廖 軍, 鄧 濤, 唐 剛, 錢小龍,2, 李 鎮(zhèn), 路軍富

(1.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院,四川 成都 610059;2.自貢市城市建設(shè)投資開發(fā)集團(tuán)有限公司,四川 自貢 643000)

巖體由巖石和結(jié)構(gòu)面兩部分組成,但巖體的變形和破壞主要受到結(jié)構(gòu)面控制。結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度特性是巖體的重要力學(xué)性質(zhì)之一,將直接影響巖體工程的安全。針對(duì)結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度特性,國內(nèi)外學(xué)者從不同方面展開了大量的研究。在結(jié)構(gòu)面表面形態(tài)方面,Barton[1]研究了結(jié)構(gòu)面表面形態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的影響;張清照等[2]、周輝等[3]探討了不同形態(tài)(起伏角)的鋸齒形結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度及變形規(guī)律。在尺寸效應(yīng)方面,Bandis等[4]根據(jù)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度直剪試驗(yàn)結(jié)果,給出了抗剪強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的定性描述;Bahaaddini等[5]基于數(shù)值計(jì)算分析了巖體節(jié)理抗剪強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)面充填特征方面,Indraratna等[6]探究了節(jié)理充填度與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系;孫輔庭[7]探究了巖樣結(jié)構(gòu)面注漿前后的剪切規(guī)律。在結(jié)構(gòu)面連通率方面,Lajtai[8]研究了共面非貫通節(jié)理巖體的剪切特性;陳慶芝等[9]研究了不共面非貫通節(jié)理巖體的特性。

風(fēng)化程度是影響結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度特性的主要因素之一。Ismail等[10]、Ram等[11]發(fā)現(xiàn)風(fēng)化程度顯著影響節(jié)理的抗剪強(qiáng)度。Woo等[12]通過節(jié)理面壁抗壓強(qiáng)度和殘余摩擦角來評(píng)價(jià)節(jié)理風(fēng)化過程中抗剪強(qiáng)度的演化規(guī)律。?zvan等[13]發(fā)現(xiàn)風(fēng)化作用會(huì)導(dǎo)致花崗巖節(jié)理的節(jié)理表面粗糙度增加,但表面粗糙度的增加并沒有導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的提高,相反,不連續(xù)面抗剪強(qiáng)度顯著降低。

針對(duì)鋸齒形結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度特性,學(xué)者們[2-3,14-15]探討了鋸齒形結(jié)構(gòu)面形態(tài)(起伏角)的剪切強(qiáng)度和剪切變形的規(guī)律,并建立了鋸齒形結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度估算模型。眾所周知,風(fēng)化作用普遍存在于自然界中,會(huì)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面剪切特性產(chǎn)生不利影響?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn),隨著風(fēng)化程度的增加,巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度降低?，F(xiàn)有研究?jī)H針對(duì)鋸齒形結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度以及起伏角建立鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度公式,但并未考慮風(fēng)化程度這一因素。因此,通過風(fēng)化模擬試驗(yàn)制備不同風(fēng)化程度的鋸齒形結(jié)構(gòu)面試樣,開展結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)探討風(fēng)化程度對(duì)鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度特性的影響規(guī)律,以此建立風(fēng)化作用下灰?guī)r鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度估算模型,對(duì)于在巖體工程中快速獲取灰?guī)r風(fēng)化鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度特性具有重要意義。

1 樣品制備

從現(xiàn)場(chǎng)選取新鮮的灰?guī)r巖樣作為試驗(yàn)材料,加工成起伏角為15°、25°、35°、45°的鋸齒形結(jié)構(gòu)面試樣,單鋸齒長(zhǎng)度L為4 cm,試樣尺寸為100 mm×100 mm×50 mm,部分鋸齒形結(jié)構(gòu)面試樣如圖1所示。

圖1 鋸齒形結(jié)構(gòu)面試樣

根據(jù)鋸齒形結(jié)構(gòu)面起伏角的大小,將其分為4組,每組12個(gè)試樣,共計(jì)48個(gè)試樣,結(jié)構(gòu)面形態(tài)模擬方案如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)面形態(tài)模擬方案

