不同寬度巖橋節(jié)理巖體直剪試驗研究

張國峰，陳國慶，敖昌啟，張 巖，趙永杰

(成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

不同寬度巖橋節(jié)理巖體直剪試驗研究

張國峰，陳國慶，敖昌啟，張 巖，趙永杰

(成都理工大學 地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

通過室內(nèi)常規(guī)直剪試驗研究了不同寬度巖橋節(jié)理巖體的破壞特性和抗剪強度的變化規(guī)律。結果表明:節(jié)理巖體的抗剪強度主要由巖橋提供;隨著巖橋由窄向寬變化，破壞方式由剪斷破壞到大范圍的剪切破壞，形成具有一定角度的剪切面;在巖橋由寬變窄的過程中，對巖石抗剪強度起主導作用的強度參數(shù)由黏聚力變?yōu)榱藘?nèi)摩擦角。

巖橋 直剪試驗 主控作用 黏聚力 內(nèi)摩擦角

工程巖體的破壞通常是由節(jié)理和巖橋共同破壞組成的［1］。非貫通節(jié)理巖體的巖橋破壞模式及其變形和強度特性在很大程度上受非貫通節(jié)理面的規(guī)模、密度和空間分布的影響［2］。

由于直剪試驗能夠充分考慮在不同法向應力下非貫通節(jié)理巖體幾何形狀和位置、節(jié)理面以及巖橋的抗剪強度參數(shù)等對非貫通節(jié)理擴展的影響［3］，因而被國內(nèi)外學者廣泛采用。Lajtai［4-5］在直剪試驗中對試樣施加不同的法向應力，發(fā)現(xiàn)巖橋破壞方式為張拉—剪切擴展—剪切貫通;白世偉等［6］認為，法向應力、節(jié)理的排列方式對裂紋擴展貫通有重要影響;Gehle等［7］采用伺服控制加載方式進行直剪試驗，獲得了全過程抗剪強度曲線。此外，國內(nèi)外學者［8-10］對巖橋還進行了較多的單軸或雙軸壓縮試驗。在強度理論方面，Lajtai［4-5］認為巖橋破壞分為張拉、剪切、擠壓三種破壞模式，并將其分開考慮，建立了 Lajtai強度理論;劉遠明等［11］提出了黏結力小于抗拉強度情況下的破壞模式，對Lajtai強度理論進行了修正和完善;Goodman［12］提出了類似廣義Hook定律的彈性本構關系，采用雙曲線函數(shù)描述節(jié)理峰值前剪切應力—位移的非線性關系;朱維申等［13］基于斷裂力學理論提出了巖橋抗剪強度理論;任偉中等［14］針對共面閉合非貫通節(jié)理巖體，建立了拉剪復合破壞的強度準則。

本文采用直剪試驗，通過對4組帶有不同寬度巖橋的試樣進行試驗，探究具有不同寬度巖橋的節(jié)理巖體在不同法向應力作用下的變形、抗剪強度參數(shù)的變化規(guī)律。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

為模擬天然巖石，試樣采用的材料及其質量比為水泥∶砂∶水∶石膏=1∶3∶1∶1。試樣為50 mm×50 mm ×50 mm的正方體。為研究不同寬度的巖橋抗剪強度隨正壓力的變化規(guī)律。將試件分為4組不同寬度，見表1。在加工過程中利用游標卡尺嚴格控制巖橋的寬度。

表1 各組巖橋預留寬度

試樣采用定制模具澆筑而成，澆筑完成后，放到振動臺上振動密實，24 h后拆模。在溫度20℃，濕度65%的條件下養(yǎng)護風干。成型后切割，制備成標準試件，再根據(jù)設計寬度，采用鋼鋸條人工切割節(jié)理裂隙，形成巖橋試樣，見圖1。

1.2 試驗儀器

本次試驗儀器為成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室自主研制的攜帶式巖石力學多功能試驗儀，如圖2所示。該試驗儀能模擬巖石受力條件，準確獲得標準試件、不規(guī)則形狀試件、軟弱結構面、碎石土以及硬質土的抗剪強度參數(shù)。通過試驗，獲得每級法向荷載作用下剪切荷載，計算法向應力和剪應力，利用最小二乘法原理擬合剪應力—法向應力關系曲線，并確定相應的抗剪強度參數(shù)。1.3 試驗方法

圖1 不同寬度巖橋試樣

4組試樣，巖橋寬度各不相同，每組5個試件，分別施加0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 MPa的正壓力。試驗中側壓加壓幅度為0.2 MPa，逐級加載，并利用千分表對側向位移進行監(jiān)測。當側壓力表度數(shù)不再上升且側向位移變化明顯增大時判定為試件破壞，同時記錄側壓力表峰值。

