壁面強(qiáng)度及粗糙度對(duì)含軟弱夾層巖體影響研究

徐成華， 卜爭(zhēng)軍， 眭敏磊， 李 凱

（1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì)，南京 210041； 2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100）

巖體在構(gòu)造應(yīng)力以及各種化學(xué)生物作用下，內(nèi)部會(huì)形成大量的諸如節(jié)理裂隙、層理斷層等結(jié)構(gòu)面. 結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)決定了裂隙巖體具有不均勻、不連續(xù)、非彈性和各向異性的特點(diǎn)，軟弱夾層作為一種特殊的結(jié)構(gòu)面，從1960 年提出以來一直是研究的一個(gè)重點(diǎn)方向. 軟弱夾層的巖性、分布、強(qiáng)度、層位等都是重點(diǎn)研究的對(duì)象，大量的工程實(shí)踐也證明，軟弱夾層復(fù)雜且難以處理，其引起的破壞形式多樣，包括滑坡、傾倒、崩塌等［1-4］.不恰當(dāng)?shù)奶幚矸绞綍?huì)對(duì)工程造成毀滅性的破壞，影響人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全［5］.

目前，研究者們通過室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)［6-7］、模型試驗(yàn)［8-9］以及數(shù)值模擬［10-11］對(duì)軟弱巖層已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，并且取得了一定的成果. 王智［12］對(duì)路塹中軟弱夾層的抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行分析，探討了不同傾角的軟弱夾層對(duì)滑移面和強(qiáng)度的影響；許飛等［13］以某地區(qū)內(nèi)巖質(zhì)邊坡為例，分析了顆粒大小和巖層厚度對(duì)軟弱夾層穩(wěn)定性的影響；肖劍飛［14］選擇了不同的邊坡作為研究對(duì)象，通過對(duì)德魯克-普拉格屈服準(zhǔn)則、Mises屈服準(zhǔn)則和傳統(tǒng)的摩爾庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行了系統(tǒng)的比對(duì)，分析了不同含有軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定性；曲永新［15］通過試驗(yàn)，確認(rèn)了軟弱夾層破壞的原理是在破壞的過程中，巖層的交界面發(fā)生了應(yīng)力集中，產(chǎn)生了剪切應(yīng)力；殷勇和周國(guó)慶［16］通過塑性極限分析法對(duì)軟弱夾層邊界應(yīng)力條件分析表明，夾層上下邊界粗糙度會(huì)對(duì)極限荷載造成影響；鞠楊等［17］綜合使用了3D 打印、計(jì)算機(jī)三維重構(gòu)、巖石CT 成像的技術(shù)制作了含有復(fù)雜裂紋的煤巖夾層模型，并定量地觀察了單軸壓縮試驗(yàn)中裂紋內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)的變化，驗(yàn)證了3D 打印出的模型的單軸抗壓強(qiáng)度和泊松比等力學(xué)性能指標(biāo)和天然裂紋模型相近，能夠替代試驗(yàn)；肖維民等［18］基于3D 打印技術(shù)對(duì)正六棱柱形的節(jié)理巖體進(jìn)行了三維建模，采用白水泥漿進(jìn)行了澆筑填充，得到的模型進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，經(jīng)過試驗(yàn)分析了六棱柱形節(jié)理巖體的變形特征和強(qiáng)度特征，得到了較好的結(jié)果，證明了3D 打印技術(shù)能夠很好地考慮巖體節(jié)理特征和對(duì)巖體強(qiáng)度的弱化效應(yīng)，能夠滿足室內(nèi)試驗(yàn)的要求；張海太等［19］以西南某高速公路跨越金沙江大橋?yàn)橐劳校Y(jié)合室內(nèi)邊坡模型和有限元模型研究了橋基下方軟弱夾層的存在對(duì)邊坡變形的影響；孔令亞等［20］綜合分析了含水率、夾層厚度對(duì)軟弱夾層剪切力學(xué)特性的影響；郭明珠等［21］通過振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究了強(qiáng)震作用下含軟弱夾層順層巖質(zhì)斜坡的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律；

早期的巖體破壞研究往往集中于結(jié)構(gòu)面，而很少探討結(jié)構(gòu)面壁面力學(xué)性質(zhì)對(duì)軟弱夾層力學(xué)性質(zhì)的影響. 目前對(duì)軟弱夾層的研究集中于軟弱夾層本身的性質(zhì)，例如軟弱夾層的礦物組成、成因、傾角等，但是結(jié)構(gòu)面壁面對(duì)軟弱夾層的力學(xué)特性依然有著重要的影響，針對(duì)結(jié)構(gòu)面和軟弱夾層相互作用導(dǎo)致的強(qiáng)度變化的研究具有重要理論意義和工程意義. 基于此，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了結(jié)構(gòu)面壁面強(qiáng)度及粗糙度對(duì)軟弱夾層強(qiáng)度特性和破壞特性的影響.

