徐 沖

(1. 中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司； 2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室， 陜西 西安 710043)

自然界中的巖體在成巖過程中受到各種客觀條件的制約和影響，在長期地質(zhì)作用下形成了不同類型的節(jié)理，根據(jù)巖體中節(jié)理的貫通程度，可將其分為貫通節(jié)理巖體和斷續(xù)節(jié)理巖體。巖體露頭調(diào)查表明，天然巖體中長大、貫通的節(jié)理只占節(jié)理總數(shù)的很小部分，更多的是短小、斷續(xù)的節(jié)理[1]；另外由于眾多地下工程盡可能地選擇在質(zhì)量等級較好的巖體當(dāng)中建造，借以避開大型貫通節(jié)理的不利影響?；谝陨蟽牲c，對地下工程圍巖力學(xué)特性起主導(dǎo)作用的節(jié)理多呈斷續(xù)形態(tài)分布，斷續(xù)節(jié)理巖體在地下工程中是最常見的一類復(fù)雜巖體[2～4]，深入研究斷續(xù)節(jié)理巖體的力學(xué)特性，對探討斷續(xù)節(jié)理巖體圍巖破壞的可能性及破壞范圍(松動圈)等關(guān)鍵科學(xué)問題的內(nèi)在機(jī)理，提出經(jīng)濟(jì)高效的圍巖加固和穩(wěn)定控制技術(shù)，保證地下工程施工安全，無疑具有重要的理論意義和現(xiàn)實應(yīng)用價值。

當(dāng)前國內(nèi)外一些學(xué)者就單軸壓縮條件下斷續(xù)節(jié)理巖體抗壓強度等力學(xué)性質(zhì)開展了一系列研究，主要進(jìn)展如下：LEE等[5]對不同傾角張開裂隙花崗巖進(jìn)行單軸壓縮試驗，研究了單一和非平行雙節(jié)理試件裂隙起裂、發(fā)展及貫通過程，PFC(Particle Follow Code)模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗基本吻合；Bobet等[6,7]對含2個或3個平行預(yù)置裂隙的巖石模擬材料試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗，研究了次生裂紋的萌生、擴(kuò)展、與匯合的試件漸進(jìn)斷裂的貫通機(jī)制；蒲成志等[8]對含平行分布多裂隙的類巖石試件開展了單軸壓縮試驗，得到了裂隙傾角對含多裂隙試件的斷裂破壞強度的影響規(guī)律；Yang等[9]通過含三個預(yù)制裂隙的室內(nèi)巖體試樣試驗，得出了巖體試樣強度和變形特征與裂隙傾角之間的關(guān)系；陳新等[10～12]系統(tǒng)地研究了斷續(xù)節(jié)理傾角和節(jié)理連通率的組合變化時，斷續(xù)節(jié)理巖體模擬試件在單軸壓縮下的力學(xué)特性，包括強度和彈模、變形特性等；孫旭曙[13]等通過預(yù)制7組不同傾角的圓柱形貫通節(jié)理試樣，研究發(fā)現(xiàn)不同傾角節(jié)理面對強度特征和破壞模式均表現(xiàn)出顯著的各向異性特征；張國凱等[14]采用顆粒流模擬研究單軸壓縮下節(jié)理特性對試件宏觀力學(xué)參數(shù)的影響，揭示裂紋擴(kuò)展演化機(jī)理及破壞模式的變化規(guī)律；Wasantha等[15]針對含預(yù)制裂隙大理巖塊試件，開展了單軸壓縮試驗，分析了強度特征與裂紋擴(kuò)展及貫通行為；劉攀等[16]采用模型試驗方法研究柱狀節(jié)理巖體的各向異性，制作具有不同柱體傾角的正四棱柱形試樣，分析了不同傾角下峰值強度及破壞類型，總結(jié)出試樣主要沿材料的劈裂破壞和沿貫通節(jié)理面的滑移破壞；張波等[17]對含交叉多裂隙巖體進(jìn)行了單軸壓縮試驗，研究了試樣的強度等力學(xué)性能；Gratchev等[18]通過單軸壓縮試驗研究了含有兩條不同長度和寬度節(jié)理的類巖石材料試件的強度等力學(xué)性質(zhì)。上述文獻(xiàn)中的斷續(xù)節(jié)理試件一般通過塊體單元堆砌、完整試樣上預(yù)制節(jié)理裂隙或在專用模具中澆筑制備；在完整試樣上預(yù)制節(jié)理裂隙制備斷續(xù)節(jié)理巖體試樣時，預(yù)制的節(jié)理條數(shù)一般不超過三條且分布形式較為簡單，無法深入研究諸如組數(shù)、延續(xù)性、排布方式等斷續(xù)節(jié)理系統(tǒng)參數(shù)對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響。塊體單元堆砌法和模具澆筑制備法理論上雖能彌補上述預(yù)制方法的不足，但制備的斷續(xù)節(jié)理巖體試樣多為矩形厚板型，單軸壓縮試驗過程中厚板型試件壓曲效應(yīng)的存在一定程度上干擾了試驗結(jié)果。

