節理傾角對巖石試件峰值強度和變形特征影響的研究

牛江偉，徐傳貴

(1.中交一公局集團有限公司， 北京 100000；2.中交一公司 第四工程有限公司， 廣西 南寧 530000)

0 引言

巖體是一種不連續、非均質且具有各向異性的地質體。由于受各種地質作用的影響，巖體往往由各種不連續的面和塊組成，巖體受載時其變形特征與結構面有著緊密的聯系。宋旭等[1]借助光學儀器掃描建立砂巖的裂隙模型，研究裂隙開度、接觸面積和孔隙體積對其力學性質的影響規律。閆振雄等[2?4]將3D打印技術應用于非貫通節理試件的制作，探討了單節理和雙節理情況下巖石的破壞形式和殘余強度的變化規律，并對隧道開挖過程中節理巖體的響應特征進行模擬，結果表明，法向剛度是影響隧洞圍巖塌方范圍的主要因素，法向剛度越大，塌方范圍也越小；剪切剛度和節理的摩擦角是影響隧洞圍巖塌方范圍的次要因素。劉洪斌等[5?6]針對深部硐室被節理斜穿時的特殊工況，通過設計不同的支護方案，能有效地控制不同傾角節理貫穿硐室時的圍巖變形，提高圍巖支承能力。王煜等[7?8]通過顆粒流離散元模擬技術，得出不同加載速率下節理傾角對模型峰值應力和裂紋擴展機理的影響規律，為同類問題中原生裂隙場難以建立提供了一種有效的解決方法。

在工程實踐中，除節理的破壞特性外，結構面和巖體共同組成的承載體的宏觀強度特性備受關注，細觀節理漸進發育破壞的力學過程，宏觀上表現在巖體的應力應變曲線上。上述學者在研究過程中使用的巖體破壞準則多為摩爾庫倫準則，而巖體正是由于節理等結構面的存在，在承受載荷時峰后曲線常表現出力學性能的劣化，應變軟化模型恰好能針對節理巖體的峰后變形進行較好的模擬。

本文基于室內節理試驗，依托江津至瀘州北線高速重慶段臨峰山隧道開挖工程，現場采取巖石試樣并進行加工處理，借助3DEC內置的應變軟化本構模型對節理巖體在單軸壓縮條件下的變形進行模擬，并簡要探討了節理傾角對巖體強度的影響。

1 試驗概況

依據試驗要求，對不同結構面形態的試件進行單軸壓縮試驗。節理傾角按0°、30°、45°、60°和90°的幾種方案設置，并與不含節理的完整試件進行對比。

試件制作流程：選擇石英砂、水泥、石膏和水，按質量比為3∶0.5∶0.5∶1配合，經充分攪拌后倒入模具，然后在振動臺上振動約2min，靜置1d后脫模，再經過28d養護，待試件強度穩定。將養護好的試件用切割機切割出一定角度，然后用石膏粘結試塊，再將粘結部分的石膏打磨平整即可。

2 試驗結果

2.1 峰后破壞形式

圖1所示為試件沿節理面發生滑移破壞和張拉破壞。傾角為0°和90°時，節理面的張拉破壞是主要破壞形式；節理傾角為60°時，試件沿節理面發生相對滑移破壞；節理傾角為30°和45°時，兩種形式的試件破壞均有。此外，當試件處于加載初期的時候，試件變形緩慢，傾角范圍較小時才會產生裂紋。在靜載荷下，裂紋在長期載荷下逐漸發育和貫通，裂隙數目和長度隨之增加，當受力達到峰值強度時，細小裂紋貫穿成幾條主要的大裂紋，試件沿軸向形成張拉破壞。

圖1 不同傾角的試件破壞形態

如圖1（b）所示，0°節理試件的節理面垂直于軸向應力加載方向，且節理處填充石膏的厚度相對較小，因此，試樣的破壞形態類似于無節理試樣。

30°、45°和60°這3種節理試件的節理面與主應力方向有一定的夾角，在軸向荷載作用下，節理兩邊的巖體受到剪切和張拉作用，在試驗結果上則表現為張拉破壞和剪切破壞的混合破壞形式。

節理傾角為30°和45°的2個試件，上部巖體在承受軸向壓力的同時沿著節理面慢慢下滑，呈現出沿節理面滑移和節理面兩側巖體受張拉形式的復合破壞，如圖1（c）、圖1（d）所示。由于節理傾角越大，填滿節理面的石膏越容易發生剪切破壞，巖塊所承受的荷載也相應減小。因此，60°節理傾角試樣的上部巖體下滑速度最快，節理面兩側巖體還未來得及發生張拉破壞，便直接滑落導致試驗終止，其破壞模式屬于沿節理面進行剪切破壞。