1 材料與試驗(yàn)

1.1 材料選取及試樣制備

采用試驗(yàn)手段對(duì)含結(jié)構(gòu)面的試樣進(jìn)行剪切變形和破壞機(jī)理研究時(shí)，需要對(duì)多種條件下的試樣進(jìn)行大量平行試驗(yàn)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)取樣難度大，且原狀樣本身差異性大，難以通過控制變量來滿足室內(nèi)試驗(yàn)的需求，因此采用類巖石材料制作試樣，該試樣性質(zhì)穩(wěn)定、與野外巖石強(qiáng)度相近且能大量重復(fù)制作. 通過以往學(xué)者的研究和強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比，最終選取C32.5硅酸鹽水泥為凝膠材料，選取粒徑1 mm的干燥河砂作為集料，不同的配比可以形成不同的壁面強(qiáng)度，此外，石膏作為建筑材料，因其強(qiáng)度低、性質(zhì)穩(wěn)定、可塑性高、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)可以作為軟弱夾層材料.

將確定好水灰比的混凝土加入混凝土攪拌機(jī)，攪拌5 min至混凝土均勻，取150 mm×150 mm×150 mm的立方體試樣盒（圖1），將混凝土快速倒入，靜置1 min后將試樣盒放置到振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)，振動(dòng)過程中混凝土?xí)s使表面下降，在振動(dòng)過程中不斷補(bǔ)充混凝土至表面與試樣盒上沿平齊，使用水泥刀將試樣表面刮平，振動(dòng)3～4 min至表面沒有氣泡產(chǎn)生. 對(duì)于完整巖樣（圖2），只需將振動(dòng)后的試樣靜置24 h后脫模養(yǎng)護(hù)28 d后即可用于測(cè)定強(qiáng)度；對(duì)于試驗(yàn)需要的含軟弱夾層的試樣需要在振動(dòng)過程中隨著振動(dòng)將制作好的插片（圖3）垂直插入試樣正中，保證插片垂直，至不產(chǎn)生氣泡. 保留插片靜置24 h 后脫模養(yǎng)護(hù)28 d（圖4）. 試驗(yàn)中模擬真實(shí)巖樣結(jié)構(gòu)面采用了預(yù)置結(jié)構(gòu)面的方法，插片采用PVC 材料3D 打印而成，PVC 材料材質(zhì)輕、防水防潮、具有較好的抗拉、抗彎性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可以在試驗(yàn)中反復(fù)使用. 本次使用的插片長(zhǎng)14.5 cm、高15 cm、厚0.5 cm，根據(jù)壁面粗糙度不同選擇不同的形狀，插片種類合計(jì)5種，使用3D打印機(jī)打印而成.

圖1 立方體試樣盒圖Fig.1 Cube sample box diagram

圖2 完整試樣Fig.2 Complete sample

圖3 3D打印PVC插片F(xiàn)ig.3 3D printed PVC inserts

圖4 含軟弱夾層試樣Fig.4 Samples with weak interlayer

養(yǎng)護(hù)28 d后取出試樣晾干，將試樣重新置于試樣盒中，兩側(cè)固定. 按水膏比0.4∶1配置石膏，將流體的石膏快速灌入結(jié)構(gòu)面中，待壁面灌滿溢出停止灌漿，靜置5 min待石膏冷凝后將試樣從試樣盒中取出，為保證試樣充分凝固與壁面黏結(jié)，將試樣上放置5 kg配重冷凝靜置1 d之后，試樣可進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn).

1.2 直剪試驗(yàn)

結(jié)構(gòu)面壁面在實(shí)際工程中形態(tài)各異，很難選出具有代表性的壁面進(jìn)行試驗(yàn)，因此采用概化壁面來代替真實(shí)的壁面. 概化的壁面可以通過調(diào)整參數(shù)精確地改變?cè)囼?yàn)中壁面粗糙度. 壁面粗糙度的影響因素主要為壁面起伏高度（h）和起伏角（°），為了便于研究本次試驗(yàn)中壁面的起伏角度均為45°，起伏高度分別設(shè)置為5、10、15、20、25 mm. 壁面強(qiáng)度即為結(jié)構(gòu)面風(fēng)化后殘留的強(qiáng)度，試驗(yàn)中利用混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度作為變量來代替壁面風(fēng)化后強(qiáng)度，通過調(diào)節(jié)水、砂和骨料比來定量控制，共設(shè)置了四種壁面強(qiáng)度，分別為15、20、25、30 MPa.

