含Z型相交裂隙巖體剪切力學行為研究*

劉新榮 劉馨琳 許 彬 王子娟 曾 夕 陳 欣

(①重慶大學土木工程學院,重慶 400045,中國)(②重慶大學庫區環境地質災害防治國家地方聯合工程研究中心,重慶 400045,中國)(③重慶大學山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室,重慶 400045,中國)(④重慶工商大學管理科學與工程學院,重慶 400067,中國)

0 引 言

一般地,巖石在各種地質作用下形成大量不連續界面,如裂縫、節理、弱面、夾層以及斷層,這些不連續界面對巖體的剪切力學行為和結構穩定性都有顯著影響(劉東燕,2014)。在巖石類型、風化程度、巖石尺寸、節理形態、法向應力、含水率等因素的影響下,含結構面巖體展現出復雜的剪切力學行為。通過實際工程研究表明,結構面形態是控制巖體強度和變形等力學性質的關鍵因素(Gehle et al.,2003; Brideau et al.,2008; 劉紅巖等,2013; 陳國慶等,2017; Liu et al.,2021)。因此,深入研究不同傾角和法向應力條件下,含不同Z型相交裂隙巖體的剪切力學行為具有重要的理論價值和工程意義。

國內外學者對含結構面巖石強度、變形及破壞模式的研究已做了大量的工作,取得了諸多成果。Brideau et al.(2008),Liu et al.(2021)強調預先存在的巖體裂隙對脆性完整巖石物理力學性質的重要影響。Gehle et al.(2003)通過對巖類材料試樣的直接剪切試驗,確認了裂隙傾角和法向應力是控制巖石剪切的重要參數。由此表明研究巖體結構面剪切力學行為時考慮裂隙形態及法向應力的影響十分必要。

目前對巖體結構面的研究主要集中于強度及變形特征和損傷裂紋演化過程及破壞模式兩方面。在剪切強度及變形特征方面,孫祥等(2020)通過室內直剪試驗發現峰值剪切應力及峰值剪切位移隨法向應力增大及節理連通率下降而增大; 王志文等(2019)對共面斷續節理巖體采用顆粒離散元法研究了剪應力-水平位移曲線并分為3個發展階段; 陳國慶等(2017)通過室內直剪實驗探究了不同形態、連通率及排列方式和不同法向應力狀態的巖橋對斷續節理巖體破壞的影響規律; 劉新榮等(2018,2021)通過直剪試驗和PFC2D離散元程序,研究了二階起伏體貫通型鋸齒狀(波浪狀)砂巖試樣剪切強度和變形特征。在裂紋演化過程及破壞模式方面,黃達等(2020)通過數值模擬試驗分析了拉-壓應力狀態下巖石損傷演化過程; 劉遠明等(2006,2010)根據直剪試驗和理論分析,研究了非貫通節理巖體破壞機理,并提出了貫通破壞強度準則和貫通破壞模式; 趙海軍等(2019)通過連續介質力學模型的離散元方法,研究了單一裂隙、雁列式平行裂隙及豎直共線斷續裂隙巖體裂隙擴展規律及其對巖體破壞路徑的影響; 王桂林等(2018)通過室內單軸壓縮試驗和顆粒流模擬,研究了砂巖含Z型裂隙時的裂紋擴展,并分析了其破裂演化機制; 李勇等(2019)研究了含平行雙裂隙的水泥砂漿試件在不同裂隙傾角下裂紋的發展機理及裂紋擴展演化規律; 黃達等(2019)采用法向應力逐漸卸荷而剪切應力保持恒定的直剪試驗方法,研究了裂隙與剪切方向的夾角及應力水平對單裂隙砂巖試樣破裂演化的影響規律; 劉新榮等(2020)通過單軸壓縮試驗,分析了含不同夾角V型相交裂隙巖體試件的裂紋演化與破壞模式及能量耗散特征?？傮w上,在自然界中巖體裂隙存在多種貫通模式,大多學者把貫通、平行、非平行裂隙或單裂隙的巖體作為主要研究對象,然而對Z型相交裂隙的研究較少,且多以單軸壓縮實驗為其研究的通用手段。特別地,以天然巖石加工的試樣為研究對象,并考慮裂隙傾角和法向應力影響的含Z型相交裂隙巖體剪切強度及變形特征和損傷裂紋演化過程及破壞模式的研究文獻鮮有報道。

