节理对岩体强度变形特性影响的模型实验
胡 波1，张 楠2，刘顺桂3，王思敬4，刘海宁5
(1. 国网电力科学研究院，江苏 南京，210003；2. 南京铁道职业技术学院 团委，江苏 南京，210015；
3. 福建省国土资源厅，福建 福州，350003；4. 中国科学院 工程地质力学重点实验室，北京 100029；
5. 华北水利水电学院 岩土工程与水工结构研究所，河南 郑州，450011)
摘 要：
摘 要：采用模型试验研究节理对岩体强度变形特性的影响。设计150 mm×150 mm×150 mm尺寸的3组模型试验，在不同的正压力下，分别对完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体进行中型剪切试验。研究结果表明：岩体以脆性破坏为主，主要有4种典型的破坏方式，破坏形态与节理的排列方式、贯通性以及应力状态等因素密切相关；完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体变形破坏发展过程具有不同的分段特征：完整岩块曲线主要经历剪缩错动、线弹性增长、破坏和残余强度4个阶段；贯通节理岩体曲线主要经历线弹性增长区、过渡区和滑移破坏区3个阶段；断续节理岩体曲线主要经历线弹性增长、节理面错动、次生裂纹起裂稳态扩展、节理面贯通破坏和残余强度5个阶段。断续节理岩体摩尔库仑曲线分别以完整岩块和贯通节理岩体的破坏包络线为上界和下界，可以通过地质力学分析缩小带宽，估算断续节理岩体的强度。
关键词：
中图分类号：O319.56 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2009)04-1133-06
Contrastive model test for joint influence on strength and deformation of rock masses
HU Bo1, ZHANG Nan2, LIU Shun-gui3, WANG Si-jing4, LIU Hai-ning5
(1. State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 210003, China;
2. Youth League, Nanjing Institute of Railway Technology, Nanjing 210015, China;
3. Office of Fujian National Resources, Fuzhou 350003, China;
4. Key Laboratory of Engineering Geo-mechanics, Chinese Academy of Science, Beijing 100029, China;
5. Department of Geotechnical Engineering and Hydraulic Structures, North China University of Water Conservancy and Electric Power, Zhengzhou 450011, China)
Abstract: Model tests were adopted to study the influence of joints on rock masses. Three sets of model tests with the scale of 50 cm×50 cm×50 cm were designed to study the strength and deformation properties of intact rock, across jointed rock mass and intermittent jointed rock mass. The evolvement processes of shear stress, shear displacement, normal stress and normal displacement were monitored using rigid servo test machine. The results show that the failure modes quietly depends on the joint distribution, connectivity and stress states. There are four typical failure modes in the test, and brittle failures are the main failure mode, different failure developing stages are found in the intact rock, across jointed rock mass and intermittent jointed rock mass. There are four typical stages in the stress strain curve of intact rock, namely shear contraction stage, linear elastic stage, failure stage and residual strength stage. There are three typical stages in the across jointed rock mass, namely linear elastic stage, transition zone and sliding failure stage. Correspondingly, five typical stages are found in the intermittent jointed rock mass, namely linear elastic stage, sliding of joint, steady growth of post-crack, joint coalescence failure, and residual strength. According to strength analysis, the failure envelopes of intact rock and across jointed rock mass are the upper bound and lower bound, respectively. The strength of intermittent jointed rock mass can be evaluated by reducing the bandwidth of the failure envelope with geo-mechanics analysis.