試驗(yàn)總體遵循《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50266—2013）中直接剪切試驗(yàn)的規(guī)定. 試驗(yàn)設(shè)計(jì)法向應(yīng)力為1.0、2.0、3.0、4.0 MPa，切向應(yīng)力加載速度為0.1 mm/s，剪切時(shí)在剪切儀旁裝置數(shù)碼相機(jī)錄制整個(gè)試驗(yàn)過程中試樣的裂紋變化，試驗(yàn)結(jié)束后將剪切面打開平置在試驗(yàn)臺(tái)上觀察試樣的磨蝕和破碎情況.

2 壁面強(qiáng)度影響分析

保持壁面起伏高度為20 mm，將壁面強(qiáng)度為15、20、25、30 MPa的試樣分別在1.0、2.0、3.0、4.0 MPa法向應(yīng)力下進(jìn)行直剪試驗(yàn)，得到其抗剪強(qiáng)度并分析試驗(yàn)結(jié)果.

2.1 強(qiáng)度特征分析

繪制直剪試驗(yàn)得到的切向位移-切向應(yīng)力曲線圖（見圖5），可以發(fā)現(xiàn)含軟弱夾層巖體的剪切曲線圖和土體的剪切曲線圖類似，達(dá)到峰值強(qiáng)度后不會(huì)出現(xiàn)較大的強(qiáng)度陡降. 在相同的壁面強(qiáng)度下法向應(yīng)力越大，試樣的抗剪切強(qiáng)度越大，這種現(xiàn)象在峰值后的階段更為明顯. 隨著壁面強(qiáng)度的增大，試樣的峰值抗剪強(qiáng)度有所增強(qiáng)，峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的切向位移呈先增大后減小的趨勢(shì). 在壁面強(qiáng)度相對(duì)較低時(shí)（見圖5（a）），試樣剪切初始出現(xiàn)應(yīng)力陡增的現(xiàn)象，分析可能由于壁面出現(xiàn)局部破壞造成，當(dāng)壁面強(qiáng)度相對(duì)較大時(shí)（見圖5（c）（d）），在剪切前期出現(xiàn)壓密階段，這是由于壁面強(qiáng)度相對(duì)軟弱夾層巖體強(qiáng)度較大，此時(shí)壓剪混合作用中壓的作用更為明顯.

圖5 不同法向應(yīng)力下試樣切向位移-切向應(yīng)力曲線圖Fig.5 Tangential displacement-tangential stress curves of samples under different normal stresses

2.2 破壞特征分析

壁面強(qiáng)度的強(qiáng)弱在一定程度上影響著含軟弱夾層巖體的破壞情況，在壁面粗糙度相同的情況下分析壁面強(qiáng)度分別為15、25 MPa和30 MPa含軟弱巖體在1、2、3、4 MPa法向應(yīng)力下的破壞情況.

從試樣的破壞情況可以發(fā)現(xiàn)，在法向應(yīng)力相同的條件下，隨著壁面強(qiáng)度的增加，試樣主破壞裂紋與水平面的夾角越來越?。ㄒ妶D6、7、8），這種規(guī)律在法向應(yīng)力較大時(shí)會(huì)有所變化，此時(shí)隨著壁面強(qiáng)度的增加，試樣主破壞裂紋與水平面的夾角越來越大（見圖9）. 法向應(yīng)力相對(duì)較低時(shí)，壁面強(qiáng)度相對(duì)較弱的巖體主破裂面位于夾層上部左側(cè)位置，壁面強(qiáng)度增大時(shí)，主破裂面向夾層上部右側(cè)位置偏移，且隨著法向應(yīng)力的增大，壁面強(qiáng)度相對(duì)較弱的巖體破裂面逐漸趨于沿著夾層方向，壁面強(qiáng)度較高的巖體主破裂面則恰恰相反，逐漸與夾層面垂直. 壁面強(qiáng)度弱的巖體在四種法向應(yīng)力下破裂面均位于夾層上部，但隨著壁面強(qiáng)度的增加，在相對(duì)較高法向應(yīng)力下的試樣破裂面貫穿巖體上下部，表明在不同法向應(yīng)力下壁面強(qiáng)度對(duì)含軟弱夾層的巖體破壞特性的影響有所不同.

圖6 1 MPa法向應(yīng)力下不同壁面強(qiáng)度試樣破壞圖Fig.6 Failure diagrams of samples with different wall strengths under 1 MPa normal stress

圖7 2 MPa法向應(yīng)力下不同壁面強(qiáng)度試樣破壞圖Fig.7 Failure diagrams of samples with different wall strengths under 2 MPa normal stress

圖8 3 MPa法向應(yīng)力下不同壁面強(qiáng)度試樣破壞圖Fig.8 Failure diagrams of samples with different wall strengths under 3 MPa normal stress

圖9 4 MPa法向應(yīng)力下不同壁面強(qiáng)度試樣破壞圖Fig.9 Failure diagrams of samples with different wall strengths under 4 MPa normal stress

3 壁面粗糙度影響分析

通過設(shè)置壁面起伏高度控制壁面的粗糙度，本文將起伏高度分別設(shè)置為5、10、15、20 mm用于表征不同的粗糙度，起伏高度越大表明壁面的粗糙度越大. 壁面強(qiáng)度為20 MPa保持不變，通過觀察不同粗糙度壁面的試樣在1、2、3、4 MPa法向應(yīng)力下的強(qiáng)度特征和破壞特征，分析壁面粗糙度對(duì)含軟弱夾層巖體造成的影響.

