1、2.4結構面的力學性質結構面的力學性質主要包括三個方面:1、法向壓縮變形;2、切向剪切變形;3、抗剪強度。在法向荷載作用 下，巖石粗糙結構面的接觸面積和接觸點數隨荷載增大而增加，結構面間隙呈非線性減小， 血力與法向變形之間呈指數關系。非嚙合結構面法向變形Goodman (1974)通過試驗，得出法向應力CT n 與結構面閉合量6 n有如下關系：式中，§稱為原位壓力，由測量結構面 法向變形的初始條件決定；5 max是最大可 能閉合量；s、t是與結構面幾何待征、巖 石力學性質有關的兩個參數。非嚙合結構面4法向變形剛度Km反映 結構面產生單位法向變形 的法向應力梯度，它不僅 取決于巖石本身

2、的力學性 質，更主要取決于粗糙結 構面接觸點數、接觸面積 和結構面兩側微凸體相互 嚙合程度。通常情況下， 法向變形剛度不是一個常 數,與應力水平有關。石石力學、法向變形Goodman (1974)的研究結果:p _ p ( nOmax +”卅2 匚心o()nOmax式中：心為結構面初始剛度。7巖石力學、法向變形Band is等人(1984)通過對大量的天然、不同 風化程度和表面粗糙程度的非充填結構面的 試驗研究，提出雙曲線型關系式：a-b8nK =宜=1" 込 (° -礙尸)_2KMmax + 內1h7巖石力學、法向變形JCSK簡=0.02()+ 1J5JRC - 0.7n

3、O益。+ SC)-nQ式中：JCS為單軸抗壓強度；JRC為結構面 的粗糙系數；A、B、C、D為常數，取決于結 構面的受載歷史。7巖石力學、剪切變形在一定的法向應力作用下，結構面在剪切作用下產生切向變形。通常有兩種基本形式:1、對非充填粗糙結構面，隨剪切變形發生，剪切應力相對上升較快，當達到剪應力峰值后，結構面抗剪能力出現較大的下降，并產生不規則的峰后 變形（曲線A）或滯滑現象.、剪切變形、剪切變形AB2、對于平坦（或有充 填物）的結構面，初始階 段的剪切變形曲線呈現 下凹型，隨著剪切變形 的持續發展，剪切應力 逐漸升高但沒有明顯的 峰值出現，最終達恒定 值，有時也出現剪切硬、剪切變形化（曲線B

4、）。、剪切變形剪切變形曲線從形式上可劃分成彈性區（ 峰前應力上升區）、剪應力峰值區和塑性區 （峰后應力降低區或恒應力區）（Goodman, 1974）o在結構面剪切過程中，伴隨有微凸體的彈 性變形、劈裂、磨粒的產生與遷移、結構面 的相對錯動等多種力學過程。因此，剪切變 形一般是不可恢復的，即便在“彈性區”， 剪切變形也不可能完全恢復。巖石力學、剪切變形剪切剛度Kt:通常將彈性區內單位變形的應 力梯度稱為剪切剛度。根據Goodman (1974)研究結果K產薯譏(1二SStTs式中，Kto是初始剪切剛度，T s是產生較大剪 切位移時的剪應力漸近值。試驗結果表明，較 堅硬的結構面，剪切剛度一般是常

5、數；松軟結 構面，剪切剛度隨法向應力的大小而改變。嚴椰、心' 巖石力學、剪切變形結構面簡化分析模型(b)圖2-8結構面剪切力學模型抗剪強度1、庫侖準則結構面最重要的力學性質之一是抗剪強度， 從結構面的變形分析可以看出，結構面在剪切 過程中的力學機制比較復雜，構成結構面抗剪 強度的因素是多方面的，大量試驗結果表明， 結構面抗剪強度一般可以用庫侖準則表述：廠=c + crntg(p = C + cr/g(© + 0抗剪強度凸臺模型的抗強度曲線完全接融剪斷凸合抗剪強度2、巴頓(Barton)模型：IDiIDi試驗表明，低法向應力時的剪切，結構面有 剪切位移和剪脹；高法向應力時，凸臺

6、剪斷， 結構面抗剪強度最終變成殘余抗剪強度。在剪 切過程中，凸臺起伏形成的粗糙度以及巖石強 度對結構面的抗剪強度起著重要作用。1=Barton經試驗研兗握出了考慮三個基本因 素(法向力or n、粗糙度JRC、結構面強度 JCS)的結構面抗剪強度公式。二抗剪強度JCST = antgJRClg()+ ©1=式中，JCS是結構面的抗壓強度，（pb是巖石 表面的基本摩擦角，JRC為結構面粗糙性系 數，根據10種典型剖面對比確定，目前可根 據分形幾何理論定量確定?？辜魪姸菾RC值根據結構 面的粗糙性在 020間變化,平坦近平滑結構面為5,平坦起伏結構面為10o粗糙起伏結構面為20二抗剪強度-

7、13、結構面力學性質的尺寸效應IDiBarton等(1982)用不同尺寸的結構面的試驗 結果表明，當結構面的試塊長度從56cm增加 到3640cm時，平均峰值摩擦角降低812。 隨試塊面積增加，平均峰值剪切應力呈減少趨 勢。尺寸效應還體現在以下幾個方面：隨結 構面尺寸增大，達到峰值強度時的位移量增大 由于尺寸增加，剪切破壞形式由脆性破壞向 延性轉化；隨尺寸加去窿值剪胺角渝?。?隨結構面粗糙度減小，尺寸效應也在減小。巖石力學I4、變形歷史的影響IDi第一次進行新鮮結構面剪切試驗時，試樣具 有很高的抗剪強度，沿同一方向重復進行到第7 次剪切試驗時，試樣還保留峰值與殘余值的區 別，當進行到第15次時，已看不出峰值與殘余 值的區別，說明在重復剪切過程中結構面上凸 臺被剪斷、磨損，巖粒、碎屑的產生與遷移， 使結構面的抗剪力學行為逐漸由凸臺粗糙度和起伏度控制轉化為由結構面上碎巖屑的力學性 質所控制。2D塚力學5、結構面充填物的影響結構面內充填物的