，，

(1.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室， 武漢 430010；2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室， 武漢 430072)

基于三維形貌分析的結(jié)構(gòu)面剪切試驗研究

胡偉1，鄔愛清1，陳勝宏2

(1.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室， 武漢 430010；2.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室， 武漢 430072)

為研究結(jié)構(gòu)面表面形貌、正應力及剪切歷史對巖石結(jié)構(gòu)面剪切特性及強度的影響規(guī)律，利用近景攝影測量技術(shù)測量試驗前后結(jié)構(gòu)面三維形貌數(shù)據(jù)，對影響結(jié)構(gòu)面剪切特性的因素開展定性與半定量的分析。分析結(jié)果表明：①結(jié)構(gòu)面形貌對剪切特性的影響具有方向性，視傾角>0°的凸起體才可能在剪切過程中起抵觸作用；②起伏粗糙對剪切特性的影響隨正壓力增大而降低，相應的剪脹效應也隨正壓力增大而減??；③在低正壓力條件下，結(jié)構(gòu)面表面的起伏凸起體即可被磨損剪斷，首先出現(xiàn)磨損剪斷的是視傾角較大的凸起，在經(jīng)歷1次正應力條件下剪切變形后，剪切曲線便不再出現(xiàn)峰值現(xiàn)象；④摩擦角隨正壓力增大而減小，而黏聚力隨正壓力增大而增大；⑤單塊試樣反復剪切試驗中，取第1次殘余值與后續(xù)剪切強度值擬合得到的剪切強度參數(shù)可代表具有剪切運動歷史的結(jié)構(gòu)面剪切強度。

巖體結(jié)構(gòu)面；三維形貌；直剪試驗；近景攝影；剪切強度

1 研究背景

巖體內(nèi)部存在的節(jié)理、裂隙、斷層等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面使得巖體的工程物理性質(zhì)明顯有別于巖石，并控制著巖體的力學和水力等工程特性[1]。對巖體結(jié)構(gòu)面長期的研究表明，結(jié)構(gòu)面表面的起伏、粗糙等形貌特征是影響結(jié)構(gòu)面巖體力學、滲流性質(zhì)的重要因素之一。由Barton等[2-3]1977年提出的結(jié)構(gòu)面表面粗糙度系數(shù)(Joint Roughness Coefficient,JRC)在巖石力學及工程界影響深遠。

隨著研究的深入，后續(xù)的研究者主要致力于結(jié)構(gòu)面粗糙度的精確量測和粗糙度的定量數(shù)學描述。其中，分形幾何、地質(zhì)統(tǒng)計等領(lǐng)域的方法和參數(shù)常被用來表征結(jié)構(gòu)面的起伏粗糙特征，如Kulatilake等[4](1997)通過盒計數(shù)法對結(jié)構(gòu)面剖面輪廓進行了粗糙度分析。

在早期的結(jié)構(gòu)面形貌特征研究中，主要以輪廓尺、表面輪廓記錄儀等接觸式測量工具對結(jié)構(gòu)面進行輪廓線的測量。激光掃描、攝影測量等技術(shù)的發(fā)展為快速精確地獲取結(jié)構(gòu)面表面三維高程數(shù)據(jù)提供了技術(shù)支持。在實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面表面三維高程數(shù)據(jù)快速、精確測量之后，對巖體結(jié)構(gòu)面起伏、粗糙度的評價也由二維邁向了三維，如：Belem等[5]引用三維地貌分析的方法，通過統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面的起伏高度、坡度、波形、各向異性、表面曲率等特征量來反映其粗糙性；葛云峰等[6]運用虛擬光源測量照射結(jié)構(gòu)面三維數(shù)字圖像，建立了光亮、陰影面積比與粗糙度系數(shù)的聯(lián)系；Grasselli等[7-8]基于剪切方向視傾角，提出了三維粗糙度參數(shù)，并建立了相應的剪切強度公式。

