林興超，凌永玉，汪小剛，王玉杰，趙宇飛

（中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038）

1 研究背景

巖體是長期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，包含大量不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，如：斷層、節(jié)理、層理、裂隙等。這些結(jié)構(gòu)面相互交切形成了特定的巖體結(jié)構(gòu)，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征決定了巖體的破壞機(jī)理和強(qiáng)度、變形等工程力學(xué)特性。大量工程實(shí)踐表明，巖體的變形、破壞和失穩(wěn)通常是巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面變形、破壞、擴(kuò)展乃至貫通引起的［1-2］，研究結(jié)構(gòu)面分布特征對節(jié)理巖體力學(xué)特性的影響是非常有意義的。

預(yù)制節(jié)理的物理模型試驗(yàn)是研究構(gòu)面分對節(jié)理巖體力學(xué)特性影響的有效手段，主要包括單軸壓縮試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)等。前期關(guān)于節(jié)理巖體單軸壓縮試驗(yàn)較多［3-13］，對節(jié)理巖體直剪試驗(yàn)的研究相對較少［14-16］，這些少量的研究主要針對包含單一或單組節(jié)理的節(jié)理巖體試樣開展研究工作，很難真實(shí)反映復(fù)雜的節(jié)理巖體結(jié)構(gòu)特征。

汪小剛等［17］在超過100000條結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)資料基礎(chǔ)上總結(jié)了5種典型結(jié)構(gòu)面分布型式（如圖1所示），通過這5種分布型式可以衍生數(shù)十種結(jié)構(gòu)面分布，能夠較好反映巖體基本結(jié)構(gòu)特征。本文通過制作包含上述5種典型分布形式的節(jié)理巖體，開展室內(nèi)直剪試驗(yàn)，研究節(jié)理巖體變形破壞全過程和強(qiáng)度特征，為節(jié)理巖體工程力學(xué)特性參數(shù)確定提供試驗(yàn)依據(jù)。

圖1 五種典型結(jié)構(gòu)面分布型式

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)?zāi)康募暗湫徒Y(jié)構(gòu)面分布型式的合理性論證 本次試驗(yàn)?zāi)康臑殚_展典型結(jié)構(gòu)面分布型式的節(jié)理巖體室內(nèi)直剪試驗(yàn)研究，研究節(jié)理巖體在直剪試驗(yàn)條件下變形、破壞、擴(kuò)展直至貫通的演化規(guī)律，分析節(jié)理對破壞模式的影響效應(yīng)，揭示節(jié)理巖體直剪試驗(yàn)條件下力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，驗(yàn)證汪小剛等［17］提出強(qiáng)度準(zhǔn)則的合理性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，典型結(jié)構(gòu)面分布型式采用了文獻(xiàn)［17］在超過100000條結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)資料基礎(chǔ)上總結(jié)的5種典型結(jié)構(gòu)面分布型式，通過這5種分布型式可以衍生數(shù)十種結(jié)構(gòu)面分布。這5種典型結(jié)構(gòu)面分布型式，首先在幾何形態(tài)上是在大量現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，引入數(shù)理統(tǒng)計(jì)基本概念總結(jié)得到的，包含了所有節(jié)理巖體剪切過程中兩條結(jié)構(gòu)面的相對剪切關(guān)系，在幾何條件下具有合理性。其次這5種分布型式是對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面和巖橋的組合形式的一種分解模式，主要表現(xiàn)為：

在節(jié)理巖體綜合抗剪強(qiáng)度確定方面，Einstein等［3］在總結(jié)Lajtai的研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了相應(yīng)于某一剪切方向a和巖橋傾角b時(shí)（如圖2示）確定巖橋抗剪能力R的計(jì)算方法：

圖2 不同情況下的巖橋抗剪能力計(jì)算簡圖

（1）當(dāng) β ＜（θ+α）時(shí)：

式中d為巖橋在剪切方向的投影長度，

式中：σt為完整巖石的抗拉強(qiáng)度；σn為法向應(yīng)力。

也可近似的取為45°。

（2）當(dāng)β＞（θ+α）時(shí)，在巖橋處發(fā)生直接拉伸破壞，此時(shí)：

式中h為巖橋在與剪切方向垂直方向上的投影。

在巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)圖中，結(jié)構(gòu)面和巖橋的組合情況是非常復(fù)雜的。根據(jù)對巖體結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)中結(jié)構(gòu)面和巖橋組合情況的分析，可將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面和巖橋的組合形式分解為圖1所示的五種基本形式。

