结构面的变形与强度性质

材料力学材料的强度和变形行为材料力学是研究材料在外力作用下的强度和变形行为的学科。

在工程设计和材料选择过程中，了解材料的强度和变形行为对提高产品性能和安全性至关重要。

本文将探讨材料的强度和变形行为，并深入了解不同材料在外力作用下的特性。

一、材料的强度1. 强度的概念材料的强度是指材料能够抵抗外力的能力。

强度取决于材料的内部结构和晶格排列。

不同材料具有不同的强度特性，例如金属材料通常具有较高的强度，而陶瓷材料则表现出较低的强度。

2. 抗拉强度抗拉强度是指材料在受到拉伸力作用下能够承受的最大应力。

材料的抗拉强度可以通过拉伸试验来测定。

在拉伸试验中，材料样品会受到均匀的拉力，直至样品发生断裂。

通过测量断裂前的拉力和样品的初始截面积，可以计算出材料的抗拉强度。

3. 压缩强度压缩强度是指材料在受到压缩力作用下能够承受的最大应力。

与抗拉强度类似，材料的压缩强度也可以通过压缩试验来测定。

在压缩试验中，材料样品会受到均匀的压力，直至样品发生压碎。

通过测量压碎前的压力和样品的初始截面积，可以计算出材料的压缩强度。

4. 剪切强度剪切强度是指材料在受到剪切力作用下能够承受的最大应力。

剪切强度通常小于抗拉强度和压缩强度。

材料的剪切强度可以通过剪切试验来测定。

在剪切试验中，材料样品会受到剪切力，直至样品发生切断。

通过测量切断前的剪切力和样品的初始截面积，可以计算出材料的剪切强度。

二、材料的变形行为1. 弹性变形弹性变形是指材料在受到外力作用后能够恢复到原始形状和尺寸的能力。

弹性变形的特点是应变与应力成正比，材料在弹性变形时不会发生永久变形。

弹性模量是衡量材料弹性变形能力的重要参数，通常以杨氏模量或剪切模量表示。

2. 塑性变形塑性变形是指材料在受到外力作用后发生永久性变形的能力。

塑性变形的特点是应变与应力不再成正比，材料在塑性变形时会改变内部结构，形成新的晶粒和位错。

塑性变形可以通过延伸试验、压缩试验或弯曲试验来观察和测定。

岩体结构面力学性质与岩体强度研究综述摘要：根据野外工程地质调查对工程岩体质量进行评析，在此基础上，运用hoek–brown准则求解工程岩体强度。

并根据岩块的咬合状态及这些块体的表面特征，提出了节理岩体强度的确定方法，关键词: 岩体结构面；力学性质；岩体强度；中图分类号：k826.16 文献标识码：a 文章编号：岩体中存在着纵横交错的各类地质结构面，在力学上则表现为存在着不连续面、弱面或软弱夹层，这些结构面对岩体强度和岩体工程的稳定性起着重要的控制作用。

因此结构面的力学性质和岩体的强度是息息相关的。

1 结构面的力学性质岩体结构面(structural plane)是指岩体内开裂的和易开裂的面，如层理、节理、断层、片理等，又称不连续面。

岩体结构面力学特征的研究与岩石力学的发展息息相关。

因为工程岩体之所以失稳，影响因素很多，但最关键的问题在于岩体内存在着一些软弱结构面。

目前普遍采用统计分析的方法，找出其分布规律，并应用到工程稳定性分析中。

1.1 结构面抗剪强度结构面的抗剪强度是表征岩体的结构面力学性质的重要指标，作为表征结构面力学性质的重要指标之一，通常在现场或实验室内测定。

对于起伏较大的粗糙结构面，按barton公式计算时，jrc值往往是根据结构面产状与标准轮廓线(isrm轮廓线)对比来确定的，由于视觉上的判断易造成较大的误差，国内外学者经过大量的研究，采用各种测量仪表观测和计算机处理。

如barr等人使用粗糙位形标测仪和数字化坐标记录仪测定，得出标准曲线jrc值和分维值d的关系，应用分形理论从一个崭新的角度描述了节理粗糙系数jrc和jrc尺寸效应的特征。

1.2 结构面的变形关于岩体不连续结构面的变形分析问题，自20世纪60年代初期开始至今已经建立了许多不同层次上的离散模型和数值方法。

以有限单元法为基础，并引入能反映岩体结构不连续性特征的模型以弥补有限元关于不连续性处理的不足，如结合单元法，节理单元法，desai等提出的薄层单元法以及用于模拟多节理岩体的等效连续体模型和损伤模型等。

