直剪作用下不共面斷續節理巖橋破斷試驗與數值研究

摘要：在伺服控制剪切加載系統下對不共面類巖石斷續節理試件進行正向、反向直剪試驗，研究直剪下不共面斷續節理的巖橋破斷機理和剪切規律，試驗研究發現，直剪作用下不共面斷續節理巖橋破壞過程具有明顯的階段性，經歷線彈性階段、裂紋起裂擴展階段、巖橋斷裂貫通階段、剪切面爬坡咬合階段和殘余摩擦階段5個階段，正向剪切下巖橋呈齒形破斷面，反向剪切作用下巖橋產生沿直剪方向貫通的帶形破斷面，與正向剪切相比，反向剪切下節理的初裂抗剪強度和峰值抗剪強度較大，裂紋傾角、法向應力和相鄰節理搭接比例是影響試件初裂抗剪強度和峰值抗剪強度的主要因素。采用FLAC3D對正向、反向直剪作用下不共面斷續節理的巖橋破斷、剪切破斷面的形成過程進行數值試驗，數值試驗結果和類巖石直剪試件的試驗結果基本吻合，數值試驗揭示了直剪作用下不共面斷續節理巖橋的拉裂破壞和破斷面的剪切屈服機理。

關鍵詞：巖石力學；斷續節理；初裂抗剪強度；峰值抗剪強度

中圖分類號：

TU457

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）01005909

工程巖體的破壞和失穩通常是由于在荷載作用下，巖體中斷續節理的張開、閉合、起裂、擴展及貫通而產生新的剪切破斷面所引起的[13]。在這些剪切破斷面上除了原生結構面外，還包含原生節理間巖橋的破斷面。巖體的破壞特征表現為原生節理和自節理端部擴展的巖橋斷面所組成的復合破壞面[46]。研究斷續節理巖橋張拉破壞的初裂機理與巖橋貫通機制對于探討巖體工程的失穩及漸進破斷機理具有重要理論意義[78]。

直剪試驗可以很好地模擬斷續節理巖體的受力狀態，是研究斷續節理擴展貫通的有效試驗手段。目前大量的理論和試驗工作集中在單軸或雙軸試驗研究，較少采用直剪試驗研究[911]。通過分析斷續節理的幾何和力學特點，進行斷續節理巖體直剪試驗，研究斷續節理擴展貫通規律，為探索斷續節理巖橋破斷提供了新的研究思路。直剪試驗條件下，若節理全部分布在剪切平面內，為共面斷續節理。若節理不全在剪切平面內，則為不共面斷續節理。各國學者對剪切作用對共面斷續節理破壞模式和力學機理進行了不少研究。 Lajtai等[12]按法向應力的大小，將巖橋的破壞分為張拉、剪切和擠壓破壞。朱維申等[13]對剪切面含3條節理的試樣進行直剪試驗，發現共面斷續節理巖體存在剪脹和受剪上抬后轉動現象。白世偉等[14]研究發現法向應力、節理的連通率、排列方式對共面斷續節理巖體的貫通擴展有重要影響。劉遠明等[15]在試驗研究的基礎上提出了直剪條件下共面斷續節理巖橋力學性質弱化機制和巖橋貫通模型。目前對研究共面斷續節理巖體較多，而對不共面斷續節理巖體研究較少。Savilahti等[16]進行了2條不共面斷續節理巖體直剪試驗，發現巖橋的破斷源于斷續尖端，與節理面接近垂直的方向擴展并最終貫通。

直剪作用下斷續節理巖橋的貫通破壞模式及其變形和強度特性在很大程度上受斷續節理面的規模、密度和空間分布特征的控制，巖橋的傾角和長度將直接影響其變形和破壞機制。已有研究對共面斷續節理的剪切破壞機理進行了大量實驗和理論研究，而對于直剪作用下不共面節理的全剪切失效過程及強度特性的實驗研究很少報道。筆者以不共面斷續節理巖體為研究對象，以水泥砂漿作為類巖石材料，對不同排列分布的斷續節理試件進行平面應力加載條件下的正、反向直剪試驗，探討直剪下不共面斷續節理的巖橋破斷方式和剪切全過程規律。并通過FLAC3D對巖橋破斷機理、剪切破斷面的形成過程進行數值研究，以揭示巖橋的拉裂破壞和破斷面的剪切屈服機理。

趙延林，等：直剪作用下不共面斷續節理巖橋破斷試驗與數值研究

1試驗材料與試驗方案

1.1試件制備

為研究直剪作用下巖橋的脆性破壞，試驗采用與巖石相似（脆性、剪脹）的模型材料（由白水泥、沙子、水組成）制作類巖石模型試樣，采用的模型材料配比為：白水泥∶沙子∶水=26∶25∶10（重量比），沙子為粗細不同的兩級清潔粒組（0.15～0.30 mm），試驗模具采用鋼制模具，其內部尺寸為：20 cm×15 cm×3 cm。