（1）相鄰結(jié)構(gòu)面相交。如圖1（a）所示，此時(shí)剪切路徑上的抗剪力為：

式中：τj1、τj2為節(jié)理面在剪切方向上提供的抗剪強(qiáng)度；l1、l2為節(jié)理面在剪切上的投影長度。

（2）相鄰節(jié)理面不相交但相互重疊，巖橋呈順向剪切。如圖1（b）所示，此時(shí)剪切路徑上的抗剪力為：

式中σt為完整巖石的抗拉強(qiáng)度，h為巖橋在與剪切方向垂直方向上的投影。

（3）相鄰節(jié)理面不相交但相互重疊，巖橋呈逆向剪切。如圖1（c）所示，此時(shí)剪切路徑上的抗剪力為：

式中τr為巖橋沿剪切方向的抗剪強(qiáng)度。

（4）相鄰結(jié)構(gòu)面不相交、不重疊且結(jié)構(gòu)面之間的巖橋呈順向剪切

如圖1（d）所示，此時(shí)又分為兩種情況：當(dāng)β＞θ（θ≈45°）時(shí)，抗剪力R近似按式（7）計(jì)算；當(dāng)β＜θ時(shí)：

（5）相鄰結(jié)構(gòu)面不相交、不重疊但結(jié)構(gòu)面之間的巖橋呈逆向剪切

如圖1（e）所示，當(dāng)巖橋剪切路徑與剪切方向呈一逆向夾角時(shí)，這種情況與圖1（c）類似，節(jié)理面之間的巖橋也不再會發(fā)生受拉破壞，而產(chǎn)生強(qiáng)迫剪切破壞，此時(shí)抗剪力R同樣可按式（7）計(jì)算。

由于剪切路徑和剪力方向不一致，在實(shí)際計(jì)算τj1、τj2和τr時(shí)應(yīng)考慮剪切破壞過程中的爬坡效應(yīng)。

2.2 試樣制作 節(jié)理巖體試樣采用石膏、水、水泥、砂子等材料按一定比例混合澆筑而成，通過調(diào)整配比模擬具有不同強(qiáng)度的巖體；并且在澆筑過程中預(yù)埋鋼片、砂紙等模擬節(jié)理，通過預(yù)埋件厚度、處理方式和材料等模擬不同結(jié)構(gòu)面的特性。模型制作過程及控制要點(diǎn)主要包括：

（1）使用的配比為（質(zhì)量比）砂子∶水泥∶水=3∶2∶1.13。

（2）為了操作方便制樣時(shí)將試樣平躺，此時(shí)需預(yù)制的節(jié)理垂直于地面，采用0.7 mm鐵片作為節(jié)理成形工具，制作試樣前將其插入預(yù)制的節(jié)理槽中。模型澆筑完成后8 h將鐵片用手直接拔出，8 h拔出時(shí)機(jī)通過現(xiàn)場對比試驗(yàn)確定，這時(shí)能夠輕松拔出鐵片。通過上述制作工藝得到的結(jié)構(gòu)面長度和相對位置不會發(fā)生改變；鋼片拔出后的空間會由于砂漿的微膨脹特性在養(yǎng)護(hù)過程中逐漸閉合，閉合后節(jié)理的強(qiáng)度特性參數(shù)通過是貫通結(jié)構(gòu)面的直剪切試驗(yàn)確定，如表1所示。

王振輝認(rèn)為，在“共生”里面，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的打造不可能只有京東物流一家，也不可能是京東物流和幾家公司，一定是和眾多國內(nèi)外企業(yè)一起建設(shè)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這就是“共生”的核心。過去一年，京東物流和中儲、安得等企業(yè)打造了100多萬平米的京東云倉，每天的訂單量超過幾十萬單，配送端可以讓貨物完成實(shí)時(shí)配送。在海外，京東物流也與海運(yùn)、航空等企業(yè)合作。在王振輝看來，京東物流相信在合作中只要秉承提高客戶的體驗(yàn)，提高中國乃至世界物流行業(yè)的競爭力，并以此為思路，就一定能夠在各個(gè)環(huán)節(jié)共同打造全球智能供應(yīng)鏈基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。

