自然與飽水條件下異性結構面的剪切特性研究

魯祖德，陳從新

（中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071）

1 引 言

巖體是一種不連續、非均質的各向異性地質體，其中節理、裂隙等不連續面的擴展、貫通是導致邊坡失穩等巖體工程事故的主要原因之一。結構面作為巖體的重要組成單元之一，巖體的強度、變形性質、破壞特征等與其中結構面的展布、組合情況和力學性質密切相關。研究表明，水-巖作用對巖體結構面的物理、化學反應導致巖體力學性質的變異，尤其對結構面剪切特性的影響甚為顯著，因此，研究水-巖作用下結構面的抗剪強度特性，對巖體結構面作出定性、定量分析和評價，無論是對巖體基本力學特性的研究，還是對巖體穩定性分析都有十分重要的作用。

國內外學者[1－8]對巖體結構面的力學特性進行了大量研究，但主要限于兩側巖性相同的硬性結構面或軟弱結構面，對兩側巖性不同的結構面研究也有所涉及，如賀建明等[8]對兩側不同巖性（泥巖和灰巖）組成的異性結構面進行了不同粗糙度、不同正應力下的剪切試驗，并建立了抗剪強度準則。但考慮水的影響下異性結構面（一側為軟弱結構面，一側為硬性結構面）的剪切力學特性研究尚未見報道。而實際工程巖體大多數情況下的水-巖作用是從巖體介質初始結構面特別是軟硬結構面接觸界面的損傷開始的。本文利用室內剪切試驗裝置，開展不同正應力下自然與飽水巖體異性結構面的剪切試驗，分析水-巖作用對異性結構面剪切力學特性的影響機制，并利用JRC-JCS抗剪強度力學模型將試驗結果與計算結果進行了對比分析。

2 試驗材料與方法

2.1 試件取樣及制備

試樣取自嶺澳核電三期工程廠址區，嶺澳核電廠址基巖區內節理的走向大多數以北東向為主，其次為北西向，其他方位的節理發育較弱。主要節理產狀見表1，取樣點見圖1。從現場取回后加工切割成剪切面積約120 mm×120 mm的巖塊，然后用水泥砂漿澆筑成150 mm×150 mm×150 mm的方形試件，結構面的剪切位置位于中部，養護28 d后進行剪切試驗。根據室內含水率的測定，選取的典型結構面在飽水6 h后均達到飽和狀態，故將所有飽水結構面的浸泡時間均大于6 h。飽水過程如圖2所示。自然狀態試樣和飽水狀態試樣各為5個。

表1 主要節理產狀Table1 Major joints occurrences

圖1 取樣點Fig.1 Sampling site

2.2 巖石結構與礦物成分

通過對現場取回的巖樣進行結構和礦物成分分析，硬性結構面為具變余砂狀結構的常英質角巖節理，軟弱結構面為具交代結構的強蝕變(黑云母、絹云母化)巖，如圖3、4所示。

圖2 浸泡過程Fig.2 Immersion process

圖3 硬性結構面顯微結構圖像Fig.3 Microscope photo of hard structural surface

圖4 軟弱結構面顯微結構圖像Fig.4 Microscope photo of weak structural surface

硬性結構面巖石由石英、黑云母和斜長石等礦物組成。主要礦物石英及斜長石成次棱角狀，少有棱角狀或次園狀，磨圓度和分選性均較差，粒徑0.02～0.45 mm，極少數達0.65 mm，其中斜長石發育聚片雙晶。由于熱力變質作用影響，有少數石英已重結晶，呈它形粒狀產出。原巖的膠結物被新生礦物黑云母、絹(白)云母和微粒石英取代。黑云母和絹（白）云母呈顯微鱗片狀-鱗片狀，片徑0.001～0.1 mm，極少數達0.2 mm，分布在石英及長石等變余巖屑之間，排列不具方向性。巖石中含微量巖屑，呈次棱角狀，屑徑為 0.1～0.6 mm，成分為石英集合體。

軟弱結構面巖石遭受強烈蝕變，原礦物成分和結構已基本破壞。現蝕變礦物主要為絹云母和黑云母，呈顯微鱗片狀，片徑為0.005～0.05 mm，極少數達0.1 mm。在云母鱗片間不均勻渲染著隱晶狀-微粒狀褐鐵礦和白鈦石，粒徑小于0.01～0.1 mm。石英呈細小粒狀或不規則粒狀，粒徑大多數在0.01～0.2 mm范圍內，組成不規則小團塊或零星狀分布于巖石中。僅個別地方見0.5～1.8 mm不等的它形粒狀石英。

2.3 試驗設備及加載過程

采用中國科學院武漢巖土力學研究所自行研制的JQ－200巖石剪切流變儀進行試驗。該儀器適用于巖石、混凝土、巖石與混凝土膠結面、各種巖體軟弱夾層等的快剪及慢剪試驗。試驗的設計以摩爾-庫侖準則為指導，預估試樣的黏聚力c為50 kPa，摩擦角φ為30°。采用單試件法對同一試樣在不同垂直壓力下分別進行5次試驗，5次的法向荷載大致取為 1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 MPa。法向荷載分 3～5次均勻加到預定荷載。保持法向應力不變，采用增量加載法施加剪力，根據預估的抗剪強度分級逐步均勻施加，以便控制剪切位移速率。在試樣達到實際的抗剪強度以前，要讀取至少10組數據。剪切位移和法向位移的量測設備采用百分表，圖5為試驗后巖樣。

