含Z型相交裂隙岩体剪切力学行为研究*

刘新荣 刘馨琳 许 彬 王子娟 曾 夕 陈 欣

(①重庆大学土木工程学院,重庆 400045,中国)(②重庆大学库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心,重庆 400045,中国)(③重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室,重庆 400045,中国)(④重庆工商大学管理科学与工程学院,重庆 400067,中国)

0 引 言

一般地,岩石在各种地质作用下形成大量不连续界面,如裂缝、节理、弱面、夹层以及断层,这些不连续界面对岩体的剪切力学行为和结构稳定性都有显著影响(刘东燕,2014)。在岩石类型、风化程度、岩石尺寸、节理形态、法向应力、含水率等因素的影响下,含结构面岩体展现出复杂的剪切力学行为。通过实际工程研究表明,结构面形态是控制岩体强度和变形等力学性质的关键因素(Gehle et al.,2003; Brideau et al.,2008; 刘红岩等,2013; 陈国庆等,2017; Liu et al.,2021)。因此,深入研究不同倾角和法向应力条件下,含不同Z型相交裂隙岩体的剪切力学行为具有重要的理论价值和工程意义。

国内外学者对含结构面岩石强度、变形及破坏模式的研究已做了大量的工作,取得了诸多成果。Brideau et al.(2008),Liu et al.(2021)强调预先存在的岩体裂隙对脆性完整岩石物理力学性质的重要影响。Gehle et al.(2003)通过对岩类材料试样的直接剪切试验,确认了裂隙倾角和法向应力是控制岩石剪切的重要参数。由此表明研究岩体结构面剪切力学行为时考虑裂隙形态及法向应力的影响十分必要。

目前对岩体结构面的研究主要集中于强度及变形特征和损伤裂纹演化过程及破坏模式两方面。在剪切强度及变形特征方面,孙祥等(2020)通过室内直剪试验发现峰值剪切应力及峰值剪切位移随法向应力增大及节理连通率下降而增大; 王志文等(2019)对共面断续节理岩体采用颗粒离散元法研究了剪应力-水平位移曲线并分为3个发展阶段; 陈国庆等(2017)通过室内直剪实验探究了不同形态、连通率及排列方式和不同法向应力状态的岩桥对断续节理岩体破坏的影响规律; 刘新荣等(2018,2021)通过直剪试验和PFC2D离散元程序,研究了二阶起伏体贯通型锯齿状(波浪状)砂岩试样剪切强度和变形特征。在裂纹演化过程及破坏模式方面,黄达等(2020)通过数值模拟试验分析了拉-压应力状态下岩石损伤演化过程; 刘远明等(2006,2010)根据直剪试验和理论分析,研究了非贯通节理岩体破坏机理,并提出了贯通破坏强度准则和贯通破坏模式; 赵海军等(2019)通过连续介质力学模型的离散元方法,研究了单一裂隙、雁列式平行裂隙及竖直共线断续裂隙岩体裂隙扩展规律及其对岩体破坏路径的影响; 王桂林等(2018)通过室内单轴压缩试验和颗粒流模拟,研究了砂岩含Z型裂隙时的裂纹扩展,并分析了其破裂演化机制; 李勇等(2019)研究了含平行双裂隙的水泥砂浆试件在不同裂隙倾角下裂纹的发展机理及裂纹扩展演化规律; 黄达等(2019)采用法向应力逐渐卸荷而剪切应力保持恒定的直剪试验方法,研究了裂隙与剪切方向的夹角及应力水平对单裂隙砂岩试样破裂演化的影响规律; 刘新荣等(2020)通过单轴压缩试验,分析了含不同夹角V型相交裂隙岩体试件的裂纹演化与破坏模式及能量耗散特征。总体上,在自然界中岩体裂隙存在多种贯通模式,大多学者把贯通、平行、非平行裂隙或单裂隙的岩体作为主要研究对象,然而对Z型相交裂隙的研究较少,且多以单轴压缩实验为其研究的通用手段。特别地,以天然岩石加工的试样为研究对象,并考虑裂隙倾角和法向应力影响的含Z型相交裂隙岩体剪切强度及变形特征和损伤裂纹演化过程及破坏模式的研究文献鲜有报道。

