直剪条件下不同宽度岩桥破坏特征试验研究

冉 耀，陈国庆，黄博睿，张晓东，陈丛姗

(成都理工大学 环境与土木工程学院，成都 610059)



直剪条件下不同宽度岩桥破坏特征试验研究

冉 耀，陈国庆，黄博睿，张晓东，陈丛姗

(成都理工大学 环境与土木工程学院，成都 610059)

通过直剪条件下的力学模型试验, 结合对模型破坏过程中声发射特征参数的分析，揭示了岩体在不同宽度岩桥和法向应力条件下的破坏特征。结果表明：随着岩桥宽度的增加，破坏面起伏度、粗糙度都相应增大；随着法向应力的增加，破坏面的起伏程度和粗糙度减小，峰值剪切应力不断增大；不同岩桥宽度和法向应力导致岩体产生不同方式的破坏，包括剪断破坏、拉剪复合破坏和剪切破坏；声发射阶段性特征与岩桥贯通破坏过程一致，声发射事件数峰值随岩桥宽度和法向应力的增大而增大，其峰值出现时间在剪切应力达到峰值之后。研究结果为判别不同宽度岩桥变形与破坏各个阶段提供依据。

直剪试验；岩桥；声发射；法向应力；破坏特征

1 研究背景

岩体是由各种形状的岩块和结构面组合而成的复杂工程介质，常被各种节理和裂隙切割为碎裂结构，从而形成节理化岩体[1]。对于非贯通性节理岩体，其受力后破坏形式主要为沿原生节理和沿岩桥两端扩展而成的岩桥断面组成的复合破坏面破坏[2]。非贯通性节理岩体强度介于岩石材料本身强度和节理面强度之间，变形破坏受控于岩桥锁固段的强度，其破坏机制和破坏方式都十分复杂。目前在探索影响岩桥贯通破坏的力学效应方面已经做了大量的模型试验研究，并且取得了不少成果。

岩体中岩桥一般处于压剪应力状态下，许多学者都对此进行了研究。E.Z.Lajtai[3]提出岩桥破坏理论，根据法向应力的大小变化，将岩桥的破坏分为张拉、剪切和挤压3种破坏模式，但没有考虑岩桥拉剪复合破坏的情况。 T.Savilahti等[4]对含2条不共面的断续节理的岩体进行直剪试验，发现岩桥的破坏源于岩桥端部，初始扩展方向与原生节理面近于垂直。刘远明等[5-6]提出断续节理岩体的破坏可分为张拉破坏、拉剪复合破坏和剪切破坏3种模式，并在模型直剪试验研究的基础上提出了岩桥力学性质弱化机制。范雷等[7]通过对现场岩体进行直剪试验，研究破坏过程中的声发射特征参数与频谱特性，深化了对岩体变形破坏机制的认识。周小平等[8]通过室内岩石结构面直剪试验，研究岩桥破坏过程中的声发射特性，分析声发射事件数和能率的变化规律。陈国庆等[9]对室内小尺寸岩桥进行直接剪切试验，并根据声发射事件数与记录时间的关系，对比分析了岩桥实际的破坏模式，借以反映岩石样品内部裂缝的产生和扩展特征。

本文借助声发射仪器对不同宽度岩桥的较大尺寸岩体模型进行直剪试验，研究不同宽度岩桥在不同法向应力条件下的破坏特性，分析不同宽度岩桥的变形和破坏机理。

2 试验设计

2.1 模型制备

图1 节理分布形态Fig.1 Joint distribution

试验材料选用强度较高的水泥石英砂浆，材料配比为石英砂∶水泥∶石膏∶水=6∶3∶3∶2，将各种材料混合搅拌均匀后，倒入预制模具(内部尺寸为100 mm×100 mm×100 mm)中振捣密实，节理处预先放入薄钢片，待成型后取出钢片，保持在温度20 ℃，湿度65%的养护条件下风干。为研究不同宽度岩桥剪切变形和破坏规律，将试样分为4组，岩桥预留宽度b分别为50，60，70，80 mm，对应模型的节理连通率分别为0.5，0.6，0.7，0.8(见图1)。每组5个，共20个试样。

