李冠野 鄧華鋒 李建林 徐鵬飛 王文東 馮云杰

(三峽庫區(qū)地質災害教育部重點實驗室(三峽大學)，宜昌 443002，中國)

0 引 言

自然界的巖體中往往存在著各種不連續(xù)的結構面，如節(jié)理、軟弱夾層等。由于風化、侵蝕等物理、化學作用和巖體結構面相互剪切錯動的影響，節(jié)理中往往會夾雜一定厚度的充填物，形成一種廣泛存在的充填結構面。這在很大程度上削弱了巖體的力學性質，也成為影響各類工程巖體變形穩(wěn)定的關鍵因素。

節(jié)理巖體的力學特性一直是巖土工程領域關注的重點，并取得了豐富的研究成果，Barton et al.(1977)通過結構面的剪切試驗，建立了JRC-JCS經驗模型，在節(jié)理巖體抗剪強度分析中得到了廣泛應用；在此基礎上，較多學者圍繞結構面粗糙度表征方法(陳世江等，2017)、有效剪切面積(詹金林等，2007)等方面開展了大量的理論和試驗研究，對JRC-JCS模型進行了修正，并提出了多種節(jié)理面抗剪強度估算方法。

與無充填結構面相比，充填結構面受到的影響因素更多，如結構面粗糙程度、充填物類型和厚度等，其剪切力學特性也更為復雜。研究成果顯示，一方面，不同性質充填物對于結構面抗剪性能的影響顯著，焦鋒等(2018)進行了4種粒徑砂粒充填結構面的剪切試驗，建立了用充填砂土摩擦系數表達的充填結構面剪切強度公式；許江等(2019)開展了石膏、巖屑和黃泥充填結構面的剪切試驗，并對比分析了充填物對結構面剪切力學特性的影響；孫輔庭等(2014)建立了充填水泥砂漿的結構面強度模型。另一方面，充填厚度也直接影響其剪切力學特性，Ladanyi et al.(1977)提出了充填度的概念，即充填厚度與結構面平均起伏高度的比值；Phien-Wej et al.(1990)、Papaliangas et al.(1993)進行了膨潤土、粉煤灰等充填物的結構面直剪試驗，得到了不同介質影響結構面抗剪強度的臨界充填度；Indraratna et al.(2005)、Oliveira et al.(2009)通過一系列充填黏土結構面剪切試驗，發(fā)現充填度到達某一臨界值后，其剪切強度將完全依賴于充填物的性質，而與結構面壁形態(tài)無關；史玲等(2012)進行了水泥砂漿充填結構面試驗，發(fā)現充填厚度直接影響結構面的剪切破壞模式，進而影響結構面的抗剪強度。

綜合目前的研究進展來看，相關結構面剪切試驗和理論分析成果已經較為豐富，但在試驗中還存在較多需要進一步完善的地方。典型的一個問題就是結構面試樣的制備，為了克服原狀結構面取樣的困難，有的學者采用劈裂(焦峰等，2018)等方法制備單節(jié)理試樣，或采用水泥砂漿等相似材料配合特制模塊(杜時貴等，2010，謝強等，2019)制備節(jié)理試樣；近年來，3D打印技術(熊祖強等，2015，Zhang et al.，2019)、3D雕刻技術(周輝等，2019，王亮清等，2021)在結構面制備中也取得了較好的效果。這些方法和技術為結構面抗剪性能試驗研究提供了很好的基礎。

在研究充填物對結構面抗剪性能影響時，目前常用的試驗思路是先進行一組非充填節(jié)理試樣的剪切試驗，再進行另外一組充填節(jié)理試樣的剪切試驗，根據兩組試驗結果的差別去量化充填物對結構面抗剪性能的影響，這種方法理論上是可行的，但由于沒有較好地考慮充填前后兩組試樣結構面形態(tài)的差異，可能會導致試驗結果存在一定的誤差。采用前述3D打印、3D雕刻技術可以在一定程度上較好解決試樣差異的問題，但相關試驗條件和成本要求較高，限于此，本文擬借鑒結構面重復剪切的試驗思路，提出一種相對簡便的方法，力求比較準確地量化充填物對結構面抗剪性能的影響。

1 試驗方案和分析思路

1.1 基于重復剪切試驗的節(jié)理試樣制備

夏才初等(2012)、鄧華鋒等(2018)、魏繼紅等(2017)開展了無充填、充填結構面的重復剪切試驗。典型如圖1所示，在重復剪切作用下，節(jié)理巖體的抗剪強度呈現出逐漸降低并趨穩(wěn)的規(guī)律。

