共面斷續(xù)巖橋直剪試驗破壞過程研究

，，，，

(1.成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護重點實驗室， 成都 610059; 2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院 金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243004)

1 研究背景

巖質(zhì)邊坡的工程對象多為節(jié)理和巖橋2部分，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性受節(jié)理裂隙等非連續(xù)面控制。與貫通性節(jié)理相比，斷續(xù)巖橋影響了邊坡巖體內(nèi)力分布，故斷續(xù)節(jié)理巖體破壞模式與貫通性節(jié)理有一定差別。而節(jié)理巖體破壞模式與節(jié)理空間分布、巖橋長度和巖體受力方向密切相關。因此，研究斷續(xù)巖橋的受力特征和破壞模式對于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評價具有重要意義。

在巖橋變形破壞特征研究方面：劉遠明等[1]提出了巖橋破壞的初裂前階段、穩(wěn)定擴展階段、不穩(wěn)定擴展階段和摩擦階段，并且認為節(jié)理表面會對強度特性產(chǎn)生影響；唐志成等[2]將剪切變形分為4個階段,并建立了符合相應曲線的剪切變形本構(gòu)關系；胡波等[3-4]對共面閉合斷續(xù)節(jié)理巖體進行直剪試驗研究，對破壞階段進行了劃分，并以摩爾-庫倫準則為基礎，分析了抗剪強度變化規(guī)律；白世偉等[5]對共面節(jié)理在直剪試驗下強度特性進行了研究，獲得隨巖橋連通率變化以及節(jié)理排列方式的不同，巖體抗剪強度、峰值強度、剪切模量和剪切剛度等的變化規(guī)律。

在破壞模式研究方面：Lajtai[6]將節(jié)理巖體的破壞模式分為3種，分別為剪切破壞、張拉破壞以及擠壓破壞；焦雪峰等[7]對單結(jié)構(gòu)面和2組結(jié)構(gòu)面巖體的破壞機制進行了研究，指出工程中巖體的破壞是由于結(jié)構(gòu)面擴展、貫通和延伸引起；張國峰等[8]對單段巖橋節(jié)理巖體進行了直剪試驗研究，發(fā)現(xiàn)在巖橋由寬到窄的過程中，試驗由大范圍的拉剪破壞變?yōu)榧羟衅茐?，剪切破壞呈一定角度；陳國慶[9]對多段斷續(xù)節(jié)理進行分析，得出隨著法向壓力的增加，巖體破壞時位移量增大，抵抗變形的能力增強，峰值剪應力提高。

但上述研究仍沒有對不同連通率下共面斷續(xù)巖橋開展破壞過程進行分析研究，本文采用邊長為100 mm的正方體試樣，在試樣上預留不同連通率共面斷續(xù)巖橋，分析不同連通率下巖橋變形特征、抗剪強度參數(shù)和破壞模式的變化規(guī)律，為節(jié)理型巖質(zhì)邊坡的破壞失穩(wěn)評價提供理論依據(jù)。

2 試驗方案

2.1 試驗設備和制樣

直剪試驗儀能滿足節(jié)理巖體在不同法向應力下最小主應力為拉力的條件，同時通過控制剪應力的變化，能較好地反映節(jié)理巖體破壞過程中的變形以及應力特征。為此，本文采用直剪試驗的方式對不同連通率下共面斷續(xù)巖橋的力學性質(zhì)進行研究。試驗采用YDS-3型巖石力學多功能試驗機進行試驗，該儀器為數(shù)字控制式伺服試驗機，由計算機、伺服控制系統(tǒng)和加載系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 YDS-3型巖石力學多功能試驗機Fig.1 Multi-functional apparatus type YDS-3 for rock mechanics test

