平行節(jié)理相互作用對節(jié)理巖體的力學(xué)行為影響

王飛，曹平，曹日紅，高青鵬，熊心廣，王柱

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平行節(jié)理相互作用對節(jié)理巖體的力學(xué)行為影響

王飛，曹平，曹日紅，高青鵬，熊心廣，王柱

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙，410083)

以類巖材料制作平行節(jié)理試樣并開展壓剪實(shí)驗(yàn)，采用聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測試樣加載過程，研究節(jié)理相互作用對巖體力學(xué)行為的影響。研究結(jié)果表明：1) 節(jié)理試樣在壓剪加載下可分4種破壞模式：共面剪切破壞；沿節(jié)理面剪切破壞；沿剪切應(yīng)力面剪切破壞；類完整型剪切破壞。傾角對試樣破壞模式起決定性作用，重疊度影響試樣裂隙的發(fā)育。2) 試樣峰值剪切強(qiáng)度隨傾角增加先增大后減小并在45°取得最大值；隨著節(jié)理重疊度的增大，峰值剪切強(qiáng)度逐漸減??；剪切峰值強(qiáng)度對傾角因素更敏感。3) 不同傾角試樣的剪切應(yīng)力?位移曲線差異主要體現(xiàn)在破裂后階段，試樣的聲發(fā)射計(jì)數(shù)變化規(guī)律與破壞模式相對應(yīng)；不同重疊度試樣應(yīng)力?位移曲線形態(tài)相似，試樣的聲發(fā)射計(jì)數(shù)變化規(guī)律相似，但計(jì)數(shù)峰值隨重疊度的增大逐漸減小。

節(jié)理相互作用；節(jié)理重疊度；壓剪試驗(yàn)；力學(xué)行為；聲發(fā)射

天然巖體內(nèi)部發(fā)育的原生節(jié)理、裂隙、斷層等不連續(xù)面會(huì)極大的削弱巖體的穩(wěn)定性，進(jìn)而使巖體力學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性評估成為巖土工程中的一個(gè)普遍問 題[1?2]。不連續(xù)面對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響不僅在于其與巖石的相互作用，還在于不連續(xù)面之間的相互作 用[3?4]。巖體內(nèi)部的原生節(jié)理間會(huì)產(chǎn)生相互影響，且在荷載下會(huì)形成相互貫通造成巖體的進(jìn)一步破壞，并進(jìn)一步弱化巖體的強(qiáng)度，最終影響巖體工程的整體穩(wěn)定性。節(jié)理之間相互作用對巖體破壞的影響規(guī)律將對實(shí)際工程有重要的指導(dǎo)意義。國內(nèi)外學(xué)者通過試驗(yàn)及數(shù)值模擬等方法對斷續(xù)節(jié)理巖體的力學(xué)行為進(jìn)行了廣泛研究。PRUDENCIO等[5]對具有非連續(xù)節(jié)理的巖石進(jìn)行了雙軸壓縮試驗(yàn)，研究結(jié)果表明非連續(xù)節(jié)理的幾何形狀、主應(yīng)力的方向?qū)r石的破壞模式有重要影響。CAO等[6]通過遍布非連續(xù)節(jié)理類巖石試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，提出了4種破壞模式。CORDING等[7]發(fā)現(xiàn)了與節(jié)理組幾何形態(tài)和圍壓有關(guān)的4種破壞模式：沿單一面滑移、臺(tái)階式破壞、多平面臺(tái)階式破壞和貫穿完整巖塊的剪切破壞。楊圣奇等[8?10]采用斷續(xù)節(jié)理大理巖試件研究了裂隙參數(shù)幾何分布對其變形及破壞的影響，結(jié)果表明變形呈現(xiàn)出局部化漸進(jìn)破壞特征，峰值強(qiáng)度、彈性模量等均有明顯降低。陳新等[11?12]研究了單軸壓縮下預(yù)制張開非連續(xù)裂隙節(jié)理組的產(chǎn)狀和連通率對壓縮強(qiáng)度、彈性模量及應(yīng)力?應(yīng)變曲線的影響。蒲成志等[13]對預(yù)制非連續(xù)多裂隙試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，并運(yùn)用FLAC3D建立應(yīng)變軟化模型進(jìn)行數(shù)值模擬，探索裂隙角度和分布密度對試件斷裂破壞強(qiáng)度的影響規(guī)律。FAN等[14]采用PFC3D數(shù)值模擬軟件研究非連續(xù)節(jié)理傾角、節(jié)理連通率對巖石力學(xué)行為的影響，結(jié)果表明節(jié)理傾角、連通率對巖石的強(qiáng)度、變形模量有重要影響。上述學(xué)者的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究揭示了節(jié)理對巖體的重要影響。在預(yù)置斷續(xù)裂隙試件的研究中，絕大多數(shù)采用不同的幾何分布裂隙進(jìn)行單軸、雙軸壓縮以研究裂隙擴(kuò)展、匯合貫通和巖體破壞模式，但剪切試驗(yàn)條件下的研究相對較少，尤其是針對壓剪應(yīng)力同時(shí)作用下的巖體破壞行為；大多數(shù)是對節(jié)理與巖橋之間的關(guān)系進(jìn)行研究[15?16]，但節(jié)理之間的相互作用研究的相對較少，缺乏關(guān)于裂隙組合下與巖體力學(xué)行為定量關(guān)系的試驗(yàn)研究。然而，在現(xiàn)實(shí)巖體工程開挖中，節(jié)理巖體往往處于壓剪綜合應(yīng)力環(huán)境且節(jié)理之間經(jīng)常相互作用，如高陡巖質(zhì)邊坡等。因而，本文作者針對壓剪應(yīng)力下的節(jié)理相互作用對巖體力學(xué)行為的影響尚缺乏可靠的理論、試驗(yàn)研究，通過預(yù)制平行節(jié)理類巖試樣進(jìn)行壓剪試驗(yàn)，系統(tǒng)研究節(jié)理傾角、重疊度相互作用下的巖體力學(xué)性質(zhì)。