鉴于此,本文采用水刀切割加工制作含Z型相交裂隙岩体试样,开展室内恒定法向荷载(CNL)单向静力直剪试验,从而探究不同倾角和法向应力下含Z型相交裂隙岩体试样的剪应力-位移曲线特征,并对其剪切强度与变形特征进行分析,基于此揭示含Z型相交裂隙岩体的宏观损伤裂纹演化规律并总结出其典型破坏模式。研究成果以期对裂隙岩体剪切力学行为和破坏模式的研究理论进行完善,并为工程岩体稳定性评价提供参考价值。

1 试验介绍

1.1 试验材料

本次试验所用的灰岩试样取自三峡库区(巫山段)某库岸边坡,坡体岩性以灰岩、泥质灰岩及白云岩为主。通过对试样进行室内物理力学特性试验,获得密度、抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力及内摩擦角等物理力学参数,试验结果见表1。

表1 试验材料物理力学参数

1.2 试验模型设计与制作

根据规范(中华人民共和国国家标准编写组,2013)对剪切面的尺寸限制并考虑水刀切割对岩板厚度的尺寸限制,以及考虑剪切试验设备尺寸、参考相关文献,本文最终选择试样尺寸:长100mm,宽40mm,高60mm。同时定义试样裂隙几何参数如下:α为预制平行裂隙与水平面的夹角,a为水平裂隙长度,b为预制平行裂隙长度,本次试验考虑了5种不同倾角(0°、15°、30°、45°、60°)的预制平行裂隙,为了减小试样几何边界的影响,裂隙应当位于试样中间,如图1所示。

图1 试样几何尺寸示意图(单位:mm)

本文试样采用大型岩石切割机切割并采用岩石打磨机打磨,Z型相交裂隙采用高压水射切割机切割,原岩试样加工流程如图2所示。

图2 现场取样及试样加工流程图

1.3 试验工况

为研究不同倾角的预制平行裂隙对岩石试样力学性质和破坏模式的影响,设计了不同参数的Z型相交裂隙试样:裂隙长度a为15mm,b为15mm。具体试验方案见表2。

表2 试验工况设计

1.4 试验设备及加载方案

室内直剪试验在WDAJ-600型微机控制电液伺服岩石剪切流变试验机上进行,采用室内恒定法向荷载(CNL)单向静力直剪加载方式,加载速率为0.5mm·min-1,采用活塞式油缸单向或双向加载,测力和位移传感元件分别为负荷式和磁致式传感器。

此外,为了减小剪切盒和试样之间摩擦力对试验结果的影响,试验前需在接触面涂抹适量润滑剂,用来减小摩擦约束和应力集中。试验数据由多通道智能数据采集仪和电脑采集; 试样裂隙的产生、发展和贯通由高速摄像机进行拍摄监测,并由电脑记录。试验所用设备及加载示意图见图3。

图3 试验设备及加载示意图

2 试验结果及分析

2.1 剪切强度和变形特征

剪应力-剪位移曲线能较好地反映试件剪切破坏特征。不同裂隙倾角试件剪应力-剪位移曲线如图4所示,可明显看出试件在恒定法向轴压剪切破坏的过程中有不同的发展阶段。因不同法向正应力和裂隙倾角下曲线变化规律相似,本文仅选取法向轴压为6MPa,裂隙倾角为0°的剪应力-剪位移曲线为例,将曲线分为4个变形和破坏阶段:预制裂隙和孔隙压实阶段,准线性变形阶段,峰前不稳定断裂发展阶段,峰后残余强度阶段,如图5所示。