試樣采用石英砂、水泥以及石膏3種材料混合一定量的水制成，質(zhì)量比為石英砂∶水泥∶石膏∶水=6∶3∶2∶2。材料采用人工拌和，當材料和易性達標后，將混合料倒入特制的試樣盒中。試樣盒內(nèi)徑為10 cm×10 cm×10 cm，第1次試樣盒倒入1/3左右并搗實，在預留節(jié)理位置插入一定尺寸的鐵片，再分2次加滿試樣盒，每次均需搗實?；旌狭涎b滿試樣盒后振動試樣盒整體以振密混合料，輔以上部錘擊，保證試樣的均一性以及密實度，最后對表面進行拋光處理。澆筑完成后，在一定時間后拔出鐵片，在室溫及統(tǒng)一濕度下進行干養(yǎng)護，養(yǎng)護周期為28 d。巖橋規(guī)格形式如表1所示。

表1 試樣規(guī)格形式Table 1 Specification of samples

2.2 試驗方案

本次試驗為獲得共面斷續(xù)巖橋在不同連通率下的破壞模式，對每組5個試樣分別施加0.8，1.0，1.2，1.4，1.6 MPa的正應力，每種工況做3組試驗。采用伺服液壓控制力的加載，先加載法向壓應力至穩(wěn)定值，然后加載切向剪應力，并通過計算機記錄正應力、剪應力、剪切位移和法向位移隨時間的變化。當試樣完全破壞至殘余應力不再發(fā)生變化后停止加載。

3 試驗結(jié)果

3.1 應力-位移曲線分析

為研究共面斷續(xù)巖橋?qū)r體變形和破壞的影響，總結(jié)變形及破壞特征，故測定在不同法向應力狀態(tài)下，剪切變形隨剪應力增加的變化情況。不同連通率試樣的剪應力-剪切位移如圖2。

圖2 1.4 MPa正應力下剪應力與剪切位移關系曲線Fig.2 Curves of shear stress vs. shear displacement under normal stress 1.4 MPa

從圖2看出試樣破壞過程中剪應力與剪切位移變化呈現(xiàn)規(guī)律性，總體可以分為3個階段:裂紋穩(wěn)定階段、裂紋破壞階段和殘余變形階段。

第1階段曲線近似為線性變化，剪切位移隨剪應力增大而增大且趨勢穩(wěn)定。在這一階段，巖橋開始發(fā)揮作用，約束巖體的變形，隨著剪應力增大，巖橋上出現(xiàn)少量微細裂紋或不發(fā)育裂紋，在裂紋發(fā)育過程中逐漸接近破壞極限。

第2階段從試樣達到破壞荷載前2 s左右開始，剪切位移隨剪應力增大繼續(xù)增大，增長速率基本不變，但試樣裂紋迅速開展，到達強度極限后形成貫通面，剪切應力值迅速跌落，剪切位移則繼續(xù)變大。在這個過程中巖橋的約束作用逐漸失效，最終巖橋失去約束作用。

第3階段曲線由近水平的平滑曲線趨向水平平滑直線，前一段剪應力保持基本不變，剪切位移繼續(xù)擴大。此時剪應力由試樣局部摩擦以及咬合提供，隨后逐漸達到殘余強度，曲線變?yōu)樗狡交本€。

試樣線性變化階段斜率穩(wěn)定，峰后曲線跌落明顯。表明在這一階段試樣以脆性變化為主，剪切位移-剪應力曲線的線性階段斜率代表試樣的切向剛度，即產(chǎn)生單位位移所需力的大小，可以反映不同連通率下巖橋?qū)r石變形的約束能力強弱。在每一連通率下取中間3個斜率值求平均值，最終斜率統(tǒng)計如表2，表明切向剛度隨連通率的增大在逐漸減小，巖橋變短后對剪切變形的約束能力下降，符合非貫通節(jié)理巖體的力學特征。

3.2 不同連通率下破壞模式分析

通過觀察試驗現(xiàn)象并分析總結(jié)，獲得不同連通率下的破壞模式。

連通率為60%時，沿巖橋所在平面剪切破壞，中間節(jié)理及兩端節(jié)理向巖橋內(nèi)部發(fā)育或在巖橋中發(fā)育一組微小羽狀裂紋，最終沿裂紋貫通破壞，所形成的破壞面平直。如圖3所示，直接由巖橋中部以及節(jié)理端部A，B，C，D發(fā)育平行的羽狀裂紋，隨著裂紋的發(fā)育貫通導致破壞,上部為現(xiàn)場照片，下部為破壞模式簡圖，下圖類同。

