關于結構面力學性質與巖體力學性質第1頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三1、法向變形與法向剛度（1）法向變形特征①曲線形狀：先上凹緩升，后陡升。歸結為接觸微凸體的彈性變形—壓碎—間接拉裂隙產生—新的接觸點和面的增加。②初始階段，結構面變形為主，當σn=σc/3時結構面變形基本完成③最大閉合量小于張開度。④卸除荷載后，有明顯的遲滯和非彈性效應。第2頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三（2）法向應力與法向變形關系（Goodman,1974）

式中：：原位壓力，由測量結構面法向變形的初始條件確定：最大可能閉合量

：與結構面幾何特征、巖石力學性質有關的兩個參數第3頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三（3）法向剛度Kn

（Goodman，1974）式中Kn0：結構面的初始剛度第4頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三Bandis(1984)提出非充填節理法向應力與法向變形關系

式中：a、b為常數法向剛度Kn:Bandis得出由初始法向剛度和最大閉合量表達的經驗公式：第5頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三（1）剪切變形特征A.粗糙結構面（無充填物），剪應力上升較快，當剪應力達到峰值后抗剪能力下降較大，并產生不規則的峰后變形或粘滑現象。B.平坦結構面（或有充填物），初始階段剪切變形曲線斜率逐漸減小，曲線沒有明顯的峰值出現，最終恒定，或出現剪切硬化。C.隨著法向應力減小、剪切規模增大，剪切剛度減小2、剪切變形與剪切剛度第6頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三（2）剪切變形方程1975，卡爾哈維（Kalhaway)提出：式中：m=1/k0,k0：初始剪切剛度

n=1/τ0,

τ0－產生較大剪切位移時的

剪應力漸近值第7頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三（3）剪切剛度Kt剪切剛度：1974年Goodman提出：式中：Kt0－初始剪切剛度

τs－產生較大剪切位移時的剪應力漸近值對于較堅硬結構面，剪切剛度一般為常數；對松軟結構面，剪切剛度隨法向應力的大小而改變。第8頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三1）平直結構面的剪切強度3、結構面的抗剪強度第9頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三2）粗糙節理面的剪切強度兩種情況：①巖石強度高，爬坡角i小，法向力N小，發生剪脹現象(b)②巖石強度低，爬坡角i大，法向力N大，發生剪斷現象(c)剪脹：(無粘結），剪斷：（有粘結）第10頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三4、結構面力學性質的尺寸效應Barton和Bandis（1982）的試驗結果表明：①隨著試塊長度增大，平均峰值摩擦角降低；②隨著試塊面積增大，平均峰值剪切應力降低，達到峰值強度時的位移量增大；③隨著試塊尺寸增加，剪切破壞形式由脆性破壞向延性破壞轉化；④隨著試塊尺寸增加，峰值剪脹角變小；⑤隨著結構面粗糙度減小或法向應力增大，尺寸效應降低。第11頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三§2-3巖體的強度性質

一、巖體強度巖體強度是指巖體抵抗外力破壞的能力。分為：抗壓強度抗剪強度抗拉強度第12頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三二、巖體強度的測定（現場測試）1、巖體單向抗壓強度和準巖體強度（1）單向抗壓強度σc試件：邊長(0.5～1.5）m，高度不小于邊長的立方塊。P—試件破壞時的作用力，NA—試件橫截面面積，m2第13頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三（2）準巖體強度完整性系數：式中：Vpm、Vpr分別為彈性波在巖體和巖石中傳播的縱波速度。準巖體抗壓強度:準巖體抗拉強度:σc、σt為巖石試件的單軸抗壓強度和單軸抗拉強度。第14頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三2、巖體三軸抗壓強度試件尺寸：一般

h>2a，矩形截面。加載裝置：千斤頂，壓力枕。等圍壓（常規三軸試驗）真三軸試驗對于多節理巖體影響較大第15頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三3、巖體抗剪強度（1）雙千斤頂法式中：σ、τ—試件剪切面上的正應力和剪應力；F—試件剪切面面積；N—法向力；Q—斜向力；α—橫向推力與剪切面的夾角，通常為150。第16頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三

（2）單千斤頂法

現場無法施加垂直荷載的情況下采用單千斤頂法。第17頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三

應力代入強度準則，經整理可得：結構面上的應力狀態：結構面強度準則：三、結構面的強度效應1、單結構面的強度效應設結構面的方向角為第18頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三