針對以往研究中的不足，本文開發(fā)了一種能在類巖石材料中預(yù)制斷續(xù)節(jié)理的圓柱形模具及制備圓柱形類斷續(xù)節(jié)理巖體的方法，解決了目前常用的堆砌法和澆筑法制備的矩形厚板型試件在單軸壓縮試驗中的壓曲破壞效應(yīng)；因形狀問題無法開展常規(guī)三軸壓縮試驗及預(yù)制中斷續(xù)節(jié)理條數(shù)有限等諸多問題也得到了有效解決。在此基礎(chǔ)上開展了類斷續(xù)節(jié)理巖體單軸壓縮試驗，分析了巖體中斷續(xù)節(jié)理系統(tǒng)參數(shù)(傾角、間距、排距)對試樣單軸抗壓強度的影響規(guī)律，并對類斷續(xù)節(jié)理試樣的破壞模式進(jìn)行了總結(jié)分析，研究成果對正確認(rèn)識斷續(xù)節(jié)理巖體的強度特征，提高地下工程設(shè)計的合理性具有重要意義。

1 圓柱形類斷續(xù)節(jié)理巖體試樣制備

1.1 試件尺寸及節(jié)理排列方式

類斷續(xù)節(jié)理巖體試樣的尺寸設(shè)計為Ф100 mm×200 mm，節(jié)理長度固定為20 mm，節(jié)理排距分別為30，60，90 mm，每種排距情況下又有3種不同的節(jié)理間距，節(jié)理間距分別為10，20，30 mm，每種節(jié)理間距情況下又有5種不同的傾角，分別為15°，30°，45°，60°，75°。共有45種情況。

1.2 模型材料及節(jié)理排列方式設(shè)計

試驗中所用的試樣材料都是石膏，由于其成型后良好的脆性能夠較好地模擬巖體中巖石的行為。

1.2.1 類斷續(xù)節(jié)理巖體試樣模具的設(shè)計及制作

(1)模具的尺寸和選用的材料

類斷續(xù)節(jié)理巖體試樣模具采用外徑110 mm，內(nèi)徑約100 mm的PVC管，長度取220 mm，以便制備試樣時模具的固定以及預(yù)留加工試樣時的磨損長度。

(2)在模具上進(jìn)行節(jié)理定位

運用CAD進(jìn)行圖形繪制，先將不同工況下的節(jié)理均勻布置在平視直徑矩形面上，然后將節(jié)理投影到圓柱體外表面，提取各個橢圓弧長，通過軟尺測量將節(jié)理定位在圓柱體外表上。以節(jié)理排距為30 mm，間距為10 mm，傾角為15°的模具定位為例，定位過程分為以下幾個步驟：

