賴冠宙，黃 帆，溫輝波

(1.廣東大潮高速公路有限公司，廣東 梅州 514000；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

花崗巖類巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)滑動區(qū)別于土質(zhì)斜坡變形的一個明顯特征就是前者往往具有一個或多個相對明確的滑動面(帶)，該滑動面大多為巖體的地質(zhì)分離面，即巖體結構面，邊坡發(fā)生失穩(wěn)變形時，滑體則主要依附此分離面運動[1-2]。因此，從某種意義上說，巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的變形破壞機理就是結構面所構成的潛在滑動帶的變形破壞機理。巖體工程實踐表明，只要巖體中存在不利結構面構成的軟弱地質(zhì)界面或分割面，巖體就有可能沿著這些結構面發(fā)生變形破壞[3-6]。在邊坡設計和穩(wěn)定性評價時，較多依據(jù)各向同性介質(zhì)理論，采用極限應力方法確定近似圓弧滑面，作為邊坡穩(wěn)定性計算和設計參數(shù)選擇的依據(jù)[7-9]。然而大量的滑坡實例分析和試驗結果表明，對于包含強度明顯弱于巖體強度軟弱層面的層狀邊坡，發(fā)生圓弧滑動的概率是極小的，實際失穩(wěn)多為受結構面控制的結構體滑坡，多以平面滑動為主[10]。因此，從另外一個角度來講，對于內(nèi)部含一組或多組層狀緩傾結構面的巖質(zhì)高邊坡，內(nèi)部結構面往往對其區(qū)域穩(wěn)定性或整體穩(wěn)定性起控制作用，巖體自身強度則影響較小[11]。

本文通過對花崗巖硬性結構面開展大型直剪模擬試驗，并從抗剪強度中剪脹分量和摩擦分量2部分及其在抗剪切過程中各自所發(fā)揮的作用進行考慮，對巖體結構面抗剪切強度特性進行分析。

1 試驗方案設計

本次試驗所用剪切盒尺寸為20 cm×20 cm×10 cm，試驗對無填充花崗巖硬性結構面的抗剪力學特性分別開展研究，因此在試驗材料制備時，按照巖體(結構體)選擇相似材料進行制樣。

1.1 試樣制備

在對花崗巖相似材料進行制備時，在確保其法向加載后不被破壞的前提下，選擇水泥砂漿按照水泥、砂、水質(zhì)量比為1∶2∶0.4的比例進行試件配制后，制作好試驗材料并進行養(yǎng)護，結構體試樣基本力學參數(shù)如表1所示。

表1 結構體試樣基本力學參數(shù)

1.2 界面起伏度設計

對于無填充或僅有極少泥膜粘結的花崗巖硬性結構面，結構面的起伏度對于其抗剪強度有較為顯著的影響?？辜魪姸葴y算方法采用Barton[12]提出的JRC-JCS模型，其表達式為：

(1)

式中：τp為峰值抗剪強度，MPa；σn為有效法向應力，MPa；φb為基本摩擦角，(°)；JCS為結構面兩側巖石的單軸抗壓強度，MPa；JRC為粗糙度系數(shù)。

本文對所提出模型中JRC值進行量化處理，結構面采用齒狀設計，通過設置不同的齒狀受力面傾角來模擬不同的爬坡角，以此研究摩擦分量中剪脹分量對抗剪強度的影響。齒狀結構面設計剪脹角為15°、30°、45°，制備得到的齒狀結構面試樣如圖1所示。

(a)15°剪脹角

粗糙結構面的起伏程度通常分為2個級別：一階突起是與結構面上主要起伏相對應的凸起，二階凸起是結構面上相對較小的凸起。相對于一階粗糙凸起，二階粗糙凸起往往具有更大的爬坡角，但由于二階凸起角度大，在一定的法向壓力作用下，發(fā)生切向相對位移時極易被剪斷，因此抗剪強度主要由一階凸起控制。本文所討論的結構面爬坡角也是指一階凸起控制的爬坡角,而平直結構面的粗糙度主要由二階凸起控制。根據(jù)結構面設計方案，參照Du[13]提出的JRC修正直邊法多量程粗糙尺，對本次試樣中結構面的粗糙度系數(shù)進行確定，15°、30°、45°三種爬坡角結構面的粗糙度系數(shù)分別為7.44、12.12、17.21。