（3）模型尺寸300 mm×300 mm×150 mm（長×寬×高），為保證試驗(yàn)材料一致性，所有試樣一次性制作完成；制作完成后將試樣立起后開展試驗(yàn)，試樣尺寸300 mm×150 mm×300 mm（長×寬×高）。

（4）試樣澆筑完成2天后拆模，在室溫條件下養(yǎng)護(hù)21天后開展試驗(yàn)研究。通過室內(nèi)試驗(yàn)確定巖體和結(jié)構(gòu)面材料特性參數(shù)，如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

2.3 節(jié)理巖體試樣及試驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)5種典型結(jié)構(gòu)面分布型式設(shè)計(jì)節(jié)理巖體試樣，具體幾何尺寸如圖3所示，圖中節(jié)理1的起點(diǎn)為B、終點(diǎn)為C，節(jié)理2的起點(diǎn)為D、終點(diǎn)為E，如節(jié)理1與節(jié)理2相交則交點(diǎn)為G，直剪試驗(yàn)起點(diǎn)為A、終點(diǎn)為F。

圖3 典型結(jié)構(gòu)面分布型式設(shè)計(jì)及尺寸

試驗(yàn)儀器采用液壓伺服巖石萬能試驗(yàn)機(jī)SAJM-2000，在剪切框架上安裝好試樣后，將剪切框架推入試驗(yàn)機(jī)主機(jī)中，即可實(shí)現(xiàn)法向荷載和剪切荷載同時(shí)加載。直剪試驗(yàn)法向加載采用力控制：先預(yù)加載5kN的試驗(yàn)力后加載相應(yīng)荷載級別的試驗(yàn)；切向加載先采用試驗(yàn)力控制，預(yù)加載3kN試驗(yàn)力，后轉(zhuǎn)化為位移控制，加載速度為0.5 mm/min。試驗(yàn)過程中安裝攝像頭記錄試樣破壞過程并在萬能試驗(yàn)機(jī)電腦屏幕上顯示，采用屏幕錄制程序同步記錄破壞過程和試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變，通過這樣的改進(jìn)可以重復(fù)觀看試驗(yàn)破壞過程及力學(xué)特征曲線的相關(guān)特性。

對5種巖體模型進(jìn)行不同法向荷載（0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa、2.5 MPa）條件下的直剪試驗(yàn)，共計(jì)25次巖體直剪試驗(yàn)，研究節(jié)理巖體破壞的演化過程和強(qiáng)度特性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 節(jié)理巖體破壞過程及破壞形態(tài) 為更好了解直剪試驗(yàn)條件下典型結(jié)構(gòu)面分布型式節(jié)理巖體破壞、過程、貫通全過程及其對應(yīng)力學(xué)特性變化規(guī)律，將試樣剪切過程影像與加載曲線同時(shí)錄制。可以通過錄像反復(fù)觀察研究直剪試驗(yàn)條件下兩條結(jié)構(gòu)面分布巖體破壞過程。結(jié)構(gòu)面分布型式相同，不同法向應(yīng)力條件下破壞過程均一致，限于篇幅，本文僅給出了I型結(jié)構(gòu)面、法向應(yīng)力為1.0 MPa條件下試樣變形破壞過程的錄像、抗剪強(qiáng)度變化曲線和破壞過程素描，如表2所示。

表2 I型節(jié)理巖體變形破壞過程

I型節(jié)理巖體的破壞型式主要表現(xiàn)為節(jié)理巖橋之間的漸進(jìn)搭接破壞，通過錄像可以清晰觀測節(jié)理破壞、擴(kuò)展直至貫通全過程。隨著剪切試驗(yàn)的進(jìn)行，當(dāng)剪切荷載接近節(jié)理巖體極限抗剪強(qiáng)度時(shí)，可以觀察到試樣表面出現(xiàn)局部表皮脫落現(xiàn)象，內(nèi)部微裂紋形成；當(dāng)剪切荷載達(dá)到節(jié)理巖體極限抗剪強(qiáng)度時(shí)，節(jié)理“BC”與節(jié)理“DE”之間的巖橋“CD”發(fā)生突然破壞，并伴隨微弱響聲和剪切荷載跌落現(xiàn)象；隨著加載繼續(xù)進(jìn)行，剪切起點(diǎn)A逐漸向節(jié)理“BC”起點(diǎn)B擴(kuò)展，然后節(jié)理“DE”向剪切終點(diǎn)F擴(kuò)展直至貫通。

