人工結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析

孫敬輝, 鄭羅斌, 吉 鋒

(1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院, 四川 成都 610059; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

節(jié)理抗剪強(qiáng)度影響著巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。目前，室內(nèi)直剪試驗(yàn)是獲取節(jié)理強(qiáng)度參數(shù)的常用方法。然而，節(jié)理的抗剪強(qiáng)度非常依賴于節(jié)理表面形貌，隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)和試驗(yàn)材料的發(fā)展，很多在三維層面上反映節(jié)理形貌參數(shù)與抗剪強(qiáng)度關(guān)系的模型公式被提出來[1-3]。

Patton[4]用石膏制作了鋸齒狀結(jié)構(gòu)的節(jié)理，研究了爬坡效應(yīng)和切齒效應(yīng)并且提出了著名的雙直線強(qiáng)度模型。該模型首次提出起伏角的剪脹效應(yīng)，并且引入到摩爾—庫倫摩擦定律之中。Ladanyi等[5]通過假定凸起體面積占節(jié)理總面積比例，分析了結(jié)構(gòu)面剪切過程中的剪脹效應(yīng)和剪斷效應(yīng)。Schneider[6]從結(jié)構(gòu)面起伏角與法向正應(yīng)力之間的相互關(guān)系著手，通過大量的模型試驗(yàn)得出抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式。Barton等[7-8]則以真實(shí)結(jié)構(gòu)面為研究對(duì)象并在大量觀察和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)并提出了如下的著名的JRC-JCS模型：

(1)

式中：τp——峰值抗剪強(qiáng)度；φb——基本摩擦角； JSC——結(jié)構(gòu)面面壁強(qiáng)度；σn——法向應(yīng)力；JRC——粗糙度系數(shù)。這個(gè)模型被廣泛的運(yùn)用于實(shí)踐工程中。

以上結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度模型大多是對(duì)結(jié)構(gòu)面剪切方向上的一條剖面線的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行估算[9]，實(shí)際上，巖體結(jié)構(gòu)面是巖體中的三維面，具有一定的空間延展性，而結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度也在很大程度上受到結(jié)構(gòu)面三維接觸及接觸區(qū)域分布的影響，如果不考慮結(jié)構(gòu)面三維效應(yīng)，勢(shì)必對(duì)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的正確估算產(chǎn)生影響。Grasselli等[10]在大量巖石拉斷面的直剪試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和光學(xué)測(cè)量的基礎(chǔ)上，提出了考慮結(jié)構(gòu)面三維效應(yīng)的抗剪強(qiáng)度模型。這是一個(gè)考慮三維形貌參數(shù)的預(yù)測(cè)模型。本文擬在室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，通過相似比材料，采用精準(zhǔn)配比的混凝土澆筑而成的真實(shí)的結(jié)構(gòu)面試樣，對(duì)其進(jìn)行直剪試驗(yàn)，分析剪切前后結(jié)構(gòu)面形貌的變化和剪切應(yīng)力的分布規(guī)律。以期為巖體結(jié)構(gòu)在剪切情況下的力學(xué)特征提供工程依據(jù)。

1 人工節(jié)理直剪試驗(yàn)

1.1 試樣制作

天然巖石結(jié)構(gòu)面在取樣過程上有一定的困難，并且結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)做完一次后，結(jié)構(gòu)面就遭到了破壞，這樣的結(jié)構(gòu)面無法重復(fù)利用試驗(yàn)，既沒有代表性也使得成本花費(fèi)大大提高[11]。因此，本研究采用混凝土相似材料制作結(jié)構(gòu)面表面形貌完全相同的試樣進(jìn)行試驗(yàn)[12-13]。首先，采用手持式三維激光掃描儀和3 D打印技術(shù)復(fù)制了結(jié)構(gòu)面三維形貌[14-15]，并且用PLA材料打印成模具；其次，在模具上澆筑混凝土，澆筑時(shí)要預(yù)先涂上脫模劑以保證能夠容易脫模。

