抗剪强度与其变形历史相关3.5充填物对结构面抗剪强度的影响3.5充填物对结构面抗剪强度的影响§1法向变形§2剪切变形§3抗剪强度§4影响结构面力学特性的主要因素第3章结构面力学特性？§4影响结构面力学特性的主要因素第1章地质学基础第2章岩石的物理力学属性第3章结构面力学特性第4章岩体力学特性第一篇基础知识篇§1岩体的变形特性§2岩体的强度特征§3岩体的水力学性质第4章岩体力学特性§1岩体的变形特性§2岩体的强度特征§3岩体的水力学性质第4章岩体力学特性1.1岩体的单轴或三轴压缩变形特征1.2岩体剪切变形特征1.3岩体各向异性变形特征1.4特别提醒§1岩体的变形特性现场岩体循环压缩应力－应变全过程曲线弹性变形量与残余变形量变形模量1.1岩体的单轴或三轴压缩变形特征现场岩体循环压缩应力－应变全过程曲线：1.1岩体的单轴或三轴压缩变形特征弹性变形量与残余变形量：变形模量：baE1.1岩体的单轴或三轴压缩变形特征1.2岩体剪切变形特征构成岩体变形各向异性的两个基本要素不同结构面方位对岩体力学性质的影响三维模型试验1.3岩体各向异性变形特征构成岩体变形各向异性的两个基本要素：物质成分和物质结构的方向性结构面的方向性1.3岩体各向异性变形特征不同结构面方位对岩体力学性质的影响：岩体峰值强度变形模量1.3岩体各向异性变形特征三维模型试验：1.3岩体各向异性变形特征岩体力学性质均具有方向性工程布置中如何考虑扬长避短1.4特别提醒§1岩体的变形特性§2岩体的强度特征§3岩体的水力学性质第4章岩体力学特性2.1概述2.2岩体强度的现场测定2.3结构面的强度效应2.4岩体强度的估算§2岩体的强度特征岩体强度：岩体抵抗外力破坏的能力岩体强度的分类：抗压(单轴、三轴)、抗拉和抗剪控制裂隙岩体强度的因素：岩石材料结构面特征：数量、方向、间距和性质等赋存条件：地应力、地下水和地温等2.1概述岩体单轴抗压强度的测定岩体抗剪强度的测定原位岩体三轴压缩强度试验2.2岩体强度的现场测定岩体单轴抗压强度的测定：2.2岩体强度的现场测定岩体抗剪强度的测定：2.2岩体强度的现场测定原位岩体三轴压缩强度试验2.2岩体强度的现场测定2.2岩体强度的现场测定2.2岩体强度的现场测定A.单一结构面强度效应B.多结构面岩体强度2.3结构面的强度效应A单一结构面强度效应a.岩体破坏的条件b.岩体强度与结构面倾角的关系2.3结构面的强度效应a岩体破坏的条件岩体产生破坏的两种可能性岩体破坏的条件2.3结构面的强度效应岩体产生破坏的两种可能性：沿结构面产生滑移失稳岩石块体自身破坏2.3结构面的强度效应岩体破坏的条件：沿结构面产生滑移失稳的条件：岩石块体自身破坏的条件：2.3结构面的强度效应b岩体强度与结构面倾角的关系岩石块体：结构面：2.3结构面的强度效应b岩体强度与结构面倾角的关系莫尔圆在结构面抗剪强度曲线之下：稳定莫尔圆与结构面抗剪强度曲线相切：沿某特殊方向的结构面破坏莫尔圆介于岩石材料抗剪强度曲线与结构面抗剪强度曲线之间：沿某方向范围结构面破坏莫尔圆与岩石材料抗剪强度曲线相切：沿某方向范围结构面破坏或岩石材料破坏2.3结构面的强度效应b岩体强度与结构面倾角的关系岩石块体：结构面：2.3结构面的强度效应0313岩体强度受加载方向与结构面夹角θ的控制，因此，表现出岩体强度的各向异性。