非充填巖石節(jié)理的動態(tài)剪切力學(xué)行為實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展1)

袁 偉李建春 ,?,2) 李 星 ,?

*(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211189)

?(東南大學(xué)未來地下空間研究院，南京 211189)

節(jié)理是巖體中廣泛存在的軟弱結(jié)構(gòu)面，根據(jù)充填物的有無，節(jié)理被分為充填節(jié)理和非充填節(jié)理[1]。在地應(yīng)力和動態(tài)擾動載荷（如開挖卸荷、地震、巖石爆破等）的作用下，巖體可能發(fā)生沿節(jié)理面的剪切滑移，從而引發(fā)巖體滑坡、滑移型巖爆、洞室頂板冒落等災(zāi)害[2-5]。因此，深入認(rèn)識巖石節(jié)理的剪切力學(xué)行為對工程地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防與控制具有重要意義。獲取準(zhǔn)確的節(jié)理動態(tài)剪切強(qiáng)度和變形參數(shù)是認(rèn)識巖石節(jié)理剪切力學(xué)行為的基礎(chǔ)，也是評估工程巖體的滑移穩(wěn)定性和進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

相較于地應(yīng)力的長期性和穩(wěn)定性，動態(tài)擾動載荷具有持續(xù)時(shí)間短、幅值變化快等特征。在動態(tài)擾動載荷的作用下，巖石節(jié)理的滑移速率非恒定且變化范圍廣[6]。并且由于載荷的循環(huán)往復(fù)作用，節(jié)理面的漸進(jìn)磨損特征顯著[7]。因此，動態(tài)擾動條件下巖石節(jié)理的剪切滑移過程與機(jī)制更為復(fù)雜。此外，巖石節(jié)理總是受到法向壓力的作用。節(jié)理的賦存環(huán)境不同，其法向邊界可能不同，而確定合適的法向邊界條件是保證節(jié)理剪切力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果準(zhǔn)確性的前提。巖石節(jié)理的法向邊界主要被簡化為恒定法向載荷（constant normal load，CNL）、恒定法向剛度（constant normal stiffness，CNS）和動態(tài)法向載荷（dynamic normal load，DNL）[8-10]。其中，CNL 邊界適用于未錨固邊坡和淺部低地應(yīng)力環(huán)境，CNS 邊界適用于錨固邊坡和深部高地應(yīng)力環(huán)境，DNL 邊界則適用于擾動載荷存在沿節(jié)理法向的分量情況，它與CNS 邊界下法向壓力隨法向變形的被動線性變化不同。

室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)是獲取巖石節(jié)理剪切力學(xué)參數(shù)最直接、有效的方法。為了解巖石節(jié)理的動態(tài)剪切力學(xué)行為，國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究，主要可以分為三大類。其一是寬速率范圍的定速直剪實(shí)驗(yàn)研究，其目的在于探究巖石節(jié)理剪切強(qiáng)度的速率相關(guān)性。其二是沖擊直剪實(shí)驗(yàn)研究，其目的在于探究沖擊擾動作用下巖石節(jié)理的強(qiáng)度和滑移規(guī)律。其三是循環(huán)直剪實(shí)驗(yàn)研究，其目的在于探究往復(fù)剪切過程中巖石節(jié)理剪切強(qiáng)度的劣化規(guī)律。本文以非充填巖石節(jié)理為對象，首先詳細(xì)闡述上述實(shí)驗(yàn)技術(shù)及相應(yīng)設(shè)備的發(fā)展，然后歸納了節(jié)理動態(tài)剪切力學(xué)行為的研究成果，最后指出相關(guān)研究的不足以及值得進(jìn)一步探索的方向。

1 巖石節(jié)理動態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)技術(shù)及設(shè)備