2 鋸齒形結(jié)構(gòu)面風(fēng)化模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

在研究風(fēng)化程度對(duì)鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度特性的影響規(guī)律之前,需要利用結(jié)構(gòu)面風(fēng)化模擬試驗(yàn)制備不同風(fēng)化程度結(jié)構(gòu)面的試樣。相同起伏角大小的結(jié)構(gòu)面試樣選取4個(gè)試樣,4種結(jié)構(gòu)面共計(jì)16個(gè)為1組,共3組(A、B、C組),3組試樣分別進(jìn)行0、20、40次的浸泡-干燥循環(huán)試驗(yàn),鋸齒形結(jié)構(gòu)面試樣的風(fēng)化模擬試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 鋸齒形結(jié)構(gòu)面風(fēng)化試驗(yàn)方案

本次結(jié)構(gòu)面風(fēng)化模擬試驗(yàn)按以下試驗(yàn)方法進(jìn)行:采用先浸泡,再干燥的循環(huán)模式,一次循環(huán)試驗(yàn)為利用Na2SO4溶液[16]作為浸泡環(huán)境,持續(xù)24 h;然后在烘箱里干燥12 h,烘烤溫度控制為105～110 ℃,以此為一次循環(huán)試驗(yàn)[17]。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

利用風(fēng)化模擬試驗(yàn)制備了不同風(fēng)化程度的鋸齒形結(jié)構(gòu)面試樣,為了對(duì)結(jié)構(gòu)面的風(fēng)化程度進(jìn)行判定,需要對(duì)其進(jìn)行波速測(cè)試獲取波速比,根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘查規(guī)范》(JTG C20—2011)[18],對(duì)結(jié)構(gòu)面風(fēng)化程度進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果如圖2所示。

圖2 灰?guī)r結(jié)構(gòu)面風(fēng)化試驗(yàn)結(jié)果

2.3 結(jié)構(gòu)面風(fēng)化機(jī)理淺析

巖體中的結(jié)構(gòu)面會(huì)為各種風(fēng)化提供作用通道,從而使風(fēng)化作用沿結(jié)構(gòu)面向內(nèi)部發(fā)展,導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)及抗剪強(qiáng)度特性劣化[19],如圖3所示。水化學(xué)環(huán)境對(duì)巖體的作用包括物理和化學(xué)兩方面的影響。在物理方面,水會(huì)對(duì)巖體內(nèi)顆粒界面產(chǎn)生潤(rùn)滑作用,破壞礦物顆粒之間的連接[20],同時(shí)水壓力會(huì)對(duì)微裂隙等缺陷產(chǎn)生劈裂作用等;在化學(xué)方面,水化學(xué)溶液會(huì)與礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),出現(xiàn)物質(zhì)改變,并溶解一些礦物,導(dǎo)致巖體微孔隙、微裂隙等微細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,宏觀上表現(xiàn)為巖體抗剪強(qiáng)度特性的改變。

圖3 巖體結(jié)構(gòu)面風(fēng)化示意圖

3 鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

以結(jié)構(gòu)面風(fēng)化試驗(yàn)的結(jié)果為基礎(chǔ),考慮起伏角、風(fēng)化程度與法向應(yīng)力3個(gè)變量,開展室內(nèi)結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn),試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 鋸齒形結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)方案

此次結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)采用如圖4所示的攜帶式巖土力學(xué)多功能試驗(yàn)儀。將不同風(fēng)化程度結(jié)構(gòu)面的試樣利用一定配比的混凝土(水泥、干砂、水的質(zhì)量比為1∶2∶0.5)澆筑成150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣,然后放入內(nèi)模尺寸與試樣大小相同的剪切盒中進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 攜帶式巖土力學(xué)多功能試驗(yàn)儀

采用推剪法進(jìn)行試驗(yàn),施加預(yù)定法向應(yīng)力并保持不變,分階段施加剪切載荷,記錄每次剪切載荷下的剪切位移,最終記錄試驗(yàn)破壞時(shí)的剪切壓力,儀器歸置。

3.2 鋸齒形結(jié)構(gòu)面剪切位移特征

采用本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案可得到不同起伏角鋸齒形結(jié)構(gòu)面在不同法向應(yīng)力條件下的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線,以起伏角為35°的鋸齒形結(jié)構(gòu)面為例,如圖5所示。