2.2 试验系统

试验系统由加载系统及声发射监测系统组成(见图2)。其中加载系统采用YDS-3型岩石力学多功能试验机，能简单方便地进行预压法向应力下的直剪试验，且加载过程完全实行自动化，所有测量数据均由计算机自动记录。在试验过程中，配套软件还可实时显示法向、切向应力和位移的数值，并自动绘制切向应力-切向位移关系曲线。声发射测试则使用PAC公司研制的PCI-Ⅱ声发射信号系统，该系统带通滤波功能、前端滤波功能、波形前端滤波功能等，有利于试验环境下去除AE设备的噪声和采集所需要且有用的AE信号。此外，该系统的浮动门槛设定方式相比传统的固定门槛设定方式在复杂噪声背景下更有效。

图2 试验系统Fig.2 Testing system

图3 声发射探头布置图Fig.3 Arrangement of AE probes

2.3 声发射监测布置

声发射探头布置如图3所示，为了提高AE事件三维定位的精度，确保试验效果，试验采用固定布置在试样正反面的6个探头组成探头阵来采集数据。声发射探头主要沿剪切面布置，其中正面布置3个(编号为1，2，3)，背面布置3个(编号为4，5，6)。

2.4 试验方法

试样在0.8，1.0，1.2，1.4，1.6 MPa法向应力下分别进行直剪试验。试验时先施加法向荷载至预定值，随后按荷载控制方式施加切向荷载至试样破坏，加载速率为0.01 kN/s，切向位移达到10 mm即停止加载。试验过程中计算机自动采集计算法向位移、法向应力、剪切荷载、剪切位移、剪切应力等数据。

图4 峰值剪切应力-法向应力关系曲线Fig.4 Peak shear stress vs.normal stress

3 试验结果

3.1 不同法向应力下相同宽度岩桥破坏特征

对比岩桥相同宽度

(岩桥宽度为50 mm)在不同法向应力条件下的试验结果发现，在其它条件都相同的情况下，峰值剪切应力随着法向应力的增加而增大(如图4)。观察试样的破坏面发现，随着法向应力增加，破坏面的起伏程度减小，而可见擦痕面积明显扩大。

图5 直剪全过程剪切应力-剪切位移曲线Fig.5 Curves of shear stress vs. displacement in the whole direct shearing process

观察剪切应力-剪切位移全过程曲线(图5)发现，曲线峰前没有明显的屈服过程，剪切应力迅速上升至峰值，其应力-应变曲线类似完整岩块的变化规律，岩体呈现脆性破坏。随着法向应力的增大，峰值剪切应力逐渐增大，且在其到达峰值时的剪切位移也呈现增大的趋势。较大法向应力条件下，曲线在达到应力峰值前出现屈服过程，加大了试样的塑性特征。曲线在到达峰值前呈现锯齿形，即剪切应力在上升过程中会出现一些较小的应力降，但随后应力会继续上升，从而出现大量“锯齿”，表明试样在剪切过程中出现了小型的脆性破裂致使部分应力释放，常伴随有噼啪的断裂声。

3.2 同等法向应力条件下不同宽度岩桥破坏特征

对比在同等法向应力条件下不同宽度岩桥的试验结果，分析试样的破坏面发现，随岩桥宽度的增大，破坏面更粗糙，起伏度、粗糙度都相应增大。说明岩桥的宽度将影响试样的破坏模式，最终对岩桥破坏机理造成影响。

不同法向应力条件下不同宽度岩桥试样的破坏形态及总体破坏模式分别如图6和图7所示。当岩桥宽度较小时，破坏面直接从岩桥两端延伸并贯通，试样以剪断破坏方式为主(图7)，试样破坏的初裂纹很小，且与剪切面小角度相交，甚至无初裂纹。这种模式下岩桥直接剪断破坏，剪胀效应不明显，岩桥破坏面较平直，粗糙度较小。