如圖1 所示，巖石節(jié)理剪切加載構(gòu)型主要有直接剪切構(gòu)型[11]、雙面剪切構(gòu)型[12]、壓剪構(gòu)型[13]、旋轉(zhuǎn)剪切構(gòu)型[14]等，雙面剪切構(gòu)型、壓剪構(gòu)型和旋轉(zhuǎn)剪切構(gòu)型在模擬斷層摩擦滑動實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用較多，且主要用于平直斷層。由于直接剪切構(gòu)型的應(yīng)用限制更小，因此在巖石節(jié)理剪切力學(xué)參數(shù)測試中應(yīng)用最為廣泛，其加載原理如圖1(a)所示。實(shí)驗(yàn)中，巖石節(jié)理試樣置于剪切盒內(nèi)，首先在節(jié)理的法向上加載一定初始壓力（模擬地應(yīng)力），然后以恒定的位移速率或力速率沿節(jié)理切向持續(xù)施加剪切載荷，使剪切上盤沿施力方向發(fā)生相對于剪切下盤的位錯(cuò)，直至達(dá)到預(yù)定的剪切位移值，從而得到節(jié)理的剪切強(qiáng)度和變形參數(shù)。為真實(shí)再現(xiàn)不同場景下巖石節(jié)理的剪切變形過程，國內(nèi)外學(xué)者在改進(jìn)設(shè)備的法向邊界控制、提高剪切加載速率、循環(huán)加載技術(shù)等方面進(jìn)行了探索，這些技術(shù)進(jìn)步為準(zhǔn)確測試巖石節(jié)理的剪切力學(xué)參數(shù)提供了硬件保障。

圖1 典型的剪切構(gòu)型示意圖Fig.1 Schematic diagram of typical direct shear configurations

1.1 CNS 和DNL 邊界直剪實(shí)驗(yàn)技術(shù)及設(shè)備

在法向邊界控制方面，其技術(shù)進(jìn)步之一體現(xiàn)在CNS 邊界的實(shí)現(xiàn)。CNS 邊界的原理如圖2(a)所示，類似于在法向加載板與剪切盒之間安裝了“彈簧”。在初始法向壓力為Fn0的剪切過程中，節(jié)理的法向變形un引起法向壓力的變化，變化量為法向變形與法向剛度Kn的乘積。如何確保剪切過程中法向剛度Kn的恒定成為關(guān)鍵。早期受到伺服控制技術(shù)的限制，主要通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)CNS 邊界。例如，Indraratna 等[15]在法向作動器與剪切盒之間安裝了彈簧陣列，試樣的法向剛度等于彈簧陣列的總剛度，增減彈簧個(gè)數(shù)即可改變剛度值。尹乾等[16]利用4 根細(xì)長圓鋼拉桿及附件制作了具有10.8 GPa/m 恒定剛度的法向加載裝置。通過簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)可容易地實(shí)現(xiàn)CNS 邊界，但多數(shù)改進(jìn)方案僅能實(shí)現(xiàn)單一的法向剛度值。

圖2 不同法向邊界直剪原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of direct shear test under different normal boundaries

得益于伺服控制技術(shù)的進(jìn)步，Jiang 等[17]于2004 年成功研制了世界首臺伺服控制式CNS 巖石節(jié)理直剪實(shí)驗(yàn)機(jī)，法向邊界的剛度可自由更改。其原理是：在剪切加載過程中，控制器實(shí)時(shí)接收法向位移測量結(jié)果，并計(jì)算出法向位移增量；然后根據(jù)設(shè)定的法向剛度值，計(jì)算出相應(yīng)的法向力增量，進(jìn)而通過法向作動器將相應(yīng)的法向力增量作用于節(jié)理邊界。目前，國內(nèi)多個(gè)科研院所也已成功開發(fā)了伺服控制式CNS 直剪實(shí)驗(yàn)機(jī)，如同濟(jì)大學(xué)[18]、中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所[19-20]等。這類設(shè)備的出現(xiàn)，便利了模擬深部高應(yīng)力條件下巖石節(jié)理剪切滑移過程。

法向邊界控制的另一項(xiàng)進(jìn)步在于DNL 的實(shí)現(xiàn)。如圖2(b)所示，在DNL 邊界下的直剪實(shí)驗(yàn)中，試樣首先被加載初始的法向壓力，然后在剪切加載的過程中，節(jié)理的法向被持續(xù)加載動態(tài)載荷，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束[10]。DNL 邊界下，法向壓力的變化形式可由用戶指定，與CNS 邊界下法向壓力隨法向位移線性變化不同，這一構(gòu)型可用于模擬靜動態(tài)法向壓力疊加作用下的節(jié)理剪切變形過程。德國弗萊貝格工業(yè)大學(xué)[21]、中山大學(xué)[22]配備了相應(yīng)的節(jié)理剪切實(shí)驗(yàn)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)多種波形周期載荷的加載，動載荷頻率高達(dá)40 Hz。