Key words: intermittent joint; failure mode; viscosity sliding; strength bandwidth
岩体内存在众多节理裂隙，许多岩石工程的失稳破坏与节理裂隙的扩展、分叉和贯通密切相关。由于岩桥与节理相互作用，协同提供强度，使得节理对岩体的力学效应更加复杂。节理对岩体强度和变形特性的影响研究是进行岩体稳定性分析的基础，它对岩石工程的设计、施工及后期维护具有重要意义[1-3]。模型试验可以根据试验者的意图通过相似材料分别对影响因素进行单项研究分析，试验目的明确，结果直观[4]，它被广泛应用于研究断续节理岩体力学机制。Brown[5]通过一系列三轴压缩模型试验研究了断续节理对岩体强度的影响，总结出7种宏观破坏模式。刘东燕等[6]发现，岩体的破坏模式与节理倾角有关，X型双向交叉多排节理岩体的破坏机制为节理尖端应力集中导致的撕拉性复合断裂。徐靖南等[7]发现，裂纹尖端始裂后很快转向沿最大主压力方向扩展，最终与另一裂纹贯通，并据此建立了共线裂纹强度的判定准则[7]。朱维申等[8]发现，节理岩体的破坏是从裂纹尖端区域局部拉张破坏开始，雁形裂纹的起裂、扩展、贯通具有明显的阶段性。白世伟等[9-10]发现，闭合断续节理岩体岩桥的破坏由拉破裂控制，翼裂纹的初裂角约75?。杜景灿等[11]提出一种简化的岩桥破坏模型，较好地解释了两断续节理受剪贯通后形成“鱼眼”和不能闭合的现象；陈卫忠等[12]通过试验发现，闭合雁形裂纹在压剪应力作用下，以原生裂纹端部为突破口，随着进一步加载，原生裂纹端部和岩桥中又产生新的次生裂纹，直至裂纹贯通。本文作者设计模型试验，考察直剪应力水平下节理岩体的破坏方式，对比分析完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体的全应力—应变曲线特征，探讨节理对岩体强度变形特征的影响，并据此给出估算断续节理岩体强度的方法。
1 直剪模型试验
1.1 试验设计原则
模型试验遵循以下原则：
a. 试样材料尽可能相似于天然脆性岩石，人工节理面的力学特性应尽可能与天然节理面的力学特性 相似。
b. 人工节理面应尽量位于预剪面上，同时，为避免加载的边界效应，使节理在剪切面上均匀分布。
c. 加载速度不宜过快，以期获得试样加载过程的应力—应变全过程曲线。
1.2 试样的制作及主要试验仪器
模型材料选用冀特牌52.5快硬硫铝酸盐水泥和河北三河市的细砂，水泥、砂、水质量比为5?5?2。模型尺寸(长×宽×高)为150 mm×150 mm×150 mm。先将混合料倒入模具中捣实，在高度75 mm处插入薄钢片于预定位置，待初凝时抽出，混合料在气凝过程中发热膨胀使裂隙面闭合。
这种特定配比的水泥砂浆材料的优点在于，材料的脆性与岩石的脆性比较接近，完整块体破坏常伴随较大的应力降；材料单轴抗压强度约为51.3 MPa，抗拉强度为3.3 MPa，容重为20.2 kN/m3，泊松比为0.27，这些主要的力学参数与岩石(硬质岩)的力学参数接近。此外，材料力学性能稳定，制作方便，用这种配比的水泥砂浆来模拟岩石是合适的。
试验选用RMT-150C刚性双向伺服压力机，垂直液压缸最大出力为1 MN，水平液压缸最大出力为0.5 MN；机架刚度为5×109 N/m。剪力采用应变控制加载。在水平向、垂向分别置1个和4个位移传感器监测变形，精度为1.5‰；在水平向、垂直向各置1个力传感器监测剪力和法向力，精度为3‰。
试验过程为：先将试样装入预设位置，安装好相应传感器；以0.5 kN/s的速率向剪切盒施加预设法向荷载；固定法向力，以5 μm/s的变形速率施加水平剪切力。剪切试验装置如图1所示。
图1 直剪试验装置
Fig.1 Sketch map of direct shear test
1.3 试验工况
设计3组试验对完整岩块、断续节理和贯通节理岩体进行研究。试验工况如表1所示。
表1 试验工况
Table 1 Testing regimes
2 试验结果分析
2.1 典型破坏模式分析
在不同的结构及受力条件下，岩体将会有不同的破坏模式[13]。通过试验发现，不同节理分布和贯通程度的试样有不同的破坏方式，主要有4种(见图2)：
(a) 破坏方式1；(b) 破坏方式2；
(c) 破坏方式3；(d) 破坏方式4
图2 破坏素描图
Fig.2 Sketch map of failure
