人工結構面剪切試驗及數值模擬分析

孫敬輝, 鄭羅斌, 吉 鋒

(1.成都理工大學 環境與土木工程學院, 四川 成都 610059; 2.中國地質大學 工程學院, 湖北 武漢 430074)

節理抗剪強度影響著巖體的強度和穩定性。目前，室內直剪試驗是獲取節理強度參數的常用方法。然而，節理的抗剪強度非常依賴于節理表面形貌，隨著現代測量技術和試驗材料的發展，很多在三維層面上反映節理形貌參數與抗剪強度關系的模型公式被提出來[1-3]。

Patton[4]用石膏制作了鋸齒狀結構的節理，研究了爬坡效應和切齒效應并且提出了著名的雙直線強度模型。該模型首次提出起伏角的剪脹效應，并且引入到摩爾—庫倫摩擦定律之中。Ladanyi等[5]通過假定凸起體面積占節理總面積比例，分析了結構面剪切過程中的剪脹效應和剪斷效應。Schneider[6]從結構面起伏角與法向正應力之間的相互關系著手，通過大量的模型試驗得出抗剪強度經驗公式。Barton等[7-8]則以真實結構面為研究對象并在大量觀察和試驗的基礎上，引入結構面粗糙度系數并提出了如下的著名的JRC-JCS模型：

(1)

式中：τp——峰值抗剪強度；φb——基本摩擦角； JSC——結構面面壁強度；σn——法向應力；JRC——粗糙度系數。這個模型被廣泛的運用于實踐工程中。

以上結構面剪切強度模型大多是對結構面剪切方向上的一條剖面線的抗剪強度進行估算[9]，實際上，巖體結構面是巖體中的三維面，具有一定的空間延展性，而結構面的抗剪強度也在很大程度上受到結構面三維接觸及接觸區域分布的影響，如果不考慮結構面三維效應，勢必對結構面抗剪強度的正確估算產生影響。Grasselli等[10]在大量巖石拉斷面的直剪試驗、模型試驗和光學測量的基礎上，提出了考慮結構面三維效應的抗剪強度模型。這是一個考慮三維形貌參數的預測模型。本文擬在室內試驗和數值模擬的基礎上，通過相似比材料，采用精準配比的混凝土澆筑而成的真實的結構面試樣，對其進行直剪試驗，分析剪切前后結構面形貌的變化和剪切應力的分布規律。以期為巖體結構在剪切情況下的力學特征提供工程依據。

1 人工節理直剪試驗

1.1 試樣制作

天然巖石結構面在取樣過程上有一定的困難，并且結構面直剪試驗做完一次后，結構面就遭到了破壞，這樣的結構面無法重復利用試驗，既沒有代表性也使得成本花費大大提高[11]。因此，本研究采用混凝土相似材料制作結構面表面形貌完全相同的試樣進行試驗[12-13]。首先，采用手持式三維激光掃描儀和3 D打印技術復制了結構面三維形貌[14-15]，并且用PLA材料打印成模具；其次，在模具上澆筑混凝土，澆筑時要預先涂上脫模劑以保證能夠容易脫模。

試樣上下盤的尺寸均為100 mm×100 mm×50 mm；試樣以水泥為膠凝材料，中粗砂、細砂為集料、細碎石為骨料，摻入減水劑、硅粉、綠色碳化硅等混凝土添加劑復合而成的高強度地質力學模型材料。相似材料[16]的配比方案為：m水泥∶m砂=1∶1.5，m水泥∶m水=1∶0.3，m砂∶m碎石=4∶1，減水劑參量2%，早強劑參量2%，硅粉參量10%，碳化硅參量15%。節理基本參數如表1所示。

表1 節理基本參數

1.2 試驗儀器

本次試驗中采用的是成都理工大學研制的XJ-2型攜帶式剪切儀，該設備采用手動加載，分別配套了水平、垂向兩套油壓加載系統，包括油泵(2個)、千斤頂6 t(3個)行程3 mm、承受荷載的粗鋼絲繩及荷載千斤頂鋼絲繩套，豎向最大試驗力600 kN，水平最大試驗力600 kN；水平位移數據采集儀表兩個(行程30 mm，精度0.01 mm)，豎向位移采集儀表兩個(行程10 mm，精度0.01 mm)。能夠較好的滿足本次試驗荷載分級和位移采集的要求。

1.3 試驗結果

試件共分為4組共20個試件，為充分研究結構面剪切過程中正應力與剪切位移的關系，每種類型試件分別在的0.5，1，1.5，2，3 MPa的法向應力下進行剪切試驗，加載方式為分步加載:先加法向力達到預定值保持不變，然后以一定速率施加切向力，一般為保證采樣數據的密度要求，每級加載0.2 MPa進行一次數據采集，包括水平油壓表讀數、豎直向油壓表讀數、水平位移讀數(2個表讀數取平均值)、豎向位移讀數(2個表讀數取平均值)，直至試件發生破壞，獲得結構面剪切試驗曲線和試驗數據。利用計算結果繪制剪應力—水平位移曲線(4組不同結構面形貌規律基本一致，如圖1所示)。