1.2 寬速率范圍的定速直剪實(shí)驗(yàn)

動態(tài)與靜態(tài)的根本區(qū)別在于加載速率或應(yīng)變率，提高剪切速率是實(shí)現(xiàn)巖石節(jié)理動態(tài)剪切加載的必由之路，也是開發(fā)動態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)設(shè)備需要突破的技術(shù)難題之一。目前多數(shù)直剪設(shè)備的最大剪切速率低于102mm/s，換算為相應(yīng)的剪切應(yīng)變率則低于100s–1。根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)[23]，這樣的應(yīng)變率水平仍處于準(zhǔn)靜態(tài)范圍。究其原因，在巖石節(jié)理的直剪實(shí)驗(yàn)中，所采用的試樣尺寸一般較大，應(yīng)變率每提高一個(gè)量級，對提升機(jī)器伺服響應(yīng)速率的需求巨大。傳統(tǒng)的液壓加載依賴于動力油源和伺服閥的流量控制，高加載率需配套大體積油源和大流量伺服控制閥，現(xiàn)有技術(shù)水平尚且難以達(dá)到動態(tài)剪切速率范圍。為突破這一技術(shù)壁壘，Qi等[24]提出氣動與液壓聯(lián)動的加載方案，研制了TFD500/1000-JS 型巖石結(jié)構(gòu)面動態(tài)剪切設(shè)備，將最大剪切加載速率提高至1 m/s。在100 mm 的節(jié)理長度條件下，相應(yīng)的剪切應(yīng)變率可達(dá)101s–1，該方案有效地確保了加載速率與加載能力的同步提高。

1.3 沖擊直剪實(shí)驗(yàn)

沖擊加載也是有效提高剪切速率的途徑之一。沖擊產(chǎn)生的加載波具有持續(xù)時(shí)間短、載荷變化快的特點(diǎn)，更加符合地震波、爆破應(yīng)力波的特征，并且可通過循環(huán)沖擊來模擬動態(tài)擾動載荷的重復(fù)作用。Wu 等[25]率先研發(fā)了巖石節(jié)理沖擊直剪實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3(a)所示。該裝置采用兩塊相互垂直的巖石板作為入射板和透射板，入射板與透射板的接觸界面形成人工節(jié)理面。沖頭撞擊入射板后，將在入射板內(nèi)產(chǎn)生平面壓縮波。當(dāng)平面波傳播至節(jié)理面，由于入射板的壓縮變形，兩塊巖石板在接觸界面產(chǎn)生了相對位錯(cuò)，從而實(shí)現(xiàn)了對巖石節(jié)理的動態(tài)剪切加載，剪切速率范圍達(dá)到了10–1～100m/s 量級。Yao 等[26]基于分離式霍普金森壓桿開發(fā)了巖石節(jié)理的沖擊剪切實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3(b)所示。該裝置將傳統(tǒng)直剪設(shè)備中剪切方向的作動器替換為沖頭和入射桿，利用沖頭撞擊入射桿產(chǎn)生的應(yīng)力波對巖石節(jié)理試樣進(jìn)行動態(tài)剪切加載，實(shí)現(xiàn)了超過100m/s 的剪切速率，相應(yīng)的應(yīng)變率超過101s–1。不過，Yao 等[26]的實(shí)驗(yàn)中忽視了節(jié)理變速滑動過程中慣性力的影響，可能會高估節(jié)理的動態(tài)剪切強(qiáng)度。為此，Li 等[27]基于雙軸霍普金森壓桿提出了一種新的沖擊直剪實(shí)驗(yàn)方法，如圖3(c)所示。由于引入了透射桿，可直接基于透射波計(jì)算節(jié)理面的名義剪應(yīng)力，從而排除了慣性力的影響。并且得益于側(cè)向壓桿的引入，由試樣法向變形引起的法向壓力變化可被直接測量；還可對試樣加載初始剪應(yīng)力，以模擬工程巖體中節(jié)理的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)。崔國建等[20]將擺錘沖擊系統(tǒng)應(yīng)用于液壓式直剪設(shè)備，也實(shí)現(xiàn)了沖擊剪切加載。這些技術(shù)的應(yīng)用為更準(zhǔn)確地獲取沖擊剪切條件下巖石節(jié)理的強(qiáng)度和變形參數(shù)提供了硬件支撐。