表3 五種典型分布型式試件破壞過程和節(jié)理作用統(tǒng)計(jì)表

表4 五種典型分布型式試件最終破壞形態(tài)

（1）在不同正應(yīng)力條件下同一類型節(jié)理巖體的破壞過程一致，節(jié)理在破壞面上的作用相同，一致率達(dá)到100%。

（2）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型節(jié)理巖體能夠明顯觀察到試樣破壞、擴(kuò)展直至貫通的演化過程，破壞時(shí)間超過1s；V型節(jié)理為突然破壞（破壞時(shí)長小于1s），無法觀察到試樣漸進(jìn)破壞過程，發(fā)生突然破壞試樣占比20%。

（3）兩條節(jié)理之間的搭接破壞是典型分布形式節(jié)理巖體直剪試驗(yàn)的主要破壞型式；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ型典型分布型式結(jié)構(gòu)面均表現(xiàn)為明顯的節(jié)理巖橋之間的搭接破壞，Ⅳ型節(jié)理巖體由于節(jié)理“BC”終點(diǎn)C與剪切終點(diǎn)F之間的張拉破壞強(qiáng)度小于“C-＞D-＞E-＞F”的組合抗剪強(qiáng)度，直接越過節(jié)理“DE”，節(jié)理分布特征決定節(jié)理巖體最終破壞形態(tài)，節(jié)理控制的試樣占比達(dá)到80%。

（4）不同法向應(yīng)力條件下，節(jié)理巖體破壞模式相同，兩條節(jié)理之間的搭接位置可能存在微小差別，位置差別小于節(jié)理總長度的5%；在高法向應(yīng)力（2.0 MPa和2.5 MPa）條件下，節(jié)理尖端可能出現(xiàn)類似單軸壓縮試驗(yàn)的翼型裂紋，翼型裂紋的出現(xiàn)對節(jié)理巖體主破壞路徑?jīng)]有影響；0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa和2.5 MPa條件下試樣出現(xiàn)翼型裂紋的比例分別為0%、20%、60%、60%和80%。

3.2 節(jié)理巖體力學(xué)響應(yīng)特征 通過直剪試驗(yàn)可以獲得剪切應(yīng)力-剪切變形全過程曲線，法向應(yīng)力為1.0 MPa條件下，各種類型節(jié)理巖體應(yīng)力應(yīng)變曲線可以劃分為以下階段（如圖4所示）：調(diào)整階段（OA）：節(jié)理巖體試樣在剪切荷載作用下被調(diào)整壓緊，剪切緩慢增加，屬于彈性變形；線彈性變形階段（AB）：剪切荷載與剪切位移呈線性關(guān)系，也屬于彈性變形；隱形裂紋階段（BC）：應(yīng)力應(yīng)變曲線變緩，局部產(chǎn)生宏觀不可見的隱性裂紋，或出現(xiàn)試樣表皮脫落現(xiàn)象，屬于塑性變形；裂紋擴(kuò)展（CD）：宏觀裂紋擴(kuò)展直至貫通，應(yīng)力以不同方式減小，最終達(dá)到殘余強(qiáng)度；殘余變形階段（DE）：試件破壞，應(yīng)力基本保持不變。

圖4 應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線

根據(jù)25條應(yīng)力應(yīng)變曲線及貫穿性平直結(jié)構(gòu)面應(yīng)力應(yīng)變曲線特征，可將節(jié)理巖體破壞擴(kuò)展階段響應(yīng)曲線劃分為滑動(dòng)型、屈服型、剪斷型、脆斷型和剪斷復(fù)合型。其中剪斷型式在平直結(jié)構(gòu)面的直剪試驗(yàn)中出現(xiàn)，只有彈性、滑動(dòng)兩個(gè)階段；屈服型曲線整體平滑，在裂紋擴(kuò)展階段沒有明顯應(yīng)力跌落現(xiàn)象；剪斷型曲線前期整體平滑，達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)明顯應(yīng)力跌落現(xiàn)象，應(yīng)力跌落后繼續(xù)減小直至達(dá)到殘余強(qiáng)度；脆斷型曲線前期為線彈性，達(dá)到峰值強(qiáng)度后出現(xiàn)大幅度的應(yīng)力跌落現(xiàn)象，后期應(yīng)力增大直至達(dá)到殘余強(qiáng)度；剪斷復(fù)合型曲線前期整體平滑，達(dá)到峰值強(qiáng)度后出現(xiàn)多個(gè)明顯應(yīng)力跌落現(xiàn)象，然后應(yīng)力逐漸減小直至達(dá)到殘余強(qiáng)度。五種類型應(yīng)力應(yīng)變曲線特征統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 應(yīng)力應(yīng)變曲線類型劃分及統(tǒng)計(jì)