1 試驗(yàn)

1.1 試件制備

試驗(yàn)中的遍布節(jié)理閉合試樣由水泥砂漿材料澆筑而成。白水泥、細(xì)砂、水按體積比2:1:1配置試驗(yàn)用水泥砂漿，在室溫下澆筑到磨具中成型。試樣高×寬×厚為100 mm×100 mm×30 mm，其中預(yù)制節(jié)理采用內(nèi)插云母片制成，云母片厚度為0.6 mm。試件幾何參數(shù)及節(jié)理分布如圖1所示。其中：0為節(jié)理重疊長度，mm；r為節(jié)理間巖橋長，固定取20 mm；j為節(jié)理長度，固定取15 mm；為節(jié)理間距，固定取15 mm；為節(jié)理傾角，(°)。試樣中設(shè)置4種不同節(jié)理重疊長度(0為15，10，5和0 mm 4種)，每種重疊長度節(jié)理設(shè)置6種不同傾角(傾角為0°，30°，45°，60°，75°和90°)，試樣節(jié)理傾角變化遵循平行轉(zhuǎn)動(dòng)的規(guī)律。

圖1 試件幾何參數(shù)及節(jié)理分布

水泥砂漿澆筑后在室溫下養(yǎng)護(hù)24 h后拆模，再在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。對于相同節(jié)理布置的試件，進(jìn)行完全相同的3次重復(fù)試驗(yàn)。在同一類型試件試驗(yàn)中，剔除試驗(yàn)強(qiáng)度離散性較大的試件，選取平均值作為該類型試件的代表性試驗(yàn)結(jié)果。本次試驗(yàn)中每個(gè)試樣被分配1個(gè)ID號如S-a-b(S代表試樣，‘a(chǎn)’代表試樣節(jié)理重疊長度0，‘b’代表節(jié)理傾斜的角度)。完整類巖材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)研究采用傾斜壓模剪切法，固定壓剪角為45°。試驗(yàn)加載儀器采用高精度微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)，采用位移控加載方式，速度為0.1 mm/min。在試驗(yàn)過程中，采用高清數(shù)碼相機(jī)記錄試件表面破壞過程，采用聲發(fā)射監(jiān)測試樣的內(nèi)部破壞過程，以便于后期對試件破壞進(jìn)行分析，試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。

表1 巖石材料的力學(xué)參數(shù)

圖2 現(xiàn)場試驗(yàn)裝置示意圖

2 節(jié)理相互作用對試樣破壞模式的影響

預(yù)制節(jié)理對試樣破壞行為具有重要作用，當(dāng)荷載作用在單裂隙類巖石材料上時(shí)沿著原有裂隙會(huì)發(fā)育2種類型的裂隙(見圖3)：拉伸裂紋和次生裂紋，次生裂紋根據(jù)沿節(jié)理面不同方向發(fā)育分為類平面次生裂紋和斜次生裂紋[6]。本文研究的壓剪荷載可分解為沿試樣中部平面的剪切荷載和沿上部加載的單軸壓縮荷載(見圖4)，且在45°壓剪角下剪切荷載與軸向壓縮荷載相等。