《岩石力学》复习资料1.1 简述岩石与岩体的区别与联系。

答:岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体,力学性质可在实验室测得；岩体是指由背诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面切割的岩块组成的集合体，力学性质一般在野外现场进行测定，因此更接近岩体的实际情况，反映岩体的实际强度。

1.2 岩体的力学特征是什么？答：（1)不连续性：岩体受结构面的隔断,多为不连续介质，但岩块本身可作为连续介质看待；（2)各向异性：结构面有优先排列位向的趋势,随着受力岩体的结构趋向不同力学性质也各异；(3）不均匀性：结构面的方向、分布、密度及岩块的大小、形状和镶嵌状况等在各部位都很不一致，造成岩体的不均匀性；（4)岩块单元的可移动性：岩体的变形破坏往往取决于组成岩体的岩石块单元体的移动,这与岩石块本身的变形破坏共同组成岩体的变形破坏；（5）力学性质受赋存条件的影响：在一定的地质环境中，岩体赋存有不同于自重应力场的地应力场、水、气、温度以及地质历史遗留的形迹等。

1.3 岩石可分为哪三大类?它们各自的基本特点是什么?答：（1）岩浆岩：由岩浆冷凝形成的岩石，强度高、均匀性好；（2）沉积岩：由母岩在地表经风化剥蚀后产生，后经搬运、沉积和结硬成岩作用而形成的岩石,具有层理构造，强度不稳定，且具有各向异性；（3）变质岩：由岩浆岩、沉积岩或变质岩在地壳中受高温、高压及化学活动性流体的影响发生变质而形成的岩石.力学性质与变质作用的程度、性质以及原岩性质有关。

1.4 简述岩体力学的研究任务与研究内容。

研究任务：①建模与参数辨别;②确定试验方法、仪器与信息处理；③现场测试；④实际应用；研究内容：①岩石与岩体的物理力学性质(岩石的物质组成和结构特征，岩石的物理、水理性质，岩块在不同应力状态作用下的变形和强度特征,结构面的变性特征和强度参数的确定等）;②岩石和岩体的本构关系(岩块的本构关系，岩体结构面分类和典型结构面本构关系,岩体的本构关系）；③工程岩体的应力、变形和强度理论（岩体初始应力测量及分布规律，岩体中应力、应变和位移计算，岩体破坏机理、强度理论和工程稳定性维护与评价）：④岩石(岩块）室内实验（室内实验是岩石力学研究的基本手段）;⑤岩体测试和工程稳定监测（岩体原位力学实验原理和方法，岩体结构面分布规律的统计测试,岩体的应力、应变、位移检测方法及测试数据的分析利用,工程稳定准则和安全预测理论与方法)。

绪论1、何谓岩体力学？它的研究对象是什么？是力学的一个分支学科,是研究岩体在各种力场作用下的变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学,是一门应用型基础学科。

研究对象是各类岩体。

2、岩体力学的研究内容和研究方法是什么？内容:○1岩块、岩体地质特征。

○2岩石的物理、水理与热学性质。

○3岩块的基本力学性质。

○4结构面力学性质。

○5岩体力学性质。

○6岩体中天然应力分布规律及其测量的理论与方法。

○7边坡岩体、地基岩体及地下洞室围岩等工程岩体的稳定性。

○8岩体性质的改善与加固技术。

○9各种新技术、新方法与新理论在岩体力学中的应用。

○10工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术。

方法：○1工程地质研究法。

○2试验法。

○3数学力学分析法。

○4综合分析法。

一、岩体地质与结构特征1、何谓岩块、岩体？试比较岩块与岩体，岩体与土有何异同点？岩块是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。

岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩石单元体和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。

岩块岩体都是由岩石组成，但岩体包含若干不连续结构面，岩块不含显著结构面。

岩块是岩体的组成物质，岩体是岩块和结构面的统一体。

岩石露在地表部分被风化和淋滤后形成的不溶于水的物质，残留在原地的形成土。

矿物，岩石，岩体都可以形成土。

组成岩体的岩石的矿物颗粒间具有牢固的连接而土没有。

2、岩石的矿物组成是怎样影响岩块的力学性质的？岩石是天然产出的具稳定外型的矿物或玻璃集合体，按照一定的方式结合而成。

力学性质主要取决于组成岩块的矿物成分及其相对含量。

矿物硬度大则强度大，反之则小。

3、何谓岩块的结构？它是怎样影响岩块的力学性质的？岩块的结构是指岩石内矿物颗粒的大小、形式和排列方式及微结构面发育情况与粒间连接方式等反应在岩块构成上的特征。

力学性质主要取决于矿物颗粒连接及微结构面的发育特征。

4、为什么说基性岩和超基性岩最容易风化？可能与其二氧化硅的含量有关。

§3.3 结构面的强度性质•结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。

•结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所以一般认为结构面是不能抗拉的。

•在工程荷载作用下，岩体破坏常沿某些软弱结构面的滑动破坏。

•在岩体力学中，重点研究结构面的抗剪强度。

•一、平直无充填的结构面 •二、粗糙起伏无充填的结构面•三、非贯通断续的结构面 •四、碎块岩体结构面强度•五、具有充填物的软弱结构面一、平直无充填的结构面•平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。