本文參考Belem，Grasselli等人提出的結(jié)構(gòu)面視傾角指標，開展結(jié)構(gòu)面反復剪切試驗，并通過數(shù)字近景攝影測量技術(shù)獲取結(jié)構(gòu)面的三維形貌數(shù)據(jù)，分析剪切歷史、正壓力以及形貌特征對結(jié)構(gòu)面剪切特性的影響。

2 結(jié)構(gòu)面形貌測量及表征參數(shù)

2.1 近景攝影測量系統(tǒng)

本文采用奧地利3GSM公司開發(fā)的巖體幾何參數(shù)近景攝影測量系統(tǒng)ShapeMetriX3D，它可以提供精確的結(jié)構(gòu)面三維圖像,并提供結(jié)構(gòu)面表面數(shù)字高程參數(shù)。該系統(tǒng)由一個校準標定過的高分辨率單反變焦相機(佳能D1，3 872×2 592 像素，即1 020萬像素)和一個三維模型重建及可視化分析的軟件包組成，如圖1所示，從2個不同角度對指定區(qū)域進行成像,并通過像素匹配技術(shù)進行三維幾何圖像合成[9]。

圖1 近景攝影成像示意圖Fig.1 Sample of close-range photogrammetry

2.2 結(jié)構(gòu)面三維形貌指標

起伏粗糙的巖體結(jié)構(gòu)面在一定壓力下進行剪切時，上、下盤一般僅部分面積相互抵觸，在剪切過程中，接觸面破壞受法向壓力、結(jié)構(gòu)面粗糙度以及剪切方向的影響[10]。Belem等[5]、Grasselli[7]提出的結(jié)構(gòu)面微元剪切方向上的視傾角可以很好地揭示結(jié)構(gòu)面起伏粗糙對剪切特性的影響機制,Grasselli[7]通過光學非接觸式形貌掃描儀對結(jié)構(gòu)面進行掃描，得到結(jié)構(gòu)面表面形貌的點云數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以一定間隔處理成便于分析的網(wǎng)格單元。通過剪切方向的視傾角與結(jié)構(gòu)面潛在接觸面積之間的關(guān)系，擬合出了相應的三維粗糙度系數(shù)。計算公式如下：

tanθ*=tanθcos(-α) ；

(1)

(2)

圖2 結(jié)構(gòu)面視傾角的空間特征[7]Fig.2 Geometrical identification of the apparent dip angle

3 試樣制備及加載控制

3.1 試樣制備

試樣取自三峽庫區(qū)某岸坡危巖變形體，巖性為灰?guī)r，重度為27.1 kN/m3，飽和單軸抗壓強度為84.8 MPa。試樣為完全耦合的硬性接觸的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面上、下盤之間存在泥膜浸染。根據(jù)剪切盒的尺寸，切割為150 mm×150 mm×75 mm尺寸的試樣，如圖3所示。試樣上、下用砂漿水泥充填，共制成3個結(jié)構(gòu)面試樣。

圖3 結(jié)構(gòu)面試樣Fig.3 Sample of rock structural surface

3.2 試驗加載

采用RMT-150C數(shù)字控制式電液伺服試驗機作為剪切加載設備。參考《水電水利工程巖石試驗規(guī)程》(DL/T 5368—2007)進行加載控制。

對每個試樣開展不同垂直壓力條件下單塊多次剪切，每次剪切過程為：先在垂直方向加載到設定的垂直應力，然后保持垂直應力恒定，以剪切速度0.05 mm/s 進行剪切試驗，達到設定的剪切位移后，卸除垂直方向荷載，清掃結(jié)構(gòu)面表面碎屑，對結(jié)構(gòu)面表面進行攝影測量，上、下盤恢復初始位置準備進行下一級壓力試驗。

由于結(jié)構(gòu)面起伏粗糙，上、下盤之間的實際接觸面積難以確定，因而難以確定真實的剪應力。本文使用剪切試驗中直接可測量到的結(jié)構(gòu)面所受的水平剪力和垂直力表示結(jié)構(gòu)面剪切強度特性，結(jié)構(gòu)面垂直壓力等級見表1。根據(jù)試樣的尺寸及施加的垂直力換算，所施加最大的壓力約為20 MPa，最小壓力約為0.5 MPa，遠小于灰?guī)r的抗壓強度。