2 試驗結果與分析

2.1 峰值剪應力與法向應力變化規(guī)律

不同巖橋寬度試樣max－σ關系曲線見圖3。

從圖3可以看出，在同組試樣中，隨著法向應力的增大，峰值剪應力也隨之增大。在不同巖橋寬度下，其峰值剪應力隨法向應力的變化趨勢不同。這是因為，隨著巖橋寬度的變化，巖石的黏聚力和內(nèi)摩擦角控制巖石抗剪強度的主導地位在發(fā)生變化。

2.2 黏聚力與內(nèi)摩擦角變化規(guī)律

黏聚力及內(nèi)摩擦角隨巖橋寬度變化曲線見圖4。

從圖4可以看出，當巖橋寬度從25 mm變化至40 mm時，黏聚力先增大后減小，內(nèi)摩擦角先減小后增大。這說明在巖橋寬度的變化過程中黏聚力和內(nèi)摩擦角影響抗剪強度的主導地位發(fā)生了變化。在巖質邊坡的破壞過程中，由于后緣拉裂，前緣剪切破壞，巖橋便成為了控制邊坡是否會發(fā)生徹底破壞的關鍵。當巖橋寬度較大時，控制巖橋抗剪強度的主導因素是巖體的黏聚力，隨著變形進一步加劇，巖橋寬度進一步減小后，黏聚力降低，內(nèi)摩擦角成為了控制巖體抗剪強度的主導因素。

圖3 不同巖橋寬度試樣 max－σ關系曲線

圖4 黏聚力及內(nèi)摩擦角隨巖橋寬度變化曲線

2.3 不同巖橋試樣破壞機理分析

1)在一定的法向應力下，隨著剪應力的施加，受剪面上下塊體將發(fā)生相對位移。開始由于剪力不足以克服節(jié)理面上的靜摩擦力，節(jié)理面上下無相對錯動，此時整個剪切面上的剪應力除巖橋處稍高外，其余地方近似呈均勻分布，整個受剪面處于線彈性階段。

2)當剪力增大，達到節(jié)理面的抗剪強度時，沿節(jié)理面開始發(fā)生相對錯動。由于巖橋的作用，節(jié)理面不能瞬間貫通，巖橋上下兩側開始出現(xiàn)拉裂縫，隨著剪應力進一步增加，拉裂縫會向外逐漸延伸。

3)剪力進一步增加時，斜向拉裂縫不斷發(fā)展，使巖橋有效截面面積越來越小。由于剪脹效應，法向壓應力的作用減弱，節(jié)理面上的抗剪強度也隨之降低甚至為0。

4)當剪應力超過試樣峰值破壞強度時，試樣突然沿主破裂面發(fā)生宏觀整體性的脆性剪斷破壞，其抵抗剪切荷載的能力迅速下降，僅依靠其破裂面的摩擦阻力承擔，此時試件進入殘余摩擦階段。

3 結論

1)由于巖橋的存在使得試樣存在非貫通不連續(xù)節(jié)理面，巖樣的抗剪強度主要由巖橋提供。因此，巖橋的抗剪強度在斜坡破壞的過程中起著十分重要的控制作用。

2)峰值剪應力隨著法向應力的增加而增大。

3)在巖橋寬度由寬變窄的過程中，黏聚力和內(nèi)摩擦角控制巖石抗剪強度的主導地位在發(fā)生變化。巖橋較寬時，黏聚力起主導作用;反之，內(nèi)摩擦角起主導作用。

4)在一定法向壓力下，隨剪切應力的增加，巖橋的剪切破壞過程可分為線性變形階段、兩翼裂紋產(chǎn)生和發(fā)展階段、剪切裂紋發(fā)展和貫通階段、試樣破壞后的殘余摩擦階段。

5)巖橋長度影響巖體的破壞特性。巖橋較短時，巖體的抗剪強度較小，巖橋直接發(fā)生剪斷破壞。隨著巖橋長度的增加，抗剪強度增加，巖橋不會被直接剪斷，而是出現(xiàn)大范圍的剪切破壞。

［1］朱維申，李術才，陳衛(wèi)忠.節(jié)理巖體破壞機制和錨固效應及工程應用［M］.北京:科學出版社，2002.

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Direct shear test study on rock mass with rock bridge joints featuring different width

ZHANG Guofeng，CHEN Guoqing，AO Changqi，ZHANG Yan，ZHAO Yongjie
(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China)

Direct shear test was applied in this paper to study failure characteristics，strength parameters and shear strength of rock mass with different width rock bridge joints.T he results show that the shear strength depends on rock bridge.As its width increases，shear failure gradually exists in a larger zone，creating shear plates.W hen the width of rock bridge gets narrower，the control factor affecting shear strength transfers from cohesion to internal friction angle.

Rock bridge;Direct shear test;Control function;Cohesion;Internal friction angle

TU458

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.26

(責任審編 葛全紅)

2015-06-17;

:2015-07-20

國家自然科學基金項目(41272330，41130745);國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB733202)

張國峰(1986— )，男，碩士研究生。

1003-1995(2015)11-0089-04