非貫通斷續(xù)節(jié)理巖石剪切力學(xué)特性及破壞機(jī)理研究

關(guān)鍵詞： 巖石力學(xué); 剪切破壞; 斷續(xù)節(jié)理; 節(jié)理傾角

中圖分類(lèi)號(hào)： TB9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2025）02–0019–11

0 引言

巖體內(nèi)普遍存在著各類(lèi)結(jié)構(gòu)面，如層理、節(jié)理和斷層等，這些結(jié)構(gòu)面降低了巖體的完整性，減弱了巖體力學(xué)強(qiáng)度，尤其是抗剪性能，對(duì)巖土工程穩(wěn)定性具有顯著的負(fù)面影響[1]。如意大利瓦伊昂（Vajont）滑坡事故、我國(guó)和順呂鑫煤業(yè)邊坡滑坡事故，均源于巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面導(dǎo)致巖體力學(xué)性能顯著下降，降雨、地震等外界因素進(jìn)一步加劇這一問(wèn)題，從而引發(fā)了滑坡災(zāi)難，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。在巖土領(lǐng)域中，特別是巖石邊坡工程，大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害均是巖體裂隙、節(jié)理等構(gòu)造變化劣化了巖體抗剪力學(xué)性能造成的。因此，研究節(jié)理、裂隙等不連續(xù)構(gòu)造對(duì)巖體剪切應(yīng)力作用下力學(xué)行為的影響及其破壞機(jī)理，對(duì)巖土工程設(shè)計(jì)、地災(zāi)害防治具有重要意義[2-3]。

眾多學(xué)者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬等研究了節(jié)理巖石在不同條件下的力學(xué)特性和破壞特征。對(duì)于壓縮作用下節(jié)理巖石的研究相對(duì)較多，如章德超等[4]基于DIC 數(shù)字圖像技術(shù)，研究了裂隙位置、裂隙傾角等不同裂隙分布對(duì)巖石單軸壓縮條件下的力學(xué)特性和變形破壞特征的影響。張朝俊等[5] 基于超聲和數(shù)字圖像技術(shù)，研究了裂隙砂巖單軸壓縮下的應(yīng)變場(chǎng)演化和超聲波時(shí)移衰減特征，得出了不同裂隙傾角下巖石的裂紋擴(kuò)展和破壞特征。而對(duì)于剪切作用下的節(jié)理巖石研究則相對(duì)較少，如王剛等[6] 采用完整及非貫通節(jié)理花崗巖進(jìn)行剪切試驗(yàn)研究，分析了其宏觀力學(xué)特性、聲發(fā)射信號(hào)特征、顆粒流細(xì)觀演化規(guī)律等，提出可利用聲發(fā)射信號(hào)特征預(yù)判花崗巖的剪切破壞，分析了節(jié)理對(duì)巖石剪切強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展的影響。劉遠(yuǎn)明[7] 通過(guò)直剪試驗(yàn)對(duì)非貫通節(jié)理巖體進(jìn)行了裂紋貫通擴(kuò)展試驗(yàn)研究，提出非貫通節(jié)理巖體的破壞和失穩(wěn)最終都是由于巖體內(nèi)部節(jié)理面的張開(kāi)、閉合和擴(kuò)展而產(chǎn)生的貫通滑移所致，巖體整體的破壞特征表現(xiàn)為原生節(jié)理和自節(jié)理端部擴(kuò)展的巖橋斷面所組成的復(fù)合破壞面。胡波等[8] 通過(guò)節(jié)理巖體室內(nèi)試驗(yàn)，引入法向變形協(xié)調(diào)條件，基于Mohr-Coulomb理論，推導(dǎo)了共面閉合斷續(xù)節(jié)理巖體的直剪強(qiáng)度公式，得出巖石剪切破壞面以拉剪復(fù)合破壞為主，同時(shí)伴隨大量拉張微裂隙，且?guī)r石強(qiáng)度和變形具有明顯的階段性特征。刑文政等[9]采用水泥砂漿制作了不同形貌參數(shù)的人工劈裂結(jié)構(gòu)面并進(jìn)行剪切試驗(yàn)，獲得了不同參數(shù)條件下巖石結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度和峰值剪切應(yīng)力與正應(yīng)力之間的應(yīng)力比。并在分析峰值剪切強(qiáng)度和應(yīng)力比數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，提出一種考慮材料強(qiáng)度修正的改進(jìn)模型。韓學(xué)賢等[10]開(kāi)展了不同角度充填節(jié)理的花崗巖直剪試驗(yàn)，對(duì)充填節(jié)理花崗巖的剪切破壞力學(xué)特性、損傷演化及裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究，得出充填物主要改變裂紋擴(kuò)展的介質(zhì)，而節(jié)理角度主要影響巖樣剪切時(shí)節(jié)理面的受力狀態(tài)；巖石損傷破壞過(guò)程同樣可分為裂紋閉合、萌生、擴(kuò)展破壞3 個(gè)階段，裂紋擴(kuò)展分別沿水平方向及平行節(jié)理方向。GEHLE 等[11]對(duì)含不同雁形排列節(jié)理的模擬巖石試件開(kāi)展了大變形直剪試驗(yàn)，得出了斷續(xù)節(jié)理巖體的剪切破壞的變形破壞機(jī)制。上述研究分別從不同角度揭示了節(jié)理巖石的剪切破壞力學(xué)行為和特征，包括非貫通巖石的破壞特征和裂紋擴(kuò)展過(guò)程，以及不同節(jié)理角度下巖石的剪切力學(xué)特性和損傷破壞演化過(guò)程。

