，，，，

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610059; 2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院 金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243004)

1 研究背景

巖質(zhì)邊坡的工程對(duì)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(zhǎng)度和巖體受力方向密切相關(guān)。因此，研究斷續(xù)巖橋的受力特征和破壞模式對(duì)于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要意義。

在巖橋變形破壞特征研究方面：劉遠(yuǎn)明等[1]提出了巖橋破壞的初裂前階段、穩(wěn)定擴(kuò)展階段、不穩(wěn)定擴(kuò)展階段和摩擦階段，并且認(rèn)為節(jié)理表面會(huì)對(duì)強(qiáng)度特性產(chǎn)生影響；唐志成等[2]將剪切變形分為4個(gè)階段,并建立了符合相應(yīng)曲線的剪切變形本構(gòu)關(guān)系；胡波等[3-4]對(duì)共面閉合斷續(xù)節(jié)理巖體進(jìn)行直剪試驗(yàn)研究，對(duì)破壞階段進(jìn)行了劃分，并以摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，分析了抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律；白世偉等[5]對(duì)共面節(jié)理在直剪試驗(yàn)下強(qiáng)度特性進(jìn)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(qiáng)度、峰值強(qiáng)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(duì)單結(jié)構(gòu)面和2組結(jié)構(gòu)面巖體的破壞機(jī)制進(jìn)行了研究，指出工程中巖體的破壞是由于結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展、貫通和延伸引起；張國(guó)峰等[8]對(duì)單段巖橋節(jié)理巖體進(jìn)行了直剪試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在巖橋由寬到窄的過(guò)程中，試驗(yàn)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?guó)慶[9]對(duì)多段斷續(xù)節(jié)理進(jìn)行分析，得出隨著法向壓力的增加，巖體破壞時(shí)位移量增大，抵抗變形的能力增強(qiáng)，峰值剪應(yīng)力提高。

但上述研究仍沒(méi)有對(duì)不同連通率下共面斷續(xù)巖橋開(kāi)展破壞過(guò)程進(jìn)行分析研究，本文采用邊長(zhǎng)為100 mm的正方體試樣，在試樣上預(yù)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(qiáng)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(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備和制樣

直剪試驗(yàn)儀能滿足節(jié)理巖體在不同法向應(yīng)力下最小主應(yīng)力為拉力的條件，同時(shí)通過(guò)控制剪應(yīng)力的變化，能較好地反映節(jié)理巖體破壞過(guò)程中的變形以及應(yīng)力特征。為此，本文采用直剪試驗(yàn)的方式對(duì)不同連通率下共面斷續(xù)巖橋的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。試驗(yàn)采用YDS-3型巖石力學(xué)多功能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，該儀器為數(shù)字控制式伺服試驗(yàn)機(jī)，由計(jì)算機(jī)、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(xué)多功能試驗(yàn)機(jī)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(dāng)材料和易性達(dá)標(biāo)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(shí)，在預(yù)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(shí)。混合料裝滿試樣盒后振動(dòng)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(shí)度，最后對(duì)表面進(jìn)行拋光處理。澆筑完成后，在一定時(shí)間后拔出鐵片，在室溫及統(tǒng)一濕度下進(jìn)行干養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)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(yàn)方案

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

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 應(yīng)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(cè)定在不同法向應(yīng)力狀態(tài)下，剪切變形隨剪應(yīng)力增加的變化情況。不同連通率試樣的剪應(yīng)力-剪切位移如圖2。

圖2 1.4 MPa正應(yīng)力下剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)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(guò)程中剪應(yīng)力與剪切位移變化呈現(xiàn)規(guī)律性，總體可以分為3個(gè)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(yīng)力增大而增大且趨勢(shì)穩(wěn)定。在這一階段，巖橋開(kāi)始發(fā)揮作用，約束巖體的變形，隨著剪應(yīng)力增大，巖橋上出現(xiàn)少量微細(xì)裂紋或不發(fā)育裂紋，在裂紋發(fā)育過(guò)程中逐漸接近破壞極限。

第2階段從試樣達(dá)到破壞荷載前2 s左右開(kāi)始，剪切位移隨剪應(yīng)力增大繼續(xù)增大，增長(zhǎng)速率基本不變，但試樣裂紋迅速開(kāi)展，到達(dá)強(qiáng)度極限后形成貫通面，剪切應(yīng)力值迅速跌落，剪切位移則繼續(xù)變大。在這個(gè)過(guò)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(yīng)力保持基本不變，剪切位移繼續(xù)擴(kuò)大。此時(shí)剪應(yīng)力由試樣局部摩擦以及咬合提供，隨后逐漸達(dá)到殘余強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)弱。在每一連通率下取中間3個(gè)斜率值求平均值，最終斜率統(tǒng)計(jì)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(duì)剪切變形的約束能力下降，符合非貫通節(jié)理巖體的力學(xué)特征。

3.2 不同連通率下破壞模式分析

通過(guò)觀察試驗(yàn)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(shí)，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(dǎo)致破壞,上部為現(xiàn)場(chǎng)照片，下部為破壞模式簡(jiǎn)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(shí)，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(yīng)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(shí)，拉剪裂紋大規(guī)模出現(xiàn)，由中間節(jié)理向兩側(cè)延伸。當(dāng)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(shí)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(shí)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(guò)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(shí)，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(kāi)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(shí)，不僅中間節(jié)理出現(xiàn)拉剪裂紋，初始時(shí)在兩端節(jié)理也開(kāi)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(zhǎng)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(diǎn)發(fā)育拉剪裂紋，此時(shí)初始裂紋不再局限于中間裂紋與巖橋之間。隨著剪應(yīng)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(guò)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(qiáng)度及法向變形分析