圖1 重復剪切作用下結構面剪應力-剪切變形曲線

基于重復剪切作用下節(jié)理巖樣抗剪強度逐漸降低趨穩(wěn)的變化特征，提出一種比較簡便的節(jié)理試樣制備方法和充填結構面剪切試驗分析思路，首先對制備好的單節(jié)理試樣進行多次重復剪切試驗，直至其抗剪強度趨于穩(wěn)定，也即，在沒有其他因素影響下，即使再次進行重復剪切，其抗剪強度也不會有明顯變化，因此，可以近似取該強度作為充填之前結構面的抗剪強度；然后，對該結構面進行充填，并對充填結構面進行剪切試驗，此時所得強度即為充填結構面的強度，而充填前后結構面的抗剪強度差值即為充填物對結構面的影響。為此，通過同一個試樣充填前、后的重復剪切試驗，即可比較準確地量化充填物對結構面抗剪性能的影響，從而可以較好避免了試樣離散性的影響，為了便于區(qū)分，這里稱為“單試件法”。

砂巖是一種非常典型的沉積巖，層理弱面發(fā)育，在地質作用和環(huán)境因素影響下容易沿層理弱面張開發(fā)育形成宏觀結構面，為此，本文以三峽庫區(qū)廣泛存在的砂巖為試驗對象。取樣位置典型節(jié)理巖體如圖2所示，巖性為侏羅系灰白色砂巖，層理面明顯發(fā)育，部分結構面泥質充填，結構面的力學特性直接關系庫岸邊坡的變形穩(wěn)定。

圖2 典型庫岸邊坡泥質充填節(jié)理巖體

《工程巖體試驗方法標準》(GBT 50266-2013)(中華人民共和國國家標準編寫組，2013)要求巖石結構面直剪試驗試件直徑或者邊長不得小于50 mm，同時參考以往巖石結構面剪切試樣制備經驗(許江等，2019)，將現場取回的砂巖巖塊，切割成邊長為100 mm的立方塊，采用巴西劈裂法順層理面將試樣從中部劈裂，制備單節(jié)理試樣。首先從宏觀上選取結構面起伏特征相近的巖樣作為備選試樣，然后采用ST500三維非接觸式表面形貌儀(圖3)，對篩選試樣的結構面進行掃描和數據統(tǒng)計分析，結果顯示結構面的粗糙度系數在11.93～14.69之間，并集中在13.00左右，為了減少試樣之間的差異，選取粗糙度系數13±0.5的試樣進行后續(xù)剪切試驗，典型試樣如圖4所示。

圖3 ST500三維非接觸式表面輪廓儀

圖4 典型節(jié)理試樣及掃描圖

根據前面的分析思路，本文首先采用重復剪切的方法制備充填前的節(jié)理試樣，考慮取樣邊坡巖體結構面上覆巖土層的厚度，取1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa和2.5 MPa 4種法向應力，分別進行5次重復剪切試驗，試驗在YZW-1000型微機控制電動直剪儀上進行(圖5)，典型剪切應力-剪切位移曲線如圖6所示。

圖5 YZW-1000型微機控制電動直剪儀

圖6 典型重復剪切下結構面剪應力-剪切位移曲線圖

從圖6可以看出：重復剪切作用下，剪應力-剪切位移曲線變化特征明顯。在前兩次剪切中，曲線可明顯分為近似線性的彈性階段、剪切屈服階段、強度下降階段和殘余強度階段。隨著剪切次數的增加，曲線形態(tài)發(fā)生變化，不再存在明顯峰值強度，而且，彈性階段斜率不斷降低，即剪切剛度在重復剪切作用下不斷減小。結構面試樣的抗剪強度隨著剪切次數增加逐漸降低，在前兩次剪切中，強度下降明顯，在3次剪切后，抗剪強度基本趨于穩(wěn)定。因此，可以取第5次剪切時的抗剪強度作為該結構面充填之前的抗剪強度。

掃描結果顯示重復剪切后結構面的起伏度和粗糙度逐漸降低，呈現與抗剪強度一致的變化規(guī)律，文獻中(夏才初等，2012，鄧華鋒等，2018)已有詳細分析，這里不再贅述。各種法向應力下，選取結構面平均起伏高度為3 mm左右，且抗剪強度接近一致的3個試樣進行后面的充填及剪切試驗。

1.2 充填結構面試樣的制備

以取樣邊坡的黃土為充填物，經過風干，碾碎，將過0.5 mm篩的黃土顆粒，按照天然含水率18.30%配置泥質充填物(湯明高等，2009；胡瑞林等，2020)，相關物理力學參數見表1。重復剪切后掃描結果顯示結構面的平均起伏高度在3 mm左右，參考以往研究經驗(陳占鋒等，2019)，為了便于對比分析，各試樣的充填度統(tǒng)一按照100%考慮。在充填過程中，為了保證結構面充填均勻，在法向應力2.5 MPa下進行壓制成型，控制充填厚度為3 mm。典型充填結構面試樣如圖7所示。

