不同节理表面形貌下非贯通节理岩体强度特性直剪试验研究

刘远明，刘 杰，夏才初

（1.贵州大学 土木建筑工程学院，贵阳 550003；2.同济大学 岩土工程重点实验室，上海 200092；3.同济大学 土木工程学院，上海 200092）

1 引 言

节理岩体是水利、交通、采矿、石油开采等工程广泛遇到的一类复杂工程介质。对于非贯通节理岩体，由于岩桥的存在使其受力及破坏特征都发生了质的变化。非贯通节理岩体整体的破坏特征表现为由原生节理和自节理端部扩展的岩桥断面所组成的复合破坏面[1]。非贯通节理岩体既无明显的贯通结构面，又不是完全连续的介质；节理化块体模型只能得到部分体现，岩桥和节理将以不同的阻抗原理共同承担荷载[2]。由于非贯通节理岩体对工程的安全、经济影响很大，非贯通节理岩体强度一直是国内外学者研究的重点内容。

Lajtai[3－4]进行了大量的石膏模型试样直剪试验，考虑了法向应力的影响，提出了非贯通节理岩体的破坏模式分为张拉破坏、剪切破坏和挤压破坏。龙湘桂[5]、周群力[6]等进行石膏和砂浆模型试样直剪试验，通过声发射测试，发现破坏过程可分为 4个阶段，即初裂前阶段、裂纹稳定扩展阶段、失稳扩展阶段和摩擦阶段。Savilabti[7]、Wong[8－9]等进行石膏模型试样直剪试验，研究节理的垂直距离、水平距离对非贯通节理岩体的扩展贯通模式的影响。梁作元[10]、朱维申[11]等进行混合料模型试样直剪试验，研究不同连通率下非贯通节理岩体的变形和强度特性。白世伟等[12]进行石膏模型试样直剪试验，研究了节理不同连通率、排列方式下非贯通节理岩体的变形和强度特性。胡波等[13－14]进行水泥砂浆模型试样直剪试验，研究不同连通性率、节理分布方式下非贯通节理岩体的变形和强度特性。Jung等[15]进行试石膏模型直剪试验，Wong等[16]进行凝灰岩、大理岩和花岗岩试样直剪试验，研究岩体性质对非贯通节理岩体贯通模式的影响。

Jennings[17]提出非贯通节理岩体强度计算方法，即Jennings方法：假设非贯通节理岩体沿节理面破坏，节理和岩桥的破坏同时遵循Mohr-Coulomb破坏准则，将节理和岩桥抗剪强度进行加权平均作为非贯通节理岩体抗剪强度。根据模型试验，Lajtai[3－4]提出了岩桥破坏理论，并建立张拉破坏、剪切破坏和挤压破坏的非贯通节理岩体强度准则。然而，研究表明按Jennings方法计算的非贯通节理岩体抗剪强度偏高，按Lajtai岩桥破坏理论计算的非贯通节理岩体抗剪强度偏低[10－11,18－20]。任伟中等[18－20]根据岩桥的破坏形态，提出了拉剪复合破坏的峰值强度准则。刘远明等[21－23]探讨了非贯通节理岩体的贯通破坏机制，并提出了修正的非贯通节理岩体的破坏强度准则。基于断裂力学的研究将初裂时的强度作为非贯通节理岩体的峰值强度。然而，非贯通节理岩体初裂后，仍能继续承担高于初裂时的荷载，直到贯通破坏强度。

以上研究揭示了不同两连通率、排列方式、法向应力和材料性质下非贯通节理岩体强度特性，并建立了强度准则。但以上研究未考虑节理表面形貌对非贯通节理岩体强度特性，建立的强度准则也尚需进一步的试验验证。

本文采用带伺服系统的岩体剪切试验机，对 3种形貌非贯通节理岩体在在5级法向应力下进行直剪试验，研究不同节理形貌下非贯通节理岩体的强度特性，探讨初裂强度、临界强度、残余强度与贯通破坏强度的关系及变化规律，为进一步研究非贯通节理岩体破坏理论提供试验参考。

