自然與飽水條件下異性結(jié)構(gòu)面的剪切特性研究

魯祖德，陳從新

（中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071）

1 引 言

巖體是一種不連續(xù)、非均質(zhì)的各向異性地質(zhì)體，其中節(jié)理、裂隙等不連續(xù)面的擴(kuò)展、貫通是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)等巖體工程事故的主要原因之一。結(jié)構(gòu)面作為巖體的重要組成單元之一，巖體的強(qiáng)度、變形性質(zhì)、破壞特征等與其中結(jié)構(gòu)面的展布、組合情況和力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。研究表明，水-巖作用對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面的物理、化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致巖體力學(xué)性質(zhì)的變異，尤其對(duì)結(jié)構(gòu)面剪切特性的影響甚為顯著，因此，研究水-巖作用下結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度特性，對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面作出定性、定量分析和評(píng)價(jià)，無論是對(duì)巖體基本力學(xué)特性的研究，還是對(duì)巖體穩(wěn)定性分析都有十分重要的作用。

國內(nèi)外學(xué)者[1－8]對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究，但主要限于兩側(cè)巖性相同的硬性結(jié)構(gòu)面或軟弱結(jié)構(gòu)面，對(duì)兩側(cè)巖性不同的結(jié)構(gòu)面研究也有所涉及，如賀建明等[8]對(duì)兩側(cè)不同巖性（泥巖和灰?guī)r）組成的異性結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了不同粗糙度、不同正應(yīng)力下的剪切試驗(yàn)，并建立了抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則。但考慮水的影響下異性結(jié)構(gòu)面（一側(cè)為軟弱結(jié)構(gòu)面，一側(cè)為硬性結(jié)構(gòu)面）的剪切力學(xué)特性研究尚未見報(bào)道。而實(shí)際工程巖體大多數(shù)情況下的水-巖作用是從巖體介質(zhì)初始結(jié)構(gòu)面特別是軟硬結(jié)構(gòu)面接觸界面的損傷開始的。本文利用室內(nèi)剪切試驗(yàn)裝置，開展不同正應(yīng)力下自然與飽水巖體異性結(jié)構(gòu)面的剪切試驗(yàn)，分析水-巖作用對(duì)異性結(jié)構(gòu)面剪切力學(xué)特性的影響機(jī)制，并利用JRC-JCS抗剪強(qiáng)度力學(xué)模型將試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 試驗(yàn)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(qū)，嶺澳核電廠址基巖區(qū)內(nèi)節(jié)理的走向大多數(shù)以北東向?yàn)橹鳎浯螢楸蔽飨?，其他方位的?jié)理發(fā)育較弱。主要節(jié)理產(chǎn)狀見表1，取樣點(diǎn)見圖1。從現(xiàn)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(jié)構(gòu)面的剪切位置位于中部，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行剪切試驗(yàn)。根據(jù)室內(nèi)含水率的測定，選取的典型結(jié)構(gòu)面在飽水6 h后均達(dá)到飽和狀態(tài)，故將所有飽水結(jié)構(gòu)面的浸泡時(shí)間均大于6 h。飽水過程如圖2所示。自然狀態(tài)試樣和飽水狀態(tài)試樣各為5個(gè)。

表1 主要節(jié)理產(chǎn)狀Table1 Major joints occurrences

圖1 取樣點(diǎn)Fig.1 Sampling site

2.2 巖石結(jié)構(gòu)與礦物成分

通過對(duì)現(xiàn)場取回的巖樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)和礦物成分分析，硬性結(jié)構(gòu)面為具變余砂狀結(jié)構(gòu)的常英質(zhì)角巖節(jié)理，軟弱結(jié)構(gòu)面為具交代結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(jié)構(gòu)面顯微結(jié)構(gòu)圖像Fig.3 Microscope photo of hard structural surface

圖4 軟弱結(jié)構(gòu)面顯微結(jié)構(gòu)圖像Fig.4 Microscope photo of weak structural surface

硬性結(jié)構(gòu)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(shù)達(dá)0.65 mm，其中斜長石發(fā)育聚片雙晶。由于熱力變質(zhì)作用影響，有少數(shù)石英已重結(jié)晶，呈它形粒狀產(chǎn)出。原巖的膠結(jié)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(shù)達(dá)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(jié)構(gòu)面巖石遭受強(qiáng)烈蝕變，原礦物成分和結(jié)構(gòu)已基本破壞?，F(xiàn)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(shù)達(dá)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(xì)小粒狀或不規(guī)則粒狀，粒徑大多數(shù)在0.01～0.2 mm范圍內(nèi)，組成不規(guī)則小團(tuán)塊或零星狀分布于巖石中。僅個(gè)別地方見0.5～1.8 mm不等的它形粒狀石英。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備及加載過程

