典型结构面分布型式节理岩体室内直剪试验研究

林兴超，凌永玉，汪小刚，王玉杰，赵宇飞

（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038）

1 研究背景

岩体是长期地质构造运动的产物，包含大量不连续结构面，如：断层、节理、层理、裂隙等。这些结构面相互交切形成了特定的岩体结构，这种复杂的结构特征决定了岩体的破坏机理和强度、变形等工程力学特性。大量工程实践表明，岩体的变形、破坏和失稳通常是岩体内部结构面变形、破坏、扩展乃至贯通引起的［1-2］，研究结构面分布特征对节理岩体力学特性的影响是非常有意义的。

预制节理的物理模型试验是研究构面分对节理岩体力学特性影响的有效手段，主要包括单轴压缩试验、直剪试验等。前期关于节理岩体单轴压缩试验较多［3-13］，对节理岩体直剪试验的研究相对较少［14-16］，这些少量的研究主要针对包含单一或单组节理的节理岩体试样开展研究工作，很难真实反映复杂的节理岩体结构特征。

汪小刚等［17］在超过100000条结构面统计资料基础上总结了5种典型结构面分布型式（如图1所示），通过这5种分布型式可以衍生数十种结构面分布，能够较好反映岩体基本结构特征。本文通过制作包含上述5种典型分布形式的节理岩体，开展室内直剪试验，研究节理岩体变形破坏全过程和强度特征，为节理岩体工程力学特性参数确定提供试验依据。

图1 五种典型结构面分布型式

2 试验方案

2.1 试验目的及典型结构面分布型式的合理性论证 本次试验目的为开展典型结构面分布型式的节理岩体室内直剪试验研究，研究节理岩体在直剪试验条件下变形、破坏、扩展直至贯通的演化规律，分析节理对破坏模式的影响效应，揭示节理岩体直剪试验条件下力学响应机制，验证汪小刚等［17］提出强度准则的合理性。

为实现上述目的，典型结构面分布型式采用了文献［17］在超过100000条结构面统计资料基础上总结的5种典型结构面分布型式，通过这5种分布型式可以衍生数十种结构面分布。这5种典型结构面分布型式，首先在几何形态上是在大量现场结构面统计基础上，引入数理统计基本概念总结得到的，包含了所有节理岩体剪切过程中两条结构面的相对剪切关系，在几何条件下具有合理性。其次这5种分布型式是对复杂的结构面和岩桥的组合形式的一种分解模式，主要表现为：

在节理岩体综合抗剪强度确定方面，Einstein等［3］在总结Lajtai的研究成果的基础上，进一步提出了相应于某一剪切方向a和岩桥倾角b时（如图2示）确定岩桥抗剪能力R的计算方法：

图2 不同情况下的岩桥抗剪能力计算简图

（1）当 β ＜（θ+α）时：

式中d为岩桥在剪切方向的投影长度，

式中：σt为完整岩石的抗拉强度；σn为法向应力。

也可近似的取为45°。

（2）当β＞（θ+α）时，在岩桥处发生直接拉伸破坏，此时：

式中h为岩桥在与剪切方向垂直方向上的投影。

在岩体结构面网络图中，结构面和岩桥的组合情况是非常复杂的。根据对岩体结构面网络中结构面和岩桥组合情况的分析，可将复杂的结构面和岩桥的组合形式分解为图1所示的五种基本形式。

（1）相邻结构面相交。如图1（a）所示，此时剪切路径上的抗剪力为：

式中：τj1、τj2为节理面在剪切方向上提供的抗剪强度；l1、l2为节理面在剪切上的投影长度。

（2）相邻节理面不相交但相互重叠，岩桥呈顺向剪切。如图1（b）所示，此时剪切路径上的抗剪力为：

式中σt为完整岩石的抗拉强度，h为岩桥在与剪切方向垂直方向上的投影。

（3）相邻节理面不相交但相互重叠，岩桥呈逆向剪切。如图1（c）所示，此时剪切路径上的抗剪力为：

式中τr为岩桥沿剪切方向的抗剪强度。

（4）相邻结构面不相交、不重叠且结构面之间的岩桥呈顺向剪切

如图1（d）所示，此时又分为两种情况：当β＞θ（θ≈45°）时，抗剪力R近似按式（7）计算；当β＜θ时：

（5）相邻结构面不相交、不重叠但结构面之间的岩桥呈逆向剪切

如图1（e）所示，当岩桥剪切路径与剪切方向呈一逆向夹角时，这种情况与图1（c）类似，节理面之间的岩桥也不再会发生受拉破坏，而产生强迫剪切破坏，此时抗剪力R同样可按式（7）计算。

由于剪切路径和剪力方向不一致，在实际计算τj1、τj2和τr时应考虑剪切破坏过程中的爬坡效应。

2.2 试样制作 节理岩体试样采用石膏、水、水泥、砂子等材料按一定比例混合浇筑而成，通过调整配比模拟具有不同强度的岩体；并且在浇筑过程中预埋钢片、砂纸等模拟节理，通过预埋件厚度、处理方式和材料等模拟不同结构面的特性。模型制作过程及控制要点主要包括：