鑒于此,本文采用水刀切割加工制作含Z型相交裂隙巖體試樣,開展室內恒定法向荷載(CNL)單向靜力直剪試驗,從而探究不同傾角和法向應力下含Z型相交裂隙巖體試樣的剪應力-位移曲線特征,并對其剪切強度與變形特征進行分析,基于此揭示含Z型相交裂隙巖體的宏觀損傷裂紋演化規律并總結出其典型破壞模式。研究成果以期對裂隙巖體剪切力學行為和破壞模式的研究理論進行完善,并為工程巖體穩定性評價提供參考價值。

1 試驗介紹

1.1 試驗材料

本次試驗所用的灰巖試樣取自三峽庫區(巫山段)某庫岸邊坡,坡體巖性以灰巖、泥質灰巖及白云巖為主。通過對試樣進行室內物理力學特性試驗,獲得密度、抗壓強度、彈性模量、泊松比、黏聚力及內摩擦角等物理力學參數,試驗結果見表1。

表1 試驗材料物理力學參數

1.2 試驗模型設計與制作

根據規范(中華人民共和國國家標準編寫組,2013)對剪切面的尺寸限制并考慮水刀切割對巖板厚度的尺寸限制,以及考慮剪切試驗設備尺寸、參考相關文獻,本文最終選擇試樣尺寸:長100mm,寬40mm,高60mm。同時定義試樣裂隙幾何參數如下:α為預制平行裂隙與水平面的夾角,a為水平裂隙長度,b為預制平行裂隙長度,本次試驗考慮了5種不同傾角(0°、15°、30°、45°、60°)的預制平行裂隙,為了減小試樣幾何邊界的影響,裂隙應當位于試樣中間,如圖1所示。

圖1 試樣幾何尺寸示意圖(單位:mm)

本文試樣采用大型巖石切割機切割并采用巖石打磨機打磨,Z型相交裂隙采用高壓水射切割機切割,原巖試樣加工流程如圖2所示。

圖2 現場取樣及試樣加工流程圖

1.3 試驗工況

為研究不同傾角的預制平行裂隙對巖石試樣力學性質和破壞模式的影響,設計了不同參數的Z型相交裂隙試樣:裂隙長度a為15mm,b為15mm。具體試驗方案見表2。

表2 試驗工況設計

1.4 試驗設備及加載方案

室內直剪試驗在WDAJ-600型微機控制電液伺服巖石剪切流變試驗機上進行,采用室內恒定法向荷載(CNL)單向靜力直剪加載方式,加載速率為0.5mm·min-1,采用活塞式油缸單向或雙向加載,測力和位移傳感元件分別為負荷式和磁致式傳感器。

此外,為了減小剪切盒和試樣之間摩擦力對試驗結果的影響,試驗前需在接觸面涂抹適量潤滑劑,用來減小摩擦約束和應力集中。試驗數據由多通道智能數據采集儀和電腦采集; 試樣裂隙的產生、發展和貫通由高速攝像機進行拍攝監測,并由電腦記錄。試驗所用設備及加載示意圖見圖3。

圖3 試驗設備及加載示意圖

2 試驗結果及分析

2.1 剪切強度和變形特征

剪應力-剪位移曲線能較好地反映試件剪切破壞特征。不同裂隙傾角試件剪應力-剪位移曲線如圖4所示,可明顯看出試件在恒定法向軸壓剪切破壞的過程中有不同的發展階段。因不同法向正應力和裂隙傾角下曲線變化規律相似,本文僅選取法向軸壓為6MPa,裂隙傾角為0°的剪應力-剪位移曲線為例,將曲線分為4個變形和破壞階段:預制裂隙和孔隙壓實階段,準線性變形階段,峰前不穩定斷裂發展階段,峰后殘余強度階段,如圖5所示。