采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所自行研制的JQ－200巖石剪切流變儀進(jìn)行試驗(yàn)。該儀器適用于巖石、混凝土、巖石與混凝土膠結(jié)面、各種巖體軟弱夾層等的快剪及慢剪試驗(yàn)。試驗(yàn)的設(shè)計(jì)以摩爾-庫侖準(zhǔn)則為指導(dǎo)，預(yù)估試樣的黏聚力c為50 kPa，摩擦角φ為30°。采用單試件法對(duì)同一試樣在不同垂直壓力下分別進(jìn)行5次試驗(yàn)，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(yù)定荷載。保持法向應(yīng)力不變，采用增量加載法施加剪力，根據(jù)預(yù)估的抗剪強(qiáng)度分級(jí)逐步均勻施加，以便控制剪切位移速率。在試樣達(dá)到實(shí)際的抗剪強(qiáng)度以前，要讀取至少10組數(shù)據(jù)。剪切位移和法向位移的量測設(shè)備采用百分表，圖5為試驗(yàn)后巖樣。

圖5 試驗(yàn)后巖樣Fig.5 Structural surface of a specimen

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

異性結(jié)構(gòu)面在不同含水狀態(tài)下的典型剪切應(yīng)力-變形曲線如圖6所示。

3.1 剪切變形特性分析

已有試驗(yàn)研究表明，在一定的法向應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面在剪切作用下產(chǎn)生切向變形有兩種基本形式，類型A：隨剪切變形發(fā)生，剪切應(yīng)力相對(duì)上升較快，當(dāng)達(dá)到剪應(yīng)力峰值后，結(jié)構(gòu)面抗剪能力出現(xiàn)較大的下降，并產(chǎn)生不規(guī)則的峰后變形或滯滑現(xiàn)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(xù)發(fā)展，剪切應(yīng)力逐漸升高但沒有明顯的峰值出現(xiàn)，最終達(dá)到恒定值，有時(shí)也出現(xiàn)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(qū)”（峰值應(yīng)力上升區(qū)）、剪應(yīng)力峰值區(qū)和“塑性區(qū)”（峰后應(yīng)力降低區(qū)或恒應(yīng)力區(qū)）[9]。在結(jié)構(gòu)面剪切過程中，伴隨有微凸體的彈性變形、劈裂、磨粒的產(chǎn)生與遷移、結(jié)構(gòu)面的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)等多種力學(xué)過程。剪切變形一般是不可恢復(fù)的，即便在“彈性區(qū)”，剪切變形也不可能完全恢復(fù)。將“彈性區(qū)”單位變形內(nèi)的應(yīng)力梯度稱為剪切剛度Kt，Kt= ?τ/ ?δt（ 符號(hào)意義見圖7(a)）。

分析圖6可以看出，水對(duì)異性結(jié)構(gòu)面剪切變形曲線形式影響不大，無論是自然狀態(tài)還是飽水狀態(tài)，均為類型B。加載初期曲線呈線性增長，表現(xiàn)為彈性，剪切剛度近似為常量；隨著剪切力的增加，曲線呈現(xiàn)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(dāng)試件達(dá)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(tài)試件，飽水試件的彈性區(qū)減小，較早進(jìn)入峰值區(qū)或塑性區(qū)。相同正應(yīng)力下飽水后異性結(jié)構(gòu)面的剪切剛度要低于自然狀態(tài)的剪切剛度，在低法向力下尤為顯著。

3.2 剪切強(qiáng)度特性分析

根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)面試件在剪切過程中以及破壞后的觀察，異性結(jié)構(gòu)面在剪切過程中的破壞模式為磨碎（損）破壞。常用的巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ的取值方法有點(diǎn)群中心法、優(yōu)定斜率法、隨機(jī)-模糊法和模糊回歸法等。本文采用應(yīng)用最為普遍的最小二乘法。