1)節(jié)理的均勻布置。

2)繞矩形形心點旋轉(zhuǎn)至傾角為15°。

3)投影到外表面。

4)在PVC管外表面兩端畫水平圓弧和兩側(cè)畫豎線，畫法：用A3圖紙將PVC管緊緊包裹，使圖紙上下兩端重合部分對齊，用極細(xì)油性記號筆沿圖紙在PVC管上畫圓，然后緊握圖紙一邊使其保持在原來位置，將另一邊松開，這時，用油性筆再沿圖紙一邊在PVC管上畫豎直線，也可將圓畫好之后重新包裹、對齊、松開一邊而另一邊保持在原來位置(對齊時可以不沿原來所畫的圓)，再畫豎直線(豎直線必須畫得足夠長以與原來所畫圓相交于一點)，以圓和豎直線的交點作為起點，量取200 mm，做標(biāo)記，再用A3圖紙緊緊包裹住PVC管，使其重合對齊于標(biāo)記位置，用油性筆沿A3圖紙在PVC管外表面畫圓，以豎直線和圓相交點作為起點在兩端所畫圓上分別量取圓周長的一半并做標(biāo)記，用直尺將兩標(biāo)記連接。節(jié)理定位如圖1(圖中，α為傾角；Lj為接力長度；Lr為間距；Lp為排距)所示。

圖1 節(jié)理定位示意/mm

5)用鉛筆畫橢圓弧線：節(jié)理所在直線或其投影與平視直徑矩形邊線或兩端圓弧線相交于一點，通過量取交點距豎直線與圓交點之間的圓弧長或交點距兩端圓平面的距離定位交點，再通過兩交點之間繃緊線，用鉛筆沿線畫弧的方式畫出節(jié)理所在直線投影到圓柱體外表面的橢圓弧。試驗過程如圖2所示。

圖2 畫橢圓線過程

6)在CAD中將節(jié)理和節(jié)理間線段投影到橢圓弧外表面的各段橢圓弧長提取出來，兩條豎線分別是左端線和右端線，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 節(jié)理和節(jié)理間線段投影到外表面的各段橢圓弧長度 mm

7)用軟尺和鉛筆在PVC管上已經(jīng)畫好的橢圓弧上進(jìn)行量取和標(biāo)記，最后用極細(xì)油性筆描出各個節(jié)理在PVC管表面上的投影。用小型細(xì)頭電烙鐵將PVC管上已經(jīng)畫好的定位線劃透，再用鋼片對穿插入的方法在不順暢處用電烙鐵進(jìn)行擴(kuò)孔。其過程如圖3所示。

圖3 節(jié)理的預(yù)制與穿孔

1.2.2 試驗材料及澆筑工序

類斷續(xù)節(jié)理試樣和完整試樣的制作過程如下：

(1)配比模型材料水和石膏的混合物，比例為1∶0.6；

(2)用攪拌好的石膏漿進(jìn)行模型材料制備，按照設(shè)計方案將0.2 mm鋼片插入模具中預(yù)制節(jié)理，并于混合物凝固前將其拔出，然后在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d；

(3)將加工好的試樣用油性彩筆按組統(tǒng)一編號，如3-1-15代表排距為3 cm，間距為1 cm，傾角為15°(后續(xù)編號同此，不再贅述)。

1.2.3 試樣加工

將養(yǎng)護(hù)好的試樣，用小鏟子將澆筑時外表面流出的石膏漿鏟去，用鋼箍套在外表面放在機(jī)床上進(jìn)行加工，采用雙面磨巖機(jī)對上下表面進(jìn)行打磨，完成制樣；對加工得到的試樣進(jìn)行嚴(yán)格篩選，2個端部的平整度誤差小于0.02 mm。得到兩面互相平行的試樣。然后沿PVC管兩邊豎直線用小鋼鋸慢慢鋸，當(dāng)鋸到一定深度時，用“一”字型螺絲刀插入縫隙中撬開，以避免小鋼鋸鋸條有可能對試樣造成損壞。其加工過程如圖4所示。

