巖橋直剪細(xì)觀破壞特征與剪脹效應(yīng)研究*

孫 祥 陳國(guó)慶 張廣澤 王 棟 秦昌安

(①地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室(成都理工大學(xué))， 成都 610059， 中國(guó)) (②中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031， 中國(guó))

0 引 言

巖體結(jié)構(gòu)面裂紋的擴(kuò)展與貫通一直是邊坡工程研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，邊坡開挖引起的應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋不斷向巖橋位置擴(kuò)展，巖橋的貫通破壞往往為觸發(fā)巖質(zhì)滑坡的關(guān)鍵。巖橋使節(jié)理巖體的受力及破壞模式都產(chǎn)生了質(zhì)的轉(zhuǎn)變(朱維申等， 2002； 黃達(dá)等， 2014)，對(duì)研究鎖固段型巖質(zhì)邊坡的變形演化和穩(wěn)定分析造成了巨大困難。因此，開展巖橋直剪試驗(yàn)研究于探索鎖固段型巖質(zhì)邊坡的破壞機(jī)制具積極意義。

目前巖橋直剪試驗(yàn)研究主要集中于破壞過程及貫通模式兩方面。針對(duì)破壞過程，劉遠(yuǎn)明(2007)， 劉遠(yuǎn)明等(2010b)通過不規(guī)則狀非貫通節(jié)理巖體得到了節(jié)理巖體力學(xué)性質(zhì)的弱化機(jī)制。Savilahti et al.(1990)通過不共面非貫通節(jié)理直剪試驗(yàn)研究了節(jié)理幾何位置對(duì)貫通模式的影響。白世偉等(1999)發(fā)現(xiàn)非貫通節(jié)理巖體的貫通擴(kuò)展方式受法向應(yīng)力、節(jié)理的連通率和排列方式控制。Wong et al.(2001)通過直剪試驗(yàn)，擬合出隨巖橋和節(jié)理的長(zhǎng)度比值而變化的強(qiáng)度曲線。陳竑然等(2019)針對(duì)鎖固段的斷裂前兆，發(fā)現(xiàn)了鎖固段斷裂時(shí)下一個(gè)鎖固段的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制。

在破壞類型，破壞模式方面，Lajtai(1969a,1969b)基于直剪試驗(yàn)研究成果及最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，提出了Lajtai巖橋破壞理論，并進(jìn)行了破壞類型劃分。朱維申等(1994， 1998)給出了共面閉合非貫通結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度理論公式，并將破壞類型進(jìn)行了歸類。杜景燦等(2002)和劉帥奇等(2018)提出了考慮節(jié)理面擴(kuò)展和粗糙度的節(jié)理模型。不同于試驗(yàn)，許萬(wàn)忠等(2018)、李曉鋒等(2016)、徐永福(2018)與鐘波波等(2014)利用PFC及RFPA2D等數(shù)值模擬軟件對(duì)節(jié)理巖體直剪過程的裂紋擴(kuò)展貫通和AE能量轉(zhuǎn)化等特性進(jìn)行了研究。

以上巖橋破壞過程及貫通模式的研究多集中于中部裂隙巖體，分析細(xì)觀破壞特征與剪脹效應(yīng)的相對(duì)較少?；诖?，本文研究了巖橋在直剪試驗(yàn)下的應(yīng)力聚集和轉(zhuǎn)移過程，結(jié)合高速攝像與AE特征，著重分析不同連通率節(jié)理巖體在不同法向應(yīng)力條件下的剪切變形破壞特征，揭示巖橋力學(xué)響應(yīng)和能量演化規(guī)律，為鎖固段貫通引起快速失穩(wěn)的滑坡破壞機(jī)制研究提供理論依據(jù)。

1 試樣制備及試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料采用水泥石英砂漿(石英砂:石膏:水泥:水=6︰3︰3︰2)，制備使用預(yù)制鐵片的特制試樣盒(內(nèi)徑100imm×100imm×100imm)，和易性達(dá)標(biāo)后，將攪拌均勻的混合料從鐵片兩側(cè)均勻倒入，輔以錘擊振動(dòng)以保證試樣的均一性及密實(shí)度，澆筑完成后對(duì)表面進(jìn)行抹平處理，一天后取出鐵片，在20i℃及65%濕度下養(yǎng)護(hù)28id。試驗(yàn)前6ih按同樣配比填充節(jié)理裂縫，采取少量多次的填充方法，每次填充后振密，模擬軟弱夾層。制備連通率50%， 60%， 70%和80%的試樣各5個(gè)樣，共計(jì)20個(gè)，巖橋試樣制備方案如圖 1所示。