根據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)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(yàn)所得的c和φ值如表3所示，變化趨勢(shì)如圖8所示。隨著連通率增大，試驗(yàn)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(guò)程有一定的波動(dòng)。試樣破壞時(shí)的正應(yīng)力與剪應(yīng)力關(guān)系如圖9所示，可以得出以下結(jié)論：①隨著法向應(yīng)力的增大，同一連通率下，試樣的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；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(qiáng)度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

表3 試樣部分力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)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(yīng)力-切向剪應(yīng)力Fig.9 Curves of normal stress vs. tangential shear stress

試樣的法向變形可以通過(guò)平均法向位移來(lái)判斷，規(guī)定平均法向位移為正時(shí)試樣壓縮，如表4所示。初期隨著法向應(yīng)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(shì);隨著剪應(yīng)力的增大，裂紋開(kāi)始擴(kuò)展，法向位移減小，巖石呈現(xiàn)膨脹的趨勢(shì)，出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象。將表4對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)樣品在剪應(yīng)力增加階段所對(duì)應(yīng)的平均法向位移變化繪制成圖10?？梢园l(fā)現(xiàn)在剪應(yīng)力最初加載的階段，隨著剪應(yīng)力增大，剪脹現(xiàn)象最為明顯,同時(shí)法向位移在剪切應(yīng)力<1 MPa時(shí)出現(xiàn)反復(fù)的波動(dòng)。

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

圖10 剪應(yīng)力-平均法向位移關(guān)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(jī)制分析

參考劉遠(yuǎn)明等[1]的受力分析方法，直剪試驗(yàn)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(shè)試塊長(zhǎng)寬均為L(zhǎng)，法向壓力大小為Fn，水平荷載定義為Fs，則剪切應(yīng)力與法向應(yīng)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(yàn)過(guò)程中裂紋不閉合，巖橋抵抗切向應(yīng)力，所有的切向應(yīng)力均由巖橋承受，并忽略切向應(yīng)力引起的附加應(yīng)力的影響。

對(duì)試樣下半部進(jìn)行分析，如圖12，法向應(yīng)力均勻分布，同時(shí)受到均布的剪切應(yīng)力，位于巖橋上的切向應(yīng)力τ水平上相等。

如圖11取C點(diǎn)右下側(cè)的微元H進(jìn)行受力分析，由于法向應(yīng)力均勻分布，微元體受到法向正應(yīng)力σy=σn,由于H點(diǎn)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(yīng)力σx為

(3)

而由于靜力平衡，微元體受到的剪切應(yīng)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(dá)式，得：

當(dāng)x=0時(shí)，σx=σs，當(dāng)x=L時(shí)，σx=0;

當(dāng)y=0時(shí)，τxy=0.5σs，當(dāng)y=0.5L時(shí)，τxy=0。

則微元滿足邊界以及平衡方程。

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

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

結(jié)合試驗(yàn)可得：與微元體主應(yīng)力方向一致或者成微小夾角的微裂紋最先擴(kuò)展，且發(fā)育情況隨主應(yīng)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(jī)制分析如下。

張拉破壞：在試樣受剪應(yīng)力初期，由于法向壓應(yīng)力過(guò)大，剪應(yīng)力較小，且試樣側(cè)面為臨空面，這一部分處于無(wú)側(cè)限狀態(tài)。此時(shí)由于法向壓應(yīng)力使得試樣內(nèi)部產(chǎn)生張力，使試樣沿豎直方向開(kāi)裂，但開(kāi)裂僅限于臨空部分且后期不再發(fā)育。在試樣開(kāi)始錯(cuò)動(dòng)時(shí)，由于左側(cè)巖橋的下部受到較大的拉應(yīng)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(dāng)水平剪應(yīng)力增加到一定值時(shí)，最大主應(yīng)力為水平剪應(yīng)力，此時(shí)在巖橋上下取E，F(xiàn)，G，H共4個(gè)點(diǎn)，分析其主應(yīng)力面的狀態(tài)。可以看出，此時(shí)E點(diǎn)所代表的左段巖橋上部成為軟弱部位，拉剪應(yīng)力集中，H點(diǎn)代表的右段巖橋下部也存在拉剪應(yīng)力集中。對(duì)試樣右下部進(jìn)行分析，試樣的巖橋部位承受水平剪切力，存在剪應(yīng)力集中，剪應(yīng)力為線性分布，在右段巖橋的右端部剪應(yīng)力更大。所以當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度后，中間節(jié)理沿左上右下的方向開(kāi)始擴(kuò)展。同理右邊節(jié)理沿左上擴(kuò)展，左邊節(jié)理沿右下擴(kuò)展。

剪切破壞：剪應(yīng)力大小未能使試樣發(fā)生拉剪破壞，但水平剪應(yīng)力已經(jīng)使巖橋達(dá)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(shí)為剪切破壞。

當(dāng)巖橋較短時(shí)，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(dāng)延伸到一定程度后由于巖橋先達(dá)到破壞條件，試樣沿巖橋方向被剪壞。隨著巖橋的變長(zhǎng)，試樣的拉剪破壞現(xiàn)象逐漸明顯。在這一過(guò)程中，當(dāng)拉剪破壞以及剪切破壞都存在時(shí)，巖樣會(huì)出現(xiàn)復(fù)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(gè)階段：裂紋穩(wěn)定階段、裂紋破壞階段和殘余變形階段。

(2)當(dāng)試樣的連通率相同時(shí)，試驗(yàn)所得的剪切應(yīng)力隨法向應(yīng)力的增大而增大，總體呈現(xiàn)線性變化，裂紋擴(kuò)展規(guī)律都符合摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論。隨著連通率的上升，試樣對(duì)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(guò)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(zhǎng)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。