則①當②當③對求一階導數，并令其為零得：(可見)此時結構面對巖體的強度削弱最大，巖體有最小強度:

→結構面的存在不影響巖體的強度令，第19頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三兩種可能的情況或

節理先破壞，巖體強度小于巖塊強度巖塊先破壞，巖體強度等于巖塊強度第20頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三2、多結構面的強度效應巖體中具有兩組以上結構面時，沿最容易破壞的一組結構面首先破壞。（1）根據結構面傾角逐組判斷是否有可能該組節理破壞（2）若該組結構面傾角滿足上式，根據應力判斷會否發生破壞第21頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三3、當C=0時節理面的強度效應這時庫侖準則推導得：

此時巖體的強度只靠碎塊之間的摩擦力來提供，已知，可計算出維持巖體極限穩定的側向擠壓力，即巖所需的最小支護力第22頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三四、巖體的強度特征1、巖體的強度取決于結構面的強度和巖石的強度，巖體的抗剪強度包絡線介于結構面強度包絡線和巖石強度包絡線之間。2、巖體強度受加載方向與結構面夾角θ的控制，因此，表現出巖體強度的各向異性。

3、當含有四組以上結構面時，巖體的強度趨于各向同性。第23頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三五、巖體的破壞判據（強度準則）1、耶格爾判據節理面極限應力平衡方程：（1）當節理面傾角β滿足β1≤β≤β2

,且φj

<β

<π/2時，節理才會對巖體產生影響，這時巖體的強度取決于節理的強度；（2）β＝450＋φj/2時，巖體強度最低，其莫爾圓直徑最小。（3）當β<β1或β>β2

時，巖體強度與節理無關，取決于巖石的強度。第24頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三耶格爾判據第25頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三2、霍克－布朗經驗判據式中:σc——完整巖石單軸抗壓強度；m——霍克－布朗常數，反映巖石的堅硬性。m的變化范圍為0.001（強烈破壞巖石）-25（堅硬而完整的巖石）。s——巖體完整性系數，s的變化范圍為0（節理化巖體）-1（完整巖石）。第26頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三§2-4

巖體的變形性質

一、巖體的單軸和三軸壓縮變形特性1、巖體的單軸和三軸壓縮試驗的應力－應變全過程曲線第27頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三典型的巖體應力－應變全過程曲線4個階段：（1）裂隙壓密階段（OA）：曲線上凹（2）彈性變形階段（AB）:呈直線（3）塑性變形階段（BC）：曲線下凹（4）破壞后階段（CD）：殘余強度σD峰值強度σCABσCD第28頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三①在屈服點前，變形曲線與抗壓變形相似，上凹型。②屈服點后，某個結構面或結構體首先剪壞，出現一次應力下降。峰值前可能發現多次應力升降。升降程度與結構面或結構體強度有關，巖體越破碎，應力降反而不明顯。③當應力增加到一定水平時，巖體剪切變形已積累到一定程度，沒剪破的部位以瞬間破壞方式出現，并伴有一次大的應力降。④隨后產生穩定滑移。二、巖體的剪切變形特征第29頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三三、巖體各向異性變形特征2、特征：垂直層面方向巖體變形模量E⊥明顯小于平行層面方向巖體的變形模量E∥

。(a)垂直層面加力(b)平行層面加力1、構成巖體變形各向異性的兩個基本要素：（1）物質成分和物質結構的方向性（2）結構面的方向性第30頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三四、巖體變形參數原位測定常用靜力法：承壓板試驗（千斤頂荷載試驗）、徑向荷載試驗、水壓法等。目的：測定巖體的變形指標E、μ和σ－ε關系。試驗方法：靜力法、動力法（彈性波測量法）第31頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三1、表面承壓板試驗試驗裝置由四部分組成：墊板（承壓板）、加荷裝置（千斤頂或壓力枕）、傳力裝置（傳力支柱、傳力柱墊板）、變形測量裝置（測微計）第32頁，講稿共35頁，2023年5月2日，星期三2、鉆孔承壓板法表面承壓板法測得的巖體變形模量偏低，這是由于工程巖體表面附近巖體大多發生了不同程度的松動。為了排除松動的影響，采用孔底承壓板法測定巖體變形模量。測定結果表明：孔底承壓板法測得的原位巖體變形參數比表面承壓板試驗測定值高很多，甚