软弱夹层在岩体中具有结构松散、力学性能较差等特征,常导致岩石结构面边坡失稳发生^[1]。软弱夹层加固是提高岩体强度、防止边坡发生失稳的重要手段,且受充填度的影响较大。因此开展对软弱夹层加固结构面剪切特性的研究,对工程边坡失稳防治具有一定的参考意义。

在室内直剪试验方面,大多研究者常采用注浆的方法对结构面进行加固。通过对岩体结构面进行注浆加固并展开直剪试验发现:影响结构面抗剪强度和破坏模式的主要因素分别为充填度^[2]、法向应力^[3-4]、水灰比^[5-6]及注浆材料抗压强度^[7]; 注浆加固会显著提升结构面间的黏聚力和抗剪强度^[8-10]。岩石结构面的剪切性能和变形特性与其破坏模式相关,赵军等^[11]对不同水灰比水泥注浆加固后的锯齿结构面进行直剪试验,得到了岩石界面剪切破坏模式从峰值抗剪强度前的黏结力破坏逐渐转化为滑移破坏的规律。

基于直剪试验结果,在理论模型方面也有不少相关的研究。Barton^[12]基于直剪试验分析了多组结构面的形貌及粗糙度参数,得到了不规则结构面的峰值抗剪强度模型。Zhao等^[13]在Barton研究的基础上,建立了充填度影响条件下的节理粗糙系数-节理壁面强度(joint roughness coefficient-joint wall compressive strength, JRC-JCS)修正模型。郑卓等^[14]基于无黏结强度时结构面的抗剪强度模型,建立了单一界面条件下注浆加固体的抗剪强度模型,找到了黏结力对结构面剪切特性的影响规律。罗战友等^[15]基于等权重系数法开展了结构面峰值抗剪强度评价,得到了大尺度结构面峰值抗剪强度预测值,且与实测值较为接近。孙辅庭等^[16]通过室内试验和理论分析的方法将充填水泥浆岩石节理的峰值抗剪强度模型的预测值与试验数据进行比较,发现结果较为吻合。

综上所述,众多国内外研究者对岩石结构面加固的剪切特性展开了大量室内试验及理论模型研究,而对含软弱夹层岩石结构面加固后的相关研究尚显不足,特别是在充填度对抗剪强度的影响方面。因此,本研究基于3D雕刻技术制作了具有不同充填度的软弱夹层加固结构面试样,采用课题组自主研发的多功能岩土体接触破损测试系统开展了室内直剪试验,获得了充填度对结构面抗剪强度的影响规律,并基于JRC-JCS抗剪强度模型提出了充填度和黏聚力影响条件下的软弱夹层加固结构面抗剪强度模型。

为了能较好地还原岩体物理力学特性并观察加固效果,结构面上下盘均取自原位现场的红砂岩。红砂岩是沉积岩的一种,具有强度低、易崩解的特性,主要由石英、长石、方解石及少量蒙脱石组成,经单轴抗压强度试验测得其抗压强度为43.20 MPa。试验采用人工复制天然结构面形貌,选取粗糙度系数(joint roughness coefficient, JRC)为5的巴顿(Barton)典型结构面形貌,引入3D雕刻技术制作上下盘结构面(尺寸为100 mm×100 mm×50 mm),突破现场取样的限制,从而确保岩石结构面试样的力学性质和形貌一致性,岩石结构面起伏形貌制作如图1所示。

图1 岩石结构面起伏形貌制作
Fig.1 Production of rock joint fluctuation morphology

采用原位现场工程岩体中常见的淤泥质黏土作为制作软弱夹层的材料。淤泥质黏土具有高含水量、低强度、压缩性强、塑性高等性状,整体呈褐灰色,土质不均匀,且承载力较低,作为软弱夹层会大幅削弱岩体稳定性,软弱夹层相关参数见表1。为尽量还原现场土样的天然状态,将取回的土样先放入105 ℃烘箱内进行24 h烘干处理,然后用岩石破碎机研磨得到粉末状土样,最后加入水制成含水率为45%的软弱夹层。

表1 软弱夹层相关参数
Table 1 Related parameters of weak interlayer

试验选取28 d抗压强度为42.5MPa的普通硅酸盐水泥作为加固材料。根据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》规定,饱和土水灰比宜为0.45～0.65,由于试验采用的软弱夹层是淤泥质黏土,属于饱和土,具有高含水率、低强度等特点,因此采用较小的水灰比更合适,故选择水灰比为0.45。考虑经济因素和加固效果,水泥掺入比选择20%。最终测得养护7 d后100 mm×100 mm×100 mm的软弱夹层加固体单轴抗压强度为2.03 MPa,经加固后的软弱夹层强度有所提升,其可塑性和压缩性变低。

工程中常采用注浆加固结构面的方法,考虑到软弱夹层厚度较薄及室内试验操作的可行性,采用均匀加固的方法模拟注浆加固中浆液充分扩散至软弱夹层各部位的理想试验状态,严格控制变量以确保充填厚度的均匀一致,从而重点研究软弱夹层加固后结构面的剪切力学特性。

