DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.03.022
不同压剪应力比作用下节理类岩石材料破坏模式的试验研究
范文臣，曹平，张科
(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)
摘要：通过对含充填节理类岩石材料试件进行变角度压剪试验，探究不同压剪应力比作用下节理倾角对岩体破坏模式的影响。定义削弱度，分析节理倾角对岩体抗剪强度的影响。研究结果表明：不同压剪应力比影响试件的初始破坏模式，最终破坏由过大剪切位移所致，并且节理倾角决定试件破坏后的形态；压剪应力比越大，同角度节理试件的抗剪强度越大；在相同压剪应力比下，与无节理试件抗剪强度相比，节理会削弱试件的抗剪强度，倾角不同，削弱度不同。
关键词：类岩石材料；压剪实验；压剪应力比；节理倾角；抗剪强度；削弱度
中图分类号：TU45 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)03-0926-07
Experiment study on failure style of jointed rock-like material under different compressive-shear stress ratios
FAN Wenchen, CAO Ping, ZHANG Ke
(School of Resource and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: In order to study the influence of joint angle on the failure style of joint rock under different compressive-shear stress ratios, a series of compressive-shear experiments were carried out. The weakening degree was defined to analyze the influence of joint angle on the shear strength. The results show that the compressive-shear stress ratios influence the initial failure style and shear displacement and cause the final failure. The joint angle is a key factor of the final failure form. For the same samples, the shear strength grows bigger as the compressive- shear stress ratio grows. Compared to the sample without joint, the joint weakens the shear strength of the sample which contains a joint, and the weakening degree changes with the angle of joint.
Key words: rock-like material; compressive-shear experiment; compressive-shear stress ratio; joint angle; shear strength; weakening degree