圖4 試樣加工及脫模

2 單軸壓縮試驗方案及抗壓強度結(jié)果

2.1 試驗方案

本次單軸壓縮試驗均是在中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT-150B型巖石力學(xué)剛性伺服試驗機(jī)上開展的。進(jìn)行波速測試后，采用RMT-150B試驗機(jī)對試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗，控制方式采用位移控制，以0.002 mm/s的速率加載至試件破壞。在試驗中記錄試件的應(yīng)力和應(yīng)變。

2.2 單軸壓縮強度結(jié)果與分析

貫通節(jié)理巖體變形和破壞的薄弱環(huán)節(jié)是節(jié)理面的切滑移，巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)可歸結(jié)為節(jié)理面的強度和變形特性。相對而言，斷續(xù)節(jié)理巖體中巖橋的存在改變了其受力和變形破壞特性，由于巖橋與節(jié)理相互作用，協(xié)同提供強度，使得斷續(xù)節(jié)理巖體的強度等力學(xué)特性比普通節(jié)理巖體更為復(fù)雜。斷續(xù)節(jié)理排距、間距和傾角等節(jié)理系統(tǒng)參數(shù)是影響斷續(xù)節(jié)理巖體力學(xué)性質(zhì)及強度各向異性的重要原因[19]。

根據(jù)前述試驗方案，對每個斷續(xù)節(jié)理分布工況均取3個試樣，測試其單軸抗壓強度并求其平均值。試樣的平均單軸抗壓強度與斷續(xù)節(jié)理傾角關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)斷續(xù)節(jié)理排距為3 cm時，類斷續(xù)節(jié)理巖體試樣的單軸抗壓強度整體上隨節(jié)理間距的增大而增大，以斷續(xù)節(jié)理傾角為60°時為例，斷續(xù)節(jié)理間距為1 cm時，試樣的單軸抗壓強度為0.517 MPa；間距為2 cm時，試樣強度為0.962 MPa；當(dāng)斷續(xù)節(jié)理間距為3 cm時，試樣強度則增大到1.471 MPa。斷續(xù)節(jié)理間排距不變的情況下，類斷續(xù)節(jié)理試樣的單軸抗壓強度隨節(jié)理傾角的增大而增大，且在60°增大到75°時強度有突然增大的趨勢。

圖5 排距為3 cm試樣單軸抗壓強度與節(jié)理傾角關(guān)系

斷續(xù)節(jié)理排距為6 cm時，類斷續(xù)節(jié)理巖體試樣單軸抗壓強度與節(jié)理傾角關(guān)系如圖6所示。在斷續(xù)節(jié)理排距為6 cm時，類斷續(xù)節(jié)理巖體試樣的單軸抗壓強度隨節(jié)理間距增大而增大的特征更為明顯；不同節(jié)理間距試樣的單軸抗壓強度與節(jié)理傾角關(guān)系規(guī)律不十分一致，整體呈現(xiàn)出從斷續(xù)節(jié)理排距為3 cm試樣關(guān)系特征(近遞增型)到斷續(xù)節(jié)理排距為9 cm關(guān)系特征(近V字形)的過渡。

圖6 排距為6 cm試樣單軸抗壓強度與節(jié)理傾角關(guān)系

圖7所示為斷續(xù)節(jié)理排距為9 cm時，類斷續(xù)節(jié)理單軸抗壓強度與傾角的關(guān)系。由圖7可知，試樣單軸抗壓強度隨節(jié)理間距的增大而增大；不同斷續(xù)節(jié)理間距下，類斷續(xù)節(jié)理巖體試樣單軸抗壓強度與節(jié)理傾角間的關(guān)系近似呈V型，單軸抗壓強度最小值出現(xiàn)在30°～60°之間，表明類斷續(xù)節(jié)理巖體單軸抗壓強度除受節(jié)理傾角影響外，還同時受斷續(xù)節(jié)理間排距的綜合控制。