2 花崗巖硬性結構面抗剪強度試驗

在進行花崗巖硬性結構面抗剪強度分析時，不考慮結構面間粘聚力作用，假定結構面間抗剪強度由摩擦分量和剪脹分量組成，分別開展平直結構面及齒狀結構面剪切試驗研究。

2.1 平直結構面剪切試驗過程分析

針對平直無填充花崗巖硬性結構面(剪脹角為0°)試樣開展了軸壓為0.5 MPa、1.0 MPa及1.5 MPa的直剪試驗，試驗采用應變控制式，剪切速率為5 mm/min，剪切距離為40 mm，剪切試驗過程中對切向應力、位移及法向應力、位移數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)采樣頻率為3.9 Hz。

2.1.1 剪應力-剪切位移關系分析

選擇平直結構面試樣分選設置0.5 MPa、1.0 MPa和1.5 MPa三種不同軸壓條件，分別開展大型直剪試驗，得到其剪應力及剪切位移之間的關系曲線，如圖2所示。

圖2 平直結構面剪應力與剪切位移關系曲線

從圖2可以看出，試樣剪切開始后隨著剪切位移的增加，結構面剪切應力不斷增加。剪切應力峰值隨軸壓的增加不斷增大，但在0.5 MPa及1.0 MPa軸壓條件下，剪應力達到峰值后隨即趨于恒定，且峰值應力與殘余應力區(qū)分度不顯著，而在1.5 MPa軸壓條件下，花崗巖硬性結構面存在咬合剪斷的情況，剪應力曲線達到峰值后回落至殘余強度，3種工況應變變形曲線差別明顯。

2.1.2 剪脹特性分析

為研究平直結構面的剪脹特性，針對平直結構面分別選擇不同的軸壓條件開展直剪試驗，可得到不同工況下其法向位移與剪切位置之間的關系曲線，如圖3所示。

圖3 平直結構面法向位移與剪切位移關系曲線

從圖3可以看出，整個剪切過程中，剪切試樣表現(xiàn)出顯著的剪脹特性。隨著法向壓力的增加，法向剪脹效果越來越明顯，剪脹速率與最大剪脹量隨著軸壓的增加而不斷增大，剪縮時間不斷推后，不過3種軸壓條件下剪縮速率大致相同，均為0.021 mm/min。

2.1.3 平直結構面峰值抗剪強度分析

1)考慮結構面間粘聚力作用

當考慮結構面間粘聚力作用時，選擇3種軸壓條件所對應的峰值強度進行平直結構面抗剪強度分析，如圖4所示。

圖4 平直結構面抗剪強度分析

通過對平直結構面分別開展0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa軸壓條件的直剪試驗，獲得峰值剪切應力，對其進行回歸分析，采用最小二乘法進行線性擬合，如圖4所示，可得到平直結構面抗剪強度表達式：

τs=0.006 67+σ0.86

(2)

式中：τs為平直結構面抗剪強度，MPa；σ為結構面法向壓力，MPa。由該擬合曲線斜率0.86可以得到平直結構面宏觀摩擦角為40.7°，表觀粘聚力為0.006 67 MPa，試驗中得到的表觀粘聚力認為是巖體間的一種咬合作用，是一種隱形的摩擦力，表現(xiàn)為宏觀的粘聚力。

2)忽略結構面間粘聚力作用

由于該線性回歸中得到的粘聚力數(shù)值較小，且無填充花崗巖硬性結構面抗剪強度分析時，可忽略裂隙巖體間粘聚作用，對試驗中得到不同軸壓下的峰值剪應力重新進行回歸分析，同樣采用最小二乘法線性擬合，并設定截距為0，即忽略粘聚力作用，可得到平直結構面抗剪強度曲線，如圖5所示。

從圖5可得到忽略粘聚力作用條件下的平直結構面抗剪強度表達式為：

圖5 忽略粘聚力作用抗剪強度分析

(3)

表2 2種回歸分析條件得到的擬合參數(shù)

