伴随城市化进程的不断加快,在工程建设及运营维护过程中岩体滑坡现象时有发生。结构面的存在是导致岩体滑坡灾害发生的主要原因^[1],结构面具有的各向异性剪切特性是造成岩体滑移方向难以确定的根源,而结构面三维起伏形貌特征是影响剪切特性各向异性的重要因素,也是评价岩体边坡工程稳定性的重要指标^[2-5]。因此,开展具有天然三维形貌的软弱夹层结构面各向异性直剪试验研究,对研究岩体滑坡等自然灾害的破坏机理具有一定的借鉴意义。

在结构面剪切特性各向异性的直剪试验方面,丁文其等^[6]开展了4种轴压下4个剪切方向的结构面直剪试验,发现不同剪切方向呈现出不同的内摩擦角和黏聚力; 周辉等^[7]对3种不同形貌特征的结构面试样进行不同法向应力下4个方向的直剪试验,发现提高法向应力能够降低抗剪强度在不同方向的差异性; 游志诚等^[8]进行12个方向的直剪试验,获得了同样的结论。胥勋辉等^[9]采用方形结构面试样开展了8个剪切方向的直剪试验,发现峰值抗剪强度及其对应的剪切位移等参数均呈现各向异性; 衡帅等^[10]通过不同角度页岩的直剪试验发现,不同剪切方向其破坏方式和力学行为具有很大的差异; Zhang等^[11]对完整绿片岩和剪切绿片岩样品进行了直接剪切试验,发现剪切行为呈现各向异性特征,且各向异性程度随法向应力增大而逐渐降低; 周玉鹿^[12]对三种不同形貌特征的结构面试样进行了系列法向应力条件下的各向异性直剪试验,并通过接触面积有效系数描述结构面抗剪强度的差异性; 陈珺等^[13]基于张拉、拉剪应力状态下的岩石破裂面,研究其在正反剪切方向下粗糙度的差异性。

在结构面形貌特征的各向异性分析方面,杜时贵^[14]汇总2 180条结构面轮廓线粗糙度系数(roughness coefficient)值,揭示了节理和断层的各向异性规律; Tatone等^[15]提出能够体现结构面剖面线粗糙特性的二维粗糙度参数θ^*_max/(c+1),该参数可用于描述形貌特征的各向异性; 包含等^[16]综合考虑了结构面起伏体的爬坡角及爬坡高度,建立了能反映结构面各向异性特征的新形貌参数G; 蔡毅^[17]提出结构面三维粗糙度评价参数PAP,该参数能够反映结构面在不同剪切方向的几何形态; Zheng等^[18]采用包含三个不连续形态参数的三维分形维数来表征结构面形貌的各向异性; Yan等^[19]基于粗糙度指数,提出能够反映剪切机理和结构面表面形态特征的各向异性指标。

综上所述,众多研究者已开展了结构面三维形貌及剪切特性的各向异性试验研究和理论分析,由于已有试验中所取用的剪切方向较少,难以全面获得软弱夹层结构面的各向异性剪切特性,且试验中所用结构面不具有自然界中的三维形貌特性,无法获得各向异性剪切特性的普遍规律。本研究基于不同充填度试样开展了结构面各向异性直剪试验,分析了具有天然三维形貌充填结构面剪切特性的各向异性变化规律。

为实现结构面各向异性直剪试验及剪切盒的稳定性,本课题组开发了软弱夹层岩石结构面各向异性直剪仪(图1),该直剪仪由水平加载装置、竖向加载装置、剪切盒、水平位移采集装置、竖向位移采集装置和应力采集装置等部件组成,能够进行多个方向的直剪试验,可测试的软弱夹层最大厚度达20 mm,具体技术指标见表1。

图1 软弱夹层岩石结构面各向异性直剪仪
Fig.1 Anisotropic direct shear apparatus of weak interlayer rock joint

表1 软弱夹层岩石结构面各向异性直剪仪的技术指标
Table 1 Technical index of anisotropic direct shear apparatus for rock joint with weak interlayer

为了实现360°剪切方向下的直剪试验,本研究采用具有旋转不变性的圆形岩石结构面,基于Polyworks软件先对岩石结构面表面等间距切割,然后得到结构面的二维形貌特征曲线及其坐标,将其导入MatLab程序中计算形貌参数θ^*_max/(c+1)^[15],其雷达图见图2。由图2可知,本研究所选取结构面形貌具有显著的各向异性特征。

图2 结构面形貌参数θ*max/(c+1)雷达图
Fig.2 Radar chart of rock joint shape parameter θ*max/(c+1)

为了模拟原岩的物理力学特性,选用石膏进行不同配合比试验,最终选定水与石膏的质量之比为2:5,其单轴抗压强度为18.32 MPa。软弱夹层土体由淤泥质黏土烘干、粉碎并加水重塑后制得,含水率为15%。结构面试样直径100 mm,高度100 mm,其上下盘制作流程见图3。

图3 结构面试样上盘及下盘制作流程
Fig.3 Production process of hanging walls and footwalls of rock joint samples

通过调整土体质量来控制软弱夹层厚度,获得夹层土体质量与厚度的经验公式:

m_soil=15.83t。 (1)

式(1)中:m_soil为软弱夹层土体质量; t为软弱夹层厚度。

软弱夹层结构面试样的充填度采用下式计算:

k=t/(a)。 (2)

式(2)中:k为软弱夹层充填度; a为岩石结构面的平均起伏度。

由不同充填度及结构面形貌参数计算所需软弱夹层的质量,最终获得的软弱夹层结构面试样见图4。

图4 不同充填度软弱夹层结构面试样
Fig.4 Weak interlayer rock joint samples with different filling degrees