表2 不同連通率下切向剛度Table 2 Tangential rigidity of samples at differentconnectivity rate

圖5 連通率為30%的破壞模式Fig.5 Failure modes of samples at connectivity rate of 30%

圖3 連通率為60%的破壞模式Fig.3 Failure modes of samples at connectivity rate of 60%

連通率為45%時，先于中部節(jié)理向兩側(cè)發(fā)育拉剪裂紋，裂紋傾角多在30°左右。加載初期由于法向壓力較大出現(xiàn)垂直張拉裂紋，此裂紋后期不再發(fā)育，重新在巖橋內(nèi)部發(fā)育微小的平緩裂紋，并形成貫通水平面的裂紋。如圖4，在初期出現(xiàn)張拉裂紋EF后隨著剪應力的增大，沿中間節(jié)理向兩側(cè)發(fā)育拉剪裂紋，隨后在巖橋中部出現(xiàn)與其端部相連的裂紋，最終由左右節(jié)理向中間節(jié)理延伸，形成A—G—B—C—H—D的貫通裂紋。

圖4 連通率為45%的破壞模式Fig.4 Failure modes of samples at connectivity rate of 45%

連通率為30%時，拉剪裂紋大規(guī)模出現(xiàn)，由中間節(jié)理向兩側(cè)延伸。當其發(fā)育到一定程度后，向水平方向發(fā)展或被巖橋中的新生平緩裂紋所切割，形成較為平緩的貫通面，但貫通面相比較大連通率時更為粗糙。如圖5(a)和圖5(b)，首先沿中間節(jié)理向左側(cè)發(fā)育裂紋BE，左側(cè)節(jié)理發(fā)育裂紋AF，沿AB發(fā)育一條新的裂紋，同時右側(cè)巖橋剪壞。此連通率下裂紋常出現(xiàn)2種發(fā)展模式:一種是圖5(c)的BH，CG逐漸變緩，向水平方向發(fā)育并最終與由左右節(jié)理發(fā)育出的裂紋貫通;另一種如圖5(d)，在巖橋中發(fā)育新生平緩裂紋，切過原先發(fā)育的較傾斜裂紋或直接與中間節(jié)理相交形成如A—I—B—C—J—D的貫通面。

連通率為24%時，出現(xiàn)陡直的拉剪裂紋，與水平面夾角約為70°左右，但這種拉剪裂紋后期不再發(fā)育，或向水平面方向發(fā)展。在巖橋中巖樣形成新的羽狀較平緩的短小裂紋，這些裂紋相互貫通破壞形成破壞面。如圖6所示，先沿中間節(jié)理發(fā)育陡直的裂紋BE與CF，然后在巖橋中也開始出現(xiàn)與其近于平行的裂紋，最終裂紋發(fā)育方向變緩并相互切割形成A—G—H—I—B—C—F—J—K—D的貫通面。

圖6 連通率為24%的破壞模式Fig.6 Failure modes of samples at connectivity rate of 24%

連通率為15%時，不僅中間節(jié)理出現(xiàn)拉剪裂紋，初始時在兩端節(jié)理也開始出現(xiàn)裂紋，右側(cè)裂紋較為平緩，而左側(cè)裂紋多為陡直的拉剪裂紋，巖橋中也出現(xiàn)較長的拉剪裂紋，最終相互貫通形成破壞面。如圖7在中間節(jié)理發(fā)育裂紋BE和CF，在巖橋中發(fā)育與其近于平行的裂紋，于左端節(jié)理沿A點發(fā)育拉剪裂紋，此時初始裂紋不再局限于中間裂紋與巖橋之間。隨著剪應力增大，沿水平方向巖橋中裂紋發(fā)生閉合，在一端重新沿水平向發(fā)育形成裂紋，巖橋內(nèi)重新發(fā)育一組裂紋并與較早的裂紋相交于端部，或者新生裂紋切割過較早發(fā)育的裂紋，最終形成貫通面A—G—H—I—B—C—P—J—D。