然而，實(shí)際工程中的巖體節(jié)理往往是非單一、非連續(xù)、復(fù)雜多變的，對(duì)于斷續(xù)節(jié)理與連續(xù)節(jié)理、單節(jié)理與多節(jié)理巖體，其力學(xué)行為和破壞特征均具有顯著差異。如邊坡巖體、巷道圍巖等，由于存在多組不同角度、不同長(zhǎng)度、不同貫通和充填狀態(tài)的節(jié)理，在地震、爆破震動(dòng)、鑿巖鉆進(jìn)等擾動(dòng)下會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)沿節(jié)理方向或節(jié)理交錯(cuò)方向的裂隙擴(kuò)展甚至貫通，從而影響巖體整體穩(wěn)定性甚至發(fā)生災(zāi)害事故。因此，研究多組非貫通節(jié)理巖石的力學(xué)行為和變形損傷特征，尤其在壓剪荷載作用下的影響規(guī)律，對(duì)于巖石工程穩(wěn)定性分析和設(shè)計(jì)、施工等均具有重要的指導(dǎo)意義，但此方面的相關(guān)研究卻甚為少見(jiàn)。因此，本文通過(guò)預(yù)制多條斷續(xù)節(jié)理的巖石試件，開(kāi)展室內(nèi)剪切試驗(yàn)，并基于DIC 數(shù)字圖像技術(shù)，對(duì)巖石試件剪切破壞全過(guò)程的表面全場(chǎng)應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而揭示斷續(xù)結(jié)構(gòu)面巖石的剪切破壞機(jī)理及其力學(xué)特性，為巖石工程節(jié)理巖體穩(wěn)定性分析和監(jiān)測(cè)支護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1試樣制備及試驗(yàn)方案

1.1試樣制備

由于天然節(jié)理巖石試樣取樣困難，且天然巖石內(nèi)含斷續(xù)節(jié)理數(shù)量、形態(tài)等特征各異，極難獲得滿足試驗(yàn)要求且具有一致性節(jié)理特征的巖石試樣。因此，針對(duì)節(jié)理巖石試驗(yàn)，通常采用相似材料澆筑，結(jié)合預(yù)制節(jié)理、水力切割節(jié)理等方法模擬巖體賦存的節(jié)理構(gòu)造，并開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究。研究結(jié)果與實(shí)際巖體表現(xiàn)的規(guī)律具有較好的一致性[12]。本次試驗(yàn)采用以水泥、石英砂等制作類(lèi)巖石試樣，水灰比為0.45，灰砂比為1.0，試樣長(zhǎng)100mm、高100mm、寬30mm。試驗(yàn)所選用材料和相似性為與常見(jiàn)砂巖原巖進(jìn)行類(lèi)比，結(jié)合相似理論和前人研究基礎(chǔ)，選用巖石密度、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角幾個(gè)參數(shù)相似性作為類(lèi)巖石材料的相似準(zhǔn)則，同種類(lèi)和配比材料另外制作了標(biāo)準(zhǔn)圓柱體和立方體試樣進(jìn)行了單軸壓縮和剪切試驗(yàn)，得出其密度、單軸抗壓強(qiáng)度、彈模等參數(shù)與砂巖[13]的性質(zhì)參數(shù)對(duì)照見(jiàn)表1，各主要參數(shù)均與原巖較為接近。每個(gè)水泥試樣上預(yù)制Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5 條等間距斷續(xù)節(jié)理試樣，寬10mm，凈間距為10 mm（節(jié)理中心間距20mm）。根據(jù)節(jié)理傾角α不同，制備7組含斷續(xù)節(jié)理試件組，分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，如圖1所示。

