浙江科技大学学报

罗战友,饶远,黄曼,等.常法向刚度下软弱夹层结构面剪切特性试验研究[J].浙江科技大学学报,2024,36(05):436-443.[doi:10.3969/j.issn.2097-5236.2024.05.009]
LUO Zhanyou,RAO Yuan,HUANG Man,et al.Experimental study on shear characteristics of weak interlayer rock joint under constant normal stiffness[J].Journal of Zhejiang University of Science and Technology,2024,36(05):436-443.[doi:10.3969/j.issn.2097-5236.2024.05.009]

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常法向刚度下软弱夹层结构面剪切特性试验研究

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罗战友^1,2,饶远¹,黄曼³,吕原君²,刘广建³

(1.浙江科技大学土木与建筑工程学院,杭州 310023; 2.宁波大学岩石力学研究所,浙江宁波 315211; 3.绍兴文理学院土木工程学院,浙江绍兴 312000)

收稿日期:2024-02-22
基金项目:国家自然科学基金项目(42277147,42272333)
通信作者:罗战友(1974— ),男,河南省漯河人,教授,博士,主要从事岩体结构面粗糙度系数、抗剪强度及桩基工程等研究。E-mail:lzy0395@163.com。

【目的】为研究常法向刚度条件下软弱夹层对岩石结构面稳定性的影响,对不同充填度的结构面剪切特性进行试验研究。【方法】基于Barton经典形貌曲线的粗糙度系数(joint roughness coefficient, JRC),采用3D雕刻技术制作了15组岩石结构面上下盘,开展了不同法向刚度(K_n=10、20、40 kN/mm)及充填度(Δ=0.0、0.5、1.0、1.5、2.0)的结构面直剪试验。【结果】充填度为0.0时,结构面剪应力随剪切位移增加呈非线性振荡上升,且最大剪应力随法向刚度增大不断增大; 同一法向刚度(K_n=20 kN/mm)条件下,充填度为0.5和1.0时,结构面剪应力随剪切位移增加呈非线性增长,充填度为1.5和2.0时,结构面剪应力随剪切位移增加而增加并趋于平稳; 结构面最大剪应力随充填度增加呈非线性减小,且临界充填度介于1.5～2.0之间; 软弱夹层结构面剪胀量随法向刚度增大而减小,且随着充填度继续增加,法向位移由剪胀逐渐转为剪缩,破坏模式也转为夹层剪切破坏。【结论】本研究结果为地下工程中软弱夹层围岩稳定性评价提供了试验依据。

关键词：岩石结构面; 软弱夹层; 常法向刚度; 充填度; 剪切特性

Experimental study on shear characteristics of weak interlayer rock joint under constant normal stiffness

LUO Zhanyou^1,2,RAO Yuan¹,HUANG Man³,LÜ Yuanjun²,LIU Guangjian³

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China; 2.Institute of Rock Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, Zhejiang, China; 3.Department of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing 312000, Zhejiang, China)

[Objective] To study the influence of weak interlayer on the stability of rock joint under the constant normal stiffness condition, the shear characteristics of rock joint with different filling degrees were studied experimentally. [Method] Based on joint roughness coefficient(JRC)of Barton's classical morphology curve, 15 sets of hanging walls and footwalls of rock joint samples were made by 3D engraving technology to carry out the direct shear tests of rock joint under different normal stiffnesses(K_n=10、20、40 kN/mm)and filling degrees(Δ=0.0、0.5、1.0、1.5、2.0). [Result] When the filling degree is 0.0, the shear stress of rock joint increases non-linearly with the increase of shear displacement, and the maximum shear stress rises with the increase of normal stiffness; under the same normal stiffness(K_n=20 kN/mm)condition, the shear stress of rock joint increases non-linearly with increasing shear displacement at filling degrees of 0.5 and 1.0, whereas it steadily increases at filling degrees of 1.5 and 2.0; the maximum shear stress of rock joint decreases nonlinearly with the increase of filling degree, and the critical filling degree is between 1.5 and 2.0; the dilatancy of weak interlayer rock joint decreases with the increase of normal stiffness, and as the filling degree continues to increase, the normal displacement gradually changes from shear dilatancy to shear contraction, and the failure mode becomes interlayer shear failure.[Conclusion] The results of this study provide an experimental basis for the stability evaluation of weak interlayer surrounding rock in underground engineering.