表1 試樣剪切次數(shù)及壓力等級Table 1 Normal stress of each shearing

4 剪切試驗與結(jié)果分析

4.1 結(jié)構(gòu)面三維形貌特征

圖4為3對結(jié)構(gòu)面下盤試驗前進行的三維近景攝影測量所生成的三維空間高程點。將獲取的結(jié)構(gòu)面表面高程點導入ArcGIS 地理信息系統(tǒng)軟件，得到包含三維屬性數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)面表面形態(tài)特征數(shù)據(jù)圖層。通過對柵格以及TIN網(wǎng)格圖的運算可得到結(jié)構(gòu)面傾角、傾向以及剪切方向視傾角等圖形數(shù)據(jù)。在ArcGIS中定義的傾向為局部微元面法線在水平面上投影線與正北方向的夾角，范圍為0～360°，傾角為局部面與水平面的最大夾角，范圍為0～90°。

圖4 巖塊結(jié)構(gòu)面表面高程三維點云Fig.4 Three-dimensional point cloud of rock structural surface

圖5為3對結(jié)構(gòu)面試樣下盤高程頻數(shù)直方圖以及剪切方向視傾角分布曲線。

圖5 結(jié)構(gòu)面表面形貌特征參數(shù)分布Fig.5 Morphology characteristics of rock structural surface

高程分布以及表面高程的標準差和高差可以一定程度地反映結(jié)構(gòu)面起伏粗糙程度，高差越大結(jié)構(gòu)面起伏度越大。當高程分布接近正態(tài)分布時，表明結(jié)構(gòu)面表面起伏較平穩(wěn)，結(jié)合實際三維影像來看，1#試樣起伏最為平穩(wěn)，3#試樣次之。當高程分布直方圖出現(xiàn)局部劇變時，表明結(jié)構(gòu)面表面會存在局部的陡坎。對比圖4中結(jié)構(gòu)面三維點云，2#試樣結(jié)構(gòu)面在前端出現(xiàn)陡坎，其高程直方圖在9～10 mm的分布表現(xiàn)出劇變，起伏最為突出。

根據(jù)Grasselli的視傾角理論以及對結(jié)構(gòu)面剪切機制的解釋，剪切方向視傾角>0°的凸起才會起抵觸作用，即剪切方向視傾角>0°的面域為潛在抵觸面，其中1#試樣潛在抵觸面約占56%，2#試樣潛在抵觸面約占36%，3#試樣潛在抵觸面約占40%。

4.2 剪切破壞特征

結(jié)構(gòu)面試件需要克服表面摩擦及凸起之間的嵌合作用而發(fā)生相對剪切位移，當剪切過程中施加的法向壓力不足以平衡剪力豎直分力時，結(jié)構(gòu)面上盤就會沿下盤凸起體坡面進行爬坡運動并產(chǎn)生剪脹，此時的抗力主要由爬坡過程中的摩擦提供；若施加的法向壓力足夠大，可完全抑制爬坡發(fā)生，在剪切啟動時，凸起可直接被剪斷，而凸起體破壞由材料的抗剪性能決定；在普遍的情況中相互接觸的凸起體之間首先發(fā)生爬坡，爬坡到一定高度時，結(jié)構(gòu)面之間的接觸面減小，產(chǎn)生局部應力集中而使部分爬坡角較大的凸起體發(fā)生局部剪斷，如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)面剪切運動示意圖Fig.6 Schematic diagram of joint shearing movement

通過對試樣表面擦痕及破損特征的觀察可以基本判定其剪切運動模式，通過圖像軟件可計算磨損面積所占比例，見表2;圖7為剪切完成后試樣下盤的照片，圖中磨損部位呈灰白色。

從表面的剪切痕跡可知，3對起伏粗糙耦合接觸的結(jié)構(gòu)面試件在低正壓力條件下，其剪切運動模式為爬坡摩擦—局部剪斷，如1#試樣經(jīng)歷5次剪切之后，仍保持整體完整，以表面凸起剪斷磨損破壞為主，僅試樣相對運動方向后部由于缺乏足夠的邊界約束而出現(xiàn)局部的拉剪碎裂，而2#試樣、3#試樣在相對較高的正壓力條件下完成5次剪切后，結(jié)構(gòu)面表面完全破損，邊緣碎裂嚴重。

