重复剪切作用下泥质充填结构面剪切力学特性试验研究*

李冠野 邓华锋 李建林 徐鹏飞 王文东 冯云杰

(三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学)，宜昌 443002，中国)

0 引 言

自然界的岩体中往往存在着各种不连续的结构面，如节理、软弱夹层等。由于风化、侵蚀等物理、化学作用和岩体结构面相互剪切错动的影响，节理中往往会夹杂一定厚度的充填物，形成一种广泛存在的充填结构面。这在很大程度上削弱了岩体的力学性质，也成为影响各类工程岩体变形稳定的关键因素。

节理岩体的力学特性一直是岩土工程领域关注的重点，并取得了丰富的研究成果，Barton et al.(1977)通过结构面的剪切试验，建立了JRC-JCS经验模型，在节理岩体抗剪强度分析中得到了广泛应用；在此基础上，较多学者围绕结构面粗糙度表征方法(陈世江等，2017)、有效剪切面积(詹金林等，2007)等方面开展了大量的理论和试验研究，对JRC-JCS模型进行了修正，并提出了多种节理面抗剪强度估算方法。

与无充填结构面相比，充填结构面受到的影响因素更多，如结构面粗糙程度、充填物类型和厚度等，其剪切力学特性也更为复杂。研究成果显示，一方面，不同性质充填物对于结构面抗剪性能的影响显著，焦锋等(2018)进行了4种粒径砂粒充填结构面的剪切试验，建立了用充填砂土摩擦系数表达的充填结构面剪切强度公式；许江等(2019)开展了石膏、岩屑和黄泥充填结构面的剪切试验，并对比分析了充填物对结构面剪切力学特性的影响；孙辅庭等(2014)建立了充填水泥砂浆的结构面强度模型。另一方面，充填厚度也直接影响其剪切力学特性，Ladanyi et al.(1977)提出了充填度的概念，即充填厚度与结构面平均起伏高度的比值；Phien-Wej et al.(1990)、Papaliangas et al.(1993)进行了膨润土、粉煤灰等充填物的结构面直剪试验，得到了不同介质影响结构面抗剪强度的临界充填度；Indraratna et al.(2005)、Oliveira et al.(2009)通过一系列充填黏土结构面剪切试验，发现充填度到达某一临界值后，其剪切强度将完全依赖于充填物的性质，而与结构面壁形态无关；史玲等(2012)进行了水泥砂浆充填结构面试验，发现充填厚度直接影响结构面的剪切破坏模式，进而影响结构面的抗剪强度。

综合目前的研究进展来看，相关结构面剪切试验和理论分析成果已经较为丰富，但在试验中还存在较多需要进一步完善的地方。典型的一个问题就是结构面试样的制备，为了克服原状结构面取样的困难，有的学者采用劈裂(焦峰等，2018)等方法制备单节理试样，或采用水泥砂浆等相似材料配合特制模块(杜时贵等，2010，谢强等，2019)制备节理试样；近年来，3D打印技术(熊祖强等，2015，Zhang et al.，2019)、3D雕刻技术(周辉等，2019，王亮清等，2021)在结构面制备中也取得了较好的效果。这些方法和技术为结构面抗剪性能试验研究提供了很好的基础。

在研究充填物对结构面抗剪性能影响时，目前常用的试验思路是先进行一组非充填节理试样的剪切试验，再进行另外一组充填节理试样的剪切试验，根据两组试验结果的差别去量化充填物对结构面抗剪性能的影响，这种方法理论上是可行的，但由于没有较好地考虑充填前后两组试样结构面形态的差异，可能会导致试验结果存在一定的误差。采用前述3D打印、3D雕刻技术可以在一定程度上较好解决试样差异的问题，但相关试验条件和成本要求较高，限于此，本文拟借鉴结构面重复剪切的试验思路，提出一种相对简便的方法，力求比较准确地量化充填物对结构面抗剪性能的影响。

1 试验方案和分析思路

1.1 基于重复剪切试验的节理试样制备

夏才初等(2012)、邓华锋等(2018)、魏继红等(2017)开展了无充填、充填结构面的重复剪切试验。典型如图1所示，在重复剪切作用下，节理岩体的抗剪强度呈现出逐渐降低并趋稳的规律。