制作過(guò)程中，采用立方體試模及節(jié)理插片進(jìn)行砂漿澆注，澆注前在試模內(nèi)各表面涂一薄層潤(rùn)滑油作為脫模劑。混合砂漿經(jīng)攪拌充分混合，倒入試模中，使拌合物高出試?？?，放在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)，振動(dòng)至砂漿基本均勻。靜置試模6～7h，在砂漿完全凝固前拔出節(jié)理插片。24h后砂漿完全凝固，拆模。取出試模內(nèi)的砂漿試塊放入恒溫恒濕的養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)14d。同時(shí)，為便于試驗(yàn)時(shí)采用DIC技術(shù)測(cè)試其全場(chǎng)應(yīng)變，在澆筑養(yǎng)護(hù)好的試樣表面，人工噴涂制作大小不一、分布不均、較為密集的散斑點(diǎn)。制作好的試樣如圖2 所示。

1.2試驗(yàn)方案及過(guò)程

試驗(yàn)采用長(zhǎng)春科意試驗(yàn)儀器有限公司的巖石直剪試驗(yàn)機(jī)（TFD-20H/50J），設(shè)備法向最大荷載20 kN，切向最大荷載50kN，均可采用位移、荷載和變形控制加載。

試驗(yàn)時(shí)為防止試樣傾覆，法向施加0.1MPa正應(yīng)力（1000N）且全程恒定，剪切采用荷載控制進(jìn)行加載，速度為10N/s，破壞后采用位移控制繼續(xù)加載至荷載不再上升，速度為0.2mm/min。為了同時(shí)記錄試樣剪切過(guò)程中的變形及破壞特征，采用德國(guó)Lavision 公司的StrainMaster數(shù)字圖像設(shè)備對(duì)試件表面變形進(jìn)行全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)設(shè)備布置和試樣安裝如圖3 所示。具體試驗(yàn)過(guò)程為：

1）安裝節(jié)理巖石試樣；

2）在試驗(yàn)機(jī)試件安裝固定完成后，啟動(dòng)DIC系統(tǒng)，開(kāi)啟照明、采集、分析系統(tǒng)，核驗(yàn)校準(zhǔn)圖像質(zhì)量；

3）開(kāi)始加載，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與力學(xué)試驗(yàn)機(jī)同步運(yùn)行，采集全視野、全時(shí)域的試樣形狀、位移與變形數(shù)據(jù)。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1剪切作用下巖樣力學(xué)特征分析

圖4為含不同傾角節(jié)理試樣的剪切荷載-位移關(guān)系曲線。結(jié)果表明，隨著剪切位移增加，剪切荷載不斷上升，直至巖石試樣發(fā)生破壞，剪力-位移曲線急速降低，隨后剪切荷載因試件上下部分節(jié)理的摩擦作用，呈一定范圍內(nèi)的波動(dòng)并明顯逐步降低至趨于穩(wěn)定。

圖5為巖樣最大剪切荷載與節(jié)理傾角的關(guān)系曲線。整體上，隨著節(jié)理傾角增加，峰值剪切荷載有較為明顯的波動(dòng)，呈隨傾角增加逐漸升高的特點(diǎn)，75°時(shí)峰值荷載最大。傾角為90°的試樣較75°試樣峰值剪切荷載顯著降低，主要原因是90°試樣在剪切過(guò)程初期就產(chǎn)生了平行于預(yù)置節(jié)理（垂直于應(yīng)力加載方向）的貫通裂紋，之后盡管在剪切方向逐漸出現(xiàn)連接節(jié)理尖端貫通裂紋，但巖樣的整體抗剪強(qiáng)度已大大減弱。

圖6 為各試樣剪斷時(shí)最大剪切位移與節(jié)理傾角的變化關(guān)系，可以看出整體上，以45°為分界線，最大剪切位移量呈現(xiàn)沿兩端（0°或90°）向中間值（30°或60°）增大變化，即45°以前，隨最大剪切位移節(jié)理角度增大而增大，45°以后，隨節(jié)理角度增大而減小。同時(shí)0°和90°、15°和75°、30°和60°的位移相差不大，有較好的一致性，考慮其應(yīng)為新貫通節(jié)理方向基本與原有節(jié)理相交且與臨近節(jié)理對(duì)角相連，即整體節(jié)理貫通后走向基本相同所致。圖7為試樣剪切過(guò)程中法向位移與剪切位移的關(guān)系曲線，結(jié)合圖4可見(jiàn)各試樣均在首個(gè)峰值荷載附近出現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)，也即此時(shí)巖樣沿原節(jié)理尖端產(chǎn)生的新生裂紋已逐步擴(kuò)展并貫通，之后的法向位移增加主要為巖樣含新生裂紋巖橋的殘余強(qiáng)度以及節(jié)理摩擦所產(chǎn)生的剪脹效應(yīng)所致。

