单一预制节理试件各向异性力学特性试验研究

孙旭曙，李建林，王乐华，柏俊磊，姜照容

（1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002）

1 引 言

岩体经历了漫长的地质作用，被不同规模、不同方向的结构面（包括断层、层面、节理、劈理、片理、软弱夹层、泥化夹层等不连续面）相互切割，形成了具有特殊结构的不连续体，使得节理岩体的力学特性由完整岩块和结构面共同控制，且其力学特性远比完整岩块复杂得多。由于受结构面几何参数的影响，节理岩体的力学特性展现出了明显的各向异性特征。随着法国马尔帕塞拱坝失事[1]、意大利瓦依昂水库滑坡[2]等重大事故的发生，工程界和学术界进一步认识到岩体结构面的力学特性和稳定性的重要性。

岩体结构面的几何参数，如产状（走向、倾向、倾角）、形态、延展度、密度、张开度等，对其力学特性有重要影响。Rajendra 等[3]对具有3 组节理的正方体模型试件进行了真三轴试验，研究了节理试件的峰后区特性，结果表明节理试件的应变硬化、应变软化和塑性特性取决于其几何结构和所处的应力状态。陈新等[4]对含一组非贯通预置裂隙的正方体石膏节理试件进行了单轴压缩试验，结果表明随着节理连通率的增大，节理试件应力-应变曲线的延性增强，研究还表明[4-5]随着非贯通节理试件的连通率增大，其峰值强度和弹性模量逐渐降低。Wasantha 等[6]对非贯通圆柱形水泥砂浆节理试件进行了单轴压缩试验，结果表明节理的位置、倾角和迹长对单轴抗压强度均有影响。张波等[7]对充填裂隙长方体节理试件进行了单轴压缩试验，研究了裂隙充填与否对其力学特性的影响，表明裂隙含充填的节理试件的峰值强度提高、峰后塑性变形能力增强。刘红岩等[8]对圆柱形节理模型进行了单轴压缩试验，结果表明节理倾角、节理贯通度、节理组数、载荷应变率、试件长径比、节理充填物厚度及类型与节理岩体的破坏模式及峰值强度密切相关。李建林等[9]对不同几何比尺的正方体节理试件进行了三轴卸荷试验研究，表明节理试件的抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比具有尺寸效应。王瑞红等[10]对含2 条不同间距预制断续圆柱形红砂岩节理试件进行了三轴卸荷试验研究，表明卸荷条件下节理试件和完整试件的力学特性不同。王宇等[11]对不同倾角断续圆柱形泥质粉砂岩节理试件进行了卸荷流变试验研究，表明节理倾角对节理试件轴向以及侧向流变应变规律和卸荷流变破裂机制均有影响。Brown 等[12-13]、Kulatilake 等[14]、Herbert 等[15]通过试验，研究了节理试件破坏模式总结为低围压下轴向劈裂破坏、穿过石膏和节理面的剪切破坏、沿节理面滑动破坏和延性破坏4 种模式。

以上学者主要对单轴压缩条件下节理岩体的力学特性进行了研究，并分析了主要的影响因素，但对于节理试件在常规三轴压缩条件下的力学特性研究较少。常规三轴压缩试验主要研究围压对节理试件的变形、强度和破坏模式的影响及其随围压的变化规律，同时可测定节理试件三轴抗剪强度指标，掌握不同应力条件下节理岩体的力学特性具有重要意义，应对此问题做深入的研究。本文从理论上分析了单一节理试件的力学效应，其次对5 种不同倾角单一预制贯通节理试件进行了常规三轴压缩试验，分析了应力-应变关系、变形特征、强度特征、强度参数和破坏模式的各向异性特征。

2 节理面力学效应分析

在外部荷载的作用下，单一节理试件节理面上将出现法向应力σ 和切向应力τ，力的大小随节理倾角α 而变化，如图1 所示，节理面的应力可表示为[16]