回歸分析的原則是在設定條件下使得離散數(shù)據(jù)與擬合曲線間殘差平方和最小，因此考慮粘聚力情況(僅設定擬合函數(shù))下擬合得到的殘差平方和要小于忽略粘聚力的情況(設定擬合函數(shù)和截距)下的，但是忽略粘聚力情況下的相關系數(shù)及決定系數(shù)較考慮粘聚力情況下的更接近于1，表明擬合曲線與離散數(shù)據(jù)間的相關程度更高，因此在忽略粘聚力條件下的擬合方程仍可對試驗得到的峰值抗剪強度進行擬合，可對平直結構面抗剪強度進行較好的描述，因此無填充硬性平直結構面抗剪強度可以表示為：

(4)

3)JRC-JCS模型分析方法研究

根據(jù)Barton[12]提出的JRC-JCS模型對直剪試驗結果再次進行回歸分析，采用正交距離回歸方法進行自定義函數(shù)擬合，結果如圖6所示。

圖6 JRC-JCS模型擬合結果

利用JRC-JCS模型可對該平直結構面等效基本摩擦角、結構面粗糙度系數(shù)進行估算。由圖6所示擬合結果，結構面抗剪強度可用下式表達：

τJRS=σtan[39.8+0.145lg(2.35/σ)]

(5)

式中：τJRS為考慮結構面粗糙度系數(shù)的抗剪強度。利用式(5)對試驗結果進行擬合，得到?jīng)Q定系數(shù)為0.997 95，較為接近于1，因此該抗剪強度表達式與直剪試驗數(shù)據(jù)的相關程度較高，可用于描述平直結構面抗剪強度。從式(5)可看出，該平直結構面基本摩擦角為39.8°，結構面上下巖體粗糙度系數(shù)為0.145，粗糙程度較低。

2.2 齒狀結構面剪切試驗過程分析

針對齒狀結構面起伏程度、軸壓對抗剪強度的影響規(guī)律，分別選擇結構面剪脹角為0°、15°、30°、45°齒狀結構面開展直剪試驗。試驗剪切法向壓力分別設置為0.125 MPa、0.25 MPa、0.375 MPa、0.5 MPa，試驗同樣采用應變控制式，設置剪切速率為5 mm/min。加載方式為分步加載，先施加法向力達到預定值保持不變，然后以一定速率施加切向力至預定剪切位移。試驗設置剪切距離為30 mm，剪切試驗過程中對切向應力、位移及法向應力、位移數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集頻率為3.9 Hz。

2.2.1 剪應力-剪切位移關系分析

選擇爬坡角為30°的齒狀結構面試樣進行軸壓為0.125 MPa、0.25 MPa、0.375 MPa、0.5 MPa的直剪試驗，結果如圖7所示。

從圖7可知，在0.125 MPa軸壓條件下，剪切試驗初始階段剪應力增速緩慢，破壞過程具有一定的滑動破壞特征，強度峰值出現(xiàn)后隨著剪切位移的持續(xù)增加，結構面的抗剪強度不斷降低；在0.25 MPa軸壓條件下，試樣剪切初始階段剪應力增速加快明顯，剪切應力達到峰值后，結構面的抗剪強度快速降低，其破壞過程體現(xiàn)出明顯的峰值剪斷破壞；在0.375 MPa和0.5 MPa軸壓條件下，剪切試驗一開始，結構面咬合過程較短，隨即發(fā)揮較大的抗剪強度，剪切應力達到峰值后結構面剪切應力急劇下降，表明試樣已剪切破壞。

圖7 30°爬坡角結構面剪應力與剪切位移關系曲線

2.2.2 剪脹特性分析

為分析齒狀結構面的剪脹特性，選擇30°爬坡角的結構面分別開展0.125 MPa、0.25 MPa、0.375 MPa和0.5 MPa四種不同軸壓條件下的剪切試驗，結果如圖8所示。

圖8 30°爬坡角結構面剪脹特性分析

從圖8可見，在0.125 MPa軸壓條件下，剪切試驗過程中爬坡效應明顯；在0.25 MPa軸壓條件下，剪切試驗過程中同樣出現(xiàn)爬坡效應，但剪脹效應相對減弱，法向位移明顯小于0.125 MPa條件下，且未出現(xiàn)持續(xù)的剪脹；在0.375 MPa軸壓條件下，剪脹效應進一步減弱，剪脹量峰值出現(xiàn)時間進一步縮短，由于軸壓的增加，試樣剪切過程中法向位移速率明顯降低，剪脹量達到峰值后隨著剪切位移的進一步發(fā)展，試驗出現(xiàn)剪縮；在0.5 MPa軸壓條件下，試樣并未出現(xiàn)剪脹，隨著剪切過程的不斷發(fā)展，上下試樣不斷被壓縮至結合緊密，期間由于齒狀凸起的存在，法向位移隨著剪切過程的發(fā)展存在一定的起伏。