圖7 排距為9 cm試樣單軸抗壓強度與節(jié)理傾角關(guān)系

類斷續(xù)節(jié)理巖體在節(jié)理排距和傾角一定的情況下，試樣單軸抗壓強度隨間距的增大而增大。節(jié)理排距為3 cm時，單軸抗壓強度隨斷續(xù)節(jié)理傾角的增大而增大。筆者認(rèn)為導(dǎo)致這種情況出現(xiàn)的原因是節(jié)理傾角比較大、排距比較小時，試樣中預(yù)制的斷續(xù)節(jié)理條數(shù)會隨傾角的增大而減少，預(yù)制節(jié)理的條數(shù)影響了類斷續(xù)節(jié)理試樣的抗壓強度。斷續(xù)節(jié)理排距為6 cm、節(jié)理間距為1 cm時，試樣單軸抗壓強度與節(jié)理傾角關(guān)系曲線特征如上。斷續(xù)節(jié)理排距為6 cm時，隨節(jié)理間距由2 cm到3 cm的變化，試樣單軸抗壓強度與節(jié)理傾角關(guān)系特征變化明顯，筆者認(rèn)為主要原因是類斷續(xù)節(jié)理試樣單軸抗壓強度影響因素較多，為眾因素的綜合反映；斷續(xù)節(jié)理排距為9 cm時，類斷續(xù)節(jié)理巖體試樣單軸抗壓強度與節(jié)理傾角關(guān)系呈現(xiàn)貫通節(jié)理試樣的特點，主要因斷續(xù)節(jié)理排距比較大導(dǎo)致試樣中斷續(xù)節(jié)理的條數(shù)比較少，節(jié)理傾角的增大不會過多影響試樣中節(jié)理條數(shù)，這時節(jié)理傾角很大程度上決定著類斷續(xù)節(jié)理試樣的單軸抗壓強度。由上分析可知，類斷續(xù)節(jié)理巖體試樣單軸抗壓強度絕不僅僅由節(jié)理傾角控制，而是受斷續(xù)節(jié)理排距、間距和傾角等系統(tǒng)參數(shù)綜合控制，其強度與節(jié)理傾角關(guān)系有別于貫通節(jié)理試樣的特點。

3 破壞模式

在荷載作用下，試樣的破壞模式是巖體破壞機(jī)理的唯象特征。45組類斷續(xù)節(jié)理試樣破壞特征隨節(jié)理排距、間距和傾角的變化而變化，通過對試樣破壞形式的總結(jié)與分析，本文將不同斷續(xù)節(jié)理展布形式的45組試樣的破壞特征整體分為以下四類：I類——類軸向劈裂破壞，試樣加載破壞時出現(xiàn)平行于加載軸方向，且貫穿試樣預(yù)制斷續(xù)節(jié)理面的的拉伸裂紋；II類——既有斷續(xù)節(jié)理端部翼裂紋擴(kuò)展、貫通破壞，試樣在加載過程中預(yù)制節(jié)理盲端發(fā)育新生翼裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展、貫通，使類斷續(xù)節(jié)理試樣逐漸喪失承載能力；III類——既有節(jié)理端部產(chǎn)生新生裂紋與沿預(yù)制節(jié)理張開復(fù)合破壞，試樣中預(yù)制斷續(xù)節(jié)理較多時，出現(xiàn)塊體轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，而預(yù)制節(jié)理較少時，則表現(xiàn)出一定程度的沿預(yù)設(shè)節(jié)理面的滑動特點；IV類——沿既有斷續(xù)節(jié)理面的剪切滑動破壞，其破壞較大程度上受斷續(xù)節(jié)理強度及兩斷續(xù)節(jié)理連線間巖橋強度的控制。因篇幅限制，圖8給出了部分試樣單軸壓縮條件的破壞形式。