2.2巖樣剪切破壞模式與破壞機(jī)理分析

圖8為不同預(yù)置節(jié)理傾角試樣的破壞模式。從中可知，對(duì)于0°～45°傾角試樣，裂紋從預(yù)置節(jié)理端部萌生，相鄰節(jié)理產(chǎn)生的裂紋橫向發(fā)展，導(dǎo)致相鄰節(jié)理首尾相連，最終形成一條貫通節(jié)理；當(dāng)節(jié)理傾角高于45°時(shí)，裂紋自端部萌生，有次生裂紋近似沿加載方向擴(kuò)展至預(yù)制節(jié)理中部，次生裂紋可能沿不同路徑錯(cuò)開(kāi)，裂紋的萌生擴(kuò)展模式逐漸復(fù)雜，呈現(xiàn)多條裂紋的破壞模式，節(jié)理間裂紋數(shù)量也逐漸增多，并且出現(xiàn)多級(jí)承載現(xiàn)象，表現(xiàn)為剪切力-位移的峰后波動(dòng)現(xiàn)象。

圖9為DIC系統(tǒng)監(jiān)測(cè)獲得的試樣發(fā)生剪切破壞后的剪應(yīng)變?cè)茍D。結(jié)果表明，峰值剪切應(yīng)變主要集中在預(yù)置節(jié)理尖端附近，并沿著尖端呈類(lèi)翼型擴(kuò)展分布，這說(shuō)明剪切應(yīng)力集中區(qū)也主要分布在節(jié)理尖端，其壓剪應(yīng)力合力方向即為新生裂紋的萌生、擴(kuò)展和貫通方向。同時(shí)結(jié)合圖8 可見(jiàn)巖樣在壓剪應(yīng)力作用下，裂紋自尖端沿相鄰裂紋的尖端方向擴(kuò)展貫通，并最終發(fā)生破壞，也即新裂紋均與最大主應(yīng)力（剪應(yīng)力）方向斜交，其整體最終擴(kuò)展（貫通）方向與剪力方向趨于平行，這與格里菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則相符合[13]。

結(jié)合巖土材料剪脹理論，無(wú)論是完整巖石還是節(jié)理巖石，在剪切過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生塑性體積變形，也就是剪脹[14]。實(shí)際上，節(jié)理巖石在壓剪荷載作用下，節(jié)理在剪切過(guò)程中既會(huì)出現(xiàn)剪脹，也可能會(huì)出現(xiàn)剪縮，尤其是在初始剪切階段。本次試驗(yàn)所施加的法向應(yīng)力很小，其剪縮效應(yīng)相對(duì)較小，從圖7也可以看出，主要還是以剪脹變形為主。借鑒前人研究成果，試樣在發(fā)生節(jié)理貫通并剪斷時(shí)，其剪脹角應(yīng)為巖樣破壞前的最大值（可將其定義為破斷剪脹角），之后將變?yōu)樨炌ńY(jié)構(gòu)面剪切，從圖4 中剪力均突然急劇降低可證實(shí)。根據(jù)Barton、肖維民等提出定義，巖樣的破斷剪脹角可為剪斷時(shí)剪切位移處的切線與水平方向傾角[15-16]。0°～90°破斷剪脹角分別為35.2、16.8、18.4、32.1、30.2、29.6、25.3。對(duì)于節(jié)理傾角0°～45°，其破斷剪脹角隨角度增大而減?。粚?duì)于45°～90°試樣，同樣隨角度增大而減小，但減小幅度不同，且整體剪脹角更大，推測(cè)其應(yīng)為傾角越大，其沿水平剪切方向的等效巖橋長(zhǎng)度更大所致。

3基于DIC數(shù)字圖像的損傷變形演化規(guī)律

3.1不同傾角下剪切應(yīng)變發(fā)展規(guī)律

傾角0°節(jié)理試樣的剪切應(yīng)變演化過(guò)程如圖10所示?？梢钥闯觯谑┘?0% 峰值荷載時(shí)，試樣中部節(jié)理區(qū)域出現(xiàn)較小應(yīng)變，表明試樣中部節(jié)理兩端區(qū)域已開(kāi)始出現(xiàn)損傷變形。在施加30% 峰值荷載時(shí)，中部區(qū)域應(yīng)變?cè)龃?，左?cè)也已開(kāi)始出現(xiàn)損傷變形并向邊緣發(fā)展，變形破壞沿節(jié)理由加載方向發(fā)展，之后隨載荷不斷增大，當(dāng)荷載達(dá)到70% 峰值荷載時(shí)，左側(cè)節(jié)理貫通，之后隨載荷增大至100% 峰值載荷，變形破壞由中部沿節(jié)理向右側(cè)發(fā)展直至節(jié)理完全貫通破壞。整體上表現(xiàn)為節(jié)理試樣的左側(cè)變形更加明顯，破壞程度由左向右依次減弱。圖10（f）為最大剪切應(yīng)變演化過(guò)程，10%～70% 峰值荷載時(shí)，對(duì)節(jié)理試樣的最大剪切應(yīng)變影響較小。隨著荷載水平的繼續(xù)增大，在達(dá)到80% 峰值荷載之后，試樣的最大剪切應(yīng)變隨載荷增加而顯著增加，剪切變形也更加明顯，直至達(dá)到峰值載荷時(shí)試樣出現(xiàn)明顯破壞。