Keywords：rock joint; weak interlayer; constant normal stiffness; filling degree; shear characteristics

引言

软弱夹层具有低强度、高变形等特性,是岩石结构面发生失稳破坏的重要原因^[1-2]。在深埋地下工程中,软弱岩石结构面受周围岩体的刚度限制,其界面剪胀效应趋于减弱,降低了剪切错动的发生概率,如工况锚固岩体边坡、隧道围岩等岩石结构面通常也处于常法向刚度条件下,其失稳破坏与法向加载条件有关^[3-4]。因此,开展常法向刚度(constant normal stiffness, CNS)条件下岩体结构面稳定性评价对地下工程具有重要的意义。

法向应力是影响岩石结构面抗剪强度和剪胀变形的关键因素。Huang等^[5]采用水泥砂浆材料预制多尺寸结构面试样,发现小尺寸结构面的抗剪强度随法向应力增大显著增强。Jiang等^[6]开展了常法向应力(constant normal loading, CNL)和CNS条件下无充填的石膏结构面直剪试验,发现CNS条件下结构面抗剪强度明显高于CNL条件下。韩观胜^[7]发现常法向刚度条件下石膏结构面的剪应力达到初始峰值后仍继续缓慢上升,曲线峰值特征不明显。刘日成等^[8]也找到了类似规律,指出石膏结构面的剪应力-剪切位移曲线的峰后特征由法向刚度值决定。吴家红等^[9]建立了CNS条件下岩石结构面的剪胀模型,与CNL条件对比后发现,结构面剪胀角受法向刚度影响,且结构面的起伏形貌与剪胀变形密切相关。Lee等^[10]也指出结构面膨胀率随剪切位移的变化受法向刚度影响。

有无充填介质也是影响岩石结构面剪切破坏模式和抗剪强度的重要因素。肖维民等^[11]选取低充填度的岩石结构面,发现其剪损区域随着法向应力的增加明显扩大。罗战友等^[12]通过对比不同起伏形貌下无充填结构面剪切破坏模式的差异,发现粗糙起伏形貌较大时结构面以爬坡和剪断耦合破坏为主。连莲^[13]观察到加锚充填结构面的抗剪强度随粗糙度系数(joint roughness coefficient, JRC)值增大逐渐增加。

综上所述,国内外研究者主要探讨了常法向应力或常法向刚度条件下相似材料的无充填结构面剪切特性及破坏模式,而开展常法向刚度条件下不同充填度的原岩结构面直剪试验研究的较少。因此,本研究将考虑充填度及法向刚度对原岩结构面抗剪强度的影响,以获得常法向刚度条件下软弱夹层结构面剪切特性的变化规律,且与Indraratna等^[14]218提出的抗剪强度公式计算值进行了对比。

1 试验条件及方案1.1 多功能岩土体接触破损测试系统

基于自主研发的多功能岩土体接触破损测试系统^[15],编制了符合常法向刚度边界条件的程序并植入计算机内,试验仪器及常法向刚度条件参数如图1所示,测试系统试验参数见表1。通过垂向力和切向位移双向闭环控制,设定施加速度分别为24 kN/min、1 mm/min,剪切位移最大值为20 mm。

图1 直剪试验仪器及常法向刚度条件参数<br/>Fig.1 Direct shear test apparatus and parameters of constant normal stiffness condition

图1 直剪试验仪器及常法向刚度条件参数
Fig.1 Direct shear test apparatus and parameters of constant normal stiffness condition

表1 多功能岩土体接触破损测试系统试验参数
Table 1 Test parameters of multi-functional rock-soil contact damage test system

表1 多功能岩土体接触破损测试系统试验参数<br/>Table 1 Test parameters of multi-functional rock-soil contact damage test system

1.2 岩样制备和形貌选取

基于Barton经典形貌曲线的粗糙度系数,采用3D雕刻技术获取尺寸为100 mm×100 mm×50 mm的辉绿岩结构面下盘(JRC=9),其起伏形貌如图2所示,其形貌平均起伏度(ɑ)为3.07 mm。采用MATEST C089-19CR岩石三轴仪对辉绿岩试样进行单轴抗压强度测试,测得其单轴抗压强度为156.09 MPa。

图2 结构面下盘(JRC=9)起伏形貌<br/>Fig.2 Fluctuation morphology of joint footwall(JRC=9)

图2 结构面下盘(JRC=9)起伏形貌
Fig.2 Fluctuation morphology of joint footwall(JRC=9)