圖3 典型的巖石節(jié)理沖擊剪切實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Typical impact shear test devices for rock joint

1.4 循環(huán)加載技術(shù)及設(shè)備

地震波可分解為多個(gè)子波[28]，地震波對巖石節(jié)理的作用可以等效為地震子波對巖石節(jié)理的重復(fù)作用。由此，循環(huán)剪切實(shí)驗(yàn)被用來測試地震波作用下巖石節(jié)理的剪切力學(xué)特性。節(jié)理循環(huán)剪切實(shí)驗(yàn)一般包括兩類，其一是峰前循環(huán)剪切實(shí)驗(yàn)[29-31]，另一類是峰后循環(huán)往復(fù)剪切實(shí)驗(yàn)[32-34]。

在峰前循環(huán)剪切實(shí)驗(yàn)中，通常采用力控制模式，如圖4(a)所示。即在一定的法向壓力下，巖石節(jié)理試樣首先被加載初始剪應(yīng)力（低于峰值剪切強(qiáng)度）；然后，按照設(shè)定的載荷波形持續(xù)對節(jié)理進(jìn)行周期性加載和卸載；達(dá)到目標(biāo)循環(huán)周期后，再持續(xù)加載直至節(jié)理破壞。這類實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)機(jī)具備自動伺服加卸載功能，多數(shù)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)均具備這一功能。在峰后循環(huán)往復(fù)剪切實(shí)驗(yàn)中，通常采用位移控制模式，如圖4(b)所示。巖石節(jié)理試樣首先被持續(xù)施加剪切載荷，直至達(dá)到設(shè)定的剪切位移最大值us（一般大于峰值剪切位移）。然后，試樣被反向加載至負(fù)的剪切位移最大值–us（正、負(fù)向的最大剪切位移相等）。按此程序循環(huán)往復(fù)，直至達(dá)到設(shè)定的循環(huán)周期。峰后循環(huán)往復(fù)剪切是目前最為常用的巖石節(jié)理循環(huán)加載技術(shù)，它要求實(shí)驗(yàn)機(jī)剪切方向的伺服作動器具備雙向推拉加載功能，目前多數(shù)設(shè)備已具備峰后循環(huán)剪切功能。

圖4 巖石節(jié)理循環(huán)剪切加載示意圖Fig.4 Schematic diagram of cyclic shear test for rock joint

2 巖石節(jié)理的動態(tài)剪切強(qiáng)度和變形特征

得益于上述實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，巖石節(jié)理剪切力學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)研究取得了系列成果，以下分別從CNS 和DNL 條件下的剪切強(qiáng)度和變形、剪切強(qiáng)度的速率相關(guān)性、沖擊剪切行為和循環(huán)剪切條件下的剪切強(qiáng)度和變形4 個(gè)主要方面介紹相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展。

2.1 CNS 和DNL 邊界下節(jié)理的剪切強(qiáng)度和變形

CNS 邊界與CNL 邊界的最顯著區(qū)別是節(jié)理的剪脹變形以及由此導(dǎo)致的法向壓力變化。Indraratna 等[15]基于規(guī)則鋸齒節(jié)理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，與CNS 條件相比，CNL 條件下的直剪實(shí)驗(yàn)結(jié)果高估了節(jié)理的剪脹變形，而低估了節(jié)理的峰值剪切強(qiáng)度。對于粗糙節(jié)理，Jiang 等[17]發(fā)現(xiàn)，CNS邊界下節(jié)理的剪應(yīng)力峰值不如CNL 邊界下明顯；并且隨著初始法向應(yīng)力和法向剛度的增大，節(jié)理的剪切應(yīng)變硬化現(xiàn)象逐漸突出。尹乾等[16]在砂巖節(jié)理的CNS 直剪實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了這種硬化現(xiàn)象，但相較于類巖石節(jié)理，砂巖節(jié)理在CNS 條件下仍具有較為顯著的剪應(yīng)力峰值，且剪應(yīng)力峰值較CNL 條件提高了6.201～9.974 倍。與CNL 條件相比，在CNS 條件下，節(jié)理的剪脹變形被抑制，剪切強(qiáng)度顯著提高。因此，在深部巖體工程中，若采用CNL 條件下的節(jié)理強(qiáng)度測試值進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，顯然低估了節(jié)理巖體的抗剪能力，增加經(jīng)濟(jì)成本。

