岩体软弱结构面剪切特性试验研究

罗 群，王 哲，王俊杰，赵天龙

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430074； 2.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；3.重庆交通大学 水工建筑物监测诊断技术重庆市高校工程研究中心，重庆 400074)

岩质边坡失稳变形破坏机理是岩体结构面所构成的潜在滑动带的变形破坏。结构面是抗拉强度极低或没有抗拉强度的不连续面。因此，不同结构面表现出其力学性质不同，规模大小也不一[1-4]。实践表明，当岩体中存在破坏其完整性的软弱夹层或软弱结构面时，岩体便丧失了连续性，并存在沿这些结构面发生变形破坏的可能[5-7]。软弱夹层严重削弱了岩体的整体抗滑移能力, 降低了多级边坡的强度储备安全系数，使边坡更容易产生失稳破坏[8]。

岩体结构面的剪切强度是结构面力学特性中最重要的指标，一直以来都受到国内外学者的广泛关注[9]。针对岩体软弱结构面抗剪强度特征，许多学者通过理论和试验的方法对规则结构面以及不规则结构面的剪切强度进行探讨。雷鹏[10]基于野外调查测量及室内加卸荷试验，利用二维颗粒流(PFC2D)程序模拟研究了贯通型锯齿状岩体结构面的剪切变形及强度影响规律，该研究成果不仅丰富了岩体结构面剪切力学性质理论，也可为锯齿状岩体结构面所控制的边坡稳定性评价提供有益参考。周子龙等[11]通过数值软件建立了锯齿形的含软弱夹层结构面模型以模拟不同加载条件下的结构面直剪试验，深入探讨分析软弱结构面抗剪强度与法向荷载以及剪切速率的关系。唐雯钰等[12]在考虑岩体应变软化特征情况下，采用数值计算方法针对不同锯齿高度，探讨结构面抗剪强度峰值前后的应力应变关系。王天亮等[13]利用应变控制式直剪仪进行了剪切试验，定量分析不规则凹槽结构面的变化对接触面抗剪强度及其参数的影响。王程亮[14]采用劈裂法制备天然岩体结构面，并结合三维激光扫描试验、室内直剪剪切试验，以研究结构面三维形貌对其剪切性质的影响，在此基础上，建立考虑三维粗糙度评价参数的岩体结构面剪切强度模型。

综上分析，针对岩体结构面抗剪强度特征，前人已开展了许多研究工作。岩体软弱结构面所能提供的抗剪力主要由3部分组成：粘聚分量、剪胀分量和摩擦分量。前人的研究工作大多将这3种作用合并考虑，研究重点在于结构面的宏观剪切变形规律。本文借助大型直剪试验，针对岩体软弱结构面中的粘聚分量和摩擦分量尝试进行分离分析，重点研究不同剪切分量在软弱结构面宏观剪切变形过程中的作用机制，以期为岩质边坡抗滑稳定性分析提供理论支撑。

1 试验装置及试验设计

1.1 试验装置

岩体结构面直接剪切试验主要依托DZJ-200型大型反复直剪试验机，整个试验系统主要由试验机主体部分、试验动力系统和数据采集控制系统3部分组成。

1.2 试验材料选择及试样制备

1) 结构体相似材料的制备

制备岩石相似材料时，在确保其法向加载后不被破坏的前提下，选择水泥砂浆进行试件配制，试样力学参数取值如表1所示；按比例对试验材料进行称重、混合、搅拌后装入模具，24 h后进行脱模，放入恒温恒湿标准养护箱中养护，如图1所示。养护温度为20 ℃，相对湿度为95%，养护时间10 d。

表1 结构体试样基本力学参数

2) 结构面相似材料的制备

考虑到结构面材料颗粒粒径对抗剪强度的影响，本次试验参考了一典型含碎屑土夹层的巴东组软岩路堑边坡[15]，以其碎屑土夹层级配曲线为依据，进行结构面相似材料的制备，级配曲线如图2 所示。

将各粒组土样按照设计要求进行称重，按试验含水率要求洒水搅拌，控制干密度为1.85 g/cm3进行试样软弱夹层材料的填筑，结构面相似材料基本物性指标如表2所示。

1.3 试验内容

通过开展含软弱夹层结构的直剪试验，适当降低轴压以忽略夹层材料的剪胀作用，然后通过作图法和列表法对试验结果进行处理，获得软弱结构面摩擦分量及粘聚分量在其所提供的抗剪力中所占权重及作用规律。

图2 结构面相似材料级配曲线

表2 结构面相似材料基本参数及取值

试验时，结构面夹层材料的含水率参考费康[16]对黏土最优含水率分布范围的研究结果，选择最优含水率18%以及其以下范围12%、15%作为本次试验的含水率取值，轴压荷载为0.125 MPa、0.25 MPa、0.375 MPa、0.5 MPa，通过增量分析，得到结构面粘聚力影响下的剪切强度变化规律，并且通过增量分析对粘聚作用及摩擦作用进行区分。

