單一預(yù)制節(jié)理試件各向異性力學(xué)特性試驗(yàn)研究

孫旭曙，李建林，王樂華，柏俊磊，姜照容

（1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

1 引 言

巖體經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)作用，被不同規(guī)模、不同方向的結(jié)構(gòu)面（包括斷層、層面、節(jié)理、劈理、片理、軟弱夾層、泥化夾層等不連續(xù)面）相互切割，形成了具有特殊結(jié)構(gòu)的不連續(xù)體，使得節(jié)理巖體的力學(xué)特性由完整巖塊和結(jié)構(gòu)面共同控制，且其力學(xué)特性遠(yuǎn)比完整巖塊復(fù)雜得多。由于受結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)的影響，節(jié)理巖體的力學(xué)特性展現(xiàn)出了明顯的各向異性特征。隨著法國馬爾帕塞拱壩失事[1]、意大利瓦依昂水庫滑坡[2]等重大事故的發(fā)生，工程界和學(xué)術(shù)界進(jìn)一步認(rèn)識到巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性和穩(wěn)定性的重要性。

巖體結(jié)構(gòu)面的幾何參數(shù)，如產(chǎn)狀（走向、傾向、傾角）、形態(tài)、延展度、密度、張開度等，對其力學(xué)特性有重要影響。Rajendra 等[3]對具有3 組節(jié)理的正方體模型試件進(jìn)行了真三軸試驗(yàn)，研究了節(jié)理試件的峰后區(qū)特性，結(jié)果表明節(jié)理試件的應(yīng)變硬化、應(yīng)變軟化和塑性特性取決于其幾何結(jié)構(gòu)和所處的應(yīng)力狀態(tài)。陳新等[4]對含一組非貫通預(yù)置裂隙的正方體石膏節(jié)理試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著節(jié)理連通率的增大，節(jié)理試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線的延性增強(qiáng)，研究還表明[4-5]隨著非貫通節(jié)理試件的連通率增大，其峰值強(qiáng)度和彈性模量逐漸降低。Wasantha 等[6]對非貫通圓柱形水泥砂漿節(jié)理試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明節(jié)理的位置、傾角和跡長對單軸抗壓強(qiáng)度均有影響。張波等[7]對充填裂隙長方體節(jié)理試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，研究了裂隙充填與否對其力學(xué)特性的影響，表明裂隙含充填的節(jié)理試件的峰值強(qiáng)度提高、峰后塑性變形能力增強(qiáng)。劉紅巖等[8]對圓柱形節(jié)理模型進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明節(jié)理傾角、節(jié)理貫通度、節(jié)理組數(shù)、載荷應(yīng)變率、試件長徑比、節(jié)理充填物厚度及類型與節(jié)理巖體的破壞模式及峰值強(qiáng)度密切相關(guān)。李建林等[9]對不同幾何比尺的正方體節(jié)理試件進(jìn)行了三軸卸荷試驗(yàn)研究，表明節(jié)理試件的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、變形模量、泊松比具有尺寸效應(yīng)。王瑞紅等[10]對含2 條不同間距預(yù)制斷續(xù)圓柱形紅砂巖節(jié)理試件進(jìn)行了三軸卸荷試驗(yàn)研究，表明卸荷條件下節(jié)理試件和完整試件的力學(xué)特性不同。王宇等[11]對不同傾角斷續(xù)圓柱形泥質(zhì)粉砂巖節(jié)理試件進(jìn)行了卸荷流變試驗(yàn)研究，表明節(jié)理傾角對節(jié)理試件軸向以及側(cè)向流變應(yīng)變規(guī)律和卸荷流變破裂機(jī)制均有影響。Brown 等[12-13]、Kulatilake 等[14]、Herbert 等[15]通過試驗(yàn)，研究了節(jié)理試件破壞模式總結(jié)為低圍壓下軸向劈裂破壞、穿過石膏和節(jié)理面的剪切破壞、沿節(jié)理面滑動(dòng)破壞和延性破壞4 種模式。