3.3 綜合抗剪強(qiáng)度特征分析 通過典型結(jié)構(gòu)面分布形式的節(jié)理巖體直剪試驗(yàn)結(jié)果對汪小剛等［17］提出的巖體綜合抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證，如表6所示。驗(yàn)證結(jié)果表明，試驗(yàn)結(jié)果與公式計(jì)算誤差較小，最大誤差不超過9%，汪小剛等［17］提出的基于Lajtai巖橋破壞理論的綜合抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法能夠較好的反映節(jié)理巖體強(qiáng)度特性。

表6 試驗(yàn)結(jié)果與公式計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)5級法向荷載條件下綜合抗剪強(qiáng)度可擬合得到節(jié)理巖體綜合抗剪切參數(shù)，如表7所示。節(jié)理分布對節(jié)理巖體強(qiáng)度參數(shù)影響較大：五種類型節(jié)理巖體峰值強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角為完整巖塊的68%～81%、黏聚力為46%～62%；殘余強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角為完整巖塊殘余強(qiáng)度內(nèi)摩擦角的62%～102%。不同類型間內(nèi)節(jié)理巖體峰值強(qiáng)度內(nèi)摩擦角和黏聚力的最大差值分別為4.58°和0.43 MPa；殘余強(qiáng)度的最大差值分別為3.32°和0.4 MPa。

表7 綜合抗剪強(qiáng)度參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

本文對節(jié)理巖體破壞過程和綜合抗剪強(qiáng)度特性問題開展了典型結(jié)構(gòu)面分布型式下的室內(nèi)直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）節(jié)理巖體破壞是種漸進(jìn)破壞，其破壞速度由節(jié)理分布型式控制。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型節(jié)理巖體能夠明顯觀察到試樣破壞、擴(kuò)展直至貫通的演化過程，破壞時(shí)間超過1s；V型節(jié)理為突然破壞（破壞時(shí)長小于1s）。

（2）結(jié)構(gòu)面分布型式控制節(jié)理巖體最終破壞形態(tài)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ型典型分布型式結(jié)構(gòu)面均表現(xiàn)為明顯的節(jié)理巖橋之間的搭接破壞；Ⅳ型節(jié)理巖體由于節(jié)理“BC”終點(diǎn)C與剪切終點(diǎn)F之間的張拉破壞強(qiáng)度小于“C-＞D-＞E-＞F”的組合抗剪強(qiáng)度，直接越過節(jié)理“DE”。

（3）不同法向應(yīng)力條件下節(jié)理巖體破壞面的形態(tài)基本一致，高法向應(yīng)力（2.0 MPa和2.5 MPa）條件下，節(jié)理尖端可能出現(xiàn)類似單軸壓縮試驗(yàn)的翼型裂紋。不同法向應(yīng)力條件下，兩條節(jié)理之間的搭接位置可能存在微小差別，位置差別小于節(jié)理總長度的5%；隨著法向應(yīng)力的提高，試樣出現(xiàn)翼型裂紋的比例由0%增加至80%

（4）節(jié)理對巖體綜合抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響較大。五種類型節(jié)理巖體峰值強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角為完整巖塊的68%～81%、黏聚力為46%～62%，節(jié)理的存在極大降低了巖體的強(qiáng)度；不同類型間節(jié)理巖體峰值強(qiáng)度內(nèi)摩擦角和黏聚力的最大差值分別為4.58°和0.43 MPa，不同類型節(jié)理巖體見強(qiáng)度差可能超過20%。

（5）汪小剛等提出的基于Lajtai巖橋破壞理論的綜合抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法得到的綜合抗剪強(qiáng)度與試驗(yàn)結(jié)果誤差小于9%，能夠較好的反映節(jié)理巖體強(qiáng)度特性。