2 直剪试验

岩石是脆性材料，具有两个重要特征：①脆性特性；②剪胀特性。由于非贯通节理岩体采样很困难，而类岩石材料（石膏、水泥砂浆等）可以满足这两个脆性材料特征，因此，国内外广泛采用类岩石材料进行试验研究。将节理表面形貌简化为齿形形貌，研究其强度和变形规律[24－26]。本文考虑3种形貌的节理：①起伏角0°齿形节理，②起伏角15°齿形节理，③起伏角30°齿形节理。

采用水泥:砂:水配合比为2:3:1的水泥砂浆模拟岩石材料，该类岩石材料物理力学性质见表 1。制作了起伏角α=0°、15°、30°的齿形节理面的非贯通节理岩体试样，见图1。

表1 类岩石材料物理力学性质参数Table 1 Physico-mechanical parameters of model material

图1 非贯通节理岩体试样(单位: mm)Fig.1 Samples of rock mass containing discontinuous joints(unit: mm)

直剪试验仪器为同济大学岩土工程重点实验室的岩体剪切试验机。岩体剪切试验机能够自动加载法向应力和切向应力，并记录法向应力和切向应力的变化过程，以位移传感器记录法向和切向位移的变化过程。

分别在0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 MPa法向应力下对非贯通节理岩体试样进行直剪试验。试验加载控制方式是法向按荷载控制，切向按变形控制方式。法向加载控制参数如下：预加荷载为5 kN、预加荷载速率为0.5 mm/min；加载速率为5 kN/min，将法向荷载加到设定值；切向控制参数如下：预加荷载为5 kN、预加荷载速为0.5 mm/min；加载速率为0.3 mm/min，到切向位移为5 mm停止试验。

3 切向变形曲线的分段特性

起伏角 0°、15°、30°齿形节理的非贯通节理岩体在0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 MPa法向应力下切向变形曲线见图 2。由图可见，非贯通节理岩体切向变形曲线具有明显的阶段性。

图2 非贯通节理岩体切向变形曲线Fig.2 Tangential deformation curves of rock mass containing discontinuous joints

文献[6]采用类岩石材料进行非贯通节理岩体直剪模型试验，同时进行声发射测试。该声发射过程线有初裂、临界和破坏3个特征点，对应切向强度为τT、τK、τm。自初裂点开始有声发射信号发生，在临界点发生较强烈的声发射信号，以后声发射有所衰减，出现声发射谷，随后声发射回升，当到达破坏点时，试件脆断，出现最强烈的声发射信号。由以上特征点，将非贯通节理岩体的扩展贯通过程分为4个阶段：初裂前阶段（0≤τ＜τT）、微裂纹扩展阶段（τT≤τ＜τK）、失稳扩展阶段（τK≤τ＜τm）、摩擦阶段（τf≤τ＜τm,τf为残余强度）。

图3 典型切向变形曲线（法向应力为0.1 MPa，起伏角为0°）Fig.3 Typical tangential deformation curve(Normal stress is 1.0 MPa,undulating angle is 0º)

本次试验也发现非贯通节理岩体切向变形曲线具有明显分段特性，出现初裂前阶段、稳定扩展阶段、不稳定扩展阶段和摩擦阶段等4阶段（图4）。

以起伏角 0°齿形节理面的非贯通节理岩体在法向应力1.0 MPa下的试验过程为例，对切向变形曲线各阶段和相应的试验现象分析说明如下。

（1）第1阶段：切向曲线呈微向下凸的曲线，切向应力随切向位移的增加迅速增大。观察到节理面逐渐显现，并出现起皱现象。

（2）第2阶段：切向曲线呈近似直线，此阶段切向应力随切向位移的增加而较快增大；观察到在节理端部出现斜裂纹，并缓慢扩展。

（3）第3阶段：切向曲线呈微向上凸起的曲线，切向应力随切向位移增加而增大，但增加的速度明显变小，直到贯通破坏强度；观察到裂纹较快扩展，直至岩桥贯通破坏。

（4）第4阶段：切向曲线呈向下凸的曲线，切向应力先随切向位移增加而降低，后逐渐趋于残余强度。观察到上、下部岩体逐渐错开。

可见，非贯通节理岩体切向变形曲线各阶段变化特性和试验现象存在一定的对应关系。

4 岩体强度特性

由上述分析并按照文献[6]所述的方法，将τT称为非贯通节理岩体的初裂强度，表示产生张拉裂纹的强度；将τK称为临界强度，表示张拉裂纹开始不稳定扩展的强度；将τm称为贯通破坏强度，表示贯通破坏强度；将τf称为残余强度，表示破坏后剩余强度。