以上學(xué)者主要對單軸壓縮條件下節(jié)理巖體的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并分析了主要的影響因素，但對于節(jié)理試件在常規(guī)三軸壓縮條件下的力學(xué)特性研究較少。常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)主要研究圍壓對節(jié)理試件的變形、強(qiáng)度和破壞模式的影響及其隨圍壓的變化規(guī)律，同時(shí)可測定節(jié)理試件三軸抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，掌握不同應(yīng)力條件下節(jié)理巖體的力學(xué)特性具有重要意義，應(yīng)對此問題做深入的研究。本文從理論上分析了單一節(jié)理試件的力學(xué)效應(yīng)，其次對5 種不同傾角單一預(yù)制貫通節(jié)理試件進(jìn)行了常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，分析了應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、變形特征、強(qiáng)度特征、強(qiáng)度參數(shù)和破壞模式的各向異性特征。

2 節(jié)理面力學(xué)效應(yīng)分析

在外部荷載的作用下，單一節(jié)理試件節(jié)理面上將出現(xiàn)法向應(yīng)力σ 和切向應(yīng)力τ，力的大小隨節(jié)理傾角α 而變化，如圖1 所示，節(jié)理面的應(yīng)力可表示為[16]

根據(jù)庫侖準(zhǔn)則，節(jié)理面強(qiáng)度曲線RQP 可表示為

式中：cj為節(jié)理面的黏聚力；φj為節(jié)理面的內(nèi)摩擦角。

當(dāng)節(jié)理巖體的應(yīng)力狀態(tài)正好處于節(jié)理面強(qiáng)度曲線RQP 上的Q 點(diǎn)和P 點(diǎn)時(shí)，即α=α1或α=α2時(shí)，節(jié)理面正好處于極限平衡狀態(tài)；當(dāng)α＜α1或α＞α2時(shí)，摩爾圓上的應(yīng)力點(diǎn)處于節(jié)理面強(qiáng)度曲線RQP 之下，節(jié)理面上的剪應(yīng)力小于其抗剪強(qiáng)度，節(jié)理巖體不會(huì)發(fā)生沿節(jié)理面滑動(dòng)破壞；當(dāng)α2＞α＞α1時(shí)，摩爾圓上的應(yīng)力點(diǎn)處于節(jié)理面強(qiáng)度曲線RQP 之上，節(jié)理面上的剪應(yīng)力大于其抗剪強(qiáng)度，節(jié)理巖體發(fā)生沿節(jié)理面滑動(dòng)破壞。

圖1 節(jié)理面力學(xué)效應(yīng)示意圖Fig.1 Sketch of mechanical effect of joint surface

由此可知，當(dāng)節(jié)理傾角α2＞α＞α1時(shí)，節(jié)理巖體破壞受節(jié)理面控制；當(dāng)節(jié)理傾角α＜α1或α＞α2時(shí)，節(jié)理巖體破壞受巖塊強(qiáng)度控制，與節(jié)理面無關(guān)。

圖1 中，∠RPM=2α1-φj，可得

式中：σm為平均應(yīng)力，；τm為最大剪應(yīng)力，。

由式（4）可得

由式（5）可知，節(jié)理巖體發(fā)生沿節(jié)理滑動(dòng)破壞的臨界傾角(α1,α2)由節(jié)理面的強(qiáng)度參數(shù)(cj,φj)和應(yīng)力狀態(tài)(σ1,σ3)共同決定。

