循環剪切對節理面形貌及強度劣化規律的微觀力學研究

張向陽，曹 平，陳 銳，周 罕，雍偉勛

(1.中南大學 資源與安全工程學院，長沙 410083；2.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司，昆明 650051；3.長安大學，西安 710064)

節理是地殼巖石中最廣泛發育的一種常見斷裂構造，是巖石承受外力而出現的裂隙。節理在某些外荷載(如地震，爆破)作用下可能會經歷往復循環剪切，因此研究節理在往復荷載作用下的破壞機理，在工程實踐中具有重要的意義。國內外許多學者研究了巖石節理剪切強度、節理粗糙度與強度關系、剪脹效應、剪切過程中的滲流規律和數值模擬剪切性質以及三維節理巖體形貌特征[1-5]。

不規則的節理面對巖體的抗剪強度有重要影響，至今已有不少節理峰值抗剪強度公式。姚孟迪、夏才初、劉博等[6-8]通過三維形貌掃描后得到節理表面三維形貌數據，通過剪切試驗前后的表面三維形貌變化，研究節理三維形貌表征參數與抗剪強度的關系。但如果按照節理面，由一條或者若干條剖面線進行粗糙度評價，這往往只是對節理面局部的粗糙度進行了表述[9]。唐志成的研究表明節理面剪切強度曲線是不同破壞模式的綜合反映，與剪脹角、節理面粗糙度和法向應力都相關[1]。基于此，現在國內許多學者研究節理面形貌特征與強度曲線的關系，并運用相關的數值模擬進行驗證，孫輔庭[10]利用三維形貌特征和對巖石節理的峰值剪切強度試驗，建立新的巖石節理峰值剪切強度準則；Jafari等[13]利用人工節理面進行循環剪切試驗，分析剪切循環次數和法向應力對節理面造成的影響；趙延林[11]利用隨機形貌巖石節理進行剪切數值模擬，得出峰值剪切位移與 JRC 的變化關系，通過對剪脹理論曲線和數值曲線形態進行分析，提出JRC 和法向應力影響的巖石節理非線性剪脹本構模型；李博等[12]利用天然巖石節理面，進行不同荷載條件下的剪切-滲流耦合試驗，得出了節理面接觸領域在剪切過程中透水系數及流路的變化規律。劉博等[14]利用相似材料做出不同起伏角和巖壁強度的節理試件，在不同的法向應力下進行循環剪切試驗，分析剪切次數與節理強度的關系。

本文利用巴西劈裂的方法對某礦山灰巖進行劈裂，得到人工粗糙的節理面，采用伺服控制的巖石剪切儀對所取的試件進行循環剪切試驗。借助于三維非接觸式高精度激光形貌儀(Talysurf CLI 2000)分別對每次剪切前后的節理面進行掃描，分析節理面上的島嶼和島嶼面積參與剪切過程的變化規律，以及剪切強度的變化，總結島嶼、島嶼面積和剪強的變化規律；對每次掃描所得的500組節理剖面線進行分析，擬合剪切強度曲線與節理面粗糙度系數JRC變化關系。

2 試驗儀器與方法

2.1 試驗儀器

朝陽RYL-600數字伺服控制的巖石剪切流變試驗儀是一臺高精度、多種控制方式的、能實現軸向和橫向雙向加載的節理剪切和巖石流變試驗儀(見圖1)，該儀器由軸向主機、橫向剪切推動器、松下伺服電機及控制系統、德國DOLI 測控系統、計算機系統等組成。分別可采用位移或負荷控制加載方式，最大的軸力為200 kN。Talysurf CLI 2000是一臺由激光發射和接收裝置、專用計算機、操作平臺、控制單元盒、數據采集與控制軟件Talysurf CLI和數據分析軟件 TalyMap 5.0 組成的三維非接觸式高精度激光形貌儀，可掃描200 mm×200 mm的試件，掃描精度達 0.05 μm(見圖2)。

圖1 RYL-600巖石剪切流變儀Fig.1 RYL-600 shear-rheological instrument of rock

圖2 Talysurf CLI 2000三維激光形貌儀Fig.2 Talysurf CLI 2000 surface profiler

2.2 試件的制備

本次試驗采用灰巖試件(50 mm×50 mm×50 mm)做巴西劈裂試驗，測得灰巖的C、∮值，如表1，并得到本次試驗所需的人工節理面，并按巖石力學試驗規范和參考國內外學者關于節理面剪切強度測試方法，設計本次試驗。模具尺寸采用250 mm×200 mm×150 mm，采用混凝土砂漿澆筑試件，置于標準養護箱內養護28 d，達到預定的抗壓強度，為避免試件表面平整度產生試驗誤差，試件表面均進行打磨，以確保剪切力能夠均勻施加。

2.3 試驗方法

試件制備后，采集未剪切時的初始形貌，作為第一剪切過程中受剪的面積，掃描采用0.1 mm間隔進行掃描，掃描精度為0.01 mm。隨循環剪切試驗進行對每次剪切過后進行形貌采集，作為下一次試驗的剪切面積。統計剪切島嶼數、島嶼總面積、島嶼的最大高度。

表1 灰巖節理面基本力學參數

節理面循環剪切試驗運用巖石剪切流變試驗儀，采用法向軸力控制加載速率為50 n/s，恒定法向力為2.4 MPa；橫向位移加載速率為0.2 mm/min，控制精度為±1%，試驗采用正-反循環方式進行剪切，每個試件剪切4次，采集應力—位移曲線。