圖 1 節(jié)理巖體試樣Fig. 1 Joint rock sample

圖 2 加載系統(tǒng)、AE以及高速攝像機(jī)布置Fig. 2 Loading system， digital AE system and high speed camera layout

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)由加載系統(tǒng)，AE及高速攝像3部分組成(圖 2)，加載系統(tǒng)主要設(shè)備為YDS-3型巖石力學(xué)多功能試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)由計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、加載、液壓3部分組成，加載過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化伺服控制。AE試驗(yàn)系統(tǒng)采用PAC公司研制的Micro-Ⅱ型。高速攝像布置于試樣正面，對(duì)準(zhǔn)直剪儀的剪切盒，對(duì)剪切全過程進(jìn)行全過程高速攝像，記錄裂紋擴(kuò)展過程。

試驗(yàn)方案：

(1)試樣在直剪前布置好AE傳感器，為保證試驗(yàn)效果，沿剪切面上下各布置一個(gè)探頭來采集數(shù)據(jù)，編號(hào)分別為1， 2(圖 3)。

圖 3 AE探頭布置Fig. 3 Digital AE system sensor layout

(2)共20個(gè)剪切試樣，按試樣預(yù)制巖橋長(zhǎng)度分為4組： 50imm、40imm、30imm、20imm(分別代表 50%、60%、70%、80%的節(jié)理連通率)，每組5個(gè)試樣分別施加0.70iMPa、0.85iMPa、1.00iMPa、1.15iMPa和1.30iMPa的法向應(yīng)力。

(3)試驗(yàn)時(shí)預(yù)設(shè)法向應(yīng)力，待其穩(wěn)定到預(yù)值后自動(dòng)施加水平剪力，至剪切試樣破壞。試驗(yàn)過程中自動(dòng)采集法向位移、法向應(yīng)力、剪切位移和剪切應(yīng)力等數(shù)據(jù)。

2 巖橋試樣應(yīng)力-應(yīng)變特征分析

2.1 相同節(jié)理連通率不同法向應(yīng)力剪切位移-剪應(yīng)力分析

圖為相同節(jié)理連通率不同法向應(yīng)力下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以法向應(yīng)力0.70iMPa，節(jié)理連通率50%試樣為例(圖 4a)，剪切位移-剪應(yīng)力曲線都經(jīng)歷5個(gè)階段：裂紋壓密階段，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，累進(jìn)性擴(kuò)展階段，應(yīng)變軟化階段與殘余強(qiáng)度階段。

圖 4 直剪全過程剪切應(yīng)力-剪切位移曲線Fig. 4 Curve of shear stress-shear displacement in the whole process of direct sheara. 法向應(yīng)力 0.70iMPa，節(jié)理連通率50%； b. 節(jié)理連通率50%； c. 節(jié)理連通率60%； d. 節(jié)理連通率70%； e. 節(jié)理連通率80%

觀察曲線上升過程(以圖 4a為例)，出現(xiàn)有鋸齒狀波動(dòng)，表明在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，剛體在微觀上沿剪切方向有“爬坡效應(yīng)”。表現(xiàn)為突起體之間的破碎或刻槽(圖 5)，突起體破碎或梨槽作用發(fā)生，阻抗力突然降低，曲線顯現(xiàn)出滑動(dòng)-黏滑的急躍式下降，經(jīng)過一段位移，另一些突起剛體會(huì)阻止滑動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行，直到試樣繼續(xù)被剪壞。

圖 5 微觀凸起體作用Fig. 5 Microconvex effect

第1階段：裂紋壓密階段，巖樣內(nèi)部微裂隙受壓閉合。

第2階段：裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，剪切位移-剪切應(yīng)力曲線呈線性變化，此階段軟弱夾層與鎖固段共同發(fā)揮作用，抵抗剪力。剪力方程可表示為：

τ=[nCj+(1-n)Cm]+σ[nfi+(1-n)fm]

(1)