圖11為傾角15°節(jié)理試樣的剪切應(yīng)變演化過(guò)程?？梢?jiàn)，在施加10% 峰值荷載時(shí)，試樣部分節(jié)理位置出現(xiàn)一定程度變形。在施加30%～50%的峰值荷載時(shí)，變形主要集中在試件中部區(qū)域節(jié)理。當(dāng)達(dá)到70% 峰值載荷之后，變形破壞由試件中部向左右兩側(cè)擴(kuò)展。隨后至100%峰值載荷，直至節(jié)理完全貫通，且變形破壞主要集中在左側(cè)節(jié)理。圖11（f）顯示最大剪切應(yīng)變?cè)?0%～50%峰值荷載時(shí)，對(duì)試樣的最大剪應(yīng)變影響較小。在60%～90%的峰值載荷水平內(nèi)，最大剪切應(yīng)變隨載荷增加而明顯增加，試樣產(chǎn)生了較為明顯的剪切變形。至90% 荷載以后，最大剪切荷載快速上升，節(jié)理試樣破壞加劇。

圖12為傾角30°節(jié)理試樣的剪切應(yīng)變演化過(guò)程。在施加10% 峰值荷載時(shí)，試樣的應(yīng)變場(chǎng)分布較為分散，并沒(méi)有出現(xiàn)顯著的應(yīng)變集中區(qū)域。施加20%～90% 峰值載荷時(shí)變形集中于節(jié)理周?chē)?，隨荷載的增加變形增大，尤以右側(cè)節(jié)理變形最為突出。當(dāng)荷載增加至100%峰值載荷時(shí)節(jié)理變形陡然增大，試樣各節(jié)理被裂隙貫通。其最大剪切應(yīng)變演化趨勢(shì)與15°試樣基本一致。

圖13為傾角45°節(jié)理試樣的剪切應(yīng)變演化過(guò)程。在施加10% 峰值荷載時(shí)，右側(cè)節(jié)理周邊應(yīng)變比較集中，隨荷載水平不斷增加，右側(cè)兩節(jié)理變形不斷加大，但直至100% 峰值載荷，節(jié)理試樣未出現(xiàn)整體貫穿變形。圖13（f）顯示，隨荷載的不斷增大，試樣最大剪應(yīng)變逐步增大。但達(dá)到100% 峰值載荷時(shí)的最大應(yīng)變值較小，未出現(xiàn)與0°、15°、30°節(jié)理試樣最大剪應(yīng)變?cè)诮咏?00% 峰值荷載時(shí)相似的突增，而呈現(xiàn)漸進(jìn)破壞過(guò)程。

圖14給出了傾角60°節(jié)理試樣的剪切應(yīng)變演化過(guò)程。分析可知，施加10%～30% 峰值荷載時(shí)，隨荷載增加節(jié)理周?chē)鷳?yīng)變?cè)黾?。?dāng)至10%～30%峰值荷載時(shí)各節(jié)理之間出現(xiàn)垂直于節(jié)理的應(yīng)變集中區(qū)域，并隨荷載增加變形逐漸增加。施加70%～100% 峰值荷載時(shí)可見(jiàn)節(jié)理周?chē)鷳?yīng)變減弱，垂直兩節(jié)理之間的變形破壞逐漸增大，最終貫穿節(jié)理試樣，造成顯著變形破壞。圖14（f）可見(jiàn)，在施加10%～20% 峰值荷載時(shí)，最大剪應(yīng)變有所降低。當(dāng)施加20%～60% 峰值荷載時(shí)隨荷載增大最大剪應(yīng)變不斷增大。施加60%～80% 峰值荷載時(shí)，剪應(yīng)變明顯增加。當(dāng)施加80%～100% 峰值荷載時(shí)，剪應(yīng)變迅速增加，試樣顯著破壞。