圖8 部分試樣的破壞形式

隨著試樣中預(yù)制斷續(xù)節(jié)理情況的不同，試件的破壞模式具有顯著差異，上述四種破壞模式隨斷續(xù)節(jié)理系統(tǒng)參數(shù)不同而異。試樣3-2-15在軸向荷載作用下試樣中出現(xiàn)軸向貫穿預(yù)設(shè)節(jié)理的裂紋，隨荷載增大裂紋沿著軸線荷載方向擴(kuò)展貫通，產(chǎn)生劈裂破壞，這是典型的I類破壞。傾角越小，間排距越大，I類軸向劈裂越明顯。試樣6-2-30斷續(xù)節(jié)理端部翼裂紋擴(kuò)展與節(jié)理面貫通導(dǎo)致破壞，屬于II類。試樣3-1-45在軸向荷載作用下節(jié)理張開，產(chǎn)生翼裂紋與節(jié)理面形成塊體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，這是第III類破壞。第IV類，試樣6-1-60在軸向荷載作用下產(chǎn)生的裂紋較少，不會和節(jié)理面貫通，破壞主要受到節(jié)理面剪切滑動的影響。宏觀來看4種類型破壞模式與傾角有一定的聯(lián)系，當(dāng)傾角處于15°，30°時，斷續(xù)節(jié)理試樣以軸向劈裂為主；當(dāng)傾角為45°時，節(jié)理面張開和產(chǎn)生的裂紋相互貫通；當(dāng)傾角處于60°，75°時，斷續(xù)節(jié)理試樣沿節(jié)理面剪切。

4 結(jié) 論

(1)開發(fā)了一種圓柱形類斷續(xù)節(jié)理巖體的制備技術(shù)，解決了目前常用的堆砌法和澆筑法制備的矩形厚板型類斷續(xù)巖體試件在單軸壓縮試驗中的壓曲破壞效應(yīng)和因形狀問題無法開展常規(guī)三軸壓縮試驗及預(yù)制法試中斷續(xù)節(jié)理條數(shù)有限等諸多問題，為采用常規(guī)試驗手段研究斷續(xù)節(jié)理巖體力學(xué)性質(zhì)及提高研究成果的準(zhǔn)確性提供了支撐。

(2)斷續(xù)節(jié)理傾角、間距和排距都對試樣的單軸抗壓強度有明顯的影響。試驗結(jié)果表明，在傾角和排距不變的情況下，斷續(xù)節(jié)理間距越大，試樣的單軸抗壓強度越大。間排距比較小(3 cm)時，試樣單軸抗壓強度整體上隨傾角的增大而增大；間排距比較大(9 cm)時，斷續(xù)節(jié)理試樣單軸抗壓強度與節(jié)理傾角呈現(xiàn)出“V”字形關(guān)系特征；斷續(xù)節(jié)理排距為6 cm時，類斷續(xù)節(jié)理巖體單軸抗壓強度隨節(jié)理傾角的變化呈現(xiàn)出過渡特征。

(3)斷續(xù)節(jié)理巖體的破壞機(jī)理和破壞模式與試樣的強度特征類似，與斷續(xù)節(jié)理系統(tǒng)參數(shù)(特別是節(jié)理傾角)密切相關(guān)?？偨Y(jié)、分析45組試樣的破壞特征，將類斷續(xù)節(jié)理巖體破壞模式劃分為類軸向劈裂破壞、既有斷續(xù)節(jié)理端部翼裂紋擴(kuò)展貫通破壞、既有節(jié)理端部產(chǎn)生新生裂紋與沿預(yù)制節(jié)理張開復(fù)合破壞和沿既有斷續(xù)節(jié)理面的剪切滑動破壞四種類型。