圖7 連通率為15%的破壞模式Fig.7 Failure modes of samples at connectivity rate of 15%

3.3 抗剪強度及法向變形分析

根據(jù)摩爾-庫倫準則：τ=σtanφ+c，得到不同連通率下試樣的黏聚力c以及內(nèi)摩擦角φ。試驗所得的c和φ值如表3所示，變化趨勢如圖8所示。隨著連通率增大，試驗的黏聚力明顯下降，而摩擦角小幅變化，穩(wěn)定在50°～60°左右，但變化過程有一定的波動。試樣破壞時的正應力與剪應力關系如圖9所示，可以得出以下結(jié)論：①隨著法向應力的增大，同一連通率下，試樣的抗剪強度呈現(xiàn)增大趨勢；②隨著連通率的不斷減小，在同一法向壓力下，巖石的抗剪強度呈現(xiàn)增大趨勢。

表3 試樣部分力學性質(zhì)指標Table 3 Mechanical properties of samples

圖8 不同連通率下黏聚力與內(nèi)摩擦角變化Fig.8 Variations of cohesion and internal friction angle of samples at different connectivity rates

圖9 法向正應力-切向剪應力Fig.9 Curves of normal stress vs. tangential shear stress

試樣的法向變形可以通過平均法向位移來判斷，規(guī)定平均法向位移為正時試樣壓縮，如表4所示。初期隨著法向應力的增大，巖石的法向壓縮位移逐漸增大，巖石在豎直方向上呈現(xiàn)收縮的趨勢;隨著剪應力的增大，裂紋開始擴展，法向位移減小，巖石呈現(xiàn)膨脹的趨勢，出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象。將表4對應的試驗樣品在剪應力增加階段所對應的平均法向位移變化繪制成圖10。可以發(fā)現(xiàn)在剪應力最初加載的階段，隨著剪應力增大，剪脹現(xiàn)象最為明顯,同時法向位移在剪切應力<1 MPa時出現(xiàn)反復的波動。

表4 1.0MPa法向正應力下連通率為24%試樣的平均法向位移及應力Table 4 Average normal displacement and stressunder theconnectivity rate of 24% and 1.0 MPa of normal stress.

圖10 剪應力-平均法向位移關系曲線Fig.10 Shear stress vs. average normal displacement

圖11 試樣加載示意圖Fig.11 Block loading diagram

4 巖橋破壞機制分析

參考劉遠明等[1]的受力分析方法，直剪試驗試塊受力狀況如圖11所示，忽略彎矩影響，破壞分析僅受到均勻分布的法向荷載以及水平荷載，巖橋分為2段，設試塊長寬均為L，法向壓力大小為Fn，水平荷載定義為Fs，則剪切應力與法向應力的大小分別為：

σs=Fs/L2；

(1)

σn=Fn/L2。

(2)

圖12 試樣下部受力示意圖Fig.12 Diagram of loading on the lower part of sample

假定在試驗過程中裂紋不閉合，巖橋抵抗切向應力，所有的切向應力均由巖橋承受，并忽略切向應力引起的附加應力的影響。

對試樣下半部進行分析，如圖12，法向應力均勻分布，同時受到均布的剪切應力，位于巖橋上的切向應力τ水平上相等。

如圖11取C點右下側(cè)的微元H進行受力分析，由于法向應力均勻分布，微元體受到法向正應力σy=σn,由于H點處水平力在x軸方向上為均勻分布，受力如圖13(a)，其微元體水平正應力σx為

(3)

而由于靜力平衡，微元體受到的剪切應力為

(4)

由于微元體滿足：

(5)

(6)

將式(5)、式(6)代入σx，σy，τxy的表達式，得：

當x=0時，σx=σs，當x=L時，σx=0;

