反復直剪試驗節理強度與粗糙度變化的研究

夏才初，宋英龍，唐志成，宋英杰

（1.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海，200092；2.同濟大學 地下建筑與工程系，上海，200092；3.中國恩菲工程技術有限公司 能源環境事業部，北京，100038）

巖體與一般介質的重大差別在于它是由結構面縱橫切割且具有一定結構的多裂隙體，不連續面的存在破壞了巖體的連續性和完整性，對巖體變形和強度起控制作用[1]。而節理面在剪切荷載的作用下易導致節理面上微凸體磨損或剪斷，引起表面粗糙度發生改變，從而導致節理面的力學性質產生變化。國內外許多研究者針對巖石節理面的剪切強度和變形進行了大量的直剪試驗研究，如：李海波等[2]通過對鋸齒狀混凝土節理試樣進行直剪試驗，得出巖石節理面峰值抗剪強度隨著剪切速率、法向應力和起伏角的增大而增大，并提出考慮不同剪切速率的巖石節理的峰值強度模型；沈明榮等[3]通過對幾組規則齒形結構面剪切特性試驗，得出結構面綜合抗剪強度參數黏結力c和內摩擦角φ與齒形結構面角度的關系，并且對結構面在剪切條件下的擴容特性進行了分析；杜守繼等[4]通過對花崗巖和砂巖節理在不同的剪切位移作用下的試驗，得出節理面在小剪切位移下的節理面粗糙度下降幅度較大，粗糙度為 0～5 mm的節理達到 80%；尹顯峻等[5]通過結構面切向循環加載力學試驗，得出循環加載導致的磨損對結構面的摩擦特性產生影響，并以切向塑性功指數函數表示摩擦角的磨損過程；曹平等[6]通過對水泥砂漿試塊進行剪切試驗，得出節理抗剪強度與法向力和節理表面形貌特征有關，并且試驗后分析了節理表面二維輪廓平均角的變化情況；Jing 等[7]對節理進行循環直剪試驗研究，發現多次剪切后節理的峰值抗剪強度明顯減小，節理面的粗糙度降低；Jafari等[8]對2種人工節理進行反復循環剪切，模擬了強弱兩種地震作用下節理的抗剪能力，并針對此種人工節理提出了考慮剪切速率、法向應力、循環次數的強度模型；Lee等[9]對規則齒形和不規則節理面進行了一系列直剪試驗，并且對節理面的三維形貌進行了測量，針對此次試驗提出了節理面三維傾角的衰減公式。在此，本文作者通過對人工模擬節理在不同法向應力作用下進行反復直剪試驗，研究節理抗剪強度、反復剪切次數、法向應力之間的關系以及節理面粗糙度系數 CJR的退化規律。最后，基于試驗的結果提出考慮反復剪切次數n的節理峰值強度模型和節理粗糙度系數 CJR衰減方程，由此對節理抗剪強度進行推斷，并提供了一種通過節理粗糙程度來估測節理抗剪強度的簡單可行的方法。

1 直剪試驗

1.1 試件制備

由于采集天然偶合節理較困難，而且難以獲得表面形貌完全一致的節理，因此，本研究采用人工模擬節理進行試驗，以方便單因素分析。首先將巖石加工成適合剪切盒的尺寸進行劈裂獲得偶合節理面；將此節理面表面形貌復制以形成模擬節理的模板；在模板上面澆注水泥砂漿形成模擬節理。獲取節理面的流程如圖1所示。

圖1 人工模擬節理制作流程Fig.1 Manufacturing procedure for artificial rock joint specimens

試件長×寬×高為300 mm×150 mm×300 mm；模型材料選用海螺32.5 水泥、標準砂和水，水、水泥和砂質量配合比為 1:2:3。為了保證模型試件的質量和提高其密實度，在澆筑模型試件過程中，采用分層加料和分層搗實的澆筑方法。

1.2 試驗設備

采用同濟大學巖土工程重點實驗室的 CSS?342型巖體剪切試驗機進行直剪試驗。該試驗機由主機、液壓系統、伺服控制系統、計算機控制及處理系統 4部分組成，可以方便地進行常法向應力、常法向位移下的直剪試驗，加載實現了自動化。各項測量參數由計算機自動記錄，測量精度高，量程大，控制方便靈活，操作界面友好。液壓傳感器連接于加載缸后腔上，測量垂直荷載和水平荷載；位移傳感器有6個，其中4個用于測量試件垂直方向的相對位移和變形，另外2個測量試件水平方向的相對位移和變形。在試驗過程中，可實時顯示法向、切向荷載和位移，繪制法向荷載?法向變形曲線、切向荷載?切向變形曲線和法向變形?切向變形曲線。

1.3 試驗方案與試驗方法

為了研究粗糙節理面在偶合狀態反復剪切作用下的力學性質，試驗采用4組相同人工節理，在偶合狀態下進行4次反復剪切試驗，直剪試驗采用常法向荷載試驗方式。先按荷載控制方式施加0.5，1.0，2.0和3.0 MPa 4級法向荷載，加載速率為5.0 kN/min，直至預定法向荷載，再按加載速率0.5 mm/min施加切向荷載，當剪切位移達到18.0 mm時停止試驗。在試驗過程中，自動采集法向變形?法向荷載曲線和切向變形?切向荷載曲線。同時，每次試驗前后都利用TJXW-3D型便攜式巖石節理表面形貌儀[10]對巖石節理表面進行掃描，并采用表面形貌參數計算軟件，獲取節理面網格點三維坐標，計算其用以表征表面形貌的有效三維傾角i0。