為更清晰地反應結構面剪切試驗完成后的破壞情況，試驗中將結構面表面涂一層不影響結構面摩擦特性的紅色的水粉染料(見圖2)。試驗中還分別獲取了在3 MPa法向應力下，剪切前后結構面的10條粗糙輪廓線,粗糙輪廓的平均下降高度為1.03 mm，最大下降高度為2.92 mm。

注：ST1，ST2，ST3，ST4為4組不同形貌結構面的編號。圖1 節理試樣剪切位移-剪切應力特征

注：圖中數字1—10為10條粗糙輪廊線的編號。圖2 剪切前后的節理試樣

2 數值模擬分析

為了詳細研究結構面在直剪試驗過程中的細觀力學特性和破壞特征，用數值模擬的方法研究巖石結構面剪切試驗時，必須對室內試驗的參數完全進行還原。本試驗選擇了100 mm×100 mm×50 mm的上下兩塊巖石結構面試樣，進行編程形成了立方體的研究模型，然后施加邊界條件，固定結構面的下盤受到各個方面的約束力，在上盤上給予分布均勻的分布荷載，固定其值，最后給予側向應力，其值變化區間為[1.0 MPa,10.0 MPa]。剪切荷載以剪切位移方式控制，剪切荷載速率為5.0×106mm/step。

由剪切位移分別在0.5 mm和4 mm時對應的分別是結構面峰值抗剪強度和殘余抗剪強度結果可知，不是所有的表面都受到剪應力的作用。受到剪應力作用的表面大都是面向剪切方向的，而且面向剪切方向表面傾角越大，剪應力越大。給出了法向應力0.5，1，1.5，2，3 MPa時，對應的結構面峰值抗剪強度和殘余強度應力分布，由應力分布可知，隨著方向應力的增加，結構面受剪應力影響的范圍隨之增大。

從直剪試驗和數值模擬試驗得到的剪切前后的二維剖面線和三維表面的應力分布結果可以得到如下結論：

(1) 結構面應力分布規律。從不同法向應力下的剪切應力結果可以看出剪切應力的分布規律是，隨著法向壓力的增大，剪切應力的大小和范圍都增大，隨著法向壓力的增大，剪應力區域并沒有太明顯的改變。剪應力最大值是在產生剪應力的部分結構面的中上部，而不是頂部；而且是一些孤立的“島”是這些“島”，還有“島”的基礎主要承擔剪應力，島主要承擔部分結構面上的小凸起部分的抗剪力，其次才擴大到是“島”基，最后擴大到部分結果面，而且并不是所有表面都存在剪應力，只有結構面法線方向與施加的剪力方向小于90°，對剪切提供抗力的表面上存在剪切力。

(2) 結構面剪切特性。從HAC3D生成的結構面模型結果可知，節理試樣剪切位移—剪切應力曲線與傳統規律基本一致，說明了試驗數據的可靠性。在法向應力為3 MPa結構面的剪切破壞區域并不是包括整個結構面，而是只占了結構面全部面積的一部分，結構面的剪切接觸面積與法向應力的大小有關，法向應力越大，剪切接觸面積越大，這與數值模擬應力分布規律基本吻合。另外，結構面表面高處的小凸起體顯著的被大量剪斷了，而在較低處的小凸起體損壞區則不明顯，結構面高度通過剪切試驗平均被剪斷下降了1.03 mm，結構面最高處容易被剪切掉。

3 結 論

(1) 本試驗基于節理的剪切運動機制及巖性相似材料理論，采用了一種配制高強度相似材料的配比方案為：m水泥：m砂=1∶1.5，m水泥：m水=1∶0.3，m砂：m碎石=4∶1，減水劑參量2%，早強劑參量2%，硅粉參量：10%，碳化硅參量：15%，該配比方案可為進行巖體結構面試驗的人員提供技術參考。

(2) 剪切應力的分布規律：隨著法向壓力的增大，剪切應力的大小和范圍都增大，隨著法向壓力的增大，剪應力區域并沒有太明顯的改變。剪應力大小從施加剪切力的一端向另一端總體上呈增大趨勢，而且并不是所有表面都存在剪應力，只有結構面法線方向與施加的剪力方向小于90°，對剪切提供抗力的表面上存在剪切力。巖體結構面剪切破壞過程中,面向剪切方向的微小平面發揮主要抗剪作用，節理面的剪切破壞區域并不包括整個結構面，只占了結構面全部面積的一部分，節理面的剪切接觸面積與法向應力的大小有關，法向應力越大，剪切接觸面積越大。