注：b为岩桥宽度。图6 不同法向应力条件下岩桥破坏形态Fig.6 Failure patterns of rock bridges under different normal stresses

随着岩桥宽度的增大，试样趋于以拉剪复合方式破坏(图7)，岩桥两端初始发育较陡直的拉裂纹，拉裂纹不断延伸并逐渐被一条剪切裂纹连通，剪切裂纹与最大主应力方向一致，并最终形成多条近于平行的剪裂纹。试样块体内也会存在少量拉裂纹，破坏面近于弧形，直至最终贯通破坏。这种模式下岩桥初裂纹以张拉方式扩展并以张拉方式延伸贯通，且初始裂纹扩展的长度较长，裂纹张开度也较大，试件的整体剪胀效应更为显著，岩桥破坏面的起伏度大、粗糙。

当岩桥宽度较大时，试样首先从岩桥两端发育裂纹，且形成共扼剪切裂纹，剪切面起伏度大，趋于“Z”字型，破坏面与共扼剪切裂纹交叉、贯通。最终试样以剪切方式破坏(图7)。

图7 直剪试验岩桥破坏模式Fig.7 Failure modes of rock bridge of different widths under direct shear

随着岩桥宽度的减小和法向应力的增加，试样更趋向于以剪断方式破坏。岩桥两端初始发育拉裂纹很小，甚至无初裂纹，试样破坏时剪胀效应不明显，破坏面随法向应力增大而趋于平直、光滑。这种现象有助于解释岩质边坡锁固段的破坏机理[9]。

直剪条件下，岩桥宽度及其抗剪强度参数和节理面的几何及力学特性是岩桥两端发生初裂的控制因素，主要是拉应力集中所引起的拉破裂，它能使试样的最终破坏强度降低。但试样后期变形和破坏的控制因素主要是岩桥锁固段材料的抗剪强度，即试样最终破坏是作用于岩桥的剪切作用超过其抗剪强度所引起的剪破裂。通常，这种拉剪复合破坏出现的情况最多，即试样先以张拉方式发生初裂，而后按剪切方式扩展并贯通破坏。

3.3 声发射事件特征

结合上述对岩桥破坏特征的分析，根据直剪过程的声发射事件特征(见图8、图9)，岩桥在贯通破坏过程中呈现明显的阶段性，整体表现为脆性剪切破坏。在试样线弹性变形过程中，基本没有声发射事件；在试样沿节理面错动时，声发射事件也很少；随着剪切应力的增大，岩桥两端开始发育裂纹并随之扩展，当剪切应力在达到某一值时突然出现一个较小的应力降，随后剪切应力继续爬升的过程中，试样内部持续出现小型的脆性破裂，此时声发射事件开始持续增加；岩桥被剪断破坏时，声发射事件突然大量增加。

图8 岩桥宽度为80 mm时不同法向应力下剪切过程的声发射事件数Fig.8 Number of AE events in the process of direct shear of rock bridge of 80 mm width under different normal stresses

图9 法向应力为1.4 MPa时不同宽度岩桥剪切过程的声发射事件数Fig.9 Number of AE events in the process of direct shear of rock bridge of different widths under normal stress of 1.4MPa

随着岩桥宽度和法向应力的增加，岩桥内部积聚的能量增加，试样抵抗直剪破坏的能力加强，且AE活动在剪切应力达到峰值后更加频繁，声发射事件数峰值也越大，其出现的时间也越晚。此时剪切面积和法向应力较大，试样从岩桥两端发育初始拉裂纹到最终贯通破坏所需时间更长，破坏时形成的破裂面更多。

4 结 论

(1) 岩桥贯通破坏过程呈现明显的阶段性，历经了线弹性变形、沿节理面错动、岩桥两端起裂并扩展、岩桥被剪断破坏等阶段，表现为脆性剪切破坏。

(2) 在同等法向应力条件下，随着岩桥宽度不断增大，破坏面的起伏度、粗糙度相应增大。在相同岩桥宽度条件下，随着法向应力的增加，破坏面的起伏程度和粗糙度均减小，而峰值剪切应力不断增大。