（1）使用的配比为（质量比）砂子∶水泥∶水=3∶2∶1.13。

（2）为了操作方便制样时将试样平躺，此时需预制的节理垂直于地面，采用0.7 mm铁片作为节理成形工具，制作试样前将其插入预制的节理槽中。模型浇筑完成后8 h将铁片用手直接拔出，8 h拔出时机通过现场对比试验确定，这时能够轻松拔出铁片。通过上述制作工艺得到的结构面长度和相对位置不会发生改变；钢片拔出后的空间会由于砂浆的微膨胀特性在养护过程中逐渐闭合，闭合后节理的强度特性参数通过是贯通结构面的直剪切试验确定，如表1所示。

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（3）模型尺寸300 mm×300 mm×150 mm（长×宽×高），为保证试验材料一致性，所有试样一次性制作完成；制作完成后将试样立起后开展试验，试样尺寸300 mm×150 mm×300 mm（长×宽×高）。

（4）试样浇筑完成2天后拆模，在室温条件下养护21天后开展试验研究。通过室内试验确定岩体和结构面材料特性参数，如表1所示。

表1 材料参数表

2.3 节理岩体试样及试验设计 根据5种典型结构面分布型式设计节理岩体试样，具体几何尺寸如图3所示，图中节理1的起点为B、终点为C，节理2的起点为D、终点为E，如节理1与节理2相交则交点为G，直剪试验起点为A、终点为F。

图3 典型结构面分布型式设计及尺寸

试验仪器采用液压伺服岩石万能试验机SAJM-2000，在剪切框架上安装好试样后，将剪切框架推入试验机主机中，即可实现法向荷载和剪切荷载同时加载。直剪试验法向加载采用力控制：先预加载5kN的试验力后加载相应荷载级别的试验；切向加载先采用试验力控制，预加载3kN试验力，后转化为位移控制，加载速度为0.5 mm/min。试验过程中安装摄像头记录试样破坏过程并在万能试验机电脑屏幕上显示，采用屏幕录制程序同步记录破坏过程和试验应力应变，通过这样的改进可以重复观看试验破坏过程及力学特征曲线的相关特性。

对5种岩体模型进行不同法向荷载（0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa）条件下的直剪试验，共计25次岩体直剪试验，研究节理岩体破坏的演化过程和强度特性。

3 试验结果分析

3.1 节理岩体破坏过程及破坏形态 为更好了解直剪试验条件下典型结构面分布型式节理岩体破坏、过程、贯通全过程及其对应力学特性变化规律，将试样剪切过程影像与加载曲线同时录制。可以通过录像反复观察研究直剪试验条件下两条结构面分布岩体破坏过程。结构面分布型式相同，不同法向应力条件下破坏过程均一致，限于篇幅，本文仅给出了I型结构面、法向应力为1.0 MPa条件下试样变形破坏过程的录像、抗剪强度变化曲线和破坏过程素描，如表2所示。

表2 I型节理岩体变形破坏过程

I型节理岩体的破坏型式主要表现为节理岩桥之间的渐进搭接破坏，通过录像可以清晰观测节理破坏、扩展直至贯通全过程。随着剪切试验的进行，当剪切荷载接近节理岩体极限抗剪强度时，可以观察到试样表面出现局部表皮脱落现象，内部微裂纹形成；当剪切荷载达到节理岩体极限抗剪强度时，节理“BC”与节理“DE”之间的岩桥“CD”发生突然破坏，并伴随微弱响声和剪切荷载跌落现象；随着加载继续进行，剪切起点A逐渐向节理“BC”起点B扩展，然后节理“DE”向剪切终点F扩展直至贯通。

表3 五种典型分布型式试件破坏过程和节理作用统计表

表4 五种典型分布型式试件最终破坏形态

（1）在不同正应力条件下同一类型节理岩体的破坏过程一致，节理在破坏面上的作用相同，一致率达到100%。

（2）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型节理岩体能够明显观察到试样破坏、扩展直至贯通的演化过程，破坏时间超过1s；V型节理为突然破坏（破坏时长小于1s），无法观察到试样渐进破坏过程，发生突然破坏试样占比20%。

（3）两条节理之间的搭接破坏是典型分布形式节理岩体直剪试验的主要破坏型式；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ型典型分布型式结构面均表现为明显的节理岩桥之间的搭接破坏，Ⅳ型节理岩体由于节理“BC”终点C与剪切终点F之间的张拉破坏强度小于“C-＞D-＞E-＞F”的组合抗剪强度，直接越过节理“DE”，节理分布特征决定节理岩体最终破坏形态，节理控制的试样占比达到80%。