a. 破坏方式1。剪切面起伏度大，块体内有共轭剪切裂纹，直剪面与共轭裂纹交叉、贯通，试样以剪切破坏为主。
b. 破坏方式2。破坏面呈“Z”型，在两端的初始节理尖端出现近陡直的拉裂纹，1条剪切裂纹连通两端的拉裂纹，块体内出现少量拉裂纹，此类型为典型的拉剪复合型破坏型。
c. 破坏方式3。剪切带较宽，边界处有多条近平行的剪裂纹。
d. 破坏方式4。剪切面呈弧状，块体内有少量拉裂纹，为拉剪复合破坏。
次生裂纹主要从原生节理面尖端开始，按性质可以分为剪切破坏、拉张破坏和拉剪复合破坏3种，其中，拉剪复合破坏出现的频率最高。岩桥以拉剪破坏为主，同时，岩体内常有多条拉张微裂纹。
2.2 全应力应变曲线对比分析
对全应力应变进行对比分析发现，完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体变形破坏发展过程具有不同的分段特征。
2.2.1 完整岩块的变形破坏特征
岩块直剪破坏过程的全应力—应变曲线如图3所示，岩块直剪破坏过程大致可以分为4个区段：
法向应力为0.89 MPa
图3 完整岩块剪应力—剪应变曲线
Fig.3 Relationship between shear stress and shear strain for intact rock
a. OA段。曲线较平缓，微微向上弯曲，属于剪密错动阶段，这个阶段岩块中，微裂纹在压剪应力的作用下，发生错动、变密实。
b. AB段。曲线陡直，近直线，属于线弹性阶段。
c. BC段。剪应力迅速下降，属于破坏阶段，并有多个锯齿，这与试块的脆断有关。
d. CD段。应力保持在某一水平，属于残余强度阶段，由破裂面在一定正应力条件下的摩阻力提供。
2.2.2 贯通节理面的变形破坏特征
贯通节理面受剪应力作用，应力达峰值后，无明显应力降，出现较长的屈服台阶，属于典型的柔性破坏(见图4)。应力应变曲线分3个区段：
法向应力为4.40 MPa
图4 贯通节理岩体典型剪应力—剪应变曲线
Fig.4 Relationship between stress and strain for across jointed rock mass
a. OA段。变形量小，但应力增长迅速，应力与应变近似呈线性关系，属于线弹性阶段。
b. AB段。曲线弯曲，是弹性变形向塑性变形的过渡区，其形态主要受正应力和节理表面形态的影响。
c. BC段。应力变化小，变形很大，剪切柔度趋于无限大，属于滑移区。
从图4可以看出，在剪切过程中，剪应力时常出现断续地张弛，剪位移也时常发生急跃，曲线发生周期性振荡，具有明显的粘滑振荡特性。Jaeger等[14]在试验中也发现过这种现象。通过试验发现，正应力越大，越容易发生粘滑，而且在后期，振幅会变大。
2.2.3 断续节理岩体的变形破坏特征
断续节理岩体典型的剪应力—剪应变曲线如图5所示。可见，法向应力不同，试样的破坏模式及剪应力—剪应变曲线也不同，主要有3类不同形态的应力—应变曲线。第1类曲线峰前没有明显的屈服台阶和应力降，应力直接上升至峰值，这类曲线多出现在低法向应力条件下；第2类曲线在应力达到峰值前有1个较长的屈服台阶，剪应力达到某一特定值后，需要经历1个较长的台阶，然后，迅速爬升至峰值，屈服台阶的存在主要是因为节理的存在加大了试块的塑性特征；第3类曲线峰前出现1个或多个锯齿，剪应力在达到某值时突然出现应力降，然后，应力继续爬升，出现的锯齿大多是试块在剪切过程中出现小型脆断所致，在试验过程中常伴随噼啪的断裂声。这3类应力—应变曲线中以第2类曲线出现的频率最高。
(a) 峰前光滑(法向应力为2.22 MPa)；
(b) 峰前出现屈服台阶(法向应力为2.67 MPa)；
(c) 峰前出现锯齿(法向应力为3.56 MPa)
图5 断续节理岩体剪应力—剪应变曲线
Fig.5 Relationship between stress and strain for intermittent jointed rock mass
应力—应变曲线的形态与节理的连通率和所受的法向应力等因素有关。法向应力越大，试样破坏时的应力降越大，脆断特征越明显，连通会加大曲线的塑性特征。第1类曲线常出现在连通率较小、正应力低的条件下；第2类曲线的峰前屈服平台多出现在试样节理连通率为40%~60%以及中、高正应力条件下；第3类曲线的峰前锯齿常出现在高正应力条件下。断续节理岩体的直剪试验失稳形式最终表现为脆性破坏，破坏后其强度迅速下降。
