節(jié)理傾角對巖石試件峰值強度和變形特征影響的研究

牛江偉，徐傳貴

(1.中交一公局集團有限公司， 北京 100000；2.中交一公司 第四工程有限公司， 廣西 南寧 530000)

0 引言

巖體是一種不連續(xù)、非均質(zhì)且具有各向異性的地質(zhì)體。由于受各種地質(zhì)作用的影響，巖體往往由各種不連續(xù)的面和塊組成，巖體受載時其變形特征與結(jié)構面有著緊密的聯(lián)系。宋旭等[1]借助光學儀器掃描建立砂巖的裂隙模型，研究裂隙開度、接觸面積和孔隙體積對其力學性質(zhì)的影響規(guī)律。閆振雄等[2?4]將3D打印技術應用于非貫通節(jié)理試件的制作，探討了單節(jié)理和雙節(jié)理情況下巖石的破壞形式和殘余強度的變化規(guī)律，并對隧道開挖過程中節(jié)理巖體的響應特征進行模擬，結(jié)果表明，法向剛度是影響隧洞圍巖塌方范圍的主要因素，法向剛度越大，塌方范圍也越小；剪切剛度和節(jié)理的摩擦角是影響隧洞圍巖塌方范圍的次要因素。劉洪斌等[5?6]針對深部硐室被節(jié)理斜穿時的特殊工況，通過設計不同的支護方案，能有效地控制不同傾角節(jié)理貫穿硐室時的圍巖變形，提高圍巖支承能力。王煜等[7?8]通過顆粒流離散元模擬技術，得出不同加載速率下節(jié)理傾角對模型峰值應力和裂紋擴展機理的影響規(guī)律，為同類問題中原生裂隙場難以建立提供了一種有效的解決方法。

在工程實踐中，除節(jié)理的破壞特性外，結(jié)構面和巖體共同組成的承載體的宏觀強度特性備受關注，細觀節(jié)理漸進發(fā)育破壞的力學過程，宏觀上表現(xiàn)在巖體的應力應變曲線上。上述學者在研究過程中使用的巖體破壞準則多為摩爾庫倫準則，而巖體正是由于節(jié)理等結(jié)構面的存在，在承受載荷時峰后曲線常表現(xiàn)出力學性能的劣化，應變軟化模型恰好能針對節(jié)理巖體的峰后變形進行較好的模擬。

本文基于室內(nèi)節(jié)理試驗，依托江津至瀘州北線高速重慶段臨峰山隧道開挖工程，現(xiàn)場采取巖石試樣并進行加工處理，借助3DEC內(nèi)置的應變軟化本構模型對節(jié)理巖體在單軸壓縮條件下的變形進行模擬，并簡要探討了節(jié)理傾角對巖體強度的影響。

1 試驗概況

依據(jù)試驗要求，對不同結(jié)構面形態(tài)的試件進行單軸壓縮試驗。節(jié)理傾角按0°、30°、45°、60°和90°的幾種方案設置，并與不含節(jié)理的完整試件進行對比。

試件制作流程：選擇石英砂、水泥、石膏和水，按質(zhì)量比為3∶0.5∶0.5∶1配合，經(jīng)充分攪拌后倒入模具，然后在振動臺上振動約2min，靜置1d后脫模，再經(jīng)過28d養(yǎng)護，待試件強度穩(wěn)定。將養(yǎng)護好的試件用切割機切割出一定角度，然后用石膏粘結(jié)試塊，再將粘結(jié)部分的石膏打磨平整即可。

2 試驗結(jié)果

2.1 峰后破壞形式

圖1所示為試件沿節(jié)理面發(fā)生滑移破壞和張拉破壞。傾角為0°和90°時，節(jié)理面的張拉破壞是主要破壞形式；節(jié)理傾角為60°時，試件沿節(jié)理面發(fā)生相對滑移破壞；節(jié)理傾角為30°和45°時，兩種形式的試件破壞均有。此外，當試件處于加載初期的時候，試件變形緩慢，傾角范圍較小時才會產(chǎn)生裂紋。在靜載荷下，裂紋在長期載荷下逐漸發(fā)育和貫通，裂隙數(shù)目和長度隨之增加，當受力達到峰值強度時，細小裂紋貫穿成幾條主要的大裂紋，試件沿軸向形成張拉破壞。

圖1 不同傾角的試件破壞形態(tài)

如圖1（b）所示，0°節(jié)理試件的節(jié)理面垂直于軸向應力加載方向，且節(jié)理處填充石膏的厚度相對較小，因此，試樣的破壞形態(tài)類似于無節(jié)理試樣。

30°、45°和60°這3種節(jié)理試件的節(jié)理面與主應力方向有一定的夾角，在軸向荷載作用下，節(jié)理兩邊的巖體受到剪切和張拉作用，在試驗結(jié)果上則表現(xiàn)為張拉破壞和剪切破壞的混合破壞形式。

節(jié)理傾角為30°和45°的2個試件，上部巖體在承受軸向壓力的同時沿著節(jié)理面慢慢下滑，呈現(xiàn)出沿節(jié)理面滑移和節(jié)理面兩側(cè)巖體受張拉形式的復合破壞，如圖1（c）、圖1（d）所示。由于節(jié)理傾角越大，填滿節(jié)理面的石膏越容易發(fā)生剪切破壞，巖塊所承受的荷載也相應減小。因此，60°節(jié)理傾角試樣的上部巖體下滑速度最快，節(jié)理面兩側(cè)巖體還未來得及發(fā)生張拉破壞，便直接滑落導致試驗終止，其破壞模式屬于沿節(jié)理面進行剪切破壞。