對于遍布節(jié)理試樣，其力學(xué)破壞行為將更加復(fù)雜。對節(jié)理試樣加載，節(jié)理周邊將發(fā)育拉伸或次生裂紋，加載繼續(xù)，裂紋之間會(huì)相互搭接形成多種破壞模式。根據(jù)壓剪作用下破壞面與剪切應(yīng)力作用面、節(jié)理面之間的關(guān)系，可將試樣破壞劃分為4種模式：共面剪切破壞(Ⅰ破壞模式)；沿節(jié)理面的剪切破壞(Ⅱ破壞模式)；沿著剪切應(yīng)力作用面的剪切破壞(Ⅲ破壞模式)；類完整型剪切破壞(Ⅳ破壞模式)。

2.1 節(jié)理傾角對試樣破壞模式影響

當(dāng)平行節(jié)理傾角=0°時(shí)，圖5(a)所示隨著試樣加載，在軸向壓應(yīng)力作用下試樣左上部節(jié)理尖端先產(chǎn)生拉伸翼裂紋，隨著荷載增強(qiáng)翼裂紋以斷裂角70.5°向軸壓荷載方向擴(kuò)展，這符合經(jīng)典斷裂力學(xué)中有關(guān)翼形裂紋擴(kuò)展的解析結(jié)果[17]。但隨著荷載不斷增大，剪切應(yīng)力主導(dǎo)試樣破壞，翼裂紋擴(kuò)展沒有得到延續(xù)且呈現(xiàn)出緩慢閉合的趨勢，而試樣中部剪切應(yīng)力面與節(jié)理面共面兩端節(jié)理先產(chǎn)生裂隙、進(jìn)而克服兩端巖橋使裂隙擴(kuò)展，最終試樣沿著共面完全貫通導(dǎo)致試件整體破壞。這種沿著節(jié)理面、剪切應(yīng)力作用面進(jìn)行裂隙擴(kuò)展、貫通的平面剪切破壞的模式為共面剪切破壞模式(Ⅰ破壞模式)。這種模式由于剪切應(yīng)力面與節(jié)理面共面以及剪切荷載與軸壓荷載相等情況下先剪切破壞，因而這類試樣的破壞路徑是可以預(yù)判的，沿該共面貫通剪切破壞。

圖3 原有裂隙在荷載作用下發(fā)育裂隙類型

圖4 剪切破壞模型

當(dāng)平行節(jié)理傾角=30°時(shí)，剪切應(yīng)力面與節(jié)理面相交，試樣的破壞模式將復(fù)雜化。圖5(b)所示在壓剪應(yīng)力作用下，試樣產(chǎn)生了大量類平面次生裂紋(圖3)。類平面次生裂紋先從試樣剪切應(yīng)力面兩端附近節(jié)理尖端起裂，并沿節(jié)理面擴(kuò)展、突破巖橋、貫通形成一個(gè)破壞面，這種破壞現(xiàn)象定義為沿節(jié)理面剪切破壞(Ⅱ破壞模式)。與30°類似，節(jié)理傾角60°時(shí)也為Ⅱ破壞模式。

(a) α=0°，Ⅰ破壞模式；(b) α=30°，Ⅱ破壞模式；(c) α=45°，Ⅳ破壞模式；(d) α=60°，Ⅱ破壞模式；(e) α=75°，Ⅲ破壞模式；(f) α=90°，Ⅲ破壞模式

當(dāng)平行節(jié)理傾角=45°時(shí)，圖5(c)所示試樣節(jié)理尖端產(chǎn)生斜次生裂紋、類平面次生裂紋、翼裂紋且裂隙之間相互搭接，在試樣中部附近形成不規(guī)則的剪切面，該試樣的破壞形式類似完整試樣的破壞，平行節(jié)理對試樣弱化影響較小。這種破壞現(xiàn)象定義為類完整型剪切破壞(Ⅳ破壞模式)。