式中，n為節(jié)理連通率；Cj為節(jié)理咬合力；Cm為巖橋黏聚力；fi為節(jié)理摩擦系數(shù)；fm為巖橋內(nèi)摩擦角。

第3階段：累進(jìn)性擴(kuò)展階段，剪切應(yīng)力隨剪切位移增加而增加的速率下降，試樣主要由鎖固段起抗剪作用，在宏觀上表現(xiàn)為裂紋擴(kuò)展加劇。

第4階段：應(yīng)變軟化階段，剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，曲線呈急劇下跌的趨勢(shì)，在宏觀上表現(xiàn)為裂紋的貫通。

第5階段：殘余強(qiáng)度階段，為破壞后階段，剪應(yīng)力保持穩(wěn)定。主要由試樣的局部摩擦及咬合提供抗剪能力。

縱觀全過程，試樣在線性變化階段斜率穩(wěn)定； 法向應(yīng)力較小時(shí)，峰前沒有明顯的屈服過程，峰后跌落明顯。隨著法向應(yīng)力的增大，峰前出現(xiàn)屈服過程，峰后的跌落也變緩，表明法向應(yīng)力的增大加大了試樣的塑性特征； 在相同連通率條件下，試樣的峰值剪切強(qiáng)度會(huì)隨著法向應(yīng)力的增大而增大(圖 4b～圖4e)，峰值強(qiáng)度位移也會(huì)隨著法向應(yīng)力增大而增大。圖 4e中試樣的剪切應(yīng)力到達(dá)峰值之前，皆出現(xiàn)小的應(yīng)力降，形成“峰前下降”的現(xiàn)象，出現(xiàn)該現(xiàn)象主要與裂紋擴(kuò)展方式有關(guān)，下文將分析此現(xiàn)象。

2.2 相同法向應(yīng)力不同節(jié)理連通率剪切位移-剪應(yīng)力分析

分析不同節(jié)理連通率相同法向應(yīng)力下的位移-應(yīng)力曲線發(fā)現(xiàn)：節(jié)理連通率降低，試樣峰值強(qiáng)度增加，剪切應(yīng)力增加速度也隨之增加，即試樣的剪切模量增大(圖 6)。這表明節(jié)理連通率是決定試樣強(qiáng)度的主要因素。

圖 6 法向應(yīng)力0.85iMPa剪切應(yīng)力-剪位移曲線Fig. 6 Shear stress-shear displacement curve under normal stress 0.85iMPa

圖 7 節(jié)理連通率-峰值剪應(yīng)力曲線Fig. 7 Joint connectivity-shear stress curve

統(tǒng)計(jì)峰值剪應(yīng)力值，得到的節(jié)理連通率-峰值剪應(yīng)力曲線(圖 7)表明在法向應(yīng)力不變時(shí)，峰值剪應(yīng)力隨節(jié)理連通率的降低而增大； 節(jié)理連通率相同時(shí)，峰值剪應(yīng)力隨著法向應(yīng)力的增大而增大。

2.3 剪脹效應(yīng)分析

圖 8 切向位移-法向位移曲線Fig. 8 Tangential displacement-normal displacement curvea. 節(jié)理連通率60%； b. 節(jié)理連通率70%； c. 節(jié)理連通率80%

試樣的法向位移通過4個(gè)法向位移傳感器測(cè)得，法向位移增加表明巖石收縮，法向位移減小表明巖石膨脹，因此法向位移的變化幅值代表了剪脹效應(yīng)的強(qiáng)弱，分析曲線得到：初期法向應(yīng)力增大，試樣呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)，隨著切向位移增加，不同節(jié)理連通率的試樣在法向位移的變化上有著不同的表現(xiàn)。節(jié)理連通率為60%和70%時(shí)，剪脹現(xiàn)象隨著法向應(yīng)力的增加呈現(xiàn)波動(dòng)的趨勢(shì)(圖 8a，圖8b)； 節(jié)理連通率為80%時(shí)，隨著法向應(yīng)力的增大，剪脹效應(yīng)的幅度呈先增加后減小的趨勢(shì)，并在1.00iMPa時(shí)達(dá)到最大(圖 8c)。

