圆柱形类断续节理试样制备及单轴抗压强度

徐 冲

(1. 中铁第一勘察设计院集团有限公司； 2. 陕西省铁道及地下交通工程重点实验室， 陕西 西安 710043)

自然界中的岩体在成岩过程中受到各种客观条件的制约和影响，在长期地质作用下形成了不同类型的节理，根据岩体中节理的贯通程度，可将其分为贯通节理岩体和断续节理岩体。岩体露头调查表明，天然岩体中长大、贯通的节理只占节理总数的很小部分，更多的是短小、断续的节理[1]；另外由于众多地下工程尽可能地选择在质量等级较好的岩体当中建造，借以避开大型贯通节理的不利影响。基于以上两点，对地下工程围岩力学特性起主导作用的节理多呈断续形态分布，断续节理岩体在地下工程中是最常见的一类复杂岩体[2～4]，深入研究断续节理岩体的力学特性，对探讨断续节理岩体围岩破坏的可能性及破坏范围(松动圈)等关键科学问题的内在机理，提出经济高效的围岩加固和稳定控制技术，保证地下工程施工安全，无疑具有重要的理论意义和现实应用价值。

当前国内外一些学者就单轴压缩条件下断续节理岩体抗压强度等力学性质开展了一系列研究，主要进展如下：LEE等[5]对不同倾角张开裂隙花岗岩进行单轴压缩试验，研究了单一和非平行双节理试件裂隙起裂、发展及贯通过程，PFC(Particle Follow Code)模拟结果与室内试验基本吻合；Bobet等[6,7]对含2个或3个平行预置裂隙的岩石模拟材料试件进行了单轴压缩试验，研究了次生裂纹的萌生、扩展、与汇合的试件渐进断裂的贯通机制；蒲成志等[8]对含平行分布多裂隙的类岩石试件开展了单轴压缩试验，得到了裂隙倾角对含多裂隙试件的断裂破坏强度的影响规律；Yang等[9]通过含三个预制裂隙的室内岩体试样试验，得出了岩体试样强度和变形特征与裂隙倾角之间的关系；陈新等[10～12]系统地研究了断续节理倾角和节理连通率的组合变化时，断续节理岩体模拟试件在单轴压缩下的力学特性，包括强度和弹模、变形特性等；孙旭曙[13]等通过预制7组不同倾角的圆柱形贯通节理试样，研究发现不同倾角节理面对强度特征和破坏模式均表现出显著的各向异性特征；张国凯等[14]采用颗粒流模拟研究单轴压缩下节理特性对试件宏观力学参数的影响，揭示裂纹扩展演化机理及破坏模式的变化规律；Wasantha等[15]针对含预制裂隙大理岩块试件，开展了单轴压缩试验，分析了强度特征与裂纹扩展及贯通行为；刘攀等[16]采用模型试验方法研究柱状节理岩体的各向异性，制作具有不同柱体倾角的正四棱柱形试样，分析了不同倾角下峰值强度及破坏类型，总结出试样主要沿材料的劈裂破坏和沿贯通节理面的滑移破坏；张波等[17]对含交叉多裂隙岩体进行了单轴压缩试验，研究了试样的强度等力学性能；Gratchev等[18]通过单轴压缩试验研究了含有两条不同长度和宽度节理的类岩石材料试件的强度等力学性质。上述文献中的断续节理试件一般通过块体单元堆砌、完整试样上预制节理裂隙或在专用模具中浇筑制备；在完整试样上预制节理裂隙制备断续节理岩体试样时，预制的节理条数一般不超过三条且分布形式较为简单，无法深入研究诸如组数、延续性、排布方式等断续节理系统参数对岩体力学性质的影响。块体单元堆砌法和模具浇筑制备法理论上虽能弥补上述预制方法的不足，但制备的断续节理岩体试样多为矩形厚板型，单轴压缩试验过程中厚板型试件压曲效应的存在一定程度上干扰了试验结果。