在DNL 邊界條件下，Dang 等[10,35]首先針對平直類巖石節(jié)理開展了系列實(shí)驗(yàn)研究，考慮了法向載荷頻率、幅值的影響。研究中發(fā)現(xiàn)，法向應(yīng)力峰值和摩擦系數(shù)峰值之間存在時(shí)間差，且時(shí)間差近似恒定，法向載荷頻率對時(shí)間差的影響較小。法向壓力幅值和頻率對節(jié)理表觀摩擦系數(shù)的影響較小。對于粗糙巖石節(jié)理，與CNL 條件相比，DNL 條件下節(jié)理的表觀摩擦系數(shù)有所降低[36]。崔國建等[20]研究指出，增大法向動載的幅值將增加節(jié)理滑移的可能性，并且節(jié)理的滑動速率和滑動位移均隨法向動載幅值的增大而增大。

洗發(fā)（用手摸枕后的動作代替洗發(fā)時(shí)的動作）需要肘關(guān)節(jié)屈曲角度最大為147.65°；便后清潔的動作需要肘關(guān)節(jié)伸展角度最大為-38.05°；肘關(guān)節(jié)功能性活動度共需要肘關(guān)節(jié)屈曲109.60°（38.05°～147.65°），見（表2）。

2.2 剪切強(qiáng)度的速率相關(guān)性

1972 年，Dieterich[37-38]通過觀測不同壓縮時(shí)間下的巖石摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)了巖石摩擦阻力具有時(shí)間相關(guān)性，并指出巖石摩擦的時(shí)間相關(guān)性可能是余震發(fā)生的潛在機(jī)制[38]。不同的剪切速率條件下，節(jié)理接觸面的接觸時(shí)間不同，這會否影響節(jié)理的剪切強(qiáng)度？為此，國內(nèi)外學(xué)者對平直節(jié)理、起伏節(jié)理和粗糙節(jié)理分別進(jìn)行了探究。

2.2.1 平直節(jié)理

表1 歸納了有關(guān)平直節(jié)理剪切強(qiáng)度速率相關(guān)性的研究?？梢钥闯?，對于類巖石節(jié)理，平直節(jié)理的剪切強(qiáng)度隨剪切速率單調(diào)變化，可能增大、可能減小，甚至可能不變[39-41]。文獻(xiàn)[39]和文獻(xiàn)[41]，還得到了摩擦系數(shù)（或摩擦角）與剪切速率間的對數(shù)關(guān)系模型。

表1 平直節(jié)理剪切強(qiáng)度速率相關(guān)性研究的代表性結(jié)論Table 1 Representative conclusions on the rate dependence of shear strength of planar joints

對于巖石節(jié)理，剪切強(qiáng)度的速率相關(guān)性更為復(fù)雜。Crawford 等[42]通過對4 種巖石的研究發(fā)現(xiàn)，在相同的速率范圍內(nèi)，巖石的硬度不同、法向壓力不同，剪切強(qiáng)度隨剪切速率的變化趨勢有所差異，并總結(jié)了平直節(jié)理剪切強(qiáng)度隨剪切速率的可能變化趨勢，如圖5 所示。Mehrishal 等[43]發(fā)現(xiàn)，較低的法向壓力下，凝灰石和大理巖平直節(jié)理的摩擦系數(shù)隨剪切速率的增大而增大；當(dāng)法向壓力由巖石單軸抗壓強(qiáng)度的2%提高至30%后，摩擦系數(shù)對剪切速率變化的敏感性降低。Qi 等[24]的測試結(jié)果表明，在10–2～101mm/s 的速率范圍內(nèi)，節(jié)理的剪切強(qiáng)度幾乎不變，而在101～103mm/s的速率范圍內(nèi)，剪切強(qiáng)度顯著增大。

圖5 摩擦強(qiáng)度的剪切速率相關(guān)模型[42]Fig.5 Model of relationship between friction resistance and shear velocity[42]