2 系统摩阻系数测定

开展岩石结构面直剪试验时，试验机固定上剪切盒，通过作动器推动下剪切盒实现对试样的剪切，下剪切盒与试验机机座之间通过设置滚轴排来减小相对位移产生的阻力。为使试验结果更为精确，试验之前对系统的摩阻系数进行测定，在后续的剪力分析时剔除试验系统的摩擦阻力，以此减小系统误差对试验结果的影响。

在不装样时，分别对剪切盒施加0 kN、5 kN、10 kN的轴向压力进行剪切试验，得到不同轴压条件下剪切盒与机座之间的摩擦阻力，进而获得算数平均的系统摩阻系数。在后续的试样剪切试验时，正应力与剪应力间满足如下关系：

τ=c+σ(tanφ+μ)

(1)

式中：τ为剪应力，MPa；c为粘聚力，kPa；σ为轴向压力，MPa；φ为试样内摩擦角，(°)；μ为试验系统摩阻系数。不同轴压条件下的试验结果如图3所示。

图3 直剪试验系统摩阻系数测试结果

试验开始后，随着剪切位移的增加，3种试验条件下的剪切力均随之增加，由于轴压的不同剪切力增速不同，但当剪切位移大致为5 mm时，3种轴压条件下的剪切力均趋于恒定并略微浮动，浮动范围如图3所示。以浮动范围的中值作为该轴压条件下对应的剪切力，由此0 kN、5 kN、10 kN三种轴压所对应的剪切力分别取0.10 kN、2.64 kN、5.20 kN。

由于0 kN的摩阻试验即是垂向作动器没有施加轴压，但滚轴排上部的剪切盒存在一定的自重，因此不对0 kN试验结果摩阻系数计算，而是对3种轴压进行增量分析得到摩阻系数，3种轴向力条件下所获得的直剪试验系统水平力如图4所示。

图4 试验系统摩阻系数分析

通过图4可知，由轴向力0 kN～5 kN可得到摩擦系数μ1=0.508，5 kN～10 kN可以得到摩擦系数μ2=0.512，摩擦系数平均值即由0 kN～10 kN所得摩擦系数μ=0.51，因此可认为直剪试验系统摩擦系数为0.51。需指出的是，后续的试验结果已减去试验系统摩阻系数。

3 软弱结构面抗剪强度试验结果分析

针对含软弱夹层结构面剪切位移变化时的抗剪强度特性，通过开展直剪试验，重点分析轴压条件下，软弱夹层不同含水率对软弱夹层剪切特性的影响。试验制样时，软弱夹层按图2所示级配曲线进行土料配置，并按干密度1.85 g/cm3填筑软弱夹层材料厚度为1 cm。试验中轴压选择为0.25 MPa、0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa，软弱夹层土料的含水率设置为12%、15%、18%。试样过程采用应变控制式，设置剪切速率为5 mm/min，加载方式为分步加载，先施加法向力达到预设轴压保持不变，然后以一定的剪切速率施加切向力至预定的剪切位移。试验设置最终剪切距离为4 cm。剪切试验过程中对切向应力、位移以及法向应力、位移数据进行实时监测，数据采集频率为3.9 Hz，现对获取的一系列试验数据作如下分析。

3.1 不同轴压条件下的结构面剪切过程分析

试验采用4种轴压条件0.25 MPa、0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa，选择含水率为15%时进行软弱结构面直剪试验，结果如图5所示。

图5 不同轴压下软弱结构面剪切过程分析

由图5可见，几种不同轴压条件下，岩体软弱结构面剪切过程曲线呈现趋势大致相同，剪切变形初期，剪应力随剪切位移的增长呈线性增加的趋势，体现为弹性剪切变形阶段，随后曲线斜率降低，进入材料屈服变形阶段，并很快达到结构面的抗剪力峰值，且随着剪切位移的增加，抗剪力大致保持不变，不存在明显的剪切弱化现象。4种轴压条件下的弹性变形阶段剪切刚度、抗剪峰值强度、抗剪峰值位移试验结果如表3所示。

由表3可以看出，岩体软弱结构面发生剪切变形时，初期弹性剪切变形阶段的剪切刚度随着轴压的增加不断增加，且抗剪强度峰值不断增加，而抗剪强度峰值所对应的剪切位置受轴压条件影响较小。

表3 不同轴压时关键节点参数试验值

3.2 夹层材料含水率对结构面剪切过程的影响

试验采用3种夹层材料含水率12%、15%及18%，选择轴压0.25 MPa进行软弱结构面直剪试验，结果如图6所示。

图6 不同含水率影响下的软弱结构面剪切过程分析

由图6可见，不同含水率条件下，岩体软弱结构面剪切过程曲线变化规律大致相同，剪切变形初期为弹性剪切变形阶段，即剪应力随着剪切位移的增加呈线性增长，随后进入屈服变形阶段，曲线斜率明显降低，随后出现抗剪强度峰值。从图6还可知，较低含水率条件下，岩体软弱结构面剪切过程中存在一定的剪切软化现象。3种含水率条件下的弹性变形阶段剪切刚度、抗剪峰值强度、抗剪峰值位移试验结果如表4所示。