通过试验发现软弱夹层加固体质量与厚度之间存在如下关系:

m=αt。 (1)

式(1)中:m为软弱夹层加固体质量; α为经验系数; t为软弱夹层加固体厚度。根据岩石的种类和软弱夹层加固体的性质,经过多次试验获得经验系数为17.40 g/mm。

表2 不同充填度对应的软弱夹层加固体质量
Table 2 Quality of weak interlayer reinforcement corresponding to different filling degrees

充填度是软弱夹层加固结构面的重要影响因素,为了获得软弱夹层加固体的质量,需要先计算其相应的厚度,而充填度k为软弱夹层加固体厚度t与岩石结构面平均起伏度a的比值,最后通过式(1)计算出不同充填度对应的软弱夹层加固体质量(表2)。

软弱夹层加固结构面试样的制备流程如下:1)采用岩石雕刻机制备结构面上下盘,在其表面涂抹蓝色水性防水漆并晾干; 2)根据配比称量相应质量的软弱夹层、水泥和水,充分搅拌后制成加固体试样,按表1中软弱夹层厚度对应的加固体质量向结构面上下盘之间充填加固体; 3)将中间加固体部位用保鲜膜包裹住,防止水分蒸发,待其终凝24 h后放入水中养护7 d; 4)到达养护龄期后开始脱模,最终得到不同充填度的软弱夹层加固结构面试样。软弱夹层加固结构面试样的制备流程如图2所示。

图2 软弱夹层加固结构面试样的制备流程
Fig.2 Preparation process of rock reinforced joint specimen with weak interlayer

软弱夹层加固结构面试件直剪试验采用了多功能岩土体接触破损测试系统(图3),该仪器法向力和切向力最大荷载均为1 000 kN,最大剪切位移可达200 mm。法向应力控制加载速率为24 kN/min; 切向剪切速率控制在0.50 mm/min,当剪切位移达到8 mm时停止试验。软弱夹层加固结构面试样在5种不同充填度下进行直剪试验,并对每组试验开展2次平行试验,共计10组。软弱夹层加固结构面试验方案见表3。

图3 多功能岩土体接触破损测试系统
Fig.3 Multi-functional rock and soil contact damage test system

表3 软弱夹层加固结构面试验方案
Table 3 Test scheme of rock reinforced joint with weak interlaye

对粗糙度系数为5的软弱夹层加固结构面试件进行相同法向应力条件下5种不同充填度的直剪试验,得到了软弱夹层加固结构面直剪试验结果。下面将从软弱夹层加固结构面剪切应力-剪切位移曲线、剪胀曲线和结构面剪切破坏模式3个方面进行分析,并对软弱夹层结构面加固前后的剪切特性进行对比。

不同充填度条件下剪切应力-剪切位移曲线如图4所示。由图4可知:1)无充填结构面随着剪切位移的增大剪切应力逐渐升高,达到峰值后剪切应力下降明显。其主要原因是结构面受起伏形貌的影响,发生爬坡与啃断耦合破坏,当起伏形貌被啃断后,形成破坏面,使得结构面抗剪能力下降,导致剪切应力下降明显。2)软弱夹层加固结构面在不同充填度条件下的剪切应力与剪切位移曲线的变化规律基本上一致,表现出峰后软化现象,且曲线存在明显的峰值抗剪强度,随充填度的增加呈现先增大后减小的规律。其主要原因是软弱夹层加固体和岩石上下盘之间存在黏结力,起到限制结构面爬坡的作用,当加固体被剪断(夹层与上下盘黏结作用失效)时,剪切应力达到峰值。

图4 不同充填度条件下剪切应力-剪切位移曲线
Fig.4 Shear stress-shear displacement curves under different conditions of filling degrees

不同充填度条件下法向位移-剪切位移曲线如图5所示。由图5可知,不同充填度条件下的软弱夹层加固结构面均出现向上的法向位移(剪胀),随着充填度的增加剪胀量逐渐减小,且剪胀曲线呈现出明显的先陡后缓两阶段变化特征,分别对应剪切应力和剪切位移曲线的峰前和峰后阶段。其主要原因是软弱夹层通过加固措施降低了压缩性,导致结构面起伏形貌引起的剪胀量大于软弱夹层加固体之间的压缩量,从而整体产生剪胀。

图5 不同充填度条件下法向位移-剪切位移曲线
Fig.5 Normal displacement-shear displacement curves under different conditions of filling degrees

为了分析充填度对软弱夹层加固结构面剪切破坏模式的影响,故对试验结果进行分析。不同充填度条件下软弱夹层加固结构面剪切破坏模式如图6所示,其中试件破坏区域标注为红色,箭头表示剪切方向。由图6可知,当充填度较小时(k≤0.25)结构面上下盘存在剪损区,充填度较小的结构面剪切破坏模式主要为加固体的脱离和结构面起伏形貌啃断的耦合破坏; 当充填度较大时(k≥0.50)结构面上下盘基本上无磨损,软弱夹层加固结构面试样的破坏已经不再是耦合破坏,而是软弱夹层加固体自身的剪断破坏。

