林興超，凌永玉，汪小剛，王玉杰，趙宇飛

（中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038）

1 研究背景

巖體是長期地質(zhì)構(gòu)造運動的產(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)，這種復雜的結(jié)構(gòu)特征決定了巖體的破壞機理和強度、變形等工程力學特性。大量工程實踐表明，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)理巖體力學特性的影響是非常有意義的。

預制節(jié)理的物理模型試驗是研究構(gòu)面分對節(jié)理巖體力學特性影響的有效手段，主要包括單軸壓縮試驗、直剪試驗等。前期關(guān)于節(jié)理巖體單軸壓縮試驗較多［3-13］，對節(jié)理巖體直剪試驗的研究相對較少［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，很難真實反映復雜的節(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，研究節(jié)理巖體變形破壞全過程和強度特征，為節(jié)理巖體工程力學特性參數(shù)確定提供試驗依據(jù)。

圖1 五種典型結(jié)構(gòu)面分布型式

2 試驗方案

2.1 試驗目的及典型結(jié)構(gòu)面分布型式的合理性論證 本次試驗目的為開展典型結(jié)構(gòu)面分布型式的節(jié)理巖體室內(nèi)直剪試驗研究，研究節(jié)理巖體在直剪試驗條件下變形、破壞、擴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，揭示節(jié)理巖體直剪試驗條件下力學響應機制，驗證汪小剛等［17］提出強度準則的合理性。

為實現(xiàn)上述目的，典型結(jié)構(gòu)面分布型式采用了文獻［17］在超過100000條結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計資料基礎(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)計基礎(chǔ)上，引入數(shù)理統(tǒng)計基本概念總結(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)理巖體綜合抗剪強度確定方面，Einstein等［3］在總結(jié)Lajtai的研究成果的基礎(chǔ)上，進一步提出了相應于某一剪切方向a和巖橋傾角b時（如圖2示）確定巖橋抗剪能力R的計算方法：

圖2 不同情況下的巖橋抗剪能力計算簡圖

（1）當 β ＜（θ+α）時：

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度；σn為法向應力。

也可近似的取為45°。

（2）當β＞（θ+α）時，在巖橋處發(fā)生直接拉伸破壞，此時：

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，此時剪切路徑上的抗剪力為：

式中σt為完整巖石的抗拉強度，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，此時又分為兩種情況：當β＞θ（θ≈45°）時，抗剪力R近似按式（7）計算；當β＜θ時：

（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，當巖橋剪切路徑與剪切方向呈一逆向夾角時，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)生強迫剪切破壞，此時抗剪力R同樣可按式（7）計算。

由于剪切路徑和剪力方向不一致，在實際計算τj1、τj2和τr時應考慮剪切破壞過程中的爬坡效應。

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度的巖體；并且在澆筑過程中預埋鋼片、砂紙等模擬節(jié)理，通過預埋件厚度、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將試樣平躺，此時需預制的節(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拔出時機通過現(xiàn)場對比試驗確定，這時能夠輕松拔出鐵片。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)護過程中逐漸閉合，閉合后節(jié)理的強度特性參數(shù)通過是貫通結(jié)構(gòu)面的直剪切試驗確定，如表1所示。

王振輝認為，在“共生”里面，一個網(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時配送。在海外，京東物流也與海運、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，提高中國乃至世界物流行業(yè)的競爭力，并以此為思路，就一定能夠在各個環(huán)節(jié)共同打造全球智能供應鏈基礎(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，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21天后開展試驗研究。通過室內(nèi)試驗確定巖體和結(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)理巖體試樣及試驗設(shè)計 根據(jù)5種典型結(jié)構(gòu)面分布型式設(shè)計節(jié)理巖體試樣，具體幾何尺寸如圖3所示，圖中節(jié)理1的起點為B、終點為C，節(jié)理2的起點為D、終點為E，如節(jié)理1與節(jié)理2相交則交點為G，直剪試驗起點為A、終點為F。