2.2.3 爬坡角對結構面剪切過程的影響

選擇0.5 MPa軸壓條件，針對不同結構面預設爬坡角0°、15°、30°、45°開展直接剪切試驗，可得到不同爬坡角條件下的齒狀結構面剪切過程，結果如圖9所示。

圖9 結構面爬坡角對剪切過程的影響

由圖9可見，隨著結構面初始爬坡角的不斷增加，結構面峰值抗剪強度不斷增加，抗剪力峰值出現(xiàn)的時間也不斷提前。不同爬坡角也反映了結構面粗糙程度，隨著結構面粗糙程度的不斷增加，結構面剪切剛度不斷增大，剪切初期的抗剪強度增速逐漸加快，盡管結構面能夠提供的最大抗剪強度不斷增大，但特定單軸抗壓強度下，結構面隨著粗糙程度的不斷增加，抗剪強度峰值出現(xiàn)時間越來越早，峰值后下降速度不斷加快，即一定的單軸抗壓條件下，粗糙程度增加后，材料剪切破壞體現(xiàn)出較為明顯的脆性特征。

2.2.4 粗糙結構面抗剪強度分析

1)基于JRC-JCS模型的峰值抗剪強度分析

利用Barton[12]提出的JRC-JCS模型對齒狀粗糙結構面的抗剪強度進行計算，結果如圖10所示。

圖10 JRC-JCS模型峰值抗剪強度分析

由圖10可見，當結構面爬坡角為15°、45°時，試驗得到的結果與計算結果較為接近，試驗測得峰值抗剪強度略大于計算值，而當結構面粗糙度系數(shù)為0.15時，即平直結構面在0.5 MPa軸壓條件下能夠發(fā)揮的峰值抗剪強度略大于計算結果，而30°爬坡角的結構面實測峰值抗剪強度與計算結果差別較大，實測值小于計算值0.049 MPa。

2)彈性段剪切剛度分析

通過對粗糙結構面分別開展0°、15°、30°、45°爬坡角條件下的直剪試驗，可獲得齒狀結構面彈性剪切變形階段的剪切剛度，大致與結構面粗糙度系數(shù)成正相關線性關系，通過對其進行回歸分析，獲得結構面粗糙程度對剪切剛度的影響規(guī)律，如圖11所示。

圖11 結構面粗糙程度對剪切剛度的影響

由圖11可得粗糙結構面剪切剛度與結構面粗糙度系數(shù)之間大致滿足如下關系式：

k=0.013JRC+0.042 97

(6)

式中：k為結構面剪切剛度，MPa/mm。由圖11可知，決定系數(shù)為0.95，殘差平方和為0.001 35，較接近于0，可認為式(6)與試驗結果相關程度較高，在一定程度上能反映結構面粗糙度系數(shù)與彈性段剪切剛度之間的關系。

3 結論

通過室內(nèi)模型試驗，對不同粗糙程度的花崗巖硬性結構面進行了抗剪強度分析，通過分析試驗結果，得到如下結論：

1)巖體結構面抗剪力峰值隨著法向壓力的增加而增大，結構面剪切剛度隨著法向壓力的增加而增大。

2)巖體結構面剪切過程中存在抗剪力峰值，在低法向壓力作用下，巖體結構面抗剪力達到峰值后，隨著剪切位移的增加，結構面抗剪強度無明顯回落；而在高法向壓力作用下，巖體結構面抗剪力達到峰值后，隨著剪切位移的增加，巖體結構面抗剪強度存在較為明顯回落現(xiàn)象。

3)巖體結構面在剪切過程中，剪脹分量的發(fā)展情況與結構面一階凸起的抗剪力息息相關，而摩擦分量則隨著剪切位移的變化與花崗巖硬性結構面二階凸起的抗剪力的發(fā)揮過程關系密切。