正壓力大，表面的凸起更容易發(fā)生剪斷，如2#試樣、3#試樣第1次剪切后表面磨損部位占比遠比1#試樣要多；試樣剪切過程中接觸磨損的部位受結(jié)構(gòu)面形貌特征影響，如形貌不同的2#試樣、3#試樣在相同正壓力條件第1次剪切后，磨損面分布亦有所區(qū)別。對比表2中1#試樣剪切磨損面積的變化與圖5(a)中1#試樣剪切方向視傾角的分布，在剪切完成后磨損面積比為40.7%，仍小于1#試樣剪切方向視傾角>0的面積比，表明在低壓條件下，經(jīng)歷5次剪切之后，1#試樣表面仍有潛在抵觸面在剪切過程中沒有相互抵觸，其結(jié)構(gòu)面表面的起伏粗糙形貌對剪切的影響有限，且與剪切次數(shù)及正壓力相關(guān)。

從圖6中可知，在剪切過程中結(jié)構(gòu)面上盤會先沿著傾角大的凸起面爬坡。圖8(a)和圖8(b)左側(cè)為1#試樣和2#試樣在第1次剪切后磨損部位分布的二值化圖形，磨損部位面積比分別為8.0%，13.3%；結(jié)合圖5中結(jié)構(gòu)面剪切方向視傾角的分布曲線，可通過面積比例推算出剪切方向視傾角的閾值，1#試樣剪切方向視傾角>20°時所占面積約為8.0%，2#樣剪切方向視傾角>8°時所占面積約為13.3%。圖8(a)、圖8 (b)右側(cè)分別為1#試樣、2#試樣初始結(jié)構(gòu)面剪切方向視傾角分別>20°和>8°部位的分布圖，對比結(jié)構(gòu)面第1次剪切后受損面分布，2個圖像可基本吻合。這一結(jié)果表明結(jié)構(gòu)面在低正壓力條件下剪切，并不是所有的潛在抵觸面都會起作用，首先出現(xiàn)磨損的是視傾角較大的凸起。

圖8 1#試樣、2#試樣第1次剪切結(jié)構(gòu)面磨損二值圖和視傾角分布柵格圖Fig.8 Binary images of the joint surface after the first shear and raster pictures of apparent dip angle

圖9為3組結(jié)構(gòu)面試樣表面凸起傾向初始分布與第1次剪切之后的分布。在完成第1次剪切之后，剪切方向潛在抵觸面磨損導致結(jié)構(gòu)面表面凸起的傾向分布發(fā)生變化，主要的變化在于剪切方向一致的傾向分布減少，相反的方向比例增加，垂直兩側(cè)基本保持不變，這一結(jié)果表明結(jié)構(gòu)面表面的起伏粗糙對結(jié)構(gòu)剪切的影響還受剪切方向的控制，評價結(jié)構(gòu)面的起伏粗糙度時還需明確其剪切方向。

圖9 結(jié)構(gòu)面表面起伏傾向分布Fig.9 Aspect of rock structural surface

4.3 剪切曲線

圖10為3個結(jié)構(gòu)面試樣的剪力-水平位移、垂直位移-水平位移曲線。

圖10 結(jié)構(gòu)面剪切曲線Fig.10 Curves of shearing test

由圖10可知:低壓力條件下，剪力值在初始剪切變形階段隨位移變化增長較慢，相應的垂直位移也無明顯變化;當垂直位移增大出現(xiàn)剪脹時，剪力值也開始快速增大直到最大值。表明在剪切變形的初期，結(jié)構(gòu)面上下盤的凸起部分會有一個相互接觸咬合的過程，隨后才開始出現(xiàn)摩擦爬坡運動，表現(xiàn)為剪脹及剪力值快速增長。