由图5可看出，剪应力—剪应变曲线有以下特点：
a. 曲线发展过程都有锯齿状的颤动，不平滑，这与试验中的小型脆断及节理面的粘滑有关。
b. 达到峰值强度后，有1个突然的应力降，试样破坏以脆断为主要特征。破坏时，试样中积蓄的能量得到突然释放，常伴随噼啪的断裂声。
c. 过峰值后，还有一定的残余强度，约为峰值强度的一半，残余强度主要是由破坏面在一定正压力下的摩阻力提供。
断续节理岩体剪应力—剪应变曲线如图5所示。由图5(b)可以看出，第2类曲线试样主要经历了5个阶段，试样的破坏和变形具有明显的阶段性。
a. 线弹性增长阶段(OA段)，发生在剪切初期。由于剪切力较小，不足以克服节理面上的静摩擦力，节理面上下无相对错动[15]，剪应力随剪应变呈近线性 增长。
b. 随着加载的进行，剪切力达到节理面的抗剪强度，节理面开始发生错动，此时，剪切位移增大，剪应力不再增大，应力应变出现屈服台阶，此过程为节理面错动阶段(AB段)。
c. 剪力位移进一步增大，由于岩桥对节理错动的约束作用，剪应力等于节理面摩阻力和岩桥锁固力之和，在节理端部产生拉应力集中，当节理尖端应力强度因子达到岩石的断裂韧度时，在节理端部出现初裂，并迅速转向最大主应力方向。在此阶段，次生裂纹稳态扩展，并迅速稳定，此时，由于次生裂纹的产生，节理尖端能量得到释放，应力被转移到相邻的岩石单元中，宏观表现为剪切方向的强度并不因为局部的次生裂纹而丧失，反而继续增大(BC段)。
d. 随着剪应力的进一步增大，次生微破裂增多、扩展，范围不断增大，直至贯通，形成宏观的破裂面，试件发生脆断，强度消失(CD段)。
e. 试件脆断后，能量迅速释放，应力急剧下降，破裂面贯通，此后，在一定的法向应力下，依靠破裂面的摩擦力提供强度，并稳定在某一特定值(DE段)。
节理的存在加大了岩体变形的塑性特征，同时，降低了岩体强度。岩体在达到抗剪强度峰值前会经历1个较长的屈服台阶。这主要是因为节理面会先于岩桥发生错动，此时，岩体的剪切变形较大，而剪应力变化不大。对强度进行分析发现，在相同正应力作用下，断续节理岩体的抗剪强度明显低于完整岩块的抗剪强度。次生裂纹的初裂(BC段)并不代表岩体强度的丧失，强度随变形还有1个非线性上升阶段，直到裂纹贯通，岩体才发生脆性破坏。
2.3 综合抗剪强度分析
完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体的正应力—剪应力曲线见图6。
1—完整岩块；2—贯通节理；3—节理岩土(连通率为50%)
图6 节理岩体的正应力—剪应力曲线
Fig.6 Relationship between strains for intermittent jointed rock mass
由图6可以看出，断续节理岩体正应力—剪应力曲线分别以完整岩块和贯通节理岩体的破坏线为上界和下界。对节理连通率、受力状态、岩体结构等影响因素进行分析发现，可以缩小断续节理岩体破坏线的带宽，划出1条近似的破坏包络线，最终估算断续节理岩体的强度[16]。
3 结 论
a. 次生裂纹主要从原生节理面尖端开始扩展，最终的破坏方式与节理的分布形态、贯通程度以及法向应力密切相关，共发现4种典型的破坏形态。
b. 试样的破坏和变形具有明显的阶段性，完整岩块、贯通节理岩体和断续节理岩体变形破坏发展过程具有不同的分段特征。完整岩块曲线主要经历剪密错动、线弹性增长、破坏和残余强度4个阶段；贯通节理岩体曲线主要经历线弹性增长区、过渡区和滑移破坏区3个阶段；断续节理岩体曲线主要经历线弹性增长、节理面错动、次生裂纹起裂稳态扩展、节理面贯通破坏等阶段。
c. 断续节理岩体的破坏发展过程具有粘滑振荡、残余强度和脆断3种特征。
d. 断续节理岩体正应力—剪应力曲线分别以完整岩块和贯通节理岩体的破坏包络线为上界和下界。断续节理岩体的抗剪强度小于完整岩块的抗剪强度，而高于贯通节理岩体的抗剪强度。通过对缩小带宽进行分析，可以估算断续节理岩体抗剪强度。
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收稿日期：2008-09-10；修回日期：2008-11-21
基金项目：国家重点基础研究规划项目(2002CB412702)
通信作者：胡 波(1980-)，男，湖北黄冈人，博士，工程师，从事岩体力学、工程监测研究；电话：025-83092625；E-mail: h_bo28@126.com