1.3 软弱夹层的选取及质量

考虑到岩石软硬度与软弱夹层材料的选取密切相关,因此选择辉绿岩的岩屑作为硬质岩石的软弱夹层材料^[16]。通过试验发现,软弱夹层质量与厚度之间的关系如下:

m_soil=αt。 (1)

式(1)中:m_soil为软弱夹层质量; α为经验系数; t为软弱夹层厚度。

根据质量守恒原则,110 g充填材料预压(10.2 kg)后厚度t为8 mm,由式(1)得经验系数α为 13.75 g/mm。充填度(Δ)为软弱夹层厚度(t)与结构面平均起伏度(ɑ)的比值^[17],则根据式(1)可得不同充填度对应的软弱夹层厚度及质量,见表2。

表2 软弱夹层厚度及质量
Table 2 Thickness and quality of weak interlayer

表2 软弱夹层厚度及质量<br/>Table 2 Thickness and quality of weak interlayer

1.4 直剪试验方案

通过预直剪试验发现,高法向刚度条件下法向应力加载变化量超过岩石抗压强度,结构面上下盘出现纵向贯通裂缝,为确定法向刚度取值范围,结合Indraratna等^[14]216提出的法向刚度公式,最终确定法向刚度(K_n)为10、20、40 kN/mm。充填度是影响结构面抗剪强度的关键因素,为进一步探究不同充填度条件下结构面剪切特性的变化规律^[18-19],取充填度Δ为0.0、0.5、1.0、1.5、2.0,软弱夹层结构面预压后的试样如图3所示,具体试验方案见表3。

图3 不同充填度条件下软弱夹层结构面预压后的试样<br/>Fig.3 Weak interlayer rock joint samples after preloading under different filling degree conditions

图3 不同充填度条件下软弱夹层结构面预压后的试样
Fig.3 Weak interlayer rock joint samples after preloading under different filling degree conditions

表3 试验方案
Table 3 Test scheme

2 不同充填度条件下结构面剪切特性规律2.1 剪应力-剪切位移关系

同一法向刚度(20 kN/mm)不同充填度条件下结构面剪应力-剪切位移曲线如图4所示,同一法向刚度(20 kN/mm)不同充填度条件下结构面剪损破坏特征如图5所示。

图4 不同充填度条件下结构面剪应力-剪切位移曲线<br/>Fig.4 Shear stress-shear displacement curves of rock joint under different filling degree conditions

图4 不同充填度条件下结构面剪应力-剪切位移曲线
Fig.4 Shear stress-shear displacement curves of rock joint under different filling degree conditions

图5 不同充填度条件下结构面剪损破坏特征<br/>Fig.5 Shear failure characteristics of rock joint under different filling degree conditions

图5 不同充填度条件下结构面剪损破坏特征
Fig.5 Shear failure characteristics of rock joint under different filling degree conditions

由图4和图5可知:1)无充填度(Δ=0.0)及低充填度(Δ=0.5)时剪应力随剪切位移的增加呈振荡上升趋势,均无明显峰值特征,且相比无充填结构面,充填度为0.5时剪应力-剪切位移曲线振荡幅度明显减小,其原因是软弱夹层的存在减少了结构面上下盘间起伏形貌的接触面积,从而导致起伏形貌对剪应力-剪切位移曲线振荡幅度的影响逐渐降低; 中充填度(Δ=1.0)时剪应力随剪切位移的增加呈非线性增长; 高充填度(Δ=1.5、2.0)时剪应力随剪切位移的增加而增加并趋于稳定,均无明显的峰值特征。2)剪切破坏模式随充填度的增加发生明显变化。无充填度(Δ=0.0)及低充填度(Δ=0.5)时结构面以起伏形貌剪损破坏为主,其原因是结构面起伏形貌对界面抗剪起强化作用; 高充填度(Δ=2.0)时以夹层剪切破坏为主,其原因是软弱夹层完全覆盖结构面起伏形貌,充填介质剪切挤碎占主导地位。

