巖體軟弱結(jié)構(gòu)面剪切特性試驗(yàn)研究

羅 群，王 哲，王俊杰，趙天龍

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430074； 2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；3.重慶交通大學(xué) 水工建筑物監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)重慶市高校工程研究中心，重慶 400074)

巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)變形破壞機(jī)理是巖體結(jié)構(gòu)面所構(gòu)成的潛在滑動(dòng)帶的變形破壞。結(jié)構(gòu)面是抗拉強(qiáng)度極低或沒有抗拉強(qiáng)度的不連續(xù)面。因此，不同結(jié)構(gòu)面表現(xiàn)出其力學(xué)性質(zhì)不同，規(guī)模大小也不一[1-4]。實(shí)踐表明，當(dāng)巖體中存在破壞其完整性的軟弱夾層或軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，巖體便喪失了連續(xù)性，并存在沿這些結(jié)構(gòu)面發(fā)生變形破壞的可能[5-7]。軟弱夾層嚴(yán)重削弱了巖體的整體抗滑移能力, 降低了多級(jí)邊坡的強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)，使邊坡更容易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞[8]。

巖體結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)面力學(xué)特性中最重要的指標(biāo)，一直以來都受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[9]。針對(duì)巖體軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度特征，許多學(xué)者通過理論和試驗(yàn)的方法對(duì)規(guī)則結(jié)構(gòu)面以及不規(guī)則結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度進(jìn)行探討。雷鵬[10]基于野外調(diào)查測(cè)量及室內(nèi)加卸荷試驗(yàn)，利用二維顆粒流(PFC2D)程序模擬研究了貫通型鋸齒狀巖體結(jié)構(gòu)面的剪切變形及強(qiáng)度影響規(guī)律，該研究成果不僅豐富了巖體結(jié)構(gòu)面剪切力學(xué)性質(zhì)理論，也可為鋸齒狀巖體結(jié)構(gòu)面所控制的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供有益參考。周子龍等[11]通過數(shù)值軟件建立了鋸齒形的含軟弱夾層結(jié)構(gòu)面模型以模擬不同加載條件下的結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)，深入探討分析軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度與法向荷載以及剪切速率的關(guān)系。唐雯鈺等[12]在考慮巖體應(yīng)變軟化特征情況下，采用數(shù)值計(jì)算方法針對(duì)不同鋸齒高度，探討結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度峰值前后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。王天亮等[13]利用應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行了剪切試驗(yàn)，定量分析不規(guī)則凹槽結(jié)構(gòu)面的變化對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度及其參數(shù)的影響。王程亮[14]采用劈裂法制備天然巖體結(jié)構(gòu)面，并結(jié)合三維激光掃描試驗(yàn)、室內(nèi)直剪剪切試驗(yàn)，以研究結(jié)構(gòu)面三維形貌對(duì)其剪切性質(zhì)的影響，在此基礎(chǔ)上，建立考慮三維粗糙度評(píng)價(jià)參數(shù)的巖體結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度模型。

綜上分析，針對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度特征，前人已開展了許多研究工作。巖體軟弱結(jié)構(gòu)面所能提供的抗剪力主要由3部分組成：粘聚分量、剪脹分量和摩擦分量。前人的研究工作大多將這3種作用合并考慮，研究重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)面的宏觀剪切變形規(guī)律。本文借助大型直剪試驗(yàn)，針對(duì)巖體軟弱結(jié)構(gòu)面中的粘聚分量和摩擦分量嘗試進(jìn)行分離分析，重點(diǎn)研究不同剪切分量在軟弱結(jié)構(gòu)面宏觀剪切變形過程中的作用機(jī)制，以期為巖質(zhì)邊坡抗滑穩(wěn)定性分析提供理論支撐。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

巖體結(jié)構(gòu)面直接剪切試驗(yàn)主要依托DZJ-200型大型反復(fù)直剪試驗(yàn)機(jī)，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)主要由試驗(yàn)機(jī)主體部分、試驗(yàn)動(dòng)力系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)3部分組成。