表1 泥質充填物參數表

圖7 典型充填結構面試樣

對制備好的充填結構面試樣按照充填前對應的法向應力進行剪切試驗，所得充填前后抗剪強度的差值即為充填物對于結構面的劣化影響。同時，考慮到庫岸邊坡在降雨和庫水位周期性升降作用下“臺階式”增長的變形特征，對充填結構面也進行了5次重復剪切試驗，近似模擬邊坡巖體結構面的多期次反復剪切滑移現象，進而分析重復剪切作用下充填結構面的剪切性能劣化規(guī)律。

2 重復剪切作用下泥質充填結構面剪切力學特性分析

2.1 結構面剪切變形特性分析

4種法向應力下，充填結構面重復剪切過程中的剪應力-剪切位移曲線如圖8所示。

圖8 充填結構面重復剪切作用下剪應力-剪切位移曲線圖

由圖8可以看出：

(1)在重復剪切過程中，充填結構面的剪應力-剪切位移曲線形態(tài)基本一致，與圖6中充填前的第4～5次剪切試驗曲線形態(tài)也是一致的。在剪切初始階段，發(fā)生的剪切位移較小，剪應力迅速增大，剪應力與剪切位移呈現近乎線性增長關系；隨著剪應力的增加，剪切位移迅速增加，剪應力-剪切位移曲線斜率迅速降低，進入屈服階段，曲線沒有明顯峰值，呈明顯的塑形流動狀態(tài)，剪應力維持在一個相對穩(wěn)定的值。

(2)在5次重復剪切過程中，泥質充填結構面的抗剪強度并不是以往文獻(魏繼紅等，2017)中常見的逐漸降低的變化規(guī)律，而是呈現先增大后減小的變化特征。也即，第1次剪切時結構面抗剪強度相對較低，在之后的2～3次重復剪切中，結構面抗剪強度先逐漸增大，然后逐漸降低直至趨于穩(wěn)定。

2.2 充填結構面抗剪強度變化規(guī)律分析

根據前述試驗方案和數據分析思路，以未充填結構面第5次剪切時的抗剪強度作為結構面充填之前的抗剪強度初始值。對重復剪切作用下充填結構面抗剪強度進行統(tǒng)計，在統(tǒng)計時，取穩(wěn)定階段的值作為抗剪強度。繪制各法向應力下充填結構面抗剪強度的變化曲線如圖9所示，圖中的橫坐標“0次”對應充填前結構面的第5次剪切強度。

圖9 充填前、后結構面抗剪強度變化曲線

由圖9可以看出，泥質充填后，結構面的抗剪強度明顯降低，而且重復剪切過程中，抗剪強度呈現先減小、后增大、再減小趨穩(wěn)的變化規(guī)律。為更好分析重復剪切對抗剪強度的劣化影響，定義重復剪切過程中強度變化量為總變化量Гn=τ0-τn(其中τn為第n次充填結構面剪切強度值，τ0為未充填結構面穩(wěn)定抗剪強度)，用ΔГn表示單次剪切強度變化值，ΔГn=Гn-Гn-1，ΔГn為正值時表示抗剪強度減小，負值表示抗剪強度增大。具體如表2和圖10所示。

表2 單次剪切作用下抗剪強度變化值

圖10 單次剪切作用下抗剪強度變化柱狀圖

從表2和圖10可以看出：

(1)4種法向應力下，充填后結構面抗剪強度相較于充填前降低了38.51%～54.82%，比較而言，法向應力越大，降低趨勢也明顯，說明泥質充填對結構面的抗剪性能影響明顯。

(2)重復剪切作用下，充填結構面的抗剪強度并不是單調降低的變化規(guī)律，而是先上升后下降，最終趨穩(wěn)的變化過程，這與無充填結構面在重復剪切作用下劣化規(guī)律是不一致的。而且，不同法向應力下，充填結構面抗剪強度的變化規(guī)律也存在一定差別，例如，法向應力(1.0 MPa和1.5 MPa)較小時，第2次、第3次剪切時，結構面抗剪強度先上升，第4次、第5次剪切，結構面抗剪強度降低逐漸趨穩(wěn)；法向應力(2.0 MPa和2.5 MPa)較大時，僅在第2次剪切過程中出現強度上升，而后就逐漸降低趨穩(wěn)。