2 直剪試驗結果及分析

2.1 在相同法向力下反復剪切的特性

圖2 所示為4組試件在不同法向力下、反復剪切4次時的剪切位移?剪切應力曲線。從圖2可看出：

（1）同一試樣在相同法向應力作用下，隨著剪切次數的增加，剪切應力均不再出現明顯的峰值，各組試樣經歷第1次剪切后，節理的抗剪強度明顯降低；隨著剪切位移的增加，后3次的殘余強度趨于同一值。

（2）第1次直剪試驗峰值抗剪強度與第2次直剪試驗峰值抗剪強度差異最明顯，而后3次試驗得到的峰值強度較接近。這說明第1次剪切后，節理表面粗糙度損失較大，之后的形貌變化不太明顯。

2.2 不同剪切次序時節理的剪切特性

圖3所示為4組試件在不同剪切次序時的剪切位移?剪切應力曲線。從圖3可以看出：

（1）據首次剪切應力?剪切位移曲線，在節理面抗剪強度沒有達到峰值之前，剪切應力隨著剪切位移的增加，很快增加到峰值應力；隨著剪切位移繼續增加，剪切應力逐漸降低，最終達到殘余應力后基本保持不變。

（2）當法向力不同時，在同一次直剪試驗中，可明顯看出峰值抗剪強度的差別。這是因為節理上、下表面的凹凸部分隨著法向力的增大，咬合程度有所增大，故在剪切過程中，節理表面的凸起體被剪斷或磨碎的程度增大。

2.3 節理剪切強度模型分析

Barton等[11?13]認為凸起體的剪斷和剪脹性與法向應力有關，提出了如下節理剪切強度的經驗方程：

式中：JRC為節理粗糙度系數；JCS為節理壁巖的抗壓強度；φ0為節理基本摩擦角；τ為峰值剪切應力；σn為法向應力。

圖2 不同法向力下反復剪切4次的剪切應力?位移曲線Fig.2 Shear stress-shear displacement curves under different normal stresses for four times

圖3 不同剪切次序時的剪切應力?位移曲線Fig.3 Shear stress-shear displacement curves of 4 times under different normal stress

試驗結果如表1所示。根據表1，考慮峰值剪切應力與法向應力、剪切次數的關系，總結出 1個與Barton經典節理剪切強度τ公式相近的公式：

式中：i0為節理面三維有效傾角；n為反復直剪次數；a，b和c為經驗系數。

表1 峰值剪切應力τTable 1 Peak shear strength τ MPa

據此經驗公式和試驗結果，此處取經驗系數a=0.185 1，b=0.296 2，c=?0.199 55。節理峰值抗剪強度與剪切次數、法向應力的關系如圖4所示。

本文所提出的峰值抗剪強度公式具有形式簡單、經驗參數少且精確度高等特點，a，b和c采用以上3個經驗值能使4條曲線與試驗曲線很好地擬合，說明峰值剪切應力、法向應力、剪切次數之間存在一定的規律。從圖4可以看出：隨著剪切次數的增加，峰值剪切應力損失值逐漸減小，峰值抗剪強度?剪切次數曲線越來越平緩；而隨著法向力的增大，峰值剪切應力基本上呈線性增加。

2.4 節理粗糙度系數CJR在剪切過程中的衰減

Batton于 1976年提出的節理抗剪強度經驗公式是目前最常用的剪切強度模型，對于無填充或少填充的巖體節理，利用JRC?JSC模型對節理抗剪強度進行推斷，特別是提供了一個通過節理粗糙程度來估測節理剪切強度的簡單可行的方法?；贘RC?JCS模型和實驗數據，反算出CJR如表2所示。

圖4 峰值抗剪強度試驗值與模型計算結果Fig.4 Comparison of results of test and model for peak shear strength

表2 CJR反算結果Table 2 Computed results of CJR

杜時貴等[14]基于Homand等[15]的研究成果，提出了節理粗糙度系數在剪切過程中的衰減的一般方程：式中：CJR0為節理初始粗糙度；SJC為節理面壁巖強度；α為與節理試驗方法相關的常數。

本文結合上式，提出考慮剪切次數n的粗糙度系數衰減方程：

式中：c和d為與本實驗相關的經驗系數。從圖5可以看出：CJR隨剪切次數的增加逐漸變小；在同一次試驗中，不同法向力下的 CJR衰減幅度隨法向力的增大而增大。

圖5 節理粗糙度系數CJR衰減曲線Fig.5 Degradation curves of roughness coefficient CJR

3 結論

（1）同一組試樣在相同法向應力作用下，隨著剪切次數的增加，節理的抗剪強度明顯降低，第1次直剪試驗峰值抗剪強度與第2次直剪試驗峰值抗剪強度差異最明顯，而后3次試驗得到的峰值強度較接近，說明第1次剪切之后，節理表面粗糙度損失較大，之后的形貌變化不甚明顯。

（2）當法向力不同時，在同一次直剪試驗中，從剪應力?剪切位移曲線可以明顯看出峰值抗剪強度的差別。這是因為節理上下表面的凹凸部分隨著法向力的增大，咬合程度有所增強。故在剪切過程中，節理表面的凸起體被剪斷或磨碎程度增大。

（3）提出考慮反復剪切次數 n的巖石節理峰值強度模型和節理粗糙度系數 CJR衰減方程，可以利用JRC-JSC模型對節理抗剪強度進行推斷。

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