岩体由结构面和结构体组成，结构面导致岩体不连续，从而降低了岩体的强度，加速了岩体的风化，甚至造成岩体工程失稳。大量工程岩体的破坏主要以结构面的破坏为起源因素，当多个不连续的结构面在外荷载作用下贯通以后往往会导致工程岩体整体滑动[1]。由于现场采集节理岩体试件非常困难，现有关于节理岩体的研究多采用水泥砂浆等类岩石材料制作人工节理的方式进行。预制节理有张开节理和闭合节理2种。张开节理多采用预埋薄金属片，等试件养护完成后拔出，在试件中形成张开节理[2-3]。闭合节理通常采用试件中预埋云母片和聚四氟乙烯等软弱物质[4-5]，并将其留在试件中不拔出，由于云母片等物质的强度远远低于材料的强度，因此，在试件中形成弱面。国内外许多学者围绕节理岩体的破坏机理进行了大量研究。Lajtai[6-7]对剪切面含2条节理的石膏式样进行了直剪实验，提出节理岩体中岩桥的3种破坏形式：剪切破坏、张拉破坏和挤压破坏。Gehle等[8]通过改装常规直剪仪对节理试件的破坏过程进行观察，将试件从开始加载到发生最大位移分为3个阶段：节理面扩展，岩桥滑动和节理面的滑动。唐志成等[9]对节理试件进行不同法向应力作用下的直剪实验，提出法向荷载能增加节理岩体的抗剪强度，并推导了剪切变形本构关系。在Braton等[10]提出了岩石表面粗糙度并用于描述节理表面以后，朱小明等[11-13]通过制作含不同表面粗糙度的节理试件研究节理岩石的破坏机理。此外，朱道建等[14-16]通过单轴加载或双向加载的方式研究节理岩体的破坏机理。工程中节理岩体的破坏通常是在压剪复合作用下产生贯通节理导致岩体整体失稳，在失稳破坏过程中，节理面所受的法向荷载和切向荷载通常是变化的，而且与节理方位有很大关系。采用单轴或双轴压缩的实验方式，有利于研究此种荷载作用下裂纹的破坏路径及破坏模式，而不能正确解释节理岩体在压剪作用下的破坏。而直剪实验采用常法向荷载下施加切向荷载的加载方式使试件发生剪切破坏，忽略了岩石破坏过程中法向荷载的变化对节理扩展及节理岩体破坏的影响，也忽略了节理方位对岩石承载能力及岩石最终破坏模式的影响。为此，本文作者通过制作含不同角度节理的类岩石试件，采用对试件进行不同倾角下的压剪试验，研究压应力和剪应力以不同比例同时变化时节理倾角对类岩石材料破坏模式和强度的影响。
1 试验概况
岩石是脆性材料，在受荷破坏时，往往伴随复杂的断裂现象出现。天然岩体中由于结构面的存在，岩体强度大大降低，岩体结构复杂，结构面的形貌变化多样，要采集天然的节理岩体试件非常困难，且容易受到人工扰动破坏结构面的影响。而由人力将岩石加工成节理试件不仅做工复杂，而且加工出来的试样很难满足实验的精度要求，因此，研究节理岩体的力学特性时多采用具有一定脆性的类岩石材料(如水泥砂浆，石膏等)。本文采用一定配比的水泥砂浆来模拟岩石材料。
1.1 试件制作
采用经孔径为1.25 mm的土壤筛筛分出的清洁干燥细砂作为水泥砂浆的骨料和标号为325的白色硅酸盐水泥为胶结材料，按体积比V细沙:V白水泥:V水=1.0:1.0: 0.5配置实验用水泥砂浆。试件在事先做好的钢模具内成型，成型后试件的高×宽×厚为100 mm×100 mm×35 mm。混凝土配置和浇筑工作在室温下进行，试件浇筑完24 h后拆模并将试件放入混凝土养护箱按混凝土标准养护方式养护28 d后进行实验。
为了测试水泥砂浆的的力学参数，在预制好的钢模中浇筑了长×宽×高为70 mm×70 mm×70 mm的立方块，立方块的养护方式与试件的养护方式相同。通过对立方体进行变角度压剪得到水泥砂浆材料的内摩擦角和黏聚力；在试件上黏贴应变片，对试件单轴压缩得到材料的弹性模量、泊松比和单轴抗压强度；在预制中空圆柱形钢模中浇筑直径为50 mm、高为50 mm的圆柱形试件，对试件进行巴西劈裂实验，得到材料抗拉强度。材料力学参数如表1所示。
表1 岩石材料的力学参数
Table 1 Mechanics parameters of rock-like material
试件中节理通过在水泥砂浆初凝前预埋云母片的方式制作，云母片留在试件中充当节理充填，云母片厚度为0.4 mm，实验认为云母片的厚度即为试件中节理的宽度。节理的中心点位于试件的几何中心，倾角
设置为0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°和无节理共8组。在试件两侧预制导槽节理(以下称导槽)，两导槽共面，而与中间节理不共面，导槽节理的设置旨在研究不共面节理之间的相互作用。导槽节理位于试件两侧中点处，倾角为0°，也采用预埋云母片的方式制作。试件的外形和尺寸如图1所示。
1.2 实验方式
实验所用加载仪器为长春朝阳公司生产的RYL-600微机控制岩石剪切流变仪，该仪器配备的控制软件Test能控制实验加载方式并记录实验数据。将岩石力学常规实验中所用变角度压剪盒固定于仪器压头上，对含各角度节理的试件进行压剪角分别为30°，45°和60°的压剪实验，如图2所示，其中φ即为压剪角。使用高清摄像仪对实验过程进行全程录像。实验采用速度为0.6 mm/min的位移加载方式进行加载，由Test控制并输出实验数据。