图1 重复剪切作用下结构面剪应力-剪切变形曲线

基于重复剪切作用下节理岩样抗剪强度逐渐降低趋稳的变化特征，提出一种比较简便的节理试样制备方法和充填结构面剪切试验分析思路，首先对制备好的单节理试样进行多次重复剪切试验，直至其抗剪强度趋于稳定，也即，在没有其他因素影响下，即使再次进行重复剪切，其抗剪强度也不会有明显变化，因此，可以近似取该强度作为充填之前结构面的抗剪强度；然后，对该结构面进行充填，并对充填结构面进行剪切试验，此时所得强度即为充填结构面的强度，而充填前后结构面的抗剪强度差值即为充填物对结构面的影响。为此，通过同一个试样充填前、后的重复剪切试验，即可比较准确地量化充填物对结构面抗剪性能的影响，从而可以较好避免了试样离散性的影响，为了便于区分，这里称为“单试件法”。

砂岩是一种非常典型的沉积岩，层理弱面发育，在地质作用和环境因素影响下容易沿层理弱面张开发育形成宏观结构面，为此，本文以三峡库区广泛存在的砂岩为试验对象。取样位置典型节理岩体如图2所示，岩性为侏罗系灰白色砂岩，层理面明显发育，部分结构面泥质充填，结构面的力学特性直接关系库岸边坡的变形稳定。

图2 典型库岸边坡泥质充填节理岩体

《工程岩体试验方法标准》(GBT 50266-2013)(中华人民共和国国家标准编写组，2013)要求岩石结构面直剪试验试件直径或者边长不得小于50 mm，同时参考以往岩石结构面剪切试样制备经验(许江等，2019)，将现场取回的砂岩岩块，切割成边长为100 mm的立方块，采用巴西劈裂法顺层理面将试样从中部劈裂，制备单节理试样。首先从宏观上选取结构面起伏特征相近的岩样作为备选试样，然后采用ST500三维非接触式表面形貌仪(图3)，对筛选试样的结构面进行扫描和数据统计分析，结果显示结构面的粗糙度系数在11.93～14.69之间，并集中在13.00左右，为了减少试样之间的差异，选取粗糙度系数13±0.5的试样进行后续剪切试验，典型试样如图4所示。

图3 ST500三维非接触式表面轮廓仪

图4 典型节理试样及扫描图

根据前面的分析思路，本文首先采用重复剪切的方法制备充填前的节理试样，考虑取样边坡岩体结构面上覆岩土层的厚度，取1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa和2.5 MPa 4种法向应力，分别进行5次重复剪切试验，试验在YZW-1000型微机控制电动直剪仪上进行(图5)，典型剪切应力-剪切位移曲线如图6所示。

图5 YZW-1000型微机控制电动直剪仪

图6 典型重复剪切下结构面剪应力-剪切位移曲线图

从图6可以看出：重复剪切作用下，剪应力-剪切位移曲线变化特征明显。在前两次剪切中，曲线可明显分为近似线性的弹性阶段、剪切屈服阶段、强度下降阶段和残余强度阶段。随着剪切次数的增加，曲线形态发生变化，不再存在明显峰值强度，而且，弹性阶段斜率不断降低，即剪切刚度在重复剪切作用下不断减小。结构面试样的抗剪强度随着剪切次数增加逐渐降低，在前两次剪切中，强度下降明显，在3次剪切后，抗剪强度基本趋于稳定。因此，可以取第5次剪切时的抗剪强度作为该结构面充填之前的抗剪强度。

扫描结果显示重复剪切后结构面的起伏度和粗糙度逐渐降低，呈现与抗剪强度一致的变化规律，文献中(夏才初等，2012，邓华锋等，2018)已有详细分析，这里不再赘述。各种法向应力下，选取结构面平均起伏高度为3 mm左右，且抗剪强度接近一致的3个试样进行后面的充填及剪切试验。

1.2 充填结构面试样的制备

以取样边坡的黄土为充填物，经过风干，碾碎，将过0.5 mm筛的黄土颗粒，按照天然含水率18.30%配置泥质充填物(汤明高等，2009；胡瑞林等，2020)，相关物理力学参数见表1。重复剪切后扫描结果显示结构面的平均起伏高度在3 mm左右，参考以往研究经验(陈占锋等，2019)，为了便于对比分析，各试样的充填度统一按照100%考虑。在充填过程中，为了保证结构面充填均匀，在法向应力2.5 MPa下进行压制成型，控制充填厚度为3 mm。典型充填结构面试样如图7所示。

