水对节理岩体剪切特性影响的试验研究
唐佳1, 2，彭振斌1，吴启红3，李志平1
(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙，410083；
2. 中国水电顾问集团中南勘测设计研究院 地质工程处，长沙，410007；
3. 成都大学 城乡建设学院，成都，610106)
摘要：为查明潘口水电站进水口边坡节理的水化剪切性质和变化节理面水质量分数，对不同节理的剪切行为进行室内试验，研究水质量分数对节理剪切性质的影响，探讨节理抗剪强度的水化效应。研究结果表明：岩石内部存在多种晶体结构，当中又由很多晶胞组成。水分子进入到晶胞之间的孔隙，发生水化作用，岩石膨胀，使得岩石表面更加复杂，岩石的某些部位(节理面)变得与原来完全不同。节理面的剪应力和剪切位移的关系曲线符合滑移型破坏曲线的特征，试验所施加正应力的增大导致试验材料的剪切强度也逐渐增大。当正应力变小时，节理面达到剪切强度所需要的剪切位移也变小。当水质量分数加大时，节理的剪切强度明显降低。水质量分数的增大使内摩擦角慢慢减小，节理的黏结力也随之增大，水质量分数超过临界水质量分数时，节理面的黏结力逐渐减小。
关键词：水化作用；岩体节理；剪切特性；强度
中图分类号：TU457 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)04-1232-05
Test study of effect of water on shear characteristic of rock joint
tang jia1, 2, peng zhenbin1, WU Qihong3, LI Zhiping1
(1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Geological Engineering Department, Hydrochina Zhongnan Engineering Corporationg, Changsha 410007, China;
3. School of Urban and Rural Construction, Chengdu University, Chengdu 610106, China)
Abstract: To find out the hydration shear properties of rock joint in slope of Pankou hydropower station, the water content of joint was changed. To test the shear behavior of joint in laboratory, the effect of water content to the shear characteristic of joint was studied，and the water effect of joint shear strength was analyzed. The results show that: There are many crystal structure and cell composition in the rock. Undering hydration, water molecules enter to the cell between the pore, the rocks occur expansion, making the rock surface become more and more complex, some parts of the rock (joint surface) become completely different with original. The relationship between shear stress and shear displacement can be categorized to the slipping mode. With the increase of normal stress on the joint sample，the shear strength of joint increases correspondingly. And with the decrease of normal stress, the shear displacement to reach the maximum shear strength also decreases. With the increase of water mass fraction, the shear strength of joint decreases obviously. The friction angle will decrease gradually with the increase of water content，while the cohesion of joint will increase. After the water content surpasses its critical value, the cohesion of joint will decrease.
Key words: hydration; rock joint; shear characteristic; strength
