岩石力学与工程：第4章 结构面力学性质与岩体力学性质.pptx

二、结构面的力学性质
为何要研究结构面的力学性质？
1 引起工程岩体失稳破坏
2 控制岩体变形
3 控制地下水渗透
4 影响岩体中应力分布
结构面力学性质包括：
法向
3、结构面的抗剪强度
2）粗糙节理面的剪切强度
两种情况：
①岩石强度高，爬坡角i小，法向力N小，发生剪胀现象(b)
②岩石强度低，爬坡角i大，法向力N大，发生剪断现象(c)
剪胀： (无粘结），
剪断：
（有粘结）
2）粗糙节理面的剪切强度
Barton和Choubey剪胀和剪断统一强度准则：
4、结构面力学性质的尺寸效应
Barton和Bandis（1982）的试验结果表明：
①随着结构面长度（由5-6cm）增大（到36-40cm），平均峰值摩擦角降低（8°-12°）
②随着结构面尺寸增大，平均峰值剪切应力降低，达到峰值强度时的位移量增大
③随着结构面尺寸增大，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化
④随着结构面尺寸增大，峰值剪胀角变小
⑤随着结构面粗糙度减小或法向应力增大，尺寸效应降低。
§2-3 岩体的强度性质
一、岩体强度
岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。
分为：
抗压强度
抗剪强度
抗拉强度
二、岩体强度的测定（现场测试）
1、岩体单向抗压强度和准岩体强度
（1）单向抗压强度σc
试件：边长(～）m，高度不小于边长的立方块。
P—试件破坏时的作用力，N
A—试件横截面面积，m2
（2）准岩体强度
完整性系数：
式中：Vpm、 Vpr分别为弹性波在岩体和岩石中传播的纵波速度。
准岩体抗压强度:
准岩体抗拉强度:
σc 、σt为岩石试件的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。
2、岩体三轴抗压强度
试件尺寸：一般 h > 2a，矩形截面。
加载装置：千斤顶，压力枕。
等围压（常规三轴试验）
真三轴试验
对于多节理岩体 影响较大
3、岩体抗剪强度
（1）双千斤顶法
式中：
σ、τ—试件剪切面上的正应力和剪应力；
F—试件剪切面面积；
N—法向力；
Q—斜向力；
α—横向推力与剪切面的夹角，通常为150。
（2） 单千斤顶法
现场无法施加垂直荷载的情况下采用单千斤顶法。
应力代入强度准则，经整理可得：
结构面上的应力状态：
结构面强度准则：
三、结构面的强度效应
1、单结构面的强度效应
设结构面的方向角为
则
①当
②当
③对 求一阶导数，并令其为零得：
( 可见 )
此时结构面对岩体的强度削弱最大，结构面和岩体有最小强度:
→结构面的存在不影响岩体的强度
令 ，
两种可能的情况
或
节理先破坏，
岩体强度小于岩块强度
岩块先破坏，岩体强度等于
岩块强度
2、多结构面的强度效应
岩体中具有两组以上结构面时，沿最容易破坏的一组结构面首先破坏。
（1）根据结构面倾角逐组判断是否有可能沿该组结构面破坏
（2）若该组结构面倾角满足上式，根据应力判断会否发生破坏
3、当C=0时节理面的强度效应
这时库仑准则
推导得：

此时岩体的强度只靠碎块之间的摩擦力来提供，
已知 　 ，可计算出维持岩体极限稳定的侧向挤压力，即岩
所需的最小支护力
四、岩体的强度特征
1、岩体的强度取决于结构面的强度和岩石的强度，岩体的抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和岩石强度包络线之间。
2、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。
3、当含有四组以上结构面时，岩体的强度趋于各向同性。
式中:σc——完整岩石单轴抗压强度；
m——霍克－布朗常数，反映岩石的坚硬性。 （强烈破坏岩石）-25（坚硬而完整的岩石） 。
s——岩体完整性系数，s的变化范围为0（节理化岩体）-1（完整岩石） 。
五、岩体的霍克-布朗强度准则
§2-4 岩体的变形性质
一、岩体的单轴和三轴压缩变形特性
1、岩体的单轴和三轴压缩试验的应力－应变全过程曲线
典型的岩体应力－应变全过程曲线4个阶段：
（1）裂隙压密阶段（OA）：