對節理傾角為90°的試樣，在節理處的石膏最先開裂并漸漸脫落，荷載基本由節理兩側巖塊承受，壓應力引起節理和巖塊發生張拉破壞，如圖1（f）所示，其破壞形態與無節理試件相似。

2.2 峰后破壞應力?應變曲線

單軸壓縮時，不同節理傾角的試件其應力?應變曲線如圖2所示。

圖2 單軸壓縮應力?應變曲線

（1）無論是完整巖體還是節理巖體，初期應力隨變形量增大而上升的速度均由慢變快，然后進入線彈性階段，這是由于在靜力荷載作用下，應力幅度增大所需的時間較長，同時試件內部還存在各種細小孔隙，軸向荷載逐漸增大的同時，這些孔隙也逐漸被壓實。

（2）對于不同節理傾角的巖體，彈性階段表現各不相同，節理傾角為30°、45°和60°的巖體其應力上升速度明顯小于節理傾角為0°、90°的巖體和無節理巖體。其原因是：節理傾角為30°、45°和60°的試件在變形過程中存在節理面的剪切破壞，所以彈性模量小，變形量大。

（3）達到應力峰值后，應力曲線呈現出明顯的脆塑性破壞特征。其中，30°節理傾角試件的殘余強度值最大，其次是0°、90°節理傾角試件和無節理試件的殘余強度基本相近，45°和60°節理傾角試件的殘余強度值最小。分析其原因：無節理試樣和0°、30°、90°節理傾角試件在達到峰值強度之前，主要由巖塊和節理填充物共同承擔軸壓荷載，當達到峰值強度后，因為塊體承受的荷載突然增加，已有的裂紋加速搭接，塊體不斷受到壓縮變形破壞，所以應力應變曲線的下降斜率很大，每個塊體的剩余強度相似。當荷載達到最大強度時，45°和60°節理傾角的試件受到剪切，因為節理與上下巖塊的連接不再緊密，強度下降更為嚴重。

如圖3所示，0°傾角和90°傾角的節理試件的峰值強度都比完整試件稍高，90°節理傾角試件的峰值強度最大，大約是完整試件的1.2倍。試驗結果表明，30°、45°和60°節理傾角試件的強度均明顯下降，峰值強度隨節理傾角遞增而依次下降，而60°節理傾角試件的峰值強度僅為總完整試件的60.2%，曲線整體呈現“V”字形。

圖3 峰值強度與節理傾角的關系

3 節理試件的離散元模擬

利用3DEC離散單元法，結合室內實驗結果，選擇能較好地反映巖石軟化現象的應變軟化模型本構和庫倫滑移的節理本構，模擬節理表面的變形和破壞力學行為。數值計算模型如圖4所示，所選參數見表1、表2。

圖4 數值計算模型

表1 塊體參數

表2 節理參數

從圖5中可以看出，試樣的強度和變形隨節理傾角變化的幅度較大，表現出明顯的各向異性。節理傾角為0°、90°時，試件的峰值強度較大；節理傾角度為30°、45°、60°時，試件的強度依次減小，在節理傾角為60°時，試件峰值強度最小，與試驗結果基本吻合；峰后殘余強度階段的模擬曲線也與試驗曲線的變化趨勢基本吻合。

由于實際試件存在細小孔隙，在試驗初期階段裂縫、孔隙受壓閉合，曲線上凹呈非線性特征，而模擬中巖石為理想狀態，其初期階段的應力?應變曲線幾乎呈線性上升特征。峰后應力應變曲線部分不能吻合，主要原因是端部摩擦系數很難降低，不可能完全消除，因此測試結果與模擬的峰后曲線仍有一定差距。

圖5 節理試件試驗與模擬結果對比

4 結論

本文從室內試驗出發，結合數值模擬得出以下結論：

（1）應力?應變曲線隨節理傾角變化呈現出不同的變化規律，所有情況下都表現出巖石受壓時的典型階段，即孔隙壓密段、線彈性段、裂隙穩定擴展段、裂隙失穩擴展階段和殘余強度階段；

（2）節理傾角為0°和90°時，試件的峰值強度略大于無節理試件，節理傾角為30°、45°和60°時，試件的峰值強度依次降低，在60°時出現最小值；

（3）利用3DEC軟件內置的應變軟化模型，能夠較吻合地模擬出節理試件的峰后殘余強度特征。