潘口水电站坐落于湖北省堵河(十堰市竹山县)干流上游河段，距竹山县城13 km，距十堰市162 km。电站建成后不仅优化了当地电源结构、提高防洪能力，还改善了库区生态环境、航行条件并服务于南水北调。电站总装机容量为500 MW，设计正常蓄水位355.00 m，总库容23.88亿m3，为完全年调节水库。电站为大(1)型一等项目，拦河大坝为混凝土面板堆石坝，右岸布置开敞式溢洪道和泄洪洞，左岸布置输水发电隧道、地面厂房及开关站等设施。输水发电隧道岸塔式进水口布置在左岸坝前，长30.0 m，宽67.0 m，高55.0 m。进水口所处岸坡地形较陡，基岩裸露，岸坡岩体类别为Ⅲ2类，岩性为元古界武当山群化口组白云母石英片岩夹云母片岩P twdh34-2(俗称副片岩)。由于节理强度控制着边坡的稳定性[1-4]，而进水口边坡中节理强度受到水的影响尤为严重，因此，研究岩体节理在水作用下强度的变化情况，对确保边坡在施工及运行期的稳定性显得较为重要[5-7]。目前，一般采用室内试验的方法研究节理面的强度特征，如关于不同粗糙程度的节理的变形和强度性质，尽管得到了一些有意义的结论[8-12]，但对于含水节理的研究还不够深入，特别是不同水质量分数下节理的强度和变形性质。为查明潘口水电站进水口边坡节理的物理力学性质，探讨节理抗剪强度的水化效应，为边坡开挖支护提供准确的理论依据和参数，本文对不同节理的剪切行为进行室内试验，在试验过程中，节理面的水质量分数不断变化，以研究水质量分数对节理剪切性质的影响。
1 节理剪切试验原理与设备
岩石的强度性质指标，可通过一系列试验获得。根据试验原理，直接剪切试验及室内三轴压缩试验组成了剪切试验的主要方法。直接剪切试验通常可以在室内模拟或者现场原位试验。本论文中所述试验方法是前者，也称为岩体弱面直剪试验。如图1所示，剪切盒直剪试验是室内岩体弱面直剪试验的主要方式。节理面必须与施加荷载方向平行。剪切盒中放入试件的2个半边，用混凝土、石膏或者人造树脂等黏合剂固定住。首先，向剪切盒施加法向应力达到预定值，使其恒定；其次向其施加剪切应力。此过程，可观察到剪切应力和位移的关系曲线，如图2所示。
当位移非常小时，试件的力学行为是弹性的，剪切应力与剪切位移呈直线增长，克服了运动阻力后剪切应力随位移不再是直线增长，而是呈曲线变化，当达到关系曲线的顶点，剪切应力也相应达到其峰值。之后，为继续产生剪切位移需提供的剪切应力急剧减少，慢慢趋于平稳，并最终停在一个常值上，该常值通常称之为残余抗剪强度。当试验设置一系列法向应力水平，可得出不同水平下峰值抗剪强度。
图1 剪切直剪试验
Fig. 1 Direct shear test
图2 剪切应力与剪切位移曲线
Fig. 2 Curve of relation between shear stress and shear displacement
结构面变形表现为闭合和沿结构面滑移，一般用应力-位移或者应力-变形曲线来表征其剪切规律。本试验中，任一试样在二维受力状态下即受法向应力和剪切应力作用，这些力可能引起一个和几个方向的位移。因此，应力增量
和位移增量
关系可通过刚度矩阵K建立本构关系：
(1)
将式(1)展开得：
(2)
式中：τs为剪应力；σn为正应力；δs为剪切位移；δn法向位移；Kss为剪切刚度系数，表示δs对τs的效应；Ksn表示σn对τs的效应；Kns为剪胀刚度系数，表示δs对σn的效应；Knn为法向刚度系数，表示δn对σn的效应。
由于在宏观上，法向位移对剪应力的影响可忽略不计，即Ksn=0，由式(2)可得
(3)
从而得到试样滑移δ过程的平均剪切刚度：
(4)
在剪应力-剪位移曲线中，曲线的斜率可以反映剪切刚度Kss的变化规律。
2 节理剪切试验结果分析
2.1 岩石水化作用后节理表面形态
进水口边坡的岩体节理，由于受到了地下水物理化学和上、下岩层间错动的不断作用，节理面的结构较松散，颗粒粒度也不均匀，强度比较低。从原始压密胶结改变成为泥质散装结构或者定向结构后，其密度比原来的密度低。当受到地下水的作用时，由于其抗冲刷能力较低产生了渗透变形。岩石与水之间发生的一种物理化学反应和力学作用的一系列过程，可以通过岩石的膨胀性综合反映出来。岩石的水质量分数在水溶液作用后得到增加，其中矿物成分中的易吸水膨胀部分发生了改变，岩石试件受其作用而发生膨胀。利用节理面形貌扫描仪器，我们对水溶液作用下岩块试样的膨胀效应进行完整的微观观测，如图3所示。从图3可见：岩石试件在发生水溶液作用前后，其表现发生了比较强烈的变化。由于岩石内部存在多种晶体结构，而当中由很多晶胞组成，性质比较活跃，当水分子进入到晶胞之间的孔隙时，发生水化作用，岩石就会膨胀。因为水分子的作用，原来凹凸(或平整)的岩石表面变得更加凹凸不平(更加复杂)，甚至岩石试件的某些部位(节理面)已经变得与原来完全不同。白云母石英片岩作为一种古老的由沉积岩变质而成的变质岩类，内部结构松散，风化节理发育，云母含量高，吸水性强，水化作用尤为明显，在实际工程中需要特别注意地下水的影响。
图3 岩块试样的膨胀效应
Fig. 3 Dilation effect of rock sample
2.2 节理剪应力和剪切位移的关系