•特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。

坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。

•这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：jj C tg +=φστ二、粗糙起伏无充填结构面的强度σττ自然界中，大多数结构面的表面波状起伏，与平直结构面相比错动时具有剪胀作用，产生一个附加强度，称作楔效应。

这种楔效应可分为规则齿状结构面摩擦和不规则齿状结构面摩擦。

（一）规则齿状结构面的楔效应摩擦强度对规则齿状结构面的强度，帕顿（Patton）和勒单尼（Ladanyi）研究得出的强度公式最为经典。

1.帕顿提出的结构面强度公式当作用在结构面上的正应力较小时岩体具有剪胀现象。

如下图所示，取一齿面分析，见下面右图。

ββββcos sin sin cos T N T T N N '+'='-'=ββββTcon N T T N N +-='+='sin sin cos 改变函数形式，则齿状结构面法向力N ，切向力T 为：若齿状结构面水平，作用在齿状结构面法向力为N ，切向力为T ；齿面倾角为β，则齿面上的法向力和剪力为：（3－a ）（3－b ）设齿面上的摩擦角为φj ，沿齿面剪切达到极限平衡时有：j j tg N T N T tg ϕϕ⋅'='''=,设齿状结构面内摩擦系数为tg υ，试件若要产生剪切破坏，则作用在试件有的法向力和剪力必须满足以下条件：（3－c ）（3－d ）ββββϕsin cos cos sin T N T N N T tg '-''+'==将式（3－d ）代如（3－c ）则得：)cos()sin(sin sin cos cos cos sin sin cos sin cos cos sin βϕβϕβϕβϕβϕβϕβϕββϕβϕ++=-+='-''+'==j j j j j j j j tg N N tg N N N T tg βϕϕβϕϕ+=+=j j tg tg ,)(即：结论：具有齿面倾角为β角的规则齿状结构面，在较低的正应力作用下，结构面表现出爬坡效应的破坏特征。

结构面的抗剪强度••结构面强度分为抗拉强度和抗剪强度。

由于结构面的抗拉强度非常小，常可忽略不计，所以一般认为结构面是不能抗拉的。

因此，通常近考虑结构面的抗剪强度。

••在工程荷载作用下，岩体破坏常以沿某些软弱结构面的滑动破坏为主。

因此，在岩体力学中结构面的抗剪强度通常是研究的重点内容。

•条件不同、性质不同的结构面其发生剪切作用的机理不同，因此其抗剪强度的确定方法也不同，下面将分四种类型来介绍结构面的抗剪强度。

一、平直无充填的结构面•平直无充填的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如剪节理、剪裂隙等，发育较好的层理面与片理面。

其•特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。

坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。

这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：各种结构面抗剪强度指标的变化范围结构面类型摩擦角(°)粘聚力(MPa)结构面类型摩擦角(°)粘聚力(MPa)泥化结构面10～200～0.05云母片岩片理面10～200～0.05粘土岩层面20～300.05～0.10页岩节理面(平直)18～290.10～0.19泥灰岩层面20～300.05～0.10砂岩节理面(平直)32～380.05～1.0凝灰岩层面20～300.05～0.10灰岩节理面(平直)350.2页岩层面20～300.05～0.10石英正长闪长岩节理面(平直)32～350.02～0.08砂岩层面30～400.05～0.10粗糙结构面40～480.08～0.30砾岩层面30～400.05～0.10辉长岩、花岗岩节理面30～380.20～0.40石灰岩层面30～400.05～0.10花岗岩节理面(粗糙)420.4千板岩千枚理面280.12石灰岩卸荷节理面(粗糙)370.04滑石片岩、片理面10～200～0.05(砂岩、花岗岩)岩石／混凝土接触面55～600～0.48二、粗糙起伏无充填的结构面•这种类型的结构面，其剪切特点是：（1）当法向应力σ较小时，上盘岩块上下运动，产生爬坡效应，增大了τ；（2）当σ较大时，将剪断凸起而运动，也增大了τ。