(3)分析上述變化規(guī)律的原因是：充填結構面第1次剪切時，泥質充填物抗剪性能較弱，在剪切錯動過程中，剪切面主要產生于充填層中，此時，結構面抗剪強度主要取決于充填物的抗剪強度，因此，抗剪強度相較于未充填結構面大幅度降低。在重復剪切過程中，由于法向荷載和剪切荷載共同作用，泥質充填物不斷被剪切擠出，部分結構面出露，并參與剪切過程。此時，抗剪強度受充填物和砂巖結構面共同影響，在第2～3次剪切過程中，抗剪強度出現了一定的增大趨勢，在法向應力較小時，剪切面的變化過程需經過多次重復剪切才能達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，而在法向較大時，剪切的形態(tài)很快達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。隨著剪切次數進一步增加，充填物被不斷擠壓變薄且表面變得更加光滑，凸起出露的巖石結構面在剪切過程中不斷被磨損，而且表面微小凹陷位置進一步被巖屑和土顆粒充填，反復的剪切錯動也使得其表面更加平整光滑，從而使得結構面的抗剪強度逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

2.3 重復剪切過程中充填結構面形態(tài)變化特征分析

為更好分析重復剪切過程中充填結構面形態(tài)變化與結構面抗剪強度之間的關系，采用圖像處理的方法對充填結構面損傷區(qū)域進行了分析。由于提取的結構面形態(tài)圖像中泥質充填物與出露結構面的灰度值相差較大，前景與背景區(qū)分顯著，根據以往的研究經驗(Zhou et al.，2021)，采用最大類間方差法(Otsu，1979)對圖像進行閾值分割。分割后的圖像如圖11～圖12所示，圖中黑色部分為泥質充填物，白色部分為出露的結構面。根據圖像包含的像素點數量及黑、白像素點占比，可以計算出每次剪切后結構面充填物與結構面出露面積。分別以1.5 MPa和2.5 MPa法向應力的結構面形態(tài)為例進行分析。

圖11 1.5 MPa法向應力下結構面形態(tài)照片

圖12 2.5 MPa法向應力下結構面形態(tài)照片

由圖11～圖12可以看出，隨著重復剪切次數增加，局部位置的充填物逐漸缺失，結構面出露面積不斷增大，對圖11～圖12中黑白區(qū)域面積的占比情況進行統(tǒng)計，具體如圖13所示。

圖13 充填物與結構面出露面積占比變化圖

從圖13可以看出，在法向應力1.5 MPa下，1次剪切后結構面出露面積占比為5.98%，3次剪切后結構面出露面積占比迅速增大到12.61%，此時已形成相對穩(wěn)定剪切面，4～5次剪切試驗后，結構面出露面積占比分別為14.02%、14.92%，相對變化很小。法向應力2.5 MPa下，1次剪切后就有較大范圍結構面出露，達到9.68%，2次剪切后，結構面出露面積占比達到15.49%，而后變化趨勢明顯趨緩，3～5次剪切試驗后，結構面出露面積占比從17.33%逐漸增大到18.75%。重復剪切過程中，結構面出露面積和充填物面積占比的變化規(guī)律，也可以很好地印證前述重復剪切作用下充填結構面剪切力學特性變化規(guī)律。

3 結論與討論

(1)為了比較準確地量化充填物對結構面抗剪性能的影響，在以往“多試件法”試驗的基礎上，根據重復剪切試驗過程中結構面抗剪性能劣化趨穩(wěn)的變化規(guī)律，提出了一種單試件充填前、后重復剪切的試驗思路和方法，并闡明了量化分析充填物對結構面影響程度的試驗流程和數據處理方法，可以比較準確地確定充填物對結構面抗剪性能的影響。

(2)以三峽庫區(qū)典型庫岸邊坡節(jié)理巖體為研究對象，按照充填度100%考慮，開展了充填前后結構面的剪切試驗，試驗結果顯示，充填后結構面的抗剪性能降低趨勢明顯，不同法向應力下抗剪強度的降幅為38.51%～54.82%，而且，法向應力越大，降低幅度越大。

(3)泥質充填結構面在重復剪切過程中，抗剪強度呈先增大、再減小趨穩(wěn)的非線性變化規(guī)律，主要是由于重復剪切過程中充填物被反復擠壓、錯動，不僅使得充填物變薄且表面變得更加光滑；而且使得結構面凸起位置逐漸被磨損，結構面出露面積逐漸增大，表面微小凹陷位置被巖屑和土顆粒充填，摩擦系數進一步減小。

(4)論文采用劈裂法制備了人工節(jié)理，考慮了一種充填物、充填厚度情況，對重復剪切作用下充填結構面的剪切力學特性進行分析，旨在分析說明前述試驗方法流程及合理性?？紤]不同粗糙度結構面、充填物類型及厚度，以及天然充填結構面的剪切性能等有待在后續(xù)研究中進一步豐富完善。