自然与饱水条件下异性结构面的剪切特性研究

鲁祖德，陈从新

（中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071）

1 引 言

岩体是一种不连续、非均质的各向异性地质体，其中节理、裂隙等不连续面的扩展、贯通是导致边坡失稳等岩体工程事故的主要原因之一。结构面作为岩体的重要组成单元之一，岩体的强度、变形性质、破坏特征等与其中结构面的展布、组合情况和力学性质密切相关。研究表明，水-岩作用对岩体结构面的物理、化学反应导致岩体力学性质的变异，尤其对结构面剪切特性的影响甚为显著，因此，研究水-岩作用下结构面的抗剪强度特性，对岩体结构面作出定性、定量分析和评价，无论是对岩体基本力学特性的研究，还是对岩体稳定性分析都有十分重要的作用。

国内外学者[1－8]对岩体结构面的力学特性进行了大量研究，但主要限于两侧岩性相同的硬性结构面或软弱结构面，对两侧岩性不同的结构面研究也有所涉及，如贺建明等[8]对两侧不同岩性（泥岩和灰岩）组成的异性结构面进行了不同粗糙度、不同正应力下的剪切试验，并建立了抗剪强度准则。但考虑水的影响下异性结构面（一侧为软弱结构面，一侧为硬性结构面）的剪切力学特性研究尚未见报道。而实际工程岩体大多数情况下的水-岩作用是从岩体介质初始结构面特别是软硬结构面接触界面的损伤开始的。本文利用室内剪切试验装置，开展不同正应力下自然与饱水岩体异性结构面的剪切试验，分析水-岩作用对异性结构面剪切力学特性的影响机制，并利用JRC-JCS抗剪强度力学模型将试验结果与计算结果进行了对比分析。

2 试验材料与方法

2.1 试件取样及制备

试样取自岭澳核电三期工程厂址区，岭澳核电厂址基岩区内节理的走向大多数以北东向为主，其次为北西向，其他方位的节理发育较弱。主要节理产状见表1，取样点见图1。从现场取回后加工切割成剪切面积约120 mm×120 mm的岩块，然后用水泥砂浆浇筑成150 mm×150 mm×150 mm的方形试件，结构面的剪切位置位于中部，养护28 d后进行剪切试验。根据室内含水率的测定，选取的典型结构面在饱水6 h后均达到饱和状态，故将所有饱水结构面的浸泡时间均大于6 h。饱水过程如图2所示。自然状态试样和饱水状态试样各为5个。

表1 主要节理产状Table1 Major joints occurrences

图1 取样点Fig.1 Sampling site

2.2 岩石结构与矿物成分

通过对现场取回的岩样进行结构和矿物成分分析，硬性结构面为具变余砂状结构的常英质角岩节理，软弱结构面为具交代结构的强蚀变(黑云母、绢云母化)岩，如图3、4所示。

图2 浸泡过程Fig.2 Immersion process

图3 硬性结构面显微结构图像Fig.3 Microscope photo of hard structural surface

图4 软弱结构面显微结构图像Fig.4 Microscope photo of weak structural surface

硬性结构面岩石由石英、黑云母和斜长石等矿物组成。主要矿物石英及斜长石成次棱角状，少有棱角状或次园状，磨圆度和分选性均较差，粒径0.02～0.45 mm，极少数达0.65 mm，其中斜长石发育聚片双晶。由于热力变质作用影响，有少数石英已重结晶，呈它形粒状产出。原岩的胶结物被新生矿物黑云母、绢(白)云母和微粒石英取代。黑云母和绢（白）云母呈显微鳞片状-鳞片状，片径0.001～0.1 mm，极少数达0.2 mm，分布在石英及长石等变余岩屑之间，排列不具方向性。岩石中含微量岩屑，呈次棱角状，屑径为 0.1～0.6 mm，成分为石英集合体。

软弱结构面岩石遭受强烈蚀变，原矿物成分和结构已基本破坏。现蚀变矿物主要为绢云母和黑云母，呈显微鳞片状，片径为0.005～0.05 mm，极少数达0.1 mm。在云母鳞片间不均匀渲染着隐晶状-微粒状褐铁矿和白钛石，粒径小于0.01～0.1 mm。石英呈细小粒状或不规则粒状，粒径大多数在0.01～0.2 mm范围内，组成不规则小团块或零星状分布于岩石中。仅个别地方见0.5～1.8 mm不等的它形粒状石英。