根据库仑准则，节理面强度曲线RQP 可表示为

式中：cj为节理面的黏聚力；φj为节理面的内摩擦角。

当节理岩体的应力状态正好处于节理面强度曲线RQP 上的Q 点和P 点时，即α=α1或α=α2时，节理面正好处于极限平衡状态；当α＜α1或α＞α2时，摩尔圆上的应力点处于节理面强度曲线RQP 之下，节理面上的剪应力小于其抗剪强度，节理岩体不会发生沿节理面滑动破坏；当α2＞α＞α1时，摩尔圆上的应力点处于节理面强度曲线RQP 之上，节理面上的剪应力大于其抗剪强度，节理岩体发生沿节理面滑动破坏。

图1 节理面力学效应示意图Fig.1 Sketch of mechanical effect of joint surface

由此可知，当节理倾角α2＞α＞α1时，节理岩体破坏受节理面控制；当节理倾角α＜α1或α＞α2时，节理岩体破坏受岩块强度控制，与节理面无关。

图1 中，∠RPM=2α1-φj，可得

式中：σm为平均应力，；τm为最大剪应力，。

由式（4）可得

由式（5）可知，节理岩体发生沿节理滑动破坏的临界倾角(α1,α2)由节理面的强度参数(cj,φj)和应力状态(σ1,σ3)共同决定。

3 试件设计及试验方案

3.1 试件设计

试验试件分为完整试件和单一预制贯通节理试件，试件φ×H（直径×高度）为50 mm×100 mm，如图2 所示，节理试件倾角α（节理面与水平面的夹角）依次为0°、30°、45°、60°、90°，共5个角度。贯通节理试件制作方法为：（1）将标准直径的完整岩芯按设计角度贯通切割；（2）将两部分岩芯按照切割前的位置对齐，放入特制的夹具固定，采用双刀片切割标准长度节理试件；（3）采用石膏（石膏与水的比例为2∶1）粘结节理试件，并放置在模具中定型、凝固，48 h 后取出试件，对表面进行打磨，完成制样。岩样取自同一地点，石膏采用同一配合比，试件制作由同一人完成，减少试件离散性对试验结果的影响。

图2 标准圆柱体试件示意图Fig.2 Sketch of standard cylinder samples

3.2 试验方案

采用RMT-150C 试验机进行常规三轴压缩试验，主要研究节理试件在不同围压等级条件下的全程应力-应变曲线、变形、强度和破坏特征，并与完整试件进行对比。试验步骤如下：

第1 步：采用力/围压控制模式，轴向力与围压分别以0.2 kN/s和0.1 MPa/s按静水压力加载至设计值（轴压分别为10、20、30、40、50 kN，围压分别为5、10、15、20、25 MPa）。

第2 步：采用围压控制模式，保持围压处于设计值，稳定不变。

第3 步：采用位移控制模式，位移速率为0.005 mm/s，加载轴向力至试件破坏。

4 各向异性力学特性分析

4.1 应力-应变曲线特征

完整试件和节理试件的应力-应变曲线如图3所。由于节理试件变形较大，受试验机允许量测范围限制，未能得到部分试件全程应力-应变曲线。结果表明，（1）完整试件和节理试件的应力-应变曲线均有较长的压密阶段，此阶段的变形主要为岩石内部裂纹闭合和节理填充材料的压密变形，由于节理填充材料强度较弱、易变形，所以节理试件在压密阶段的变形与完整试件相比较大；（2）在围压的约束作用下，0°、30°、45°和90°倾角节理试件表现为延性破坏，且具有一定的残余强度，60°倾角节理试件无破坏阶段，达到峰值之后，应力保持不变，而应变在迅速增加，应力-应变曲线接近一条水平直线，这与其沿节理面滑动破坏模式相对应。

图3 常规三轴压缩试验应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of conventional triaxial compression tests