Dieterich[38]指出，隨時(shí)間的增加，接觸面上接觸點(diǎn)發(fā)生蠕變，實(shí)際接觸面積增大，從而增大了接觸面的摩擦。換言之，剪切速率越大，接觸面間的有效接觸時(shí)間將越短，接觸面的摩擦將越小。這也許能夠解釋平直節(jié)理剪切強(qiáng)度隨剪切速率的增大而減小的現(xiàn)象。袁偉等[41]通過顆粒流數(shù)值模擬，證實(shí)了剪切速率增大導(dǎo)致節(jié)理接觸面積減小，進(jìn)而引起摩擦強(qiáng)度的降低。如圖6 所示，隨著剪切速率的增大，節(jié)理接觸點(diǎn)的重疊量減小，接觸面積減??；因此，接觸點(diǎn)的剪切力將減小，其宏觀體現(xiàn)即為節(jié)理剪切強(qiáng)度的減小。Mehrishal等[43]認(rèn)為在高剪切速率和低法向壓力條件下，節(jié)理的剪脹顯著，因此，摩擦強(qiáng)度較大；反之，節(jié)理的剪脹較弱，因此摩擦強(qiáng)度較小，如圖7 所示。以上分析均是從節(jié)理面微凸體接觸的角度解釋摩擦強(qiáng)度隨剪切速率變化的機(jī)制，對于不同類型巖石節(jié)理之間剪切強(qiáng)度率相關(guān)性差異的原因探究仍較少報(bào)道。

圖6 基于顆粒流模擬揭示剪切強(qiáng)度速率負(fù)相關(guān)的機(jī)理[41]Fig.6 Revealing the mechanism of the negative rate dependence of shear strength of planar joints[41]

圖7 不同剪切速率和法向壓力條件下節(jié)理的不同剪切模式示意圖[43]Fig.7 Schematic diagram showing shear patterns of planar joints under different conditions of shear rate and normal stress[43]

2.2.2 起伏節(jié)理

表2 起伏節(jié)理的剪切強(qiáng)度速率相關(guān)性研究Table 2 Summary of studies on rate dependence of shear strength of undulated joints

2.2.3 粗糙節(jié)理

對比而言，目前對粗糙節(jié)理剪切強(qiáng)度的速率相關(guān)性研究尚不多見，可能是由于制備粗糙節(jié)理相對較難。Wang 等[47]發(fā)現(xiàn)不同粗糙度類巖石節(jié)理的剪切強(qiáng)度均隨剪切速率的增大而減小。Meng 等[48]對人工劈裂花崗巖節(jié)理的研究也發(fā)現(xiàn)剪切強(qiáng)度隨剪切速率的增大而降低，并且節(jié)理的殘余剪切強(qiáng)度也具有相同特性。田世軒等[49]的研究表明，在CNL 條件下，粗糙節(jié)理的峰值剪切強(qiáng)度和殘余剪切強(qiáng)度均表現(xiàn)出負(fù)的率相關(guān)性，且節(jié)理的黏聚力隨剪切速率增大而呈現(xiàn)先快后慢的增大趨勢，但內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)對數(shù)型降低的趨勢；在CNS 條件下，節(jié)理的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨剪切速率的變化與CNL 條件下恰恰相反。Tang 等[50]指出，在高法向加載速率條件下，節(jié)理的剪切力學(xué)特性對剪切速率的變化不敏感；而在低法向加載速率條件下，剪切速率對節(jié)理剪切力學(xué)影響顯著，并且隨剪切速率的增加，節(jié)理的峰值剪切強(qiáng)度明顯降低。