图5 剪应力-剪位移曲线不同阶段破坏划分

(1)第1阶段,预制裂隙和孔隙压实阶段(OA段):法向应力恒定,加载初期剪应力逐渐缓慢增加,试件受到剪切作用。初始阶段曲线向上攀升,但明显呈下凹的形态。在这一阶段,试样的预制裂隙和内部孔隙被压实,导致初始微裂纹的闭合。随着剪切位移的增加,剪应力-剪位移曲线逐渐进入准线弹性变形阶段。

(2)第2阶段,准线性变形阶段(AB段):加载过程中曲线保持一定的斜率,剪应力随着剪切位移近似线性增大。岩石试件发生剪切弹性变形的同时,预制结构面也产生小的剪切变形。随着剪切位移的增大,可观察到预制裂隙尖端或者试件两侧端面存在初始裂纹的发展。剪切位移继续增大,裂纹扩展并迅速稳定。由于二次裂纹的产生,曲线可能在局部出现较小的应力降,这是因为节理尖端的能量释放,在宏观上,剪应力并没有丧失,而是继续呈波动起伏状态线性增大。

(3)第3阶段,峰前不稳定断裂发展阶段(BC段):加载后期剪应力增长趋势减缓,因此曲线略有向上凸起的形态。这一阶段应变能逐渐积累到极限,岩石试件开始发生不稳定断裂破坏,试件连续脆性断裂,部分试件裂缝周围的表层岩石崩落,同时可观察到曲线较小的应力降。剪应力达到峰值时,裂缝的扩展和贯穿路径为能量消耗最小的路径,试件破裂贯通。

这一阶段可以进一步分为3种类型:①在峰值应力之前,曲线从近线性增长逐渐过渡到略微向上凸起,且无明显的应力降,如图4c中的α=0°曲线,反映了裂隙的连续扩展过程; ②在峰值应力之前,曲线基本保持第二阶段的近线性增长,向上凸起部分在很短的剪切位移内,且无明显的应力降,如图4b中的α=30°曲线,反映了裂隙突然发展贯通的过程; ③在峰值应力之前,曲线存在明显的应力降,如图4a中的α=0°曲线,反映了裂隙扩展的方向或位置发生了变化,或裂隙扩展路径中的破坏模式发生了变化。

(4)第4阶段,峰后残余强度阶段(CD段):在此加载阶段,剪切位移增长较小,剪切应力急剧下降,曲线陡降。当剪切应力达到峰值强度时,试件的能量突然释放,裂隙突然发展贯通,即剪切应力突然下降。由于剪切位移控制的单向加载试验设备控制精度不够,导致曲线产生滞后回线的假象。当倾斜裂隙夹角或法向应力较大时,试件不能沿宏观结构面剪切滑动,即发生啃咬破坏,应力下降。

2.2 剪切力学行为影响因素分析

本文考虑了裂隙倾角、法向应力两个因素对试件剪切强度的影响。依据直接剪切试验采集到的数据,图6为不同裂隙倾角条件下峰值强度与法向应力的关系,图7为不同法向应力条件下峰值强度与裂隙倾角的关系。

图6 不同裂隙倾角峰值强度与法向应力的关系

图7 不同法向应力峰值强度与裂隙倾角的关系

由图6分析可知,相同裂隙倾角条件下,试件的剪切峰值强度随着法向正应力的增加呈近似线性增长趋势,曲线增长速率随着裂隙倾角的增大而减小。特别地,裂隙倾角α=0°～60°相邻工况剪切峰值强度差值越来越小,法向正应力为4MPa时裂隙倾角α=45°和60°两者剪切峰值强度相近。

由图7分析可知,相同法向正应力条件下,试件的剪切峰值强度随着裂隙倾角的增加而减小,且不同法向正应力的变化趋势基本一致(降低趋势均为先陡降后缓降)。在裂隙倾角α=0°～30°之间,试件峰值强度减小相对较快; 在裂隙倾角α=30°～60°之间,减小速率趋于平缓。一般地,裂隙倾角较大条件下试件剪切变形产生张拉裂隙较多,剪切峰值强度较小,而裂隙倾角较小条件下试件主要为剪切破坏,剪切峰值强度较大。