1.2 試驗(yàn)材料選擇及試樣制備

1) 結(jié)構(gòu)體相似材料的制備

制備巖石相似材料時(shí)，在確保其法向加載后不被破壞的前提下，選擇水泥砂漿進(jìn)行試件配制，試樣力學(xué)參數(shù)取值如表1所示；按比例對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行稱重、混合、攪拌后裝入模具，24 h后進(jìn)行脫模，放入恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，如圖1所示。養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為95%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間10 d。

表1 結(jié)構(gòu)體試樣基本力學(xué)參數(shù)

2) 結(jié)構(gòu)面相似材料的制備

考慮到結(jié)構(gòu)面材料顆粒粒徑對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，本次試驗(yàn)參考了一典型含碎屑土夾層的巴東組軟巖路塹邊坡[15]，以其碎屑土夾層級(jí)配曲線為依據(jù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)面相似材料的制備，級(jí)配曲線如圖2 所示。

將各粒組土樣按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行稱重，按試驗(yàn)含水率要求灑水?dāng)嚢瑁刂聘擅芏葹?.85 g/cm3進(jìn)行試樣軟弱夾層材料的填筑，結(jié)構(gòu)面相似材料基本物性指標(biāo)如表2所示。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

通過開展含軟弱夾層結(jié)構(gòu)的直剪試驗(yàn)，適當(dāng)降低軸壓以忽略夾層材料的剪脹作用，然后通過作圖法和列表法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，獲得軟弱結(jié)構(gòu)面摩擦分量及粘聚分量在其所提供的抗剪力中所占權(quán)重及作用規(guī)律。

圖2 結(jié)構(gòu)面相似材料級(jí)配曲線

表2 結(jié)構(gòu)面相似材料基本參數(shù)及取值

試驗(yàn)時(shí)，結(jié)構(gòu)面夾層材料的含水率參考費(fèi)康[16]對(duì)黏土最優(yōu)含水率分布范圍的研究結(jié)果，選擇最優(yōu)含水率18%以及其以下范圍12%、15%作為本次試驗(yàn)的含水率取值，軸壓荷載為0.125 MPa、0.25 MPa、0.375 MPa、0.5 MPa，通過增量分析，得到結(jié)構(gòu)面粘聚力影響下的剪切強(qiáng)度變化規(guī)律，并且通過增量分析對(duì)粘聚作用及摩擦作用進(jìn)行區(qū)分。

2 系統(tǒng)摩阻系數(shù)測(cè)定

開展巖石結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)機(jī)固定上剪切盒，通過作動(dòng)器推動(dòng)下剪切盒實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的剪切，下剪切盒與試驗(yàn)機(jī)機(jī)座之間通過設(shè)置滾軸排來減小相對(duì)位移產(chǎn)生的阻力。為使試驗(yàn)結(jié)果更為精確，試驗(yàn)之前對(duì)系統(tǒng)的摩阻系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，在后續(xù)的剪力分析時(shí)剔除試驗(yàn)系統(tǒng)的摩擦阻力，以此減小系統(tǒng)誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

在不裝樣時(shí)，分別對(duì)剪切盒施加0 kN、5 kN、10 kN的軸向壓力進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得到不同軸壓條件下剪切盒與機(jī)座之間的摩擦阻力，進(jìn)而獲得算數(shù)平均的系統(tǒng)摩阻系數(shù)。在后續(xù)的試樣剪切試驗(yàn)時(shí)，正應(yīng)力與剪應(yīng)力間滿足如下關(guān)系：

τ=c+σ(tanφ+μ)

(1)