綜上所述，結(jié)合剪脹階段割線斜率(表1)可以發(fā)現(xiàn)，在巖橋長(zhǎng)度小于節(jié)理長(zhǎng)度的條件下，節(jié)理連通率與剪脹效應(yīng)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即節(jié)理連通率越小越容易出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象； 而法向應(yīng)力使得“突起體”咬合進(jìn)而碎裂，咬合時(shí)增強(qiáng)剪脹效應(yīng)，破裂時(shí)剪脹效應(yīng)減弱，因此呈現(xiàn)波動(dòng)的現(xiàn)象。與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的表現(xiàn)一致。剪脹效應(yīng)的明顯與否決定著試驗(yàn)的破壞模式與形態(tài)，因此，節(jié)理連通率和法向應(yīng)力對(duì)試樣的破壞形態(tài)及模式起著控制性作用。

表 1 剪脹階段割線斜率Table 1 Secant slope in dilatancy stage

表 2 不同節(jié)理連通率下的3種剪切破壞模式

3 裂紋擴(kuò)展分析

3.1 裂紋擴(kuò)展比對(duì)

如表 2， 80%-0.7(節(jié)理連通率-法向應(yīng)力)所示，節(jié)理連通率較高且法向應(yīng)力較小時(shí)，破壞面直接從巖橋兩端平行延伸并貫通，試樣呈脆性的直接剪斷，初裂紋很小，且與剪切面小角度相交，甚至無(wú)初裂紋。這種模式下，剪脹效應(yīng)不明顯，巖橋破壞面較平直，粗糙度較小。

節(jié)理連通率較高，法向應(yīng)力較大時(shí)(表 2， 50%-1.3)，未施加剪切位移之前，試樣就出現(xiàn)有壓致拉裂，裂紋由巖橋端部發(fā)育。因此，在起初施加剪切位移時(shí)，主要由巖橋提供抗剪力，直到拉裂紋基本閉合后，軟弱夾層才提供抗剪力。在此破壞模式下，位移應(yīng)變曲線會(huì)出現(xiàn)“峰前下降”，所以節(jié)理連通率較高時(shí)的應(yīng)變曲線較其他節(jié)理連通率位移應(yīng)變曲線有明顯不同。

節(jié)理連通率降低(表 2， 50%-1.3)，試樣的剪切破壞伴隨有拉張裂紋的產(chǎn)生，不同于節(jié)理連通率較高時(shí)的直接剪斷，巖橋端部初始發(fā)育陡直的張拉裂紋，破壞面近于弧形，直至最終貫通破壞。這種巖橋初裂紋以張拉方式產(chǎn)生最后剪切破壞，在剪切過程中張拉裂紋的連通會(huì)導(dǎo)致掉快現(xiàn)象，由于張拉裂縫的產(chǎn)生，試件的剪脹效應(yīng)也變得更為明顯，巖橋破壞面的起伏度和粗糙度也都相應(yīng)變大。

初裂紋的產(chǎn)生主要由拉應(yīng)力集中所引起，不同法向應(yīng)力及節(jié)理連通率導(dǎo)致初裂紋的發(fā)育不同，進(jìn)而導(dǎo)致不同的破壞模式，因此，法向應(yīng)力及節(jié)理連通率是巖橋破壞模式的控制因素。

3.2 裂紋擴(kuò)展力學(xué)分析

根據(jù)劉遠(yuǎn)明(2010a，2010b)等提出的直剪試樣受力分析方法，假定法向應(yīng)力均勻分布，剪切方向切向應(yīng)力均勻分布。其受力形式如圖 9所示，A為節(jié)理尖端。

(2)

式中，F(xiàn)n、Fs、σy、τ、σm分別為法向壓力、切向壓力、法向應(yīng)力、水平剪應(yīng)力、試樣左上半部分(右下半部分)所受正應(yīng)力；a為節(jié)理連通率。

圖 9 節(jié)理巖體直剪試驗(yàn)加載及端部受力示意圖Fig. 9 Diagram of loading and end force in direct shear test of jointed rock mass

如圖 10所示，根據(jù)廣義M-C準(zhǔn)則，按微元A的應(yīng)力狀態(tài)得到其主應(yīng)力σ3，σ1如下。

(3)

令dσβ/dβ=0，則有：

(4)

(5)

裂紋的擴(kuò)展破壞包括張拉和剪切破壞，當(dāng)滿足最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，即最小主應(yīng)力等于抗拉強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生拉破壞。