試樣上下盤的尺寸均為100 mm×100 mm×50 mm；試樣以水泥為膠凝材料，中粗砂、細(xì)砂為集料、細(xì)碎石為骨料，摻入減水劑、硅粉、綠色碳化硅等混凝土添加劑復(fù)合而成的高強(qiáng)度地質(zhì)力學(xué)模型材料。相似材料[16]的配比方案為：m水泥∶m砂=1∶1.5，m水泥∶m水=1∶0.3，m砂∶m碎石=4∶1，減水劑參量2%，早強(qiáng)劑參量2%，硅粉參量10%，碳化硅參量15%。節(jié)理基本參數(shù)如表1所示。

表1 節(jié)理基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)中采用的是成都理工大學(xué)研制的XJ-2型攜帶式剪切儀，該設(shè)備采用手動(dòng)加載，分別配套了水平、垂向兩套油壓加載系統(tǒng)，包括油泵(2個(gè))、千斤頂6 t(3個(gè))行程3 mm、承受荷載的粗鋼絲繩及荷載千斤頂鋼絲繩套，豎向最大試驗(yàn)力600 kN，水平最大試驗(yàn)力600 kN；水平位移數(shù)據(jù)采集儀表兩個(gè)(行程30 mm，精度0.01 mm)，豎向位移采集儀表兩個(gè)(行程10 mm，精度0.01 mm)。能夠較好的滿足本次試驗(yàn)荷載分級(jí)和位移采集的要求。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

試件共分為4組共20個(gè)試件，為充分研究結(jié)構(gòu)面剪切過程中正應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系，每種類型試件分別在的0.5，1，1.5，2，3 MPa的法向應(yīng)力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，加載方式為分步加載:先加法向力達(dá)到預(yù)定值保持不變，然后以一定速率施加切向力，一般為保證采樣數(shù)據(jù)的密度要求，每級(jí)加載0.2 MPa進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，包括水平油壓表讀數(shù)、豎直向油壓表讀數(shù)、水平位移讀數(shù)(2個(gè)表讀數(shù)取平均值)、豎向位移讀數(shù)(2個(gè)表讀數(shù)取平均值)，直至試件發(fā)生破壞，獲得結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用計(jì)算結(jié)果繪制剪應(yīng)力—水平位移曲線(4組不同結(jié)構(gòu)面形貌規(guī)律基本一致，如圖1所示)。

為更清晰地反應(yīng)結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)完成后的破壞情況，試驗(yàn)中將結(jié)構(gòu)面表面涂一層不影響結(jié)構(gòu)面摩擦特性的紅色的水粉染料(見圖2)。試驗(yàn)中還分別獲取了在3 MPa法向應(yīng)力下，剪切前后結(jié)構(gòu)面的10條粗糙輪廓線,粗糙輪廓的平均下降高度為1.03 mm，最大下降高度為2.92 mm。

注：ST1，ST2，ST3，ST4為4組不同形貌結(jié)構(gòu)面的編號(hào)。圖1 節(jié)理試樣剪切位移-剪切應(yīng)力特征

注：圖中數(shù)字1—10為10條粗糙輪廊線的編號(hào)。圖2 剪切前后的節(jié)理試樣

2 數(shù)值模擬分析

為了詳細(xì)研究結(jié)構(gòu)面在直剪試驗(yàn)過程中的細(xì)觀力學(xué)特性和破壞特征，用數(shù)值模擬的方法研究巖石結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)時(shí)，必須對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)的參數(shù)完全進(jìn)行還原。本試驗(yàn)選擇了100 mm×100 mm×50 mm的上下兩塊巖石結(jié)構(gòu)面試樣，進(jìn)行編程形成了立方體的研究模型，然后施加邊界條件，固定結(jié)構(gòu)面的下盤受到各個(gè)方面的約束力，在上盤上給予分布均勻的分布荷載，固定其值，最后給予側(cè)向應(yīng)力，其值變化區(qū)間為[1.0 MPa,10.0 MPa]。剪切荷載以剪切位移方式控制，剪切荷載速率為5.0×106mm/step。