式中：τ為剪應(yīng)力，MPa；c為粘聚力，kPa；σ為軸向壓力，MPa；φ為試樣內(nèi)摩擦角，(°)；μ為試驗(yàn)系統(tǒng)摩阻系數(shù)。不同軸壓條件下的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 直剪試驗(yàn)系統(tǒng)摩阻系數(shù)測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)開始后，隨著剪切位移的增加，3種試驗(yàn)條件下的剪切力均隨之增加，由于軸壓的不同剪切力增速不同，但當(dāng)剪切位移大致為5 mm時(shí)，3種軸壓條件下的剪切力均趨于恒定并略微浮動(dòng)，浮動(dòng)范圍如圖3所示。以浮動(dòng)范圍的中值作為該軸壓條件下對(duì)應(yīng)的剪切力，由此0 kN、5 kN、10 kN三種軸壓所對(duì)應(yīng)的剪切力分別取0.10 kN、2.64 kN、5.20 kN。

由于0 kN的摩阻試驗(yàn)即是垂向作動(dòng)器沒有施加軸壓，但滾軸排上部的剪切盒存在一定的自重，因此不對(duì)0 kN試驗(yàn)結(jié)果摩阻系數(shù)計(jì)算，而是對(duì)3種軸壓進(jìn)行增量分析得到摩阻系數(shù)，3種軸向力條件下所獲得的直剪試驗(yàn)系統(tǒng)水平力如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)摩阻系數(shù)分析

通過圖4可知，由軸向力0 kN～5 kN可得到摩擦系數(shù)μ1=0.508，5 kN～10 kN可以得到摩擦系數(shù)μ2=0.512，摩擦系數(shù)平均值即由0 kN～10 kN所得摩擦系數(shù)μ=0.51，因此可認(rèn)為直剪試驗(yàn)系統(tǒng)摩擦系數(shù)為0.51。需指出的是，后續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果已減去試驗(yàn)系統(tǒng)摩阻系數(shù)。

3 軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)含軟弱夾層結(jié)構(gòu)面剪切位移變化時(shí)的抗剪強(qiáng)度特性，通過開展直剪試驗(yàn)，重點(diǎn)分析軸壓條件下，軟弱夾層不同含水率對(duì)軟弱夾層剪切特性的影響。試驗(yàn)制樣時(shí)，軟弱夾層按圖2所示級(jí)配曲線進(jìn)行土料配置，并按干密度1.85 g/cm3填筑軟弱夾層材料厚度為1 cm。試驗(yàn)中軸壓選擇為0.25 MPa、0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa，軟弱夾層土料的含水率設(shè)置為12%、15%、18%。試樣過程采用應(yīng)變控制式，設(shè)置剪切速率為5 mm/min，加載方式為分步加載，先施加法向力達(dá)到預(yù)設(shè)軸壓保持不變，然后以一定的剪切速率施加切向力至預(yù)定的剪切位移。試驗(yàn)設(shè)置最終剪切距離為4 cm。剪切試驗(yàn)過程中對(duì)切向應(yīng)力、位移以及法向應(yīng)力、位移數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集頻率為3.9 Hz，現(xiàn)對(duì)獲取的一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)作如下分析。

3.1 不同軸壓條件下的結(jié)構(gòu)面剪切過程分析

試驗(yàn)采用4種軸壓條件0.25 MPa、0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa，選擇含水率為15%時(shí)進(jìn)行軟弱結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同軸壓下軟弱結(jié)構(gòu)面剪切過程分析

由圖5可見，幾種不同軸壓條件下，巖體軟弱結(jié)構(gòu)面剪切過程曲線呈現(xiàn)趨勢(shì)大致相同，剪切變形初期，剪應(yīng)力隨剪切位移的增長(zhǎng)呈線性增加的趨勢(shì)，體現(xiàn)為彈性剪切變形階段，隨后曲線斜率降低，進(jìn)入材料屈服變形階段，并很快達(dá)到結(jié)構(gòu)面的抗剪力峰值，且隨著剪切位移的增加，抗剪力大致保持不變，不存在明顯的剪切弱化現(xiàn)象。4種軸壓條件下的彈性變形階段剪切剛度、抗剪峰值強(qiáng)度、抗剪峰值位移試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，巖體軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切變形時(shí)，初期彈性剪切變形階段的剪切剛度隨著軸壓的增加不斷增加，且抗剪強(qiáng)度峰值不斷增加，而抗剪強(qiáng)度峰值所對(duì)應(yīng)的剪切位置受軸壓條件影響較小。