(3) 直剪试验中，岩桥的宽度和法向应力的大小对岩体的破坏特性影响显著，导致岩体产生不同方式的破坏，包括剪断破坏、拉剪复合破坏和剪切破坏。其中，随着岩桥宽度的减小和法向应力的增加，试样以剪断破坏方式为主。

(4) 声发射阶段性特征明显，且与岩桥贯通破坏过程一致，有助于判别岩体变形与破坏各阶段。其中声发射事件数峰值随岩桥宽度和法向应力的增大而增大，其峰值出现时间在剪切应力达到峰值之后。

[1] 肖树芳，杨淑碧．岩体力学[M]．北京：地质出版社，1987.

[2] 朱维申，李术才，陈卫忠．节理岩体破坏机理和锚固效应及工程应用[M]．北京：科学出版社，2002.

[3] LAJTAI E Z. Shear Strength of Weakness Planes in Rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstract, 1969, 6(7): 499-515.

[4]SAVILAHTI T, NORDLUND E, TEPHANSSON O. Shear Box Testing and Modeling of Joint Bridge[C]∥Rock Joints: Proceedings of the International Symposium on Rock Joints. International Society for Rock Mechanics. Loen, Norway, June 4-6, 1990: 295-300.

[5] 刘远明，夏才初. 非贯通节理岩体直剪贯通模型和强度研究[J]. 岩土工程学报，2006，28(10)：1242-1247.

[6] 刘远明，夏才初. 直剪条件下非贯通节理岩体岩桥力学性质弱化机制及贯通模型初步研究[J].岩土力学，2010，31(3)：695-701.

[7] 范 雷，周火明，熊诗湖. 现场岩体直剪试验声发射特征及其破坏机制[J]. 长江科学院院报，2012，29(8)：29-33, 38.

[8] 周小平，张永兴. 岩石结构面直剪试验中声发射特性研究[J]. 重庆建筑大学学报，2000，22(增1)：158-161.

[9] CHEN Guo-qing, ZHANG Yan, HUANG Run-qiu,etal. Failure Mechanism of Rock Bridge Based on Acoustic Emission Technique[J]. Journal of Sensors, 2015, Doi: 10.1155/2015/964730.

(编辑：陈 敏)Experimental Study on Failure Characteristics of Rock Bridge ofDifferent Widths under Direct Shear

RAN Yao, CHEN Guo-qing, HUANG Bo-rui, ZHANG Xiao-dong, CHEN Cong-shan

(College of Environmental and Civil Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

The failure characteristics of rock mass under different widths of rock bridge and normal stresses were revealed through mechanical model test in association with analyzing the characteristic parameters of acoustic emission during the failure process. Results showed that with the increase of the width of the rock bridge, the fluctuation of failure surface and the roughness of the surface both increased. With the increase of normal stress, the peak shear stress increased continuously but the degree of fluctuation and roughness of the failure surface decreased. The failure modes of rock bridges of different widths under different normal stresses varied, including cutting damage, tensile-shear composite failure, and shear failure.The characteristics of acoustic emission were consistent with the failure process of the rock bridge, and the peak value of AE events, which appeared after the peak of shear stress, increased with the increase of the width of rock bridge and the normal stress.The results provide basis for identifying different destruction stages of rock bridge with different widths.

direct shear test; rock bridge; acoustic emission; normal stress; failure characteristics

2015-08-14 ；

2015-09-17

国家自然科学基金项目(41130745,41521002,41272330)；成都理工大学大学生课外科技立项项目(2014KL014)

冉 耀(1993-)，男，四川万源人，硕士研究生，主要从事岩土体稳定性及工程环境效应方面的研究，(电话)18328504058(电子信箱)ryao93@163.com。

10.11988/ckyyb.20150684

2016,33(10):131-134,144

TU45

A

1001-5485(2016)10-0131-04