循环剪切对节理面形貌及强度劣化规律的微观力学研究

2019-08-22张向阳雍伟勋

有色金属（矿山部分） 2019年4期

张向阳，曹平，陈锐，周罕，雍伟勋

(1.中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083；2.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，昆明 650051；3.长安大学，西安 710064)

节理是地壳岩石中最广泛发育的一种常见断裂构造，是岩石承受外力而出现的裂隙。节理在某些外荷载(如地震，爆破)作用下可能会经历往复循环剪切，因此研究节理在往复荷载作用下的破坏机理，在工程实践中具有重要的意义。国内外许多学者研究了岩石节理剪切强度、节理粗糙度与强度关系、剪胀效应、剪切过程中的渗流规律和数值模拟剪切性质以及三维节理岩体形貌特征[1-5]。

不规则的节理面对岩体的抗剪强度有重要影响，至今已有不少节理峰值抗剪强度公式。姚孟迪、夏才初、刘博等[6-8]通过三维形貌扫描后得到节理表面三维形貌数据，通过剪切试验前后的表面三维形貌变化，研究节理三维形貌表征参数与抗剪强度的关系。但如果按照节理面，由一条或者若干条剖面线进行粗糙度评价，这往往只是对节理面局部的粗糙度进行了表述[9]。唐志成的研究表明节理面剪切强度曲线是不同破坏模式的综合反映，与剪胀角、节理面粗糙度和法向应力都相关[1]。基于此，现在国内许多学者研究节理面形貌特征与强度曲线的关系，并运用相关的数值模拟进行验证，孙辅庭[10]利用三维形貌特征和对岩石节理的峰值剪切强度试验，建立新的岩石节理峰值剪切强度准则；Jafari等[13]利用人工节理面进行循环剪切试验，分析剪切循环次数和法向应力对节理面造成的影响；赵延林[11]利用随机形貌岩石节理进行剪切数值模拟，得出峰值剪切位移与 JRC 的变化关系，通过对剪胀理论曲线和数值曲线形态进行分析，提出JRC 和法向应力影响的岩石节理非线性剪胀本构模型；李博等[12]利用天然岩石节理面，进行不同荷载条件下的剪切-渗流耦合试验，得出了节理面接触领域在剪切过程中透水系数及流路的变化规律。刘博等[14]利用相似材料做出不同起伏角和岩壁强度的节理试件，在不同的法向应力下进行循环剪切试验，分析剪切次数与节理强度的关系。

本文利用巴西劈裂的方法对某矿山灰岩进行劈裂，得到人工粗糙的节理面，采用伺服控制的岩石剪切仪对所取的试件进行循环剪切试验。借助于三维非接触式高精度激光形貌仪(Talysurf CLI 2000)分别对每次剪切前后的节理面进行扫描，分析节理面上的岛屿和岛屿面积参与剪切过程的变化规律，以及剪切强度的变化，总结岛屿、岛屿面积和剪强的变化规律；对每次扫描所得的500组节理剖面线进行分析，拟合剪切强度曲线与节理面粗糙度系数JRC变化关系。

2 试验仪器与方法

2.1 试验仪器

朝阳RYL-600数字伺服控制的岩石剪切流变试验仪是一台高精度、多种控制方式的、能实现轴向和横向双向加载的节理剪切和岩石流变试验仪(见图1)，该仪器由轴向主机、横向剪切推动器、松下伺服电机及控制系统、德国DOLI 测控系统、计算机系统等组成。分别可采用位移或负荷控制加载方式，最大的轴力为200 kN。Talysurf CLI 2000是一台由激光发射和接收装置、专用计算机、操作平台、控制单元盒、数据采集与控制软件Talysurf CLI和数据分析软件 TalyMap 5.0 组成的三维非接触式高精度激光形貌仪，可扫描200 mm×200 mm的试件，扫描精度达 0.05 μm(见图2)。

图1 RYL-600岩石剪切流变仪Fig.1 RYL-600 shear-rheological instrument of rock

图2 Talysurf CLI 2000三维激光形貌仪Fig.2 Talysurf CLI 2000 surface profiler

2.2 试件的制备

本次试验采用灰岩试件(50 mm×50 mm×50 mm)做巴西劈裂试验，测得灰岩的C、∮值，如表1，并得到本次试验所需的人工节理面，并按岩石力学试验规范和参考国内外学者关于节理面剪切强度测试方法，设计本次试验。模具尺寸采用250 mm×200 mm×150 mm，采用混凝土砂浆浇筑试件，置于标准养护箱内养护28 d，达到预定的抗压强度，为避免试件表面平整度产生试验误差，试件表面均进行打磨，以确保剪切力能够均匀施加。

2.3 试验方法

试件制备后，采集未剪切时的初始形貌，作为第一剪切过程中受剪的面积，扫描采用0.1 mm间隔进行扫描，扫描精度为0.01 mm。随循环剪切试验进行对每次剪切过后进行形貌采集，作为下一次试验的剪切面积。统计剪切岛屿数、岛屿总面积、岛屿的最大高度。