當(dāng)平行節(jié)理傾角為75°和90°時(shí)，圖5(e)和5(f)所示剪切應(yīng)力面與節(jié)理面近似垂直，荷載作用下試樣中部節(jié)理先產(chǎn)生翼裂紋且不斷發(fā)育。隨著載荷增大，剪切力逐漸增強(qiáng)且占主導(dǎo)地位，剪切面附近節(jié)理尖端發(fā)育斜次生裂紋并沿著剪切面的方向擴(kuò)展，其與相鄰節(jié)理翼裂紋之間不斷搭接，最終試樣在荷載的作用下形成沿與剪切面類似平行的貫通裂紋面，這種破壞模式定義為沿剪切應(yīng)力面的剪切破壞(Ⅲ破壞模式)。

2.2 重疊度對平行節(jié)理試樣破壞模式影響

節(jié)理傾角=0°，不同節(jié)理重疊度的試樣破壞模式均為Ⅰ破壞模式。隨著節(jié)理重疊度的減小，在軸壓作用下試樣上發(fā)育更多的翼裂紋，但隨著荷載增強(qiáng)，沿剪切面的剪切應(yīng)力主導(dǎo)試樣的破壞且促進(jìn)翼裂紋的閉合，剪應(yīng)力突破中部剪切面上巖橋的阻擋貫通破壞試樣。整體上，重疊度只影響在破壞試樣上翼裂紋的數(shù)量及分布形態(tài)，不改變試樣破壞模式。

節(jié)理傾角=30°，不同節(jié)理重疊度的試樣破壞模式均為Ⅱ破壞模式。其破壞雖都為沿著節(jié)理面剪切破壞，但不同重疊度其沿著的節(jié)理面不同。重疊度越小，試樣破壞所沿節(jié)理面越大、克服的巖橋越長，難度越大，其峰值剪切強(qiáng)度也會(huì)越大。節(jié)理傾角60°與30°的不同重疊度裂紋發(fā)育規(guī)律類似。

節(jié)理傾角=45°，不同節(jié)理重疊度的試樣破壞模式均為Ⅳ破壞模式。不同重疊度試樣均為從中部兩端開始的圓弧式貫通破壞其與完整試樣類似。不同重疊度破壞面有一定的差異，重疊長度為0 mm和15 mm的試樣破壞從試樣下部圓弧式貫通，而重疊長度為5 mm和10 mm的試樣破壞面從試樣上部圓弧式貫通。試樣隨著節(jié)理重疊度的增大，其破壞表面的次生裂紋不斷增多，導(dǎo)致試樣峰值剪切強(qiáng)度不斷減小。

節(jié)理傾角=75°，不同節(jié)理重疊度的試樣破壞模式為Ⅲ破壞模式。不同節(jié)理重疊度的試樣表面裂紋的發(fā)育程度、分布有明顯差異。重疊長度為0 mm和5 mm的試樣由于試樣中部節(jié)理交錯(cuò)分布、集中度不高，試樣中部斜次生裂紋發(fā)育不充分、且左上部形成局部破壞；重疊長度為10 mm和15 mm的試樣在剪切應(yīng)力面上節(jié)理分布均勻且較密，裂隙集中在試樣中部節(jié)理附近、擴(kuò)展充分，且在右下部形成局部破壞。節(jié)理傾角90°與75°的不同重疊度裂紋發(fā)育規(guī)律類似。