圖5 剪應力-剪位移曲線不同階段破壞劃分

(1)第1階段,預制裂隙和孔隙壓實階段(OA段):法向應力恒定,加載初期剪應力逐漸緩慢增加,試件受到剪切作用。初始階段曲線向上攀升,但明顯呈下凹的形態。在這一階段,試樣的預制裂隙和內部孔隙被壓實,導致初始微裂紋的閉合。隨著剪切位移的增加,剪應力-剪位移曲線逐漸進入準線彈性變形階段。

(2)第2階段,準線性變形階段(AB段):加載過程中曲線保持一定的斜率,剪應力隨著剪切位移近似線性增大。巖石試件發生剪切彈性變形的同時,預制結構面也產生小的剪切變形。隨著剪切位移的增大,可觀察到預制裂隙尖端或者試件兩側端面存在初始裂紋的發展。剪切位移繼續增大,裂紋擴展并迅速穩定。由于二次裂紋的產生,曲線可能在局部出現較小的應力降,這是因為節理尖端的能量釋放,在宏觀上,剪應力并沒有喪失,而是繼續呈波動起伏狀態線性增大。

(3)第3階段,峰前不穩定斷裂發展階段(BC段):加載后期剪應力增長趨勢減緩,因此曲線略有向上凸起的形態。這一階段應變能逐漸積累到極限,巖石試件開始發生不穩定斷裂破壞,試件連續脆性斷裂,部分試件裂縫周圍的表層巖石崩落,同時可觀察到曲線較小的應力降。剪應力達到峰值時,裂縫的擴展和貫穿路徑為能量消耗最小的路徑,試件破裂貫通。

這一階段可以進一步分為3種類型:①在峰值應力之前,曲線從近線性增長逐漸過渡到略微向上凸起,且無明顯的應力降,如圖4c中的α=0°曲線,反映了裂隙的連續擴展過程; ②在峰值應力之前,曲線基本保持第二階段的近線性增長,向上凸起部分在很短的剪切位移內,且無明顯的應力降,如圖4b中的α=30°曲線,反映了裂隙突然發展貫通的過程; ③在峰值應力之前,曲線存在明顯的應力降,如圖4a中的α=0°曲線,反映了裂隙擴展的方向或位置發生了變化,或裂隙擴展路徑中的破壞模式發生了變化。

(4)第4階段,峰后殘余強度階段(CD段):在此加載階段,剪切位移增長較小,剪切應力急劇下降,曲線陡降。當剪切應力達到峰值強度時,試件的能量突然釋放,裂隙突然發展貫通,即剪切應力突然下降。由于剪切位移控制的單向加載試驗設備控制精度不夠,導致曲線產生滯后回線的假象。當傾斜裂隙夾角或法向應力較大時,試件不能沿宏觀結構面剪切滑動,即發生啃咬破壞,應力下降。

2.2 剪切力學行為影響因素分析

本文考慮了裂隙傾角、法向應力兩個因素對試件剪切強度的影響。依據直接剪切試驗采集到的數據,圖6為不同裂隙傾角條件下峰值強度與法向應力的關系,圖7為不同法向應力條件下峰值強度與裂隙傾角的關系。

圖6 不同裂隙傾角峰值強度與法向應力的關系

圖7 不同法向應力峰值強度與裂隙傾角的關系

由圖6分析可知,相同裂隙傾角條件下,試件的剪切峰值強度隨著法向正應力的增加呈近似線性增長趨勢,曲線增長速率隨著裂隙傾角的增大而減小。特別地,裂隙傾角α=0°～60°相鄰工況剪切峰值強度差值越來越小,法向正應力為4MPa時裂隙傾角α=45°和60°兩者剪切峰值強度相近。

由圖7分析可知,相同法向正應力條件下,試件的剪切峰值強度隨著裂隙傾角的增加而減小,且不同法向正應力的變化趨勢基本一致(降低趨勢均為先陡降后緩降)。在裂隙傾角α=0°～30°之間,試件峰值強度減小相對較快; 在裂隙傾角α=30°～60°之間,減小速率趨于平緩。一般地,裂隙傾角較大條件下試件剪切變形產生張拉裂隙較多,剪切峰值強度較小,而裂隙傾角較小條件下試件主要為剪切破壞,剪切峰值強度較大。