2.2 法向位移与充填度的关系

同一法向刚度(20 kN/mm)不同充填度条件下结构面法向位移的变化规律如图6所示,由图可知:1)不同充填度条件下结构面剪胀特性不一致。当充填度介于0.0～1.5时,结构面均为剪胀变形,且同一剪切位移条件下,剪胀变形量随充填度增加而逐渐减小,其原因是软弱夹层的存在削弱了起伏形貌凸体的爬坡效应; 而充填度为2.0时,结构面为剪缩变形,剪缩量随剪切位移的增加而缓慢增加直至稳定,其原因是软弱夹层密实度较小,压缩现象凸显。2)最大法向位移随充填度增加呈非线性减小的趋势,同比降幅分别为47.50%、39.49%、63.22%、26.63%,其原因是结构面上下盘间的咬合接触面积随充填度的增加逐渐减小,界面剪胀效应开始趋于弱化。

图6 不同充填度条件下结构面法向位移的变化规律<br/>Fig.6 Regularities of normal displacement of rock joint under different filling degree conditions

图6 不同充填度条件下结构面法向位移的变化规律
Fig.6 Regularities of normal displacement of rock joint under different filling degree conditions

2.3 最大剪应力与充填度的关系

当结构面剪应力-剪切位移曲线有明显峰值时,取最高点为最大剪应力; 当曲线无明显峰值时,取剪切位移20 mm时为最大剪应力。不同法向刚度条件下结构面最大剪应力与充填度的关系如图7所示,由图可知:同一法向刚度下结构面最大剪应力均随充填度的增加呈先非线性减小后趋于稳定的趋势,且当充填度从0.0增加至2.0时,3种法向刚度(10、20、40 kN/mm)下结构面最大剪应力降幅分别为37.59%、56.15%、72.46%。其原因是抗剪强度由结构面起伏形貌承担转变为由软弱夹层完全承担,软弱夹层的存在显著降低了结构面的最大剪应力。

图7 不同法向刚度条件下结构面最大剪应力与充填度的关系<br/>Fig.7 Relationship between maximum shear stress and filling degree of rock joint under different normal stiffness conditions

图7 不同法向刚度条件下结构面最大剪应力与充填度的关系
Fig.7 Relationship between maximum shear stress and filling degree of rock joint under different normal stiffness conditions

3 不同法向刚度条件下结构面剪切特性规律3.1 剪应力-剪切位移关系

同一充填度不同法向刚度条件下结构面剪应力-剪切位移曲线如图8所示,由图可知:无充填(Δ=0.0)时,结构面剪应力随法向刚度的增大不断波动上升,同一剪切位移(20 mm)条件下剪应力受法向刚度的影响最大,提高了102.18%; 低充填度(Δ=0.5)时,剪应力随法向刚度的增大逐渐增加,当法向刚度从10 kN/mm增大到40 kN/mm时,剪应力最大提高了49.41%,其原因是在法向刚度作用下法应力增量受软弱夹层爬坡效应与结构面起伏形貌剪胀效应共同控制,法应力主导剪应力增长幅度; 高充填度(Δ=2.0)时,结构面剪应力随法向刚度的增大逐渐降低,峰后软化特征较为明显,剪应力降幅最大为26.14%。

图8 不同法向刚度下结构面剪应力-剪切位移曲线<br/>Fig.8 Shear stress-shear displacement curves of rock joint under different normal stiffness conditions

图8 不同法向刚度下结构面剪应力-剪切位移曲线
Fig.8 Shear stress-shear displacement curves of rock joint under different normal stiffness conditions

3.2 法向位移与法向刚度的关系

不同法向刚度条件下结构面法向位移的变化规律如图9所示,由图可知:不同法向刚度条件下,充填度为0.0和0.5时的结构面法向位移-剪切位移曲线变化规律类似,其剪胀量随法向刚度的增大均逐渐减小,且当法向刚度从10 kN/mm增大到20 kN/mm时,无充填结构面剪胀量同比减小了16.73%,随着法向刚度继续增大至40 kN/mm,剪胀量又减小了42.24%; 充填度为0.5时,剪胀量同比分别减小了16.72%、12.18%,其减小幅度相对低于无充填结构面,其原因是法向刚度越大,无充填结构面起伏形貌磨损越严重,界面平整度越高,而含软弱夹层的结构面表面部分区域被充填介质填平,剪胀量明显减小,法向刚度的影响减弱; 不同法向刚度条件下充填度为2.0时结构面法向位移均呈剪缩特征,此时软弱夹层以剪缩变形为主导,作用于结构面上的法向应力随法向刚度的增大逐渐降低。

图9 不同法向刚度条件下结构面法向位移的变化规律<br/>Fig.9 Regularities of normal displacement of rock joint under different normal stiffness conditions