结合试验观察到的现象、切向曲线变化各阶段变化特性，确定非贯通节理岩体的初裂强度τT、临界强度τK、贯通破坏强度τm、残余强度τf。

将起伏角 0°、15°、30°齿形节理的非贯通节理岩体在0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 MPa等法向应力下的贯通破坏强度、初裂强度、临界强度、残余强度整理结果见表2～5。

由表2可见，非贯通节理岩体的贯通破坏强度随法向应力和节齿形节理的起伏角的变化而变化。在相同的法向应力下，随着齿形节理面的起伏角增加，非贯通节理岩体的贯通破坏强度增大，起伏角越大，贯通破坏强度越高。

表4 不同法向应力下非贯通节理岩体力临界强度Table 4 Critical strengths of rock mass containing discontinuous joints under different normal stresses

表5 不同法向应力下非贯通节理岩体残余强度Table 5 Residual strengths of rock mass containing discontinuous joints under different normal stresses

同样地，由表3～5可知，在相同的法向应力下，随着齿形节理面的起伏角增加，非贯通节理岩体的初裂强度、临界强度、残余强度增大，起伏角越大，强度也越高。

采用初裂强度与贯通破坏强度的比值、临界强度与贯通破坏强度的比值分别反映剪力达到抗剪强度一定比例时，非贯通节理岩体开始产生张拉裂缝、出现不稳定扩展的试验过程；残余强度与贯通破坏强度的比值反映破坏后抗剪强度减低到某种程度。

将初裂强度、临界强度、残余强度与贯通破坏强度的比值分别称为初裂强度百分比、临界强度百分比、残余强度百分比。整理得表6～8。

由表6可知，在5级法向应力下，起伏角0°、15°、30°齿形节理的非贯通节理岩体的初裂强度百分比范围分别为 67.92%～70.03%、69.91%～71.30%、71.72%～72.85%。

由表7可知，在5级法向应力下，起伏角0°、15°、30°齿形节理的非贯通节理岩体的临界强度百分比的范围分别为 90.46%～94.44%、90.93%～93.72%、91.69%～92.76%。

由表8可知，在5级法向应力下，起伏角0°、15°、30°齿形节理的非贯通节理岩体残余强度百分比的范围分别为 51.88%～89.75%、52.013%～87.94%、56.56%～84.49%。

可见，在不同的法向应力、不同表面形貌下，非贯通节理岩体的初裂强度百分比较稳定，约为70%；临界强度百分比也较稳定，约为90%；但残余强度百分比相差较大，范围约为50%～90%。

在相同法向应力下，3种表面形貌的贯通节理岩体的残余强度百分比则较稳定。随着法向应力的增加，残余强度百分比也增大。

从力学上分析，初裂强度百分比、临界强度百分比反映了在一定的法向应力下，非贯通节理岩体的破坏过程是渐进的。在一定的剪应力下，非贯通节理岩体开始破坏，并逐渐发展，直到最终破坏。残余强度百分比则反映了岩桥破坏后，非贯通岩体的在法向应力下，存在一定大小的摩擦力。

表6 不同法向应力下初裂强度百分比Table 6 Initial cracking strength percentages under different normal stresses

表7 不同法向应力下临界强度百分比Table 7 Critical strength percentages under different normal stresses

表8 不同法向应力下残余强度百分比Table 8 Residual strength percentages under different normal stresses

5 结 论

（1）节理的表面形貌、法向应力对非贯通岩体扩展贯通过程中的强度特性影响较大。

（2）在相同法向应力下，节理表面越粗糙，非贯通节理岩体贯通破坏强度越大，并且非贯通节理岩体的初裂强度、临界强度、残余强度也越大。

（3）在不同法向应力下，3种节理形貌的非贯通节理岩体的初裂强度与峰值强度的比值、临界强度与峰值强度的比值都较稳定。初裂强度百分比约为70%，临界强度百分比约为90%。

（4）在不同法向应力下，3种节理形貌的非贯通节理岩体的残余强度与峰值强度的比值很不稳定，残余强度百分比约为50%～90%。

（5）在相同法向应力下，3种表面形貌的贯通节理岩体的残余强度百分比则较稳定。随着法向应力的增加，残余强度百分比也增大。

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