3 試件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

3.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)試件分為完整試件和單一預(yù)制貫通節(jié)理試件，試件φ×H（直徑×高度）為50 mm×100 mm，如圖2 所示，節(jié)理試件傾角α（節(jié)理面與水平面的夾角）依次為0°、30°、45°、60°、90°，共5個(gè)角度。貫通節(jié)理試件制作方法為：（1）將標(biāo)準(zhǔn)直徑的完整巖芯按設(shè)計(jì)角度貫通切割；（2）將兩部分巖芯按照切割前的位置對齊，放入特制的夾具固定，采用雙刀片切割標(biāo)準(zhǔn)長度節(jié)理試件；（3）采用石膏（石膏與水的比例為2∶1）粘結(jié)節(jié)理試件，并放置在模具中定型、凝固，48 h 后取出試件，對表面進(jìn)行打磨，完成制樣。巖樣取自同一地點(diǎn)，石膏采用同一配合比，試件制作由同一人完成，減少試件離散性對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件示意圖Fig.2 Sketch of standard cylinder samples

3.2 試驗(yàn)方案

采用RMT-150C 試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，主要研究節(jié)理試件在不同圍壓等級條件下的全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線、變形、強(qiáng)度和破壞特征，并與完整試件進(jìn)行對比。試驗(yàn)步驟如下：

第1 步：采用力/圍壓控制模式，軸向力與圍壓分別以0.2 kN/s和0.1 MPa/s按靜水壓力加載至設(shè)計(jì)值（軸壓分別為10、20、30、40、50 kN，圍壓分別為5、10、15、20、25 MPa）。

第2 步：采用圍壓控制模式，保持圍壓處于設(shè)計(jì)值，穩(wěn)定不變。

第3 步：采用位移控制模式，位移速率為0.005 mm/s，加載軸向力至試件破壞。

4 各向異性力學(xué)特性分析

4.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

完整試件和節(jié)理試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所。由于節(jié)理試件變形較大，受試驗(yàn)機(jī)允許量測范圍限制，未能得到部分試件全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果表明，（1）完整試件和節(jié)理試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均有較長的壓密階段，此階段的變形主要為巖石內(nèi)部裂紋閉合和節(jié)理填充材料的壓密變形，由于節(jié)理填充材料強(qiáng)度較弱、易變形，所以節(jié)理試件在壓密階段的變形與完整試件相比較大；（2）在圍壓的約束作用下，0°、30°、45°和90°傾角節(jié)理試件表現(xiàn)為延性破壞，且具有一定的殘余強(qiáng)度，60°傾角節(jié)理試件無破壞階段，達(dá)到峰值之后，應(yīng)力保持不變，而應(yīng)變在迅速增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近一條水平直線，這與其沿節(jié)理面滑動(dòng)破壞模式相對應(yīng)。

圖3 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of conventional triaxial compression tests

4.2 變形特征

節(jié)理試件的變形包括巖石變形和節(jié)理填充材料變形兩部分，本次試驗(yàn)所得出的彈性模量是巖石變形和節(jié)理填充材料變形的綜合表述，根據(jù)圖3 所示應(yīng)力-應(yīng)變曲線，按照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[17]計(jì)算彈形模量，見表1。結(jié)果表明，（1）節(jié)理試件的彈性模量均小于完整試件，主要由節(jié)理填充填材料易變形所致，不同傾角節(jié)理試件的變形差異顯著，0°、30°、90°傾角試件的彈性模量較大，45°傾角試件次之，60°傾角試件最小，這也是節(jié)理試件與完整試件重要區(qū)別之一，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，節(jié)理試件的彈性模量隨節(jié)理傾角增大呈U 型變化，如圖4 所示，表明節(jié)理試件的變形特征具有各向異性特征。（2）彈性模量均隨圍壓升高而增大，且具有較好的線性關(guān)系，而不同傾角節(jié)理試件彈性模量的最大值和最小值之比隨圍壓升高而逐漸變小，如圖5 所示，表明在圍壓的束縛作用下節(jié)理試件的變形差異逐漸減小。

表1 彈性模量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of Young's moluli

圖4 彈性模量與節(jié)理傾角關(guān)系曲線Fig.4 Relationships between Young’s modulus and joint inclination

圖5 彈性模量極值之比與圍壓關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between ratio of maximum to minimum of Young’s modulus and confining pressure