圖15為傾角75°節(jié)理試樣的剪切應(yīng)變演化過(guò)程，圖中可見(jiàn)，隨荷載的增加節(jié)理周?chē)鷳?yīng)變?cè)黾?，以?jié)理Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ最為顯著，且節(jié)理Ⅳ出現(xiàn)沿節(jié)理兩端的變形擴(kuò)展。但當(dāng)達(dá)到100% 峰值載荷時(shí)，試樣并未橫向貫穿破壞，而是明顯沿著結(jié)構(gòu)面傾向方向擴(kuò)展。其最大剪應(yīng)變（圖15（d））演化過(guò)程與傾角45°試樣的演化過(guò)程相似，隨荷載不斷增大，節(jié)理試樣最大剪應(yīng)變逐步增大，達(dá)到100% 峰值載荷時(shí)的最大應(yīng)變值較小，并未出現(xiàn)最大剪應(yīng)變突增，呈現(xiàn)漸進(jìn)破壞特征。

圖16為傾角90°節(jié)理試樣的剪切應(yīng)變演化過(guò)程。由此可得，施加10% 峰值荷載時(shí)，試樣中心節(jié)理即產(chǎn)生了垂直于剪切荷載方向的變形破壞，且隨荷載不斷增大變形破壞不斷加劇。當(dāng)達(dá)70%～80% 峰值荷載時(shí)，節(jié)理Ⅲ、Ⅳ之間、節(jié)理Ⅵ與右邊界間即出現(xiàn)垂直與加載方向的應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)，最終在施加100% 峰值荷載時(shí)各節(jié)理間出現(xiàn)橫向貫穿破壞。圖16（d）顯示其最大剪應(yīng)變?cè)?0%～40% 峰值荷載時(shí)，試樣的最大剪切應(yīng)變?cè)鏊佥^快，當(dāng)施加40%～90% 峰值荷載時(shí)增速減緩。當(dāng)施加90%～100% 峰值荷載時(shí)，最大剪切應(yīng)變迅速增大，試樣破壞加劇。

3.2不同傾角下裂紋擴(kuò)展規(guī)律

圖17 為不同節(jié)理傾角試樣的剪切破壞典型發(fā)展過(guò)程（由左至右分別為50%、70%、100%峰值荷載時(shí)刻）。圖17（a）顯示，傾角0°試樣中節(jié)理Ⅰ從左側(cè)邊緣起裂沿節(jié)理向右側(cè)發(fā)展至節(jié)理Ⅱ，節(jié)理Ⅴ從右側(cè)邊緣起裂形成翼裂紋，兩側(cè)起裂裂紋沿節(jié)理不斷向試樣內(nèi)部擴(kuò)展。節(jié)理Ⅱ拉裂張開(kāi)形成宏觀裂隙，并沿節(jié)理向右側(cè)發(fā)展，節(jié)理Ⅳ張開(kāi)形成翼型裂紋，節(jié)理Ⅴ剪裂張開(kāi)形成右上裂紋，最終試樣沿節(jié)理方向全部破壞。圖17（b）可見(jiàn)，傾角15°試樣節(jié)理I從左側(cè)邊緣起裂并沿節(jié)理向右側(cè)發(fā)展至端部，節(jié)理II 由左側(cè)翹起端部起裂張開(kāi)至右側(cè)端部，依次發(fā)展至節(jié)理V，最終各節(jié)理貫通。其中節(jié)理IV起裂裂隙沿初始裂隙左側(cè)中部至右側(cè)下伏端頭呈下凹圓弧狀。節(jié)理V從左側(cè)翹頭端起裂張開(kāi)至左側(cè)中部，呈上凸圓弧狀。圖17（c）顯示傾角30°試樣節(jié)理I 由右側(cè)下伏端起裂向左上方擴(kuò)展，并由左下方從試件邊緣向內(nèi)部起裂。節(jié)理II 從左側(cè)節(jié)理起裂至右側(cè)節(jié)理下伏端，并由右側(cè)起裂向左斜上方擴(kuò)展。節(jié)理III 由左側(cè)翹起端至右側(cè)節(jié)理中部產(chǎn)生張開(kāi)裂紋。節(jié)理IV由左側(cè)節(jié)理翹起端起裂并向右下方擴(kuò)展，且未貫通，并由右側(cè)節(jié)理下伏端上部起裂向左上方擴(kuò)展，未貫通。節(jié)理V產(chǎn)生左側(cè)翹起端至右側(cè)節(jié)理下伏端上部的上凸?fàn)盍严?，并由跨裂隙從左?cè)翹起端沿初始缺陷水平擴(kuò)展。然后，節(jié)理I 與II 裂紋貫通，節(jié)理II 左側(cè)裂紋貫通，右側(cè)裂紋輕微閉合。節(jié)理IV 左側(cè)裂紋與右側(cè)裂紋在同一平面處貫通。另可見(jiàn)節(jié)理I 右側(cè)裂紋在接近節(jié)理后向左上方擴(kuò)展，于試件邊緣與左側(cè)裂紋匯合。至此所有節(jié)理貫通，試件顯著破壞。圖17（d）為傾角45°試樣破壞過(guò)程，節(jié)理IV 由左側(cè)節(jié)理上翹端起裂至右側(cè)節(jié)理下伏端貫穿開(kāi)裂。節(jié)理III 從右側(cè)節(jié)理上翹端1/4 處起裂向左上方15°擴(kuò)展，并超過(guò)節(jié)理II。節(jié)理IV 從左側(cè)節(jié)理上翹端至右側(cè)節(jié)理下伏端開(kāi)裂。節(jié)理III 由左側(cè)節(jié)理上翹端至右側(cè)節(jié)理中部開(kāi)裂，裂隙中段分叉指向右側(cè)節(jié)理下伏端。試件下邊緣中部豎直向上開(kāi)裂。節(jié)理V 由左側(cè)節(jié)理上翹端起斜下指向右側(cè)邊緣，節(jié)理II 右側(cè)邊緣向左斜上擴(kuò)展，最終裂紋貫通。圖17（e）可知傾角60°試樣節(jié)理I 由右側(cè)節(jié)理中部T 型開(kāi)裂，左下分支先向左下30°擴(kuò)展，后轉(zhuǎn)為水平。節(jié)理II、節(jié)理III 均由左側(cè)節(jié)理中部至右側(cè)下伏端貫穿開(kāi)裂。節(jié)理IV 由左側(cè)節(jié)理下伏端1/4 處至右側(cè)下伏端貫穿開(kāi)裂，節(jié)理V 由左側(cè)節(jié)理上翹端起裂向左水平擴(kuò)展，再由右側(cè)節(jié)理上翹端水平向右擴(kuò)展與右邊緣貫通。