2.3 宏觀損傷裂紋演化過程與破壞模式

2.3.1 宏觀損傷裂紋演化過程

通過對試件裂隙擴展過程的拍照記錄,可以初步觀察擴展裂紋的斷裂特征,破壞模式和截面形態。所有試件如圖8所示。剪切斷裂面上有白色的剪切和擠壓劃痕、破碎的剪切碎片和剪切斷裂區,而拉伸斷裂面多為灰色,無白色巖粉,如圖9所示?；诖?分析了不同裂隙傾角試件在不同正應力作用下的宏觀損傷裂紋演化過程和剪切破壞模式。特別地,由于試件本身質量的不同與預制裂隙加工的誤差,部分試件的破壞形態比較復雜,但總的來說,能總結出相對明顯的規律。

圖8 不同工況最終損壞形態

圖9 斷裂面特征

由圖10分析可知,含Z型相交裂隙巖體的宏觀損傷裂紋演化過程分為3個階段(階段P1～P3)。宏觀損傷裂紋演化階段P1:初始壓密彈性階段少量的初始微裂紋在預制裂隙尖端或試件兩側端面產生,試件所吸收的能量大部分被轉換為彈性能儲存起來,小部分用于巖石微裂隙及結構面壓密。宏觀損傷裂紋演化階段P2:裂紋擴展增長階段宏觀裂紋繼續在初始微裂紋的基礎上發展,可觀察到明顯的裂紋開裂發展路徑,部分試件裂紋發展過程伴隨著表面巖體的脆性剝落。夾角45°～60°的情況下,部分試件初始裂紋在預制裂隙中段出現,試件加載到一定程度,初始裂紋停止發展,預制裂隙尖端萌生最終破壞貫穿的裂紋。擴展裂紋尖端應力強度因子會隨著擴展長度的增加而降低,導致在預制裂紋新的地方產生新的分支裂紋。宏觀損傷裂紋演化階段P3:貫通斷裂破壞階段試件在壓剪的作用下應力達到峰值,迅速脆性斷裂,裂紋最終發展貫通試件側面,喪失剪切承載能力,試件徹底破壞。

圖10 預制裂隙宏觀損傷裂紋演化過程

2.3.2 典型破壞模式

由于試驗中的預制Z型裂隙貫穿試件,試件前后兩面的裂隙形態及破壞模式基本相同,因此,只對試件單面的破壞模式進行分析?？偟膩碚f,可以總結為3種典型的破壞模式:拉伸破壞、剪切破壞和拉剪混合破壞。其典型試件的不同演化階段,剪切斷面以及宏觀裂紋損傷演化過程簡圖如圖10所示(S為剪切破壞,T為拉伸破壞)。拉伸裂紋沒有明顯顆粒摩擦的痕跡,斷面平整且呈黑灰色; 剪切裂紋有明顯的顆粒摩擦痕跡,斷面粗糙且呈灰白色,并存在表面巖石碎屑剝落的現象。

(1)拉伸破壞模式:從預制傾斜裂隙上部尖端向上發展(從下部尖端向下發展)的裂紋被稱為翼裂紋; 從傾斜裂隙上部尖端向下發展(從下部尖端向上發展)的裂紋被稱為反翼裂紋。拉伸破壞一般以翼型裂紋的形式在預制傾斜裂隙兩端出現,裂紋細長,并逐漸向試件邊界擴展貫通,走勢平滑(圖10(1)),該模式常出現在法向軸壓σ=2MPa時。

(2)剪切破壞模式:從傾斜裂隙尖端沿著傾斜角度發展的裂紋被稱為共面剪切裂紋; 從傾斜裂隙尖端與傾斜角度呈一定角度發展的裂紋被稱為斜向剪切裂紋。剪切破壞一般在預制裂紋尖端出現,也有從試件邊緣兩端向預制裂隙發展的情況,這些裂隙互相搭接形成貫通的剪切破壞面,裂紋粗糙,伴有巖石顆粒剝落的現象,走勢凹凸不平(圖10(2)),該模式常出現在法向軸壓σ=6MPa且裂隙傾角α=0°和15°時。