3.1 強(qiáng)度特征分析

試樣抗剪強(qiáng)度隨壁面起伏高度的增加（粗糙度增大）而增大，且與法向應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系. 壁面粗糙度對(duì)巖體峰值抗剪強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的切向位移基本沒有影響. 當(dāng)壁面粗糙度相對(duì)較小時(shí)（見圖10（a）（b）），在1 MPa和2 MPa 法向應(yīng)力下曲線峰值后出現(xiàn)短時(shí)間的陡降現(xiàn)象，分析可能是由于低法向應(yīng)力低粗糙度條件下，軟弱夾層和壁面的摩擦或是咬合能力較弱，壁面起伏處在剪應(yīng)力到達(dá)一定強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞. 在峰值前階段，壁面粗糙度的變化并沒有引起強(qiáng)度曲線規(guī)律性變化，表明壁面粗糙度與峰值前階段沒有相對(duì)應(yīng)的增減關(guān)系.

圖10 不同法向應(yīng)力下試樣切向位移-切向應(yīng)力曲線圖Fig.10 Tangential displacement-tangential stress curves of specimens under different normal stresses

3.2 破壞特征分析

在法向應(yīng)力為1 MPa時(shí)，壁面粗糙度較小的試樣沿著軟弱夾層發(fā)生破壞（見圖11（a）（b）），隨著壁面粗糙度增加，夾層上部試樣（見圖11（c））和下部試樣（見圖11（d））均出現(xiàn)裂紋. 當(dāng)法向應(yīng)力增大到2 MPa時(shí)，壁面粗糙度在較小的情況下即出現(xiàn)破壞裂紋（見圖12（b）），且破壞裂紋與水平面的夾角明顯增大. 隨著法向應(yīng)力繼續(xù)增大，所有試樣均出現(xiàn)破壞裂紋，在法向應(yīng)力4 MPa下破壞裂紋貫穿軟弱夾層，此時(shí)隨著壁面粗糙度的增大，主裂紋與水平面的夾角逐漸減小，并且裂紋數(shù)有所增加（見圖13、14），表明在高法向應(yīng)力下壁面粗糙度大的巖體破壞區(qū)域以裂紋帶的形式出現(xiàn)，裂紋方向與剪切方向大體一致.

圖11 1 MPa法向應(yīng)力下不同壁面粗糙度試樣破壞圖Fig.11 Failure diagrams of specimens with different wall roughness under 1 MPa normal stress

圖12 2 MPa法向應(yīng)力下不同壁面粗糙度試樣破壞圖Fig.12 Failure diagrams of specimens with different wall roughness under 2 MPa normal stress

圖13 3 MPa法向應(yīng)力下不同壁面粗糙度試樣破壞圖Fig.13 Failure diagrams of specimens with different wall roughness under 3 MPa normal stress

圖14 4 MPa法向應(yīng)力下不同壁面粗糙度試樣破壞圖Fig.14 Failure diagrams of specimens with different wall roughness under 4 MPa normal stress

4 結(jié)論

本文自行設(shè)計(jì)并制作了不同粗糙度壁面的含軟弱夾層試樣，通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)，分析了在不同法向應(yīng)力下壁面強(qiáng)度和壁面粗糙度對(duì)含軟弱夾層巖體強(qiáng)度和破壞特征方面的影響，主要得到以下結(jié)論：

1）巖體的峰值抗剪強(qiáng)度與壁面強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系，峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的剪切位移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì).

2）在不同的法向應(yīng)力下壁面強(qiáng)度對(duì)巖體的破壞情況影響不同. 法向應(yīng)力較小時(shí)，隨著壁面強(qiáng)度的增加，試樣主破壞裂紋與水平面的夾角越來越??；法向應(yīng)力較大時(shí)，試樣主破壞裂紋與水平面的夾角越來越大.

3）試樣抗剪強(qiáng)度隨壁面起伏高度的增加（粗糙度增大）而增大，且與法向應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，壁面粗糙度對(duì)巖體峰值抗剪強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的切向位移影響較小.

4）在法向應(yīng)力相對(duì)較低時(shí)，壁面粗糙度小的巖體沿軟弱夾層破壞；隨著壁面粗糙度增大，夾層上部巖體出現(xiàn)破壞裂紋；當(dāng)法向應(yīng)力增大時(shí)，所有試樣均出現(xiàn)破壞裂紋.