3 節(jié)理相互作用對巖體強(qiáng)度的影響

節(jié)理試樣進(jìn)行壓剪試驗(yàn)，節(jié)理試樣的峰值剪切強(qiáng)度及其對應(yīng)位移如表2所示。

表2 節(jié)理試樣的峰值剪切強(qiáng)度及對應(yīng)位移

3.1 節(jié)理傾角、重疊度對試樣抗剪強(qiáng)度的影響

節(jié)理傾角對峰值剪切強(qiáng)度有很大的影響且呈現(xiàn)一定的規(guī)律(圖6)：當(dāng)節(jié)理傾角從0°增加至45°時(shí)，試樣的峰值剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)出增長趨勢；從45°增至90°時(shí)，隨著角度增加峰值剪切強(qiáng)度開始不斷減??；不同節(jié)理重疊度都在45°時(shí)達(dá)到峰值剪切強(qiáng)度最大值。當(dāng)節(jié)理傾角=0°時(shí)，節(jié)理試樣破壞模式為Ⅰ破壞模式，破壞面上節(jié)理裂隙最長、相對巖橋較短，且剪切應(yīng)力沿該面集中施加荷載，因而易發(fā)生類平面剪切裂紋而導(dǎo)致最終破壞，其剪切強(qiáng)度相對較小。當(dāng)節(jié)理傾角=30°時(shí)，節(jié)理試樣破壞模式為Ⅱ破壞模式，裂紋以類平面次生裂紋為主，但其擴(kuò)展方向受到節(jié)理傾角改變影響導(dǎo)致剪切應(yīng)力無法集中作用到破壞面，其剪切強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)節(jié)理傾角=45°時(shí)，節(jié)理試樣破壞模式為Ⅳ破壞模式，節(jié)理弱化作用最小，峰值剪切強(qiáng)度最大。節(jié)理傾角=60°與30°類似，平行節(jié)理試樣破壞模式為Ⅱ破壞模式，其峰值剪切強(qiáng)度較45°下降。當(dāng)節(jié)理傾角為75°和90°時(shí)，節(jié)理試樣破壞模式以Ⅲ破壞模式為主，節(jié)理方向與剪切應(yīng)力面不斷趨向垂直，節(jié)理在試樣中部集中，裂紋發(fā)育以斜次生裂紋為主，剪切應(yīng)力主導(dǎo)斜次生裂紋不斷發(fā)育、擴(kuò)展、貫通試樣破壞，其峰值剪切強(qiáng)度較60°減小，90°相較75°更易破壞。

相同節(jié)理傾角下不同節(jié)理重疊度試件的峰值剪切應(yīng)力，試樣隨著節(jié)理重疊度的增加其峰值剪切強(qiáng)度不斷下降。不同節(jié)理重疊度的試樣其節(jié)理密度是大致相等的，但改變了節(jié)理分布的均勻性。節(jié)理重疊度越小，節(jié)理在試樣上的分布越均勻。在壓剪應(yīng)力作用下試樣節(jié)理越集中其裂隙發(fā)育、擴(kuò)展越容易，因而隨著重疊度的增加試樣的峰值剪切強(qiáng)度而減小。

重疊度/mm：1—0；2—5；3—10；4—15。

3.2 試件峰值剪切強(qiáng)度的敏感性分析

采用敏感性分析旨在研究傾角、重疊度對峰值剪切強(qiáng)度的影響程度。由于傾角及重疊度的單位不一致，現(xiàn)將影響因素做常量處理。節(jié)理傾角范圍為0~90°；節(jié)理重疊長度范圍為0~15 mm。如傾角改變30°，做常量處理為1/3；改變節(jié)理重疊長度5 mm，做常量處理為1/3。

隨著影響因素改變，峰值剪切強(qiáng)度呈非線性的變化，因而只能從影響因素引起目標(biāo)值改變的斜率范圍整體上體現(xiàn)目標(biāo)值對因素的敏感性。傾角引起峰值剪切強(qiáng)度改變的斜率公式為

試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照式(1)處理，得到傾角變化引起峰值剪切強(qiáng)度的改變斜率見表3。對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對值處理可以得到：傾角對峰值剪切強(qiáng)度的影響斜率范圍為0.18~11.16，其斜率所有數(shù)據(jù)絕對值后均值為4.992；傾角斜率的絕對值求和數(shù)值隨重疊度的增加而增大，其表明節(jié)理重疊度越大(峰值剪切強(qiáng)度越小)，峰值剪切強(qiáng)度隨傾角變化幅度越大。

表3 峰值剪切強(qiáng)度對節(jié)理傾角因素的敏感性

節(jié)理重疊長度引起峰值剪切強(qiáng)度改變的斜率公式為

試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照式(2)處理，得到節(jié)理重疊度變化引起峰值剪切強(qiáng)度的改變斜率見表4。對表4數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對值處理可以得到：節(jié)理重疊長度因素對峰值剪切強(qiáng)度的影響斜率范圍為0.30~8.61，其斜率所有數(shù)據(jù)絕對值后均值為2.985；隨重疊度減小其對峰值剪切強(qiáng)度的斜率絕對值不斷增大，因而隨節(jié)理重疊度減小其對峰值剪切強(qiáng)度的影響不斷增強(qiáng)；重疊度變化斜率絕對值求和數(shù)值隨傾角呈現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律，這種變化規(guī)律與峰值剪切強(qiáng)度隨傾角變化規(guī)律相反，其體現(xiàn)節(jié)理傾角在峰值剪切強(qiáng)度越大時(shí)其隨節(jié)理重疊度變化斜率越小。

將表3和表4進(jìn)行對比分析，傾角變化引起的均值斜率(4.992)大于重疊度變化引起的均值斜率(2.985)，其整體上表明剪切峰值強(qiáng)度對傾角因素更敏感，但隨著節(jié)理重疊度的不斷減小其對峰值剪切強(qiáng)度的影響不斷增強(qiáng)。