针对以往研究中的不足，本文开发了一种能在类岩石材料中预制断续节理的圆柱形模具及制备圆柱形类断续节理岩体的方法，解决了目前常用的堆砌法和浇筑法制备的矩形厚板型试件在单轴压缩试验中的压曲破坏效应；因形状问题无法开展常规三轴压缩试验及预制中断续节理条数有限等诸多问题也得到了有效解决。在此基础上开展了类断续节理岩体单轴压缩试验，分析了岩体中断续节理系统参数(倾角、间距、排距)对试样单轴抗压强度的影响规律，并对类断续节理试样的破坏模式进行了总结分析，研究成果对正确认识断续节理岩体的强度特征，提高地下工程设计的合理性具有重要意义。

1 圆柱形类断续节理岩体试样制备

1.1 试件尺寸及节理排列方式

类断续节理岩体试样的尺寸设计为Ф100 mm×200 mm，节理长度固定为20 mm，节理排距分别为30，60，90 mm，每种排距情况下又有3种不同的节理间距，节理间距分别为10，20，30 mm，每种节理间距情况下又有5种不同的倾角，分别为15°，30°，45°，60°，75°。共有45种情况。

1.2 模型材料及节理排列方式设计

试验中所用的试样材料都是石膏，由于其成型后良好的脆性能够较好地模拟岩体中岩石的行为。

1.2.1 类断续节理岩体试样模具的设计及制作

(1)模具的尺寸和选用的材料

类断续节理岩体试样模具采用外径110 mm，内径约100 mm的PVC管，长度取220 mm，以便制备试样时模具的固定以及预留加工试样时的磨损长度。

(2)在模具上进行节理定位

运用CAD进行图形绘制，先将不同工况下的节理均匀布置在平视直径矩形面上，然后将节理投影到圆柱体外表面，提取各个椭圆弧长，通过软尺测量将节理定位在圆柱体外表上。以节理排距为30 mm，间距为10 mm，倾角为15°的模具定位为例，定位过程分为以下几个步骤：

1)节理的均匀布置。

2)绕矩形形心点旋转至倾角为15°。

3)投影到外表面。

4)在PVC管外表面两端画水平圆弧和两侧画竖线，画法：用A3图纸将PVC管紧紧包裹，使图纸上下两端重合部分对齐，用极细油性记号笔沿图纸在PVC管上画圆，然后紧握图纸一边使其保持在原来位置，将另一边松开，这时，用油性笔再沿图纸一边在PVC管上画竖直线，也可将圆画好之后重新包裹、对齐、松开一边而另一边保持在原来位置(对齐时可以不沿原来所画的圆)，再画竖直线(竖直线必须画得足够长以与原来所画圆相交于一点)，以圆和竖直线的交点作为起点，量取200 mm，做标记，再用A3图纸紧紧包裹住PVC管，使其重合对齐于标记位置，用油性笔沿A3图纸在PVC管外表面画圆，以竖直线和圆相交点作为起点在两端所画圆上分别量取圆周长的一半并做标记，用直尺将两标记连接。节理定位如图1(图中，α为倾角；Lj为接力长度；Lr为间距；Lp为排距)所示。

图1 节理定位示意/mm

5)用铅笔画椭圆弧线：节理所在直线或其投影与平视直径矩形边线或两端圆弧线相交于一点，通过量取交点距竖直线与圆交点之间的圆弧长或交点距两端圆平面的距离定位交点，再通过两交点之间绷紧线，用铅笔沿线画弧的方式画出节理所在直线投影到圆柱体外表面的椭圆弧。试验过程如图2所示。

图2 画椭圆线过程

6)在CAD中将节理和节理间线段投影到椭圆弧外表面的各段椭圆弧长提取出来，两条竖线分别是左端线和右端线，数据如表1所示。

表1 节理和节理间线段投影到外表面的各段椭圆弧长度 mm

7)用软尺和铅笔在PVC管上已经画好的椭圆弧上进行量取和标记，最后用极细油性笔描出各个节理在PVC管表面上的投影。用小型细头电烙铁将PVC管上已经画好的定位线划透，再用钢片对穿插入的方法在不顺畅处用电烙铁进行扩孔。其过程如图3所示。