將0.1 mm厚的薄鋼片按一定展布沿直剪方向預置于模具中央，將一定配比的水泥砂漿料澆注于模具，在室溫下養護3～4 h后，將擦拭機油的1 mm厚鋼片在預設直剪引導裂紋位置插入試件中以形成直剪引導裂紋，養護12 h后，脫模，并將鋼片抽出；試件脫模后，檢查試件表面及端部平整度，并對裂紋的貫穿性進行檢查，對出現形狀不規整、端部不平的試件進行打磨，保證試件的不平整度滿足試驗要求；對于出現的破損試樣進行剔除。將脫模后的試件放入自來水中養護28 d。

1.2不共面斷續節理展布及試驗設備

為研究直剪作用下不共面斷續節理的巖橋斷裂、貫通、剪切機理，在直剪面上布置多條斷續節理以研究不同傾角、不同巖橋長度下不共面斷續節理巖橋破斷規律和強度特性。

試驗采用斷續節理長度b=4 cm，傾角α取15°、30°、45°、60°和90°，裂紋條數n取3、4、5條，每種試件各加工5組，并按一定規則將其編號，如SC4541表示裂紋傾角為45°，裂紋條數為4條的第1組試件。圖1為不共面斷續節理展布示意圖。

圖1不共面斷續節理展布示意圖

直剪作用下不共面斷續節理的巖橋破斷試驗在湖南科技大學巖石力學試驗室的長春朝陽公司生產的RYL600微機控制巖石伺服剪切流變儀上進行。試驗機采用DOLI全數字交流伺服測試系統，壓力長時間穩定度≤±2%，變形測量精度在±0.5%以內，可進行巖石材料的變角度剪切、三軸流變和結構面的直剪試驗。直剪試驗過程以0.5 kN/s的速率（應力控制）施加預設法向荷載，固定法向力，以0005 mm/s的變形速率（應變控制）施加水平剪切力，直至試驗破壞。用數碼相機對斷續節理的斷裂、貫通、剪切全過程進行實時觀測并視頻輸出。圖2為正在RYL600微機控制巖石伺服剪切流變儀進行直剪作用下不共面斷續節理的巖橋破斷試驗圖。

圖2直剪作用下不共面斷續節理的巖橋破斷試驗

為研究不同剪切方向下不共面斷續節理的巖橋破斷規律，采用正向剪切和反向剪切兩種不同的直剪模式對試件進行剪切試驗。正向剪切和反向剪切加載方式見圖3。

圖3正向剪切和反向剪切加載方式

2直剪下不共面斷續節理的強度特性

2.1正向剪切下不共面斷續節理全剪切過程

以裂紋傾角45°，含4條斷續節理的試件（編號SC4541）為例，研究正向剪切下不共面斷續節理的全剪切過程。圖4為試件SC4541的全剪切曲線。正向剪切作用下受剪面的變形和破壞過程具有明顯的階段性，在一定壓應力下，隨剪應力的增加，試件經歷線彈性階段、斷續節理尖端起裂擴展階段、巖橋斷裂貫通階段、剪切面爬坡咬合階段和殘余摩擦階段5個階段。正向剪切下不共面斷續節理全剪切過程強度特性如下：

圖4正向剪切下試件SC4541的全剪切曲線

（α=45°，n=4）

1）剪切第1階段——線彈性階段。在一定的法向正應力下，隨剪應力的施加，斷續節理上、下表面發生相對位移，斷續節理尖端拉應力集中，在裂紋尖端應力強度因子達到材料的斷裂韌度之前，整個受剪面處于線彈性階段，此時試件的彈性抗剪強度為S1。

2）剪切第2階段——斷續節理起裂擴展階段。隨剪應力的增加，節理面上多余能量將集中到裂紋尖端部位，使裂紋端部產生拉應力集中。當裂紋尖端應力強度因子達到材料的斷裂韌度時， 裂紋尖端出現拉剪型翼形裂紋，剪應力有小幅跌落，翼形裂紋穩定擴展，剪切承載能力并不因初裂而喪失。試驗發現，靠近加載端的節理首先起裂，遠離加載端的節理滯后起裂，此時試件的初裂抗剪強度為S2。

3）剪切第3階段——巖橋斷裂貫通階段。隨著翼形裂紋的擴展，靠近加載端的節理首先呈齒形貫通，遠離加載端的節理貫通延遲，剪切承載能力下降，當破斷面貫通時試件的貫通抗剪強度為S3。

4）剪切第4階段——剪切面爬坡咬合階段。剪切破斷面貫通后，隨剪應力的增加，剪切面爬坡咬合，剪切承載能力上升，試件抗剪強度達到峰值S4。

5）剪切第5階段——殘余摩擦階段。當試體越過峰值強度，沿主破斷面發生宏觀整體的脆性剪斷破壞后，其抵抗剪切荷載的能力迅速下降，僅依靠其破斷面的摩擦阻力承擔，試件進入殘余摩擦階段，此時試件殘余抗剪強度為S5。