3個試樣第1次剪切都表現(xiàn)出明顯的峰值強度，而之后的反復剪切過程中并無明顯的峰值強度；2#試樣前兩次剪切所施加的正壓力均為90 kN，第1次剪切中，剪切曲線具有明顯的峰值特征，而第2次剪切不再表現(xiàn)出峰值特征。表面平整的巖石材料之間的摩擦剪切曲線特征為剪力隨位移線性增大然后保持一定值不變，當存在起伏凸起時，由于凸起的抵觸及剪斷，引起剪切曲線具有峰值變化特征。而以上結(jié)構(gòu)面反復剪切表明，在低壓條件下，起伏結(jié)構(gòu)面表面的凸起即可被剪斷，通過一次摩擦剪切即可基本消除結(jié)構(gòu)面起伏凸起對剪切的影響。

圖10中，剪切過程中垂直位移增加是表示試樣出現(xiàn)剪脹。3組試樣隨著剪切次數(shù)的增加，垂直位移及曲線斜率依次減小，表明反復剪切過程中，結(jié)構(gòu)面表面的起伏凸起不斷地被磨損；其中1#試樣在5次剪切過程中始終保持剪脹，參考圖7中剪切后的磨損特征可知,1#試樣在5次剪切過程中是以凸起剪斷和摩擦運動為主；而當試樣的垂直位移變?yōu)樨撝禃r，表明結(jié)構(gòu)面因壓剪作用使其表面開始碎裂。

4.4 強度參數(shù)

目前相關(guān)試驗規(guī)程中仍使用Mohr-Coulomb準則求得結(jié)構(gòu)面的剪切強度參數(shù)，對同類試樣改變3—5級法向壓力，獲得剪切階段特征點的正應力與剪應力并進行最小二乘擬合。在實際操作中，往往會遇到如下困難[11]：

(1) 天然試樣難以保證一組中所有的結(jié)構(gòu)面形貌一致；采用單塊法時，結(jié)構(gòu)面的形貌也會因剪切次數(shù)而改變，如本文中的試樣在每次剪切后其起伏形貌都會有所改變。

(2) 采用σ=P/A及τ=F/A來計算正應力和剪應力實際上反映的是正應力和剪應力的視均值，本文的試驗表明在剪切過程中結(jié)構(gòu)面的實際接觸面要比其截面積A小得多，且與結(jié)構(gòu)面的形貌、正應力及剪切歷史相關(guān)。

針對以上問題，早在20世紀60年代已有學者開始關(guān)注。到目前為止，在Mohr-Coulomb模型基礎(chǔ)上進行改進的強度模型不下10余種，如：Patton(1966)首次提出了峰值抗剪強度與法向應力和結(jié)構(gòu)面粗糙參數(shù)的定量關(guān)系，他假定結(jié)構(gòu)面上存在起伏角為i的規(guī)則鋸齒狀起伏和結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)強度為0，在此假定下，他提出了著名的Patton模型,即τ=σtan(φb+i)，并采用一系列模型試驗進行了驗證。該模型中對于剪切過程的描述僅限于沿結(jié)構(gòu)面凸體的“爬坡效應”，而忽略了剪切過程中與法向正應力大小有關(guān)的結(jié)構(gòu)面凸體的“剪斷效應”。為此，Patton又提出了雙直線剪切強度模型，此模型將剪切過程分為2種情況：一是低法向應力水平下，認為剪切過程中只發(fā)生剪脹而不發(fā)生剪斷，剪切強度模型釆用剪脹模型；二是高法向應力水平下，認為只發(fā)生剪斷而不發(fā)生剪脹，剪切強度模型采用線性的Mohr-Coulomb準則，黏聚力主要來自于結(jié)構(gòu)面凸體的剪斷效應，其雙直線剪切強度模型表示為

(3)

式中：φb為基本摩擦角即平直光滑結(jié)構(gòu)面的摩擦角；i為起伏角；φ為結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角；c為結(jié)構(gòu)面的黏聚力;σT為極限應力。