表4 峰值剪切強(qiáng)度對節(jié)理重疊度因素的敏感性

4 試樣剪切應(yīng)力?位移曲線及聲發(fā)射分析

在節(jié)理試樣破壞模式及強(qiáng)度研究的基礎(chǔ)上，試樣剪切應(yīng)力?位移曲線結(jié)合聲發(fā)射定量、全面、微觀地反映試樣裂隙開裂、擴(kuò)展、貫通的過程[18]，加深對裂隙發(fā)育規(guī)律的研究有助于發(fā)現(xiàn)節(jié)理傾角、重疊度對曲線的影響以及剪切應(yīng)力?位移曲線與破壞模式、強(qiáng)度的相關(guān)性，從而加深理解在壓剪應(yīng)力下節(jié)理試樣的力學(xué)特性及破壞行為。

4.1 傾角對剪切應(yīng)力?位移曲線的影響

結(jié)合試樣受載直到破壞的聲發(fā)射計(jì)數(shù)變化特征(圖7)可將剪切應(yīng)力?位移全過程曲線劃分為4個(gè)典型的階段：微裂隙閉合階段()、彈性階段()、裂隙擴(kuò)展直到破裂階段()和破裂后階段()。微裂隙閉合階段(Ⅰ)在巖石試樣受載初期，由于內(nèi)置節(jié)理裂隙及空隙受荷載閉合，類巖石被逐漸壓密，形成早期的非線性曲線，聲發(fā)射活動(dòng)活躍、計(jì)數(shù)數(shù)值較大、變化幅度較大。彈性變形階段(Ⅱ)巖橋所受的剪切應(yīng)力與位移呈現(xiàn)線性關(guān)系，荷載作用下巖橋內(nèi)部集聚大量彈性能，此階段斜率明顯高于微裂隙閉合階段，裂隙發(fā)育較少，因而聲發(fā)射計(jì)數(shù)降低且較為平穩(wěn)。裂隙擴(kuò)展直到破裂階段(Ⅲ)曲線斜率逐漸減小且曲線在此階段達(dá)到峰值剪切強(qiáng)度，試樣節(jié)理開裂、擴(kuò)展，應(yīng)力不斷克服巖橋抵抗導(dǎo)致裂隙逐步貫通，聲發(fā)射活動(dòng)從點(diǎn)開始計(jì)數(shù)增加，活躍程度逐漸增強(qiáng)，進(jìn)而計(jì)數(shù)呈現(xiàn)幾何式增長，最大值出現(xiàn)在此階段。破裂后階段(Ⅳ)隨著位移增加剪切應(yīng)力不斷減小，巖橋被突破形成破壞面導(dǎo)致沿著裂隙產(chǎn)生局部摩擦滑動(dòng)而出現(xiàn)應(yīng)力突降，直到再次遇到抵抗產(chǎn)生殘余強(qiáng)度，聲發(fā)射計(jì)數(shù)相對峰值開始不斷減小。

相同節(jié)理重疊度、不同節(jié)理傾角的剪切應(yīng)力?位移曲線(圖8)可以發(fā)現(xiàn)：試樣隨傾角變化其曲線會(huì)呈現(xiàn)出一定的差異性，除微裂隙閉合階段曲線有一定的重合性其他各個(gè)階段體現(xiàn)了明顯的差異，破壞后階段試樣的差異性尤其明顯。以重疊長度15 mm為例(見圖8(a))，在破壞后階段，45°試樣產(chǎn)生應(yīng)力突降，其他傾角應(yīng)力緩慢下降，不同試樣下降速率各不相同。應(yīng)力下降速率與試樣的破壞模式相關(guān)：45°試樣破壞模式為類完整型剪切破壞，試樣內(nèi)部能夠集聚大量能量突然釋放導(dǎo)致試樣破壞，其曲線產(chǎn)生應(yīng)力突降現(xiàn)象；60°和30°試樣破壞模式為沿節(jié)理面剪切破壞，破壞前能量集聚較多導(dǎo)致破壞后階段曲線下降速率相對較快，僅次于45°時(shí)；75°和90°節(jié)理試樣破壞模式為沿剪切應(yīng)力面的剪切破壞，此傾角下峰值剪切強(qiáng)度較小，在加載過程中裂紋發(fā)育均勻，能量集聚量較少，其破壞后階段應(yīng)力下降速率較??；0°試樣破壞模式為共面剪切破壞，峰后曲線相對平緩，其峰后曲線下降速率較小。