在選取峰值抗剪強(qiáng)度時(shí)參考以下兩種方法：（1）對(duì)于峰值強(qiáng)度較明顯的曲線，取不同正應(yīng)力下的最大剪應(yīng)力作為峰值強(qiáng)度；（2）對(duì)于峰值強(qiáng)度不明顯的曲線，采用位移控制法，即采用剪切位移達(dá)到巖樣邊長 1% 時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為峰值強(qiáng)度。采用最小二乘法進(jìn)行回歸得到對(duì)應(yīng)的 c、φ值。

不同含水狀態(tài)下的異性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)見表 2。定義黏聚力和內(nèi)摩擦角在水作用下裂紋面上強(qiáng)度參數(shù)的水-巖損傷系數(shù)為Dc和Dφ，則水損傷后節(jié)理強(qiáng)度指標(biāo)為c=(1-Dc)c0，φ=(1-Dφ)φ0。從表2可以看出，水對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)尤其是內(nèi)摩擦角φ的劣化是明顯的。

表2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table2 Shear strength parameters

3.3 異性結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則

從結(jié)構(gòu)面的變形分析可以看出，在剪切過程中的力學(xué)機(jī)制比較復(fù)雜，影響結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的因素是多方面的。結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度一般可以用庫侖準(zhǔn)則表述：

式中： σn為作用在結(jié)構(gòu)面上的法向應(yīng)力。其中，內(nèi)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(jié)構(gòu)面上凸臺(tái)斜坡角。圖8為上凸臺(tái)模型的剪力與法向力的關(guān)系曲線，近似呈雙直線的特征。結(jié)構(gòu)面受剪初期，剪切力上升較快；隨著剪力和剪切變形增加，結(jié)構(gòu)面上部分凸臺(tái)被剪斷，此后剪切力上升，梯度變小，直至達(dá)到峰值抗剪強(qiáng)度。

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

Barton等[1]考慮到3個(gè)基本因素（法向力σn、粗糙度JRC、結(jié)構(gòu)面壁巖石強(qiáng)度JCS）的影響，提出結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度公式：

式中：JCS為結(jié)構(gòu)面的抗壓強(qiáng)度；JRC為結(jié)構(gòu)面粗糙性系數(shù)，其值根據(jù)結(jié)構(gòu)面的粗糙性在0～20間變化，平坦近平滑結(jié)構(gòu)面為5，平坦起伏結(jié)構(gòu)面為10，粗糙起伏結(jié)構(gòu)面為20。

文獻(xiàn)[8]通過巖體異性結(jié)構(gòu)面在不同粗糙度、不同正應(yīng)力下的剪切試驗(yàn)研究，得出異性結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則為

式中：KA、KB為系數(shù)：

式中：JCSA、JCSB分別為巖壁單軸抗壓強(qiáng)度；φAB為異性結(jié)構(gòu)面基本摩擦角，取兩側(cè)結(jié)構(gòu)面的較小值。

根據(jù)式（4），計(jì)算出在不同法向應(yīng)力下不同含水狀態(tài)異性結(jié)構(gòu)面的峰值剪切強(qiáng)度，對(duì)計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，見圖9和表2。

圖9 摩爾-庫侖準(zhǔn)則包絡(luò)線Fig.9 Mohr-Coulomb criterion envelope

表2 試驗(yàn)結(jié)果與模型計(jì)算的抗剪強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比Table2 Comparison of shear strength parameters between computed and measured ones

通過異性結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算出的強(qiáng)度參數(shù)與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，自然狀態(tài)中內(nèi)摩擦角計(jì)算值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差在 4%以內(nèi)。飽水狀態(tài)下內(nèi)摩擦角計(jì)算值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差在 7%以內(nèi)。由于影響?zhàn)ぞ哿Φ囊蛩剌^多，黏聚力與試驗(yàn)值相差較大，且天然結(jié)構(gòu)面取樣的不均一性不可避免，因此，內(nèi)摩擦角可作為模型計(jì)算值與試驗(yàn)值的主要對(duì)比指標(biāo)。

4 結(jié) 論

（1）異性結(jié)構(gòu)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(tài)試件，飽水試件的彈性區(qū)減小，較早進(jìn)入峰值區(qū)或塑性區(qū)。

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

（3）水對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)，尤其是內(nèi)摩擦角φ的劣化是明顯的。

（4）只要計(jì)算參數(shù)選取得當(dāng)，并考慮實(shí)際巖體的受力及水等情況，JRC-JCS計(jì)算模型可以為實(shí)際工程巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度提供較為準(zhǔn)確的參數(shù)。

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