結(jié)合本文的試驗結(jié)果來看，剪斷效應隨正應力增大而累進，而剪脹效應隨正應力增大及剪切次數(shù)減弱；但在剪切過程中，由于凸起體之間的實際接觸面較小，在低正壓力條件下，凸起體剪斷也是輕易可以實現(xiàn)的，如果人為地將剪脹效應與剪斷效應分開，勢必造成剪切強度模型的“失真”[12]。

本文的試驗樣本有限，對結(jié)構(gòu)面的形貌也只作了定性的分析，尚不足以定量對抗剪強度模型進行分析。仍采用Mohr-Coulomb模型對每塊試樣的強度進行擬合，結(jié)合本文的試驗結(jié)果對強度參數(shù)的內(nèi)涵進行定性的解釋。

從多次剪切的剪力-位移曲線來看，結(jié)構(gòu)面在經(jīng)歷1次剪切之后，其曲線峰值現(xiàn)象已不再出現(xiàn)，即試樣在經(jīng)歷1次剪切之后起抵觸作用的凸起基本被剪斷，因此在第1次剪切峰后段及后續(xù)反復剪切中剪切運動將以接觸面之間的摩擦為主。圖11為3個試樣在90 kN正壓力條件下的剪力-位移曲線。

圖11 正壓力90 kN下結(jié)構(gòu)面剪切曲線Fig.11 Curves of shearing under 90 kN normal stress

由圖11可知,試樣第1次剪切的殘余強度和具有剪切歷史的強度值基本在同一水平。在進行強度參數(shù)擬合時，第1次剪切取殘余強度與后續(xù)剪切的強度值進行最小二乘擬合，所代表的是具有剪切歷史的結(jié)構(gòu)面強度。

圖12為3個試樣的強度擬合曲線。由該圖可知：結(jié)果中1#試樣、2#試樣、3#試樣所施加的正應力水平依次增大，得到的黏聚力隨正應力水平上升增大,而摩擦角依次減小。結(jié)合試樣剪切后的破壞特征來看，1#試樣第1次峰后及后續(xù)4次剪切過程中，在所施加的每級正壓力條件下結(jié)構(gòu)面仍保持整體完整，剪切運動均為結(jié)構(gòu)面的表面摩擦為主，因而其黏聚力低，摩擦角大且強度曲線擬合度也高；隨著正壓力增大，結(jié)構(gòu)面表面會因拉剪作用而破碎，剪切運動除結(jié)構(gòu)面之間的摩擦之外還有碎屑的滑移，結(jié)構(gòu)面之間的碎屑滑移滾動會削弱摩擦作用而使結(jié)構(gòu)面的表觀黏聚性增大，體現(xiàn)在摩擦角減小而黏聚力增大；當正壓力足夠達到微小的剪切位移即可使結(jié)構(gòu)面完全碎裂時，此時的結(jié)構(gòu)面剪切實質(zhì)上將會是巖石碎屑的剪切，其強度值也會趨于穩(wěn)定。

圖12 強度參數(shù)擬合曲線Fig.12 Fitted curves of strength parameters

綜上分析，結(jié)構(gòu)面的形貌、正壓力、剪切歷史對結(jié)構(gòu)面的影響都會反映在結(jié)構(gòu)面的剪切運動模式上。因此在實際工程中對巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度取值時需要結(jié)合結(jié)構(gòu)面的實際應力環(huán)境、剪切運動歷史來開展抗剪強度試驗及強度參數(shù)取值。本文試樣取自危巖變形體，通過反復抗剪擬合強度參數(shù)可以代表具有變形歷史的結(jié)構(gòu)面強度。

5 結(jié)論與展望

本文對巖石結(jié)構(gòu)面開展了多級正壓力條件下的反復剪切試驗，并結(jié)合近景攝影測量技術(shù)對結(jié)構(gòu)面剪切前后的形貌特征進行了分析，對試驗過程的觀察和結(jié)果的分析可作如下總結(jié)。