通过节理直剪试验，试样运用3组不同的水质量分数，研究不同的水质量分数下节理变形的特征和剪切强度。运用4组100，200，300和400 kPa的法向应力在每个水质量分数的情况下进行剪切试验，在试验过程中，观察剪应力和剪切位移的关系曲线，当曲线出现较为明显的平台现象时，则停止试验。由于节理剪切变形以及水化作用，矿物颗粒的连接和排列的情况发生变化，结合水膜是在矿物颗粒周围形成的，它使得颗粒得以分散，水质量分数加大，从而导致节理的抗剪强度下降，并且溶解在白云母石英片岩节理(水长期的浸泡由层间的错动碾变成碎块和细粒的结构弱风化形成)的盐类产生了离子的交换，使得节理性质发生变化。
当水质量分数为10%~21%时，可得到相应的节理面剪应力－位移的变化曲线如图4所示。由图4可知：所承受的剪应力随着剪切位移的不断增大而增大；在试样初步剪切阶段，剪切位移变大使得剪应力有比较大的变化；当剪切位移达到一定程度，若仍继续进行试验，相对应的剪切位移仍然会继续增大，但是此时剪切力不再发生变化，表明试样此时发生了滑移破坏，对应的剪切力即为试样剪切强度。剪应力－位移曲线为滑移型曲线，即整个曲线无明显峰值。试样的剪切强度随着试验所施加的正应力的增大而不断增大；正应力与峰值剪应力所需的剪切力成正比。岩石节理的剪切变形随着时间的增长而不断增大，而其增量却不断减小，以至增量值趋近于0，节理剪切变形量也随之趋于一个稳定极限值。
根据在不同水质量分数下的节理面应力－位移图可知：当水质量分数增加时，节理面的剪切强度降低明显，这是由于岩石遇水后内部矿物颗粒之间的水膜增厚，矿岩内部胶结变得松散，导致体积增大、强度降低。另外，当水质量分数为10%时，节理法向应力从100 kPa变化到200 kPa以及从300 kPa变化到400 kPa时，节理面剪切破坏所需的剪切应力明显大于节理法向应力从200 kPa变化到300 kPa的时剪切应力，但随着水质量分数的增大，不同法向应力作用下节理面的剪应力－剪切位移曲线存在的梯度变化变得较为均匀，这说明水质量分数对于白云母石英片岩节理变形特征的影响逐渐大于法向应力的影响。
不同水质量分数下节理面剪切强度与正应力的拟合关系如图5所示：试验材料的抗剪强度τs和法向应力σn符合线性的关系，Mohr-Coulomb线性模型可以对它们进行拟合。通过拟合可以得到拟合的相关系数和各个剪切强度的参数，从图5可以得出拟合的相关系数都接近1，即数据和拟合曲线高度相关。通过参数拟合，可得到表征节理面微观组织特征的黏结力和内摩擦角。
图4 水质量分数不同时试样剪应力-位移曲线
Fig. 4 Shear stress-displacement curve of sample under different water mass fraction
2.3 节理抗剪强度指标随水质量分数变化
为了进一步说明水质量分数对于节理面的微观组织的影响，节理面的内摩擦角和黏结力与水质量分数之间的关系如表1所示。由表1可见：内摩擦角随着水质量分数的增大逐渐减小，这是由于水分子润滑了节理面微观颗粒之间的相互接触，水质量分数越大则相应的颗粒摩擦力越小，内摩擦角也越小。黏结力的趋势则有所不同，伴随水质量分数的增大，黏结力呈现出先增大后减小的态势，这说明存在一临界水质量分数对微观参数黏结力c存在较大影响。若节理面的水质量分数小于临界水质量分数时，则水质量分数的增大将导致黏结力c的增大，此时，水质量分数未超过该临界值，水质量分数增大则黏结力增大，这是由于颗粒间的黏结力由颗粒间的相互吸引力产生，而水在颗粒间存在着表面张力，从而提供颗粒间一定的相互吸引力。而若水质量分数超过了临界水质量分数，则水质量分数的增大将导致黏结力c逐渐减小。
图5 水质量分数不同时节理面剪切强度与正应力的拟合关系
Fig. 5 Fitting relation of shear strength and normal stress of joint under different water mass fraction
表1 试样抗剪强度指标随水质量分数变化结果
Table 1 Variation of shear strength with water mass fraction
3 结论
(1) 岩石内部存在多种晶体结构，当中又由很多晶胞组成，性质活跃，水分子进入晶胞之间的孔隙，发生水化作用，岩石膨胀，使得原来凹凸(或平整)的岩石表面变得更加凹凸不平(更加复杂)，岩石某些部位(节理面)变得与原来完全不同。白云母石英片岩为一种古老的由沉积岩变质而成变质岩类，内部结构松散，风化节理发育，云母含量高，吸水性强，水化作用尤为明显，在实际工程中需要特别注意地下水的影响。
(2) 节理面的剪应力和剪切位移的关系曲线符合滑移型破坏曲线的特征，试验所施加正应力的增大导致试验材料的剪切强度也逐渐增大。当正应力变小时，节理面达到剪切强度所需要的剪切位移也会变小。当水质量分数增大时，节理的剪切强度会明显降低。
(3) 水质量分数的增大会使内摩擦角减小。但是黏结力的变化并不相同，水质量分数增大使节理的黏结力也随之增大，当水质量分数超过临界水质量分数时，节理面的黏结力反而逐渐变小。
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(编辑 何运斌)
收稿日期：2013-04-16；修回日期：2013-06-16
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878212)；四川省科技计划项目(2013JY0119)；成都大学人才引进基金资助项目(2010)
通信作者：唐佳(1981-)，男，湖南沅陵人，工程师，博士研究生，从事地质工程、岩土工程科研与设计工作；电话：13755003410；E-mail：csutangjia@126.com