圖3 典型結(jié)構(gòu)面分布型式設(shè)計及尺寸

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

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

3 試驗結(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力學特性變化規(guī)律，將試樣剪切過程影像與加載曲線同時錄制?？梢酝ㄟ^錄像反復觀察研究直剪試驗條件下兩條結(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、法向應力為1.0 MPa條件下試樣變形破壞過程的錄像、抗剪強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)理巖橋之間的漸進搭接破壞，通過錄像可以清晰觀測節(jié)理破壞、擴展直至貫通全過程。隨著剪切試驗的進行，當剪切荷載接近節(jié)理巖體極限抗剪強度時，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；當剪切荷載達到節(jié)理巖體極限抗剪強度時，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)進行，剪切起點A逐漸向節(jié)理“BC”起點B擴展，然后節(jié)理“DE”向剪切終點F擴展直至貫通。

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、擴展直至貫通的演化過程，破壞時間超過1s；V型節(jié)理為突然破壞（破壞時長小于1s），無法觀察到試樣漸進破壞過程，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C與剪切終點F之間的張拉破壞強度小于“C-＞D-＞E-＞F”的組合抗剪強度，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到80%。

（4）不同法向應力條件下，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)理巖體力學響應特征 通過直剪試驗可以獲得剪切應力-剪切變形全過程曲線，法向應力為1.0 MPa條件下，各種類型節(jié)理巖體應力應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）：應力應變曲線變緩，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；裂紋擴展（CD）：宏觀裂紋擴展直至貫通，應力以不同方式減小，最終達到殘余強度；殘余變形階段（DE）：試件破壞，應力基本保持不變。

圖4 應力應變?nèi)^程曲線

根據(jù)25條應力應變曲線及貫穿性平直結(jié)構(gòu)面應力應變曲線特征，可將節(jié)理巖體破壞擴展階段響應曲線劃分為滑動型、屈服型、剪斷型、脆斷型和剪斷復合型。其中剪斷型式在平直結(jié)構(gòu)面的直剪試驗中出現(xiàn)，只有彈性、滑動兩個階段；屈服型曲線整體平滑，在裂紋擴展階段沒有明顯應力跌落現(xiàn)象；剪斷型曲線前期整體平滑，達到峰值強度時出現(xiàn)明顯應力跌落現(xiàn)象，應力跌落后繼續(xù)減小直至達到殘余強度；脆斷型曲線前期為線彈性，達到峰值強度后出現(xiàn)大幅度的應力跌落現(xiàn)象，后期應力增大直至達到殘余強度；剪斷復合型曲線前期整體平滑，達到峰值強度后出現(xiàn)多個明顯應力跌落現(xiàn)象，然后應力逐漸減小直至達到殘余強度。五種類型應力應變曲線特征統(tǒng)計如表5所示。

表5 應力應變曲線類型劃分及統(tǒng)計

3.3 綜合抗剪強度特征分析 通過典型結(jié)構(gòu)面分布形式的節(jié)理巖體直剪試驗結(jié)果對汪小剛等［17］提出的巖體綜合抗剪強度計算方法進行了驗證，如表6所示。驗證結(jié)果表明，試驗結(jié)果與公式計算誤差較小，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度計算方法能夠較好的反映節(jié)理巖體強度特性。

表6 試驗結(jié)果與公式計算結(jié)果統(tǒng)計表

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

表7 綜合抗剪強度參數(shù)統(tǒng)計

4 結(jié)論

本文對節(jié)理巖體破壞過程和綜合抗剪強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，試驗結(jié)果表明：

（1）節(jié)理巖體破壞是種漸進破壞，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、擴展直至貫通的演化過程，破壞時間超過1s；V型節(jié)理為突然破壞（破壞時長小于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C與剪切終點F之間的張拉破壞強度小于“C-＞D-＞E-＞F”的組合抗剪強度，直接越過節(jié)理“DE”。

（3）不同法向應力條件下節(jié)理巖體破壞面的形態(tài)基本一致，高法向應力（2.0 MPa和2.5 MPa）條件下，節(jié)理尖端可能出現(xiàn)類似單軸壓縮試驗的翼型裂紋。不同法向應力條件下，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度參數(shù)影響較大。五種類型節(jié)理巖體峰值強度的內(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度；不同類型間節(jié)理巖體峰值強度內(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度計算方法得到的綜合抗剪強度與試驗結(jié)果誤差小于9%，能夠較好的反映節(jié)理巖體強度特性。