2.3 巖石節(jié)理的沖擊剪切力學(xué)行為

如前所述，動態(tài)擾動載荷具有持續(xù)時(shí)間短、幅值變化快的特征，因此，在剪切滑移過程中節(jié)理的剪切速率可能實(shí)時(shí)變化。Yao 等[26]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著法向壓力的增大，平直節(jié)理的剪切強(qiáng)度增大，剪切位移和滑動速率減??；而隨剪切加載率的增大，節(jié)理的剪切強(qiáng)度、剪切位移和滑動速率均增大。進(jìn)一步地，Wang 等[51]對粗糙節(jié)理進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)節(jié)理的滑移位移和滑移速率均與沖擊速度（即沖擊載荷幅值）線性正相關(guān)，而與法向壓力線性負(fù)相關(guān)。Li 等[27]對鋸齒型節(jié)理的研究表明，沖擊剪切條件下，節(jié)理的剪切變形過程分為剪應(yīng)力累積、滑動、變形回彈三個(gè)主要階段，如圖8 所示。與常規(guī)直剪條件相比，沖擊剪切條件下新增了變形回彈階段。不過，該研究指出變形回彈階段是否出現(xiàn)與法向壓力和沖擊載荷大小有關(guān)。與文獻(xiàn)[26]和文獻(xiàn)[51]的發(fā)現(xiàn)類似，Li 等[27]也發(fā)現(xiàn)法向壓力的增大能夠增加節(jié)理的剪切強(qiáng)度，同時(shí)減小節(jié)理的最大剪切位移，并進(jìn)一步通過節(jié)理附近變形分布及演化特征解釋了法向壓力對節(jié)理剪切強(qiáng)度的影響機(jī)制。

圖8 沖擊剪切條件下鋸齒型節(jié)理的典型變形過程[27]Fig.8 Typical deformation process of sawtooth-shaped rock joint under impact shear loading[27]

沖擊剪切條件下巖石節(jié)理剪切力學(xué)行為的研究尚處于起步階段，剪切強(qiáng)度估計(jì)模型、節(jié)理巖石的沖擊剪切破壞模式等問題需要更系統(tǒng)的分析。此外，沖擊剪切與常規(guī)直剪兩種條件下節(jié)理剪切力學(xué)行為的差異及其機(jī)理也亟需深入探究。

2.4 循環(huán)剪切條件下的強(qiáng)度和變形

如前所述，節(jié)理的循環(huán)剪切試驗(yàn)可以分為峰前循環(huán)剪切和峰后循環(huán)剪切。峰前循環(huán)剪切實(shí)驗(yàn)主要被用于探究疲勞損傷對節(jié)理剪切強(qiáng)度和變形的影響，峰后循環(huán)剪切實(shí)驗(yàn)主要被用于測試剪切強(qiáng)度的劣化和粗糙形貌的退化特征。

在節(jié)理峰前循環(huán)剪切研究方面，研究表明循環(huán)加載次數(shù)和循環(huán)應(yīng)力幅值是影響節(jié)理剪切行為的主要因素[29]。Fathi 等[30]指出，在較低的循環(huán)次數(shù)內(nèi)，節(jié)理發(fā)生剪縮，因而節(jié)理接觸面積和循環(huán)剪切強(qiáng)度略有增大，節(jié)理的循環(huán)剪切強(qiáng)度甚至可能超過其直剪強(qiáng)度[31]。當(dāng)循環(huán)次數(shù)較大時(shí)，節(jié)理的二階粗糙體退化，疲勞裂紋將萌生和擴(kuò)展（如圖9 所示），因此，剪切強(qiáng)度降低[30-31]。峰前循環(huán)加載次數(shù)對節(jié)理的殘余剪切強(qiáng)度沒有顯著影響[30-31,52]。He 等[53]還針對峰前循環(huán)加載條件下節(jié)理形貌的退化特征進(jìn)行了探究，提出了形貌特征退化參數(shù)，并討論了循環(huán)次數(shù)對上述參數(shù)的影響。

圖9 不同峰前循環(huán)次數(shù)下巖石節(jié)理的破壞模式[31]Fig.9 Failure modes of rock joints under different pre-peak loading cycles[31]

在峰后循環(huán)剪切研究方面，眾多的研究表明，節(jié)理剪切強(qiáng)度的劣化呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，在第一個(gè)剪切循環(huán)內(nèi)，剪切強(qiáng)度的劣化最為顯著[32-34,54-55]。節(jié)理起伏角、粗糙度、法向壓力、節(jié)理巖壁的強(qiáng)度和剪切速率是影響節(jié)理剪切強(qiáng)度劣化速率的主要因素[7,33]。對于規(guī)則鋸齒型節(jié)理，起伏角和法向壓力增加，峰值剪切強(qiáng)度的劣化速率加快；節(jié)理巖壁強(qiáng)度增加，峰值剪切強(qiáng)度的劣化速率降低；剪切速率增大，節(jié)理的剪切強(qiáng)度降低，剪脹角隨剪切速率單調(diào)變化。朱小明等[56]的研究表明，二階起伏度的增大會導(dǎo)致剪切強(qiáng)度劣化速率加快。在CNS 條件下，節(jié)理剪切強(qiáng)度的劣化和粗糙表面的退化特征與CNL 條件下較為一致[57]。剪切強(qiáng)度的劣化是由于循環(huán)剪切載荷作用下節(jié)理粗糙表面的劣化。Lee 等[58]指出粗糙體的退化程度隨粗糙體的角度呈指數(shù)式變化。在一定剪切循環(huán)后，節(jié)理表面由粗糙狀態(tài)退化為光滑狀態(tài)，但保持整體波動的形貌[59]（如圖10 所示），這是導(dǎo)致剪切強(qiáng)度劣化的原因。