表3 不同軸壓時(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)試驗(yàn)值

3.2 夾層材料含水率對(duì)結(jié)構(gòu)面剪切過程的影響

試驗(yàn)采用3種夾層材料含水率12%、15%及18%，選擇軸壓0.25 MPa進(jìn)行軟弱結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同含水率影響下的軟弱結(jié)構(gòu)面剪切過程分析

由圖6可見，不同含水率條件下，巖體軟弱結(jié)構(gòu)面剪切過程曲線變化規(guī)律大致相同，剪切變形初期為彈性剪切變形階段，即剪應(yīng)力隨著剪切位移的增加呈線性增長(zhǎng)，隨后進(jìn)入屈服變形階段，曲線斜率明顯降低，隨后出現(xiàn)抗剪強(qiáng)度峰值。從圖6還可知，較低含水率條件下，巖體軟弱結(jié)構(gòu)面剪切過程中存在一定的剪切軟化現(xiàn)象。3種含水率條件下的彈性變形階段剪切剛度、抗剪峰值強(qiáng)度、抗剪峰值位移試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，隨著含水率的增加，巖體軟弱結(jié)構(gòu)面彈性變形階段剪切剛度不斷降低，且抗剪強(qiáng)度峰值也不斷減小，即含水率的增加會(huì)顯著降低結(jié)構(gòu)面的抗剪能力。此外，隨著含水率的增加，結(jié)構(gòu)面抗剪峰值位移不斷增加，即峰值出現(xiàn)時(shí)間不斷延后，且殘余抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)。

表4 不同含水率時(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)試驗(yàn)值

4 巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度分量作用分析

結(jié)構(gòu)面能夠發(fā)揮抵抗剪切變形的抗剪力主要由摩擦分量、粘聚分量及剪脹分量組成。由摩爾-庫倫準(zhǔn)則抗剪強(qiáng)度式(1)可知，巖石結(jié)構(gòu)面在剪切過程中，粘聚分量在剪切破壞發(fā)生前基本保持不變，且不受軸壓等條件變化的影響，而摩擦分量則與軸壓條件呈線性正相關(guān)。據(jù)此，通過分析不同軸壓條件下摩擦分量的增量，可對(duì)其量值進(jìn)行分離分析。此時(shí)，剩余部分抗剪力主要由粘聚分量和剪脹分量構(gòu)成，通過分析特定工況條件下平直光滑結(jié)構(gòu)面粘聚力分量值，可進(jìn)一步對(duì)粘聚作用進(jìn)行區(qū)分處理。

4.1 摩擦分量作用

對(duì)摩擦分量增量進(jìn)行分離分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 摩擦分量增量分析結(jié)果

從圖7可知，摩擦分量增量與軸壓呈明顯的線性正相關(guān)。結(jié)構(gòu)面抗剪力中摩擦分量的發(fā)揮過程與抗剪力合力作用過程較為類似，結(jié)構(gòu)面剪切開始后，摩擦分量隨著剪切位移的發(fā)展而逐漸增加，隨后達(dá)到峰值并基本保持恒定。軸壓增量對(duì)摩擦分量增量峰值影響明顯，且對(duì)摩擦分量峰值位移影響較為顯著。不同軸壓條件下摩擦分量增量曲線中的特征參數(shù)如表5所示。

表5 不同摩擦分量時(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)試驗(yàn)值

對(duì)比表5中3種增量條件下的摩擦力分量發(fā)展過程，可見結(jié)構(gòu)面抗剪力中摩擦力隨軸壓增加的增速加快，達(dá)到峰值之后基本不存在摩擦分量的喪失，結(jié)構(gòu)面的剪切破壞對(duì)其影響不大，且摩擦力在整個(gè)剪切過程發(fā)揮作用，數(shù)值上基本保持恒定。