正向剪切作用下試件SC4541的全剪脹曲線見圖5。圖5表明隨剪切位移的增加，試件法向膨脹，而產生剪脹位移，其剪脹效應在剪切面爬坡咬合階段表現尤為顯著，最大剪脹位移達5.24 mm。

圖5正向剪切下試件SC4541的全剪脹曲線

（α=45°，n=4）

圖6為正向剪切作用下試件SC4541的巖橋破斷圖。正向剪切作用下巖橋的破斷形式為斷續節理交錯貫通搭接，最終形成齒形破斷面。

圖6正向剪切下試件SC4541的巖橋破斷圖

（局部放大圖）

2.2反向剪切下不共面斷續節理全剪切過程

圖7為裂紋傾角45°，含4條斷續節理的試件SC4542的反向剪切過程全曲線。反向剪切作用下受剪面的變形和破壞過程亦具有明顯的階段性。與正向剪切相似，反向剪切過程也經歷線彈性階段、斷續節理起裂擴展階段、巖橋斷裂貫通階段、破斷面摩擦咬合階段和殘余摩擦階段。

圖7反向剪切下試件SC4542的全剪切曲線

（α=45°，n=4）

反向剪切加載初期，試件受剪面處于線彈性階段，彈性抗剪強度為S1；當剪切位移達2.6 mm左右時，試件初裂，斷續節理尖端萌生平行于直剪方向的拉剪型裂紋，其初裂抗剪強度S2；隨剪切位移的增加，在近直剪方向上拉剪裂紋將斷續節理貫通，形成完整破斷面，此時剪應力跌至最低值S3；由于摩擦作用以及破斷碎塊的咬合作用，剪應力回升，并達到峰值抗剪強度S4。此后在一定的正應力作用下，依靠破斷面的摩擦力，抗剪強度在殘余強度S5附近徘徊。隨剪切位移的增加，試件的剪脹效應在斷續節理起裂擴展階段開始顯現，在剪切面爬坡咬合階段表現尤為顯著，最大剪脹位移為3.92 mm。圖8為反向剪切下試件SC4542的全剪脹曲線。

圖8反向剪切下試件SC4542的全剪脹曲線

（α=45°，n=4）

圖9為反向剪切作用下試件SC4542的巖橋破斷圖。反向剪切作用下巖橋的破斷形式表現為斷續節理尖端萌生平行于直剪方向的拉剪裂紋（見圖9（a）），圖9（a）對應于圖7中全剪切曲線上的A點，處于巖橋斷裂貫通階段；拉剪裂紋將斷續節理沿直剪方向貫通，最終形成帶狀破斷面。伴隨帶狀破斷面的貫通形成，在加載端部由于局部應力集中而萌生剪切裂紋（見圖9（b）），圖9（b）對應于圖7中全剪切曲線上的B點，處于摩擦咬合階段。

圖9反向剪切下試件SC4542的巖橋破斷圖（局部放大圖）

與正向剪切相比，反向剪切下節理的初裂抗剪強度、峰值抗剪強度較大。反向剪切下由于近直剪方向的拉剪裂紋的貫通，導致剪應力下降幅度遠比正向剪切下裂紋貫通時的剪應力跌落幅度要小得多，反向剪切下的剪應力下降幅度為0.26 MPa， 僅為正向剪切下的剪應力跌落幅度的1/4。而且裂紋起裂至貫通過程中反向剪切的剪切位移行程遠大于正向剪切的情況，反向剪切下完成拉剪裂紋貫通的剪切位移行程為2.87 mm，其位移量是正向剪切情況下的5.08倍。這說明反向剪切下不共面續斷節理的起裂擴展具有延性，拉剪裂紋的擴展、貫通不會導致試件抗剪強度的急劇下降。反向剪切下剪切面的摩擦咬合作用不及正向剪切，剪切承載能力上升幅度不大，但反向剪切下的峰值抗剪強度達到仍要大于正向剪切下的峰值抗剪強度。

2.3裂紋傾角90°試件的全剪切過程

對裂紋傾角90°試件而言，正向剪切和反向剪切無區別，圖10為法向應力為1.0 MPa下含4條斷續節理，傾角90°的試件SC9041的剪切全過程曲線。在法向應力1.0 MPa下，當剪切位移達1.98 mm左右時，試件初裂，節理尖端萌生平行于直剪方向的拉剪型裂紋，其初裂抗剪強度S2=2.18 MPa；隨剪切位移的增加，在巖橋間出現斜切方向上的壓剪裂紋，壓剪破裂面和拉剪破裂面貫通，剪應力跌至最低值S3=0.81 MPa；隨后由于破裂面的摩擦以及碎塊咬合作用，剪應力回升，并達到峰值抗剪強度S4=283 MPa。由于破裂碎塊的增加，其抗剪能力逐漸下降，剪切過程進入殘余強度階段。