不同宽度岩桥节理岩体直剪试验研究

张国峰，陈国庆，敖昌啟，张 岩，赵永杰

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

不同宽度岩桥节理岩体直剪试验研究

张国峰，陈国庆，敖昌啟，张 岩，赵永杰

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

通过室内常规直剪试验研究了不同宽度岩桥节理岩体的破坏特性和抗剪强度的变化规律。结果表明:节理岩体的抗剪强度主要由岩桥提供;随着岩桥由窄向宽变化，破坏方式由剪断破坏到大范围的剪切破坏，形成具有一定角度的剪切面;在岩桥由宽变窄的过程中，对岩石抗剪强度起主导作用的强度参数由黏聚力变为了内摩擦角。

岩桥 直剪试验 主控作用 黏聚力 内摩擦角

工程岩体的破坏通常是由节理和岩桥共同破坏组成的［1］。非贯通节理岩体的岩桥破坏模式及其变形和强度特性在很大程度上受非贯通节理面的规模、密度和空间分布的影响［2］。

由于直剪试验能够充分考虑在不同法向应力下非贯通节理岩体几何形状和位置、节理面以及岩桥的抗剪强度参数等对非贯通节理扩展的影响［3］，因而被国内外学者广泛采用。Lajtai［4-5］在直剪试验中对试样施加不同的法向应力，发现岩桥破坏方式为张拉—剪切扩展—剪切贯通;白世伟等［6］认为，法向应力、节理的排列方式对裂纹扩展贯通有重要影响;Gehle等［7］采用伺服控制加载方式进行直剪试验，获得了全过程抗剪强度曲线。此外，国内外学者［8-10］对岩桥还进行了较多的单轴或双轴压缩试验。在强度理论方面，Lajtai［4-5］认为岩桥破坏分为张拉、剪切、挤压三种破坏模式，并将其分开考虑，建立了 Lajtai强度理论;刘远明等［11］提出了黏结力小于抗拉强度情况下的破坏模式，对Lajtai强度理论进行了修正和完善;Goodman［12］提出了类似广义Hook定律的弹性本构关系，采用双曲线函数描述节理峰值前剪切应力—位移的非线性关系;朱维申等［13］基于断裂力学理论提出了岩桥抗剪强度理论;任伟中等［14］针对共面闭合非贯通节理岩体，建立了拉剪复合破坏的强度准则。

本文采用直剪试验，通过对4组带有不同宽度岩桥的试样进行试验，探究具有不同宽度岩桥的节理岩体在不同法向应力作用下的变形、抗剪强度参数的变化规律。

1 试验方案

1.1 试样制备

为模拟天然岩石，试样采用的材料及其质量比为水泥∶砂∶水∶石膏=1∶3∶1∶1。试样为50 mm×50 mm ×50 mm的正方体。为研究不同宽度的岩桥抗剪强度随正压力的变化规律。将试件分为4组不同宽度，见表1。在加工过程中利用游标卡尺严格控制岩桥的宽度。

表1 各组岩桥预留宽度

试样采用定制模具浇筑而成，浇筑完成后，放到振动台上振动密实，24 h后拆模。在温度20℃，湿度65%的条件下养护风干。成型后切割，制备成标准试件，再根据设计宽度，采用钢锯条人工切割节理裂隙，形成岩桥试样，见图1。

1.2 试验仪器

本次试验仪器为成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自主研制的携带式岩石力学多功能试验仪，如图2所示。该试验仪能模拟岩石受力条件，准确获得标准试件、不规则形状试件、软弱结构面、碎石土以及硬质土的抗剪强度参数。通过试验，获得每级法向荷载作用下剪切荷载，计算法向应力和剪应力，利用最小二乘法原理拟合剪应力—法向应力关系曲线，并确定相应的抗剪强度参数。1.3 试验方法

图1 不同宽度岩桥试样

4组试样，岩桥宽度各不相同，每组5个试件，分别施加0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 MPa的正压力。试验中侧压加压幅度为0.2 MPa，逐级加载，并利用千分表对侧向位移进行监测。当侧压力表度数不再上升且侧向位移变化明显增大时判定为试件破坏，同时记录侧压力表峰值。