重疊長度為0 mm的試樣(見圖8(b))其破壞后曲線出現(xiàn)應(yīng)力突降或多級應(yīng)力突降現(xiàn)象，傾角為45°，30°，60°和0°的試樣出現(xiàn)單級應(yīng)力突降，傾角為75°和90°的試樣出現(xiàn)多級應(yīng)力突降；其曲線的下降速率與傾角的關(guān)系與重疊長度15 mm試樣相同。對比2種重疊度試樣，重疊長度為0 mm的試樣破壞后曲線易產(chǎn)生應(yīng)力突降，其下降速率較大。整體上，峰后曲線下降速率與試樣峰值強(qiáng)度正相關(guān)。

根據(jù)重疊長度為0 mm的不同傾角試樣聲發(fā)射計(jì)數(shù)隨剪切應(yīng)力?位移曲線變化圖(圖7)可將聲發(fā)射活動(dòng)分為活躍期、平靜期、激發(fā)期，不同傾角聲發(fā)射活動(dòng)情況各有差異。傾角為0°時(shí)，聲發(fā)射計(jì)數(shù)在裂隙壓密階段相對活躍，彈性階段進(jìn)入平靜期，裂隙擴(kuò)展直到破壞階段、破壞后階段進(jìn)入激發(fā)期且計(jì)數(shù)幾何式增長。傾角30°的試樣與傾角0°的試樣聲發(fā)射計(jì)數(shù)區(qū)別在活躍期計(jì)數(shù)變化幅度較大，在激發(fā)期峰值計(jì)數(shù)后下降速率快，這與該曲線應(yīng)力突降相對應(yīng)。傾角45°試樣平靜期相對較短，在激發(fā)期計(jì)數(shù)峰值前呈漸進(jìn)增加其與試樣破壞前的裂紋較多發(fā)育有關(guān)。傾角75°試樣在裂隙擴(kuò)展直到破壞階段由于應(yīng)力?位移曲線產(chǎn)生多級應(yīng)力突降，因而聲發(fā)射計(jì)數(shù)也呈現(xiàn)多次峰值。整體上，試樣聲發(fā)射計(jì)數(shù)變化規(guī)律與傾角相適應(yīng)，試樣的節(jié)理傾角對其破壞模式起到關(guān)鍵性作用，因而破壞模式與聲發(fā)射計(jì)數(shù)的變化規(guī)律具有對應(yīng)性。

4.2 重疊度對剪切應(yīng)力?位移曲線的影響

不同重疊度試樣的剪切應(yīng)力?位移曲線(圖8)可以發(fā)現(xiàn)：重疊度越小的試樣其峰值剪切強(qiáng)度越大，峰值剪切位移也越大；不同重疊度試樣曲線變化形態(tài)相似，但曲線斜率隨重疊度變化而變化(尤其破壞后階段)。節(jié)理傾角為0°的試樣(見圖8(c))，不同重疊度試樣其曲線變化平緩，破壞后曲線漸進(jìn)式下降，重疊度越小其下降速率越快。節(jié)理傾角為45°的試樣(見圖8(d))，破裂后階段具有明顯的應(yīng)力突降，重疊度越小應(yīng)力突降值相對越大。

從傾角為0°的不同重疊度試樣聲發(fā)射計(jì)數(shù)隨剪切應(yīng)力?位移曲線變化圖(圖7和圖9)可以看出：不同重疊度聲發(fā)射計(jì)數(shù)隨應(yīng)力?位移曲線變化形態(tài)相似；聲發(fā)射計(jì)數(shù)峰值隨重疊度的增大逐漸減小。聲發(fā)射計(jì)數(shù)隨應(yīng)力?位移曲線變化形態(tài)相似在于試樣破壞模式相同。試樣的聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)與其剪切強(qiáng)度正相關(guān)，由于剪切強(qiáng)度隨重疊度增大而逐漸減小，因而試樣的聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù)隨重疊度增大也不斷減小。試樣峰值剪切強(qiáng)度越大其破壞釋放能量越大、聲發(fā)射峰值計(jì)數(shù) 越大。

(a) S-0-0；(b) S-0-30；(c) S-0-45；(d) S-0-75

(a) 重疊長度為15 mm時(shí)，不同傾角試樣剪切應(yīng)力?位移曲線；(b) 重疊長度為0 mm時(shí)，不同傾角試樣剪切應(yīng)力?位移曲線；(c) 節(jié)理傾角為0°時(shí)，不同重疊度剪切應(yīng)力?位移曲線；(d) 節(jié)理傾角為45°時(shí)，不同重疊度剪切應(yīng)力?位移曲線