(1) 近景攝影測量技術(shù)可以方便獲取結(jié)構(gòu)面試樣的表面形貌數(shù)據(jù)，可作為現(xiàn)場和室內(nèi)結(jié)構(gòu)面形貌測量的方法進一步推廣使用。

(2) 結(jié)構(gòu)面起伏粗糙對剪切特性的影響具有方向性，視傾角>0°的凸起體才可能在剪切過程中起抵觸作用，剪切過程中首先出現(xiàn)磨損剪斷的是視傾角較大的凸起。

(3) 結(jié)構(gòu)面表面的起伏粗糙對剪切特性的影響表現(xiàn)為：隨正壓力增大而降低，相應的剪脹效應也隨正壓力增大而減小。

(4) 剪切過程中，結(jié)構(gòu)面上下盤的實際接觸面遠小于潛在抵觸面，在低壓條件下，結(jié)構(gòu)面表面的起伏凸起體即可被磨損剪斷，在經(jīng)歷1次正應力條件下的剪切變形后，剪切曲線便不再出現(xiàn)峰值現(xiàn)象。

(5) 隨正壓力增大，剪切破壞由凸起剪斷摩擦到結(jié)構(gòu)面表面由拉剪破壞產(chǎn)生的碎屑摩擦，摩擦角隨正壓力增大而減小，而黏聚力隨正壓力增大而增大。

(6) 單塊試樣反復剪切試驗中，取第1次殘余值與后續(xù)剪切強度值擬合得到的剪切強度參數(shù)可代表具有剪切運動歷史的結(jié)構(gòu)面剪切強度。

巖體結(jié)構(gòu)面剪切機制復雜，結(jié)合結(jié)構(gòu)面三維形貌測量及分析方法，可對結(jié)構(gòu)面剪切試驗進行精細化記錄和描述。但由于本文所開展試驗有限，僅對結(jié)構(gòu)面形貌、正壓力及剪切歷史等因素做了定性與半定量的分析，尚不足以定量參數(shù)化地對抗剪強度模型進行改進，筆者將在后續(xù)的研究中進一步結(jié)合結(jié)構(gòu)面三維形貌的測量和分析，開展結(jié)構(gòu)面抗剪強度模型的研究。

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(編輯：姜小蘭)

Shear Test of Rock Discontinuity Based on 3-D Morphologic Analysis

HU Wei1, WU Ai-qing1, CHEN Sheng-hong2
(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China；2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

The shear failure characteristics of rock mass discontinuities are influenced by surface morphology, normal stress and shear history. Close range photogrammetry is a quick and accurate approach to obtain the 3-D morphology of surface features. In this paper, the 3-D surface morphology of the discontinuities is analyzed before and after the multiple normal pressure repeated shear test, and the factors that affect the shear characteristics are analyzed in qualitative and semi-quantitative sense. Results reveal that 1) the influence of morphology on the shear behavior is directional, and only the asperity with the apparent inclination greater than 0 degree could resist each other in the shearing process, but the actual contact surface is quite smaller than potential resistant surface; 2) the effect of roughness on the shear behavior decreases with the increase of normal pressure, and so does shear dilationbehavior; 3) the asperity is easily worn and cut even under low normal stress, in particular, asperity with large apparent inclination will be primarily damaged, and peak value of the shear curve does not occur in subsequent shear after the first shear; 4) friction angle increases with the decrease of positive pressure, while cohesion displays an opposite trend; 5) the shear strength parameters fitted from the first residual value and the subsequent shear strength value can be used to represent the shear strength of the discontinuities with the shear movement history.

rock discontinuity; 3-D morphology; direct shear test; close range photogrammetry; shear strength

2017-02-20；

：2017-03-27

國家自然科學基金項目(51179014，51579016)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費項目(CKSF2015047/YT)

胡 偉(1987-)，男，湖北應城人，博士研究生，主要從事水利水電工程巖石力學方面的研究工作，(電話)15807187905(電子信箱)827034782@qq.com。

10.11988/ckyyb.20170143

2017,34(9):91-97,103

TU458

：A

：1001-5485(2017)09-0091-07