2 试验结果与分析

2.1 峰值剪应力与法向应力变化规律

不同岩桥宽度试样max－σ关系曲线见图3。

从图3可以看出，在同组试样中，随着法向应力的增大，峰值剪应力也随之增大。在不同岩桥宽度下，其峰值剪应力随法向应力的变化趋势不同。这是因为，随着岩桥宽度的变化，岩石的黏聚力和内摩擦角控制岩石抗剪强度的主导地位在发生变化。

2.2 黏聚力与内摩擦角变化规律

黏聚力及内摩擦角随岩桥宽度变化曲线见图4。

从图4可以看出，当岩桥宽度从25 mm变化至40 mm时，黏聚力先增大后减小，内摩擦角先减小后增大。这说明在岩桥宽度的变化过程中黏聚力和内摩擦角影响抗剪强度的主导地位发生了变化。在岩质边坡的破坏过程中，由于后缘拉裂，前缘剪切破坏，岩桥便成为了控制边坡是否会发生彻底破坏的关键。当岩桥宽度较大时，控制岩桥抗剪强度的主导因素是岩体的黏聚力，随着变形进一步加剧，岩桥宽度进一步减小后，黏聚力降低，内摩擦角成为了控制岩体抗剪强度的主导因素。

图3 不同岩桥宽度试样 max－σ关系曲线

图4 黏聚力及内摩擦角随岩桥宽度变化曲线

2.3 不同岩桥试样破坏机理分析

1)在一定的法向应力下，随着剪应力的施加，受剪面上下块体将发生相对位移。开始由于剪力不足以克服节理面上的静摩擦力，节理面上下无相对错动，此时整个剪切面上的剪应力除岩桥处稍高外，其余地方近似呈均匀分布，整个受剪面处于线弹性阶段。

2)当剪力增大，达到节理面的抗剪强度时，沿节理面开始发生相对错动。由于岩桥的作用，节理面不能瞬间贯通，岩桥上下两侧开始出现拉裂缝，随着剪应力进一步增加，拉裂缝会向外逐渐延伸。

3)剪力进一步增加时，斜向拉裂缝不断发展，使岩桥有效截面面积越来越小。由于剪胀效应，法向压应力的作用减弱，节理面上的抗剪强度也随之降低甚至为0。

4)当剪应力超过试样峰值破坏强度时，试样突然沿主破裂面发生宏观整体性的脆性剪断破坏，其抵抗剪切荷载的能力迅速下降，仅依靠其破裂面的摩擦阻力承担，此时试件进入残余摩擦阶段。

3 结论

1)由于岩桥的存在使得试样存在非贯通不连续节理面，岩样的抗剪强度主要由岩桥提供。因此，岩桥的抗剪强度在斜坡破坏的过程中起着十分重要的控制作用。

2)峰值剪应力随着法向应力的增加而增大。

3)在岩桥宽度由宽变窄的过程中，黏聚力和内摩擦角控制岩石抗剪强度的主导地位在发生变化。岩桥较宽时，黏聚力起主导作用;反之，内摩擦角起主导作用。

4)在一定法向压力下，随剪切应力的增加，岩桥的剪切破坏过程可分为线性变形阶段、两翼裂纹产生和发展阶段、剪切裂纹发展和贯通阶段、试样破坏后的残余摩擦阶段。

5)岩桥长度影响岩体的破坏特性。岩桥较短时，岩体的抗剪强度较小，岩桥直接发生剪断破坏。随着岩桥长度的增加，抗剪强度增加，岩桥不会被直接剪断，而是出现大范围的剪切破坏。

［1］朱维申，李术才，陈卫忠.节理岩体破坏机制和锚固效应及工程应用［M］.北京:科学出版社，2002.

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Direct shear test study on rock mass with rock bridge joints featuring different width

ZHANG Guofeng，CHEN Guoqing，AO Changqi，ZHANG Yan，ZHAO Yongjie
(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China)

Direct shear test was applied in this paper to study failure characteristics，strength parameters and shear strength of rock mass with different width rock bridge joints.T he results show that the shear strength depends on rock bridge.As its width increases，shear failure gradually exists in a larger zone，creating shear plates.W hen the width of rock bridge gets narrower，the control factor affecting shear strength transfers from cohesion to internal friction angle.

Rock bridge;Direct shear test;Control function;Cohesion;Internal friction angle

TU458

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.26

(责任审编 葛全红)

2015-06-17;

:2015-07-20

国家自然科学基金项目(41272330，41130745);国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB733202)

张国峰(1986— )，男，硕士研究生。

1003-1995(2015)11-0089-04