σ3=σt

(6)

τs1=[(σt-σx)(σt-σy)]1/2

(7)

式中，τs1為發(fā)生張拉破壞時(shí)的剪切強(qiáng)度。

當(dāng)正應(yīng)力和剪應(yīng)力滿足M-C準(zhǔn)則時(shí)，發(fā)生剪切破壞。

τβ=σβtanφ+cτβ=σβtanφ+c

(8)

(9)

式中，τs2為發(fā)生張拉破壞時(shí)的剪切強(qiáng)度。

因此。發(fā)生剪切破壞還是張拉破壞取決于 max[τs1，τs2]，并且隨著裂紋的擴(kuò)展，非貫通節(jié)理巖橋的抗拉抗剪強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生變化。對(duì)于本試驗(yàn)出現(xiàn)的3種裂紋擴(kuò)展模式，第1種：巖橋端部加載法向應(yīng)力時(shí)由于拉應(yīng)力集中，首先滿足最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則產(chǎn)生裂紋并不斷擴(kuò)展至將要貫通試樣，之后由于剪應(yīng)力的作用，滿足M-C準(zhǔn)則導(dǎo)致巖橋貫通； 第2種：直接剪斷模式，首先滿足M-C準(zhǔn)則； 第3種：初期，端部應(yīng)力滿足最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，導(dǎo)致裂紋發(fā)展方向與巖橋大角度相交，至裂紋擴(kuò)展一段距離后，力學(xué)性質(zhì)軟化，滿足M-C準(zhǔn)則而剪斷。

圖 11 節(jié)理連通率—AE峰值事件數(shù)Fig. 11 Joint connectivity rate vs AE peak event number

4 AE特征分析

根據(jù)巖橋AE時(shí)間特征和剪應(yīng)力時(shí)間曲線(表 3)及AE事件數(shù)峰值-節(jié)理連通率圖(圖 11)，可以發(fā)現(xiàn)：在施加法向應(yīng)力階段，基本沒有AE事件，在施加水平位移后，前階段的試樣沿節(jié)理面錯(cuò)動(dòng)，AE事件數(shù)較少，隨著剪應(yīng)力的增大，裂紋的擴(kuò)展，在剪應(yīng)力達(dá)到峰值后會(huì)出現(xiàn)突然的下降，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量的AE事件數(shù)。對(duì)比峰值A(chǔ)E事件數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著節(jié)理連通率的降低，AE峰值事件數(shù)呈增大的趨勢(shì)，這是由于節(jié)理連通率較高時(shí)，

表 3 特征曲線

試樣剪切破壞的能量積聚與釋放較小； 節(jié)理連通率降低，法向應(yīng)力增大，達(dá)到AE事件數(shù)峰值的時(shí)間增長(zhǎng)，且AE事件峰值也增大，這表明鎖固段在剪切破壞中應(yīng)力集中的現(xiàn)象更加明顯，這是由于節(jié)理連通率的降低以及法向應(yīng)力的增大使得剪切面積變大，巖樣達(dá)到破壞時(shí)所積聚的能量更多，破壞時(shí)形成的破裂面也相應(yīng)增加，這與全應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征相一致。

5 結(jié) 論

本次試驗(yàn)通過高速攝像以及AE的引入，對(duì)節(jié)理巖體在直剪條件下全過程特征進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)節(jié)理巖體直剪的峰值切向位移，峰值剪切應(yīng)力與AE事件數(shù)峰值隨法向應(yīng)力的增大及節(jié)理連通率的降低而增大，與巖橋貫通過程所表現(xiàn)的階段性一致。

(2)節(jié)理連通率及法向應(yīng)力對(duì)破壞特征有顯著影響，節(jié)理連通率較高，法向應(yīng)力較小時(shí)，呈直接剪斷特性，裂紋基本為直線，節(jié)理連通率降低，法向應(yīng)力增加，裂紋變?yōu)槔魪?fù)合破壞的不規(guī)則曲線。

(3)剪脹效應(yīng)的變化表現(xiàn)為節(jié)理連通率降低時(shí)，剪脹現(xiàn)象由弱變顯著，法向應(yīng)力變大時(shí)，幅度和頻率呈波動(dòng)現(xiàn)象。