巖體軟弱結構面剪切特性試驗研究

羅 群，王 哲，王俊杰，趙天龍

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430074； 2.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；3.重慶交通大學 水工建筑物監測診斷技術重慶市高校工程研究中心，重慶 400074)

巖質邊坡失穩變形破壞機理是巖體結構面所構成的潛在滑動帶的變形破壞。結構面是抗拉強度極低或沒有抗拉強度的不連續面。因此，不同結構面表現出其力學性質不同，規模大小也不一[1-4]。實踐表明，當巖體中存在破壞其完整性的軟弱夾層或軟弱結構面時，巖體便喪失了連續性，并存在沿這些結構面發生變形破壞的可能[5-7]。軟弱夾層嚴重削弱了巖體的整體抗滑移能力, 降低了多級邊坡的強度儲備安全系數，使邊坡更容易產生失穩破壞[8]。

巖體結構面的剪切強度是結構面力學特性中最重要的指標，一直以來都受到國內外學者的廣泛關注[9]。針對巖體軟弱結構面抗剪強度特征，許多學者通過理論和試驗的方法對規則結構面以及不規則結構面的剪切強度進行探討。雷鵬[10]基于野外調查測量及室內加卸荷試驗，利用二維顆粒流(PFC2D)程序模擬研究了貫通型鋸齒狀巖體結構面的剪切變形及強度影響規律，該研究成果不僅豐富了巖體結構面剪切力學性質理論，也可為鋸齒狀巖體結構面所控制的邊坡穩定性評價提供有益參考。周子龍等[11]通過數值軟件建立了鋸齒形的含軟弱夾層結構面模型以模擬不同加載條件下的結構面直剪試驗，深入探討分析軟弱結構面抗剪強度與法向荷載以及剪切速率的關系。唐雯鈺等[12]在考慮巖體應變軟化特征情況下，采用數值計算方法針對不同鋸齒高度，探討結構面抗剪強度峰值前后的應力應變關系。王天亮等[13]利用應變控制式直剪儀進行了剪切試驗，定量分析不規則凹槽結構面的變化對接觸面抗剪強度及其參數的影響。王程亮[14]采用劈裂法制備天然巖體結構面，并結合三維激光掃描試驗、室內直剪剪切試驗，以研究結構面三維形貌對其剪切性質的影響，在此基礎上，建立考慮三維粗糙度評價參數的巖體結構面剪切強度模型。

綜上分析，針對巖體結構面抗剪強度特征，前人已開展了許多研究工作。巖體軟弱結構面所能提供的抗剪力主要由3部分組成：粘聚分量、剪脹分量和摩擦分量。前人的研究工作大多將這3種作用合并考慮，研究重點在于結構面的宏觀剪切變形規律。本文借助大型直剪試驗，針對巖體軟弱結構面中的粘聚分量和摩擦分量嘗試進行分離分析，重點研究不同剪切分量在軟弱結構面宏觀剪切變形過程中的作用機制，以期為巖質邊坡抗滑穩定性分析提供理論支撐。

1 試驗裝置及試驗設計

1.1 試驗裝置

巖體結構面直接剪切試驗主要依托DZJ-200型大型反復直剪試驗機，整個試驗系統主要由試驗機主體部分、試驗動力系統和數據采集控制系統3部分組成。

1.2 試驗材料選擇及試樣制備

1) 結構體相似材料的制備

制備巖石相似材料時，在確保其法向加載后不被破壞的前提下，選擇水泥砂漿進行試件配制，試樣力學參數取值如表1所示；按比例對試驗材料進行稱重、混合、攪拌后裝入模具，24 h后進行脫模，放入恒溫恒濕標準養護箱中養護，如圖1所示。養護溫度為20 ℃，相對濕度為95%，養護時間10 d。

表1 結構體試樣基本力學參數

2) 結構面相似材料的制備

考慮到結構面材料顆粒粒徑對抗剪強度的影響，本次試驗參考了一典型含碎屑土夾層的巴東組軟巖路塹邊坡[15]，以其碎屑土夾層級配曲線為依據，進行結構面相似材料的制備，級配曲線如圖2 所示。