圖5 鋸齒形結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線

由圖5可知,隨著剪切位移的增加,剪切應(yīng)力首先呈近似線性增長(zhǎng),達(dá)到峰值剪切應(yīng)力后開始跌落,最終保持近似水平恒定的趨勢(shì),表現(xiàn)為峰值剪斷型曲線。隨著風(fēng)化程度的增加,線性增長(zhǎng)階段的曲線斜率大致相同,說明風(fēng)化程度對(duì)曲線的斜率并無影響。而相同起伏角大小條件下,隨著法向應(yīng)力的增加,峰值剪切應(yīng)力相應(yīng)增加,但線性增長(zhǎng)階段的曲線斜率不同。當(dāng)法向應(yīng)力較低時(shí),鋸齒首先會(huì)發(fā)生爬坡效應(yīng)然后才被剪斷,從而造成剪切位移明顯增大,曲線斜率較小。當(dāng)法向應(yīng)力增大時(shí),爬坡效應(yīng)逐漸減小,最終會(huì)基本消失,曲線斜率明顯加大。

3.3 風(fēng)化程度對(duì)鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的影響

干濕循環(huán)模擬風(fēng)化作用改變了巖體結(jié)構(gòu)面的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性,破壞了巖體顆?；蚓w間的連接,結(jié)構(gòu)面變得更加脆弱,致使其力學(xué)特性隨之發(fā)生變化。不同風(fēng)化程度灰?guī)r鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度曲線

由圖6可知,在相同法向應(yīng)力下,結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度與風(fēng)化程度呈負(fù)相關(guān)。同樣,結(jié)構(gòu)面起伏角越大,其結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度越大。經(jīng)計(jì)算,相對(duì)于起伏角15°未風(fēng)化結(jié)構(gòu)面,微風(fēng)化組平均抗剪強(qiáng)度降低9.76%,弱風(fēng)化組平均抗剪強(qiáng)度降低17.99%;而起伏角為25°和35°的結(jié)構(gòu)面劣化程度相似,與未風(fēng)化試樣相比,起伏角為25°和35°的微風(fēng)化組平均抗剪強(qiáng)度分別降低了8.26%與7.98%,起伏角為25°和35°的弱風(fēng)化組平均抗剪強(qiáng)度降低了12.88%與12.12%;與起伏角為45°的未風(fēng)化結(jié)構(gòu)面相比,微風(fēng)化組平均抗剪強(qiáng)度降低了9.76%,弱風(fēng)化組平均抗剪強(qiáng)度降低了21.63%。

結(jié)合圖5可知,鋸齒形結(jié)構(gòu)面殘余抗剪強(qiáng)度與風(fēng)化程度之間并無明顯的規(guī)律,可能是由于當(dāng)鋸齒被剪斷后不同破裂面的粗糙程度不同,導(dǎo)致摩擦系數(shù)不同,從而影響了殘余抗剪強(qiáng)度的大小。

3.4 風(fēng)化程度對(duì)鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的影響

風(fēng)化作用對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度特性的影響最直觀的表現(xiàn)是結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的降低,而結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度受控于其參數(shù)黏聚力c及摩擦角φ。根據(jù)上述鋸齒形結(jié)構(gòu)面的室內(nèi)直剪試驗(yàn)結(jié)果,得到鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù),如表4所示。

表4 不同風(fēng)化程度下灰?guī)r鋸齒形結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)

從表4可以看出,結(jié)構(gòu)面的黏聚力和摩擦角均隨著風(fēng)化程度的增大而減小。總體上,黏聚力減量百分比均隨著起伏角的增大而減小,說明結(jié)構(gòu)面起伏角越大,其黏聚力對(duì)風(fēng)化作用越不敏感,這是由于起伏角較小的鋸齒形結(jié)構(gòu)面在剪切過程中會(huì)發(fā)生爬坡效應(yīng),鋸齒的尖端發(fā)生剪斷,而起伏角較大時(shí),爬坡效應(yīng)逐漸消失,結(jié)構(gòu)面破壞時(shí),整個(gè)鋸齒從根部被剪斷。同時(shí)因?yàn)轱L(fēng)化作用是一個(gè)由表及里的過程,鋸齒尖端厚度較薄,容易受到風(fēng)化作用的影響,因此強(qiáng)度參數(shù)受風(fēng)化作用劣化嚴(yán)重,而鋸齒根部厚度較厚,越往里受到風(fēng)化的影響越小,表現(xiàn)為更小的劣化程度,但起伏角為25°時(shí),弱風(fēng)化程度的黏聚力劣化程度小于起伏角為35°的情況,其原因可能為試驗(yàn)過程以及試樣的誤差。而無論何種風(fēng)化程度的結(jié)構(gòu)面,其摩擦角減量百分比隨著起伏角的增加均無明顯變化,說明結(jié)構(gòu)面摩擦角對(duì)起伏角大小不敏感。