4.2 粘聚分量作用

通過分析含夾層軟弱結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)結(jié)果，其在直剪過程中剪脹作用并不顯著，因此假設(shè)軟弱結(jié)構(gòu)面抗剪力主要由粘聚分量以及摩擦分量構(gòu)成，則對(duì)二者進(jìn)行分離分析，如圖8所示。

由圖8可知，軸壓條件對(duì)結(jié)構(gòu)面抗剪力中的摩擦分量影響顯著，但對(duì)粘聚分量影響不明顯。4種軸壓條件下，粘聚分量峰值約為0.047 MPa～0.052 MPa，而摩擦分量則隨著軸壓的不斷增加呈線性增長(zhǎng)。不同軸壓條件下的粘聚力分量作用過程中部分特征值如表6所示。

(a) 0.25 MPa軸壓抗剪力分量作用

(c) 0.5 MPa軸壓抗剪力分量作用

(e) 1 MPa軸壓抗剪力分量作用

(g) 1.5 MPa軸壓抗剪力分量作用

表6 不同軸壓下抗剪力分量作用關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)試驗(yàn)值

分析圖8及表6可知，剪切過程中摩擦力的增長(zhǎng)同結(jié)構(gòu)面抗剪力合力增長(zhǎng)過程較為相似，接近于理想彈塑性剪切過程，而粘聚力分量由于存在試驗(yàn)初期的剪切破壞過程，從而造成粘聚力于剪切初期短時(shí)喪失，隨后逐漸增長(zhǎng)的情況。分析4種不同軸壓情況下的軟弱結(jié)構(gòu)面剪切過程可知，粘聚力喪失，開始位移受軸壓影響并不大，但隨著軸壓的增加，粘聚力損失量值呈增大的趨勢(shì)，且粘聚力重新發(fā)揮所對(duì)應(yīng)位移不斷提前。由此可知，隨著軸壓增加，剪切初期土體粘結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞程度不斷增大，但夾層材料很快在較大的軸壓條件下形成新的粘結(jié)組合結(jié)構(gòu)，并重新開始發(fā)揮抗剪力。然而，軸壓條件對(duì)于粘聚力峰值大小以及峰現(xiàn)時(shí)間影響并不明顯。

5 結(jié)論

1) 針對(duì)含夾層材料的軟弱結(jié)構(gòu)面進(jìn)行大型剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明軸壓條件對(duì)結(jié)構(gòu)面抗剪力峰值影響明顯，但對(duì)于峰現(xiàn)位移影響不大，而夾層材料含水率對(duì)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度影響規(guī)律與軸壓條件下的結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度影響規(guī)律相反。

2) 對(duì)軟弱結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)面摩擦分量與粘聚分量的作用過程分析，發(fā)現(xiàn)剪切過程中摩擦力的增長(zhǎng)同結(jié)構(gòu)面抗剪力合力增長(zhǎng)過程較為類似，接近于理想彈塑性剪切過程，而粘聚力在剪切初期階段呈先增長(zhǎng)后減小的趨勢(shì)，且隨著軸壓的增加，粘聚力損失量值呈增大的趨勢(shì)，此外，軸壓條件對(duì)于粘聚力峰值大小以及峰現(xiàn)時(shí)間影響并不明顯。

3) 忽略剪脹分量的作用，軟弱結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度分量組成中，摩擦分量占比遠(yuǎn)大于76%，且隨著軸壓的增加，摩擦分量在結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度中占比不斷增加，即對(duì)于軟弱結(jié)構(gòu)面，摩擦力仍然是結(jié)構(gòu)面抗剪切滑動(dòng)過程的主控作用力。據(jù)此，對(duì)于含軟弱結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡，在坡體預(yù)加固及防護(hù)措施實(shí)施過程中，適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)面法向壓力，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)面剪切分量占比，或通過變形控制，調(diào)動(dòng)結(jié)構(gòu)面自身抗剪切能力，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)面自身抗剪切性能，對(duì)于提高邊坡防護(hù)效果將具有積極的作用。