图6 不同充填度条件下软弱夹层加固结构面剪切破坏模式
Fig.6 Shear failure mode of rock reinforced joint with weak interlayer under different conditions of filling degrees

为了对比软弱夹层结构面加固前后剪切特性的变化情况,对粗糙度系数为5、充填度为1.00条件下的直剪试验结果进行分析,加固前后剪切应力-剪切位移曲线对比如图7所示。由图7可知:未加固的软弱夹层结构面剪切应力与剪切位移曲线无明显峰后软化特征; 而软弱夹层加固结构面剪切应力与剪切位移曲线达到峰值后下降明显,曲线呈现出先上升后下降最后趋于平稳的变化特点; 且峰值抗剪强度较加固前有显著提升,提升幅度在70%左右。

图7 加固前后剪切应力-剪切位移曲线对比
Fig.7 Comparison of shear stress and shear displacement curve before and after reinforcement

Barton^[12]基于大量直剪试验提出了无夹层JRC-JCS抗剪强度模型:

式(2)中:τ_p为结构面抗剪强度; σ_n为法向应力; φ_b为基本摩擦角; c_JR为粗糙度系数; sJC为壁岩抗压强度。</sub>

由式(2)可知,针对无夹层结构面,JRC-JCS抗剪强度模型主要体现了起伏形貌对峰值摩擦角的影响。由直剪试验结果可知,在软弱夹层加固结构面中峰值摩擦角会随着充填度的增大逐渐减小,而加固体与岩石界面之间的黏聚力随着充填度的增大先上升后趋于稳定,达到界限充填度时峰值抗剪强度最大。由于充填度和黏聚力对结构面峰值抗剪强度有影响,故对Barton模型进行了修正,建立软弱夹层加固结构面抗剪强度模型。由图4可知,软弱夹层加固结构面的峰值抗剪强度随充填度的增大呈先上升后下降的趋势,因此采用分段函数形式,取峰值抗剪强度最大时对应的充填度为界限充填度,对式(2)进行如下改进:

式(3)中:k_cr为界限充填度; λ₁、λ₂为关于充填度k的函数; c_fill为软弱夹层加固体的黏聚力。

为了拟合峰值抗剪强度和充填度的关系式,先对起伏形貌c_JR为5的峰值抗剪强度进行归一化,归一化后的试样峰值抗剪强度见表4。

表4 归一化后的试样峰值抗剪强度
Table 4 Normalized peak shear strength of joints

图8 归一化后的峰值抗剪强度-充填度的关系曲线
Fig.8 Normalized relationship curve between peak shear strength and filling degree

由表4可知,归一化后的峰值抗剪强度与充填度的关系为先递增再递减,关系曲线如图8所示,其关系式分别如下:

根据平坦红砂岩在不同法向应力下的直剪试验得到结构面基本摩擦角为29.80°,结构面壁岩抗压强度为43.20 MPa,软弱夹层加固体的黏聚力为0.45 MPa。根据试验分析发现粗糙度系数为5和9对应的界限充填度k_cr均为0.50,将式(3)～(5)联立,得到软弱夹层加固结构面抗剪强度模型(其中k_cr界限值取0.50):

为了更加准确地评价修改后的模型,利用式(6)获得了粗糙度系数为9的峰值抗剪强度预测值,并与其实测值进行对比验证,如图9所示。

图9 粗糙度系数为9的峰值抗剪强度实测值与预测值对比
Fig.9 Comparison of measured and predicted values of peak shear strength of c/sub>JR 9

峰值抗剪强度实测值与预测值及其偏差率计算结果见表5。由表5可知,修正后的峰值抗剪强度预测值与实测值较为吻合,其平均偏差率为2.60%,这表明建立的该抗剪强度模型能较准确地估算不同起伏形貌对应充填度的软弱夹层加固结构面峰值抗剪强度,并且能满足工程需求。

表5 峰值抗剪强度实测值与预测值及其偏差率计算结果
Table 5 Measured and predicted values of peak shear strength and calculation results of deviation rate

本研究采用多功能岩土体接触破损测试系统,开展了相同法向应力条件下软弱夹层加固结构面的剪切特性试验研究,分析了抗剪强度与系列充填度之间的变化规律,主要结论如下:

1)不同充填度条件下的软弱夹层加固结构面剪切应力与剪切位移曲线变化规律基本上一致,曲线存在明显的峰值抗剪强度,且随充填度的增加呈现先增大后减小的规律。

2)不同充填度条件下的软弱夹层加固结构面均表现出剪胀特征,随着充填度的增加剪胀量逐渐减小,且剪胀曲线呈现出明显的先陡后缓两阶段变化特征,分别对应剪切应力与剪切位移曲线的峰前和峰后阶段。

3)低充填度条件下,软弱夹层加固结构面剪切破坏模式为加固体脱离和结构面起伏形貌啃断的耦合破坏; 高充填度条件下,破坏模式主要为软弱夹层加固体自身的剪断破坏。

4)基于Barton提出的无充填JRC-JCS结构面抗剪强度模型,建立了考虑充填度影响的软弱夹层加固结构面抗剪强度模型,经验证本模型与实测值较为吻合,其平均偏差率为2.60%,能满足工程需求。