4 風(fēng)化鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度估算模型

4.1 模型建立

為快速獲取風(fēng)化鋸齒形結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性與強(qiáng)度參數(shù),需建立求解其抗剪強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型。結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度特性主要受結(jié)構(gòu)面自身摩擦阻力和兩壁巖石強(qiáng)度控制。在上述的試驗(yàn)結(jié)果中,結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度由風(fēng)化程度、起伏角i、法向應(yīng)力σ這3個(gè)參數(shù)決定。其中,摩擦阻力與起伏角和法向應(yīng)力有關(guān),而巖壁強(qiáng)度JCS由風(fēng)化作用決定。因此,可將起伏角、σ/JCS作為自變量建立求解抗剪強(qiáng)度(τ)的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式,設(shè)函數(shù)關(guān)系式如下:

τ=F(i,σ/JCS)。

(1)

由于風(fēng)化程度是一個(gè)定性的判定結(jié)果,不能清楚地量化數(shù)學(xué)關(guān)系,所以采用波速比這一定量判定風(fēng)化程度的指標(biāo)代替風(fēng)化程度,通過回彈試驗(yàn)建立回彈值與波速比的關(guān)系,如圖7所示。擬合結(jié)果為

圖7 波速比kv與巖壁強(qiáng)度回彈值關(guān)系曲線

Re=44.609kv-9.902 1。

(2)

式中:kv為波速比;Re為回彈值,MPa。

巖壁強(qiáng)度可以依據(jù)回彈值進(jìn)行估算[1],計(jì)算式為

lgJCS=0.000 863γdRe+1.01。

(3)

式中:JCS為巖壁強(qiáng)度,MPa;Re為回彈值,MPa;γd為巖石干密度。

因此,將式(2)代入到式(3)中,即可求解巖壁強(qiáng)度:

JCS=100.000 863γd(44.609kv-9.902 1)+1.01。

(4)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,利用MATLAB軟件建立與起伏角及σ/JCS相關(guān)的風(fēng)化鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度估算模型:

τ=-209(σ/JCS)2+0.16iσ/JCS+

46σ/JCS+0.018i-0.5。

(5)

式中:i為結(jié)構(gòu)面起伏角,(°);σ為法向應(yīng)力,MPa;τ為結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度,MPa;JCS為巖壁強(qiáng)度,MPa。

4.2 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述風(fēng)化鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度估算模型的準(zhǔn)確性,選取試驗(yàn)建模數(shù)據(jù)的模型計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行誤差分析。檢驗(yàn)指標(biāo)根據(jù)相對(duì)誤差Δ及平均相對(duì)誤差δ來評(píng)估模型的準(zhǔn)確性:

(6)

(7)

式中:n為試驗(yàn)組數(shù)。

圖8為抗剪強(qiáng)度模型值與實(shí)測(cè)值對(duì)比?？梢钥闯?模型值與計(jì)算值相對(duì)誤差最大為22.74%,平均相對(duì)誤差為9.52%,效果良好。因此,該模型具有良好的可靠性,可快速有效地估算風(fēng)化作用下灰?guī)r鋸齒形結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。

圖8 抗剪強(qiáng)度模型值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 結(jié)論

(1)鋸齒形結(jié)構(gòu)面的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線先近似線性增加,達(dá)到峰值剪切應(yīng)力后跌落,最后基本趨于穩(wěn)定,保持一定的殘余抗剪強(qiáng)度,表現(xiàn)為峰值剪斷型。

(2)隨著風(fēng)化程度的增加,灰?guī)r鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),其抗剪強(qiáng)度參數(shù)發(fā)生不同程度的劣化,黏聚力的劣化程度大于摩擦角。

(3)基于模型試驗(yàn)結(jié)果,建立了風(fēng)化鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度估算模型,其檢驗(yàn)效果良好,為快速準(zhǔn)確獲取并評(píng)價(jià)灰?guī)r風(fēng)化鋸齒形結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度特性提供了一種簡(jiǎn)便易行的方法。