2.3 试验设备及加载过程

采用中国科学院武汉岩土力学研究所自行研制的JQ－200岩石剪切流变仪进行试验。该仪器适用于岩石、混凝土、岩石与混凝土胶结面、各种岩体软弱夹层等的快剪及慢剪试验。试验的设计以摩尔-库仑准则为指导，预估试样的黏聚力c为50 kPa，摩擦角φ为30°。采用单试件法对同一试样在不同垂直压力下分别进行5次试验，5次的法向荷载大致取为 1.5、2.5、3.5、4.5、5.5 MPa。法向荷载分 3～5次均匀加到预定荷载。保持法向应力不变，采用增量加载法施加剪力，根据预估的抗剪强度分级逐步均匀施加，以便控制剪切位移速率。在试样达到实际的抗剪强度以前，要读取至少10组数据。剪切位移和法向位移的量测设备采用百分表，图5为试验后岩样。

图5 试验后岩样Fig.5 Structural surface of a specimen

3 试验结果及分析

异性结构面在不同含水状态下的典型剪切应力-变形曲线如图6所示。

3.1 剪切变形特性分析

已有试验研究表明，在一定的法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形有两种基本形式，类型A：随剪切变形发生，剪切应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象；类型B：初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型，随着剪切变形的持续发展，剪切应力逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达到恒定值，有时也出现剪切硬化。

如图7所示，剪切变形曲线从形式上可划分为“弹性区”（峰值应力上升区）、剪应力峰值区和“塑性区”（峰后应力降低区或恒应力区）[9]。在结构面剪切过程中，伴随有微凸体的弹性变形、劈裂、磨粒的产生与迁移、结构面的相对错动等多种力学过程。剪切变形一般是不可恢复的，即便在“弹性区”，剪切变形也不可能完全恢复。将“弹性区”单位变形内的应力梯度称为剪切刚度Kt，Kt= ∂τ/ ∂δt（ 符号意义见图7(a)）。

分析图6可以看出，水对异性结构面剪切变形曲线形式影响不大，无论是自然状态还是饱水状态，均为类型B。加载初期曲线呈线性增长，表现为弹性，剪切刚度近似为常量；随着剪切力的增加，曲线呈现出非线性变化，位移随着力的增加而明显增长，曲线斜率开始变小；当试件达到屈服峰值后，剪切位移增量加大，曲线斜率趋近为 0，试件抗剪能力基本丧失。相比自然状态试件，饱水试件的弹性区减小，较早进入峰值区或塑性区。相同正应力下饱水后异性结构面的剪切刚度要低于自然状态的剪切刚度，在低法向力下尤为显著。

3.2 剪切强度特性分析

根据对结构面试件在剪切过程中以及破坏后的观察，异性结构面在剪切过程中的破坏模式为磨碎（损）破坏。常用的岩体结构面抗剪强度参数c、φ的取值方法有点群中心法、优定斜率法、随机-模糊法和模糊回归法等。本文采用应用最为普遍的最小二乘法。

在选取峰值抗剪强度时参考以下两种方法：（1）对于峰值强度较明显的曲线，取不同正应力下的最大剪应力作为峰值强度；（2）对于峰值强度不明显的曲线，采用位移控制法，即采用剪切位移达到岩样边长 1% 时所对应的剪应力作为峰值强度。采用最小二乘法进行回归得到对应的 c、φ值。

不同含水状态下的异性结构面抗剪强度参数见表 2。定义黏聚力和内摩擦角在水作用下裂纹面上强度参数的水-岩损伤系数为Dc和Dφ，则水损伤后节理强度指标为c=(1-Dc)c0，φ=(1-Dφ)φ0。从表2可以看出，水对岩体结构面强度参数尤其是内摩擦角φ的劣化是明显的。

表2 抗剪强度参数Table2 Shear strength parameters

3.3 异性结构面抗剪强度准则

从结构面的变形分析可以看出，在剪切过程中的力学机制比较复杂，影响结构面抗剪强度的因素是多方面的。结构面抗剪强度一般可以用库仑准则表述：

式中： σn为作用在结构面上的法向应力。其中，内摩擦角φ可表示为

式中：φb为岩石平坦表面基本摩擦角；i为结构面上凸台斜坡角。图8为上凸台模型的剪力与法向力的关系曲线，近似呈双直线的特征。结构面受剪初期，剪切力上升较快；随着剪力和剪切变形增加，结构面上部分凸台被剪断，此后剪切力上升，梯度变小，直至达到峰值抗剪强度。