2.3 宏观损伤裂纹演化过程与破坏模式

2.3.1 宏观损伤裂纹演化过程

通过对试件裂隙扩展过程的拍照记录,可以初步观察扩展裂纹的断裂特征,破坏模式和截面形态。所有试件如图8所示。剪切断裂面上有白色的剪切和挤压划痕、破碎的剪切碎片和剪切断裂区,而拉伸断裂面多为灰色,无白色岩粉,如图9所示。基于此,分析了不同裂隙倾角试件在不同正应力作用下的宏观损伤裂纹演化过程和剪切破坏模式。特别地,由于试件本身质量的不同与预制裂隙加工的误差,部分试件的破坏形态比较复杂,但总的来说,能总结出相对明显的规律。

图8 不同工况最终损坏形态

图9 断裂面特征

由图10分析可知,含Z型相交裂隙岩体的宏观损伤裂纹演化过程分为3个阶段(阶段P1～P3)。宏观损伤裂纹演化阶段P1:初始压密弹性阶段少量的初始微裂纹在预制裂隙尖端或试件两侧端面产生,试件所吸收的能量大部分被转换为弹性能储存起来,小部分用于岩石微裂隙及结构面压密。宏观损伤裂纹演化阶段P2:裂纹扩展增长阶段宏观裂纹继续在初始微裂纹的基础上发展,可观察到明显的裂纹开裂发展路径,部分试件裂纹发展过程伴随着表面岩体的脆性剥落。夹角45°～60°的情况下,部分试件初始裂纹在预制裂隙中段出现,试件加载到一定程度,初始裂纹停止发展,预制裂隙尖端萌生最终破坏贯穿的裂纹。扩展裂纹尖端应力强度因子会随着扩展长度的增加而降低,导致在预制裂纹新的地方产生新的分支裂纹。宏观损伤裂纹演化阶段P3:贯通断裂破坏阶段试件在压剪的作用下应力达到峰值,迅速脆性断裂,裂纹最终发展贯通试件侧面,丧失剪切承载能力,试件彻底破坏。

图10 预制裂隙宏观损伤裂纹演化过程

2.3.2 典型破坏模式

由于试验中的预制Z型裂隙贯穿试件,试件前后两面的裂隙形态及破坏模式基本相同,因此,只对试件单面的破坏模式进行分析。总的来说,可以总结为3种典型的破坏模式:拉伸破坏、剪切破坏和拉剪混合破坏。其典型试件的不同演化阶段,剪切断面以及宏观裂纹损伤演化过程简图如图10所示(S为剪切破坏,T为拉伸破坏)。拉伸裂纹没有明显颗粒摩擦的痕迹,断面平整且呈黑灰色; 剪切裂纹有明显的颗粒摩擦痕迹,断面粗糙且呈灰白色,并存在表面岩石碎屑剥落的现象。

(1)拉伸破坏模式:从预制倾斜裂隙上部尖端向上发展(从下部尖端向下发展)的裂纹被称为翼裂纹; 从倾斜裂隙上部尖端向下发展(从下部尖端向上发展)的裂纹被称为反翼裂纹。拉伸破坏一般以翼型裂纹的形式在预制倾斜裂隙两端出现,裂纹细长,并逐渐向试件边界扩展贯通,走势平滑(图10(1)),该模式常出现在法向轴压σ=2MPa时。

(2)剪切破坏模式:从倾斜裂隙尖端沿着倾斜角度发展的裂纹被称为共面剪切裂纹; 从倾斜裂隙尖端与倾斜角度呈一定角度发展的裂纹被称为斜向剪切裂纹。剪切破坏一般在预制裂纹尖端出现,也有从试件边缘两端向预制裂隙发展的情况,这些裂隙互相搭接形成贯通的剪切破坏面,裂纹粗糙,伴有岩石颗粒剥落的现象,走势凹凸不平(图10(2)),该模式常出现在法向轴压σ=6MPa且裂隙倾角α=0°和15°时。