（4）不同法向应力条件下，节理岩体破坏模式相同，两条节理之间的搭接位置可能存在微小差别，位置差别小于节理总长度的5%；在高法向应力（2.0 MPa和2.5 MPa）条件下，节理尖端可能出现类似单轴压缩试验的翼型裂纹，翼型裂纹的出现对节理岩体主破坏路径没有影响；0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa和2.5 MPa条件下试样出现翼型裂纹的比例分别为0%、20%、60%、60%和80%。

3.2 节理岩体力学响应特征 通过直剪试验可以获得剪切应力-剪切变形全过程曲线，法向应力为1.0 MPa条件下，各种类型节理岩体应力应变曲线可以划分为以下阶段（如图4所示）：调整阶段（OA）：节理岩体试样在剪切荷载作用下被调整压紧，剪切缓慢增加，属于弹性变形；线弹性变形阶段（AB）：剪切荷载与剪切位移呈线性关系，也属于弹性变形；隐形裂纹阶段（BC）：应力应变曲线变缓，局部产生宏观不可见的隐性裂纹，或出现试样表皮脱落现象，属于塑性变形；裂纹扩展（CD）：宏观裂纹扩展直至贯通，应力以不同方式减小，最终达到残余强度；残余变形阶段（DE）：试件破坏，应力基本保持不变。

图4 应力应变全过程曲线

根据25条应力应变曲线及贯穿性平直结构面应力应变曲线特征，可将节理岩体破坏扩展阶段响应曲线划分为滑动型、屈服型、剪断型、脆断型和剪断复合型。其中剪断型式在平直结构面的直剪试验中出现，只有弹性、滑动两个阶段；屈服型曲线整体平滑，在裂纹扩展阶段没有明显应力跌落现象；剪断型曲线前期整体平滑，达到峰值强度时出现明显应力跌落现象，应力跌落后继续减小直至达到残余强度；脆断型曲线前期为线弹性，达到峰值强度后出现大幅度的应力跌落现象，后期应力增大直至达到残余强度；剪断复合型曲线前期整体平滑，达到峰值强度后出现多个明显应力跌落现象，然后应力逐渐减小直至达到残余强度。五种类型应力应变曲线特征统计如表5所示。

表5 应力应变曲线类型划分及统计

3.3 综合抗剪强度特征分析 通过典型结构面分布形式的节理岩体直剪试验结果对汪小刚等［17］提出的岩体综合抗剪强度计算方法进行了验证，如表6所示。验证结果表明，试验结果与公式计算误差较小，最大误差不超过9%，汪小刚等［17］提出的基于Lajtai岩桥破坏理论的综合抗剪强度计算方法能够较好的反映节理岩体强度特性。

表6 试验结果与公式计算结果统计表

根据5级法向荷载条件下综合抗剪强度可拟合得到节理岩体综合抗剪切参数，如表7所示。节理分布对节理岩体强度参数影响较大：五种类型节理岩体峰值强度的内摩擦角为完整岩块的68%～81%、黏聚力为46%～62%；残余强度的内摩擦角为完整岩块残余强度内摩擦角的62%～102%。不同类型间内节理岩体峰值强度内摩擦角和黏聚力的最大差值分别为4.58°和0.43 MPa；残余强度的最大差值分别为3.32°和0.4 MPa。

表7 综合抗剪强度参数统计

4 结论

本文对节理岩体破坏过程和综合抗剪强度特性问题开展了典型结构面分布型式下的室内直剪试验，试验结果表明：

（1）节理岩体破坏是种渐进破坏，其破坏速度由节理分布型式控制。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型节理岩体能够明显观察到试样破坏、扩展直至贯通的演化过程，破坏时间超过1s；V型节理为突然破坏（破坏时长小于1s）。

（2）结构面分布型式控制节理岩体最终破坏形态。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ型典型分布型式结构面均表现为明显的节理岩桥之间的搭接破坏；Ⅳ型节理岩体由于节理“BC”终点C与剪切终点F之间的张拉破坏强度小于“C-＞D-＞E-＞F”的组合抗剪强度，直接越过节理“DE”。

（3）不同法向应力条件下节理岩体破坏面的形态基本一致，高法向应力（2.0 MPa和2.5 MPa）条件下，节理尖端可能出现类似单轴压缩试验的翼型裂纹。不同法向应力条件下，两条节理之间的搭接位置可能存在微小差别，位置差别小于节理总长度的5%；随着法向应力的提高，试样出现翼型裂纹的比例由0%增加至80%

（4）节理对岩体综合抗剪强度参数影响较大。五种类型节理岩体峰值强度的内摩擦角为完整岩块的68%～81%、黏聚力为46%～62%，节理的存在极大降低了岩体的强度；不同类型间节理岩体峰值强度内摩擦角和黏聚力的最大差值分别为4.58°和0.43 MPa，不同类型节理岩体见强度差可能超过20%。

（5）汪小刚等提出的基于Lajtai岩桥破坏理论的综合抗剪强度计算方法得到的综合抗剪强度与试验结果误差小于9%，能够较好的反映节理岩体强度特性。