(3)拉剪混合破壞模式:剪切裂紋和拉伸裂紋的擴展貫通,根據這兩種裂紋的宏觀演化過程以及分布區域的不同,拉剪混合破壞可以分為以下兩種:①拉伸-剪切貫通模式:裂紋的擴展方向是先在預制裂隙尖端或試件邊緣產生拉伸翼裂紋,向試件中部擴展到一定程度后以剪切裂紋的模式繼續擴展貫通。特別地,剪切裂紋的擴展方向慢慢向水平靠攏(圖10(3a))。該模式常出現在法向軸壓σ=4MPa,6MPa且裂隙傾角α=30°～60°時。②剪切-拉伸-剪切貫通模式:剪切裂紋先在試件邊緣沿近水平方向擴展一定距離,再轉變為拉伸裂紋延伸,最后以剪切破壞模式貫通試件; 剪切裂紋先在預制裂隙尖端沿近水平方向擴展一定距離,再在試件邊緣向預制裂隙延伸,最后裂隙搭接以拉伸破壞模式貫通試件。裂隙呈現三段式特征(圖10(3b))。該模式常出現在σ=4MPa時。不同裂隙傾角和法向應力條件下,試件的擴展裂紋類型列于表3,總結如下:

表3 試件的裂紋類型

(1)α=0°和15°時,剪切破壞模式和以剪切破壞為主的拉剪混合破壞模式占裂紋擴展類型的主要部分;α=30°～60°時,拉伸破壞模式和以拉伸破壞為主的拉剪混合破壞模式占裂紋擴展類型的主要部分。即隨著預制裂隙傾角的增加,裂紋擴展從剪切主導的張剪混合擴展逐漸轉變為張拉主導的張剪混合擴展。

(2)σ=2MPa時,拉伸破壞模式占裂紋擴展類型的主要部分;σ=4MPa時,裂紋擴展類型以剪切-拉伸-剪切破壞模式為主,拉伸-剪切破壞模式為輔;σ=6MPa時,裂紋擴展類型以剪切主導的拉剪混合破壞模式為主,剪切破壞模式為輔。即隨著法向應力的增加,裂紋擴展從張拉主導的張剪混合擴展逐漸轉變為剪切主導的張剪混合擴展。

3 結 論

針對含Z型相交裂隙灰巖試件,考慮裂隙傾角和法向應力的影響,采用直接剪切試驗對其剪切力學行為進行研究,主要得到以下結論:

(1)含Z型相交裂隙試件恒定法向軸壓剪切破壞的剪應力-剪位移曲線可分為4個變形破壞階段:預制裂隙和孔隙壓實階段,準線性變形階段,峰前不穩定斷裂發展階段,峰后殘余強度階段。第3階段可以根據上凸段位移和是否有應力降進一步分為3種類型。

(2)在裂隙傾角角度相同的條件下,試件的峰值剪應力隨法向應力的增加呈近似線性增長趨勢。在法向應力大小相同的條件下,試件的峰值剪應力隨裂隙傾角的增大而減小(降低趨勢為先陡降后緩降)。

(3)含Z型相交裂隙試件宏觀損傷裂紋演化過程可分為初始壓密彈性階段、裂紋擴展增長階段及貫通斷裂破壞階段。根據試件最后單面剪切裂隙破壞的分析,破壞模式可以分為拉伸破壞、剪切破壞和拉剪混合破壞3種。其中拉剪混合破壞模式又可以分為拉伸-剪切貫通和剪切-拉伸-剪切貫通兩種。隨著預制裂隙傾角的增加,裂紋擴展從剪切主導的張剪混合擴展逐漸轉變為張拉主導的張剪混合擴展。隨著法向應力的增加,裂紋擴展從張拉主導的張剪混合擴展逐漸轉變為剪切主導的張剪混合擴展。