(3)拉剪混合破坏模式:剪切裂纹和拉伸裂纹的扩展贯通,根据这两种裂纹的宏观演化过程以及分布区域的不同,拉剪混合破坏可以分为以下两种:①拉伸-剪切贯通模式:裂纹的扩展方向是先在预制裂隙尖端或试件边缘产生拉伸翼裂纹,向试件中部扩展到一定程度后以剪切裂纹的模式继续扩展贯通。特别地,剪切裂纹的扩展方向慢慢向水平靠拢(图10(3a))。该模式常出现在法向轴压σ=4MPa,6MPa且裂隙倾角α=30°～60°时。②剪切-拉伸-剪切贯通模式:剪切裂纹先在试件边缘沿近水平方向扩展一定距离,再转变为拉伸裂纹延伸,最后以剪切破坏模式贯通试件; 剪切裂纹先在预制裂隙尖端沿近水平方向扩展一定距离,再在试件边缘向预制裂隙延伸,最后裂隙搭接以拉伸破坏模式贯通试件。裂隙呈现三段式特征(图10(3b))。该模式常出现在σ=4MPa时。不同裂隙倾角和法向应力条件下,试件的扩展裂纹类型列于表3,总结如下:

表3 试件的裂纹类型

(1)α=0°和15°时,剪切破坏模式和以剪切破坏为主的拉剪混合破坏模式占裂纹扩展类型的主要部分;α=30°～60°时,拉伸破坏模式和以拉伸破坏为主的拉剪混合破坏模式占裂纹扩展类型的主要部分。即随着预制裂隙倾角的增加,裂纹扩展从剪切主导的张剪混合扩展逐渐转变为张拉主导的张剪混合扩展。

(2)σ=2MPa时,拉伸破坏模式占裂纹扩展类型的主要部分;σ=4MPa时,裂纹扩展类型以剪切-拉伸-剪切破坏模式为主,拉伸-剪切破坏模式为辅;σ=6MPa时,裂纹扩展类型以剪切主导的拉剪混合破坏模式为主,剪切破坏模式为辅。即随着法向应力的增加,裂纹扩展从张拉主导的张剪混合扩展逐渐转变为剪切主导的张剪混合扩展。

3 结 论

针对含Z型相交裂隙灰岩试件,考虑裂隙倾角和法向应力的影响,采用直接剪切试验对其剪切力学行为进行研究,主要得到以下结论:

(1)含Z型相交裂隙试件恒定法向轴压剪切破坏的剪应力-剪位移曲线可分为4个变形破坏阶段:预制裂隙和孔隙压实阶段,准线性变形阶段,峰前不稳定断裂发展阶段,峰后残余强度阶段。第3阶段可以根据上凸段位移和是否有应力降进一步分为3种类型。

(2)在裂隙倾角角度相同的条件下,试件的峰值剪应力随法向应力的增加呈近似线性增长趋势。在法向应力大小相同的条件下,试件的峰值剪应力随裂隙倾角的增大而减小(降低趋势为先陡降后缓降)。

(3)含Z型相交裂隙试件宏观损伤裂纹演化过程可分为初始压密弹性阶段、裂纹扩展增长阶段及贯通断裂破坏阶段。根据试件最后单面剪切裂隙破坏的分析,破坏模式可以分为拉伸破坏、剪切破坏和拉剪混合破坏3种。其中拉剪混合破坏模式又可以分为拉伸-剪切贯通和剪切-拉伸-剪切贯通两种。随着预制裂隙倾角的增加,裂纹扩展从剪切主导的张剪混合扩展逐渐转变为张拉主导的张剪混合扩展。随着法向应力的增加,裂纹扩展从张拉主导的张剪混合扩展逐渐转变为剪切主导的张剪混合扩展。