2.3结构面的强度效应132.3结构面的强度效应岩体强度的各向异性－－单一结构面：(1)当σ1与结构面垂直，岩体强度与结构面无关，为岩石块体强度；(2)当θ＝450－φj/2，岩体将沿结构面破坏,其强度为结构面强度；(3)当σ1与结构面平行，结构面的抗拉强度小，岩体将因结构面的横向扩展而破坏。2.3结构面的强度效应B多结构面岩体强度132.3结构面的强度效应多结构面强度效应：2.3结构面的强度效应岩体强度的各向异性－多结构面：岩体的强度图像将为各单组结构面岩体强度图像的叠加，如图中阴影部分。如果结构面分布均匀、且强度大体相同时，则岩体表现出各向同性的特性，但强度却大大削弱了。2.3结构面的强度效应A.准岩体强度B.Hoek-Brown经验方程2.4岩体强度的估算A准岩体强度龟裂（完整性）系数：式中：Vml为岩体中弹性纵波传播速度Vcl为岩块中弹性纵波传播速度准岩体强抗压（拉）强度：2.4岩体强度的估算BHoek-Brown经验方程岩块三轴抗压强度：岩体单轴抗压强度：岩体单轴抗拉强度：岩体抗剪强度：§1岩体的变形特性§2岩体的强度特征§3岩体的水力学性质第4章岩体力学特性3.1岩体与土体渗流的区别3.2岩体空隙的结构类型3.3岩体的渗流问题3.4地下水渗流对岩体力学性质的影响§3岩体的水力学性质3.1岩体与土体渗流的区别土体的渗流特点：岩体的渗流特点：3.2岩体空隙的结构类型A.按岩体空隙结构分布B.按岩体空隙形成机理C.按岩体空隙的表现形式D.按岩体结构面的连续性A按岩体空隙结构分布多孔连续介质裂隙网络介质狭义双重介质广义双重介质岩溶管道网络介质3.2岩体空隙的结构类型B按岩体空隙形成机理原生空隙结构次生空隙结构3.2岩体空隙的结构类型C按岩体空隙的表现形式准孔隙结构裂隙网络结构孔隙－裂隙双重结构溶隙－管道（或暗河）双重结构3.2岩体空隙的结构类型D按岩体结构面的连续性连续介质等效连续介质非连续介质3.2岩体空隙的结构类型3.3岩体的渗流问题A.岩体的渗透性B.岩体的渗透率C.岩体的渗透系数D.岩体的渗透张量和渗透张量场E.渗透系数张量和渗透系数张量场A.岩体的渗透性B.岩体的渗透率3.3岩体的渗流问题单裂隙介质的渗透率：岩体裂隙系统的渗透率：3.3岩体的渗流问题C岩体的渗透系数渗透系数正常温度异常温度D岩体的渗透张量和渗透张量场岩体由多组裂隙组成，且其间岩块为不透水时：45裂隙为陡倾角时：46裂隙的宽度和密度十分整齐和规则，但方位杂乱无章时：47岩体中只发育有唯一的一个方向裂隙组，且裂隙宽度和间距为常数时：48岩体中只发育有两个相交的方向裂隙组，且裂隙宽度和间距为常数时：49E渗透系数张量和渗透系数张量场渗透系数张量渗透系数张量场A.物理作用B.化学作用C.力学作用3.4地下水渗流对岩体力学性质的影响A物理作用润滑作用软化和泥化作用结合水的强化作用3.4地下水渗流对岩体力学性质的影响B化学作用离子交换溶解作用和溶蚀作用水化作用水解作用氧化还原作用3.4地下水渗流对岩体力学性质的影响C力学作用空隙静水压力与空隙动水压力未充满空隙的地下水使岩土体中的有效应力增加充满空隙的地下水使岩土体中的有效应力减小岩土体中充满流动的地下水时地下水对裂隙壁的作用3.4地下水渗流对岩体力学性质的影响