图1 节理试件尺寸图(单位：mm)
Fig. 1 Dimensions of specimen
图2 实验装置图
Fig. 2 Loading equipment of experiment
2 破坏模式分析
图3所示为试件受荷示意图。试件上端面和左端面以速度为0.6 mm/min的位移，下端面和右端面固定位移。试件在受压剪作用时，同时受法向正应力和剪应力的作用，当压剪角不同时，正应力和剪应力两者的比例不同。实验中，当压剪角为30°时，试件所受压应力和剪应力的比为
:1；当压剪角为45°时，压应力和剪应力的比为1:1；当压剪角为60°时，压应力和剪应力的比为1:。在不同压剪应力比作用下，节理试件以不同的模式破坏。
图3 试件受荷示意图
Fig. 3 Loading on sample
2.1 压剪角为30°时的破坏模式
当压剪角为30°时，试件中压剪应力比为:1，压应力的作用大于剪应力的作用，此时试件破坏形式复杂。试件的破坏是剪应力作用下切向位移过大所致，但在试件的破坏过程中局部可以观察到压作用导致的试件破坏现象明显。
30°压剪下试件破坏模式如图4所示。从图4可见：当节理倾角＜45°时，试件加载前期没有出现明显翼型裂纹，加载到一定程度时导槽尖端和节理尖端开始萌次生裂纹；次生裂纹贯通后形成粗糙节理面，在较大压应力作用下，上、下节理面间存在较大摩擦力作用，因此，没有导致试件整体破坏；随着荷载的进一步增大，试件所受法向荷载对试件的法向压缩效果越来越显著。如图4(a)所示。由于压应力对贯通节理的压密，在节理两侧出现局部压裂甚至脱落，最后试件在剪应力作用下节理面上部分试件和下部分试件发生较大错位失稳破坏。
当节理倾角≥45°时，加载到一定值后会在节理尖端产生翼型裂纹。图4(b)所示是节理倾角为60°时试件的破坏过程图。实验证明，初期翼裂纹没有导致试件整体破坏，翼裂纹后经过一段时间停止扩展。此时，导槽尖端开始产生次生裂纹，翼裂纹呈缓慢闭合趋势。随着荷载增大，试件所受压应力增大，次生裂纹扩展路径复杂，最后与翼型裂纹搭接连同主节理形成贯通节理面，导致试件破坏。
2.2 压剪角为45°时的破坏模式
当试件所受压剪应力比为1:1即压剪角为45°时，压应力对试件的作用与剪应力对试件的作用相同。当试件受载到一定程度时，由节理两端开始产生拉伸翼裂纹，翼裂纹随着荷载的增大不断扩展。但翼裂纹的扩展没有导致试件的整体失稳破坏，扩展一段时间后停止扩展而呈现出缓慢闭合的趋势。此时，在节理尖端和导槽尖端产生剪切次生裂纹，次生裂纹扩展贯通以后导致试件整体破坏。压剪角为45°时不同倾角节理试件破坏过程如图5所示。
图4 30°压剪下试件破坏模式
Fig. 4 Failure styles under compressive-shear angle of 30°
随着节理角度从0°增大到90°，节理尖端上、下翼裂纹的产生位置表现出渐进变化的趋势。当节理角度为0°时，上部翼裂纹产生于节理左端，下部翼裂纹产生于节理右端；随着倾角增大，上部翼裂纹产生位置往右移动，下部翼裂纹往左移；当节理倾角为45°时，两翼裂纹都产生于节理中央；当倾角为90°时，上部翼裂纹产生于节理最右端，下部翼裂纹产生于节理最左端；当节理倾角为90°时，翼裂纹扩展短暂。这是因为此时剪荷载与试件中节理面垂直，切向荷载对节理的作用主要为压密节理，而节理宽度仅为0.4 mm，压密程度有限。
当节理倾角为0°，15°和30°时，试件的最终破坏形式表现为节理尖端次生裂纹与导槽尖端次生裂纹贯通，贯通后会形成倾角较小的起伏状断面，继续加载时会出现扩容现象，导致试件整体破坏。当节理倾角≥45°时，试件中次生裂纹贯通以后，在试件中部形成齿状断裂面。而齿形断面仍具有一定的承载能力，能抵抗一定的剪切荷载，直到剪应力继续增大、剪断齿状凸起，最终导致试件整体破坏。
图5 45°压剪下试件破坏模式
Fig. 5 Failure styles under compressive-shear angle of 45°
2.3 压剪角为60°时的破坏模式