圖17（f）為傾角75°試樣的剪切破壞全過(guò)程云圖。由圖可知，節(jié)理I 左側(cè)中部向左呈Y 型開(kāi)裂，右側(cè)由節(jié)理下伏端向右下15°方向擴(kuò)展，節(jié)理II 由左側(cè)節(jié)理下伏端向左側(cè)翹起端貫通開(kāi)裂。再由右側(cè)下伏端1/3向右水平開(kāi)裂，節(jié)理III 由左側(cè)節(jié)理下伏端至左側(cè)翹起端1/3處開(kāi)裂貫通，再由左側(cè)節(jié)理下伏端1/3向右水平開(kāi)裂。節(jié)理IV 由左側(cè)下伏端1/3至左側(cè)翹起端貫穿開(kāi)裂。再由右側(cè)節(jié)理翹起端1/3向右側(cè)下伏端起裂并貫通，節(jié)理V 由左側(cè)節(jié)理翹起端水平向左開(kāi)裂并最終貫通右側(cè)翹起端。右側(cè)節(jié)理翹起端的兩條裂隙，水平向右起裂、向右下方45度起裂，左側(cè)節(jié)理中部向右開(kāi)裂、由右側(cè)翹起端1/3 處向右下開(kāi)裂，最終與右側(cè)下伏端貫通。圖17（g）可知傾角90°試樣的節(jié)理V 右側(cè)從節(jié)理上端起裂向右下60°擴(kuò)展，后轉(zhuǎn)向水平擴(kuò)展至試樣邊緣，節(jié)理IV 從左側(cè)節(jié)理上端1/4開(kāi)始起裂向左上方擴(kuò)展至節(jié)理III 形成張裂紋，底部中間裂紋向上擴(kuò)展。節(jié)理II 由左側(cè)節(jié)理上端向左水平擴(kuò)展，再由右側(cè)節(jié)理下端向右水平發(fā)展。

上述分析表明，節(jié)理傾角對(duì)試樣的剪切應(yīng)變演化過(guò)程及最大剪切應(yīng)變具有顯著影響。不同的節(jié)理傾角對(duì)應(yīng)著各自獨(dú)特的剪切應(yīng)變演化路徑。節(jié)理傾角不僅影響裂紋的起裂位置，也顯著影響開(kāi)裂破壞模式。對(duì)于節(jié)理傾角為0°、15°、30°、60°及90°的巖樣，隨著荷載水平的增加，最大剪切應(yīng)變先緩慢上升，隨后迅速增大。相較之下，節(jié)理傾角為45°及75°的試樣在達(dá)到100% 峰值荷載時(shí)，其最大剪切應(yīng)變變化仍然較小。當(dāng)節(jié)理傾角小于45°時(shí)，裂紋從預(yù)置節(jié)理端部萌生，相鄰節(jié)理間的裂紋直接貫通，最終形成一條連續(xù)裂隙；而當(dāng)節(jié)理傾角大于45°時(shí)，裂紋仍從端部萌生，但次生裂紋會(huì)沿加載方向擴(kuò)展至預(yù)制節(jié)理的中部，且可能沿不同路徑錯(cuò)開(kāi)，導(dǎo)致多級(jí)承載現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.3節(jié)理傾角對(duì)最大剪切應(yīng)變的影響

