共面断续岩桥直剪试验破坏过程研究

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(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护重点实验室， 成都 610059; 2.中钢集团马鞍山矿山研究院 金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243004)

1 研究背景

岩质边坡的工程对象多为节理和岩桥2部分，岩质边坡稳定性受节理裂隙等非连续面控制。与贯通性节理相比，断续岩桥影响了边坡岩体内力分布，故断续节理岩体破坏模式与贯通性节理有一定差别。而节理岩体破坏模式与节理空间分布、岩桥长度和岩体受力方向密切相关。因此，研究断续岩桥的受力特征和破坏模式对于岩质边坡的稳定性评价具有重要意义。

在岩桥变形破坏特征研究方面：刘远明等[1]提出了岩桥破坏的初裂前阶段、稳定扩展阶段、不稳定扩展阶段和摩擦阶段，并且认为节理表面会对强度特性产生影响；唐志成等[2]将剪切变形分为4个阶段,并建立了符合相应曲线的剪切变形本构关系；胡波等[3-4]对共面闭合断续节理岩体进行直剪试验研究，对破坏阶段进行了划分，并以摩尔-库伦准则为基础，分析了抗剪强度变化规律；白世伟等[5]对共面节理在直剪试验下强度特性进行了研究，获得随岩桥连通率变化以及节理排列方式的不同，岩体抗剪强度、峰值强度、剪切模量和剪切刚度等的变化规律。

在破坏模式研究方面：Lajtai[6]将节理岩体的破坏模式分为3种，分别为剪切破坏、张拉破坏以及挤压破坏；焦雪峰等[7]对单结构面和2组结构面岩体的破坏机制进行了研究，指出工程中岩体的破坏是由于结构面扩展、贯通和延伸引起；张国峰等[8]对单段岩桥节理岩体进行了直剪试验研究，发现在岩桥由宽到窄的过程中，试验由大范围的拉剪破坏变为剪切破坏，剪切破坏呈一定角度；陈国庆[9]对多段断续节理进行分析，得出随着法向压力的增加，岩体破坏时位移量增大，抵抗变形的能力增强，峰值剪应力提高。

但上述研究仍没有对不同连通率下共面断续岩桥开展破坏过程进行分析研究，本文采用边长为100 mm的正方体试样，在试样上预留不同连通率共面断续岩桥，分析不同连通率下岩桥变形特征、抗剪强度参数和破坏模式的变化规律，为节理型岩质边坡的破坏失稳评价提供理论依据。

2 试验方案

2.1 试验设备和制样

直剪试验仪能满足节理岩体在不同法向应力下最小主应力为拉力的条件，同时通过控制剪应力的变化，能较好地反映节理岩体破坏过程中的变形以及应力特征。为此，本文采用直剪试验的方式对不同连通率下共面断续岩桥的力学性质进行研究。试验采用YDS-3型岩石力学多功能试验机进行试验，该仪器为数字控制式伺服试验机，由计算机、伺服控制系统和加载系统组成，如图1所示。

图1 YDS-3型岩石力学多功能试验机Fig.1 Multi-functional apparatus type YDS-3 for rock mechanics test

试样采用石英砂、水泥以及石膏3种材料混合一定量的水制成，质量比为石英砂∶水泥∶石膏∶水=6∶3∶2∶2。材料采用人工拌和，当材料和易性达标后，将混合料倒入特制的试样盒中。试样盒内径为10 cm×10 cm×10 cm，第1次试样盒倒入1/3左右并捣实，在预留节理位置插入一定尺寸的铁片，再分2次加满试样盒，每次均需捣实。混合料装满试样盒后振动试样盒整体以振密混合料，辅以上部锤击，保证试样的均一性以及密实度，最后对表面进行抛光处理。浇筑完成后，在一定时间后拔出铁片，在室温及统一湿度下进行干养护，养护周期为28 d。岩桥规格形式如表1所示。

表1 试样规格形式Table 1 Specification of samples

2.2 试验方案

本次试验为获得共面断续岩桥在不同连通率下的破坏模式，对每组5个试样分别施加0.8，1.0，1.2，1.4，1.6 MPa的正应力，每种工况做3组试验。采用伺服液压控制力的加载，先加载法向压应力至稳定值，然后加载切向剪应力，并通过计算机记录正应力、剪应力、剪切位移和法向位移随时间的变化。当试样完全破坏至残余应力不再发生变化后停止加载。