當y=0時，τxy=0.5σs，當y=0.5L時，τxy=0。

則微元滿足邊界以及平衡方程。

所以可得H點的主應力方向應為圖13(b)所示，破裂面應力狀態(tài)應為圖13(c)所示。其中σ1和σ3為微元體的主應力，而σβ和τβ分別為H點沿破裂面的正應力和剪應力。

圖13 微元H應力狀態(tài)Fig.13 Stress state of microelement H

結(jié)合試驗可得：與微元體主應力方向一致或者成微小夾角的微裂紋最先擴展，且發(fā)育情況隨主應力方向的變化而不斷變化。斷續(xù)節(jié)理巖橋的3種破壞機制分析如下。

張拉破壞：在試樣受剪應力初期，由于法向壓應力過大，剪應力較小，且試樣側(cè)面為臨空面，這一部分處于無側(cè)限狀態(tài)。此時由于法向壓應力使得試樣內(nèi)部產(chǎn)生張力，使試樣沿豎直方向開裂，但開裂僅限于臨空部分且后期不再發(fā)育。在試樣開始錯動時，由于左側(cè)巖橋的下部受到較大的拉應力，使得左側(cè)節(jié)理沿端部向下出現(xiàn)拉裂紋。

拉剪破壞：當水平剪應力增加到一定值時，最大主應力為水平剪應力，此時在巖橋上下取E，F(xiàn)，G，H共4個點，分析其主應力面的狀態(tài)?？梢钥闯?，此時E點所代表的左段巖橋上部成為軟弱部位，拉剪應力集中，H點代表的右段巖橋下部也存在拉剪應力集中。對試樣右下部進行分析，試樣的巖橋部位承受水平剪切力，存在剪應力集中，剪應力為線性分布，在右段巖橋的右端部剪應力更大。所以當剪應力達到抗剪強度后，中間節(jié)理沿左上右下的方向開始擴展。同理右邊節(jié)理沿左上擴展，左邊節(jié)理沿右下擴展。

剪切破壞：剪應力大小未能使試樣發(fā)生拉剪破壞，但水平剪應力已經(jīng)使巖橋達到破壞極限，在巖橋上發(fā)育的裂紋沿水平方向發(fā)育并最終貫通，使試樣沿巖橋直接剪斷，破壞面為粗糙摩擦面，有較小起伏，此時為剪切破壞。

當巖橋較短時，試樣的破壞一般為先發(fā)生剪切破壞，沿中間節(jié)理向兩側(cè)水平方向發(fā)展，當延伸到一定程度后由于巖橋先達到破壞條件，試樣沿巖橋方向被剪壞。隨著巖橋的變長，試樣的拉剪破壞現(xiàn)象逐漸明顯。在這一過程中，當拉剪破壞以及剪切破壞都存在時，巖樣會出現(xiàn)復合破壞形式。

5 結(jié) 論

(1)共面斷續(xù)節(jié)理巖體的變形破壞受巖橋影響，初期以彈性變形為主，切向剛度基本穩(wěn)定。破壞形式主要呈現(xiàn)脆性特征，變形破壞共分為3個階段：裂紋穩(wěn)定階段、裂紋破壞階段和殘余變形階段。

(2)當試樣的連通率相同時，試驗所得的剪切應力隨法向應力的增大而增大，總體呈現(xiàn)線性變化，裂紋擴展規(guī)律都符合摩爾-庫倫強度理論。隨著連通率的上升，試樣對剪切變形的抵抗能力逐漸減弱，切向剛度降低，黏聚力明顯下降，但內(nèi)摩擦角有小幅下降。

(3)在多段共面節(jié)理巖體的破壞過程中，總體呈現(xiàn)張拉破壞、拉剪破壞以及剪切破壞3種破壞模式。隨著巖橋長度的減小，拉剪破壞現(xiàn)象逐漸減弱，剪切破壞概率增大，剪切破壞成為主要破壞模式，試樣出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象。