圖10 峰后循環(huán)剪切下節(jié)理粗糙度的退化特征[59]Fig.10 Surface morphology degradation during post-peak cyclic shear[59]

3 結(jié)語

巖石節(jié)理的動態(tài)剪切力學(xué)特性是巖體力學(xué)的基本問題之一，近年來國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究。本文以非充填節(jié)理為對象，綜述了測試節(jié)理動態(tài)剪切力學(xué)參數(shù)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)技術(shù)及其特點(diǎn)，總結(jié)了節(jié)理動態(tài)剪切強(qiáng)度和變形特征的代表性研究成果。

得益于巖石節(jié)理剪切實(shí)驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)革新，逐漸發(fā)展起了較為完善的巖石節(jié)理動態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)技術(shù)體系，包括恒定速率直剪、沖擊直剪和循環(huán)剪切。節(jié)理的法向邊界可實(shí)現(xiàn)恒定法向載荷、恒定法向剛度和動態(tài)法向載荷等多種控制，能夠模擬深部和淺部、錨固和無錨固等多種工程應(yīng)用場景。在恒定速率直剪實(shí)驗(yàn)中，持續(xù)提高剪切速率以匹配強(qiáng)擾動下節(jié)理的滑移速率是直剪設(shè)備的另一個(gè)技術(shù)進(jìn)步，當(dāng)前基于氣動和液壓聯(lián)動的加載方式已實(shí)現(xiàn)100m/s 量級。循環(huán)剪切實(shí)驗(yàn)有效再現(xiàn)了動態(tài)載荷重復(fù)作用下節(jié)理的強(qiáng)度劣化和粗糙面退化過程，當(dāng)前發(fā)展起了峰前循環(huán)和峰后循環(huán)兩類剪切實(shí)驗(yàn)。比較而言，沖擊直剪作為一種新發(fā)展的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，剪切載荷形式更符合工程擾動載荷，實(shí)現(xiàn)高速與變速剪切同步進(jìn)行的效果，與恒定速率直剪實(shí)驗(yàn)具有顯著區(qū)別?；谝呀⑵鸬膸r石節(jié)理動態(tài)剪切實(shí)驗(yàn)方法，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了廣泛、深入的實(shí)驗(yàn)研究，取得了一系列具有重要意義的研究成果，一致認(rèn)為節(jié)理形貌特征（如起伏度、粗糙度等）、巖石類型、法向壓力、剪切速率、剪切循環(huán)次數(shù)是影響節(jié)理動態(tài)剪切力學(xué)行為的主要因素。但對于節(jié)理剪切強(qiáng)度的速率相關(guān)性及其機(jī)理，尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識，這與該問題的復(fù)雜性有關(guān)，未來仍需開展從宏觀現(xiàn)象到細(xì)觀機(jī)理的系統(tǒng)性探究。

真實(shí)的巖石材料和節(jié)理形貌是提升研究實(shí)踐意義的重要基礎(chǔ)之一，受限于制樣技術(shù)和成本，當(dāng)前針對粗糙巖石節(jié)理的研究仍不充分，這一問題的解決也有賴于制樣技術(shù)的優(yōu)化提升，以便于制備真實(shí)的粗糙巖石節(jié)理。此外，工程擾動載荷具有持續(xù)時(shí)間短、幅值變化快的特征，沖擊剪切加載方式更符合這一特征，但相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究十分有限，實(shí)驗(yàn)方法還需進(jìn)一步完善，從而便于開展沖擊剪切條件下巖石節(jié)理剪切行為的系統(tǒng)性研究。