3 试验结果

3.1 应力-位移曲线分析

为研究共面断续岩桥对岩体变形和破坏的影响，总结变形及破坏特征，故测定在不同法向应力状态下，剪切变形随剪应力增加的变化情况。不同连通率试样的剪应力-剪切位移如图2。

图2 1.4 MPa正应力下剪应力与剪切位移关系曲线Fig.2 Curves of shear stress vs. shear displacement under normal stress 1.4 MPa

从图2看出试样破坏过程中剪应力与剪切位移变化呈现规律性，总体可以分为3个阶段:裂纹稳定阶段、裂纹破坏阶段和残余变形阶段。

第1阶段曲线近似为线性变化，剪切位移随剪应力增大而增大且趋势稳定。在这一阶段，岩桥开始发挥作用，约束岩体的变形，随着剪应力增大，岩桥上出现少量微细裂纹或不发育裂纹，在裂纹发育过程中逐渐接近破坏极限。

第2阶段从试样达到破坏荷载前2 s左右开始，剪切位移随剪应力增大继续增大，增长速率基本不变，但试样裂纹迅速开展，到达强度极限后形成贯通面，剪切应力值迅速跌落，剪切位移则继续变大。在这个过程中岩桥的约束作用逐渐失效，最终岩桥失去约束作用。

第3阶段曲线由近水平的平滑曲线趋向水平平滑直线，前一段剪应力保持基本不变，剪切位移继续扩大。此时剪应力由试样局部摩擦以及咬合提供，随后逐渐达到残余强度，曲线变为水平平滑直线。

试样线性变化阶段斜率稳定，峰后曲线跌落明显。表明在这一阶段试样以脆性变化为主，剪切位移-剪应力曲线的线性阶段斜率代表试样的切向刚度，即产生单位位移所需力的大小，可以反映不同连通率下岩桥对岩石变形的约束能力强弱。在每一连通率下取中间3个斜率值求平均值，最终斜率统计如表2，表明切向刚度随连通率的增大在逐渐减小，岩桥变短后对剪切变形的约束能力下降，符合非贯通节理岩体的力学特征。

3.2 不同连通率下破坏模式分析

通过观察试验现象并分析总结，获得不同连通率下的破坏模式。

连通率为60%时，沿岩桥所在平面剪切破坏，中间节理及两端节理向岩桥内部发育或在岩桥中发育一组微小羽状裂纹，最终沿裂纹贯通破坏，所形成的破坏面平直。如图3所示，直接由岩桥中部以及节理端部A，B，C，D发育平行的羽状裂纹，随着裂纹的发育贯通导致破坏,上部为现场照片，下部为破坏模式简图，下图类同。

表2 不同连通率下切向刚度Table 2 Tangential rigidity of samples at differentconnectivity rate

图5 连通率为30%的破坏模式Fig.5 Failure modes of samples at connectivity rate of 30%

图3 连通率为60%的破坏模式Fig.3 Failure modes of samples at connectivity rate of 60%

连通率为45%时，先于中部节理向两侧发育拉剪裂纹，裂纹倾角多在30°左右。加载初期由于法向压力较大出现垂直张拉裂纹，此裂纹后期不再发育，重新在岩桥内部发育微小的平缓裂纹，并形成贯通水平面的裂纹。如图4，在初期出现张拉裂纹EF后随着剪应力的增大，沿中间节理向两侧发育拉剪裂纹，随后在岩桥中部出现与其端部相连的裂纹，最终由左右节理向中间节理延伸，形成A—G—B—C—H—D的贯通裂纹。

图4 连通率为45%的破坏模式Fig.4 Failure modes of samples at connectivity rate of 45%

连通率为30%时，拉剪裂纹大规模出现，由中间节理向两侧延伸。当其发育到一定程度后，向水平方向发展或被岩桥中的新生平缓裂纹所切割，形成较为平缓的贯通面，但贯通面相比较大连通率时更为粗糙。如图5(a)和图5(b)，首先沿中间节理向左侧发育裂纹BE，左侧节理发育裂纹AF，沿AB发育一条新的裂纹，同时右侧岩桥剪坏。此连通率下裂纹常出现2种发展模式:一种是图5(c)的BH，CG逐渐变缓，向水平方向发育并最终与由左右节理发育出的裂纹贯通;另一种如图5(d)，在岩桥中发育新生平缓裂纹，切过原先发育的较倾斜裂纹或直接与中间节理相交形成如A—I—B—C—J—D的贯通面。