充填度是影响软弱夹层结构面剪切特性的重要因素。对圆形结构面进行等角度切割,结构面等角度剖面线如图5所示,计算全部形貌曲线的平均起伏差并取平均值,其值为5.56 mm。为了研究剪切特性从各向异性到各向同性的变化过程,通过软弱夹层结构面剪切预试验将充填度设定为0.00、0.25、0.50、0.75、1.00和2.00。

图5 结构面等角度剖面线
Fig.5 Equal angle section line of rock joint

试验的剪切方向为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°,法向应力选定为0.64 MPa,剪切速率为0.5 mm/min,剪切位移为10 mm,试样总数量为48。软弱夹层结构面各向异性直剪试验方案见表2。

表2 软弱夹层结构面各向异性直剪试验方案
Table 2 Anisotropic direct shear test scheme of weak interlayer rock joint

软弱夹层结构面在不同剪切方向的剪应力-剪切位移曲线如图6所示。由图6可知:1)同一充填度下软弱夹层结构面剪应力与剪切位移曲线随剪切方向差异呈现不同变化规律,硬质结构面剪应力与剪切位移曲线呈现出峰前硬化、峰后软化特征; 2)同一充填度下结构面峰值抗剪强度随着剪切方向的变化呈现明显差异,各向异性程度随着充填度增大呈现先增大后减小的规律; 3)随着充填度增大,8个剪切方向的剪应力与剪切位移曲线由峰值型向滑移型转变,峰后软化现象逐渐消失,呈现各向同性特征; 其主要原因是随着充填度增大,剪切破坏模式由结构面的爬坡啃断破坏转变为软弱夹层与结构面耦合破坏,最后转变为软弱夹层中的土体破坏,且不同剪切方向下峰值抗剪强度的差异也逐渐减小。

图6 不同方向下软弱夹层结构面剪应力-剪切位移曲线
Fig.6 Shear stress-shear displacement curves of weak interlayer rock joint in different directions

不同充填度下峰值抗剪强度的各向异性雷达图见图7,不同充填度条件下峰值抗剪强度的变异系数见表3。

由图7和表3可知:1)峰值抗剪强度在不同剪切方向随着充填度增大呈现逐渐降低的变化规律; 2)除高充填度2.00外,峰值抗剪强度值随剪切方向的变化而变化,且在180°的剪切方向上抗剪强度值达到最大,其原因是剪切方向180°时,结构面形貌参数θ^*_max/(c+1)最大; 3)充填度从0.00提高至0.25时,不同剪切方向上的峰值抗剪强度变异系数增大,其原因是结构面的起伏形貌在不同剪切方向是有差异的,虽然软弱夹层的厚度相同,但不同

图7 不同充填度下峰值抗剪强度的各向异性雷达图
Fig.7 Anisotropic radar chart of peak shear strength under different filling degrees

表3 不同充填度条件下峰值抗剪强度的变异系数
Table 3 Coefficient of variation of peak shear strength under different filling degree

剪切方向的充填度是不同的; 4)充填度从0.25提高至2.00时,不同剪切方向上的峰值抗剪强度变异系数减小,各向异性程度降低,最终趋于各向同性,其原因是随着充填度的增加,试样破坏模式由软弱夹层与结构面耦合破坏转变为软弱夹层中的土体破坏。峰值抗剪强度的各向异性程度常采用变异系数表示,采用下式进行计算:

c_v=σ/(μ)。 (3)

式(3)中:c_v为抗剪强度变异系数; σ为抗剪强度标准差; μ为抗剪强度平均值。

软弱夹层结构面在不同剪切方向下的法向位移-剪切位移曲线如图8所示。由图8可知:1)同一充填度下软弱夹层结构面的法向与剪切位移曲线随剪切方向呈现不同变化规律,不同剪切方向下无充填结构面法向与剪切位移曲线均表现出先剪缩后剪胀的变化趋势; 2)软弱夹层结构面试样随充填度增大由剪胀转变为剪缩,且各向异性程度逐渐降低,但不同剪切方向的界限充填度存在差异,其主要原因是软弱夹层土体厚度的增加,降低了三维表面形貌的起伏程度,由于不同剪切方向的结构面形貌起伏程度不同,导致对结构面形貌起伏程度的降低效果不同。

图8 不同剪切方向下的软弱夹层结构面法向位移-剪切位移曲线
Fig.8 Normal displacement-shear displacement curves of weak interlayer rock joint in different directions

本研究基于具有显著各向异性特征的天然三维结构面形貌,制作了含有淤泥质黏土的软弱夹层结构面试样,采用自主研发的软弱夹层岩石结构面各向异性直剪仪,开展了系列充填度下不同剪切方向的软弱夹层结构面直剪试验,分析了6种充填度下软弱夹层结构面剪切特性的各向异性变化规律,主要结论有:

1)同一充填度下软弱夹层结构面剪应力与剪切位移曲线在不同剪切方向的变化规律存在差异,且剪应力与剪切位移曲线的峰后软化特征随着充填度的增大逐渐消失,最后呈现各向同性特征。

2)除高充填度2.00外,同一充填度下结构面峰值抗剪强度随着剪切方向的变化呈现差异,且峰值抗剪强度在剪切方向180°时达到最大; 各向异性程度随着充填度增大呈现出先增大后减小的变化规律。

3)同一充填度下软弱夹层结构面法向与剪切位移曲线随剪切方向差异呈现不同变化规律,且剪切特性随充填度增大逐渐由剪胀转变为剪缩,各向异性程度逐渐降低; 硬质结构面法向与剪切位移曲线呈现出先剪缩后剪胀的变化趋势。