(a) S-5-0；(b) S-10-0

觀察不同重疊度試樣的峰值剪切強(qiáng)度分布(圖10)明顯發(fā)現(xiàn)其點(diǎn)分布看似雜亂無章，但也呈現(xiàn)一定的規(guī)律，重疊長度為0 mm的試樣整體上位于右上角、重疊長度為15 mm的試樣位于左下角，峰值剪切強(qiáng)度及峰值位移都隨重疊度的增大呈現(xiàn)整體上減小的趨勢。

圖10 試樣的峰值剪切強(qiáng)度?位移分布圖

5 結(jié)論

1) 根據(jù)破壞面與剪切應(yīng)力面、節(jié)理面之間的關(guān)系，試樣破壞模式可分為4種，傾角對試樣破壞模式起決定性作用：0°傾角為共面剪切破壞；30°和60°傾角為沿節(jié)理面剪切破壞；45°傾角為類完整型剪切破壞；75°和90°傾角為沿剪切應(yīng)力面剪切破壞。重疊度影響試樣裂隙的發(fā)育，但不改變試樣的破壞模式。

2) 試樣峰值剪切強(qiáng)度隨傾角增加先增大后減小且在45°取得最大值；隨著節(jié)理重疊度的增大，峰值剪切強(qiáng)度逐漸減小。節(jié)理重疊度越大(峰值剪切強(qiáng)度越小)，峰值剪切強(qiáng)度隨傾角變化幅度越大；剪切峰值強(qiáng)度對傾角因素更敏感，但隨著節(jié)理重疊度的不斷減小重疊度對峰值剪切強(qiáng)度的影響不斷增強(qiáng)。

3) 剪切應(yīng)力?位移全過程曲線結(jié)合聲發(fā)射計(jì)數(shù)特征從試樣受載直到破壞可劃分為4個(gè)典型的階段：微裂隙閉合階段、彈性階段、裂隙擴(kuò)展直到破裂階段和破裂后階段。不同傾角試樣的剪切應(yīng)力?位移曲線差異主要體現(xiàn)在破裂后階段，相同破壞模式的試樣曲線形態(tài)相似。

4) 不同傾角試樣聲發(fā)射計(jì)數(shù)變化規(guī)律與試樣破壞模式相適應(yīng)，其驗(yàn)證了節(jié)理傾角對破壞模式的決定作用。不同重疊度試樣聲發(fā)射計(jì)數(shù)隨應(yīng)力?位移曲線變化形態(tài)相似，但聲發(fā)射計(jì)數(shù)峰值隨重疊度的增大逐漸減小。

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(編輯 楊幼平)

Influence of parallel joint interaction on mechanical behavior of jointed rock mass

WANG Fei, CAO Ping, CAO Rihong, GAO Qingpeng, XIONG Xinguang, WANG Zhu

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to investigate the influence of joint interaction on the mechanical behavior of rock mass, the compression shear test loading on the parallel jointed specimens was carried out, and the acoustic emission system was used to monitor the loading process. The results show that: 1) Under compressive-shear loading, the failure mode of the jointed specimen can be classified into four types: coplanar shear failure; shear failure along the joint plane; shear failure along the shear stress plane; similar integrity shear failure. The inclination angle has a decisive effect on the failure mode of the specimen, and the joint overlap affects the growth of the specimens’ crack. 2) The peak of shear strength firstly increases and then decreases with the increase of the inclination angle, and reaches the maximum at 45°. The peak of shear strength decreases with the increase of the joint overlap. The peak of shear strength is more sensitive to the joint inclination. 3) The difference of shear stress-displacement curve for different inclination is mainly reflected in the post-rupture stage; the variation of the acoustic emission count for different joint inclination samples corresponds to the failure mode of specimen. The stress?displacement curves of different overlapping specimens are similar, and the change of acoustic emission count is similar, but the peak value of the acoustic emission count decreases with the increase of the joint overlap.

joint interaction; joint overlap; compression-shear test; mechanical behavior; acoustic emission(AE)

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.10.017

TU452

A

1672?7207(2018)10?2498?10

2017?10?12；

2017?12?21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11772358)；中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2017zzts164) (Project(11772358) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017zzts164) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

曹平，教授，從事巖石力學(xué)研究；E-mail：pcao_csu@sina.com