连通率为24%时，出现陡直的拉剪裂纹，与水平面夹角约为70°左右，但这种拉剪裂纹后期不再发育，或向水平面方向发展。在岩桥中岩样形成新的羽状较平缓的短小裂纹，这些裂纹相互贯通破坏形成破坏面。如图6所示，先沿中间节理发育陡直的裂纹BE与CF，然后在岩桥中也开始出现与其近于平行的裂纹，最终裂纹发育方向变缓并相互切割形成A—G—H—I—B—C—F—J—K—D的贯通面。

图6 连通率为24%的破坏模式Fig.6 Failure modes of samples at connectivity rate of 24%

连通率为15%时，不仅中间节理出现拉剪裂纹，初始时在两端节理也开始出现裂纹，右侧裂纹较为平缓，而左侧裂纹多为陡直的拉剪裂纹，岩桥中也出现较长的拉剪裂纹，最终相互贯通形成破坏面。如图7在中间节理发育裂纹BE和CF，在岩桥中发育与其近于平行的裂纹，于左端节理沿A点发育拉剪裂纹，此时初始裂纹不再局限于中间裂纹与岩桥之间。随着剪应力增大，沿水平方向岩桥中裂纹发生闭合，在一端重新沿水平向发育形成裂纹，岩桥内重新发育一组裂纹并与较早的裂纹相交于端部，或者新生裂纹切割过较早发育的裂纹，最终形成贯通面A—G—H—I—B—C—P—J—D。

图7 连通率为15%的破坏模式Fig.7 Failure modes of samples at connectivity rate of 15%

3.3 抗剪强度及法向变形分析

根据摩尔-库伦准则：τ=σtanφ+c，得到不同连通率下试样的黏聚力c以及内摩擦角φ。试验所得的c和φ值如表3所示，变化趋势如图8所示。随着连通率增大，试验的黏聚力明显下降，而摩擦角小幅变化，稳定在50°～60°左右，但变化过程有一定的波动。试样破坏时的正应力与剪应力关系如图9所示，可以得出以下结论：①随着法向应力的增大，同一连通率下，试样的抗剪强度呈现增大趋势；②随着连通率的不断减小，在同一法向压力下，岩石的抗剪强度呈现增大趋势。

表3 试样部分力学性质指标Table 3 Mechanical properties of samples

图8 不同连通率下黏聚力与内摩擦角变化Fig.8 Variations of cohesion and internal friction angle of samples at different connectivity rates

图9 法向正应力-切向剪应力Fig.9 Curves of normal stress vs. tangential shear stress

试样的法向变形可以通过平均法向位移来判断，规定平均法向位移为正时试样压缩，如表4所示。初期随着法向应力的增大，岩石的法向压缩位移逐渐增大，岩石在竖直方向上呈现收缩的趋势;随着剪应力的增大，裂纹开始扩展，法向位移减小，岩石呈现膨胀的趋势，出现剪胀现象。将表4对应的试验样品在剪应力增加阶段所对应的平均法向位移变化绘制成图10。可以发现在剪应力最初加载的阶段，随着剪应力增大，剪胀现象最为明显,同时法向位移在剪切应力<1 MPa时出现反复的波动。

表4 1.0MPa法向正应力下连通率为24%试样的平均法向位移及应力Table 4 Average normal displacement and stressunder theconnectivity rate of 24% and 1.0 MPa of normal stress.