图6所示为60°压剪时部分倾角节理试件的破坏模式图。当压剪角为60°时，试件所受压剪应力比为1:，此时，剪应力主导试件被破坏。按加载过程中节理扩展路径的不同将试件的破坏模式分为3种：脆性破坏、剪胀破坏和直剪破坏，分别如图6(a)，6(b)和6(c)所示。
节理倾角为0°和15°的试件破坏过程见图6(a)。从图6(a)可见：对试件加载时，节理尖端没有明显的翼裂纹产生；随着荷载增大，试件仅出现体积压缩，直至突然发生脆性崩裂破坏，破坏过程极短，破坏面沿着主节理与导槽的直线连线。产生此现象的原因是60°压剪时，试件所受剪切荷载的增大值为法向荷载的倍，而试件的抗剪强度由节理面摩擦力以及导槽与节理间岩桥的抗剪强度组成；此时，节理倾角较小，不能形成齿形断裂面，节理面摩擦增加缓慢。当剪切荷载增大到超过试件的抗剪强度时，试件发生脆性破坏。
当节理倾角为30°和45°时，试件破坏模式相同。节理倾角为30°时试件的破坏过程见图6(b)。从图6(b)可见：对试件加载到一定值后，在节理尖端产生拉型翼裂纹，上部翼裂纹产生于节理左端，下部翼裂纹产生于节理右端；翼裂纹经短暂扩展后停止，随着荷载继续增大，翼裂纹缓慢闭合，节理尖端和导槽尖端开始产生次生剪切裂纹；次生裂纹贯通后，在节理中部形成齿状贯通节理面，齿状节理面尚有一定的抗剪切承载力。当节理面上、下部分发生较大切向相对位移时，会出现剪胀现象。
当节理倾角为60°，75°和90°时，试件破坏模式相同。节理倾角为90°时的破坏过程如图6(c)所示。从图6(c)可见：加载后，首先在节理尖端产生翼裂纹；产生位置与节理倾角为30°时恰好相反，上部翼裂纹产生于节理右端，下部翼裂纹产生于节理左端。然后在节理和导槽尖端开始产生剪切次生裂纹，次生裂纹经过一段时间扩展后搭接，与节理面和导槽共同组成贯通裂纹。节理面贯通后并没有继续扩展，在剪应力作用下，试件中央形成1条几乎平行于试件边线的剪切裂纹。剪切裂纹将预制节理剪断，形成另一贯通裂纹，导致试件整体破坏。
由压剪角为60°时各试件的破坏模式可得：试件中翼裂纹的产生需要法向荷载的作用。法向荷载的作用使得试件在未发生脆性破坏前，节理两侧发生切向相对位移而在节理尖端产生拉伸翼裂纹。在切向荷载较大、节理倾角大于60°时，节理的方位只对试件的初裂形式有影响，对试件的最终破坏模式没有影响。
图6 60°压剪时试件的破坏过程图
Fig. 6 Failure styles under compressive-shear angle of 60°
3 节理对试件强度影响的分析
由Test记录并输出实验过程中的荷载位移曲线，通过对部分数据进行整理分类，得到剪切应力-剪切变形曲线如图7所示，不同倾角节理在不同压剪角下的峰值剪应力如图8所示。
3.1 试件变形曲线分析
将类岩石材料节理试件在压剪作用下的剪切应 力-剪切变形曲线按破坏过程的速度分为2种形式：非脆性破坏和脆性破坏。图7(a)所示为试件发生非脆性破坏的剪切应力-剪切变形曲线，图7(b)所示为试件发生脆性破坏的剪切应力-剪切变形曲线。
当试件发生非脆性破坏时，根据剪切应力-剪切变形曲线(如图7(a))，将试件的破坏过程分为5个阶段：OA为非线性变形压密阶段；AB为弹性变形阶段；BC为非线性变形阶段；CD为试件破坏变形阶段；D点以后为残余阶段。试件中的翼裂纹产生于OC段中的E处，翼裂纹产生时，试件所受切向荷载降低，并表现出一定的脆性；翼裂纹产生后试件所受切向荷载增大速率与产生前的增大速率相同。值得注意的是，在30°压剪时，节理倾角为0°，15°和30°的试件无明显翼裂纹产生，此时，试件的切向位移-切向应力曲线中无E部分折线，曲线呈现为连续的增长过程。C点时达到试件抗剪峰值强度τC，产生剪切次生裂纹，并开始扩展；此后，随着切向位移增大，试件一步步发生剪切破坏；D点以后剪应力不再降低，试件发生稳定位移，进入残余变形阶段。
当试件所受压剪应力比为1:即压剪角为60°时，节理倾角为0°和15°的试件发生脆性破坏，其剪切应力-剪切变形曲线如图7(b)所示，此时，试件在破坏前即OC段并不产生翼裂纹；当荷载增加至τC时，达到试件抗剪峰值强度，发生脆性崩裂破坏，破坏过程极短暂；此后，节理上、下部分试件完全脱离，试件强度降为0。除节理倾角为0°和15°试件在60°压剪角下的破坏曲线为脆性破坏外，其余均为非脆性破坏。
3.2 节理倾角对试件抗剪强度的影响