图9 不同法向刚度条件下结构面法向位移的变化规律
Fig.9 Regularities of normal displacement of rock joint under different normal stiffness conditions

3.3 最大剪应力与法向刚度的关系

不同充填度条件下结构面最大剪应力与法向刚度的关系如图 10所示,由图可知:结构面最大剪应力随法向刚度的增大呈两种变化特征。当充填度介于0.0～1.0时,结构面最大剪应力随法向刚度的增大均呈非线性增长趋势,其原因是充填度介于0.0～1.0时起伏形貌对结构面抗剪性能起主导作用,界面剪胀效应随着剪切位移增加更加显著,而法向应力增量与界面剪胀效应呈正相关,法向刚度增大将显著提升法向应力的增长速率,此时最大法应力主导最大剪应力的涨幅; 充填度大于1.0时,结构面最大剪应力随法向刚度增大呈线性减小趋势,平均减小幅度为11%,其原因是软弱夹层较厚时以夹层剪缩变形为主,在法向刚度作用下结构面上的法向应力逐渐减小,结构面最大剪应力也趋于降低。

图 10 不同充填度条件下结构面最大剪应力与法向刚度的关系<br/>Fig.10 Relationship between maximum shear stress and normal stiffness of rock joint under different filling degree conditions

图 10 不同充填度条件下结构面最大剪应力与法向刚度的关系
Fig.10 Relationship between maximum shear stress and normal stiffness of rock joint under different filling degree conditions

3.4 分析与评价

临界充填度是决定岩石结构面抗剪性能的关键因素,Indraratna等^[14]218提出的不同临界充填度的结构面抗剪强度模型如下:

式(2)中:τ_p为峰值抗剪强度; σ_n为法向应力; φ_b为基本摩擦角; i₀为起伏角; φ_fill为充填介质的内摩擦角; k为充填度; k_cr为临界充填度1; α及β为经验常数,与结构面粗糙特性及充填介质类型相关。

为了更好地评价常法向刚度条件下软弱夹层结构面最大剪应力的准确性,对不同临界充填度(Δ_cr=1.0、1.5)条件下结构面最大剪应力实测值与Indraratna公式计算值做对比,见表4。由表4可知:当临界充填度为1.0时,结构面最大剪应力实测值与计算值的平均偏差率为45.35%; 而当临界充填度为1.5时,平均偏差率为8.20%。这表明常法向刚度条件下结构面粗糙系数较大且临界充填度为1.5时,Indraratna公式计算值的误差较小。

表4 最大剪应力实测值与Indraratna公式计算值对比
Table 4 Comparison between measured and calculated values of Indraratna formula of maximum shear stress

表4 最大剪应力实测值与Indraratna公式计算值对比<br/>Table 4 Comparison between measured and calculated values of Indraratna formula of maximum shear stress

4 结论

本研究采用3D雕刻技术制作了15组岩石结构面上下盘试样,利用多功能岩土体接触破损测试系统,开展了不同充填度及法向刚度下结构面的剪切试验,获得常法向刚度条件下软弱夹层结构面的剪切特性变化规律,主要结论如下:

1)同一法向刚度不同充填度条件下结构面剪应力-剪切位移曲线变化趋势存在明显差异。低充填度(Δ=0.0、0.5)时,剪应力随剪切位移的增加呈非线性振荡上升趋势; 中充填度(Δ=1.0)时,剪应力随剪切位移的增加呈非线性增长趋势; 高充填度(Δ=1.5、2.0)时,剪应力随剪切位移的增加而增加并趋于稳定值。

2)不同充填度条件下结构面剪应力随法向刚度变化规律有明显差异。无充填(Δ=0.0)时,结构面剪应力随法向刚度的增大不断波动变化; 低充填度(Δ=0.5)时,结构面剪应力随法向刚度的增大逐渐增加; 高充填度(Δ=2.0)时,结构面剪应力随法向刚度的增大而逐渐降低。

3)充填度是影响结构面剪胀特性的关键因素。随着充填度的增加,法向位移由剪胀逐渐转为剪缩变形,结构面起伏形貌受损程度逐渐降低直至无明显磨损,破坏模式也由界面剪损破坏转变为夹层剪切破坏。

4)结构面最大剪应力随充填度的增加呈非线性减小趋势,且临界充填度介于1.5～2.0之间; 基于Indraratna公式计算同一充填度下结构面的最大剪应力值,发现临界充填度为1.5时计算值与实测值偏差相对较小。

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