高等岩石力学-3结构面 岩体的力学特性

1.2 岩体剪切变形特征
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 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：
(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－φ φj/2，岩 /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
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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。
塑性区 弹性区 塑性区 弹性区
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。
1.1 法向变形曲线
1.2 Goodman法向应力与结构面闭合量间的关系式
基本关系式：
1.3 Bandis法向应力与结构面法向变形间的关系式 基本关系式：
其中：
法向刚度表 法向刚度表达式： 式 初始法向刚度与最大变形量表达式：
法向变形刚度：
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
2.4 岩体强度的估算 A.准岩体强度 B.Hoek-Brown 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：
B Hoek-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：
3.3 岩体的渗流问题 A.岩体的渗透性
B 岩体的渗透率 B.
3.3 岩体的渗流问题
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
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
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§4 影响结构面力学特性的主要因素
？
第一篇 基础知识篇
JRC为结构面的粗糙性系数
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3.2 Barton的结构面抗剪强度公式 JRC取值：
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
3.3 结构面抗剪强度的尺寸效应
p b
JCS log n
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
2.2 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
剪应力峰值区
2.2 结构面剪切变形曲线的分区 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 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。
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§2 剪切变形 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。
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ§3 抗剪强度
3.1 抗剪强度与法向力间的关系 3.2 Barton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
岩体峰值强度
变形模量
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1.3 岩体各向异性变形特征 三维模型试验：
1.4 特别提醒 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
第4章 岩体力学特性
§2 岩体的强度特征 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
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矿业工程 安全科学与工程 矿业工程领域 安全工程领域
硕士学位课程
课程目录：
绪 论
高等岩石力学
重庆大学 许 江
第一篇 基础知识篇 第 篇 基本理论篇 第二篇 第三篇 计算机技术应用篇 第四篇 工程技术应用篇
第一篇 基础知识篇
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3章 结构面力学特性
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
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§1 法向变形 1.1 法向变形曲线 1.2 Goodman 法向应力与结构 面闭合量间的关系式 1.3 Bandis法向应力与结构面法 向变形间的关系式
§2 剪切变形 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
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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 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。
n tan JRC lg
JCS b n
c n tan
式中：c和 分别是结构面上的粘结力和摩擦角
n 是作用在结构面上的法向应力
式中：JCS是结构面壁岩石的单轴抗压强度
b是岩石表面的基本摩擦角
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第4章 岩体力学特性
§3 岩体的水力学性质 3.1 岩体与土体渗流的区别 3.2 岩体空隙的结构类型
§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
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
3.1 岩体与土体渗流的区别 土体的渗流特点：
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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
3.3 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
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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
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2.3 结构面的强度效应

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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 岩体强度的各向异性－－单一结构面：
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
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 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
3.1 抗剪强度与法向力间的关系
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：
3.2 Barton的结构面抗剪强度公式 结构面的抗剪强度公式：