由剪切位移分別在0.5 mm和4 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的分別是結(jié)構(gòu)面峰值抗剪強(qiáng)度和殘余抗剪強(qiáng)度結(jié)果可知，不是所有的表面都受到剪應(yīng)力的作用。受到剪應(yīng)力作用的表面大都是面向剪切方向的，而且面向剪切方向表面傾角越大，剪應(yīng)力越大。給出了法向應(yīng)力0.5，1，1.5，2，3 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)面峰值抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度應(yīng)力分布，由應(yīng)力分布可知，隨著方向應(yīng)力的增加，結(jié)構(gòu)面受剪應(yīng)力影響的范圍隨之增大。

從直剪試驗(yàn)和數(shù)值模擬試驗(yàn)得到的剪切前后的二維剖面線和三維表面的應(yīng)力分布結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

(1) 結(jié)構(gòu)面應(yīng)力分布規(guī)律。從不同法向應(yīng)力下的剪切應(yīng)力結(jié)果可以看出剪切應(yīng)力的分布規(guī)律是，隨著法向壓力的增大，剪切應(yīng)力的大小和范圍都增大，隨著法向壓力的增大，剪應(yīng)力區(qū)域并沒有太明顯的改變。剪應(yīng)力最大值是在產(chǎn)生剪應(yīng)力的部分結(jié)構(gòu)面的中上部，而不是頂部；而且是一些孤立的“島”是這些“島”，還有“島”的基礎(chǔ)主要承擔(dān)剪應(yīng)力，島主要承擔(dān)部分結(jié)構(gòu)面上的小凸起部分的抗剪力，其次才擴(kuò)大到是“島”基，最后擴(kuò)大到部分結(jié)果面，而且并不是所有表面都存在剪應(yīng)力，只有結(jié)構(gòu)面法線方向與施加的剪力方向小于90°，對(duì)剪切提供抗力的表面上存在剪切力。

(2) 結(jié)構(gòu)面剪切特性。從HAC3D生成的結(jié)構(gòu)面模型結(jié)果可知，節(jié)理試樣剪切位移—剪切應(yīng)力曲線與傳統(tǒng)規(guī)律基本一致，說明了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。在法向應(yīng)力為3 MPa結(jié)構(gòu)面的剪切破壞區(qū)域并不是包括整個(gè)結(jié)構(gòu)面，而是只占了結(jié)構(gòu)面全部面積的一部分，結(jié)構(gòu)面的剪切接觸面積與法向應(yīng)力的大小有關(guān)，法向應(yīng)力越大，剪切接觸面積越大，這與數(shù)值模擬應(yīng)力分布規(guī)律基本吻合。另外，結(jié)構(gòu)面表面高處的小凸起體顯著的被大量剪斷了，而在較低處的小凸起體損壞區(qū)則不明顯，結(jié)構(gòu)面高度通過剪切試驗(yàn)平均被剪斷下降了1.03 mm，結(jié)構(gòu)面最高處容易被剪切掉。

3 結(jié) 論

(1) 本試驗(yàn)基于節(jié)理的剪切運(yùn)動(dòng)機(jī)制及巖性相似材料理論，采用了一種配制高強(qiáng)度相似材料的配比方案為：m水泥：m砂=1∶1.5，m水泥：m水=1∶0.3，m砂：m碎石=4∶1，減水劑參量2%，早強(qiáng)劑參量2%，硅粉參量：10%，碳化硅參量：15%，該配比方案可為進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面試驗(yàn)的人員提供技術(shù)參考。

(2) 剪切應(yīng)力的分布規(guī)律：隨著法向壓力的增大，剪切應(yīng)力的大小和范圍都增大，隨著法向壓力的增大，剪應(yīng)力區(qū)域并沒有太明顯的改變。剪應(yīng)力大小從施加剪切力的一端向另一端總體上呈增大趨勢(shì)，而且并不是所有表面都存在剪應(yīng)力，只有結(jié)構(gòu)面法線方向與施加的剪力方向小于90°，對(duì)剪切提供抗力的表面上存在剪切力。巖體結(jié)構(gòu)面剪切破壞過程中,面向剪切方向的微小平面發(fā)揮主要抗剪作用，節(jié)理面的剪切破壞區(qū)域并不包括整個(gè)結(jié)構(gòu)面，只占了結(jié)構(gòu)面全部面積的一部分，節(jié)理面的剪切接觸面積與法向應(yīng)力的大小有關(guān)，法向應(yīng)力越大，剪切接觸面積越大。