對節(jié)理傾角為90°的試樣，在節(jié)理處的石膏最先開裂并漸漸脫落，荷載基本由節(jié)理兩側(cè)巖塊承受，壓應力引起節(jié)理和巖塊發(fā)生張拉破壞，如圖1（f）所示，其破壞形態(tài)與無節(jié)理試件相似。

2.2 峰后破壞應力?應變曲線

單軸壓縮時，不同節(jié)理傾角的試件其應力?應變曲線如圖2所示。

圖2 單軸壓縮應力?應變曲線

（1）無論是完整巖體還是節(jié)理巖體，初期應力隨變形量增大而上升的速度均由慢變快，然后進入線彈性階段，這是由于在靜力荷載作用下，應力幅度增大所需的時間較長，同時試件內(nèi)部還存在各種細小孔隙，軸向荷載逐漸增大的同時，這些孔隙也逐漸被壓實。

（2）對于不同節(jié)理傾角的巖體，彈性階段表現(xiàn)各不相同，節(jié)理傾角為30°、45°和60°的巖體其應力上升速度明顯小于節(jié)理傾角為0°、90°的巖體和無節(jié)理巖體。其原因是：節(jié)理傾角為30°、45°和60°的試件在變形過程中存在節(jié)理面的剪切破壞，所以彈性模量小，變形量大。

（3）達到應力峰值后，應力曲線呈現(xiàn)出明顯的脆塑性破壞特征。其中，30°節(jié)理傾角試件的殘余強度值最大，其次是0°、90°節(jié)理傾角試件和無節(jié)理試件的殘余強度基本相近，45°和60°節(jié)理傾角試件的殘余強度值最小。分析其原因：無節(jié)理試樣和0°、30°、90°節(jié)理傾角試件在達到峰值強度之前，主要由巖塊和節(jié)理填充物共同承擔軸壓荷載，當達到峰值強度后，因為塊體承受的荷載突然增加，已有的裂紋加速搭接，塊體不斷受到壓縮變形破壞，所以應力應變曲線的下降斜率很大，每個塊體的剩余強度相似。當荷載達到最大強度時，45°和60°節(jié)理傾角的試件受到剪切，因為節(jié)理與上下巖塊的連接不再緊密，強度下降更為嚴重。

如圖3所示，0°傾角和90°傾角的節(jié)理試件的峰值強度都比完整試件稍高，90°節(jié)理傾角試件的峰值強度最大，大約是完整試件的1.2倍。試驗結(jié)果表明，30°、45°和60°節(jié)理傾角試件的強度均明顯下降，峰值強度隨節(jié)理傾角遞增而依次下降，而60°節(jié)理傾角試件的峰值強度僅為總完整試件的60.2%，曲線整體呈現(xiàn)“V”字形。

圖3 峰值強度與節(jié)理傾角的關系

3 節(jié)理試件的離散元模擬

利用3DEC離散單元法，結(jié)合室內(nèi)實驗結(jié)果，選擇能較好地反映巖石軟化現(xiàn)象的應變軟化模型本構和庫倫滑移的節(jié)理本構，模擬節(jié)理表面的變形和破壞力學行為。數(shù)值計算模型如圖4所示，所選參數(shù)見表1、表2。

圖4 數(shù)值計算模型

表1 塊體參數(shù)

表2 節(jié)理參數(shù)

從圖5中可以看出，試樣的強度和變形隨節(jié)理傾角變化的幅度較大，表現(xiàn)出明顯的各向異性。節(jié)理傾角為0°、90°時，試件的峰值強度較大；節(jié)理傾角度為30°、45°、60°時，試件的強度依次減小，在節(jié)理傾角為60°時，試件峰值強度最小，與試驗結(jié)果基本吻合；峰后殘余強度階段的模擬曲線也與試驗曲線的變化趨勢基本吻合。

由于實際試件存在細小孔隙，在試驗初期階段裂縫、孔隙受壓閉合，曲線上凹呈非線性特征，而模擬中巖石為理想狀態(tài)，其初期階段的應力?應變曲線幾乎呈線性上升特征。峰后應力應變曲線部分不能吻合，主要原因是端部摩擦系數(shù)很難降低，不可能完全消除，因此測試結(jié)果與模擬的峰后曲線仍有一定差距。

圖5 節(jié)理試件試驗與模擬結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文從室內(nèi)試驗出發(fā)，結(jié)合數(shù)值模擬得出以下結(jié)論：

（1）應力?應變曲線隨節(jié)理傾角變化呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，所有情況下都表現(xiàn)出巖石受壓時的典型階段，即孔隙壓密段、線彈性段、裂隙穩(wěn)定擴展段、裂隙失穩(wěn)擴展階段和殘余強度階段；

（2）節(jié)理傾角為0°和90°時，試件的峰值強度略大于無節(jié)理試件，節(jié)理傾角為30°、45°和60°時，試件的峰值強度依次降低，在60°時出現(xiàn)最小值；

（3）利用3DEC軟件內(nèi)置的應變軟化模型，能夠較吻合地模擬出節(jié)理試件的峰后殘余強度特征。