表1 泥质充填物参数表

图7 典型充填结构面试样

对制备好的充填结构面试样按照充填前对应的法向应力进行剪切试验，所得充填前后抗剪强度的差值即为充填物对于结构面的劣化影响。同时，考虑到库岸边坡在降雨和库水位周期性升降作用下“台阶式”增长的变形特征，对充填结构面也进行了5次重复剪切试验，近似模拟边坡岩体结构面的多期次反复剪切滑移现象，进而分析重复剪切作用下充填结构面的剪切性能劣化规律。

2 重复剪切作用下泥质充填结构面剪切力学特性分析

2.1 结构面剪切变形特性分析

4种法向应力下，充填结构面重复剪切过程中的剪应力-剪切位移曲线如图8所示。

图8 充填结构面重复剪切作用下剪应力-剪切位移曲线图

由图8可以看出：

(1)在重复剪切过程中，充填结构面的剪应力-剪切位移曲线形态基本一致，与图6中充填前的第4～5次剪切试验曲线形态也是一致的。在剪切初始阶段，发生的剪切位移较小，剪应力迅速增大，剪应力与剪切位移呈现近乎线性增长关系；随着剪应力的增加，剪切位移迅速增加，剪应力-剪切位移曲线斜率迅速降低，进入屈服阶段，曲线没有明显峰值，呈明显的塑形流动状态，剪应力维持在一个相对稳定的值。

(2)在5次重复剪切过程中，泥质充填结构面的抗剪强度并不是以往文献(魏继红等，2017)中常见的逐渐降低的变化规律，而是呈现先增大后减小的变化特征。也即，第1次剪切时结构面抗剪强度相对较低，在之后的2～3次重复剪切中，结构面抗剪强度先逐渐增大，然后逐渐降低直至趋于稳定。

2.2 充填结构面抗剪强度变化规律分析

根据前述试验方案和数据分析思路，以未充填结构面第5次剪切时的抗剪强度作为结构面充填之前的抗剪强度初始值。对重复剪切作用下充填结构面抗剪强度进行统计，在统计时，取稳定阶段的值作为抗剪强度。绘制各法向应力下充填结构面抗剪强度的变化曲线如图9所示，图中的横坐标“0次”对应充填前结构面的第5次剪切强度。

图9 充填前、后结构面抗剪强度变化曲线

由图9可以看出，泥质充填后，结构面的抗剪强度明显降低，而且重复剪切过程中，抗剪强度呈现先减小、后增大、再减小趋稳的变化规律。为更好分析重复剪切对抗剪强度的劣化影响，定义重复剪切过程中强度变化量为总变化量Гn=τ0-τn(其中τn为第n次充填结构面剪切强度值，τ0为未充填结构面稳定抗剪强度)，用ΔГn表示单次剪切强度变化值，ΔГn=Гn-Гn-1，ΔГn为正值时表示抗剪强度减小，负值表示抗剪强度增大。具体如表2和图10所示。

表2 单次剪切作用下抗剪强度变化值

图10 单次剪切作用下抗剪强度变化柱状图

从表2和图10可以看出：

(1)4种法向应力下，充填后结构面抗剪强度相较于充填前降低了38.51%～54.82%，比较而言，法向应力越大，降低趋势也明显，说明泥质充填对结构面的抗剪性能影响明显。

(2)重复剪切作用下，充填结构面的抗剪强度并不是单调降低的变化规律，而是先上升后下降，最终趋稳的变化过程，这与无充填结构面在重复剪切作用下劣化规律是不一致的。而且，不同法向应力下，充填结构面抗剪强度的变化规律也存在一定差别，例如，法向应力(1.0 MPa和1.5 MPa)较小时，第2次、第3次剪切时，结构面抗剪强度先上升，第4次、第5次剪切，结构面抗剪强度降低逐渐趋稳；法向应力(2.0 MPa和2.5 MPa)较大时，仅在第2次剪切过程中出现强度上升，而后就逐渐降低趋稳。