圖18對(duì)比分析了不同節(jié)理傾角對(duì)最大剪切應(yīng)變演化過(guò)程的影響。從中可知，當(dāng)節(jié)理傾角為0°、15°、30°、60°及90°時(shí)，隨著荷載水平的持續(xù)增加，最大剪切應(yīng)變?cè)诔跗诰徛仙?。然而，?dāng)荷載從80%～90%峰值強(qiáng)度上升至100% 峰值強(qiáng)度時(shí)，最大剪切應(yīng)變突然劇增，試樣出現(xiàn)明顯的變形破壞。對(duì)比各試樣變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)節(jié)理傾角較大（通常超過(guò)45°）時(shí)，后期最大剪切應(yīng)變的增加速率明顯低于其他角度。

結(jié)合節(jié)理的位置關(guān)系及裂紋擴(kuò)展規(guī)律可知，裂紋傾向于沿節(jié)理走向擴(kuò)展。在45°至90°傾角的試樣中，部分節(jié)理的主導(dǎo)裂紋或一些延伸出的次生裂紋主要垂直于加載方向發(fā)育，伴隨顯著的豎向位移及豎向應(yīng)力集中，剪應(yīng)力集中現(xiàn)象則有所減弱。特別是在75°和90°時(shí)，豎向裂紋尤為明顯，從而導(dǎo)致試樣破壞。

除了裂紋擴(kuò)展機(jī)制的影響外，這種不連續(xù)節(jié)理之間的空間位置關(guān)系也是導(dǎo)致上述現(xiàn)象的重要原因之一。在這種斷續(xù)結(jié)構(gòu)面試樣中，傾角越大，相鄰節(jié)理水平巖橋的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。較長(zhǎng)的巖橋可以提供更大的承載能力，能夠有效分散和吸收施加在裂紋尖端的應(yīng)力，進(jìn)而延緩裂紋的擴(kuò)展。同時(shí)，隨著巖橋長(zhǎng)度的增加，裂紋尖端的應(yīng)力集中效應(yīng)減弱，從而提高裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)人工制作類(lèi)巖石材料試樣（與砂巖相似），開(kāi)展低正應(yīng)力條件下（0.1 MPa）不同預(yù)置節(jié)理傾角的非貫通斷續(xù)節(jié)理巖石剪切試驗(yàn)（5 組節(jié)理），討論了不同節(jié)理傾角對(duì)非貫通節(jié)理巖石在剪切應(yīng)力作用下的力學(xué)特性，并基于數(shù)字圖像技術(shù)，總結(jié)了非貫通結(jié)構(gòu)面巖石的剪切破壞機(jī)理，結(jié)果可為揭示非貫通多節(jié)理巖石的剪切力學(xué)特性和損傷變形破壞機(jī)制提供參考。

1）隨著剪切位移增加，剪切荷載逐步上升至破壞，隨后急劇下降并因節(jié)理摩擦作用波動(dòng)，后一定時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定。不同節(jié)理傾角巖樣的峰值荷載隨著傾角增大呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。最大剪切位移隨節(jié)理傾角變化呈非線性特征，以45°為分界，傾角增大時(shí)位移先增大后減小，且0°、15°、30°分別與90°、75°、60°位移差異較小。法向位移在荷載峰值附近顯著增大，主要由新裂紋擴(kuò)展及節(jié)理摩擦引起的剪脹效應(yīng)所致。

2）節(jié)理傾角顯著影響裂紋的起裂位置與擴(kuò)展模式。當(dāng)節(jié)理傾角小于45°時(shí)，裂紋從節(jié)理端部萌生并迅速貫通；而當(dāng)傾角大于45°時(shí)，裂紋從端部萌生并沿加載方向擴(kuò)展，伴隨次生裂紋的形成和豎向應(yīng)力集中，導(dǎo)致多級(jí)承載現(xiàn)象出現(xiàn)。

3）在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)節(jié)理的傾角超過(guò)45°時(shí)，其剪切試驗(yàn)的后期階段中最大剪切應(yīng)變的增長(zhǎng)速度明顯低于其他傾角的試件。此類(lèi)型的斷續(xù)節(jié)理巖石試樣中，傾角越大，相應(yīng)較長(zhǎng)的水平巖橋可有效分散位于裂紋尖端的應(yīng)力，提高裂紋擴(kuò)展前的臨界應(yīng)力，從而有效延緩裂紋的擴(kuò)展。