4.2 变形特征

节理试件的变形包括岩石变形和节理填充材料变形两部分，本次试验所得出的弹性模量是岩石变形和节理填充材料变形的综合表述，根据图3 所示应力-应变曲线，按照《水利水电工程岩石试验规程》[17]计算弹形模量，见表1。结果表明，（1）节理试件的弹性模量均小于完整试件，主要由节理填充填材料易变形所致，不同倾角节理试件的变形差异显著，0°、30°、90°倾角试件的弹性模量较大，45°倾角试件次之，60°倾角试件最小，这也是节理试件与完整试件重要区别之一，经数据分析，节理试件的弹性模量随节理倾角增大呈U 型变化，如图4 所示，表明节理试件的变形特征具有各向异性特征。（2）弹性模量均随围压升高而增大，且具有较好的线性关系，而不同倾角节理试件弹性模量的最大值和最小值之比随围压升高而逐渐变小，如图5 所示，表明在围压的束缚作用下节理试件的变形差异逐渐减小。

表1 弹性模量统计表Table 1 Statistics of Young's moluli

图4 弹性模量与节理倾角关系曲线Fig.4 Relationships between Young’s modulus and joint inclination

图5 弹性模量极值之比与围压关系曲线Fig.5 Relationship between ratio of maximum to minimum of Young’s modulus and confining pressure

4.3 峰值强度

节理试件峰值强度统计值见表2。由表可见，（1）节理试件的峰值强度均小于完整试件，不同倾角节理试件的峰值强度差异也较显著。分析数据可知，不同围压等级下峰值强度随节理倾角呈U 型变化，如图6 所示。60°倾角试件数值仍为最低，表明节理试件的强度特征也具有各向异性特征；（2）峰值强度随围压升高而增大，而峰值强度最大值与最小值之比随围压升高而逐渐变小，如图7 所示，表明围压对峰值强度也产生了很大影响。

4.4 强度参数

节理试件强度参数统计值见表3。由表可见，（1）节理试件黏聚力c 的最大值为19.08 MPa，与岩石接近，最小值为0.732 MPa，与石膏接近，最大值与最小值比值达26.07，而且黏聚力随节理倾角呈U 型变化，如图8 所示，60°倾角试件黏聚力最小；（2）内摩擦角φ 随节理倾角增大而增大，如图9 所示，0°倾角试件最小且小于岩石，90°倾角试件最大且与岩石接近，最大值与最小值的比值为1.29。因此，节理试件的强度参数也具有各向异性特征。

图6 峰值强度与节理倾角关系曲线Fig.6 Relationships between peak strength and joint inclination

表2 峰值强度统计表Table 2 Statistics of peak strengths

图7 峰值强度极值之比与围压关系曲线Fig.7 Relationship between ratio of maximum to minimum of peak strength and confining pressure

表3 强度参数统计表Table 3 Statistics of strength parameters

图8 黏聚力与节理倾角关系曲线Fig.8 Relationship between cohesion and joint orientation

4.5 破坏特征

图9 内摩擦角与节理倾角关系曲线Fig.9 Relationship between internal friction angle and joint inclination

图10 节理试件破坏图Fig.10 Failure modes of jointed samples

节理试件破坏图如图10 所示。由图可见，节理试件的破坏模式分为2 种，即穿越节理剪切破坏和沿节理滑动破坏，其中0°、30°、90°倾角试件属于前者，破坏面穿越节理，且节理完好；45°、60°倾角试件属于后者。

5 结 论

（1）节理岩体破坏分为受节理面强度控制和 岩块强度控制，所对应的破坏模式分别为沿节理面滑动破坏和穿越节理的剪切破坏，其力学特性由节理面、岩块和所处的应力状态共同决定。

（2）节理试件的应力-应变曲线也具有各向异性特征，并与其破坏模式相对应。

（3）与完整试件相比，节理试件的弹性模量均有不同程度降低，说明节理试件更容易产生变形；节理试件的弹性模量随节理倾角呈U 型分布，随着围压等级升高，节理试件的弹性模量也逐渐提高，且不同倾角试件的变形差异减小。

（4）与完整试件相比，节理试件的抗压强度也有不同程度降低，同时，随节理倾角呈U 型分布，抗压强度与围压具有线性增大关系，并随着围压等级升高，不同倾角试件的抗压强度差异减小。

（5）节理试件的黏聚力随节理倾角呈U型变化，内摩擦角与节理倾角呈线性增大关系。

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