(3)分析上述变化规律的原因是：充填结构面第1次剪切时，泥质充填物抗剪性能较弱，在剪切错动过程中，剪切面主要产生于充填层中，此时，结构面抗剪强度主要取决于充填物的抗剪强度，因此，抗剪强度相较于未充填结构面大幅度降低。在重复剪切过程中，由于法向荷载和剪切荷载共同作用，泥质充填物不断被剪切挤出，部分结构面出露，并参与剪切过程。此时，抗剪强度受充填物和砂岩结构面共同影响，在第2～3次剪切过程中，抗剪强度出现了一定的增大趋势，在法向应力较小时，剪切面的变化过程需经过多次重复剪切才能达到相对稳定状态，而在法向较大时，剪切的形态很快达到相对稳定状态。随着剪切次数进一步增加，充填物被不断挤压变薄且表面变得更加光滑，凸起出露的岩石结构面在剪切过程中不断被磨损，而且表面微小凹陷位置进一步被岩屑和土颗粒充填，反复的剪切错动也使得其表面更加平整光滑，从而使得结构面的抗剪强度逐渐降低并趋于稳定。

2.3 重复剪切过程中充填结构面形态变化特征分析

为更好分析重复剪切过程中充填结构面形态变化与结构面抗剪强度之间的关系，采用图像处理的方法对充填结构面损伤区域进行了分析。由于提取的结构面形态图像中泥质充填物与出露结构面的灰度值相差较大，前景与背景区分显著，根据以往的研究经验(Zhou et al.，2021)，采用最大类间方差法(Otsu，1979)对图像进行阈值分割。分割后的图像如图11～图12所示，图中黑色部分为泥质充填物，白色部分为出露的结构面。根据图像包含的像素点数量及黑、白像素点占比，可以计算出每次剪切后结构面充填物与结构面出露面积。分别以1.5 MPa和2.5 MPa法向应力的结构面形态为例进行分析。

图11 1.5 MPa法向应力下结构面形态照片

图12 2.5 MPa法向应力下结构面形态照片

由图11～图12可以看出，随着重复剪切次数增加，局部位置的充填物逐渐缺失，结构面出露面积不断增大，对图11～图12中黑白区域面积的占比情况进行统计，具体如图13所示。

图13 充填物与结构面出露面积占比变化图

从图13可以看出，在法向应力1.5 MPa下，1次剪切后结构面出露面积占比为5.98%，3次剪切后结构面出露面积占比迅速增大到12.61%，此时已形成相对稳定剪切面，4～5次剪切试验后，结构面出露面积占比分别为14.02%、14.92%，相对变化很小。法向应力2.5 MPa下，1次剪切后就有较大范围结构面出露，达到9.68%，2次剪切后，结构面出露面积占比达到15.49%，而后变化趋势明显趋缓，3～5次剪切试验后，结构面出露面积占比从17.33%逐渐增大到18.75%。重复剪切过程中，结构面出露面积和充填物面积占比的变化规律，也可以很好地印证前述重复剪切作用下充填结构面剪切力学特性变化规律。

3 结论与讨论

(1)为了比较准确地量化充填物对结构面抗剪性能的影响，在以往“多试件法”试验的基础上，根据重复剪切试验过程中结构面抗剪性能劣化趋稳的变化规律，提出了一种单试件充填前、后重复剪切的试验思路和方法，并阐明了量化分析充填物对结构面影响程度的试验流程和数据处理方法，可以比较准确地确定充填物对结构面抗剪性能的影响。

(2)以三峡库区典型库岸边坡节理岩体为研究对象，按照充填度100%考虑，开展了充填前后结构面的剪切试验，试验结果显示，充填后结构面的抗剪性能降低趋势明显，不同法向应力下抗剪强度的降幅为38.51%～54.82%，而且，法向应力越大，降低幅度越大。

(3)泥质充填结构面在重复剪切过程中，抗剪强度呈先增大、再减小趋稳的非线性变化规律，主要是由于重复剪切过程中充填物被反复挤压、错动，不仅使得充填物变薄且表面变得更加光滑；而且使得结构面凸起位置逐渐被磨损，结构面出露面积逐渐增大，表面微小凹陷位置被岩屑和土颗粒充填，摩擦系数进一步减小。

(4)论文采用劈裂法制备了人工节理，考虑了一种充填物、充填厚度情况，对重复剪切作用下充填结构面的剪切力学特性进行分析，旨在分析说明前述试验方法流程及合理性。考虑不同粗糙度结构面、充填物类型及厚度，以及天然充填结构面的剪切性能等有待在后续研究中进一步丰富完善。