图3 节理的预制与穿孔

1.2.2 试验材料及浇筑工序

类断续节理试样和完整试样的制作过程如下：

(1)配比模型材料水和石膏的混合物，比例为1∶0.6；

(2)用搅拌好的石膏浆进行模型材料制备，按照设计方案将0.2 mm钢片插入模具中预制节理，并于混合物凝固前将其拔出，然后在室内养护28 d；

(3)将加工好的试样用油性彩笔按组统一编号，如3-1-15代表排距为3 cm，间距为1 cm，倾角为15°(后续编号同此，不再赘述)。

1.2.3 试样加工

将养护好的试样，用小铲子将浇筑时外表面流出的石膏浆铲去，用钢箍套在外表面放在机床上进行加工，采用双面磨岩机对上下表面进行打磨，完成制样；对加工得到的试样进行严格筛选，2个端部的平整度误差小于0.02 mm。得到两面互相平行的试样。然后沿PVC管两边竖直线用小钢锯慢慢锯，当锯到一定深度时，用“一”字型螺丝刀插入缝隙中撬开，以避免小钢锯锯条有可能对试样造成损坏。其加工过程如图4所示。

图4 试样加工及脱模

2 单轴压缩试验方案及抗压强度结果

2.1 试验方案

本次单轴压缩试验均是在中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT-150B型岩石力学刚性伺服试验机上开展的。进行波速测试后，采用RMT-150B试验机对试样进行单轴压缩试验，控制方式采用位移控制，以0.002 mm/s的速率加载至试件破坏。在试验中记录试件的应力和应变。

2.2 单轴压缩强度结果与分析

贯通节理岩体变形和破坏的薄弱环节是节理面的切滑移，岩体结构效应可归结为节理面的强度和变形特性。相对而言，断续节理岩体中岩桥的存在改变了其受力和变形破坏特性，由于岩桥与节理相互作用，协同提供强度，使得断续节理岩体的强度等力学特性比普通节理岩体更为复杂。断续节理排距、间距和倾角等节理系统参数是影响断续节理岩体力学性质及强度各向异性的重要原因[19]。

根据前述试验方案，对每个断续节理分布工况均取3个试样，测试其单轴抗压强度并求其平均值。试样的平均单轴抗压强度与断续节理倾角关系如图5所示。由图5可知，当断续节理排距为3 cm时，类断续节理岩体试样的单轴抗压强度整体上随节理间距的增大而增大，以断续节理倾角为60°时为例，断续节理间距为1 cm时，试样的单轴抗压强度为0.517 MPa；间距为2 cm时，试样强度为0.962 MPa；当断续节理间距为3 cm时，试样强度则增大到1.471 MPa。断续节理间排距不变的情况下，类断续节理试样的单轴抗压强度随节理倾角的增大而增大，且在60°增大到75°时强度有突然增大的趋势。

图5 排距为3 cm试样单轴抗压强度与节理倾角关系

断续节理排距为6 cm时，类断续节理岩体试样单轴抗压强度与节理倾角关系如图6所示。在断续节理排距为6 cm时，类断续节理岩体试样的单轴抗压强度随节理间距增大而增大的特征更为明显；不同节理间距试样的单轴抗压强度与节理倾角关系规律不十分一致，整体呈现出从断续节理排距为3 cm试样关系特征(近递增型)到断续节理排距为9 cm关系特征(近V字形)的过渡。

图6 排距为6 cm试样单轴抗压强度与节理倾角关系

图7所示为断续节理排距为9 cm时，类断续节理单轴抗压强度与倾角的关系。由图7可知，试样单轴抗压强度随节理间距的增大而增大；不同断续节理间距下，类断续节理岩体试样单轴抗压强度与节理倾角间的关系近似呈V型，单轴抗压强度最小值出现在30°～60°之间，表明类断续节理岩体单轴抗压强度除受节理倾角影响外，还同时受断续节理间排距的综合控制。

图7 排距为9 cm试样单轴抗压强度与节理倾角关系

类断续节理岩体在节理排距和倾角一定的情况下，试样单轴抗压强度随间距的增大而增大。节理排距为3 cm时，单轴抗压强度随断续节理倾角的增大而增大。笔者认为导致这种情况出现的原因是节理倾角比较大、排距比较小时，试样中预制的断续节理条数会随倾角的增大而减少，预制节理的条数影响了类断续节理试样的抗压强度。断续节理排距为6 cm、节理间距为1 cm时，试样单轴抗压强度与节理倾角关系曲线特征如上。断续节理排距为6 cm时，随节理间距由2 cm到3 cm的变化，试样单轴抗压强度与节理倾角关系特征变化明显，笔者认为主要原因是类断续节理试样单轴抗压强度影响因素较多，为众因素的综合反映；断续节理排距为9 cm时，类断续节理岩体试样单轴抗压强度与节理倾角关系呈现贯通节理试样的特点，主要因断续节理排距比较大导致试样中断续节理的条数比较少，节理倾角的增大不会过多影响试样中节理条数，这时节理倾角很大程度上决定着类断续节理试样的单轴抗压强度。由上分析可知，类断续节理岩体试样单轴抗压强度绝不仅仅由节理倾角控制，而是受断续节理排距、间距和倾角等系统参数综合控制，其强度与节理倾角关系有别于贯通节理试样的特点。