將各粒組土樣按照設計要求進行稱重，按試驗含水率要求灑水攪拌，控制干密度為1.85 g/cm3進行試樣軟弱夾層材料的填筑，結構面相似材料基本物性指標如表2所示。

1.3 試驗內容

通過開展含軟弱夾層結構的直剪試驗，適當降低軸壓以忽略夾層材料的剪脹作用，然后通過作圖法和列表法對試驗結果進行處理，獲得軟弱結構面摩擦分量及粘聚分量在其所提供的抗剪力中所占權重及作用規律。

圖2 結構面相似材料級配曲線

表2 結構面相似材料基本參數及取值

試驗時，結構面夾層材料的含水率參考費康[16]對黏土最優含水率分布范圍的研究結果，選擇最優含水率18%以及其以下范圍12%、15%作為本次試驗的含水率取值，軸壓荷載為0.125 MPa、0.25 MPa、0.375 MPa、0.5 MPa，通過增量分析，得到結構面粘聚力影響下的剪切強度變化規律，并且通過增量分析對粘聚作用及摩擦作用進行區分。

2 系統摩阻系數測定

開展巖石結構面直剪試驗時，試驗機固定上剪切盒，通過作動器推動下剪切盒實現對試樣的剪切，下剪切盒與試驗機機座之間通過設置滾軸排來減小相對位移產生的阻力。為使試驗結果更為精確，試驗之前對系統的摩阻系數進行測定，在后續的剪力分析時剔除試驗系統的摩擦阻力，以此減小系統誤差對試驗結果的影響。

在不裝樣時，分別對剪切盒施加0 kN、5 kN、10 kN的軸向壓力進行剪切試驗，得到不同軸壓條件下剪切盒與機座之間的摩擦阻力，進而獲得算數平均的系統摩阻系數。在后續的試樣剪切試驗時，正應力與剪應力間滿足如下關系：

τ=c+σ(tanφ+μ)

(1)

式中：τ為剪應力，MPa；c為粘聚力，kPa；σ為軸向壓力，MPa；φ為試樣內摩擦角，(°)；μ為試驗系統摩阻系數。不同軸壓條件下的試驗結果如圖3所示。

圖3 直剪試驗系統摩阻系數測試結果

試驗開始后，隨著剪切位移的增加，3種試驗條件下的剪切力均隨之增加，由于軸壓的不同剪切力增速不同，但當剪切位移大致為5 mm時，3種軸壓條件下的剪切力均趨于恒定并略微浮動，浮動范圍如圖3所示。以浮動范圍的中值作為該軸壓條件下對應的剪切力，由此0 kN、5 kN、10 kN三種軸壓所對應的剪切力分別取0.10 kN、2.64 kN、5.20 kN。

由于0 kN的摩阻試驗即是垂向作動器沒有施加軸壓，但滾軸排上部的剪切盒存在一定的自重，因此不對0 kN試驗結果摩阻系數計算，而是對3種軸壓進行增量分析得到摩阻系數，3種軸向力條件下所獲得的直剪試驗系統水平力如圖4所示。

圖4 試驗系統摩阻系數分析

通過圖4可知，由軸向力0 kN～5 kN可得到摩擦系數μ1=0.508，5 kN～10 kN可以得到摩擦系數μ2=0.512，摩擦系數平均值即由0 kN～10 kN所得摩擦系數μ=0.51，因此可認為直剪試驗系統摩擦系數為0.51。需指出的是，后續的試驗結果已減去試驗系統摩阻系數。