3 試驗結果與分析

3.1 形貌數據

形貌儀Talysurf CLI 2000掃描循環剪切試驗節理面試件，如圖3 TJ-10-A試件表面形貌及循環剪切次數、方向，按試驗方法采集島嶼參數如表2。從掃描的500組節理剖面線中按等間距提取5條，分別取第50、150、250、350、450組數據，四次剪切后所得的節理剖面輪廓線，如圖4試件掃描局部輪廓線。

從圖3可以看出，對同一節理面，循環剪切對不同置的粗糙度有很大的影響，從圖中的顏色和區域位置得出：1)第一次剪切時，試件節理面相對粗糙，試件局部還存在許多不規則的島嶼(根據形貌儀Talysurf CLI 2000表面三維分形法，將掃描所得的形貌中，最大輪廓等高線能閉合的稱為島嶼)，剪切過后，許多不規則的島嶼基本被磨平；2)在法向應力σ法的作用下，不規則節理面隨剪切應力增加的將沿齒狀面向上滑動，出現爬坡現象，這時節理面表面發生剪脹，剪脹角αn隨每次剪切而改變，從上圖可以得出，剪脹角αn在不斷減小，按巴頓剪脹角關系：

圖3 TJ-10-A試件表面形貌及循環剪切次數、方向Fig.3 Surface morphology after sheared

(1)

(2)

式中:δL為節理面水平位移，δh為節理面垂直位移，σ法為法向應力，JRC為節理面粗糙度系數，σc為節理面附近完整巖石的單軸抗壓強度；3)每次剪切過后，島嶼的齒尖值不斷在減小，齒尖所占的面積減少。

圖4 DJ-5-B 部分節理剖面線簡圖Fig.4 DJ-5-B diagrams of joint profiles

從圖4可以得到，在同一位置的節理剖面線隨著循環剪切，粗糙度明顯變小，對照Barton所制定的10條標準JRC輪廓線，發現JRC取值隨著循環剪切不斷變小，進一步驗證式(2)，循環剪切使得剪脹角在不斷減小。

3.2 形貌高度特征參數分析

根據五組節理面輪廓線數據進分析，表面形貌參數中心線平均高度Z0及均方根值σ。這兩個參數表征輪廓線的平均離差，但他們不能提供表面微凸體形狀、大小及傾角的任何信息。

中心線平均高度Z0計算公式為：

(3)

離散形式為：

(4)

均方根值σ計算公式為：

(5)

離散形式為：

(6)

峰態系數K描述高度分布密度函數的陡峭程度，正態分布的峰態系數為3，當K>3時，稱正峰態，當K<3時稱為負峰態。本文研究以正峰態做為剪切試驗的對象，并以島嶼命名。

峰態系數K計算公式為：

(7)

離散形式為：

(8)

島嶼輪廓峰面積S是表面輪廓與基準面相交而成的每個閉合相交曲線向外(基準面以上)的部分，在一定的取樣面積內可能存在多個島嶼輪廓峰，用序列Spi(i=1，2，…，n，其中n為輪廓峰的個數)表示第i個輪廓峰中最高點到基準面的距離，則表面最大峰高Sp為：

Sp=max(Sp1，Sp2，…，Spn)[15]

(9)

從表2節理面剪切試驗測得數據可知：島嶼個數和島嶼總面積隨著剪切次數不斷增加，島嶼輪廓峰隨剪切次數逐漸降低，但兩個方向來回剪切時，存在主剪切方向和次剪切方向，如TJ-10試件1、3次剪切對島嶼輪廓峰影響明顯比2、4次大，同時，破壞應力值受島嶼輪廓峰的降低，強度也有所降低。

表2 節理面形貌特征參數及剪切應力值

利用上述TJ-10試件繪制應力與島嶼數×S總關系曲線圖和應力與島嶼的峰態系數K，如圖5應力與島嶼數×S總、島嶼的最大高度值關系圖，從圖上可以看出，應力與島嶼數×S總關系并非線性關系，說明剪切過程中，并非所有的島嶼都參與剪切過程。從應力與島嶼的峰態系數K變化情況來看，應力與島嶼峰態系數K成線性關系。

4 循環剪切試驗應力—位移曲線分析

運用巖石剪切流變試驗儀測得3組試件正—反四次循環剪切應力—位移曲線圖如6所示，從圖中可以看出，節理面剪切過程中明顯存在應力爬坡現象，是因為節理表面的主要凸起被磨損，使得島嶼峰態系數降低，這從節理表面微觀形態上解釋了巖石節理經歷剪切后，節理表面的JRC降低。從圖中可以看出，兩次同方向剪切應力—位移曲線極為相似，但應力明顯降低。

圖5 應力與島嶼數*S總、島嶼的峰態系數K關系圖Fig.5 Relationship between shear stress, island number Sand kurtosis coefficient K

圖6 節理循環剪切應力—位移曲線圖Fig.6 Relationship between shear stress σsand displacement μs

5 結論

1)通過對巖石節理進行4次相同法向力下的正—反四次循環剪切試驗，并分析節理的剪切特性曲線。發現同方向的剪切曲線極為相似，可以分為四個階段，即峰前線性階段、峰前非線性階段、峰后階段和殘余摩擦階段。

2)從形貌儀Talysurf CLI 2000掃描圖形上來看，循環剪切對節理面上島嶼峰態系數降低明顯，JRC取值變小，使得剪脹角減小。

3)節理面上的島嶼數、島嶼總面積與應力并非成線性關系，而應力與島嶼的峰態系數K曲線卻成線性關系，說明剪切過程中，并非節理面上所有島嶼參與剪切過程中。