图10 剪应力-平均法向位移关系曲线Fig.10 Shear stress vs. average normal displacement

图11 试样加载示意图Fig.11 Block loading diagram

4 岩桥破坏机制分析

参考刘远明等[1]的受力分析方法，直剪试验试块受力状况如图11所示，忽略弯矩影响，破坏分析仅受到均匀分布的法向荷载以及水平荷载，岩桥分为2段，设试块长宽均为L，法向压力大小为Fn，水平荷载定义为Fs，则剪切应力与法向应力的大小分别为：

σs=Fs/L2；

(1)

σn=Fn/L2。

(2)

图12 试样下部受力示意图Fig.12 Diagram of loading on the lower part of sample

假定在试验过程中裂纹不闭合，岩桥抵抗切向应力，所有的切向应力均由岩桥承受，并忽略切向应力引起的附加应力的影响。

对试样下半部进行分析，如图12，法向应力均匀分布，同时受到均布的剪切应力，位于岩桥上的切向应力τ水平上相等。

如图11取C点右下侧的微元H进行受力分析，由于法向应力均匀分布，微元体受到法向正应力σy=σn,由于H点处水平力在x轴方向上为均匀分布，受力如图13(a)，其微元体水平正应力σx为

(3)

而由于静力平衡，微元体受到的剪切应力为

(4)

由于微元体满足：

(5)

(6)

将式(5)、式(6)代入σx，σy，τxy的表达式，得：

当x=0时，σx=σs，当x=L时，σx=0;

当y=0时，τxy=0.5σs，当y=0.5L时，τxy=0。

则微元满足边界以及平衡方程。

所以可得H点的主应力方向应为图13(b)所示，破裂面应力状态应为图13(c)所示。其中σ1和σ3为微元体的主应力，而σβ和τβ分别为H点沿破裂面的正应力和剪应力。

图13 微元H应力状态Fig.13 Stress state of microelement H

结合试验可得：与微元体主应力方向一致或者成微小夹角的微裂纹最先扩展，且发育情况随主应力方向的变化而不断变化。断续节理岩桥的3种破坏机制分析如下。

张拉破坏：在试样受剪应力初期，由于法向压应力过大，剪应力较小，且试样侧面为临空面，这一部分处于无侧限状态。此时由于法向压应力使得试样内部产生张力，使试样沿竖直方向开裂，但开裂仅限于临空部分且后期不再发育。在试样开始错动时，由于左侧岩桥的下部受到较大的拉应力，使得左侧节理沿端部向下出现拉裂纹。

拉剪破坏：当水平剪应力增加到一定值时，最大主应力为水平剪应力，此时在岩桥上下取E，F，G，H共4个点，分析其主应力面的状态。可以看出，此时E点所代表的左段岩桥上部成为软弱部位，拉剪应力集中，H点代表的右段岩桥下部也存在拉剪应力集中。对试样右下部进行分析，试样的岩桥部位承受水平剪切力，存在剪应力集中，剪应力为线性分布，在右段岩桥的右端部剪应力更大。所以当剪应力达到抗剪强度后，中间节理沿左上右下的方向开始扩展。同理右边节理沿左上扩展，左边节理沿右下扩展。

剪切破坏：剪应力大小未能使试样发生拉剪破坏，但水平剪应力已经使岩桥达到破坏极限，在岩桥上发育的裂纹沿水平方向发育并最终贯通，使试样沿岩桥直接剪断，破坏面为粗糙摩擦面，有较小起伏，此时为剪切破坏。

当岩桥较短时，试样的破坏一般为先发生剪切破坏，沿中间节理向两侧水平方向发展，当延伸到一定程度后由于岩桥先达到破坏条件，试样沿岩桥方向被剪坏。随着岩桥的变长，试样的拉剪破坏现象逐渐明显。在这一过程中，当拉剪破坏以及剪切破坏都存在时，岩样会出现复合破坏形式。

5 结 论

(1)共面断续节理岩体的变形破坏受岩桥影响，初期以弹性变形为主，切向刚度基本稳定。破坏形式主要呈现脆性特征，变形破坏共分为3个阶段：裂纹稳定阶段、裂纹破坏阶段和残余变形阶段。

(2)当试样的连通率相同时，试验所得的剪切应力随法向应力的增大而增大，总体呈现线性变化，裂纹扩展规律都符合摩尔-库伦强度理论。随着连通率的上升，试样对剪切变形的抵抗能力逐渐减弱，切向刚度降低，黏聚力明显下降，但内摩擦角有小幅下降。

(3)在多段共面节理岩体的破坏过程中，总体呈现张拉破坏、拉剪破坏以及剪切破坏3种破坏模式。随着岩桥长度的减小，拉剪破坏现象逐渐减弱，剪切破坏概率增大，剪切破坏成为主要破坏模式，试样出现剪胀现象。