3 破坏模式

在荷载作用下，试样的破坏模式是岩体破坏机理的唯象特征。45组类断续节理试样破坏特征随节理排距、间距和倾角的变化而变化，通过对试样破坏形式的总结与分析，本文将不同断续节理展布形式的45组试样的破坏特征整体分为以下四类：I类——类轴向劈裂破坏，试样加载破坏时出现平行于加载轴方向，且贯穿试样预制断续节理面的的拉伸裂纹；II类——既有断续节理端部翼裂纹扩展、贯通破坏，试样在加载过程中预制节理盲端发育新生翼裂纹，进而扩展、贯通，使类断续节理试样逐渐丧失承载能力；III类——既有节理端部产生新生裂纹与沿预制节理张开复合破坏，试样中预制断续节理较多时，出现块体转动现象，而预制节理较少时，则表现出一定程度的沿预设节理面的滑动特点；IV类——沿既有断续节理面的剪切滑动破坏，其破坏较大程度上受断续节理强度及两断续节理连线间岩桥强度的控制。因篇幅限制，图8给出了部分试样单轴压缩条件的破坏形式。

图8 部分试样的破坏形式

随着试样中预制断续节理情况的不同，试件的破坏模式具有显著差异，上述四种破坏模式随断续节理系统参数不同而异。试样3-2-15在轴向荷载作用下试样中出现轴向贯穿预设节理的裂纹，随荷载增大裂纹沿着轴线荷载方向扩展贯通，产生劈裂破坏，这是典型的I类破坏。倾角越小，间排距越大，I类轴向劈裂越明显。试样6-2-30断续节理端部翼裂纹扩展与节理面贯通导致破坏，属于II类。试样3-1-45在轴向荷载作用下节理张开，产生翼裂纹与节理面形成块体产生转动，这是第III类破坏。第IV类，试样6-1-60在轴向荷载作用下产生的裂纹较少，不会和节理面贯通，破坏主要受到节理面剪切滑动的影响。宏观来看4种类型破坏模式与倾角有一定的联系，当倾角处于15°，30°时，断续节理试样以轴向劈裂为主；当倾角为45°时，节理面张开和产生的裂纹相互贯通；当倾角处于60°，75°时，断续节理试样沿节理面剪切。

4 结 论

(1)开发了一种圆柱形类断续节理岩体的制备技术，解决了目前常用的堆砌法和浇筑法制备的矩形厚板型类断续岩体试件在单轴压缩试验中的压曲破坏效应和因形状问题无法开展常规三轴压缩试验及预制法试中断续节理条数有限等诸多问题，为采用常规试验手段研究断续节理岩体力学性质及提高研究成果的准确性提供了支撑。

(2)断续节理倾角、间距和排距都对试样的单轴抗压强度有明显的影响。试验结果表明，在倾角和排距不变的情况下，断续节理间距越大，试样的单轴抗压强度越大。间排距比较小(3 cm)时，试样单轴抗压强度整体上随倾角的增大而增大；间排距比较大(9 cm)时，断续节理试样单轴抗压强度与节理倾角呈现出“V”字形关系特征；断续节理排距为6 cm时，类断续节理岩体单轴抗压强度随节理倾角的变化呈现出过渡特征。

(3)断续节理岩体的破坏机理和破坏模式与试样的强度特征类似，与断续节理系统参数(特别是节理倾角)密切相关。总结、分析45组试样的破坏特征，将类断续节理岩体破坏模式划分为类轴向劈裂破坏、既有断续节理端部翼裂纹扩展贯通破坏、既有节理端部产生新生裂纹与沿预制节理张开复合破坏和沿既有断续节理面的剪切滑动破坏四种类型。