由表4可以看出，随着含水率的增加，岩体软弱结构面弹性变形阶段剪切刚度不断降低，且抗剪强度峰值也不断减小，即含水率的增加会显著降低结构面的抗剪能力。此外，随着含水率的增加，结构面抗剪峰值位移不断增加，即峰值出现时间不断延后，且残余抗剪强度增强。

表4 不同含水率时关键节点参数试验值

4 岩体结构面抗剪强度分量作用分析

结构面能够发挥抵抗剪切变形的抗剪力主要由摩擦分量、粘聚分量及剪胀分量组成。由摩尔-库伦准则抗剪强度式(1)可知，岩石结构面在剪切过程中，粘聚分量在剪切破坏发生前基本保持不变，且不受轴压等条件变化的影响，而摩擦分量则与轴压条件呈线性正相关。据此，通过分析不同轴压条件下摩擦分量的增量，可对其量值进行分离分析。此时，剩余部分抗剪力主要由粘聚分量和剪胀分量构成，通过分析特定工况条件下平直光滑结构面粘聚力分量值，可进一步对粘聚作用进行区分处理。

4.1 摩擦分量作用

对摩擦分量增量进行分离分析，结果如图7所示。

图7 摩擦分量增量分析结果

从图7可知，摩擦分量增量与轴压呈明显的线性正相关。结构面抗剪力中摩擦分量的发挥过程与抗剪力合力作用过程较为类似，结构面剪切开始后，摩擦分量随着剪切位移的发展而逐渐增加，随后达到峰值并基本保持恒定。轴压增量对摩擦分量增量峰值影响明显，且对摩擦分量峰值位移影响较为显著。不同轴压条件下摩擦分量增量曲线中的特征参数如表5所示。

表5 不同摩擦分量时关键节点参数试验值

对比表5中3种增量条件下的摩擦力分量发展过程，可见结构面抗剪力中摩擦力随轴压增加的增速加快，达到峰值之后基本不存在摩擦分量的丧失，结构面的剪切破坏对其影响不大，且摩擦力在整个剪切过程发挥作用，数值上基本保持恒定。

4.2 粘聚分量作用

通过分析含夹层软弱结构面直剪试验结果，其在直剪过程中剪胀作用并不显著，因此假设软弱结构面抗剪力主要由粘聚分量以及摩擦分量构成，则对二者进行分离分析，如图8所示。

由图8可知，轴压条件对结构面抗剪力中的摩擦分量影响显著，但对粘聚分量影响不明显。4种轴压条件下，粘聚分量峰值约为0.047 MPa～0.052 MPa，而摩擦分量则随着轴压的不断增加呈线性增长。不同轴压条件下的粘聚力分量作用过程中部分特征值如表6所示。

(a) 0.25 MPa轴压抗剪力分量作用

(c) 0.5 MPa轴压抗剪力分量作用

(e) 1 MPa轴压抗剪力分量作用

(g) 1.5 MPa轴压抗剪力分量作用

表6 不同轴压下抗剪力分量作用关键节点参数试验值

分析图8及表6可知，剪切过程中摩擦力的增长同结构面抗剪力合力增长过程较为相似，接近于理想弹塑性剪切过程，而粘聚力分量由于存在试验初期的剪切破坏过程，从而造成粘聚力于剪切初期短时丧失，随后逐渐增长的情况。分析4种不同轴压情况下的软弱结构面剪切过程可知，粘聚力丧失，开始位移受轴压影响并不大，但随着轴压的增加，粘聚力损失量值呈增大的趋势，且粘聚力重新发挥所对应位移不断提前。由此可知，随着轴压增加，剪切初期土体粘结结构的破坏程度不断增大，但夹层材料很快在较大的轴压条件下形成新的粘结组合结构，并重新开始发挥抗剪力。然而，轴压条件对于粘聚力峰值大小以及峰现时间影响并不明显。

5 结论

1) 针对含夹层材料的软弱结构面进行大型剪切试验，结果表明轴压条件对结构面抗剪力峰值影响明显，但对于峰现位移影响不大，而夹层材料含水率对结构面抗剪强度影响规律与轴压条件下的结构面抗剪强度影响规律相反。

2) 对软弱结构面直剪试验结果进行结构面摩擦分量与粘聚分量的作用过程分析，发现剪切过程中摩擦力的增长同结构面抗剪力合力增长过程较为类似，接近于理想弹塑性剪切过程，而粘聚力在剪切初期阶段呈先增长后减小的趋势，且随着轴压的增加，粘聚力损失量值呈增大的趋势，此外，轴压条件对于粘聚力峰值大小以及峰现时间影响并不明显。

3) 忽略剪胀分量的作用，软弱结构面剪切强度分量组成中，摩擦分量占比远大于76%，且随着轴压的增加，摩擦分量在结构面抗剪强度中占比不断增加，即对于软弱结构面，摩擦力仍然是结构面抗剪切滑动过程的主控作用力。据此，对于含软弱结构的岩质边坡，在坡体预加固及防护措施实施过程中，适当提高结构面法向压力，进一步提高结构面剪切分量占比，或通过变形控制，调动结构面自身抗剪切能力，充分发挥结构面自身抗剪切性能，对于提高边坡防护效果将具有积极的作用。