实验记录了各倾角试件在压剪作用下的峰值荷载，对其进行分类整理，得到各压剪角下不同节理倾角试件的峰值剪应力图，如图8所示。另外，对无节理试件进行压剪试验，测得30°压剪时峰值抗剪强度为9.01 MPa，45°压剪时为6.33 MPa，60°压剪时为 4.86 MPa。
图7 压剪作用下剪切应力-剪切位移曲线
Fig. 7 Axial shear stress-shear displacement curves under compressive-shear
由图8可知：除节理倾角为60°的试件外，压剪应力比越大，试件的峰值抗剪强度越大；当压剪应力比为1:即压剪角为60°时，相同倾角节理试件峰值抗剪强度最小；当压剪应力比为:1时，峰值抗剪强度最大。对节理倾角为60°的试件，当压剪应力比为1:1时，峰值抗剪强度最大；当压剪应力比为1:时，峰值抗剪强度最小。
对比无节理试件的峰值强度可知：在3种压剪条件下，节理的存在对试件的抗剪强度都有一定程度削弱。定义压剪条件下不同倾角的节理对试件抗剪承载力的削弱值与无节理试件抗剪承载力的比值为削弱度。在各角度压剪条件下，不同倾角节理对试件峰值剪应力削弱度曲线如图9所示。设无节理试件的峰值强度为
，含节理试件的峰值强度为
，削弱度为φ，则φ的计算公式为
图8 不同节理倾角试件在各压剪角下的峰值强度曲线
Fig. 8 Peak strength of joint samples under different compressive-shear angles
图9 节理倾角对试件抗剪强度削弱度
Fig. 9 Influence of weakening degree of joint angle on shear strength
当压剪应力比为:1即30°压剪时，节理倾角为60°的试件抗剪切强度最低，为5.40 MPa，其削弱度最大为40.16%；随着节理倾角的增大；节理试件的抗剪强度增大，当节理倾角为90°时达到最大抗剪强度7.61 MPa，相应削弱度为各倾角节理削弱度的最小值15.37%。在45°压剪时，倾角为15°节理试件的抗剪强度最小，节理对试件强度的削弱度最大为46.88%，而后随着节理倾角的增大，抗剪强度增大；当节理倾角为60°时，试件抗剪强度最大，其削弱度最小为7.04%。此后，随着节理倾角的增大，试件抗剪强度降低，当倾角为90°时，节理对试件抗剪强度的削弱度为19.52%；当压剪角为60°时，最小抗剪强度发生在节理倾角为30°试件，其削弱度为63.31%；当节理倾角为60°时，试件抗剪强度最大，对应削弱度最小，为9.26%。
4 结论
1) 在不同压剪角下，试件所受压剪应力比不同，破坏模式也不同，但最终破坏都是由过大剪切位移所致。在30°压剪时，试件所受压应力大于剪应力，最终破坏时局部出现压破坏；在45°压剪时，试件破坏破坏较规则，且都出现翼型裂纹，翼型裂纹产生位置随节理倾角的变化而变化；在60°压剪时，节理倾角为0°和15°的试件发生脆性破坏，节理倾角为30°时试件初裂开始出现翼型裂纹。
2) 在压剪作用下，试件破坏分非脆性破坏和脆性破坏。非脆性破坏试件经过压密、弹性变形、塑性变形和破坏阶段进入残余阶段，并有一定的残余强度；脆性破坏试件在剪切应力达到峰值后瞬间发生脆性崩落破坏，试件整体失稳，残余强度为0 MPa。
3) 压剪应力比对试件的抗剪强度有一定影响，压剪应力比越大，同角度节理试件的抗剪强度越大。
4) 节理的存在对试件的抗剪强度都有一定削弱，在相同压剪应力比作用下，节理倾角不同对抗剪强度的削弱度不同。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2014-04-10；修回日期：2014-06-22
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51274249)；湖南省研究生科研创新项目(CX2012B069) (Project(51274249) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(CX2012B069) supported by the Postgraduate Innovative Research Project of Hunan Province)
通信作者：曹平，教授，博士生导师，从事岩石力学与工程领域的教学和科学研究工作；E-mail: pcao_csu@sohu.com