圖5 試驗后巖樣Fig.5 Structural surface of a specimen

3 試驗結果及分析

異性結構面在不同含水狀態下的典型剪切應力-變形曲線如圖6所示。

3.1 剪切變形特性分析

已有試驗研究表明，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有兩種基本形式，類型A：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或滯滑現象；類型B：初始階段的剪切變形曲線呈下凹型，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，最終達到恒定值，有時也出現剪切硬化。

如圖7所示，剪切變形曲線從形式上可劃分為“彈性區”（峰值應力上升區）、剪應力峰值區和“塑性區”（峰后應力降低區或恒應力區）[9]。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。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。將“彈性區”單位變形內的應力梯度稱為剪切剛度Kt，Kt= ?τ/ ?δt（ 符號意義見圖7(a)）。

分析圖6可以看出，水對異性結構面剪切變形曲線形式影響不大，無論是自然狀態還是飽水狀態，均為類型B。加載初期曲線呈線性增長，表現為彈性，剪切剛度近似為常量；隨著剪切力的增加，曲線呈現出非線性變化，位移隨著力的增加而明顯增長，曲線斜率開始變小；當試件達到屈服峰值后，剪切位移增量加大，曲線斜率趨近為 0，試件抗剪能力基本喪失。相比自然狀態試件，飽水試件的彈性區減小，較早進入峰值區或塑性區。相同正應力下飽水后異性結構面的剪切剛度要低于自然狀態的剪切剛度，在低法向力下尤為顯著。

3.2 剪切強度特性分析

根據對結構面試件在剪切過程中以及破壞后的觀察，異性結構面在剪切過程中的破壞模式為磨碎（損）破壞。常用的巖體結構面抗剪強度參數c、φ的取值方法有點群中心法、優定斜率法、隨機-模糊法和模糊回歸法等。本文采用應用最為普遍的最小二乘法。

在選取峰值抗剪強度時參考以下兩種方法：（1）對于峰值強度較明顯的曲線，取不同正應力下的最大剪應力作為峰值強度；（2）對于峰值強度不明顯的曲線，采用位移控制法，即采用剪切位移達到巖樣邊長 1% 時所對應的剪應力作為峰值強度。采用最小二乘法進行回歸得到對應的 c、φ值。

不同含水狀態下的異性結構面抗剪強度參數見表 2。定義黏聚力和內摩擦角在水作用下裂紋面上強度參數的水-巖損傷系數為Dc和Dφ，則水損傷后節理強度指標為c=(1-Dc)c0，φ=(1-Dφ)φ0。從表2可以看出，水對巖體結構面強度參數尤其是內摩擦角φ的劣化是明顯的。

表2 抗剪強度參數Table2 Shear strength parameters

3.3 異性結構面抗剪強度準則

從結構面的變形分析可以看出，在剪切過程中的力學機制比較復雜，影響結構面抗剪強度的因素是多方面的。結構面抗剪強度一般可以用庫侖準則表述：

式中： σn為作用在結構面上的法向應力。其中，內摩擦角φ可表示為

式中：φb為巖石平坦表面基本摩擦角；i為結構面上凸臺斜坡角。圖8為上凸臺模型的剪力與法向力的關系曲線，近似呈雙直線的特征。結構面受剪初期，剪切力上升較快；隨著剪力和剪切變形增加，結構面上部分凸臺被剪斷，此后剪切力上升，梯度變小，直至達到峰值抗剪強度。

圖8 凸臺模型的剪力與法向力的關系曲線Fig.8 Shear force-normal force relationship curves for Boss model

Barton等[1]考慮到3個基本因素（法向力σn、粗糙度JRC、結構面壁巖石強度JCS）的影響，提出結構面的抗剪強度公式：

式中：JCS為結構面的抗壓強度；JRC為結構面粗糙性系數，其值根據結構面的粗糙性在0～20間變化，平坦近平滑結構面為5，平坦起伏結構面為10，粗糙起伏結構面為20。

文獻[8]通過巖體異性結構面在不同粗糙度、不同正應力下的剪切試驗研究，得出異性結構面的抗剪強度準則為

式中：KA、KB為系數：

式中：JCSA、JCSB分別為巖壁單軸抗壓強度；φAB為異性結構面基本摩擦角，取兩側結構面的較小值。

根據式（4），計算出在不同法向應力下不同含水狀態異性結構面的峰值剪切強度，對計算值與試驗值進行對比分析，見圖9和表2。

圖9 摩爾-庫侖準則包絡線Fig.9 Mohr-Coulomb criterion envelope

表2 試驗結果與模型計算的抗剪強度參數對比Table2 Comparison of shear strength parameters between computed and measured ones

通過異性結構面強度準則計算出的強度參數與試驗值進行對比分析，自然狀態中內摩擦角計算值與試驗值相對誤差在 4%以內。飽水狀態下內摩擦角計算值與試驗值相對誤差在 7%以內。由于影響黏聚力的因素較多，黏聚力與試驗值相差較大，且天然結構面取樣的不均一性不可避免，因此，內摩擦角可作為模型計算值與試驗值的主要對比指標。

4 結 論

（1）異性結構面的剪切變形曲線屬于彈塑性殘余變形類型。相比自然狀態試件，飽水試件的彈性區減小，較早進入峰值區或塑性區。

（2）異性結構面的剪切剛度隨法向力的增大而增大。同一正應力下，飽水試件的剪切剛度要低于自然狀態的剪切剛度，在低法向力下尤為顯著。

（3）水對巖體結構面強度參數，尤其是內摩擦角φ的劣化是明顯的。

（4）只要計算參數選取得當，并考慮實際巖體的受力及水等情況，JRC-JCS計算模型可以為實際工程巖體結構面強度提供較為準確的參數。

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