图8 凸台模型的剪力与法向力的关系曲线Fig.8 Shear force-normal force relationship curves for Boss model

Barton等[1]考虑到3个基本因素（法向力σn、粗糙度JRC、结构面壁岩石强度JCS）的影响，提出结构面的抗剪强度公式：

式中：JCS为结构面的抗压强度；JRC为结构面粗糙性系数，其值根据结构面的粗糙性在0～20间变化，平坦近平滑结构面为5，平坦起伏结构面为10，粗糙起伏结构面为20。

文献[8]通过岩体异性结构面在不同粗糙度、不同正应力下的剪切试验研究，得出异性结构面的抗剪强度准则为

式中：KA、KB为系数：

式中：JCSA、JCSB分别为岩壁单轴抗压强度；φAB为异性结构面基本摩擦角，取两侧结构面的较小值。

根据式（4），计算出在不同法向应力下不同含水状态异性结构面的峰值剪切强度，对计算值与试验值进行对比分析，见图9和表2。

图9 摩尔-库仑准则包络线Fig.9 Mohr-Coulomb criterion envelope

表2 试验结果与模型计算的抗剪强度参数对比Table2 Comparison of shear strength parameters between computed and measured ones

通过异性结构面强度准则计算出的强度参数与试验值进行对比分析，自然状态中内摩擦角计算值与试验值相对误差在 4%以内。饱水状态下内摩擦角计算值与试验值相对误差在 7%以内。由于影响黏聚力的因素较多，黏聚力与试验值相差较大，且天然结构面取样的不均一性不可避免，因此，内摩擦角可作为模型计算值与试验值的主要对比指标。

4 结 论

（1）异性结构面的剪切变形曲线属于弹塑性残余变形类型。相比自然状态试件，饱水试件的弹性区减小，较早进入峰值区或塑性区。

（2）异性结构面的剪切刚度随法向力的增大而增大。同一正应力下，饱水试件的剪切刚度要低于自然状态的剪切刚度，在低法向力下尤为显著。

（3）水对岩体结构面强度参数，尤其是内摩擦角φ的劣化是明显的。

（4）只要计算参数选取得当，并考虑实际岩体的受力及水等情况，JRC-JCS计算模型可以为实际工程岩体结构面强度提供较为准确的参数。

[1]BARTON N,CHOUBEY V. The shear strength of rock joints and theory and practice[J]. Rock Mechanics,1977,10: 1－54.

[2]MALSIMOVC M. The shear strength of a rough rock joint[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1996,33(8): 769－783.

[3]GOH T L,RAFEK A G,ARIFFIN M H,et al. Direct shear test of granite discontinuity plane surfaces[J].Sains Malaysiana,2011,40(5): 419－423.

[4]DU Shi-gui,HU Yun-jin,HU Xiao-fei,et al.Comparison between empirical estimation by JRC-JCS model and direct shear test for joint shear strength[J]. Journal of Earth Science,2011,22(3):411－420.

[5]沈明荣,张清照. 岩体结构面的剪切试验研究[J].地下空间与工程学报,2010,6(1): 38－43.SHEN Ming-rong,ZHANG Qing-zhao. Study on shearing test of rock mass discontinuity[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2010,6(1): 38－43.

[6]张景德,刘培泰,黄成佳. 软弱结构面和裂隙岩体直剪破坏机理研究[J]. 岩土工程学报,1994,16(6):21～29.ZHANG Jing-de,LIU Pei-tai,HUANG Cheng-jia.Mechanism for shear failure of weak structural plane and fissured rock[J]. Chinese Journal of Geotechnical and Engineering,1994,16(6): 21－29.

[7]张庆,郑光,许强,等. 携剪实验和JRC-JCS模型在结构面抗剪强度取值中的应用[J]. 地质灾害与环境保护,2011,22(1): 103－107.ZHANG Qing,ZHENG Guang,XU Qiang,et al.Applying JRC-JCS model and portable shear test to acquire shear strength of rock joint[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation,2011,22(1): 103－107.

[8]贺建明,吴刚. 岩体异性结构面的抗剪强度准则[J].重庆大学学报,1994,17(2): 105－110.HE Jian-ming,WU Gang. The criterion for shear strength of discontinuities with different rock properties in rock mass[J]. Journal of Chongqing University,1994,17(2): 105－110.

[9]蔡美峰,何满潮,刘东燕. 岩石力学与工程[M]. 北京: 科学出版社,2002.