表1 灰岩节理面基本力学参数

节理面循环剪切试验运用岩石剪切流变试验仪，采用法向轴力控制加载速率为50 n/s，恒定法向力为2.4 MPa；横向位移加载速率为0.2 mm/min，控制精度为±1%，试验采用正-反循环方式进行剪切，每个试件剪切4次，采集应力—位移曲线。

3 试验结果与分析

3.1 形貌数据

形貌仪Talysurf CLI 2000扫描循环剪切试验节理面试件，如图3 TJ-10-A试件表面形貌及循环剪切次数、方向，按试验方法采集岛屿参数如表2。从扫描的500组节理剖面线中按等间距提取5条，分别取第50、150、250、350、450组数据，四次剪切后所得的节理剖面轮廓线，如图4试件扫描局部轮廓线。

从图3可以看出，对同一节理面，循环剪切对不同置的粗糙度有很大的影响，从图中的颜色和区域位置得出：1)第一次剪切时，试件节理面相对粗糙，试件局部还存在许多不规则的岛屿(根据形貌仪Talysurf CLI 2000表面三维分形法，将扫描所得的形貌中，最大轮廓等高线能闭合的称为岛屿)，剪切过后，许多不规则的岛屿基本被磨平；2)在法向应力σ法的作用下，不规则节理面随剪切应力增加的将沿齿状面向上滑动，出现爬坡现象，这时节理面表面发生剪胀，剪胀角αn随每次剪切而改变，从上图可以得出，剪胀角αn在不断减小，按巴顿剪胀角关系：

图3 TJ-10-A试件表面形貌及循环剪切次数、方向Fig.3 Surface morphology after sheared

(1)

(2)

式中:δL为节理面水平位移，δh为节理面垂直位移，σ法为法向应力，JRC为节理面粗糙度系数，σc为节理面附近完整岩石的单轴抗压强度；3)每次剪切过后，岛屿的齿尖值不断在减小，齿尖所占的面积减少。

图4 DJ-5-B 部分节理剖面线简图Fig.4 DJ-5-B diagrams of joint profiles

从图4可以得到，在同一位置的节理剖面线随着循环剪切，粗糙度明显变小，对照Barton所制定的10条标准JRC轮廓线，发现JRC取值随着循环剪切不断变小，进一步验证式(2)，循环剪切使得剪胀角在不断减小。

3.2 形貌高度特征参数分析

根据五组节理面轮廓线数据进分析，表面形貌参数中心线平均高度Z0及均方根值σ。这两个参数表征轮廓线的平均离差，但他们不能提供表面微凸体形状、大小及倾角的任何信息。

中心线平均高度Z0计算公式为：

(3)

离散形式为：

(4)

均方根值σ计算公式为：

(5)

离散形式为：

(6)

峰态系数K描述高度分布密度函数的陡峭程度，正态分布的峰态系数为3，当K>3时，称正峰态，当K<3时称为负峰态。本文研究以正峰态做为剪切试验的对象，并以岛屿命名。

峰态系数K计算公式为：

(7)

离散形式为：

(8)

岛屿轮廓峰面积S是表面轮廓与基准面相交而成的每个闭合相交曲线向外(基准面以上)的部分，在一定的取样面积内可能存在多个岛屿轮廓峰，用序列Spi(i=1，2，…，n，其中n为轮廓峰的个数)表示第i个轮廓峰中最高点到基准面的距离，则表面最大峰高Sp为：

Sp=max(Sp1，Sp2，…，Spn)[15]

(9)

从表2节理面剪切试验测得数据可知：岛屿个数和岛屿总面积随着剪切次数不断增加，岛屿轮廓峰随剪切次数逐渐降低，但两个方向来回剪切时，存在主剪切方向和次剪切方向，如TJ-10试件1、3次剪切对岛屿轮廓峰影响明显比2、4次大，同时，破坏应力值受岛屿轮廓峰的降低，强度也有所降低。

表2 节理面形貌特征参数及剪切应力值

利用上述TJ-10试件绘制应力与岛屿数×S总关系曲线图和应力与岛屿的峰态系数K，如图5应力与岛屿数×S总、岛屿的最大高度值关系图，从图上可以看出，应力与岛屿数×S总关系并非线性关系，说明剪切过程中，并非所有的岛屿都参与剪切过程。从应力与岛屿的峰态系数K变化情况来看，应力与岛屿峰态系数K成线性关系。

4 循环剪切试验应力—位移曲线分析

运用岩石剪切流变试验仪测得3组试件正—反四次循环剪切应力—位移曲线图如6所示，从图中可以看出，节理面剪切过程中明显存在应力爬坡现象，是因为节理表面的主要凸起被磨损，使得岛屿峰态系数降低，这从节理表面微观形态上解释了岩石节理经历剪切后，节理表面的JRC降低。从图中可以看出，两次同方向剪切应力—位移曲线极为相似，但应力明显降低。