3 軟弱結構面抗剪強度試驗結果分析

針對含軟弱夾層結構面剪切位移變化時的抗剪強度特性，通過開展直剪試驗，重點分析軸壓條件下，軟弱夾層不同含水率對軟弱夾層剪切特性的影響。試驗制樣時，軟弱夾層按圖2所示級配曲線進行土料配置，并按干密度1.85 g/cm3填筑軟弱夾層材料厚度為1 cm。試驗中軸壓選擇為0.25 MPa、0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa，軟弱夾層土料的含水率設置為12%、15%、18%。試樣過程采用應變控制式，設置剪切速率為5 mm/min，加載方式為分步加載，先施加法向力達到預設軸壓保持不變，然后以一定的剪切速率施加切向力至預定的剪切位移。試驗設置最終剪切距離為4 cm。剪切試驗過程中對切向應力、位移以及法向應力、位移數據進行實時監測，數據采集頻率為3.9 Hz，現對獲取的一系列試驗數據作如下分析。

3.1 不同軸壓條件下的結構面剪切過程分析

試驗采用4種軸壓條件0.25 MPa、0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa，選擇含水率為15%時進行軟弱結構面直剪試驗，結果如圖5所示。

圖5 不同軸壓下軟弱結構面剪切過程分析

由圖5可見，幾種不同軸壓條件下，巖體軟弱結構面剪切過程曲線呈現趨勢大致相同，剪切變形初期，剪應力隨剪切位移的增長呈線性增加的趨勢，體現為彈性剪切變形階段，隨后曲線斜率降低，進入材料屈服變形階段，并很快達到結構面的抗剪力峰值，且隨著剪切位移的增加，抗剪力大致保持不變，不存在明顯的剪切弱化現象。4種軸壓條件下的彈性變形階段剪切剛度、抗剪峰值強度、抗剪峰值位移試驗結果如表3所示。

由表3可以看出，巖體軟弱結構面發生剪切變形時，初期彈性剪切變形階段的剪切剛度隨著軸壓的增加不斷增加，且抗剪強度峰值不斷增加，而抗剪強度峰值所對應的剪切位置受軸壓條件影響較小。

表3 不同軸壓時關鍵節點參數試驗值

3.2 夾層材料含水率對結構面剪切過程的影響

試驗采用3種夾層材料含水率12%、15%及18%，選擇軸壓0.25 MPa進行軟弱結構面直剪試驗，結果如圖6所示。

圖6 不同含水率影響下的軟弱結構面剪切過程分析

由圖6可見，不同含水率條件下，巖體軟弱結構面剪切過程曲線變化規律大致相同，剪切變形初期為彈性剪切變形階段，即剪應力隨著剪切位移的增加呈線性增長，隨后進入屈服變形階段，曲線斜率明顯降低，隨后出現抗剪強度峰值。從圖6還可知，較低含水率條件下，巖體軟弱結構面剪切過程中存在一定的剪切軟化現象。3種含水率條件下的彈性變形階段剪切剛度、抗剪峰值強度、抗剪峰值位移試驗結果如表4所示。

由表4可以看出，隨著含水率的增加，巖體軟弱結構面彈性變形階段剪切剛度不斷降低，且抗剪強度峰值也不斷減小，即含水率的增加會顯著降低結構面的抗剪能力。此外，隨著含水率的增加，結構面抗剪峰值位移不斷增加，即峰值出現時間不斷延后，且殘余抗剪強度增強。

表4 不同含水率時關鍵節點參數試驗值

4 巖體結構面抗剪強度分量作用分析

結構面能夠發揮抵抗剪切變形的抗剪力主要由摩擦分量、粘聚分量及剪脹分量組成。由摩爾-庫倫準則抗剪強度式(1)可知，巖石結構面在剪切過程中，粘聚分量在剪切破壞發生前基本保持不變，且不受軸壓等條件變化的影響，而摩擦分量則與軸壓條件呈線性正相關。據此，通過分析不同軸壓條件下摩擦分量的增量，可對其量值進行分離分析。此時，剩余部分抗剪力主要由粘聚分量和剪脹分量構成，通過分析特定工況條件下平直光滑結構面粘聚力分量值，可進一步對粘聚作用進行區分處理。