4.3 峰值強(qiáng)度

節(jié)理試件峰值強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)值見表2。由表可見，（1）節(jié)理試件的峰值強(qiáng)度均小于完整試件，不同傾角節(jié)理試件的峰值強(qiáng)度差異也較顯著。分析數(shù)據(jù)可知，不同圍壓等級下峰值強(qiáng)度隨節(jié)理傾角呈U 型變化，如圖6 所示。60°傾角試件數(shù)值仍為最低，表明節(jié)理試件的強(qiáng)度特征也具有各向異性特征；（2）峰值強(qiáng)度隨圍壓升高而增大，而峰值強(qiáng)度最大值與最小值之比隨圍壓升高而逐漸變小，如圖7 所示，表明圍壓對峰值強(qiáng)度也產(chǎn)生了很大影響。

4.4 強(qiáng)度參數(shù)

節(jié)理試件強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)值見表3。由表可見，（1）節(jié)理試件黏聚力c 的最大值為19.08 MPa，與巖石接近，最小值為0.732 MPa，與石膏接近，最大值與最小值比值達(dá)26.07，而且黏聚力隨節(jié)理傾角呈U 型變化，如圖8 所示，60°傾角試件黏聚力最??；（2）內(nèi)摩擦角φ 隨節(jié)理傾角增大而增大，如圖9 所示，0°傾角試件最小且小于巖石，90°傾角試件最大且與巖石接近，最大值與最小值的比值為1.29。因此，節(jié)理試件的強(qiáng)度參數(shù)也具有各向異性特征。

圖6 峰值強(qiáng)度與節(jié)理傾角關(guān)系曲線Fig.6 Relationships between peak strength and joint inclination

表2 峰值強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of peak strengths

圖7 峰值強(qiáng)度極值之比與圍壓關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between ratio of maximum to minimum of peak strength and confining pressure

表3 強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of strength parameters

圖8 黏聚力與節(jié)理傾角關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between cohesion and joint orientation

4.5 破壞特征

圖9 內(nèi)摩擦角與節(jié)理傾角關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between internal friction angle and joint inclination

圖10 節(jié)理試件破壞圖Fig.10 Failure modes of jointed samples

節(jié)理試件破壞圖如圖10 所示。由圖可見，節(jié)理試件的破壞模式分為2 種，即穿越節(jié)理剪切破壞和沿節(jié)理滑動(dòng)破壞，其中0°、30°、90°傾角試件屬于前者，破壞面穿越節(jié)理，且節(jié)理完好；45°、60°傾角試件屬于后者。

5 結(jié) 論

（1）節(jié)理巖體破壞分為受節(jié)理面強(qiáng)度控制和 巖塊強(qiáng)度控制，所對應(yīng)的破壞模式分別為沿節(jié)理面滑動(dòng)破壞和穿越節(jié)理的剪切破壞，其力學(xué)特性由節(jié)理面、巖塊和所處的應(yīng)力狀態(tài)共同決定。

（2）節(jié)理試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也具有各向異性特征，并與其破壞模式相對應(yīng)。

（3）與完整試件相比，節(jié)理試件的彈性模量均有不同程度降低，說明節(jié)理試件更容易產(chǎn)生變形；節(jié)理試件的彈性模量隨節(jié)理傾角呈U 型分布，隨著圍壓等級升高，節(jié)理試件的彈性模量也逐漸提高，且不同傾角試件的變形差異減小。

（4）與完整試件相比，節(jié)理試件的抗壓強(qiáng)度也有不同程度降低，同時(shí)，隨節(jié)理傾角呈U 型分布，抗壓強(qiáng)度與圍壓具有線性增大關(guān)系，并隨著圍壓等級升高，不同傾角試件的抗壓強(qiáng)度差異減小。

（5）節(jié)理試件的黏聚力隨節(jié)理傾角呈U型變化，內(nèi)摩擦角與節(jié)理傾角呈線性增大關(guān)系。

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