4.1 摩擦分量作用

對摩擦分量增量進行分離分析，結果如圖7所示。

圖7 摩擦分量增量分析結果

從圖7可知，摩擦分量增量與軸壓呈明顯的線性正相關。結構面抗剪力中摩擦分量的發揮過程與抗剪力合力作用過程較為類似，結構面剪切開始后，摩擦分量隨著剪切位移的發展而逐漸增加，隨后達到峰值并基本保持恒定。軸壓增量對摩擦分量增量峰值影響明顯，且對摩擦分量峰值位移影響較為顯著。不同軸壓條件下摩擦分量增量曲線中的特征參數如表5所示。

表5 不同摩擦分量時關鍵節點參數試驗值

對比表5中3種增量條件下的摩擦力分量發展過程，可見結構面抗剪力中摩擦力隨軸壓增加的增速加快，達到峰值之后基本不存在摩擦分量的喪失，結構面的剪切破壞對其影響不大，且摩擦力在整個剪切過程發揮作用，數值上基本保持恒定。

4.2 粘聚分量作用

通過分析含夾層軟弱結構面直剪試驗結果，其在直剪過程中剪脹作用并不顯著，因此假設軟弱結構面抗剪力主要由粘聚分量以及摩擦分量構成，則對二者進行分離分析，如圖8所示。

由圖8可知，軸壓條件對結構面抗剪力中的摩擦分量影響顯著，但對粘聚分量影響不明顯。4種軸壓條件下，粘聚分量峰值約為0.047 MPa～0.052 MPa，而摩擦分量則隨著軸壓的不斷增加呈線性增長。不同軸壓條件下的粘聚力分量作用過程中部分特征值如表6所示。

(a) 0.25 MPa軸壓抗剪力分量作用

(c) 0.5 MPa軸壓抗剪力分量作用

(e) 1 MPa軸壓抗剪力分量作用

(g) 1.5 MPa軸壓抗剪力分量作用

表6 不同軸壓下抗剪力分量作用關鍵節點參數試驗值

分析圖8及表6可知，剪切過程中摩擦力的增長同結構面抗剪力合力增長過程較為相似，接近于理想彈塑性剪切過程，而粘聚力分量由于存在試驗初期的剪切破壞過程，從而造成粘聚力于剪切初期短時喪失，隨后逐漸增長的情況。分析4種不同軸壓情況下的軟弱結構面剪切過程可知，粘聚力喪失，開始位移受軸壓影響并不大，但隨著軸壓的增加，粘聚力損失量值呈增大的趨勢，且粘聚力重新發揮所對應位移不斷提前。由此可知，隨著軸壓增加，剪切初期土體粘結結構的破壞程度不斷增大，但夾層材料很快在較大的軸壓條件下形成新的粘結組合結構，并重新開始發揮抗剪力。然而，軸壓條件對于粘聚力峰值大小以及峰現時間影響并不明顯。

5 結論

1) 針對含夾層材料的軟弱結構面進行大型剪切試驗，結果表明軸壓條件對結構面抗剪力峰值影響明顯，但對于峰現位移影響不大，而夾層材料含水率對結構面抗剪強度影響規律與軸壓條件下的結構面抗剪強度影響規律相反。

2) 對軟弱結構面直剪試驗結果進行結構面摩擦分量與粘聚分量的作用過程分析，發現剪切過程中摩擦力的增長同結構面抗剪力合力增長過程較為類似，接近于理想彈塑性剪切過程，而粘聚力在剪切初期階段呈先增長后減小的趨勢，且隨著軸壓的增加，粘聚力損失量值呈增大的趨勢，此外，軸壓條件對于粘聚力峰值大小以及峰現時間影響并不明顯。

3) 忽略剪脹分量的作用，軟弱結構面剪切強度分量組成中，摩擦分量占比遠大于76%，且隨著軸壓的增加，摩擦分量在結構面抗剪強度中占比不斷增加，即對于軟弱結構面，摩擦力仍然是結構面抗剪切滑動過程的主控作用力。據此，對于含軟弱結構的巖質邊坡，在坡體預加固及防護措施實施過程中，適當提高結構面法向壓力，進一步提高結構面剪切分量占比，或通過變形控制，調動結構面自身抗剪切能力，充分發揮結構面自身抗剪切性能，對于提高邊坡防護效果將具有積極的作用。